JP7307344B2

JP7307344B2 - 結合係数測定器

Info

Publication number: JP7307344B2
Application number: JP2020042264A
Authority: JP
Inventors: 哲夫田部
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2023-07-12
Anticipated expiration: 2040-03-11
Also published as: JP2021145452A

Description

本発明は、結合係数測定器に関する。

従来、一次コイルと二次コイルとの結合係数を測定する結合係数測定器が知られている（例えば、特許文献１）。一次コイルと二次コイルとの結合係数の測定方法としては、例えば［ＪＩＳＣ５３２１］による方法が一般的である。この方法は、次式（０）に従って、二次コイルの両端を開放したときの一次コイルのインダクタンスの実測値Ｌｏと、二次コイルの両端を短絡したときの一次コイルのインダクタンスの実測値Ｌｓと、に基づいて、上記の結合係数ｋを測定するものである。
ｋ＝√（１－Ｌｓ／Ｌｏ）・・・（０）

特開２０１７－５０９８２号公報

しかしながら、上記した［ＪＩＳＣ５３２１］による測定手法は、一次コイルと二次コイルとの間の電圧変換を目的とした変圧器の結合係数を測定することに適しており、二次コイルの短絡時のインダクタンスが開放時のインダクタンスに対して極めて小さいことすなわち測定すべき結合係数が概ね０．５以上であることを前提としている。一方、ワイヤレス給電などでは、測定すべき結合係数が約０．０１程度である場合もあるが、上記の測定方法では、二次コイルの短絡時のインダクタンスが開放時のインダクタンスに近い場合すなわち測定すべき結合係数が極めて小さいときに、測定誤差が大きくなり、正確な結合係数を測定できないおそれがある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、結合係数が小さいことが想定される場合にもその結合係数を精度よく測定することが可能な結合係数測定器を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る結合係数測定器は、第一コイルと第二コイルとの間の結合係数を測定する結合係数測定器であって、前記第一コイルに入力される入力ベクトル値と前記第二コイルから出力される出力ベクトル値とに基づいて、前記第一コイル側から前記第二コイル側への電力伝送の特性を示す伝達係数を測定する伝達係数測定部と、前記第一コイル、前記第二コイル、及び前記伝達係数測定部からなる回路の前記結合係数を含む回路方程式に基づいて求められる前記結合係数の解となる式に、前記第一コイルのインダクタンス、前記第二コイルのインダクタンス、前記伝達係数、及び前記回路の既知の値を代入して、前記結合係数を測定する結合係数測定部と、を備える。

この構成によれば、第一コイルに入力される入力ベクトル値と第二コイルから出力される出力ベクトル値とを用いて伝達係数が測定され結合係数が測定される。この構成では、二次側のコイルの両端を開放させる状態と短絡させる状態との二つの状態それぞれでの値から結合係数を測定する手法とは異なり、測定状態の違いに起因して結合係数の測定精度が低下することは回避される。従って、結合係数が小さいことが想定される場合にも、その結合係数を精度よく測定することができる。

本発明の一実施形態に係る結合係数測定器のブロック構成図である。実施形態の結合係数測定器の回路構成図である。

以下、本発明に係る結合係数測定器の具体的な実施形態について、図面を用いて説明する。

本実施形態の結合係数測定器１は、電磁結合している第一コイル２と第二コイル３との間の結合係数ｋを測定する機器である。

第一コイル２及び第二コイル３は、電力伝送（例えば、ワイヤレス給電）に用いられるコイル同士である。第一コイル２は、電力を供給する送電側に接続される一次コイルである。第二コイル３は、送電側からの電力供給を受ける受電側に接続される二次コイルである。第一コイル２と第二コイル３とは、結合係数ｋの測定対象となる被測定トランス４を構成する。この被測定トランス４の構成としては、例えば、第一コイル２が車両の車室内などに設置されると共に、第二コイル３が車両乗員に携帯される携帯端末などに設けられる。また、別の被測定トランス４の構成としては、第一コイル２が充電スタンドなどに設置されると共に、第二コイル３が電気自動車などに搭載される。

結合係数測定器１は、図１に示す如く、伝達係数測定部１０を備えている。伝達係数測定部１０は、第一コイル２側から第二コイル３側への電力伝送の特性を示す伝達係数を測定する部位である。尚、伝達係数とは、第一コイル２側から第二コイル３側へ電力伝送を行ううえでの伝送係数であって、例えば反射係数や透過係数などである。伝達係数測定部１０は、ベクトル割り算を行うことが可能なベクトルネットワークアナライザである。以下、伝達係数測定部１０をベクトルネットワークアナライザ１０と称す。

