JP7107693B2 - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線電力伝送装置に関する。

近年は、電源ケーブルを接続することなく、非接触（無線）で電力伝送を行なう技術が盛んに研究、開発されている。一般的な無線電力伝送装置は、図４に示すように、送電コイル３０と受電コイル５０を対向配置させ、送電コイル３０と受電コイル５０とを磁気的に結合させた構成を採用している。そして、送電コイル３０に供給された電力は、磁界共振方式を用いて、受電コイル５０に無線で伝送される。

しかし、図４に示すような無線電力伝送装置は、送電コイル３０が発する磁束の内、主経路を流れる磁束１００以外に、主経路から漏れる多くの漏洩磁束１１０が存在する。特に、金属製の回転体２０に送電コイル３０と受電コイル５０が環装されている場合には、回転体２０を貫く漏洩磁束１１０により、回転体２０内に渦電流が流れ、渦電流損となる。

上述したような、回転体２０内に渦電流が流れる問題を解消させることを意図した技術を有する無線電力伝送装置も知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に開示された無線電力伝送装置は、図５に示すような構成を採用している。図５において、回転体２０の軸線に対して直交する同一平面内に、回転体２０を含まないように形成された閉ループ状の送電コイル２００、２１０が設けられている。そして、送電コイル２００、２１０にそれぞれ対向配置され、かつ、対称形状の、回転体２０を含まないように形成された閉ループ状の受電コイル３００、３１０が、回転体２０の軸線に対して直交する同一平面内に設けられている。

特開２０１７－７０１１９号公報

しかし、特許文献１の無線電力伝送装置にも、下記のような問題点が依然として存在する。すなわち、送電コイル２００、２１０からそれぞれ発せられる磁束４００が、主経路を経由し受電コイル３００、３１０のそれぞれ閉ループ内を通り戻ってくる際に、送電コイル２００、２１０および受電コイル３００、３１０のそれぞれ主経路から外れた（漏れる）漏洩磁束４１０を生ずる。この漏洩磁束４１０は、上述した漏洩磁束１１０に比べると漏洩量が軽減されるが、依然として下記のような課題１および課題２を抱えている。

（課題１）
回転体２０を貫く漏洩磁束４１０（図５参照）により、回転体２０内に渦電流が発生し、誘導加熱を招き渦電流損となる。この渦電流損を軽減させるためには、送電コイル２００、２１０および受電コイル３００、３１０と回転体２０との間隙を大きくすればよい。しかし、これでは、無線電力伝送装置を構成する送電コイル２００、２１０および受電コイル３００、３１０の径の大型化を招いてしまう。

（課題２）
送電コイル２００、２１０および受電コイル３００、３１０のそれぞれ閉ループ外であり、かつ、回転体２０とは反対側に金属製の素材から構成された構造体が接近していると、漏洩磁束４１０（図５参照）により、前記構造体内に渦電流が流れ、誘導加熱を招く渦電流損となる虞がある。また、送電コイル２００、２１０の回転体２０の軸方向と平行な方向を向く下方に、前記構造体が接近していると、漏洩磁束４１０（図５参照）により、前記構造体内に渦電流が流れ、誘導加熱を招き渦電流損となる虞がある。同様に、受電コイル３００、３１０の回転体２０の軸方向と平行な方向を向く上方に、前記構造体が接近していると、漏洩磁束４１０（図５参照）により、前記構造体内に渦電流が流れ、誘導加熱を招き渦電流損となる虞がある。これらの渦電流損を軽減させるためには、送電コイル２００、２１０および受電コイル３００、３１０を前記構造体から遠ざけ、小型化すればよい。しかし、これでは、電力の伝送効率が低下してしまう。

