JP6967181B2 - 送電装置、および、非接触電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、平行線路を利用して非接触で電力の伝送を行う送電装置、および、非接触電力伝送システムに関する。

負荷と電源とを直接接続することなく、電源が出力する電力を非接触で負荷に伝送する技術が開発されている。当該技術は、一般的に、非接触電力伝送やワイヤレス給電と呼ばれている。当該技術は、携帯電話や家電製品、電気自動車などへの給電に応用されている。

走行中の電気自動車に送電する方法として、２本の導体線を平行に敷設した平行二線路に高周波電力を供給し、電気自動車に搭載された受電部のコイルを平行二線路に磁気的に結合させることで送電を行う方法が開発されている（特許文献１参照）。

特開２０１４-２３６４０９号公報

T. Ohira, "Extended k-Q product formulas for capacitive- and inductive-coupling wireless power transfer schemes," IEICE Electronics Express, vol.11,no.9, pp.1-7, 2014. T. Ohira, "Maximum available efficiency formulation based on a black-box model of linear two-port power transfer systems," IEICE Electronics Express, vol.11,no.12, pp.1-6, 2014.

しかしながら、平行二線路の線路長が長くなると線路の抵抗成分が増加するので、電力の伝送効率は低下する。

本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、平行線路を利用する場合に、電力の伝送効率を従来のものより大きくできる送電装置、および、非接触電力伝送システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面によって提供される送電装置は、受電装置に非接触で電力を伝送する送電装置であって、高周波電力を出力する高周波電源装置と、前記高周波電源装置の第１の出力端子に接続する第１の線路と、前記高周波電源装置の第２の出力端子に接続し、かつ、前記第１の線路に平行に配置された第２の線路と、前記第１の出力端子に接続し、かつ、前記第１の線路に平行に配置された１以上の第３の線路と、前記第２の出力端子に接続し、かつ、前記第２の線路に平行に配置された１以上の第４の線路とを備えていることを特徴とする。この構成によると、高周波電力の経路は、互いに平行な第１の線路および第３の線路と、互いに平行な第２の線路および第４の線路である。したがって、高周波電力の経路が第１の線路と第２の線路だけの従来のものと比較して、高周波電力の経路の抵抗成分が小さい。よって、送電装置から受電装置への電力の伝送効率を、従来のものより大きくできる。また、第１の線路と第３の線路との間隔、および、第２の線路と第４の線路との間隔を自由に設定可能である。したがって、これらの間隔を調整することで、伝送効率をより大きいものにすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第３の線路および前記第４の線路は、それぞれ１つである。この構成によると、必要とする線路の数を少なくすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第３の線路は、前記第１の線路と前記第２の線路との間に配置されており、前記第４の線路は、前記第３の線路と前記第２の線路との間に配置されており、前記第１の線路と前記第３の線路との間隔、および、前記第２の線路と前記第４の線路との間隔の、前記第１の線路と前記第２の線路との間隔に対する割合は、３〜１０％である。この構成によると、送電装置から受電装置への電力の伝送効率をより大きくすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記割合は、６．２５％である。この構成によると、伝送効率を最大にすることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１の線路と前記第３の線路とは、前記第１の線路および前記第２の線路が配置される面に直交する直交方向に並んでおり、前記第２の線路と前記第４の線路とは、前記直交方向に並んでいる。この構成によると、第３の線路および第４の線路が、第１の線路および第２の線路が配置される面に配置されない。したがって、第１の線路および第２の線路が配置される面に制約がある場合でも、第３の線路および第４の線路が配置可能である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１ないし第４の線路の長さは、前記高周波電力の波長の４分の１以下である。この構成によると、線路上に定在波が発生しないので、電力の伝送効率が低下する箇所が発生しない。

本発明の第２の側面によって提供される非接触電力伝送システムは、本発明の第１の側面によって提供される送電装置と、前記受電装置とを備えている非接触電力伝送システムであって、前記受電装置は、前記第１ないし第４の線路に磁気的に結合する受電コイルを備えていることを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１の線路と前記第２の線路との間隔は、前記受電コイルの、前記第１の線路が延びる方向に直行する方向の寸法の１００〜１５０％である。この構成によると、横ずれに対する伝送効率の低下を抑制しつつ、磁束を発生させる領域を制限することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１ないし第４の線路は、道路上に敷設または道路に埋設されており、前記受電装置は、車に搭載されており、前記受電コイルは、前記車の車体底面に配置されている。この構成によると、道路を走行中の車に、非接触で電力を伝送することができる。

本発明によると、高周波電力の経路は、互いに平行な第１の線路および第３の線路と、互いに平行な第２の線路および第４の線路である。したがって、高周波電力の経路が第１の線路と第２の線路だけの従来のものと比較して、高周波電力の経路の抵抗成分が小さい。よって、送電装置から受電装置への電力の伝送効率を、従来のものより大きくできる。また、第１の線路と第３の線路との間隔、および、第２の線路と第４の線路との間隔を自由に設定可能である。したがって、これらの間隔を調整することで、伝送効率をより大きいものにすることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

第１実施形態に係る非接触電力伝送システムを示す概略図である。 図１に示す非接触電力伝送システムの構成を簡略化した図である。 シミュレーション結果を示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。 シミュレーション結果を示す図である。 第２実施形態に係る非接触電力伝送システムを示す概略図である。 第３実施形態に係る非接触電力伝送システムを示す概略図である。 第４実施形態に係る非接触電力伝送システムを示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を、送電装置が道路に配置され、受電装置が電気自動車に搭載された場合を例にして、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、第１実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ａを示す概略図である。同図（ａ）は、非接触電力伝送システム１Ａの全体構成を示しており、平行線路２２が敷設された道路上を走行する電気自動車Ｖを上から見た状態を示している。同図（ｂ）は、電気自動車Ｖの側面を見た状態（内部の記載を一部省略）を示している。