ベクトルネットワークアナライザ１０は、伝達係数として、第一コイル２に入力される入力電圧のベクトル値（具体的には、その大きさ及び位相；以下、ベクトル記号を省略して単に入力電圧Ｖ３と称す。）と、第二コイル３から出力される出力電圧のベクトル値（具体的には、その大きさ及び位相；以下、ベクトル記号を省略して単に出力電圧Ｖ２と称す。）と、の比を測定する。

ベクトルネットワークアナライザ１０は、入力電圧Ｖ３と参照電圧Ｖ１とが互いに一致するように回路設定されている。従って、ベクトルネットワークアナライザ１０は、具体的には、参照電圧のベクトル値（具体的には、その大きさ及び位相；以下、単に参照電圧Ｖ１と称す。）と第二コイル３の出力電圧Ｖ２との比（すなわち、Ｖ２／Ｖ１）を計算する。

ベクトルネットワークアナライザ１０は、図１に示す如く、電源１１と、四つの抵抗１２，１３，１４，１５と、四つの外部端子１６，１７，１８，１９と、を有している。

電源１１は、正弦波状（具体的には、角周波数ω＝２πｆ；ｆは周波数であって、例えばＩＳＭバンドの６．７８ＭＨｚ帯や１３．５６ＭＨｚ帯である。）に電圧Ｖｉｎを発生する交流電源である。電源１１の一端は、接地されていると共に、第一外部端子１６に接続されている。また、電源１１の他端は、第一抵抗１２及び第二抵抗１３を介して接地されていると共に、第三抵抗１４を介して第二外部端子１７に接続されている。第二抵抗１３は、終端されている。上記の参照電圧Ｖ１は、第二抵抗１３の両端に生じる電圧である。上記の入力電圧Ｖ３は、第一外部端子１６と第二外部端子１７との間に生じる電圧である。

第四抵抗１５の一端は、第三外部端子１８に接続されている。また、第四抵抗１５の他端は、第四外部端子１９に接続されている。第三外部端子１８は、第二コイル３の一端に接続されている。第四外部端子１９は、第二コイル３の他端に接続されている。すなわち、第四抵抗１５は、第二コイル３の両端に接続されている。第四抵抗１５は、終端されている。上記の出力電圧Ｖ２は、第四抵抗１５の両端すなわち第三外部端子１８と第四外部端子１９との間に生じる電圧である。

第一抵抗１２、第二抵抗１３、第三抵抗１４、及び第四抵抗１５は、互いに同じ抵抗値Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５を有している。特に、それぞれ終端抵抗をなす第二抵抗１３及び第四抵抗１５は、互いに同じ抵抗値（例えば、５０Ω）Ｒ１３，Ｒ１５を有している。また、第一抵抗１２及び第三抵抗１４は、互いに同じ抵抗値（例えば、５０Ω）Ｒ１２，Ｒ１４を有している。

ベクトルネットワークアナライザ１０は、第二抵抗１３の両端電圧を参照電圧Ｖ１として測定すると共に、第三外部端子１８と第四外部端子１９との間の端子間電圧を出力電圧Ｖ２として測定する。そして、伝達係数として、それらの比であるＶ２／Ｖ１を計算する。

結合係数測定器１は、図１に示す如く、インピーダンス整合部２０を備えている。インピーダンス整合部２０は、第一コイル２側の入力インピーダンスを第二コイル３側の終端抵抗である第四抵抗１５の出力インピーダンスに整合させる部位である。インピーダンス整合部２０は、ベクトルネットワークアナライザ１０と第一コイル２との間に挿入されている。具体的には、インピーダンス整合部２０は、ベクトルネットワークアナライザ１０の第一外部端子１６及び第二外部端子１７に接続されていると共に、第一コイル２の両端に接続されている。

インピーダンス整合部２０は、ベクトルネットワークアナライザ１０の第一外部端子１６及び第二外部端子１７からの出力を減衰させてインピーダンス整合を図る抵抗パッドであって、例えば－２０ｄＢパッドである。インピーダンス整合部２０は、図１に示す如く、六つの抵抗２１，２２，２３，２４，２５，２６を有している。

抵抗２１は、ベクトルネットワークアナライザ１０の第一外部端子１６と第二外部端子１７との間に接続されている。抵抗２２は、ベクトルネットワークアナライザ１０の第一外部端子１６と第二外部端子１７との間に接続されている。すなわち、抵抗２１と抵抗２２とは、互いに並列接続されている。

