JP7411883B2 - 無線給電ユニットおよび無線電力伝送システム - Google Patents

Description

本開示は、無線給電ユニットおよび無線電力伝送システムに関する。

電気自動車などの電動車両、またはスマートフォンなどの携帯機器に無線で電力を伝送する無線電力伝送技術の開発が進められている。例えば特許文献１は、コイル間の誘導結合を利用した無線電力伝送システムの例を開示している。特許文献１に開示された装置は、回転軸を中心として互いに相対的に回転する２つの物体の間で、エネルギを無線で伝送する。当該装置は、誘導結合によるエネルギ伝送を行う送電コイルと、送電コイルに対向するように配置される受電コイルとを備える。２つのコイルとが互いに近接して対向した状態で、送電コイルから受電コイルにエネルギが伝送される。

特開２０１６－１７４１４９号公報

コイル間の誘導結合を利用する無線電力伝送システムにおいては、送電コイルの中心軸と受電コイルの中心軸とがずれた状態では、電力伝送効率が低下する。

本開示は、送電コイルの中心軸と受電コイルの中心軸とがずれた場合における電力伝送効率の低下を抑制する技術を提供する。

本開示の一態様による無線給電ユニットは、送電コイルと、前記送電コイルから無線で電力を受け取る受電コイルと、を備える。前記送電コイルおよび前記受電コイルの一方は、使用時において、前記送電コイルおよび前記受電コイルの他方の側から見て、中央部が外周部よりも奥に位置する形状を有する。

本開示の包括的または具体的な態様は、装置、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体によって実現され得る。あるいは、装置、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、および記録媒体の任意の組み合わせによって実現されてもよい。

本開示の実施形態によれば、送電コイルの中心軸と受電コイルの中心軸とがずれた場合における電力伝送効率の低下を抑制することができる。

例示的な無線電力伝送システムの概略構成を示す図である。 受電ユニットを送電ユニットに近接させた状態を示す図である。 無線給電ユニットの構成例を示す図である。 図２Ａに示す無線給電ユニットのＸＺ面に平行な断面を示す図である。 受電コイルの中心軸が、送電コイルの中心軸からずれた場合の磁界の空間分布の例を示す図である。 送電コイルと受電コイルとの間の結合係数と、位置ずれ量ｄｘとの関係の例を示すグラフである。 実施形態１における電動スクータを示す図である。 受電ユニットを拡大して示す図である。 受電ユニットが導電性シールドを備える例を示す図である。 充電時の電動スクータと、充電ステーションとの配置関係の例を模式的に示す図である。 実施形態１における無線給電ユニットのより詳細な構造を示す斜視図である。 図６Ａに示す無線給電ユニットのＸＺ面に平行な断面の構造を示す図である。 図６Ｂに示す状態から、受電ユニットの位置がＸ方向に変化した状態の例を示す図である。 実施形態１において、受電コイルの中心軸が、送電コイルの中心軸からずれた場合の磁界の空間分布の例を示す図である。 実施形態１における送電コイルと受電コイルとの間の結合係数と、位置ずれ量ｄｘとの関係の例を示すグラフである。 送電コイルおよび受電コイルの断面形状の他の例を示す図である。 送電コイルおよび受電コイルの断面形状のさらに他の例を示す図である。 送電コイルおよび受電コイルの概形の他の例を示す図である。 受電コイルが送電コイルよりも大きい構成の例を示す図である。 受電コイルが送電コイルよりも大きい構成の他の例を示す図である。 受電コイルが送電コイルよりも大きい構成のさらに他の例を示す図である。 無線電力伝送システムの構成例を示すブロック図である。 インバータ回路の構成例を模式的に示す図である。 整流回路の構成例を模式的に示す図である。 実施形態２における無線給電ユニットを示す斜視図である。 図１３Ａに示す無線給電ユニットのＸＺ面に平行な断面の構造を示す図である。 図１３Ｂに示す状態から、受電ユニットの位置がＸ方向に変化した状態の例を示す図である。 実施形態２において、受電コイルの中心軸が、送電コイルの中心軸からずれた場合の磁界の空間分布の例を示す図である。 実施形態２における送電コイルと受電コイルとの間の結合係数と、位置ずれ量ｄｘとの関係の例を示すグラフである。 送電コイルおよび受電コイルの断面形状の他の例を示す図である。 送電コイルおよび受電コイルの断面形状のさらに他の例を示す図である。 受電コイルが送電コイルよりも大きい構成の例を示す図である。 受電コイルが送電コイルよりも大きい構成の他の例を示す図である。 受電コイルが送電コイルよりも大きい構成のさらに他の例を示す図である。 無線給電ユニットの変形例を示す図である。 図１７Ａに示す無線給電ユニットの周囲の磁界強度分布の例を示す図である。 無線給電ユニットの他の変形例を示す図である。 図１８Ａに示す無線給電ユニットの周囲の磁界強度分布の例を示す図である。