図１に示すように、非接触電力伝送システム１Ａは、送電装置２と受電装置３とを備えている。送電装置２は、高周波電力を発生させ、発生させた高周波電力を非接触で受電装置３に送電する。受電装置３は、電気自動車Ｖに搭載されており、送電装置２から送電された高周波電力を非接触で受電する。受電装置３は、受電した高周波電力を直流電力に変換して負荷４に供給する。負荷４は、例えば蓄電デバイスであり、受電装置３から供給される直流電力を蓄電し、電気自動車Ｖを駆動するモータなどに電力を供給する。なお、電気自動車Ｖは、蓄電デバイスを備えず、受電装置３から供給される直流電力でモータなどを直接駆動するようにしてもよい。この場合は、モータなどが負荷４に相当する。

送電装置２は、高周波電源装置２１、平行線路２２、および共振コンデンサ２３を備えている。

高周波電源装置２１は、高周波電力を平行線路２２に供給するものである。高周波電源装置２１は、所定周波数ｆ₀の一定の大きさの高周波電力を出力する。本実施形態では、所定周波数ｆ₀は、８５ｋＨｚである。なお、高周波電力の周波数は限定されない。高周波電源装置２１は、図示しないＡＣ−ＤＣコンバータ回路およびインバータ回路を備えている。ＡＣ−ＤＣコンバータ回路は、商用電源などから入力される交流電力を直流電力に変換して、インバータ回路に出力する。インバータ回路は、ＡＣ−ＤＣコンバータ回路から入力される直流電力を所定周波数ｆ₀の高周波電力に変換する。高周波電源装置２１は、出力端子２１ａ，２１ｂを介して、平行線路２２に高周波電力を出力する。

平行線路２２は、高周波電源装置２１から供給される高周波電力を受電装置３に送電するものであり、高周波電源装置２１が出力する電力を送出する送電コイルとして機能する。平行線路２２は、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを備えている。

線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、帯状の導体である。線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとして、厚さ（断面における短手方向の寸法）０．１ｍｍ〜１ｃｍ程度、幅（断面における長手方向の寸法）１ｃｍ〜１０ｃｍ程度の銅板が用いられる。本実施形態では、厚さ０．４ｃｍ、幅２．５ｃｍの銅板が用いられている。なお、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの各寸法は限定されず、素材も限定されない。線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、幅方向を道路の路面に平行にして、互いに平行となるように、路面上に敷設されている。なお、路面上に敷設されるのではなく、路面付近に埋設されてもよい。

線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、電気自動車Ｖが走行する道路に沿って延びている。線路２２ａおよび線路２２ｃの一方端（図１においては左端）は、共振コンデンサ２３を介して、高周波電源装置２１の出力端子２１ａに接続している。つまり、線路２２ａと線路２２ｃとは、互いに並列に接続されている。また、線路２２ｂおよび線路２２ｄの一方端（図１においては左端）は、高周波電源装置２１の出力端子２１ｂに接続している。つまり、線路２２ｂと線路２２ｄとは、互いに並列に接続されている。線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの他方端（図１においては右端）は、短絡されている。なお、各他方端は、絶縁されていてもよいし、特定のインピーダンスを介して接続されていてもよい。出力端子２１ａは本発明の「第１の出力端子」に相当し、出力端子２１ｂは本発明の「第２の出力端子」に相当する。また、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、それぞれ、本発明の「第１の線路」、「第２の線路」、「第３の線路」、「第４の線路」に相当する。

線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、道路に沿って配置されている。線路２２ａおよび線路２２ｂは、路面上で互いに平行になるように配置されている。線路２２ｃは、路面上で、線路２２ａと線路２２ｂとの間の線路２２ａ寄りに、線路２２ａに平行になるように配置されている。線路２２ｄは、路面上で、線路２２ｃと線路２２ｂとの間に、線路２２ｂに平行になるように配置されている。つまり、平行線路２２は、線路２２ａ，２２ｂからなる従来の平行二線路の内側に、これらに平行な線路２２ｃ，２２ｄを追加したものである。以下では、平行線路２２を用いる方式を、従来の平行二線路を用いる平行二線式と対比して説明する場合、「平行四線式」と記載する場合がある。

線路２２ａと線路２２ｂとの間隔（各線路の中心軸間の距離）Ｌｘｔは、数１０ｃｍ〜２ｍ程度であり、使用される電気自動車Ｖの車幅などから適宜設計される。本実施形態では、間隔Ｌｘｔは、８０ｃｍである。なお、間隔Ｌｘｔは限定されない。ただし、後述するシミュレーションで説明するように、受電コイル３１の横ずれに対して伝送効率の低下を抑制するという観点からは、間隔Ｌｘｔを大きくするのが望ましい。一方、間隔Ｌｘｔを大きくすると、広い範囲で磁束を発生させることになり、高周波電源装置２１はより大きい電力を出力する必要がある。したがって、間隔Ｌｘｔは、後述する受電装置３の受電コイル３１の短辺の寸法（６０ｃｍ）の１００〜１５０％とするのが望ましい。本実施形態では、間隔Ｌｘｔを受電コイル３１の短辺の寸法（６０ｃｍ）の約１３３％である８０ｃｍとしている。

