JP6891369B2 - Power transmission system and seat for power transmission - Google Patents
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本発明は、非接触型の電力伝送システム及びこの電力伝送システムの送電装置を応用した電力送電用シートに関する。 The present invention relates to a non-contact type power transmission system and a power transmission sheet to which the power transmission device of the power transmission system is applied.
非接触型の電力伝送の方式では、送電側のコイルを流れる電流により発生する磁界が、対向する受電側のコイルを流れる電流に電磁的に結合して、受電側のコイルに電流が流れる。このような非接触型の電力伝送の方式において、送受電コイルのそれぞれにコンデンサを接続して共振回路を構成し、その共振周波数で電力を伝送する「磁界共振結合方式」が知られている。磁界共振結合方式は、送電側コイルと受電側コイルとの間の距離が数十ｃｍ〜数ｍ程度であれば高効率の電力伝送が可能であるため、様々な用途への応用が期待されている。しかしながら、一般的に磁界共振結合方式では、送電側及び受電側の各コイルの軸の位置が、軸に垂直な方向において互いにずれると、電力伝送効率が悪化してしまう。 In the non-contact type power transmission method, the magnetic field generated by the current flowing through the coil on the power transmission side is electromagnetically coupled to the current flowing through the coil on the opposite power receiving side, and the current flows through the coil on the power receiving side. In such a non-contact type power transmission method, a "magnetic field resonance coupling method" is known in which a capacitor is connected to each of the power transmission / reception coils to form a resonance circuit and power is transmitted at the resonance frequency. The magnetic field resonance coupling method is expected to be applied to various applications because highly efficient power transmission is possible if the distance between the power transmitting side coil and the power receiving side coil is about several tens of cm to several meters. There is. However, in general, in the magnetic field resonance coupling method, if the positions of the axes of the coils on the power transmission side and the power reception side deviate from each other in the direction perpendicular to the axes, the power transmission efficiency deteriorates.
一方、互いに同じ向きの磁界をそれぞれ発生させる複数の領域を呈するように一平面上に形成された複数の単位コイルによって、位置ずれに起因する電力伝送効率の低減を抑制する技術が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１に記載されたコイルでは、幾何学的形状やコイルの設計が複雑になり、コイル当たりの巻線の長さが増大してしまう。
On the other hand, a technique has been proposed in which a plurality of unit coils formed on one plane so as to exhibit a plurality of regions that generate magnetic fields in the same direction with each other suppress a reduction in power transmission efficiency due to misalignment. (See Patent Document 1). However, in the coil described in
本発明は、簡単な幾何学的形状の構成で、コイル間の相対的な位置ずれに起因する電力伝送効率の低減を抑制可能な電力伝送システム及びこの電力伝送システムの送電装置を応用した電力送電用シートを提供することを目的とする。 The present invention is a power transmission system capable of suppressing a reduction in power transmission efficiency due to relative misalignment between coils with a simple geometrical shape configuration, and power transmission by applying the power transmission device of this power transmission system. The purpose is to provide a sheet for use.
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、第１平面上に配置された長方形状の送電コイルと、第１平面に平行に対向する第２平面上に配置され、送電コイルの長辺に直交する長辺であって、送電コイルの短辺より長い長辺及び送電コイルの長辺より短い短辺を有する長方形状の受電コイルとを備え、受電コイルが、送電コイルから非接触で電力を受電する電力伝送システムであることを要旨とする。 In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention is a rectangular power transmission coil arranged on the first plane and a power transmission coil arranged on a second plane parallel to the first plane. A rectangular power receiving coil having a long side orthogonal to the long side of the power transmission coil and having a long side longer than the short side of the power transmission coil and a short side shorter than the long side of the power transmission coil. The gist is that it is a power transmission system that receives power by contact.
本発明の第２の態様は、第１平面上の一方向に沿って一定ピッチ、同一配向、同一寸法で周期的に配置された長方形状の複数の送電コイルと、第１平面に平行に対向する第２平面上に配置され、送電コイルの長辺に直交する長辺であって、送電コイルの短辺より長い長辺、及び送電コイルの長辺より短い短辺を有する長方形状の受電コイルとを備え、受電コイルが、第１平面上を平行移動することにより、複数の送電コイルのそれぞれから非接触で電力を順次受電する電力伝送システムであることを要旨とする。 A second aspect of the present invention is to face a plurality of rectangular transmission coils periodically arranged at a constant pitch, the same orientation, and the same dimensions along one direction on the first plane in parallel with the first plane. A rectangular power receiving coil arranged on the second plane and having a long side orthogonal to the long side of the power transmission coil and having a long side longer than the short side of the power transmission coil and a short side shorter than the long side of the power transmission coil. It is a gist that the power receiving coil is a power transmission system that sequentially receives power from each of a plurality of power transmitting coils in a non-contact manner by moving in parallel on the first plane.
本発明の第３の態様は、第１平面上から非接触で伝送される電力で、第１平面の上方を平行に走行する移動体に電力を送電するための電力送電用シートであって、第１平面上の少なくとも一方向に沿って一定ピッチ、同一配向、同一寸法で周期的に配置された長方形状の複数の送電コイルを備え、第１平面に平行に対向する第２平面を移動体の底面とし、該底面に固定された、送電コイルの長辺に直交する長辺であって、送電コイルの短辺より長い長辺、及び送電コイルの長辺より短い短辺を有する長方形状の受電コイルに、複数の送電コイルのそれぞれから電力が順次送電される電力送電用シートであることを要旨とする。 A third aspect of the present invention is a power transmission sheet for transmitting power to a moving body running in parallel on the first plane, which is power transmitted from the first plane in a non-contact manner. It is provided with a plurality of rectangular power transmission coils periodically arranged at a constant pitch, the same orientation, and the same dimensions along at least one direction on the first plane, and moves on a second plane parallel to the first plane. A rectangular shape having a long side orthogonal to the long side of the power transmission coil, which is fixed to the bottom surface and has a long side longer than the short side of the power transmission coil and a short side shorter than the long side of the power transmission coil. The gist is that it is a power transmission sheet in which power is sequentially transmitted from each of a plurality of power transmission coils to the power receiving coil.
本発明によれば、簡単な幾何学的形状の構成で、コイル間の相対的な位置ずれに起因する電力伝送効率の低減を抑制可能な電力伝送システム及びこの電力伝送システムの送電装置を応用した電力送電用シートを提供することができる。 According to the present invention, a power transmission system capable of suppressing a reduction in power transmission efficiency due to relative misalignment between coils and a power transmission device of this power transmission system are applied with a simple geometrical shape configuration. A sheet for power transmission can be provided.
以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の関係や比率などは実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するためのシステムや装置を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。 Hereinafter, the first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are designated by the same or similar reference numerals, and duplicate description will be omitted. However, the drawings are schematic, and the relationships and ratios of each dimension may differ from the actual ones. In addition, there may be parts in which the relations and ratios of the dimensions of the drawings are different from each other. Further, the embodiments shown below exemplify a system or an apparatus for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention describes the material, shape, structure, and arrangement of components. Etc. are not specified as the following.
また、以下の説明における「上方」や「下方」等の上下の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を９０°回転して観察すれば上下と左右とは交換して読まれ、１８０°回転して観察すれば上下が反転して読まれることは勿論である。 Further, the upper and lower definitions such as "upper" and "lower" in the following description are merely definitions for convenience of explanation and do not limit the technical idea of the present invention. For example, if the object is rotated by 90 ° and observed, the top and bottom and the left and right are exchanged and read, and if the object is rotated by 180 ° and observed, the top and bottom are reversed and read.