本発明の目的は、送電コイルおよび受電コイルが金属製の回転体に環装される場合や前記送受電コイルの周囲に金属製の構造体が接近している場合にも、電力の伝送効率の低下と渦電流損とを抑制し、かつ、前記送受電コイルの径の大型化を招くこともない無線電力伝送装置を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明の無線電力伝送装置は、
その軸を中心として回転可能な回転体と、
前記回転体の周りに配置され、無線で電力を送電する送電コイルと、
前記回転体の周りに配置され、かつ、前記回転体の軸方向に前記送電コイルに対向するとともに、前記送電コイルと磁気的に結合し、前記送電コイルから送電される電力を磁界共振方式を用いて無線で受電する受電コイルと、
前記送電コイルから前記受電コイルへの電力の無線送電時に、前記送電コイルが発する磁束の主経路から漏れる漏洩磁束を抑える第１および第２抑制コイルと、
を備え、
前記第１抑制コイルは、前記軸方向において前記送電コイルに対して前記受電コイルとは反対側に配置され、かつ、前記回転体の周りに配置され、
前記第２抑制コイルは、前記軸方向において前記受電コイルに対して前記送電コイルとは反対側に配置され、かつ、前記回転体の周りに配置され、
前記送電コイルに電流が流れた際に、前記受電コイルを流れる電流の向きが前記送電コイルを流れる電流の向きと一致し、かつ、前記第１および第２抑制コイルをそれぞれ流れる電流の向きが前記送電コイルを流れる電流の向きと反対になるように構成されていることを特徴とする。

この発明により、送受電コイルが金属製の回転体に環装される場合や前記送受電コイルの周囲に金属製の構造体が接近している場合にも、電力の伝送効率の低下と渦電流損とを抑制し、かつ、前記送受電コイルの径の大型化を招くこともない無線電力伝送装置を提供することが可能である。

本発明の無線電力伝送装置は、対向する送受電コイルに加えて、さらに上記第１および第２抑制コイルを備えているため、前記送受電コイルが金属製の回転体に環装される場合や前記送受電コイルの周囲に金属製の構造体が接近している場合にも、電力の伝送効率の低下と渦電流損とを抑制し、かつ、前記送受電コイルの径の大型化を招くこともない。

本発明の実施形態１の無線電力伝送装置に係る電気回路部分を主に示すブロック図である。 図１に示す無線電力伝送装置に係る送受電コイル部を主に説明する説明図である。 図２に示す送受電コイル部を流れる電流と磁束の関係を説明する説明図である。 比較例１の送受電コイルを流れる電流と磁束の関係を説明する説明図である。 比較例２の送受電コイルを流れる電流と磁束の関係を説明する説明図である。 送受電コイル部周囲の磁束密度分布図であり、（ａ）は本発明例、（ｂ）は比較例１、（ｃ）は比較例２である。 送受電コイル部の中心位置における渦電流/入力電流を説明する説明図であり、（ａ）は本発明例、（ｂ）は比較例１、（ｃ）は比較例２である。 本発明の実施形態２の無線電力伝送装置に係る送受電コイル部を主に説明する説明図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に従って説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の無線電力伝送装置に係る電気回路部分を主に示すブロック図である。図２は図１に示す無線電力伝送装置に係る送受電コイル部を主に説明する説明図である。図３は図２に示す送受電コイル部を流れる電流と磁束の関係を説明する説明図である。

図１において、１は無線電力伝送装置、２は無線送電装置、３は無線受電装置、４は送電回路部、５、６は共振回路部、７は受電回路部、８は共振回路部５側の共振キャパシタ、９は送電コイル部、１０は送電コイル部９に対向した受電コイル部、１１は共振回路部６側の共振キャパシタである。

図２（ａ）において、２０は金属製の回転体、３０は回転体２０に環装され、無線で電力を送電する送電コイル部９を構成する送電コイル、４０、４１は回転体２０に環装された送電コイル部９を構成する第１抑制コイル、５０は回転体２０に環装され、無線で電力を受電する受電コイル部１０を構成する受電コイル、６０、６１は回転体２０に環装された受電コイル部１０を構成する第２抑制コイルである。

図１および図２において、送電回路部４から供給された交流電力（矢印（⇒）で示した「送電する交流電力」とも称す）が共振キャパシタ８（共振容量Ｃ１）を介して送電コイル３０（インダクタンスＬ1）に送られる。この時の送電周波数をｆとすると、ｆ＝１／（２×π×（Ｌ1×Ｃ１）^0.5）となるように共振容量Ｃ１の値を定めている。一方、受電コイル５０（インダクタンスＬ２）にも送電コイル３０と同様の構成のコイルを用いるとともに、共振キャパシタ１１（共振容量Ｃ２）を介して受電回路部７に交流電力（矢印（⇒）で示した「受電した交流電力」とも称す）が届けられる。この時の受電周波数をｆとすると、ｆ＝１／（２×π×（Ｌ２×Ｃ２）^0.5）となるように共振容量Ｃ２の値を定めている。