線路２２ａと線路２２ｃとの間隔、および、線路２２ｂと線路２２ｄとの間隔は同一である。当該間隔Ｗｘｔは、本実施形態では５ｃｍである。なお、間隔Ｗｘｔは限定されない。また、線路２２ａと線路２２ｃとの間隔と、線路２２ｂと線路２２ｄとの間隔とが異なっていてもよい。線路２２ａと線路２２ｃとの間隔は、線路２２ｃが線路２２ａおよび線路２２ｄに接触しない範囲で設定可能である。同様に、線路２２ｂと線路２２ｄとの間隔は、線路２２ｄが線路２２ｂおよび線路２２ｃに接触しない範囲で設定可能である。ただし、後述するシミュレーションで説明するように、送電装置２から受電装置３への電力の伝送効率をより大きくするためには、間隔Ｗｘｔを間隔Ｌｘｔの６．２５％、少なくとも３〜１０％にすることが望ましい。本実施形態では、間隔Ｗｘｔを間隔Ｌｘｔ（＝８０ｃｍ）の６．２５％である５ｃｍとしている。

線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが配置される道路は、水平方向に直線状に延びる道路が望ましい。本実施形態では、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが、水平方向に直線状に延びる道路に配置されている場合を想定している。したがって、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、水平面上で互いに平行に、直線状に延びている。本実施形態では、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの延びる方向の寸法Ｌｙｔは、２００ｍである。なお、寸法Ｌｙｔは限定されない。ただし、寸法Ｌｙｔが、供給される高周波電力の波長の４分の１以上の場合、定在波が発生するので、線路上に電力の伝送効率が低下する箇所が発生する。例えば、本実施形態における高周波電力の所定周波数ｆ₀は８５ｋＨｚであり、波長は約３５００ｍなので、約８７５ｍごとに伝送効率が低下する箇所が発生する。この場合でも、定在波の節の箇所以外の走行中に給電できるので、あまり問題にはならない。なお、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが配置される道路は、水平方向に直線状に延びる道路に限定されない。線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、道路に沿って配置され、道路が傾斜していればこれに沿って傾斜し、道路が湾曲していればこれに沿って湾曲するように配置される。

共振コンデンサ２３は、送電コイルとしての平行線路２２に直列接続されて、直列共振回路を構成するためのものである。平行線路２２および共振コンデンサ２３は、共振周波数が高周波電源装置２１より供給される高周波電力の所定周波数ｆ₀と一致するように設計される。

受電装置３は、受電コイル３１、共振コンデンサ３２、および整流平滑回路３３を備えている。

受電コイル３１は、本実施形態では、直径１ｃｍの断面円形状の銅線を、同一平面上で矩形渦巻き状に６回巻回した、いわゆるスパイラルコイルである。受電コイル３１の平面視における外形は、長辺が８０ｃｍで短辺が６０ｃｍの矩形状である。なお、受電コイル３１の材質、形状および寸法は限定されない。例えば、受電コイル３１は、平面視における外形が円形状や楕円形状であってもよいし、ヘリカルコイルであってもよい。ただし、平行線路２２を流れる電流によって変化する磁束に、より鎖交できる形状が望ましい。受電コイル３１は、電気自動車Ｖの車体底面に、コイル面が道路と略平行となるように配置されている。また、受電コイル３１は、長辺が電気自動車Ｖの進行方向に平行になるように配置されている。したがって、受電コイル３１は、長辺を平行線路２２の延びる方向に平行に保って、電気自動車Ｖの移動に伴って、平行線路２２と一定の距離だけ離れたまま、平行線路２２の延びる方向に移動する。本実施形態では、コイル面のうちの道路側を向く面と、道路に敷設された平行線路２２の上面との距離は２０ｃｍである。なお、当該距離は限定されない。受電コイル３１は、送電コイルとしての平行線路２２と磁気結合して、送電装置２から電力を受電する。

共振コンデンサ３２は、受電コイル３１に直列接続されて、直列共振回路を構成するためのものである。受電コイル３１および共振コンデンサ３２は、共振周波数が高周波電源装置２１より供給される高周波電力の所定周波数ｆ₀と一致するように設計される。

整流平滑回路３３は、受電コイル３１が受電した高周波電力を直流電力に変換するものである。整流平滑回路３３は、例えば、４つのダイオードをブリッジ接続した全波整流回路を備えている。また、整流平滑回路３３は、整流後の出力を平滑するための平滑回路も備えている。なお、整流平滑回路３３の構成は限定されず、整流平滑回路３３は、高周波電力を直流電力に変換するものであればよい。整流平滑回路３３から出力される直流電力は、負荷４に出力される。

受電コイル３１が送電コイルとしての平行線路２２と磁気結合することで、受電装置３は、送電装置２から送電される高周波電力を受電する。すなわち、平行線路２２に高周波電流が流れることで磁束が変化し、この磁束に鎖交する受電コイル３１に高周波電流が流れる。これにより、送電装置２から受電装置３に、非接触で電力を供給することができる。

次に、非接触電力伝送システム１Ａにおける、平行線路２２から受電コイル３１への電力の伝送効率を検証するシミュレーションについて説明する。

図２は、非接触電力伝送システム１Ａの構成を簡略化した図である。図２においては、平行線路２２の延びる方向をＹ方向、水平面においてＹ方向に直交する方向をＸ方向としている。