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る電力伝送システムは、図１に示すように、送電コイル１１を有する送電装置１０と、送電コイル１１から非接触で電力を受電する受電コイル２１を有する受電装置２０とを備える。送電コイル１１及び受電コイル２１の平面形状は、何れも図２に示すように長方形である。第１実施形態に係る電力伝送システムでは、送受電コイルのそれぞれにコンデンサを接続して共振回路を構成している。長方形の送電コイル１１に共振回路の共振周波数付近の周波数を持つ電流が流れることにより発生する磁界が、長方形の受電コイル２１を有する受電側の共振回路の共振周波数付近で振動することにより、送電コイル１１から対向する受電コイル２１に磁気共鳴で電力が伝送される磁界共振結合方式の無線電力伝送システムである。
(First Embodiment)
As shown in FIG. 1, the power transmission system according to the first embodiment of the present invention includes a
送電装置１０は、長方形の送電コイル１１を有する送電コイルユニット３０と、送電コイル１１と共に送電側共振回路（１１，１２）を構成する送電側共振コンデンサ１２と、送電側共振回路（１１，１２）のインピーダンス整合を行う送電側整合回路１３と、送電側整合回路１３を介して送電側共振回路（１１，１２）に交流電流を供給する電源回路１４と、電源回路１４の駆動を制御する第１の制御回路１５とを備える。
The
図２及び図３に示すように、送電コイルユニット３０の物理的構成は、アルミニウム等の金属材料からなる矩形平板状の第１の遮蔽板３１と、第１の遮蔽板３１の上方に第１の遮蔽板３１に沿うように配置され、フェライト等の強磁性体からなる矩形平板状の第１の磁性シート３２と、第１の磁性シート３２の上方において第１の磁性シート３２に沿う矩形平板状の送電コイル１１と、第１の遮蔽板３１、第１の磁性シート３２及び送電コイル１１を覆う第１のカバー３３とを備えるシート状の構成である。
As shown in FIGS. 2 and 3, the physical configuration of the power
受電装置２０は、図１に示すように長方形の受電コイル２１を有する受電コイルユニット４０と、受電コイル２１と共に受電側共振回路（２１，２２）を構成する受電側共振コンデンサ２２と、受電側共振回路(２１，２２)のインピーダンス整合を行う受電側整合回路２３と、受電側整合回路２３を介して受電側共振回路(２１，２２)から供給される電力を消費する負荷側の回路である負荷回路２４と、負荷回路２４の駆動を制御する第２の制御回路２５とを備える。
As shown in FIG. 1, the
送電コイルユニット３０と同様に、受電コイルユニット４０の物理的構成も図２及び図３に示すように、アルミニウム等の金属材料からなる矩形平板状の第２の遮蔽板４１と、第２の遮蔽板４１の下方に第２の遮蔽板４１に沿うように配置され、フェライト等の強磁性体からなる矩形平板状の第２の磁性シート４２と、第２の磁性シート４２の下方において第２の磁性シート４２に沿う矩形平板状の受電コイル２１と、第２の遮蔽板４１、第２の磁性シート４２及び受電コイル２１を覆う第２のカバー４３とを備える。
Similar to the
送電コイルユニット３０を構成している第１の遮蔽板３１は、図３において図示を省略したスペーサ等により、所定の間隔を空けた状態で第１の磁性シート３２を支持する。第１の遮蔽板３１は、送電コイル１１側に生じた磁束を遮蔽する他、送電コイル１１及び第１の磁性シート３２により生じる熱を放散する放熱板として機能し得る。第１の磁性シート３２は、送電コイル１１の下方に生じる磁束の変化により遮蔽板３１に発生する渦電流を防止し、熱損失を低減する。第１の磁性シート３２は、樹脂等の絶縁材料からなるスペーサや被覆により、送電コイル１１と電気的に絶縁され、所定の間隔を空けた状態で送電コイル１１を支持する。
The
送電コイル１１は図２に示すように、第１の遮蔽板３１及び第１の磁性シート３２に沿う第１平面上に長方形状に巻かれる。具体的には、送電コイル１１は、第１平面上の長さａ１の長辺及び幅ｂ１の短辺を有する長方形の４辺に沿って巻かれたリッツ線等の巻線からなる。送電コイル１１は、概略として矩形平板状に形成された渦巻き型（サーキュラ型）のコイルである。図２及び図３において、送電コイル１１の巻数が２であるように図示されているが、例示であり、送電コイル１１の巻数は、単数であっても３以上の複数であってもよい。
As shown in FIG. 2, the
受電コイルユニット４０の第２の遮蔽板４１は、例えば、図示を省略したスペーサ等により、所定の間隔を空けた状態で第２の磁性シート４２を支持する。第２の遮蔽板４１は、受電コイル２１側に生じた磁束を遮蔽する他、受電コイル２１及び第２の磁性シート４２により生じる熱を放散する放熱板として機能し得る。第２の磁性シート４２は、受電コイル２１の上方に生じる磁束の変化により遮蔽板４１に発生する渦電流を防止し、熱損失を低減する。第２の磁性シート４２は、樹脂等の絶縁材料からなるスペーサや被覆により、受電コイル２１と電気的に絶縁され、所定の間隔を空けた状態で受電コイル２１を支持する。
The
受電コイル２１は図２に示すように、第２の遮蔽板４１及び第２の磁性シート４２に沿う第２平面上に長方形状に巻かれる。具体的には、受電コイル２１は、第２平面上の長さａ２の長辺及び幅ｂ２の短辺を有する長方形の４辺に沿って巻かれたリッツ線等の巻線からなる。受電コイル２１は、概略として矩形平板状に形成された渦巻き型（サーキュラ型）のコイルである。図２及び図３では、送電コイル１１の巻数が２であるように図示されているが、例示であり、送電コイル１１の巻数は、単数であっても３以上の複数であってもよいことは送電コイル１１と同様である。
As shown in FIG. 2, the
ここで、送電コイル１１の軸は、長方形の重心を通る第１平面の法線に一致するように定義され、受電コイル２１の軸は、長方形の重心を通る第２平面の法線に一致するように定義される。受電コイル２１がなす第２平面と、送電コイル１１がなす第１平面とは互いに平行であるので、第１平面の法線と第２平面の法線とは同一方向に定義される。図２に示すように第１実施形態に係る電力伝送システムでは、送電コイル１１の長辺が受電コイル２１の長辺に、軸方向から見た平面パターン上直交していることが特徴である。
Here, the axis of the
第１実施形態に係る電力伝送システムでは、送電コイル１１の長辺と受電コイル２１の長辺とを直交させることにより、送電コイル１１と受電コイル２１との相対的位置が一定の範囲内で変化しても、送電コイル１１の平面パターンと受電コイル２１の平面パターンとが重なる部分で定義される伝送領域Ｒの面積を一定とすることができる。即ち、送電コイル１１の長辺と受電コイル２１の長辺とを直交させることにより、受電コイル２１が送電コイル１１から受け取る磁束が一定となるので、電力伝送効率ηの変化が抑制される。
In the power transmission system according to the first embodiment, the relative positions of the
なお、図２及び図３に示した例では、送電コイル１１の長辺が第１の遮蔽板３１及び第１の磁性シート３２の一方向（Ｙ軸方向）に沿う各２辺に対して４５°傾斜するように配置され、受電コイル２１の長辺が第２の遮蔽板４１及び第２の磁性シート４２の一方向（Ｘ軸方向）に沿う各２辺に対して４５°傾斜するように配置されて、送電コイル１１の長辺が受電コイル２１の長辺に直交する場合であるが、第１実施形態に係る電力伝送システムは図２に示した配向関係に限定されるものではない。
In the examples shown in FIGS. 2 and 3, the long side of the
例えば、送電コイル１１の長辺が第１の遮蔽板３１及び第１の磁性シート３２の一方向（Ｙ軸方向）に沿う各２辺に対して４０°傾斜するように配置することも可能で、この場合は、受電コイル２１の長辺が第２の遮蔽板４１及び第２の磁性シート４２の一方向（Ｘ軸方向）に沿う各２辺に対して５０°傾斜するように配置すれば、送電コイル１１の長辺が受電コイル２１の長辺に直交する配向が選択できる。このように、絶対座標系で４５°傾斜以外の配向を採用しても、送電コイル１１の長辺と受電コイル２１の長辺とが直交する条件となれば、送電コイル１１と受電コイル２１との相対的位置が一定の範囲内で変化した場合においても、送電コイル１１の平面パターンと受電コイル２１の平面パターンが重なる部分で定義される伝送領域Ｒの面積を一定に維持ができる。即ち、特定の座標系に対し４５°傾斜以外の配向を採用しても、送電コイル１１の長辺と受電コイル２１の長辺とを直交する関係であれば、受電コイル２１が送電コイル１１から受け取る磁束が一定となるので、送電コイル１１と受電コイル２１との相対的位置の変動による電力伝送効率ηの変化が抑制される。
For example, the long side of the
同様に、例えば、送電コイル１１の長辺が第１の遮蔽板３１及び第１の磁性シート３２の一方向（Ｙ軸方向）に沿う各２辺に対して３０°傾斜するように配置され、受電コイル２１の長辺が第２の遮蔽板４１及び第２の磁性シート４２の一方向（Ｘ軸方向）に沿う各２辺に対して６０°傾斜するように配置しても、送電コイル１１の長辺が受電コイル２１の長辺に直交する配向が選択でき、送電コイル１１の平面パターンと受電コイル２１の平面パターンが重なる部分で定義される伝送領域Ｒの面積を一定に維持ができる。
Similarly, for example, the long side of the
図２に示すように、受電コイル２１の長辺の長さａ２は、送電コイル１１の短辺の幅ｂ１より長く、受電コイル２１の短辺の幅ｂ２は、送電コイル１１の長辺の長さａ１より短い。受電コイル２１は、平面パターンとして、長辺が送電コイル１１の長辺に直交し、送電コイル１１と重なる状態で、送電コイル１１から非接触で電力を受電する。詳細には、受電コイル２１の平面パターンが、送電コイル１１の平面パターンと重なる部分で定義される伝送領域Ｒが、送電コイル１１の短辺の幅ｂ１と同じ長さの第１辺と、受電コイル２１の短辺の幅ｂ２と同じ長さの、第１辺に隣接する第２辺とを有する長方形となる状態で、送電コイル１１から非接触で受電する。受電コイル２１は、送電コイル１１から受電する場合、送電コイル１１がなす第１平面に沿う第２平面上において送電コイル１１に互いに平行に対向する。
As shown in FIG. 2, the length a2 of the long side of the
なお、受電コイル２１の長辺の長さａ２及び短辺の幅ｂ２は、送電コイル１１の長辺の長さａ１及び短辺の幅ｂ１とそれぞれ同一であってもよい。即ち、受電コイル２１は、送電コイル１１の寸法と同一であってもよい。
The length a2 of the long side and the width b2 of the short side of the
ここで、第１の遮蔽板３１、第１の磁性シート３２及び第１のカバー３３は、平面パターンとして、送電コイル１１の全領域を含むように配置されればよいため、送電コイル１１に沿う長方形状であってもよいし、送電コイル１１の長辺が斜めに含まれるような長方形状であってもよい。同様に、第２の遮蔽板４１、第２の磁性シート４２及び第２のカバー４３は、平面パターンとして、受電コイル２１の全領域を含むように配置されればよいため、受電コイル２１に沿う長方形状であってもよいし、斜めに送電コイル１１を含むような長方形状であってもよい。
Here, since the
送信側共振コンデンサ１２は、送電コイル１１に直列に接続される。送電側共振コンデンサ１２は、送電側共振回路（１１，１２）の共振周波数を決定する容量を有する。電源回路１４の駆動周波数は、送電側共振回路（１１，１２）の共振周波数付近に設定される。送電側整合回路１３は、送電装置１０から受電装置２０への電力伝送効率ηが最大となるように設計若しくは調整されるインピーダンス整合回路であり、電力伝送に際しては、予め設定された最適値の整合インピーダンスに固定した固定インピーダンス整合回路として用いられる。電源回路１４は、送電側共振回路（１１，１２）の共振周波数の交流電力を供給する種々の回路が採用可能である。例えば、系統電源等の交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、ＡＣ／ＤＣコンバータから供給される直流電力を送電側共振回路（１１，１２）の共振周波数を有する交流電力に変換するインバータとを含む回路等でも構わない。電源回路１４は、送電側共振回路（１１，１２）の共振周波数付近の周波数を有する交流電流を、送電側整合回路１３を介して、送電側共振回路（１１，１２）に供給する。
The transmitting side
受電側共振コンデンサ２２は、受電コイル２１に直列に接続される。受電側共振コンデンサ２２は、受電側共振回路（２１，２２）の共振周波数を決定する容量を有する。受電側整合回路２３は、送電装置１０から受電装置２０への電力伝送効率ηが最大となるように設計若しくは調整されるインピーダンス整合回路であり、電力伝送に際しては、予め設定された最適値の整合インピーダンスに固定した固定インピーダンス整合回路として用いられる。負荷回路２４は、例えば、受電側整合回路２３を介して受電側共振回路(２１，２２)から供給される交流電力を直流電力に変換する整流器の他、整流器から供給される電力を蓄える蓄電池と、電動機等の種々の負荷を含むことが出来る。受電側整合回路２３を介して受電側共振回路(２１，２２)から供給される電力が負荷回路２４の蓄電池や負荷に供給される。或いは、送電装置１０から伝送された交流電力を直接、又はＡＣ／ＤＣコンバータ等を介して、電動機等の種々の負荷に供給するようにしてもよい。
The power receiving
第１の制御回路１５は、例えば、プロセッサ、メモリ及び入出力インターフェースを備える、マイクロコントローラ等のコンピュータから構成してもよく、特化した専用のアナログ回路等で実現してもよい。第１の制御回路１５は、電源回路１４の動作を制御することにより、送電装置１０の動作を制御する。第１の制御回路１５は、例えば、受電コイルユニット４０が送電コイルユニット３０に対する所定の位置に配置されることに応じて、電源回路１４に駆動信号を送信する。電源回路１４は、駆動信号に応じて、送電側共振回路（１１，１２）に供給する所定の周波数の交流電力を、インバータにより生成する。第１の制御回路１５は、無線通信により、送電装置１０からの送電の開始を通知する信号を受電装置２０に送信したり、送電装置１０からの送電の開始を要求する信号を受電装置２０から受信したりするようにしてもよい。
The
第２の制御回路２５は、例えば、プロセッサ、メモリ及び入出力インターフェースを備える、マイクロコントローラ等のコンピュータから構成してもよく、特化した専用のアナログ回路等で実現してもよい。第２の制御回路２５は、負荷回路２４の動作を制御することにより、受電装置２０の動作を制御する。第２の制御回路２５は、例えば、送電側共振回路（１１，１２）に交流電力が供給され、即ち、送電コイル１１からの電力伝送が開始されることに応じて、負荷回路２４に駆動信号を送信する。例えば、負荷回路２４は、駆動信号に応じて、蓄電池等の負荷に供給する所定の直流電力を、整流器等の変換器により生成し、変換器と蓄電池との間の配線を開閉する継電器を閉状態にすることにより、直流電力を蓄電池や負荷に供給する。第２の制御回路２５は、無線通信により、送電の開始を要求する信号を送電装置１０に送信することにより、送電装置１０に送電を開始させるようにしてもよい。
The
磁界共振結合方式の非接触電力伝送において、電力伝送効率ηは、コイル間の結合係数ｋと、共振回路のＱ値との積によって決定される。Ｑ値は、各コイルの自己インダクタンスと巻線抵抗により決定されるため、周波数が一定であれば一定となる。一方、結合係数ｋは、コイル間の磁気的な結合状態により変化する。一般的に、コイルの軸の位置が、軸に垂直な方向において互いにずれる場合、受電側のコイルが受け取る磁束が変化して結合係数ｋが変化し、結果として電力伝送効率ηが変化してしまう。 In the non-contact power transmission of the magnetic field resonance coupling method, the power transmission efficiency η is determined by the product of the coupling coefficient k between the coils and the Q value of the resonance circuit. Since the Q value is determined by the self-inductance and winding resistance of each coil, it is constant if the frequency is constant. On the other hand, the coupling coefficient k changes depending on the magnetic coupling state between the coils. Generally, when the positions of the axes of the coils deviate from each other in the direction perpendicular to the axes, the magnetic flux received by the coil on the power receiving side changes, the coupling coefficient k changes, and as a result, the power transmission efficiency η changes. ..