抵抗２３は、第一コイル２の両端間に接続されている。抵抗２４は、第一コイル２の両端間に接続されている。すなわち、抵抗２３と抵抗２４とは、互いに並列接続されている。

抵抗２５は、ベクトルネットワークアナライザ１０の第二外部端子１７と第一コイル２の一端との間に接続されている。抵抗２６は、ベクトルネットワークアナライザ１０の第二外部端子１７と第一コイル２の一端との間に接続されている。すなわち、抵抗２５と抵抗２６とは、互いに並列接続されている。また、ベクトルネットワークアナライザ１０の第一外部端子１６は、第一コイル２の他端に接続されている。

抵抗２１，２３は、互いに同じ抵抗値（例えば２４０Ω）Ｒ２１，Ｒ２３を有している。抵抗２２，２４は、互いに同じ抵抗値（例えば８２Ω）Ｒ２２，Ｒ２４を有している。抵抗２５は、所定の抵抗値（例えば６８０Ω）Ｒ２５を有している。抵抗２６は、所定の抵抗値（例えば３９０Ω）Ｒ２６を有している。

次に、結合係数測定器１の回路構成について説明する。

結合係数測定器１（具体的には、第一コイル２、第二コイル３、及び伝達係数測定部１０）は、図２に示す如き回路３０を構成する。この回路３０は、４端子回路網をなす。尚、この回路３０の構成においては、第一コイル２と第二コイル３とからなる被測定トランス４をＴ型等価回路に置き換えた。この回路３０では、次式の数１から数８に示す回路方程式が立てられる。尚、この回路方程式において、電流及び電圧は複素数である。また、この回路方程式において、ベクトル値であるパラメータのベクトル記号を省略している。

但し、Ｚ０は、第三抵抗１４の抵抗値Ｒ１４である。Ｒａｔｔ１は、抵抗２１の抵抗値Ｒ２１と抵抗２２の抵抗値Ｒ２２との並列合成抵抗値である。Ｒａｔｔ２は、抵抗２３の抵抗値Ｒ２３と抵抗２４の抵抗値Ｒ２４との並列合成抵抗値である。Ｒａｔｔ３は、抵抗２５の抵抗値Ｒ２５と抵抗２６の抵抗値Ｒ２６との並列合成抵抗値である。ＲＬは、第四抵抗１５の抵抗値Ｒ１５である。

また、Ｌ１は、被測定トランス４の第一コイル２側のインダクタンスである。Ｌ２は、被測定トランス４の第二コイル３側のインダクタンスである。Ｍは、第一コイル２と第二コイル３との間の相互インダクタンスである。ｒ１は、被測定トランス４の第一コイル２の交流実数抵抗値である。ｒ２は、被測定トランス４の第二コイル３の交流実数抵抗値である。更に、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、及びＩ４はそれぞれ、図２に示す経路で流れる電流である。

上記した回路３０の回路方程式から求められる結合係数ｋの解となる式は、次式の数９となる。この結合係数ｋの解となる式は、「Ｍａｘｉｍａ」などの数式解析ソフトを用いて回路３０の回路方程式を解くことにより求められる。

結合係数測定器１は、図１に示す如く、結合係数測定部４０を備えている。結合係数測定部４０は、結合係数ｋを測定する部位である。結合係数測定部４０は、ベクトルネットワークアナライザ１０に接続されている。結合係数測定部４０は、ベクトルネットワークアナライザ１０による測定結果に基づいて、結合係数ｋを測定する。

具体的には、結合係数測定部４０は、上記の如く回路３０の回路方程式から求められた結合係数ｋの解となる式に、ベクトルネットワークアナライザ１０による測定結果である伝達係数、実測した第一コイル２のインダクタンスＬ１、実測した第二コイル３のインダクタンスＬ２、及び回路３０の既知の数値を代入して、結合係数ｋを測定する。尚、既知の数値とは、上記のＺ０、Ｒａｔｔ１、Ｒａｔｔ２、Ｒａｔｔ３、ＲＬ、及びωの各数値のことである。

尚、上記の結合係数ｋの解となる式への数値代入が行われると、結合係数ｋとしては４通りの数値解が得られる。これは、数９中に根号を含むためである。これら４通りのうち、｜ｋ｜≧１が成り立つ場合及び第一コイル２及び第二コイル３の巻方向から見て正負が逆である場合は、それらの数値解は結合係数ｋとしてとり得ない値に該当する。このため、残りの数値解が実際の結合係数ｋとして測定される。