受電コイル３１は、直径１ｃｍの断面円形状の銅線を６回巻回したスパイラルコイルであり、Ｘ方向の寸法が６０ｃｍ、Ｙ方向の寸法が８０ｃｍの矩形状である。平行線路２２の線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、厚さ０．４ｃｍ、幅２．５ｃｍの銅板であり、Ｙ方向の寸法はＬｙｔ（＝２００ｍ）である。線路２２ａと線路２２ｂとの間隔はＬｘｔ（本シミュレーションでは１００ｃｍとしている）であり、線路２２ａと線路２２ｃとの間隔、および、線路２２ｂと線路２２ｄとの間隔はＷｘｔ（＝５ｃｍ）である。受電コイル３１と平行線路２２との距離は２０ｃｍである。高周波電源装置２１の所定周波数ｆ₀は８５ｋＨｚである。

本シミュレーションでは、最大伝送効率ηmaxを指標として用いる。最大伝送効率ηmaxは、負荷インピーダンスを最適化した時に得られる効率であり、システム固有のパラメータのみによって決まる指標である。平行線路２２に入力される電圧、電流、有効電力をそれぞれＶ₁，Ｉ₁，Ｐ₁とし、受電コイル３１が出力する電圧、電流、有効電力をそれぞれＶ₂，Ｉ₂，Ｐ₂とする。平行線路２２のインピーダンスをＺ₁₁＝Ｒ₁₁＋ｊＸ₁₁（Ｒ₁₁は抵抗成分、Ｘ₁₁はリアクタンス成分）とし、受電コイル３１のインピーダンスをＺ₂₂＝Ｒ₂₂＋ｊＸ₂₂（Ｒ₂₂は抵抗成分、Ｘ₂₂はリアクタンス成分）とし、平行線路２２と受電コイル３１との間の相互インダクタンスによるリアクタンスをＸ₁₂とすると、平行線路２２と受電コイル３１によるシステムは、下記（１）式で表される。

平行線路２２に入力される有効電力Ｐ₁、受電コイル３１が出力する有効電力Ｐ₂は、それぞれ下記（２）、（３）式で表される。Ｒｅ（ｘ）は複素数ｘの実数部分を示している。また、伝送効率ηは下記（４）式で表される。（１）〜（４）式から最大伝送効率ηmaxを算出すると、下記（５）、（６）式が導出される（非特許文献１，２参照）。下記（５）、（６）式に示すように、βはｋＱ積の二乗になっており、最大伝送効率ηmaxは、送受電コイルのｋＱ積に依存することが分かる。また、下記（５）、（６）式から明らかなように、平行線路２２のインピーダンスの抵抗成分Ｒ₁₁が小さいほど、最大伝送効率ηmaxは大きくなる。また、平行線路２２と受電コイル３１との間の相互インダクタンスによるリアクタンスＸ₁₂が大きいほど、最大伝送効率ηmaxは大きくなる。

本シミュレーションでは、比較のために、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを等間隔に配置した場合、すなわち、間隔Ｗｘｔを３３．３ｃｍ（≒１００ｃｍ／３）とした場合（比較例１）でもシミュレーションを行った。また、線路２２ｃ，２２ｄを備えない場合、すなわち、従来の平行二線式とした場合（比較例２）でもシミュレーションを行った。

まず、銅の導電率を５８ＭＳ／ｍとした場合の、各シミュレーションにおける平行線路のインピーダンスの抵抗成分の解析を行った。平行四線式の間隔Ｗｘｔを５ｃｍとした場合（以下では、「平行四線式Ａ」とする）、抵抗成分は０．４０Ωとなった。また、平行四線式の間隔Ｗｘｔを３３．３ｃｍ（等間隔）とした場合（以下では、「平行四線式Ｂ」とする）、抵抗成分は０．４０Ωとなった。また、平行二線式の場合、抵抗成分は０．７７Ωとなった。平行四線式の場合、間隔Ｗｘｔにかかわらず抵抗成分は同じであり、平行二線式の場合と比べてほぼ半分になった。また、間隔Ｌｘｔを６０ｃｍ、８０ｃｍとした場合も、抵抗成分に変化はなかった。また、Ｙ方向の寸法Ｌｙｔを１７５０ｍとした場合についても、平行線路のインピーダンスの抵抗成分の解析を行った。この結果、各平行線路のインピーダンスの抵抗成分は、平行四線式Ａの場合１．５７Ωとなり、平行四線式Ｂの場合１．５５Ωとなり、平行二線式の場合３.０３Ωとなった。平行四線式の場合、間隔Ｗｘｔにかかわらず抵抗成分はほぼ同じであり、平行二線式の場合と比べてほぼ半分になった。また、間隔Ｌｘｔを６０ｃｍ、８０ｃｍとした場合も、抵抗成分に変化はなかった。

次に、受電コイル３１の位置を変化させたときの最大伝送効率ηmaxを解析した。受電コイル３１のＸＹ平面での中心位置をＣｏとする。Ｙ方向における、平行線路２２と高周波電源装置２１との接続点から中心位置Ｃｏまでの距離をｄｙ（＝０〜２００ｍ）とする（図２参照）。また、中心位置Ｃｏの、平行線路２２のＸ方向の中心位置からのＸ方向へのずれを横ずれｄｘ（＝−５０〜５０ｃｍ）とする。図２における上側へのずれをプラス、下側へのずれをマイナスとしている。