既に述べたとおり、受電コイル２１の平面パターンが、送電コイル１１の平面パターンと直交して重なるように設定しているため、受電コイル２１が送電コイル１１と相対的に、平面方向（軸に垂直な方向）の所定の範囲内に平行移動する限り、伝送領域Ｒの面積が変化しない。このように、第１実施形態に係る電力伝送システムによれば、受電コイル２１と送電コイル１１との相対的位置関係が変動しても、伝送領域Ｒの面積が一定である。このため、受電コイル２１が送電コイル１１から受け取る磁束は一定となり、受電コイル２１と送電コイル１１との相対的位置の変動による電力伝送効率ηの変化が抑制される。
As described above, since the plane pattern of the
−シミュレーション−
以下、３次元電磁界シミュレータＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳ（登録商標）によるシミュレーション結果を用いて、第１実施形態に係る電力伝送システムの技術的効果に関して説明する。
-Simulation-
Hereinafter, the technical effect of the power transmission system according to the first embodiment will be described using the simulation results by the three-dimensional electromagnetic field simulator ANSYS HFSS (registered trademark).
図４に示すように、第１実施形態に係る電力伝送システムが備える送電コイル１１又は受電コイル２１に対応するシミュレーションモデルとして、長さａの長辺及び幅ｂの短辺を有する長方形の４辺に沿って巻数２で巻かれた巻線からなるコイルＰを定義した。長さａ＝４５ｃｍ、幅ｂ＝１５ｃｍとした。送電コイル１１及び受電コイル２１間の電力伝送に関するシミュレーションは、平面パターンとして各長辺が互いに直交するように対向する一対のコイルＰ（コイルＰ１及びコイルＰ２）を用いて実行される。
As shown in FIG. 4, as a simulation model corresponding to the
また、図５に示すように、第１の実施形態に係るコイルＰの比較例となるシミュレーションモデルとして、長さｃの１辺を有する正方形の４辺に沿って巻数２で巻かれた巻線からなるコイルＱを定義した。正方形の１辺の長さｃは、正方形の対角線の長さが、コイルＰの長辺の長さａに等しくなるように、ｃ＝ａ／（２1/2）とした。正方形状のコイル間の電力伝送に関するシミュレーションは、平面パターンとして１辺が他方のコイルの１辺と平行になるように対向する一対のコイルＱ（コイルＱ１及びコイルＱ２）を用いて実行される。 Further, as shown in FIG. 5, as a simulation model as a comparative example of the coil P according to the first embodiment, a winding wound with 2 turns along four sides of a square having one side of length c. A coil Q consisting of is defined. The length c of one side of the square was set to c = a / (2 1/2 ) so that the length of the diagonal line of the square was equal to the length a of the long side of the coil P. The simulation of power transmission between square coils is performed using a pair of coils Q (coils Q1 and coil Q2) facing each other so that one side is parallel to one side of the other coil as a plane pattern.
図６に示すように、第１実施形態に係る長方形状のコイルＰ及び比較例に係る正方形状のコイルＱについて、それぞれ、巻線は直径３ｍｍの銅線、隣接する巻線間の距離は１０ｍｍに設定した。コイルＰの自己インダクタンスは３．２μＨ、コイルＰと共に共振回路を成す共振コンデンサの容量は４３ｐＦと計算される。コイルＱの自己インダクタンスは４．０μＨ、コイルＱと共に共振回路を成す共振コンデンサの容量は３４ｐＦと計算される。コイルＰを有する共振回路及びコイルＱを有する共振回路の共振周波数は、共に１３．５６ＭＨｚを採用した。 As shown in FIG. 6, for the rectangular coil P according to the first embodiment and the square coil Q according to the comparative example, the windings are copper wires having a diameter of 3 mm, and the distance between adjacent windings is 10 mm, respectively. Set to. The self-inductance of the coil P is calculated to be 3.2 μH, and the capacitance of the resonant capacitor forming the resonant circuit together with the coil P is calculated to be 43 pF. The self-inductance of the coil Q is calculated to be 4.0 μH, and the capacitance of the resonant capacitor forming the resonant circuit together with the coil Q is calculated to be 34 pF. The resonance frequency of the resonance circuit having the coil P and the resonance circuit having the coil Q was 13.56 MHz.
図７Ａに示すように、比較例に係る正方形状のコイルＱ１とコイルＱ２とが正対する（平面パターンとして一致する）位置を基準として、図７Ｂ及び図７Ｃに示すように、正方形状のコイルＱ１及びコイルＱ２のずれた領域の割合をパラメータとして、一対のコイルの、正対する（平面視において一致する）位置から平面方向において平行移動する場合の位置ずれの値を定義した。上述の通り、コイルＰ１及びコイルＰ２の各長辺の長さａは、コイルＱ１及びコイルＱ２の各対角線の長さに等しい。このため、コイルＰ１及びコイルＰ２が、各辺がコイルＱ１及びコイルＱ２の各辺に対して４５°×ｎ（ｎは整数）傾斜し、各重心がコイルＱ１及びコイルＱ２の各重心にそれぞれ一致するように配置された状態を仮定して、コイルＰ１及びコイルＰ２の位置ずれの値が定義される。 As shown in FIG. 7A, as shown in FIGS. 7B and 7C, the square coil Q1 is based on the position where the square coil Q1 and the coil Q2 according to the comparative example face each other (match as a plane pattern). And, using the ratio of the displaced region of the coil Q2 as a parameter, the value of the positional deviation when the pair of coils are translated in the plane direction from the positions facing each other (matching in the plan view) is defined. As described above, the length a of each long side of the coil P1 and the coil P2 is equal to the length of each diagonal line of the coil Q1 and the coil Q2. Therefore, each side of the coil P1 and the coil P2 is inclined by 45 ° × n (n is an integer) with respect to each side of the coil Q1 and the coil Q2, and each center of gravity coincides with each center of gravity of the coil Q1 and the coil Q2. The values of the misalignment of the coils P1 and P2 are defined on the assumption that they are arranged so as to do so.
図７Ａに示すように、位置ずれが０％のとき、比較例に係る一対のコイルＱ１及びコイルＱ２、第１実施形態に係る一対のコイルＰ１及びコイルＰ２は、それぞれ正対する。ここで、図７Ｂに示すように、比較例に係るコイルＱ１又はコイルＱ２の１辺に沿う一方向（Ｘ軸の正方向）に、コイルＱ２がｃ／３だけ平行移動したとき、１／３≒３３％であるため、コイルＱ１及びコイルＱ２間のＸ軸方向の位置ずれは３３％と定義される。よって、図７Ａに示す状態から、第１実施形態に係るコイルＰ２がＸ軸の正方向にｃ／３だけ平行移動した状態のときに対しても、第１実施形態に係るコイルＰ１及びコイルＰ２間のＸ軸方向の位置ずれ３３％が適用される。 As shown in FIG. 7A, when the misalignment is 0%, the pair of coils Q1 and Q2 according to the comparative example and the pair of coils P1 and P2 according to the first embodiment face each other. Here, as shown in FIG. 7B, when the coil Q2 is translated by c / 3 in one direction (positive direction of the X axis) along one side of the coil Q1 or the coil Q2 according to the comparative example, it is 1/3. Since it is approximately 33%, the displacement in the X-axis direction between the coil Q1 and the coil Q2 is defined as 33%. Therefore, even when the coil P2 according to the first embodiment is translated by c / 3 in the positive direction of the X-axis from the state shown in FIG. 7A, the coil P1 and the coil P2 according to the first embodiment are also translated. A 33% misalignment in the X-axis direction between them applies.
同様に、図７Ｃに示すように、図７Ａに示す状態から、比較例に係るコイルＱ２がＸ軸の正方向に、２ｃ／３だけ平行移動したとき、コイルＱ１及びコイルＱ２間のＸ軸方向の位置ずれは２／３≒６６％である。よって、図７Ａに示す状態から、第１実施形態に係るコイルＰ２がＸ軸の正方向に２ｃ／３だけ平行移動したとき、コイルＰ１及びコイルＰ２間のＸ軸方向の位置ずれは６６％が適用される。図７Ａ〜図７Ｃに示すように、Ｘ軸方向の位置ずれが少なくとも０％から６６％の範囲において、第１実施形態に係るコイルＰ１及びコイルＰ２が重なり合う伝送領域Ｒの面積は一定＝１００％である。一方、比較例に係るコイルＱ１及びコイルＱ２の重なり合う部分の面積は、位置ずれ３３％で６６％、位置ずれ６６％で３３％と減少している。 Similarly, as shown in FIG. 7C, when the coil Q2 according to the comparative example is translated by 2c / 3 in the positive direction of the X-axis from the state shown in FIG. 7A, the X-axis direction between the coil Q1 and the coil Q2. The misalignment of is 2/3 ≈66%. Therefore, when the coil P2 according to the first embodiment is translated by 2c / 3 in the positive direction of the X-axis from the state shown in FIG. 7A, the positional deviation in the X-axis direction between the coil P1 and the coil P2 is 66%. Applies. As shown in FIGS. 7A to 7C, the area of the transmission region R in which the coils P1 and the coils P2 according to the first embodiment overlap is constant = 100% in the range of at least 0% to 66% of the positional deviation in the X-axis direction. Is. On the other hand, the area of the overlapping portion of the coil Q1 and the coil Q2 according to the comparative example is reduced to 66% when the misalignment is 33% and 33% when the misalignment is 66%.
次に、送電側整合回路１３及び受電側整合回路２３にそれぞれ対応するシミュレーションモデルの設計について説明する。先ず、第１実施形態に係る一対のコイルＰ及び比較例に係る一対のコイルＱそれぞれに対応する二端子対回路のＺパラメータを、ＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳ（登録商標）を用いた解析により取得する。Ｚパラメータは、図７Ａ〜図７Ｃに示すように、Ｘ軸方向の位置ずれが０％，３３％，６６％のそれぞれの場合について算出される。
Next, the design of the simulation model corresponding to the power transmission
そして、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）を用いた回路解析により、各Ｚパラメータを有する二端子対回路に、共振コンデンサ、整合回路を加えた場合の整合効率（電力伝送効率η）を算出する。整合回路の形状及び各素子の値は、３種類の配置における各電力伝送効率ηの平均値が最大となるようにパターンサーチにより決定される。また、ＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳ（登録商標）により取得された各Ｚパラメータを用いて、結合係数ｋを算出した。結合係数ｋの算出に際して、周波数は１３．５６ＭＨｚ、コイル間の距離は１０ｃｍを採用した。 Then, by circuit analysis using MATLAB (registered trademark), the matching efficiency (power transmission efficiency η) when a resonance capacitor and a matching circuit are added to the two-terminal pair circuit having each Z parameter is calculated. The shape of the matching circuit and the value of each element are determined by a pattern search so that the average value of each power transmission efficiency η in the three types of arrangements is maximized. In addition, the coupling coefficient k was calculated using each Z parameter acquired by ANSYS HFSS (registered trademark). In calculating the coupling coefficient k, the frequency was 13.56 MHz and the distance between the coils was 10 cm.