本開示の具体的な実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

図１Ａは、例示的な無線電力伝送システムの概略構成を示す図である。図１Ａに示す無線電力伝送システムは、充電ステーション１００と、電動スクータ２００とを備える。充電ステーション１００には送電ユニット１１０が設けられている。電動スクータ２００には、受電ユニット２１０と、バッテリ２６０とが設けられている。充電ステーション１００の送電ユニット１１０から、電動スクータ２００の受電ユニット２１０に、無線で電力が伝送される。このシステムは、例えば電動スクータ２００をユーザに貸し出すシェアモビリティサービスにおいて利用され得る。

送電ユニット１１０は、送電コイルと、送電コイルに交流電力を供給する送電回路とを備える。受電ユニット２１０は、送電コイルから送出された電力を受け取る受電コイルと、受電コイルが受け取った電力を、直流電力などの他の形態の電力に変換してバッテリ２６０などの負荷に供給する受電回路とを備える。

図１Ｂは、充電ステーション１００から電動スクータ２００に給電するために、受電ユニット２１０を送電ユニット１１０に近接させた状態を示す図である。この図が示すように、ユーザは、電動スクータ２００のバッテリ２６０を充電するために、電動スクータ２００の受電ユニット２１０を、充電ステーション１００の送電ユニット１１０に近接させる。これにより、受電ユニット２１０内の受電コイルが送電ユニット１１０内の送電コイルに対向する。この状態で、送電回路が送電コイルに交流電力を供給する。すると、送電コイルと受電コイルとの間の磁気結合あるいは誘導結合により、送電コイルから受電コイルに電力が無線で伝送される。受電コイルが受け取った電力は、受電コイルに接続された受電回路によって適切な変換がなされた上で、バッテリ２６０に供給される。これにより、バッテリ２６０への充電が開始される。

図２Ａは、送電コイル１１６および受電コイル２１６を含む無線給電ユニットの構成例を示す図である。図２Ａには、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を示すＸＹＺ座標が示されている。以下の説明では、図示されているＸＹＺ座標を用いる。図２Ｂは、図２Ａに示す無線給電ユニットのＸＺ面に平行な断面を示す図である。

図２Ａおよび図２Ｂに示す例では、送電コイル１２０および受電コイル２１６の各々は、平面状のスパイラルコイルである。送電コイル１２０および受電コイル２１６の各々は、それぞれの中心軸の周囲に平面的に巻回された導電性の巻線を含む。この無線給電ユニットは、磁性シールド１３０、２３０、および導電性シールド１４０、２４０も備えている。送電ユニット１１０において、導電性シールド１４０、磁性シールド１３０、および送電コイル１１６は、この順に積層されている。受電ユニット２１０において、導電性シールド２４０、磁性シールド２３０、および受電コイル２１６は、この順に積層されている。電力伝送時において、受電コイル２１６は、送電コイル１１６に対向するように配置される。その状態において、磁性シールド１３０、２３０、および導電性シールド１４０、２４０は、送電コイル１１６および受電コイル２１６の外側に位置する。