すなわち、受電コイル５０を送電コイル３０に対向させるとともに磁気的に結合し、送電コイル３０から送電される電力を磁界共振方式を用いて受電コイル５０で無線受電する構成とすることにより、高効率な無線電力伝送特性を得ることができる。また、図２（ｂ）および図３に示すような向きの電流を送電コイル３０に流した場合に、送電コイル３０が発する磁束が受電コイル５０を鎖交する。この受電コイル５０を鎖交する磁束により、受電コイル５０に起電力が発生する。そして、この受電コイル５０で発生する起電力によって流れる電流の向きが、送電コイル３０に流した電流の向きと同一になるように構成されている。なお、図中に表記した×印および・印は、電流の向きであり、×印は紙面に向かう方向、・印は紙面から離れる方向を示す。

図３において、第１抑制コイル４０、４１は、送電コイル３０を境に受電コイル５０と反対側に配置されている。そして、送電コイル３０から受電コイル５０への電力の無線送電時に、送電コイル３０が発する磁束の主経路を流れる磁束７０から漏れる漏洩磁束を抑えるように磁束８０が流れている。また、第２抑制コイル６０、６１は、受電コイル５０を境に送電コイル３０と反対側に配置されている。そして、送電コイル３０から受電コイル５０への電力の無線送電時に、送電コイル３０が発する磁束の主経路を流れる磁束７０から漏れる漏洩磁束を抑えるように磁束８０が流れている。また、第１抑制コイル４０、４１および第２抑制コイル６０、６１をそれぞれ流れる電流の向きは、送電コイル３０および受電コイル５０を流れる電流の向きと反対になるように構成されている。なお、第１抑制コイル４０、４１の合計巻き数と送電コイル３０の巻き数が同じになるように構成されている。同様に、第２抑制コイル６０、６１の合計巻き数と受電コイル５０の巻き数が同じになるように構成されている。

本発明の第１抑制コイル４０、４１および第２抑制コイル６０、６１の働きの理解を助けるとともに、本発明との比較のために、図４に示す比較例１としての送受電コイル（背景技術で述べた一般的な無線電力伝送装置で採用される送受電コイル）を流れる電流と磁束の関係も合わせて以下に説明する。

図４に示すように、送電コイル３０が発する磁束の内、主経路を流れる磁束１００以外に、主経路から漏れる多くの漏洩磁束１１０が存在する。しかし、図３に示すような本発明の第１抑制コイル４０、４１および第２抑制コイル６０、６１がさらに設けられると、図４に示すような漏洩磁束１１０も第１抑制コイル４０、４１および第２抑制コイル６０、６１が発する磁束８０によって抑え込まれる。すなわち、漏洩磁束１１０も、送電コイル３０と第１抑制コイル４０、４１の間、および、受電コイル５０と第２抑制コイル６０、６１の間を流れる（すなわち、図３に示す主経路を流れる磁束７０に合流して流れる）ようになり、漏洩量は極めて少なくなる。同時に、図４に示すような、回転体２０を流れる漏洩磁束１１０も、送電コイル３０や受電コイル５０の近傍を流れる（すなわち、図３に示す主経路を流れる磁束７０に合流して流れる）ようになり、漏洩量は極めて少なくなる。より詳細については、図６を用いて後述する。

なお、本実施形態における送電コイル３０、第１抑制コイル４０、４１、受電コイル５０および第２抑制コイル６０、６１は、回転体２０周りに互いに回転可能であり、かつ、回転体２０の軸線に対して直交する平面に対して対称に配置されている。そして、送電コイル３０、第１抑制コイル４０、４１、受電コイル５０および第２抑制コイル６０、６１のそれぞれの中心を通る前記軸線と平行な中心線が一致するように構成されている。したがって、回転しても磁気的結合が変化しないため、無線電力伝送特性が極めて安定になる。しかし、このような構成とすることは、必ずしも必須ではない。