以上のように設計されたシミュレーションモデルにより、Ｘ軸方向の位置ずれが０％〜６６％のときの長方形状のコイルＰ及び正方形状のコイルＱそれぞれの結合係数ｋを算出し、算出結果を図８に示した。同様に、Ｘ軸方向の位置ずれが０％〜６６％のときの長方形状のコイルＰ及び正方形状のコイルＱそれぞれの整合効率（電力伝送効率η）を算出し、算出結果を図９に示した。 Using the simulation model designed as described above, the coupling coefficient k of each of the rectangular coil P and the square coil Q when the positional deviation in the X-axis direction is 0% to 66% is calculated, and the calculation result is shown in the figure. Shown in 8. Similarly, the matching efficiency (power transmission efficiency η) of each of the rectangular coil P and the square coil Q when the positional deviation in the X-axis direction is 0% to 66% is calculated, and the calculation result is shown in FIG. It was.
図８に示すように、比較例に係る正方形状のコイルＱの結合係数ｋは、Ｘ軸方向の位置ずれが０％〜６６％の範囲において大きく変化する一方、第１実施形態に係る長方形状のコイルＰの結合係数ｋは、Ｘ軸方向の位置ずれが０％〜６６％の範囲においてほぼ一定である。これにより、対向するコイル同士が重なる領域の面積が一定であれば、結合係数ｋの変化がほぼ一定であり、第１実施形態に係る長方形状のコイルＰの結合係数ｋは、比較例に係る正方形状のコイルＱに比べて、位置ずれにより変化しにくいことが確認された。 As shown in FIG. 8, the coupling coefficient k of the square coil Q according to the comparative example greatly changes in the range of 0% to 66% of the positional deviation in the X-axis direction, while the rectangular shape according to the first embodiment. The coupling coefficient k of the coil P of the above coil P is substantially constant in the range of 0% to 66% of the displacement in the X-axis direction. As a result, if the area of the region where the opposing coils overlap is constant, the change in the coupling coefficient k is substantially constant, and the coupling coefficient k of the rectangular coil P according to the first embodiment is related to the comparative example. It was confirmed that the coil Q was less likely to change due to misalignment than the square coil Q.
図９に示すように、比較例に係る正方形状のコイルＱの電力伝送効率ηは、Ｘ軸方向の位置ずれが０％〜３５％の範囲において概ね９０％以上という高い値を維持するが、Ｘ軸方向の位置ずれが３５％から６６％まで変化するに連れて著しく低下してしまう。一方、第１実施形態に係る長方形状のコイルＰの電力伝送効率ηは、Ｘ軸方向の位置ずれが０％〜６６％の範囲において概ね９０％以上という高い値を維持した状態でほぼ一定である。なお、Ｘ軸方向の位置ずれが０％，３３％，６６％のときの、コイルＱの電力伝送効率ηの平均値は７７．８％であり、コイルＰの電力伝送効率ηの平均値は９３．１％であった。これにより、長方形状のコイルＰの電力伝送効率ηは、正方形状のコイルＱに比べて、Ｘ軸方向の位置ずれにより変化しにくく、高い値を維持可能であることが確認された。 As shown in FIG. 9, the power transmission efficiency η of the square coil Q according to the comparative example maintains a high value of about 90% or more in the range where the displacement in the X-axis direction is in the range of 0% to 35%. As the displacement in the X-axis direction changes from 35% to 66%, it decreases significantly. On the other hand, the power transmission efficiency η of the rectangular coil P according to the first embodiment is substantially constant in a state where the positional deviation in the X-axis direction is maintained at a high value of about 90% or more in the range of 0% to 66%. is there. When the positional deviation in the X-axis direction is 0%, 33%, and 66%, the average value of the power transmission efficiency η of the coil Q is 77.8%, and the average value of the power transmission efficiency η of the coil P is. It was 93.1%. As a result, it was confirmed that the power transmission efficiency η of the rectangular coil P is less likely to change due to the positional deviation in the X-axis direction than the square coil Q, and can maintain a high value.
同様に、上述のシミュレーションモデルを用いて、平面パターンとして各長辺が互いに直交するように対向する一対の長方形状のコイルＰが、Ｘ軸の正方向のみならず、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に位置ずれする場合のシミュレーションを行った。具体的には、図１０に示すように、一方のコイルＰ１の重心を点Ｇ０として、他方のコイルＰ２の重心が平面パターンとして点Ｇ１〜点Ｇ８に一致するように、コイルＰ２をコイルＰ１に対して相対的に移動させた場合の電力伝送効率ηをシミュレーションにより算出した。Ｘ軸およびＹ軸は、点Ｇ０を原点として、Ｘ軸方向とコイルＰ１の長辺との成す角が４５°となるように定義した。 Similarly, using the above-mentioned simulation model, a pair of rectangular coils P facing each other so that their long sides are orthogonal to each other as a plane pattern are formed not only in the positive direction of the X-axis but also in the X-axis direction and the Y-axis direction. A simulation was performed when the position was displaced to. Specifically, as shown in FIG. 10, the coil P2 is set to the coil P1 so that the center of gravity of one coil P1 is set to the point G0 and the center of gravity of the other coil P2 coincides with the points G1 to G8 as a plane pattern. The power transmission efficiency η when moved relative to the relative was calculated by simulation. The X-axis and the Y-axis are defined so that the angle formed by the X-axis direction and the long side of the coil P1 is 45 ° with the point G0 as the origin.
コイルＰ２の重心が点Ｇ０の場合、コイルＰのＸ−Ｙ平面の位置ずれはＸ軸方向０％、Ｙ軸方向０％であり、この場合のコイルＰ間の電力伝送効率ηは、９４．３％であった。コイルＰ２の重心が点Ｇ１の場合、Ｘ−Ｙ平面の位置ずれはＸ軸方向６６％、Ｙ軸方向０％であり、この場合の電力伝送効率ηは、９１．６％であった。以下同様に、点Ｇ２の場合の位置ずれはＸ軸方向３３％、Ｙ軸方向−３３％であり、この場合の電力伝送効率ηは、９５．０％であった。点Ｇ３の場合の位置ずれはＸ軸方向０％、Ｙ軸方向−６６％であり、この場合の電力伝送効率ηは、８９．４％であった。点Ｇ４の場合の位置ずれはＸ軸方向−３３％、Ｙ軸方向−３３％であり、この場合の電力伝送効率ηは、９４．９％であった。点Ｇ５の場合の位置ずれはＸ軸方向−６６％、Ｙ軸方向０％であり、この場合の電力伝送効率ηは、９１．６％であった。点Ｇ６の場合の位置ずれはＸ軸方向−３３％、Ｙ軸方向３３％であり、この場合の電力伝送効率ηは９４．８％であった。点Ｇ７の場合の位置ずれはＸ軸方向０％、Ｙ軸方向６６％であり、この場合の電力伝送効率ηは、９１．６％であった。点Ｇ８の場合の位置ずれはＸ軸方向３３％、Ｙ軸方向３３％であり、この場合の電力伝送効率ηは、９４．９％であった。 When the center of gravity of the coil P2 is the point G0, the displacement of the XY plane of the coil P is 0% in the X-axis direction and 0% in the Y-axis direction, and the power transmission efficiency η between the coils P in this case is 94. It was 3%. When the center of gravity of the coil P2 was the point G1, the misalignment of the XY plane was 66% in the X-axis direction and 0% in the Y-axis direction, and the power transmission efficiency η in this case was 91.6%. Similarly, in the case of the point G2, the misalignment was 33% in the X-axis direction and −33% in the Y-axis direction, and the power transmission efficiency η in this case was 95.0%. The misalignment at the point G3 was 0% in the X-axis direction and −66% in the Y-axis direction, and the power transmission efficiency η in this case was 89.4%. The misalignment at the point G4 was −33% in the X-axis direction and −33% in the Y-axis direction, and the power transmission efficiency η in this case was 94.9%. The misalignment at the point G5 was −66% in the X-axis direction and 0% in the Y-axis direction, and the power transmission efficiency η in this case was 91.6%. In the case of the point G6, the misalignment was −33% in the X-axis direction and 33% in the Y-axis direction, and the power transmission efficiency η in this case was 94.8%. The misalignment at the point G7 was 0% in the X-axis direction and 66% in the Y-axis direction, and the power transmission efficiency η in this case was 91.6%. In the case of the point G8, the misalignment was 33% in the X-axis direction and 33% in the Y-axis direction, and the power transmission efficiency η in this case was 94.9%.
以上のように、一対の長方形状のコイルＰの電力伝送効率ηは、コイルＰ２の重心が点Ｇ０〜Ｇ８のすべての位置に移動した場合において８９％以上であり、電力伝送効率ηの平均値は９３．０％であった。よって、コイルＰ２の重心が、点Ｇ１〜Ｇ８が成す１辺が３０ｃｍ（＝２ｂ）の正方形の領域Ｓ内に位置する場合において、コイルＰの電力伝送効率ηは変化しにくく、高い値を維持可能であることが理解される。 As described above, the power transmission efficiency η of the pair of rectangular coils P is 89% or more when the center of gravity of the coils P2 moves to all the positions of points G0 to G8, and is an average value of the power transmission efficiency η. Was 93.0%. Therefore, when the center of gravity of the coil P2 is located in the square region S formed by the points G1 to G8 on a side of 30 cm (= 2b), the power transmission efficiency η of the coil P is unlikely to change and maintains a high value. It is understood that it is possible.
以上から、第１実施形態に係る電力伝送システムは、コイルＰのように、平面パターンとして各長辺が互いに直交するように対向する一対の長方形状の送電コイル１１及び受電コイル２１を備えるため、平面方向の相対的位置の変動に起因する電力伝送効率ηの低減を抑制可能であることが理解される。 From the above, the power transmission system according to the first embodiment includes a pair of rectangular power transmission coils 11 and power reception coils 21 that face each other so that their long sides are orthogonal to each other as a plane pattern, like the coil P. It is understood that the reduction of the power transmission efficiency η due to the fluctuation of the relative position in the plane direction can be suppressed.
−実測−
以下、上述のシミュレーション結果の有効性を確認するために、シミュレーションモデルに対応するように作製された電力伝送システムの電力伝送効率ηの実測について説明する。
-Actual measurement-
Hereinafter, in order to confirm the validity of the above-mentioned simulation results, the actual measurement of the power transmission efficiency η of the power transmission system manufactured so as to correspond to the simulation model will be described.
先ず、上述のシミュレーションモデルのコイルＰと同様の構成を有するように作製された、送電コイル１１及び受電コイルにそれぞれ対応する実測用の一対の長方形状のコイルについて説明する。実測用コイルは、表皮効果等による巻線抵抗の増大を防ぐため、直径３ｍｍの銅パイプにより作製された。図１１に示すように、実測用コイルの各パラメータの実測値は、ＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳ（登録商標）によるシミュレーションモデルの各パラメータに近いことが確認された。
First, a pair of rectangular coils for actual measurement corresponding to the
次に、上述のシミュレーションモデルの整合回路と同様の構成を有するように作製された、送電側整合回路１３及び受電側整合回路２３にそれぞれ対応する実測用の整合回路について説明する。ここでは、図７Ａ〜図７Ｃに示す例と同様に、それぞれＸ軸方向の位置ずれが０％，３３％，６６％の一対の実測用コイルを二端子対回路として、ネットワークアナライザにより二端子対回路のＳパラメータを取得した。ＳパラメータはＭＡＴＬＡＢ（登録商標）によりＺパラメータに変換され、上述のシミュレーションモデルの設計と同様に、Ｘ軸方向の位置ずれが０％，３３％，６６％のときの電力伝送効率ηの平均値が最大となる整合回路の形状及び各素子の値が決定される。以上のように決定された値に近いチップコンデンサ及び空芯コンデンサを、決定された回路形状を成すようにプリント基板にはんだ付けすることにより、実測用の整合回路が作製された。
Next, a matching circuit for actual measurement corresponding to the power transmission
電力伝送効率ηの実測は、一対のコイル及び整合回路を含む二端子対回路のＳパラメータを取得することにより行われた。具体的には、平面パターンとして長辺が互いに直交するように対向させた実測用の一対のコイルのＸ軸方向の位置ずれが０％，３３％，６６％のときの各Ｓパラメータを、ネットワークアナライザにより取得し、それぞれ｜Ｓ21｜2を算出することにより電力伝送効率ηを取得した。 The actual measurement of the power transmission efficiency η was performed by acquiring the S-parameters of the two-terminal pair circuit including the pair of coils and the matching circuit. Specifically, as a plane pattern, each S parameter when the positional deviation in the X-axis direction of a pair of actual measurement coils facing each other so that their long sides are orthogonal to each other is 0%, 33%, and 66% is set as a network. The power transmission efficiency η was obtained by acquiring with an analyzer and calculating | S 21 | 2 respectively.