送電側の磁性シールド１３０は、受電コイル２１６が位置する側とは反対の側において、送電コイル１１６に近接して配置される。受電側の磁性シールド２３０は、送電コイル１１６が位置する側とは反対の側において、受電コイル２１６に近接して配置される。磁性シールド１３０、２３０は、例えばフェライトなどの強磁性材料から形成され得る。磁性シールド１３０、２３０は、送電コイル１１６と受電コイル２１６との結合度を向上させる。

導電性シールド１４０、２４０は、磁性シールド１３０、送電コイル１１６、受電コイル２１６、および磁性シールド２３０の外側に配置される。導電性シールド１４０、２４０は、例えばアルミニウムまたは銅などの導電性材料から形成され得る。導電性シールド１４０、２４０は、電力伝送中に送電コイル１１６および受電コイル２１６の周囲に発生する磁界の漏洩を抑制する。

上記のような無線電力伝送システムにおいては、高い効率で電力を伝送するために、送電コイル１１６と受電コイル２１６との間の結合効率が高い状態で送電することが重要である。結合効率は、送電コイル１１６と受電コイル２１６とが近接して対向し、且つこれらのコイルの中心軸が一致するときに最大になる。送電コイル１１６の中心軸と受電コイル２１６の中心軸とがずれた状態では、コイル間の結合係数が低下し、電力伝送効率が低下する。

図３Ａは、受電コイル２１６の中心軸が、送電コイル１１６の中心軸からｘ方向にｄｘだけずれた場合の磁界の空間分布の例を示す図である。図中の破線は、送電コイル１１６および受電コイル２１６のそれぞれの中心軸を表している。図３Ａにおいて、磁界の強度分布が矢印で表現されており、薄い矢印ほど磁界強度が高い。なお、図示される磁界分布は、送電コイル１１６、受電コイル２１６、磁性シールド１３０、２３０、および導電性シールド１４０、２４０のそれぞれの寸法、透磁率、誘電率、電流などのパラメータを、実際に使用され得る値に設定して行った電磁界解析によって得られた。図３Ａは、一例として、ｄｘ＝１０ｍｍの場合の結果を示している。図３Ａからわかるように、送電コイル１１６の中心軸と受電コイル２１６の中心軸とがずれると、受電コイル２１６が捕捉する磁束が減少し、外部に漏洩する磁束が増加する。

図３Ｂは、送電コイル１１６と受電コイル２１６との間の結合係数と、位置ずれ量ｄｘとの関係の例を示すグラフである。図３Ｂには、ｄｘ＝０の場合の結合係数の値を基準とする結合係数の変化率も示されている。このグラフからわかるように、位置ずれ量ｄｘの絶対値が増加するほど、コイル間の結合効率が低下する。例えばｄｘ＝０ｍｍの状態からｄｘ＝１０ｍｍの状態に変化した場合、結合係数が０．４７から０．４１になり、約１３％低下する。同様の結果は、送電コイル１１６に対する受電コイル２１６の位置がｙ方向に変化した場合にも得られる。このように、コイル間の相対位置が適正な位置からずれると、結合係数が低下し、電力伝送効率の低下を招く。

以上のように、高い効率で電力を伝送するためには、送電コイル１１６の位置と受電コイル２１６の位置とを適切に合わせることが重要である。しかし、図１Ａに示すような電動スクータ２００などの電動車両に給電するシステムでは、送電コイル１１６と受電コイル２１６との間の正確な位置合わせをユーザに要求することは難しい。例えば、電動スクータ２００のシェアリングサービスにおいては、電動スクータ２００の返却時に送電コイル１１６と受電コイル２１６との間の正確な位置合わせをユーザに期待することはできない。シェアリングサービスにおいては、ユーザの利便性が優先される。コイル間の正確な位置合わせをユーザに要求すると、利便性を損なうことになる。

本発明者らは、以上の考察に基づき、上記の課題を解決するための構成を検討した。本発明者らは、送電コイルおよび受電コイルの少なくとも一方を曲面に近い形状にすることにより、コイル間の位置ずれが生じた場合におけるコイル間の結合係数の低下を抑制できることに想到した。以下、以下、本開示の実施形態の概要を説明する。