図３（ａ）は、受電コイル３１のＹ方向の位置を変化させたときのシミュレーション結果を示す図である。図３（ａ）では、横ずれｄｘを０ｃｍとし、距離ｄｙを２５ｍから１７５ｍまで２５ｍずつ変化させたときの、それぞれの位置での最大伝送効率ηmaxを示している。グラフａが平行四線式Ａの場合を示しており、グラフｂが平行四線式Ｂの場合を示しており、グラフｃが平行二線式の場合を示している（図３（ｂ）、図４（ａ）、および図４（ｂ）でも同様である）。Ｙ方向の寸法Ｌｙｔが２００ｍなので、線路上に定在波は発生していない。したがって、図３（ａ）に示すように、最大伝送効率ηmaxは、受電コイル３１の位置に関係なく、ほぼ同じになっている。

また、平行四線式Ａの場合も平行四線式Ｂの場合も、最大伝送効率ηmaxは、平行二線式の場合と比べて１０％程度大きくなっている。これは、平行四線式の場合の平行線路２２の抵抗成分Ｒ₁₁が、平行二線式の場合の平行線路の抵抗成分Ｒ₁₁より小さいことに起因する。また、最大伝送効率ηmaxは、平行四線式Ａの場合の方が、平行四線式Ｂの場合より大きくなっている。これは、間隔Ｗｘｔによって、平行線路２２と受電コイル３１との間の相互インダクタンスによるリアクタンスＸ₁₂が変化することに起因する。つまり、平行四線式Ａの場合（Ｗｘｔ＝５ｃｍ）の方が、平行四線式Ｂの場合（Ｗｘｔ＝３３．３ｃｍ）より、リアクタンスＸ₁₂が大きい。Ｙ方向の寸法Ｌｙｔを１７５０ｍとしたときに検証した結果では、リアクタンスＸ₁₂は、平行四線式Ｂの場合に０．４７６５Ωであったが、平行四線式Ａの場合には約３．４％大きくなっていた。また、間隔Ｌｘｔを８０ｃｍとして、間隔Ｗｘｔを変化させるシミュレーションを行った結果、間隔Ｗｘｔが５ｃｍのとき、すなわち、間隔Ｌｘｔに対する間隔Ｗｘｔの割合が６．２５％のときに、最大伝送効率ηmaxが最大になった。つまり、最大伝送効率ηmaxをより大きくするためには、間隔Ｗｘｔを間隔Ｌｘｔの６．２５％、少なくとも３〜１０％にすることが望ましい。

図３（ｂ）は、受電コイル３１のＸ方向の位置を変化させたときのシミュレーション結果を示す図である。図３（ｂ）では、距離ｄｙを１００ｍとし、横ずれｄｘを−５０ｃｍから５０ｃｍまで１０ｃｍずつ変化させたときの、それぞれの位置での最大伝送効率ηmaxを示している。図３（ｂ）に示すように、最大伝送効率ηmaxは、横ずれｄｘが０ｃｍ（中心位置ＣｏがＸ方向の中心位置）のときに最大になり、ｄｘの絶対値が大きくなるほど（ずれが大きくなるほど）小さくなっている。平行四線式Ａの場合の最大伝送効率ηmaxは、ｄｘが−４８〜５０の範囲で、平行二線式の場合より大きくなっている。また、平行四線式Ｂの場合の最大伝送効率ηmaxは、ｄｘが−２０〜２０の範囲で、平行二線式の場合より大きくなっている。したがって、Ｘ方向へのずれが小さい領域では、平行四線式の方が平行二線式より、最大伝送効率ηmaxが大きいと言える。また、間隔Ｗｘｔが小さい方が、横ずれによる最大伝送効率ηmaxの低下が小さい。伝送される電力が最大のときから３ｄＢ減衰するまでのｄｘの範囲を有効範囲とすると、平行四線式Ａの場合の有効範囲は±４４ｃｍであり、平行四線式Ｂの場合の有効範囲は±３０ｃｍである。有効範囲を大きくするためには、間隔Ｗｘｔを小さくするのが望ましい。

次に、Ｙ方向の寸法Ｌｙｔを１７５０ｍに変更した場合のシミュレーションを行った。図４は、寸法Ｌｙｔを１７５０ｍとした場合のシミュレーション結果である。その他のパラメータは、図３の場合と同じである。

図４（ａ）は、受電コイル３１のＹ方向の位置を変化させたときのシミュレーション結果を示す図である。図４（ａ）では、横ずれｄｘを０ｃｍとし、距離ｄｙを２５ｍから１７２５ｍまで１００ｍずつ変化させたときの、それぞれの位置での最大伝送効率ηmaxを示している。Ｙ方向の寸法Ｌｙｔが１７５０ｍなので、線路上に定在波が発生している。したがって、図４（ａ）に示すように、最大伝送効率ηmaxは、距離ｄｙが８００ｍ〜９００ｍの区間で極めて小さくなっている。また、例えば平行四線式Ａの場合、最大伝送効率ηmaxは４２％以下であり、寸法Ｌｙｔが２００ｍのとき（図３（ａ）参照）の６０％と比較すると、小さくなっている。平行四線式Ｂおよび平行二線式の場合も同様に、寸法Ｌｙｔが２００ｍのときと比較して、最大伝送効率ηmaxは小さくなっている。これは、寸法Ｌｙｔが大きくなったことにより、平行線路の抵抗成分が大きくなったことに起因する。また、図４（ａ）に示すように、平行四線式の場合の最大伝送効率ηmaxは、平行二線式の場合と比べて大きくなっている。つまり、最大伝送効率ηmaxについては、寸法Ｌｙｔに関わらず、平行四線式の方が平行二線式より有利である。