このように、本実施形態の結合係数測定器１によれば、第一コイル２と第二コイル３との間の結合係数ｋを測定することができる。この結合係数ｋの測定は、ベクトルネットワークアナライザ１０を用いて測定される第一コイル２側から第二コイル３側への電力伝送の特性を示す伝達係数に基づいて、具体的には、それぞれ測定される参照電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２との比であるＶ２／Ｖ１に基づいて行われる。

この結合係数ｋの測定手法によれば、上記の伝達係数を測定するための電圧Ｖ１，Ｖ２の測定箇所が互いに異なるので、それらの電圧Ｖ１，Ｖ２を別個独立して測定可能である。このため、それぞれの電圧Ｖ１，Ｖ２をそれぞれの測定レンジで測定することができるので、各電圧Ｖ１，Ｖ２をそれぞれ精度よく測定することができ、これにより、上記の伝達係数ひいては結合係数ｋの測定精度を向上させることができる。

また、上記の電圧Ｖ１，Ｖ２の測定は、それぞれ互いに同じ抵抗値で終端されている第二抵抗１３及び第四抵抗１５の両端電圧に基づいて行われる。この測定は、［ＪＩＳＣ５３２１］による測定手法と異なり、第二コイル３の両端を開放させる状態と短絡させる状態との二つの状態それぞれでの値を測定するものではなく、同じ抵抗値で終端した状態で値の測定を行うものである。

このため、二つの電圧Ｖ１，Ｖ２を測定するうえで、測定状態の違いに起因する測定電圧に測定誤差が生じるのを回避することができるので、上記の伝達係数ひいては結合係数ｋの測定精度を向上させることができる。更に、測定すべき結合係数ｋが極めて小さいとき、例えば０．５（好ましくは、０．３）よりも小さいときにも、測定すべき二つの電圧Ｖ１，Ｖ２に測定誤差が生じることはないので、上記の伝達係数ひいては結合係数ｋの正確な測定が可能である。

従って、結合係数ｋが小さいことが想定される場合にも、その結合係数ｋを精度よく測定することができる。このため、ワイヤレス給電に用いられる第一コイル２と第二コイル３との間の結合係数ｋの測定を精度よく行うことが可能である。例えば、結合係数ｋが０．０１以下であることが想定される場合にも、その結合係数ｋを精度よく測定することができる。

ところで、上記の実施形態においては、伝達係数測定部１０としてベクトルネットワークアナライザが用いられる。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、伝達係数測定部１０として周波数特性分析器（FRA；FREQUENCY RESPONSE ANALYZER）が用いられることとしてもよい。

尚、本発明は、上述した実施形態や変形形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。

１：結合係数測定器、２：第一コイル、３：第二コイル、４：被測定トランス、１０：伝達係数測定部（ベクトルネットワークアナライザ）、２０：インピーダンス整合部、３０：回路、４０：結合係数測定部、ｋ：結合係数。

Claims

第一コイルと第二コイルとの間の結合係数を測定する結合係数測定器であって、
前記第一コイルに入力される入力ベクトル値と前記第二コイルから出力される出力ベクトル値とに基づいて、前記第一コイル側から前記第二コイル側への電力伝送の特性を示す伝達係数を測定する伝達係数測定部と、
前記第一コイル、前記第二コイル、及び前記伝達係数測定部からなる回路の前記結合係数を含む回路方程式に基づいて求められる前記結合係数の解となる式に、前記第一コイルのインダクタンス、前記第二コイルのインダクタンス、前記伝達係数、並びに前記回路の抵抗値及び電源周波数を代入して、前記結合係数を測定する結合係数測定部と、
を備える、結合係数測定器。
前記伝達係数測定部は、前記第一コイルに入力される入力電圧のベクトル値と前記第二コイルから出力される出力電圧のベクトル値との比を測定するベクトルネットワークアナライザである、請求項１に記載された結合係数測定器。
前記伝達係数測定部と前記第一コイルとの間に挿入され、前記第一コイル側の入力インピーダンスを前記第二コイル側の出力インピーダンスに整合させるインピーダンス整合部を備える、請求項２に記載された結合係数測定器。
前記第一コイル側から前記第二コイル側へのワイヤレス給電が行われるシステムに適用される、請求項１乃至３の何れか一項に記載された結合係数測定器。