本開示の例示的な実施形態による無線給電ユニットは、送電コイルと、前記送電コイルから無線で電力を受け取る受電コイルとを備える。前記送電コイルおよび前記受電コイルの一方（「第１コイル」と称する。）は、使用時において、前記送電コイルおよび前記受電コイルの他方（「第２コイル」と称する。）から見て、中央部が外周部よりも奥に位置する形状を有する。

上記の構成によれば、第１コイルは、第２コイルから見て、中央部が外周部よりも奥に位置する形状を有する。第１コイルが上記のような形状を有することにより、第１コイルの中心軸と第２コイルの中心軸とがずれた場合におけるコイル間の結合係数の低下を抑制することができる。その結果、電力伝送効率の低下を抑制することができる。

前記第２コイルは、使用時において、前記第１コイルの側から見て、中央部が外周部よりも手前に位置する形状を有していてもよい。あるいは、第２コイルは、平面状の形状を有していてもよい。

前記第２コイルの少なくとも中央部は、使用時において、前記第１コイルの配線によって規定される領域の内部に位置していてもよい。ここで、「コイルの配線によって規定される領域」とは、コイルの配線と、コイルの外周部を含む平面とによって囲まれる領域を指す。

前記第２コイルは、前記第１コイルと同一のサイズ、または前記第１コイルよりも小さいサイズを有していてもよい。

前記第１コイルは、曲面的に湾曲した形状を有していてもよい。同様に、前記第２コイルは、曲面的に湾曲した形状を有していてもよい。

前記第１コイルは前記送電コイルであり、前記第２コイルは前記受電コイルであってもよい。逆に、前記第１コイルが前記受電コイルであり、前記第１コイルが前記受電コイルであってもよい。

前記無線給電ユニットは、前記第１コイルに対して前記第２コイルが位置する側の反対側に位置する第１磁性シールド、および前記第２コイルに対して前記第１コイルが位置する側の反対側に位置する第２磁性シールドの少なくとも一方をさらに備えていてもよい。そのような磁性シールドを設けることにより、第１コイルと第２コイルとの間の結合係数を高くすることができる。

前記第１コイルおよび前記第２コイルの少なくとも一方は、曲面的に湾曲した形状を有し、前記第１磁性シールドおよび前記第２磁性シールドの前記少なくとも一方は、前記第１コイルまたは前記第２コイルに沿って湾曲した形状を有していてもよい。

前記無線給電ユニットは、前記第１コイルに対して前記第２コイルが位置する側の反対側に位置する第１導電性シールド、および前記第２コイルに対して前記第１コイルが位置する側の反対側に位置する第２導電性シールドの少なくとも一方をさらに備えていてもよい。そのような導電性シールドを設けることにより、第１コイルおよび第２コイルの周辺への磁界の漏洩を抑制することができる。第１磁性シールドが設けられる場合、第１導電性シールドは、第１磁性シールドの外側に設けられ得る。同様に、第２磁性シールドが設けられる場合、第２導電性シールドは、第２磁性シールドの外側に設けられ得る。

前記第１コイルおよび前記第２コイルの少なくとも一方は、曲面的に湾曲した形状を有し、前記第１導電性シールドおよび前記第２導電性シールドの前記少なくとも一方は、前記第１コイルまたは前記第２コイルに沿って湾曲した形状を有していてもよい。

前記第１導電性シールドおよび前記第２導電性シールドの前記少なくとも一方は、前記第１コイルまたは前記第２コイルを覆う箱状の構造を有していてもよい。第１コイルおよび第２コイルの全体を覆う１つの箱状の導電性シールドを設けてもよい。箱状の導電性シールドを設けることにより、漏洩磁界をさらに低減することができる。

前記無線給電ユニットは、前記送電コイルに交流電力を供給する送電回路をさらに備えていてもよい。

前記無線給電ユニットは、前記受電コイルが受け取った前記電力を、他の形態の電力に変換して負荷に供給する受電回路をさらに備えていてもよい。

本開示の他の態様に係る無線電力伝送システムは、上記のいずれかの無線給電ユニットにおける前記送電コイルを備える送電装置と、前記受電コイルを備える電動車両と、を備える。