図１２に示すように、第１実施形態に係る長方形状のコイルを用いた電力伝送システムの電力伝送効率ηの実測値は、位置ずれが０％〜６６％の範囲において概ね８５％以上という高い値を維持した。また、実測値は、図９のシミュレーション結果に概ね一致した。これにより、平面パターンとして長辺が互いに直交するように対向する長方形状のコイルは、位置ずれにより変化しにくく、高い値を維持可能な電力伝送効率ηを実現することが確認された。 As shown in FIG. 12, the actually measured value of the power transmission efficiency η of the power transmission system using the rectangular coil according to the first embodiment is as high as about 85% or more in the range of 0% to 66% of the misalignment. The value was maintained. In addition, the measured values generally agreed with the simulation results of FIG. As a result, it was confirmed that the rectangular coils facing each other so that the long sides are orthogonal to each other as a plane pattern are less likely to change due to misalignment and realize a power transmission efficiency η that can maintain a high value.
なお、Ｘ軸方向の位置ずれが０％，３３％，６６％のときの電力伝送効率ηの実測値の平均値は８９．６％であり、シミュレーション結果に比べて３．５％程低い値であった。実測値がシミュレーション結果に比べて僅かに低い値となった原因は、実測用コイルの形状の誤差や整合回路の損失等が考えられる。 The average value of the measured values of the power transmission efficiency η when the positional deviation in the X-axis direction is 0%, 33%, and 66% is 89.6%, which is about 3.5% lower than the simulation result. Met. The reason why the measured value is slightly lower than the simulation result is considered to be an error in the shape of the actual measurement coil or a loss in the matching circuit.
−コイル設計−
上述のシミュレーション及び実測では、コイルの長辺の長さａを４５ｃｍ、短辺の幅ｂを１５ｃｍとした。このとき、１つのコイルの全面積に対する伝送領域Ｒの面積比は、長辺と短辺のアスペクト比１／３に一致し、伝送領域Ｒの面積は２２５ｃｍ２（＝ｂ2）となる。ここで、図１０に破線で示したような１辺の長さが２ｂで、１辺がコイルの長辺に平行な正方形の領域Ｓを定義する。図１０おいて、実線で示した右上がりの長方形のコイルＰ１の重心を中心として有する、破線の正方形の領域Ｓ内に、左上がりの長方形となる他方のコイルの重心が平面上で移動するとき、伝送領域Ｒの面積が一定となり、高い電力伝送効率ηが維持される。右上がりのコイルＰ１の重心を原点とすると、Ｙ軸方向の位置ずれがないとき、Ｘ軸方向の位置ずれの許容範囲が最大となり、正負両方向にそれぞれ２１．２ｃｍ（＝２1/2ｂ）の範囲となる。同様に、Ｘ軸方向の位置ずれがないとき、Ｙ軸方向の位置ずれの許容範囲が最大となり、正負両方向にそれぞれ２１．２ｃｍ（＝２1/2ｂ）の範囲となる。
-Coil design-
In the above simulation and actual measurement, the length a of the long side of the coil was set to 45 cm, and the width b of the short side was set to 15 cm. At this time, the area ratio of the transmission area R to the total area of one coil corresponds to the
これに対して、図１３に示すように、コイルの長辺の長さａ＝４０ｃｍ、短辺の幅ｂ＝２０ｃｍとすると、１つのコイルの全面積に対する伝送領域Ｒの面積比は１／２であり、伝送領域Ｒの面積は４００ｃｍ２（＝ｂ2）となる。このとき、伝送領域Ｒの面積が一定となる範囲を示す正方形の１辺の長さは２０ｃｍ（＝ｂ）となる。また、Ｙ軸方向の位置ずれがないとき、Ｘ軸方向の位置ずれの許容範囲が最大となり、正負両方向にそれぞれ１４．１ｃｍ（＝ｂ／（２1/2））の範囲となる。同様に、Ｘ軸方向の位置ずれがないとき、Ｙ軸方向の位置ずれの許容範囲が最大となり、正負両方向にそれぞれ１４．１ｃｍ（＝ｂ／（２1/2））の範囲となる。このように、面積比が大きい場合、送電側及び受電側のコイルの重なる部分で定義される伝送領域Ｒの面積が増えて磁気的な結合が強化されるため、結合係数ｋを大きくすることができるが、Ｘ軸及びＹ軸方向の位置ずれの許容範囲が小さくなってしまうトレードオフ（二律背反）の関係が発生する。 On the other hand, as shown in FIG. 13, if the length of the long side of the coil is a = 40 cm and the width of the short side is b = 20 cm, the area ratio of the transmission region R to the total area of one coil is 1/2. The area of the transmission area R is 400 cm 2 (= b 2 ). At this time, the length of one side of the square indicating the range in which the area of the transmission region R is constant is 20 cm (= b). Further, when there is no misalignment in the Y-axis direction, the permissible range of misalignment in the X-axis direction is maximized, and the range is 14.1 cm (= b / (2 1/2 )) in both the positive and negative directions. Similarly, when there is no misalignment in the X-axis direction, the permissible range of misalignment in the Y-axis direction is maximized, and the range is 14.1 cm (= b / (2 1/2 )) in both the positive and negative directions. In this way, when the area ratio is large, the area of the transmission region R defined by the overlapping portion of the coils on the power transmission side and the power reception side increases and the magnetic coupling is strengthened, so that the coupling coefficient k can be increased. However, there is a trade-off (antinomy) relationship in which the allowable range of misalignment in the X-axis and Y-axis directions becomes small.
また、図１４に示すように、コイルの長辺の長さａ＝４０ｃｍ、短辺の幅ｂ＝１０ｃｍとすると、１つのコイルの全面積に対する伝送領域Ｒの面積比は１／４であり、伝送領域Ｒの面積は１００ｃｍ２（＝ｂ2）となる。このとき、伝送領域Ｒの面積が一定となる範囲を示す正方形の１辺の長さは３０ｃｍ（＝３ｂ）となる。また、Ｙ軸方向の位置ずれがないとき、Ｘ軸方向の位置ずれの許容範囲が最大となり、正負両方向にそれぞれ２１．４ｃｍ（＝３ｂ／（２1/2））の範囲となる。同様に、Ｘ軸方向の位置ずれがないとき、Ｙ軸方向の位置ずれの許容範囲が最大となり、正負両方向にそれぞれ２１．４ｃｍ（＝３ｂ／（２1/2））の範囲となる。面積比が小さい場合、伝送領域Ｒの面積が小さくなってしまうため結合係数ｋは小さくなるが、Ｘ軸及びＹ軸方向の位置ずれの許容範囲を大きくすることができる。 Further, as shown in FIG. 14, when the length of the long side of the coil is a = 40 cm and the width of the short side is b = 10 cm, the area ratio of the transmission region R to the total area of one coil is 1/4. The area of the transmission area R is 100 cm 2 (= b 2 ). At this time, the length of one side of the square indicating the range in which the area of the transmission region R is constant is 30 cm (= 3b). Further, when there is no misalignment in the Y-axis direction, the permissible range of misalignment in the X-axis direction is maximized, and the range is 21.4 cm (= 3b / (2 1/2 )) in both the positive and negative directions. Similarly, when there is no misalignment in the X-axis direction, the permissible range of misalignment in the Y-axis direction is maximized, and the range is 21.4 cm (= 3b / (2 1/2 )) in both the positive and negative directions. When the area ratio is small, the area of the transmission region R becomes small, so that the coupling coefficient k becomes small, but the allowable range of the positional deviation in the X-axis and Y-axis directions can be increased.
以上のように、コイル間の結合係数ｋと位置ずれの許容範囲との間には、トレードオフの関係がある。したがって、コイルの面積比は、結合係数ｋ及び位置ずれの許容範囲の設計値を考慮してコイルの形状を決定することにより、適宜調整されればよい。 As described above, there is a trade-off relationship between the coupling coefficient k between the coils and the allowable range of misalignment. Therefore, the area ratio of the coil may be appropriately adjusted by determining the shape of the coil in consideration of the coupling coefficient k and the design value of the allowable range of misalignment.
以上説明したように、第１実施形態に係る電力伝送システムによれば、それぞれ長方形状の送電コイル１１及び受電コイル２１が、平面パターンとして各長辺が互いに直交するように対向した状態で電力が伝送されるため、コイルの平面パターンが重なり合う部分で定義される伝送領域Ｒの面積の、位置ずれによる変化を抑制することができる。よって、第１実施形態に係る電力伝送システムは、送電コイル１１及び受電コイル２１間の結合係数ｋを安定させることができ、コイル間の相対的な位置ずれに起因する電力伝送効率ηの低減を抑制することができる。
As described above, according to the power transmission system according to the first embodiment, the power is generated in a state where the rectangular
仮に、平面パターンとして一致するように正対して配置された長方形状のコイル間で、磁界共振結合方式で非接触電力伝送を行う場合、コイル間に平面方向における位置ずれが生じると、電力伝送効率が著しく低下してしまう。この問題に対して、円形状や正方形状のコイルを採用すること他に、受電側のコイルより大きな送電側のコイルやアレイ状に配置された複数の単位コイルのパターンを採用する場合があったが、この場合、接地面積が大きくなってしまったり、設計が複雑になったりする可能性があった。 If non-contact power transmission is performed by the magnetic field resonance coupling method between rectangular coils arranged facing each other so as to match as a plane pattern, if a positional shift occurs between the coils in the plane direction, the power transmission efficiency Is significantly reduced. In response to this problem, in addition to adopting circular or square coils, there were cases where a coil on the power transmission side larger than the coil on the power receiving side or a pattern of multiple unit coils arranged in an array was adopted. However, in this case, there is a possibility that the ground contact area becomes large and the design becomes complicated.
第１実施形態に係る電力伝送システムによれば、互いに対向する一対の長方形状のコイルが、平面パターンとして各長辺が互いに直交するように配置されるという簡単な構成で、コイル間の相対的な位置ずれに起因する電力伝送効率の低減を抑制することができる。よって、第１実施形態に係る電力伝送システムによれば、簡単に小型化が可能であり、複雑な設計や多量の材料が不要になるという技術的利点に加えて、可変インピーダンス整合回路が不要であるため製造コストを低減することができるという顕著な技術的効果を奏することができる。 According to the power transmission system according to the first embodiment, a pair of rectangular coils facing each other are arranged as a plane pattern so that their long sides are orthogonal to each other, and the relatives between the coils are provided. It is possible to suppress the reduction of power transmission efficiency due to the misalignment. Therefore, according to the power transmission system according to the first embodiment, it is possible to easily reduce the size, and in addition to the technical advantages that a complicated design and a large amount of materials are not required, a variable impedance matching circuit is not required. Therefore, it is possible to achieve a remarkable technical effect that the manufacturing cost can be reduced.