図２に示す本発明の作用効果を検証するために、電磁界シミュレーションソフトＪＭＡＧを用いて、送受電コイル部周囲の磁束密度分布を解析し、その結果を図６に示す。同じく、図２に示す本発明の作用効果を検証するために、サーチコイルを用いて送電コイルの中心位置における電流（すなわち、渦電流）を測定し、その結果を図７に示す。また、本発明との比較のために、比較例１として、図４に示す送受電コイル（背景技術で述べた一般的な無線電力伝送装置で採用される送受電コイル）の構成、比較例２として、図５に示す送受電コイル（上記特許文献１に開示された無線電力伝送装置で採用される送受電コイル）を用いた。

本発明例および比較例１のコイルの諸元を下記表１に、比較例２のコイルの諸元を下記表２にそれぞれまとめて示す。

なお、表２に示す比較例２の送電コイル２００、２１０の巻き数１２とは、送電コイル２００、２１０のそれぞれ内径側コイルにより、回転体２０を１周し、送電コイル２００、２１０のそれぞれ外径側コイルにより、前記内径側コイルとは反対向きに回転体２０を１周した状態を以って巻き数１と計算している。受電コイル３００、３１０の巻き数に関しても同一の定義が適用される。

（電磁界シミュレーション）
電磁界シミュレーションにあたっては、送電コイルに５［Ａ（アンペア）］を入力し、受電コイルに３［Ａ］が流れたと仮定した。また、コイル部分以外は、空気で満たされていると仮定した。

（送受電コイル部周囲の磁束密度分布結果と考察）
図６（ａ）に示すように、本発明例の送電コイル３０および受電コイル５０の中心線上のＡ部では、０．０００３［Ｔ］以下であった。また、図６（ｂ）に示すように、比較例１の送電コイル３０および受電コイル５０の中心線上のＢ部では、０．０００５～０．０００８［Ｔ］であった。また、図６（ｃ）に示すように、比較例２の送電コイル２００、２１０および受電コイル３００、３１０の中心線上のＣ部では、０．０００３～０．０００５［Ｔ］であった。これらの結果より、本発明例は、比較例１や比較例２に比べて、回転体２０の中心線上を通る漏洩磁束密度が非常に小さく抑えられていることが分かる。なお、本発明に特有な作用効果を奏する磁束密度分布の箇所以外（すなわち、磁束密度が０．００１１［Ｔ］以上の箇所）は、図６において、表示を省略した。ただし、本発明例、比較例１および比較例２ともに、最大磁束密度（約０．００４７～０．００５［Ｔ］）を示す箇所のみ、図６にＭＡＸと表示した。

また、図６に示された磁束密度分布の結果より、本発明例は、比較例１や比較例２に比べて、回転体２０の外表面近傍の軸方向の長い範囲に亘って、漏洩磁束密度が非常に小さく抑えられていることが分かる。したがって、送受電コイルが金属製の回転体に環装される場合にも、電力の伝送効率の低下と渦電流損とを抑制し、かつ、前記送受電コイルの径の大型化を招くこともないという作用効果を奏する。

また、図６に示された磁束密度分布の結果より、本発明例は、回転体２０の中心線上や外表面近傍以外の送受電コイル部９、１０の周囲においても、比較例１や比較例２に比べて、漏洩磁束密度が非常に小さく抑えられていることが分かる。したがって、送受電コイルの周囲に金属製の構造体が接近している場合にも、電力の伝送効率の低下と渦電流損を抑制することができる。本発明例には、このような磁束密度分布を示す特徴があるため、送受電コイルの周囲に設ける金属製の構造体の形状の自由度も高くなる。

（渦電流の測定とその結果）
上記電磁界シミュレーションに用いた本発明例、比較例１および比較例２と同じ諸元のコイルにおいて、共振キャパシタ８（共振容量Ｃ１＝１９９ｎＦ）と共振キャパシタ１１（共振容量Ｃ２＝１９９ｎＦ）をそれぞれ直列に接続し、ｆ＝１／（２×π×（Ｌ1×Ｃ１）^0.5）＝１／（２×π×（Ｌ２×Ｃ２）^0.5）となる共振周波数ｆで直列共振させ、受電回路部７としての負荷抵抗５［Ω］に、電力を無線伝送した。この時の本発明例、比較例１および比較例２のそれぞれの送電コイル側の中心位置における電流（すなわち、渦電流）を直径５０ｍｍのサーチコイルを用いて測定した。その結果を図７に示す。横軸の（ａ）は本発明例、（ｂ）は比較例１、（ｃ）は比較例２であり、縦軸は渦電流／入力電流（任意単位、a.u.と表記）である。図７より、本発明例は、比較例１や比較例２よりもさらに渦電流が小さくなることが分かる。この結果からも、本発明は渦電流を抑制できることが実証された。