以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似の構成要素については、同じ参照符号を付している。

（実施形態１）
本開示の例示的な第１の実施形態による無線電力伝送システムを説明する。

本実施形態の無線電力伝送システムは、図１Ａに示すシステムと同様の構成を備える。すなわち、無線電力伝送システムは、送電装置の一例である充電ステーション１００と、電動車両の一例である電動スクータ２００とを備える。充電ステーション１００は、送電ユニット１１０を備える。送電ユニット１１０は、送電コイルを備える。電動スクータ２００は、受電ユニット２１０と、バッテリ２６０とを備える。電動スクータ２００は、図示されていない電気モータなどの他の構成要素も備える。受電ユニット２１０は、受電コイルを備える。本実施形態においては、図１Ａに示す構成とは異なり、送電コイルおよび受電コイルが、曲面状の構造を有する。

図４Ａは、本実施形態における電動スクータ２００の一例を示す図である。この電動スクータ２００は、前輪とハンドルとを繋ぐ軸２０２を備える。受電ユニット２１０およびバッテリ２６０は、軸２０２に取り付けられている。

図４Ｂは、受電ユニット２１０を拡大して示す図である。この例における受電ユニット２１０は、受電コイル２１６と、磁性シールド２３０と、回路基板２２０と、カバー２５０とを備える。受電コイル２１６は、曲面的に湾曲した形状のスパイラルコイルである。磁性シールド２３０は、受電コイル２１６の背面側、すなわち送電コイル１１６に対向する側の反対側に配置されている。磁性シールド２３０は、受電コイル２１６に近接して配置される。磁性シールド２３０と受電コイル２１６との間には、空隙、または空気以外の電気絶縁体からなる間隙が設けられ得る。磁性シールド２３０は、例えばフェライトなどの、高い透磁率を有する強磁性材料を含む。磁性シールド２３０を設けることにより、送電コイル１１６と受電コイル２１６との間の結合係数を増加させることができる。回路基板２２０には、例えば送電コイル１１６に交流電力を供給する送電回路、およびバッテリ２６０への充電および放電を制御する回路が設けられ得る。

図４Ｃに示すように、磁性シールド２３０と回路基板２２０との間に導電性シールド２４０が配置されてもよい。導電性シールド２４０は、例えばアルミニウムまたは銅などの、任意の導電性材料から構成される。この例のように導電性シールド２４０を受電コイル２１６および磁性シールド２３０の背面側に設けることにより、電力伝送時に受電コイル２１６の周辺に生じる磁界の漏洩を抑制することができる。図４Ｃに示す導電性シールド２４０は、平板形状を有する。導電性シールド２４０をこのような単純な形状にすることにより、受電ユニット２１０を軽量にすることができる。導電性シールド２４０は、受電コイル２１６と同様に、曲面状に湾曲した構造を有していてもよい。あるいは、受電コイル２１６および磁性シールド２３０を少なくとも部分的に囲む箱状の構造を備えていてもよい。

図５は、充電時の電動スクータ２００と、充電ステーション１００との配置関係の例を模式的に示す図である。この例における送電ユニット１１０は、曲面状に湾曲したスパイラルコイルである送電コイル１１６と、送電コイル１１６に交流電力を供給する送電回路１１５とを含む。受電ユニット２１０は、受電コイル２１６と、受電コイル２１６に接続された受電回路２１５とを含む。この例における受電コイル２１６は、送電コイル１１６よりも小さい。なお、図５では、送電ユニット１１０および受電ユニット２１０の各々が備える磁性シールドおよび導電性シールドの図示は省略されている。

本実施形態では、充電時において、受電コイル２１６の一部または全体が、送電コイル１１６の配線によって規定される領域の内部に位置する。このような構造により、送電コイル１１６と受電コイル２１６との相対位置が変化することによる結合係数の低下を抑制することができる。

図６Ａは、無線給電ユニットのより詳細な構造の例を示す斜視図である。この例における無線給電ユニットは、送電コイル１１６および受電コイル２１６に加えて、第１磁性シールド１３０、第２磁性シールド２３０、第１導電性シールド１４０、および第２導電性シールド２４０を備える。