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る電力伝送システムは、図１５に示すように、複数の送電コイル１１_1,１１_2，……，１１_n（ｎ：２以上の整数）を２次元配列したシート状の送電装置１０Ａを電力送電用シートとして備える点で、便宜上、単一の送電コイル１１で例示的に説明した送電装置１０を備える第１実施形態に係る電力伝送システムと異なる。第２実施形態において説明しない構成、作用及び効果は、第１実施形態と同様であるため省略する。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 15, the power transmission system according to the second embodiment of the present invention is a sheet-shaped power transmission in which a plurality of power transmission coils 11_1, 11_2, ..., 11_n (n: integers of 2 or more) are arranged in two dimensions. It differs from the power transmission system according to the first embodiment, which includes the
送電装置１０Ａは、例えば、複数の送電装置１０_1，１０_2，……，１０_nを含む。複数の送電装置１０_1〜１０_nは、複数の送電コイル１１_1〜１１_nと、複数の送電コイル１１_1〜１１_nにそれぞれ対応する複数の送電側共振コンデンサ１２_1〜１２_nと、複数の送電側整合回路１３_1〜１３_nと、複数の電源回路１４_1〜１４_nと、複数の第１の制御回路１５_1〜１５_nとをそれぞれ備える。複数の送電側整合回路１３_1〜１３_nは、複数の送電コイル１１_1〜１１_n及び複数の送電側共振コンデンサ１２_1〜１２_nからそれぞれ構成される複数の共振回路のインピーダンス整合をそれぞれ行う。複数の送電側整合回路１３_1〜１３_nのそれぞれのインピーダンスは、各送電コイル１１_1〜１１_nから受電コイル２１への電力伝送効率ηが最大となるように設計されるが、電力伝送時には固定インピーダンスで使用できる。
The
第２実施形態に係る電力伝送システムは、図１６に示すように、工場用の無人搬送車（ＡＧＶ）等の移動体５０を駆動する電源（２次電源）である蓄電池を充電する非接触送電システム等に適用可能である。このため、第２実施形態に係る電力伝送システムでは、移動体５０の走行することが予定されている走行路の表面に、一定のピッチで周期的に配列された複数の送電コイル１１_1〜１１_nを有する送電コイルユニット３０Ａを備えた送電装置１０Ａを電力送電用シートとして工場の床面に用意する。そして、移動体５０の底面（下面）に固定された受電装置２０に対して、送電装置１０Ａをなす電力送電用シートの送電コイル１１_1〜１１_nのそれぞれから、無線で電力が逐次供給される。受電装置２０が備える受電コイルユニット４０は、複数の送電コイル１１_1〜１１_nがなす第１平面に平行に対向する移動体５０の底面に相対的に固定された単一の受電コイル２１を有する。
As shown in FIG. 16, the power transmission system according to the second embodiment is a non-contact power transmission that charges a storage battery that is a power source (secondary power source) for driving a
複数の第１の制御回路１５_1〜１５_nのそれぞれは、例えば、移動体５０が複数の送電コイル１１_1〜１１_nが配列された走行路を走行することにより受電コイル２１の平面パターンが、対応する送電コイル１１_1〜１１_nの平面パターンに重なる位置に配置されることに応じて、対応する電源回路１４_1〜１４_nに駆動信号を送信する。電源回路１４_1〜１４_nは、対応する第１の制御回路１５_1〜１５_nから送信される駆動信号に応じて、対応する複数の送電コイル１１_1〜１１_n及び複数の送電側共振コンデンサ１２_1〜１２_nからそれぞれ構成される送電側共振回路に供給する所定の周波数の交流電力を生成する。
In each of the plurality of first control circuits 15_1 to 15_n, for example, the moving
複数の送電コイル１１_1〜１１_nは、第１の遮蔽板３１及び第１の磁性シート３２（図３参照）に沿う第１平面上に、互いに同一の長方形状に巻かれて図１６に示すように配列されて電力送電用シートを構成する。複数の送電コイル１１_1〜１１_nは、第１平面における一方向（Ｙ軸方向）に配列されて移動体５０の走行経路を帯状に定義する。具体的には、各送電コイル１１_1〜１１_nは、他の送電コイル１１_1〜１１_nの何れかのパターンが一方向に平行移動するときの写像に一致するように、等間隔に配置される。このため、送電コイルユニット３０Ａが備える第１の遮蔽板３１、第１の磁性シート３２及び第１のカバー３３は、それぞれ、複数の送電コイル１１_1〜１１_nの配列方向（Ｙ軸方向）に延伸する帯状の構成となる。また、複数の送電コイル１１_1〜１１_nは、平面パターンとして、各長辺が、帯状の配列方向に対して４５°傾斜するように、一定ピッチ、同一配向、同一寸法で周期的に配置されて電力送電用シートを構成している。
The plurality of power transmission coils 11_1 to 11_n are wound in the same rectangular shape on a first plane along the
既に述べたように、第２実施形態に係る電力伝送システムにおいては、移動体５０の底面に単一の受電コイル２１を有する受電コイルユニット４０が固定される。移動体５０は、複数の送電コイル１１_1〜１１_nが帯状の領域内に配列された第１平面に沿って、第１平面の上方を平行に移動する。受電コイル２１は、概略として矩形平板状であるが、第１平面に平行な第２平面上に位置している。受電コイル２１は、移動体５０が帯状の走行経路の上を移動するのに伴って、複数の送電コイル１１_1〜１１_nが配列された電力送電用シートの上を順次平行に移動する。
As described above, in the power transmission system according to the second embodiment, the power receiving
第１実施形態に係る電力伝送システムと同様に、受電コイル２１は、第２平面上に各送電コイル１１_1〜１１_nの短辺より長い長辺、及び各送電コイル１１_1〜１１_nの長辺より短い短辺を有する長方形状に巻かれる。受電コイル２１の平面パターンは、長辺が各送電コイル１１_1〜１１_nの長辺に直交し、各送電コイル１１_1〜１１_nの平面パターンと重なる状態で、各送電コイル１１_1〜１１_nから非接触で逐次受電して移動する。詳細には、受電コイル２１の平面パターンが、各送電コイル１１_1〜１１_nの平面パターンのそれぞれと順次重なる部分で定義される伝送領域Ｒが、各送電コイル１１_1〜１１_nの短辺の幅ｂ１と同じ長さの第１辺と、受電コイル２１の短辺の幅ｂ２と同じ長さの、第１辺に隣接する第２辺とを有する長方形となる状態で、各送電コイル１１_1〜１１_nのそれぞれから非接触で順次受電しながら平行移動する。
Similar to the power transmission system according to the first embodiment, the
具体的には、受電コイル２１の平面パターンの配向は、長辺が複数の送電コイル１１_1〜１１_nの各長辺に直交するように選択される。このように配向された選択された受電コイル２１は、第２平面に沿って移動する前後方向が定義された移動体５０の底部に、移動体５０の前後方向が複数の送電コイル１１_1〜１１_nの配列方向に沿う状態で固定される。このような幾何学的方位の選択により、図１６に示すように、走行路に配列された複数の送電コイル１１_1〜１１_nの上方を移動体５０が走行する間、受電コイル２１の長辺が常に複数の送電コイル１１_1〜１１_nの各長辺と直交しているので、走行路に直交する方向に移動体５０の位置が変位しても、各送電コイル１１_1〜１１_nの平面パターンと重なる状態が維持される。
Specifically, the orientation of the plane pattern of the
図１７は、電力送電用シートを構成している複数の送電コイル１１_1〜１１_nのうちの１つの送電コイル１１_nに着目した図である。受電コイル２１は、図３に示したのと同様に、送電コイル１１_nの上方に位置しながら平行移動する。即ち、図１７に示した配列方向（Ｙ軸方向）に沿って、受電コイル２１は矢印の方向に平行移動するが、移動体５０が走行する間に送電コイル１１_nの平面パターンと受電コイル２１の平面パターンが重なる部分で定義される伝送領域Ｒの面積が一定となる時間を増加させることができる。更に、受電コイル２１は、走行路の幅方向、即ち移動体５０の左右方向（Ｘ軸方向）において、所定の範囲内で位置ずれする限り、各送電コイル１１_1〜１１_nの平面パターンと重なり合う部分で定義される伝送領域Ｒの面積が変化しない。よって、移動体５０が走行する間、複数の送電コイル１１_1〜１１_nに対して左右方向に位置ずれする場合であっても、伝送領域Ｒの面積の変化を低減することができ、位置ずれの許容範囲を向上することができる。
FIG. 17 is a diagram focusing on one of the plurality of power transmission coils 11_1 to 11_n constituting the power transmission sheet, that is, the power transmission coil 11_n. The
移動体５０が、複数の送電コイル１１_1〜１１_nが配列された走行経路の上を走行するに伴い、受電コイル２１は、複数の送電コイル１１_1〜１１_nのそれぞれから順次、電力を継続的に受信する。受電コイル２１が、複数の送電コイル１１_1〜１１_nのそれぞれから順次受信した電力によって、移動体５０に搭載された２次電源となる蓄電池を充電する。具体的には、床側のシート状の送電装置１０Ａの複数の送電コイル１１_1〜１１_nのそれぞれから電力伝送が開始されると、移動体５０側の受電装置２０では、受電側共振回路(２１，２２)により交流電力が受信され、受電側整合回路２３を介して負荷回路２４に供給される。負荷回路２４では、第２の制御回路２５の制御に応じて、受電コイル２１が受信した交流電力を、蓄電池に供給する所定の直流電流に変換して、直流電流が移動体５０の蓄電池に供給されることにより、蓄電池が充電される。
As the moving
−コイル設計−
以下、第１実施形態と同様にＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳ（登録商標）によるシミュレーションを使用して、第２実施形態に係る電力伝送システムに適用可能なコイル設計の例及びその技術的効果に関して説明する。第１実施形態では共振周波数として１３．５６ＭＨｚを採用したが、ここでは、電気自動車（ＥＶ）等に用いられる給電装置の駆動周波数の一例として８５ｋＨｚを採用する。
-Coil design-
Hereinafter, an example of coil design applicable to the power transmission system according to the second embodiment and its technical effect will be described using a simulation by ANSYS HFSS (registered trademark) as in the first embodiment. In the first embodiment, 13.56 MHz is adopted as the resonance frequency, but here, 85 kHz is adopted as an example of the drive frequency of the power feeding device used in an electric vehicle (EV) or the like.
図４で定義したのと同様に、各送電コイル１１_1〜１１_n及び受電コイル２１に対応する一対のコイルＰとして、長辺の長さａ及び短辺の幅ｂを有する長方形状に巻かれたコイルを定義する。ここでは、長さａ＝５２．５ｃｍ、幅ｂ＝２２．５ｃｍとし、一対のコイル間の距離は１０ｃｍを採用した。一対のコイルＰのパターンが重なり合う部分で定義される伝送領域Ｒの面積は、５０６．２５ｃｍ２（＝ｂ2）であり、第１実施形態と比べて、周波数の低下により領域Ｓの面積が増大している。
Similar to the definition in FIG. 4, as a pair of coils P corresponding to the power transmission coils 11_1 to 11_n and the
また、コイルＰの比較例として、長さｃの１辺を有する正方形状のコイルＱを定義した。長さｃは、第１実施形態と同様に３２ｃｍを採用し、Ｘ軸方向の位置ずれについても、第１実施形態における３３％，６６％のときの移動距離である１０６ｍｍ，２１２ｍｍを、一方のコイルに対して他方のコイルがＸ軸方向に平行移動する距離と定義した。なお、コイルＱの自己インダクタンスはコイルＰと同じ１９５μＨである。 Further, as a comparative example of the coil P, a square coil Q having one side of length c was defined. The length c is 32 cm as in the first embodiment, and the displacement in the X-axis direction is 106 mm and 212 mm, which are the moving distances at 33% and 66% in the first embodiment. It was defined as the distance that the other coil translates in the X-axis direction with respect to the coil. The self-inductance of the coil Q is 195 μH, which is the same as that of the coil P.