（実施形態２）
図８は本発明の実施形態２の無線電力伝送装置に係る送受電コイル部を主に説明する説明図である。本実施形態は、実施形態１と第１抑制コイルと第２抑制コイルの個数と内径が異なるのみであるため、異なる構成要素のみ詳述し、同じ構成要素については同一番号を付し説明を省略する。

図８において、４２は送電コイル３０と同一形状の第１抑制コイル、６２は受電コイル５０と同一形状の第２抑制コイルである。また、送電コイル３０と第１抑制コイル４２により送電コイル部１５が構成され、受電コイル５０と第２抑制コイル６２により受電コイル部１６が構成されている。本実施形態のような構成の場合にも、実施形態１の場合と同様に、送電コイル３０と受電コイル５０に対向してそれぞれ第１抑制コイル４２と第２抑制コイル６２がさらに設けられている。したがって、図４に示すような漏洩磁束１１０も第１抑制コイル４２および第２抑制コイル６２が発する磁束によって抑え込まれる。

本実施形態のように、第１抑制コイルおよび第２抑制コイルがそれぞれ１箇所設けられる構成においても、送受電コイルが金属製の回転体に環装される場合や前記送受電コイルの周囲に金属製の構造体が接近している場合に、電力の伝送効率の低下と渦電流損とを抑制し、かつ、前記送受電コイルの径の大型化を招くこともないという本発明に特有な作用効果を奏する。ただし、第１抑制コイルおよび第２抑制コイルは、実施形態１のように、それぞれ２箇所以上に設ける構成の方が無線電力伝送特性の観点からもより好ましい。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これら
の実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。また、本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１ 無線電力伝送装置
２ 無線送電装置
３ 無線受電装置
４ 送電回路部
５、６ 共振回路部
７ 受電回路部
８、１１ 共振キャパシタ
９ 送電コイル部
１０ 受電コイル部
２０ 金属製の回転体
３０ 送電コイル
４０、４１、４２ 第１抑制コイル
５０ 受電コイル
６０、６１、６２ 第２抑制コイル
７０、８０ 磁束

Claims (2)

1. その軸を中心として回転可能な回転体と、
   前記回転体の周りに配置され、無線で電力を送電する送電コイルと、
   前記回転体の周りに配置され、かつ、前記回転体の軸方向に前記送電コイルに対向するとともに、前記送電コイルと磁気的に結合し、前記送電コイルから送電される電力を磁界共振方式を用いて無線で受電する受電コイルと、
   前記送電コイルから前記受電コイルへの電力の無線送電時に、前記送電コイルが発する磁束の主経路から漏れる漏洩磁束を抑える第１および第２抑制コイルと、
   を備えた無線電力伝送装置であって、
   前記第１抑制コイルは、前記軸方向において前記送電コイルに対して前記受電コイルとは反対側に配置され、かつ、前記回転体の周りに配置され、
   前記第２抑制コイルは、前記軸方向において前記受電コイルに対して前記送電コイルとは反対側に配置され、かつ、前記回転体の周りに配置され、
   前記送電コイルに電流が流れた際に、前記受電コイルを流れる電流の向きが前記送電コイルを流れる電流の向きと一致し、かつ、前記第１および第２抑制コイルをそれぞれ流れる電流の向きが前記送電コイルを流れる電流の向きと反対になるように構成されていることを特徴とする無線電力伝送装置。
2. 請求項１に記載の無線電力伝送装置において、
   前記送電コイルおよび前記受電コイルは、それぞれ前記回転体の軸を中心として回転可能であり、かつ、前記回転体の軸線に対して直交する平面に対して対称に配置され、
   前記軸方向に前記送電コイルの中心を通る中心線と、前記軸方向に前記受電コイルの中心を通る中心線とが一致するように構成されていることを特徴とする無線電力伝送装置。

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