図４（ｂ）は、受電コイル３１のＸ方向の位置を変化させたときのシミュレーション結果を示す図である。図４（ｂ）では、距離ｄｙを２５ｍとし、横ずれｄｘを−５０ｃｍから５０ｃｍまで１０ｃｍずつ変化させたときの、それぞれの位置での最大伝送効率ηmaxを示している。図４（ｂ）に示すように、最大伝送効率ηmaxは、横ずれｄｘが０ｃｍ（中心位置ＣｏがＸ方向の中心位置）のときに最大になり、ｄｘの絶対値が大きくなるほど（ずれが大きくなるほど）小さくなっている。平行四線式Ａの場合の最大伝送効率ηmaxは、ｄｘが−５０〜５０の範囲で、平行二線式の場合より大きくなっている。また、平行四線式Ｂの場合の最大伝送効率ηmaxは、ｄｘが−１８〜１８の範囲で、平行二線式の場合より大きくなっている。したがって、Ｘ方向へのずれが小さい領域では、平行四線式の方が平行二線式より、最大伝送効率ηmaxが大きいと言える。また、間隔Ｗｘｔが小さい方が、横ずれによる最大伝送効率ηmaxの低下が小さい。平行四線式Ａの場合の有効範囲は±４０ｃｍであり、平行四線式Ｂの場合の有効範囲は±２６ｃｍである。これらの傾向は、寸法Ｌｙｔに関わらない。

次に、間隔Ｌｘｔを変化させた場合のシミュレーションを行った。図５は、間隔Ｌｘｔを、６０ｃｍ、８０ｃｍ、１００ｃｍとした場合の、受電コイル３１のＸ方向の位置を変化させたときのシミュレーション結果を示す図である。その他のパラメータは、図３（ｂ）の場合と同じである。図５（ａ）は平行四線式Ｂの場合のシミュレーション結果であり、図５（ｂ）は平行四線式Ａの場合のシミュレーション結果である。グラフａがＬｘｔ＝１００ｃｍの場合を示しており、グラフｂがＬｘｔ＝８０ｃｍの場合を示しており、グラフｃがＬｘｔ＝６０ｃｍの場合を示している（図６（ａ）および図６（ｂ）でも同様である）。図５（ａ）に示すように、平行四線式Ｂの場合の有効範囲は、Ｌｘｔが６０ｃｍの場合で±２４ｃｍであり、Ｌｘｔが１００ｃｍの場合で±３０ｃｍである。また、図５（ｂ）に示すように、平行四線式Ａの場合の有効範囲は、Ｌｘｔが６０ｃｍの場合で±２７ｃｍであり、Ｌｘｔが１００ｃｍの場合で±４４ｃｍである。したがって、間隔Ｗｘｔに関わらず、間隔Ｌｘｔが大きいほど有効範囲が広くなることが判る。

図６は、Ｙ方向の寸法Ｌｙｔを１７５０ｍに変更した場合のシミュレーション結果を示す図である。その他の条件は、図５の場合と同じである。図６（ａ）は平行四線式Ｂの場合のシミュレーション結果を示し、図６（ｂ）は平行四線式Ａの場合のシミュレーション結果を示している。図６（ａ）に示すように、平行四線式Ｂの場合の有効範囲は、Ｌｘｔが６０ｃｍの場合で±２３ｃｍであり、Ｌｘｔが１００ｃｍの場合で±２６ｃｍである。また、図５（ｂ）に示すように、平行四線式Ａの場合の有効範囲は、Ｌｘｔが６０ｃｍの場合で±２５ｃｍであり、Ｌｘｔが１００ｃｍの場合で±４０ｃｍである。したがって、寸法Ｌｙｔが異なっていても、各線路の配置が同じであれば、有効範囲は同程度になることが判る。

次に、受電コイル３１の配置数を変更した場合のシミュレーションを行った。

平行線路２２に複数の受電コイル３１が磁気結合している場合の最大伝送効率ηmaxも、上記（５）式になる。ただし、βは、各受電コイル３１のインピーダンスをＺ_nn＝Ｒ_nn＋ｊＸ_nn（Ｒ_nnは抵抗成分、Ｘ_nnはリアクタンス成分）とし、平行線路２２と各受電コイル３１との間の相互インダクタンスによるリアクタンスをＸ_1nとすると（ｎ＝１，２，…，Ｎ）、下記（７）式になる。

図７は、受電コイル３１の配置数を変更した場合のシミュレーション結果を示す図である。図７は、各受電コイル３１の中心位置Ｃｏの横ずれｄｘを０ｃｍとし、配置する受電コイル３１の個数を１個から１０個まで変化させたときの、それぞれの最大伝送効率ηmaxを示している。その他の条件は、図３の場合と同じである。グラフａが平行四線式Ａの場合を示しており、グラフｂが平行四線式Ｂの場合を示しており、グラフｃが平行二線式の場合を示している。図７に示すように、最大伝送効率ηmaxは、配置数大きくなるほど大きくなっている。例えば、平行四線式において、配置数が５個の場合の最大伝送効率ηmaxは８０％であり、１個の場合は６０％である。配置数が増加するほど、伝送損失が減少していることが判る。また、配置数が小さいときほど、配置数の増加に対する最大伝送効率ηmaxの増加割合は大きい。すなわち、配置数が大きくなるにつれて、最大伝送効率ηmaxの上昇は緩やかになっている。また、図７に示すように、配置数に関わらず、平行四線式の場合の最大伝送効率ηmaxは、平行二線式の場合と比べて１０％程度大きくなっている。