図１８に示すように、比較例に係る正方形状のコイルＱの電力伝送効率ηは、Ｘ軸方向の位置ずれが０〜１３０ｍｍの範囲において概ね９０％以上という高い値を維持するが、位置ずれが１３０ｍｍから２１２ｍｍまで変化するに連れて７５％程度まで低下してしまう。一方、第２実施形態に係る長方形状のコイルＰの電力伝送効率ηは、位置ずれが０〜２１２ｍｍの範囲において概ね８０％以上という高い値を維持した状態でほぼ一定である。特に、図１６に定義したＸ軸方向の位置ずれが２１２ｍｍのときの、第２実施形態に係るコイルＰの電力伝送効率ηは、比較例に係るコイルＱと比べて１０％程度高い。よって、第２実施形態に係る長方形状のコイルＰの電力伝送効率ηは、比較例に係る正方形状のコイルＱに比べて、位置ずれにより変化しにくく、高い値を維持可能であることが確認された。 As shown in FIG. 18, the power transmission efficiency η of the square coil Q according to the comparative example maintains a high value of about 90% or more in the range of 0 to 130 mm in the X-axis direction, but the misalignment. Decreases to about 75% as it changes from 130 mm to 212 mm. On the other hand, the power transmission efficiency η of the rectangular coil P according to the second embodiment is substantially constant in a state where a high value of about 80% or more is maintained in the range of 0 to 212 mm. In particular, when the positional deviation in the X-axis direction defined in FIG. 16 is 212 mm, the power transmission efficiency η of the coil P according to the second embodiment is about 10% higher than that of the coil Q according to the comparative example. Therefore, it was confirmed that the power transmission efficiency η of the rectangular coil P according to the second embodiment is less likely to change due to misalignment and can maintain a high value as compared with the square coil Q according to the comparative example. Was done.
また、図１９に示すように、比較例に係る正方形状のコイルＱ及び第２実施形態に係る長方形状のコイルＰそれぞれの受電側における出力電圧を取得した。コイルＱの出力電圧は、Ｘ軸方向の位置ずれが０〜２１２ｍｍまで変化する間、２５Ｖ程度変動するのに対して、コイルＰの出力電圧は、１４Ｖ程度しか変動しなかった。これにより、長方形状のコイルＰの出力電圧は、正方形状のコイルＱに比べて、位置ずれにより変動しにくいことが確認された。 Further, as shown in FIG. 19, the output voltages on the power receiving side of each of the square coil Q according to the comparative example and the rectangular coil P according to the second embodiment were acquired. The output voltage of the coil Q fluctuated by about 25 V while the positional deviation in the X-axis direction changed from 0 to 212 mm, whereas the output voltage of the coil P fluctuated by only about 14 V. As a result, it was confirmed that the output voltage of the rectangular coil P is less likely to fluctuate due to misalignment than that of the square coil Q.
なお、第２実施形態に係るコイルＰが電気自動車に搭載されている場合には、電気自動車を停止させた状態で非接触送電を行う場合にも、停止位置の位置ずれによる電力伝送効率ηのばらつきを防止できる。 When the coil P according to the second embodiment is mounted on the electric vehicle, the power transmission efficiency η due to the misalignment of the stop position even when the non-contact power transmission is performed with the electric vehicle stopped. Variation can be prevented.
以上のように、第２実施形態に係る電力伝送システムによれば、電力送電用シートを構成している複数の長方形状の送電コイル１１_1〜１１_nの平面パターンのそれぞれと単一の受電コイル２１の平面パターンとが、各長辺が互いに直交するように対向した配向を用いているので伝送領域Ｒの面積の位置ずれによる変化を抑制することができる。よって、第２実施形態に係る電力伝送システムは、複数の送電コイル１１_1〜１１_nのそれぞれと移動体５０に固定された受電コイル２１との間の結合係数ｋを安定させることができる。このため、工場用のＡＧＶ等への非接触電力伝送において、簡単なシステム構成で、コイル間の相対的な位置ずれに起因する電力伝送効率ηの低減を抑制することができる。即ち、複数の送電コイル１１_1〜１１_nのそれぞれからＡＧＶ等の移動体５０に固定された単一の受電コイル２１に対して、安定した状態で連続的に電力の伝送をすることができる。
As described above, according to the power transmission system according to the second embodiment, each of the planar patterns of the plurality of rectangular power transmission coils 11_1 to 11_n constituting the power transmission sheet and the single
特に、第２実施形態に係る電力伝送システムによれば、電力送電用シートを構成している複数の送電コイル１１_1〜１１_nが一方向に沿って、一定ピッチで周期的に配列されるため、移動体５０に搭載された受電コイル２１の、移動体５０の左右方向（進行方向に直交する方向）に位置ずれした場合の、各送電コイル１１_1〜１１_nの平面パターンに受電コイル２１の平面パターンが重なる部分で定義される伝送領域Ｒの変化を低減することができる。したがって、第２実施形態に係る電力伝送システムによれば、各送電コイル１１_1〜１１_nに対する受電コイル２１の、移動体５０の走行に伴う左右方向の位置ずれの許容範囲を向上することができる。
In particular, according to the power transmission system according to the second embodiment, since the plurality of power transmission coils 11_1 to 11_n constituting the power transmission sheet are periodically arranged at a constant pitch along one direction, they move. The plane pattern of the
（その他の実施形態）
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
Although embodiments of the invention have been described above, the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the invention. Various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.
例えば、既に述べた第１実施形態において、電力伝送システムは、携帯電話やスマートフォン等の通信機器や、それ以外の種々の電子機器に適用可能である。この場合、例えば、送電側機器及び受電側機器のそれぞれ視認可能な位置に、一方向を定義する標識を設け、各標識が対応するように受電側機器を送電側機器に配置することにより、送電コイル１１と受電コイル２１とが直交して対向するようにすればよい。
For example, in the first embodiment described above, the power transmission system can be applied to communication devices such as mobile phones and smartphones, and various other electronic devices. In this case, for example, a sign defining one direction is provided at a position where each of the power transmitting side device and the power receiving side device can be visually recognized, and the power receiving side device is arranged in the power transmitting side device so that each sign corresponds to the power transmission. The
また、第２実施形態において、送電装置１０Ａは、図２０に示すように、工場等の床面に相当する第１平面の互いに直交する２方向に沿ってそれぞれ周期的に配列された複数の送電コイル１１ａ_1〜１１ａ_nを備えた帯状の第１の走行経路と，１１ｂ_1〜１１ｂ_nを備えた帯状の第２の走行経路を有する送電コイルユニット３０Ｂを備える送電装置１０Ｂであってもよい。送電コイルユニット３０Ｂは、例えば、第１の走行経路と第１の走行経路にＴ字型に交わる第２の走行経路等によって、工場内におけるＡＧＶ等の移動体の２次元の走行路が構成できる。即ち第１方向Ｄａに沿った第１の走行経路に周期的に配列された複数の送電コイル１１ａ_1〜１１ａ_nと、第２方向Ｄｂに沿った第２の走行経路に周期的に配列された複数の送電コイル１１ｂ_1〜１１ｂ_mとを備える電力送電用シートを構成すれば、工場内の移動体の自在且つ安定した走行が維持できる。
Further, in the second embodiment, as shown in FIG. 20, a plurality of
複数の送電コイル１１ａ_1〜１１ａ_n，１１ｂ_1〜１１ｂ_nが第１方向Ｄａに沿った第１の走行経路及び第１方向Ｄａに直交する第２方向Ｄｂに延伸する第２の走行経路にそれぞれ設置されることにより、受電コイル２１が搭載された移動体５０が、走行路を直進する間、高い電力伝送効率ηを維持したまま、直進方向の左右方向の位置ずれに対する許容範囲が向上される。特に、図２０に示したようなＴ字路で移動体５０が進行方向を直角に方向転換する際においても、伝送領域Ｒの面積の変化を抑制して、電力送電用シートからの電力伝送効率ηの低減を抑制することができる。
A plurality of power transmission coils 11a_1 to 11a_n and 11b_1 to 11b_n are installed in a first traveling path along the first direction Da and a second traveling path extending in a second direction Db orthogonal to the first direction Da, respectively. As a result, while the moving
また、第２実施形態に係る送電装置１０Ａは、図２１に示すように、電源回路１４が、複数の送電側整合回路１３_1〜１３_のそれぞれを介して、複数の送電コイル１１_1〜１１_n及び複数の送電側共振コンデンサ１２_1〜１２_nからそれぞれ構成される複数の送電側共振回路の何れかに選択的に交流電流を供給するように、電源回路１４と複数の送電側共振回路との間の配線を切り替えるセレクタ１６を備える送電装置１０Ｃであってもよい。セレクタ１６は、例えば、電源回路１４と複数の送電側整合回路１３_1〜１３_nとの間に接続されたスイッチからなり、電源回路１４から出力された交流電力を選択的に複数の送電側整合回路１３_1〜１３_nに入力する。セレクタ１６の動作は、第１の制御回路１５により制御されればよい。
Further, in the
この場合も第２実施形態と同様に、送電コイルユニット３０Ｃにおいて、複数の送電コイル１１_1〜１１_nが、平面パターンとして、各長辺が帯状の配列方向に対して４５°傾斜するように一定ピッチ、同一配向、同一寸法で周期的に配置されて電力送電用シートを構成することにより、移動体５０に固定された単一の受電コイル２１に対して、安定した状態で連続的に電力の伝送をすることができ、移動体５０の走行に伴う左右方向の位置ずれの許容範囲を向上することができる。
In this case as well, in the power
また、第２実施形態において、移動体５０は、送電装置１０側から送信されるビーコン信号に従って、複数の送電コイル１１_1〜１１_nに対して適正な位置に受電コイル２１が配置されるように、自動的に走行を制御するようにしてもよい。
Further, in the second embodiment, the
更に、既に述べた第１及び第２実施形態において、送電コイル１１及び受電コイル２１は、図２２に示すように、複数の単位コイルのパターンを含む送電コイル１１Ａ及び複数の単位コイルのパターンを含む受電コイル２１Ａであってもよい。送電コイル１１Ａは、第１平面上に配置され、長方形状の外形を定義する第１の主コイル１１１と、第１平面上において第１の主コイル１１１が定義する外形線の内部に含まれるように、第１の主コイル１１１の長手方向における両端側にそれぞれ配置された、第１の副コイル１１２及び１１３の２つの第１の副コイルを有する。
Further, in the first and second embodiments already described, the
第１の副コイル１１２，１１３は、それぞれ第１の主コイル１１１の長辺の長さの１／３〜１／６の辺を、第１の主コイル１１１の長辺とそれぞれ平行にした４角形である。第１の副コイル１１２，１１３の第１の主コイル１１１の長辺と直交する方向の辺は、第１の主コイル１１１の短辺と平行になる。例えば、第１の副コイル１１２，１１３は、第１の主コイル１１１の短辺をそれぞれ１辺として共有する２つの正方形として構成できるが、正方形に限定されるものではない。又、第１の副コイル１１２，１１３は、第１の主コイル１１１の短辺より短い各１辺を有する４角形であってもよい。
In each of the first sub-coils 112 and 113, the sides of 1/3 to 1/6 of the length of the long side of the first
第１の主コイル１１１の外形線は、第１及び第２実施形態における送電コイル１１の外形線と共通の形状であり、長さａ１の長辺及び幅ｂ１の短辺を有する長方形の４辺に沿って巻数２で巻かれたリッツ線等の巻線からなる。第１の主コイル１１１の巻数は、１であっても３以上であってもよい。第１の副コイル１１２，１１３は、巻数１で巻かれた巻線でも、巻数は２以上であってもよい。
The outline of the first
第１の主コイル１１１及び第１の副コイル１１２，１１３のそれぞれは、図２３に示すように、互いに同一の巻き線方向に巻かれた同一の巻線からなる。このため、第１の主コイル１１１及び第１の副コイル１１２，１１３は、それぞれ流れる電流の回転方向が同一である。即ち、第１の主コイル１１１及び第１の副コイル１１２，１１３のそれぞれは、各内側において互いに同一方向の磁界をそれぞれ形成するように連結する。
As shown in FIG. 23, each of the first
受電コイル２１Ａは、送電コイル１１Ａと同一の幾何学的構造を有し得る。即ち、受電コイル２１Ａは、第２平面上に配置され、長方形状の外形を定義する第２の主コイル２１１と、第２平面上において第２の主コイル２１１が定義する外形線の内部に含まれるように、第２の主コイル２１１の長手方向における両端側にそれぞれ配置された、第２の副コイル２１２及び２１３の２つの第２の副コイルを有する。
The
第２の副コイル２１２，２１３は、それぞれ第２の主コイル２１１の長辺の長さの１／３〜１／６の辺を、第２の主コイル２１１の長辺とそれぞれ平行にした４角形である。第２の副コイル２１２，２１３の第２の主コイル２１１の長辺と直交する方向の辺は、第２の主コイル２１１の短辺と平行になる。例えば、第２の副コイル２１２，２１３は、第２の主コイル２１１の短辺をそれぞれ１辺として共有する２つの正方形で構成できるが、正方形に限定されるものではない。第２の副コイル２１２，２１３は、第２の主コイル２１１の短辺より短い各１辺を有する４角形であってもよい。
The second sub-coils 212 and 213 have sides of 1/3 to 1/6 of the length of the long side of the second
第２の主コイル２１１の外形線は、第１及び第２実施形態における受電コイル２１の外形線と共通の形状であり、長さａ２の長辺及び幅ｂ２の短辺を有する長方形の４辺に沿って巻数２で巻かれたリッツ線等の巻線からなる。第２の主コイル２１１の巻数は、１であっても３以上であってもよい。第２の副コイル２１２，２１３は、それぞれ巻数１で巻かれた巻線であっても、巻数は２以上の巻線であってもよい。
The outline of the second
送電コイル１１Ａと同様に、第２の主コイル２１１及び第２の副コイル２１２，２１３のそれぞれは、互いに同一の巻き線方向に巻かれた同一の巻線からなる。このため、第２の主コイル２１１及び第２の副コイル２１２，２１３は、それぞれ流れる電流の回転方向が同一である。即ち、第２の主コイル２１１及び第２の副コイル２１２，２１３のそれぞれは、各内側において互いに同一方向の磁界をそれぞれ形成するように連結する。
Similar to the
第１実施形態におけるシミュレーションと同様に、副コイルを有する送電コイル１１Ａ及び副コイルを有する受電コイル２１Ａ間の位置ずれに対する電力伝送効率ηを図２４及び図２５に示すように算出した。第１実施形態と同様に、長方形の長辺の長さａ１＝ａ２＝４５ｃｍ、幅ｂ１＝ｂ２＝１５ｃｍとし、送電コイル１１Ａの重心を原点とするＸ−Ｙ平面の位置ずれ（Ｘ軸方向の位置ずれ−１００〜１００、Ｙ軸方向の位置ずれ−１００〜１００）に対する電力伝送効率ηを算出した。
Similar to the simulation in the first embodiment, the power transmission efficiency η with respect to the misalignment between the
図２４及び図２５において、斜線を付した四角形でデータ点を示した副コイルを有する送電コイル１１Ａ及び副コイルを有する受電コイル２１Ａ間の電力伝送効率η（図２４及び図２５において「長方形＿変更」と表示）が、白抜きの丸印でデータ点を示した第１実施形態に係るコイルＰ（図２４及び図２５において「長方形」と表示）と比べて改善したことが確認された。具体的には、第１実施形態に係るコイルＰは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向共に位置ずれが正負両方向に概ね６６％を超えると、即ち伝送領域Ｒの面積が維持される許容範囲を超えると落ち込むのに対して、副コイルを有する送電コイル１１Ａ及び副コイルを有する受電コイル２１Ａは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向共に位置ずれが正負両方向に概ね８０％程度まで高い電力伝送効率ηを実現可能であることが確認された。よって、副コイルを有する送電コイル１１Ａ及び副コイルを有する受電コイル２１Ａは、Ｘ−Ｙ平面方向における位置ずれの許容範囲を向上することができる。
In FIGS. 24 and 25, the power transmission efficiency η between the
上記の他、上記の実施形態において説明される各構成を任意に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 In addition to the above, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described here, such as configurations in which each configuration described in the above embodiments is arbitrarily applied. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the matters specifying the invention relating to the reasonable claims from the above description.
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 送電装置
１１，１１_1〜１１_n，１１ａ_1〜１１ａ_n，１１ｂ_1〜１１ｂ_m，１１Ａ 送電コイル
１２，１２_1〜１２_n 送電側共振コンデンサ
１３，１３_1〜１３_n 送電側整合回路
１４，１４_1〜１４_n 電源回路
１５，１５_1〜１５_n 第１の制御回路
１６ セレクタ
２０ 受電装置
２１，２１Ａ 受電コイル
２２ 受電側共振コンデンサ
２３ 受電側整合回路
２４ 負荷回路
２５ 第２の制御回路
３０，３０Ａ，３０Ｂ 送電コイルユニット
３１ 第１の遮蔽板
３２ 第１の磁性シート
３３ 第１のカバー
４０ 受電コイルユニット
４１ 第２の遮蔽板
４２ 第２の磁性シート
４３ 第２のカバー
５０ 移動体
１１１ 第１の主コイル（主コイル）
１１２，１１３ 第１の副コイル（副コイル）
２１１ 第２の主コイル
２１２，２１３ 第２の副コイル
10,10A, 10B,
112, 113 1st sub coil (sub coil)
211 Second main coil 212,213 Second sub coil
Claims (9)
前記一方向に沿って移動する受電コイルであって、前記第１平面に平行に対向する第２平面上に配置され、前記長辺に直交する長辺であって、前記送電コイルの短辺より長い長辺及び前記長辺より短い短辺を有する長方形状の受電コイルと
を備え、前記送電コイルは、
前記長方形状の外形を定義する主コイルと、
前記第１平面上において前記外形の内部に含まれるように、前記主コイルの長手方向における両端側にそれぞれ配置された、前記外形が定義する前記長辺の長さの１／３以下の辺を前記長辺とそれぞれ平行にした４角形である２つの副コイルと
を有し、前記受電コイルは、前記送電コイルから非接触で電力を受電し、
前記主コイル及び前記２つの副コイルは、同一方向の磁界をそれぞれ形成することを特徴とする電力伝送システム。 A rectangular power transmission coil arranged on the first plane with a long side inclined by 30 ° to 45 ° with respect to one direction on the first plane.
A power receiving coil that moves along the one direction, is a long side that is arranged on a second plane that is parallel to the first plane and is orthogonal to the long side, and is from the short side of the power transmission coil. The power transmission coil includes a rectangular power receiving coil having a long long side and a short side shorter than the long side.
The main coil that defines the rectangular outer shape and
Sides of 1/3 or less of the length of the long side defined by the outer shape, which are arranged on both end sides of the main coil in the longitudinal direction so as to be included in the outer shape on the first plane. With two sub-coils that are quadrangles parallel to the long sides
The power receiving coil receives power from the power transmission coil in a non-contact manner.
A power transmission system characterized in that the main coil and the two subcoils each form a magnetic field in the same direction.
を備え、前記受電コイルは、前記第１平面上を平行移動することにより、前記複数の送電コイルのそれぞれから非接触で電力を順次受電することを特徴とする電力伝送システム。 At least one direction is defined on a first plane and the travel path direction, have respective same orientation long sides is 30 ° to 45 ° inclined against the travel path direction, a fixed pitch along the travel path direction A plurality of rectangular power transmitting coils having the same dimensions and periodically arranged on the first plane, and a power receiving coil moving along the traveling path direction, which face parallel to the first plane. A rectangular power receiving coil arranged on two planes and having a long side orthogonal to the long side and having a long side longer than the short side of the power transmission coil and a short side shorter than the long side is provided. The power receiving coil is a power transmission system characterized in that power is sequentially received from each of the plurality of power transmitting coils in a non-contact manner by moving in parallel on the first plane.
前記長方形状の外形を定義する主コイルと、
前記第１平面上において前記外形の内部に含まれるように、前記主コイルの長手方向における両端側にそれぞれ配置された、前記外形が定義する前記長辺の長さの１／３以下の辺を前記長辺とそれぞれ平行にした４角形である２つの副コイルと
を有し、前記主コイル及び前記２つの副コイルは、同一方向の磁界をそれぞれ形成する同一の巻き線方向であることを特徴とする請求項２に記載の電力伝送システム。 Each of the plurality of power transmission coils
The main coil that defines the rectangular outer shape and
Sides of 1/3 or less of the length of the long side defined by the outer shape, which are arranged on both end sides of the main coil in the longitudinal direction so as to be included in the outer shape on the first plane. It has two subcoils that are square and parallel to the long side, and the main coil and the two subcoils are characterized by having the same winding direction that forms a magnetic field in the same direction. The power transmission system according to claim 2.
向に移動する移動体の底面に固定されることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力伝
送システム。 The power transmission according to claim 2 or 3 , wherein the power receiving coil is fixed to the bottom surface of a moving body that moves in a direction parallel to the second plane so that the front-rear direction is along the traveling path direction. system.
それぞれの長辺が前記走行経路方向に対し30°〜45°傾斜した同一配向を有し、前記走行経路方向に沿って一定ピッチ、同一寸法で前記第１平面上に周期的に配置された長方形状の複数の送電コイルのセットを備え、
前記第１平面に平行に対向する第２平面を前記移動体の底面とし、該底面に固定された、前記長辺に直交する長辺であって、前記送電コイルの短辺より長い長辺、及び前記長辺より短い短辺を有する長方形状の受電コイルに、前記複数の送電コイルのそれぞれから前記電力が順次送電されることを特徴とする電力送電用シート。 Electric power transmitted from the first plane in a non-contact manner, for transmitting the electric power to a moving body traveling above the first plane with at least one direction defined in the first plane as a traveling path direction. It is a sheet for power transmission,
Rectangle whose long sides have the same orientation inclined by 30 ° to 45 ° with respect to the traveling path direction, and are periodically arranged on the first plane with a constant pitch and the same dimensions along the traveling path direction. Equipped with a set of multiple power transmission coils
A second plane that faces parallel to the first plane is the bottom surface of the moving body, and a long side that is fixed to the bottom surface and is orthogonal to the long side and is longer than the short side of the power transmission coil. A power transmission sheet, wherein the electric power is sequentially transmitted from each of the plurality of transmission coils to a rectangular power receiving coil having a short side shorter than the long side.
前記長方形状の外形を定義する主コイルと、
前記第１平面上において前記外形の内部に含まれるように、前記主コイルの長手方向における両端側にそれぞれ配置された、前記外形が定義する前記長辺の長さの１／３以下の辺を前記長辺とそれぞれ平行にした４角形である２つの副コイルと
を有し、前記主コイル及び前記２つの副コイルは、同一方向の磁界をそれぞれ形成する同一の巻き線方向であることを特徴とする請求項７に記載の電力送電用シート。 Each of the plurality of power transmission coils
The main coil that defines the rectangular outer shape and
Sides of 1/3 or less of the length of the long side defined by the outer shape, which are arranged on both end sides of the main coil in the longitudinal direction so as to be included in the outer shape on the first plane. It has two subcoils that are square and parallel to the long side, and the main coil and the two subcoils are characterized by having the same winding direction that forms a magnetic field in the same direction. The power transmission sheet according to claim 7.
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