次に、本実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ａの作用および効果について説明する。

本実施形態によると、平行線路２２は、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを備えている。平行線路２２は、線路２２ａ，２２ｂからなる従来の平行二線路の内側に、線路２２ａに並列接続し、かつ、線路２２ａに平行な線路２２ｃと、線路２２ｂに並列接続し、かつ、線路２２ｂに平行な線路２２ｄとを追加したものである。したがって、従来の平行二線路と比較して、平行線路２２の抵抗成分は小さい。よって、線路長が長くなった場合でも、送電装置２から受電装置３への電力の伝送効率を、従来のものより大きくできる。また、本実施形態によると、線路２２ａと線路２２ｃとの間隔、および、線路２２ｂと線路２２ｄとの間隔を自由に設定可能である。したがって、当該間隔Ｗｘｔを調整することで、伝送効率をより大きいものにすることができる。

また、本実施形態によると、間隔Ｗｘｔは、間隔Ｌｘｔの６．２５％である。したがって、伝送効率を最大にすることができる。また、間隔Ｗｘｔが間隔Ｌｘｔに対して十分小さいので、受電装置３の受電コイル３１のＸ方向の位置ずれ時の伝送効率の低下を、広い範囲で抑制することができる。

図８〜図１０は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図８は、本発明の第２実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ｂを示す概略図である。図８においては、電気自動車Ｖおよび受電装置３の記載を省略している。図８に示す非接触電力伝送システム１Ｂは、平行線路２２が６個の線路２２ａ〜２２ｆを備えている点で、第１実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ａ（図１（ａ）参照）と異なっている。

第２実施形態に係る平行線路２２は、線路２２ｃおよび線路２２ｄの内側に、さらに線路２２ｅおよび線路２２ｆを備えている。線路２２ｅ，２２ｆは、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと同様のものであり、材料、形状および寸法が共通している。線路２２ｅ，２２ｆも、路面上に敷設されており、道路に沿って延びている。線路２２ｅの一方端（図８においては左端）は、線路２２ａ，２２ｃと同様、共振コンデンサ２３を介して、高周波電源装置２１の出力端子２１ａに接続している。つまり、線路２２ａ，２２ｃ，２２ｅは、互いに並列に接続されている。線路２２ｆの一方端（図８においては左端）は、線路２２ｂ，２２ｄと同様、高周波電源装置２１の出力端子２１ｂに接続している。つまり、線路２２ｂ，２２ｄ，２２ｆは、互いに並列に接続されている。線路２２ｅ，２２ｆの他方端（図８においては右端）も、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄと同様、短絡されている。線路２２ｅは、路面上で、線路２２ｃと線路２２ｄとの間の線路２２ｃ寄りに、線路２２ｃに平行になるように配置されている。線路２２ｆは、路面上で、線路２２ｅと線路２２ｄとの間に、線路２２ｄに平行になるように配置されている。つまり、第２実施形態に係る平行線路２２は、第１実施形態に係る平行線路２２の線路２２ｃと線路２２ｄとの間に、これらに平行な線路２２ｅ，２２ｆを追加したものである。線路２２ｅは、本発明の「第３の線路」に相当し、線路２２ｆは、本発明の「第４の線路」に相当する。

本実施形態では、線路２２ｃと線路２２ｅとの間隔、および、線路２２ｄと線路２２ｆとの間隔は、間隔Ｗｘｔである。なお、線路２２ｃと線路２２ｅとの間隔と、線路２２ｄと線路２２ｆとの間隔とは、異なっていてもよいし、間隔Ｗｘｔと異なっていてもよい。線路２２ｃと線路２２ｅとの間隔は、線路２２ｅが線路２２ｃおよび線路２２ｆに接触しない範囲で設定可能である。同様に、線路２２ｄと線路２２ｆとの間隔は、線路２２ｆが線路２２ｄおよび線路２２ｅに接触しない範囲で設定可能である。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本実施形態においては、平行線路２２が備える線路が６個の場合について説明したが、これに限られない。平行線路２２は、より多くの線路を備えていてもよい。例えば、平行線路２２は、出力端子２１ａに接続するｎ個（ｎは２以上の整数）の線路と、出力端子２１ｂに接続するｎ個の線路とを備えていればよい。また、出力端子２１ａに接続する線路の数と、出力端子２１ｂに接続する線路の数とが異なっていてもよい。

図９は、本発明の第３実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ｃを示す概略図である。図９においては、電気自動車Ｖおよび受電装置３の記載を省略している。図９に示す非接触電力伝送システム１Ｃは、線路２２ｃが線路２２ａの鉛直下方に配置されており、線路２２ｃが線路２２ａの鉛直下方に配置されている点で、第１実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ａ（図１（ａ）参照）と異なっている。

第３実施形態に係る平行線路２２は、第１実施形態に係る平行線路２２と同様、４個の線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを備えている。線路２２ａ，２２ｂは、互いに平行となるようにして、路面上に敷設されている。線路２２ｃ，２２ｄは、互いに平行となるようにして、路面付近に埋設されている。線路２２ｃは、線路２２ａの鉛直下方に配置されており、線路２２ｄは、線路２２ｂの鉛直下方に配置されている。つまり、線路２２ａと線路２２ｃとは、線路２２ａおよび線路２２ｂが配置される面に直交する方向に並んでいる。また、線路２２ｂと線路２２ｄとは、線路２２ａおよび線路２２ｂが配置される面に直交する方向に並んでいる。線路２２ａと線路２２ｃとの間隔、および、線路２２ｂと線路２２ｄとの間隔は同一であり、本実施形態では５ｃｍである。なお、当該間隔は限定されない。また、線路２２ａと線路２２ｃとの間隔と、線路２２ｂと線路２２ｄとの間隔とが異なっていてもよい。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態によると、路面上への線路の敷設に制約がある場合でも、線路２２ｃ，２２ｄの配置が可能である。

なお、本実施形態においては、線路２２ｃと線路２２ｄとの間隔が、線路２２ａと線路２２ｂとの間隔と同じである場合について説明したが、これに限られない。線路２２ｃと線路２２ｄとの間隔は、線路２２ａと線路２２ｂとの間隔より広くしてもよいし、狭くしてもよい。線路２２ｃ，２２ｄは、路面付近に埋設されているので、路面上に敷設されている線路２２ａ，２２ｂよりも、配置の自由度がある。線路２２ｃと線路２２ｄとの間隔を線路２２ａと線路２２ｂとの間隔より広く配置することで、磁束が発生する領域をより広げることができるので、横ずれに対する伝送効率の低下をより抑制できる。また、本実施形態においては、線路２２ａ，２２ｂの鉛直下方に配置される線路がそれぞれ１個ずつである場合について説明したが、これに限られず、それぞれ複数個配置されてもよい。

図１０は、本発明の第４実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ｄを示す概略図である。図１０に示す非接触電力伝送システム１Ｄは、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが道路の路面に直交する方向に並んでいる点で、第１実施形態に係る非接触電力伝送システム１Ａ（図１（ａ）参照）と異なっている。

第４実施形態に係る平行線路２２は、第１実施形態に係る平行線路２２と同様、４個の線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを備えている。しかし、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、路面に平行な方向に並んでいるのではなく、路面に直交する方向に並んでいる。具体的には、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、幅方向が路面に直交するようにして、路面に直交する面上で互いに平行になるようにして配置されている。また、第４実施形態に係る受電コイル３１は、コイル面が路面に対して直交するようにして、電気自動車Ｖの側面に配置されている。つまり、線路２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが配置される面と受電コイル３１のコイル面とは平行になるように配置されているが、第１実施形態の場合これらの面が路面に平行であるのに対して、本実施形態の場合これらの面が路面に直交している。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

上記第１ないし第４実施形態では、送電装置２の平行線路２２が道路に配置され、受電装置３が電気自動車Ｖに搭載された場合について説明したが、これに限られない。例えば、非接触電力伝送システム１Ａ〜１Ｄは、工場や倉庫内などで、予め設定された経路に沿って自動走行させる無人搬送車（ＡＧＶ：Automated Guided Vehicle）システムにも採用可能である。この場合、平行線路２２は工場や倉庫の床などに配置され、受電装置３は無人搬送車に搭載される。また、非接触電力伝送システム１Ａ〜１Ｄは、電車、路面電車、モノレールなどにも採用可能である。

本発明に係る送電装置および非接触電力伝送システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る送電装置および非接触電力伝送システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 非接触電力伝送システム
２ 送電装置
２１ 高周波電源装置
２１ａ ：出力端子
２１ｂ ：出力端子
２２ 平行線路
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ 線路
２３ 共振コンデンサ
３ 受電装置
３１ 受電コイル
３２ 共振コンデンサ
３３ 整流平滑回路
４ 負荷
Ｖ 電気自動車

Claims (9)

1. 受電装置に非接触で電力を伝送する送電装置であって、
   高周波電力を出力する高周波電源装置と、
   前記高周波電源装置の第１の出力端子に接続する第１の線路と、
   前記高周波電源装置の第２の出力端子に接続し、かつ、前記第１の線路に平行に配置された第２の線路と、
   前記第１の出力端子に接続し、かつ、前記第１の線路に平行に配置された１以上の第３の線路と、
   前記第２の出力端子に接続し、かつ、前記第２の線路に平行に配置された１以上の第４の線路と、
   を備え、
   前記第１の線路と前記第３の線路との間には前記第４の線路は配置されず、前記第２の線路と前記第４の線路との間には前記第３の線路は配置されない、
   ことを特徴とする送電装置。
2. 前記第３の線路および前記第４の線路は、それぞれ１つである、
   請求項１に記載の送電装置。
3. 前記第３の線路は、前記第１の線路と前記第２の線路との間に配置されており、
   前記第４の線路は、前記第３の線路と前記第２の線路との間に配置されており、
   前記第１の線路と前記第３の線路との間隔、および、前記第２の線路と前記第４の線路との間隔の、前記第１の線路と前記第２の線路との間隔に対する割合は、３〜１０％である、
   請求項２に記載の送電装置。
4. 前記割合は、６．２５％である、
   請求項３に記載の送電装置。
5. 前記第１の線路と前記第３の線路とは、前記第１の線路および前記第２の線路が配置される面に直交する直交方向に並んでおり、
   前記第２の線路と前記第４の線路とは、前記直交方向に並んでいる、
   請求項１に記載の送電装置。
6. 前記第１ないし第４の線路の長さは、前記高周波電力の波長の４分の１以下である、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の送電装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の送電装置と、前記受電装置とを備えている非接触電力伝送システムであって、
   前記受電装置は、
   前記第１ないし第４の線路に磁気的に結合する受電コイルを備えている、
   ことを特徴とする非接触電力伝送システム。
8. 前記第１の線路と前記第２の線路との間隔は、前記受電コイルの、前記第１の線路が延びる方向に直行する方向の寸法の１００〜１５０％である、
   請求項７に記載の非接触電力伝送システム。
9. 前記第１ないし第４の線路は、道路上に敷設または道路に埋設されており、
   前記受電装置は、車に搭載されており、
   前記受電コイルは、前記車の車体底面に配置されている、
   請求項７または８に記載の非接触電力伝送システム。

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