第１磁性シールド１３０は、送電コイル１１６に対して受電コイル２１６が位置する側の反対側に位置する。第２磁性シールド２３０は、受電コイル２１６に対して送電コイル１１６が位置する側の反対側に位置する。第１磁性シールド１３０は、送電コイル１１６に沿って湾曲した形状を有する。第２磁性シールド２３０は、受電コイル２１６に沿って湾曲した形状を有する。

第１導電性シールド１４０は、送電コイル１１６に対して受電コイル２１６が位置する側の反対側に位置する。より具体的には、第１導電性シールド１４０は、送電コイル１１６および第１磁性シールド１３０の外側に位置する。第２導電性シールド２４０は、受電コイル２１６に対して送電コイル１１６が位置する側の反対側に位置する。より具体的には、第２導電性シールド２４０は、受電コイル２１６および第２磁性シールド２４０の外側に位置する。第１導電性シールド１４０は、送電コイル１１６および第１磁性シールド１３０に沿って湾曲した形状を有する。第２導電性シールド２４０は、受電コイル２１６および第２磁性シールド２３０に沿って湾曲した形状を有する。

送電コイル１１６の両端部１１６ａ、１１６ｂは、送電回路１１５の２つの端子にそれぞれ接続される。受電コイル２１６の両端部２１６ａ、２１６ｂは、受電回路２１５の２つの端子にそれぞれ接続される。送電コイル１１６の両端部１１６ａ、１１６ｂに交流電力が入力される。

図６Ｂは、図６Ａに示す無線給電ユニットのＸＺ面に平行な断面の構造を示す図である。図６Ｃは、図６Ｂに示す状態から、受電ユニット２１０の位置がＸ方向に変化した状態の例を示す図である。本実施形態では、送電コイル１１６および受電コイル２１６が湾曲しており、受電コイル２１６の少なくとも中央部が、送電コイル１１６の配線によって規定される領域の内部に位置する。ここで、送電コイル１１６の配線によって規定される領域とは、送電コイル１１６の配線の外周部を含む平面（図６Ｂにおいて破線で表示）と、送電コイル１１６の配線とによって囲まれた領域を意味する。図６Ｃにおいて点線で示すように、受電コイル２１６の位置が送電コイル１１６に対してＸ方向にずれた場合、受電コイル２１６のうち、図中で左側の部分は送電コイル１１６から遠ざかるが、右側の部分は送電コイル１１６に近付く。このため、全体として、結合係数の低下を抑制することができる。

図７Ａは、本実施形態において、受電コイル２１６の中心軸が、送電コイル１１６の中心軸からｘ方向にｄｘだけずれた場合の磁界の空間分布の例を示す図である。図中の破線は、送電コイル１１６および受電コイル２１６のそれぞれの中心軸を表している。図７Ａにおいて、磁界の強度分布が矢印で表現されており、薄い矢印ほど磁界強度が高い。図示される磁界分布は、送電コイル１１６、受電コイル２１６、磁性シールド１３０、２３０、および導電性シールド１４０、２４０のそれぞれの寸法、透磁率、誘電率、電流などのパラメータを、実際に使用され得る値に設定して行った電磁界解析によって得られた。図７Ａは、一例として、ｄｘ＝１０ｍｍの場合の結果を示している。図７Ａからわかるように、送電コイル１１６の中心軸と受電コイル２１６の中心軸とがずれたとしても、図７Ａの右側においては、結合が高く維持される。

図７Ｂは、本実施形態における送電コイル１１６と受電コイル２１６との間の結合係数と、位置ずれ量ｄｘとの関係の例を示すグラフである。図７Ｂには、ｄｘ＝０の場合の結合係数の値を基準とする結合係数の変化率も示されている。このグラフからわかるように、位置ずれ量ｄｘの絶対値の増加に対する結合効率の低下が、図３Ｂに示す例と比較して抑制されている。例えばｄｘ＝０ｍｍの状態からｄｘ＝１０ｍｍの状態に変化した場合、結合係数が０．４５から０．４４になり、約３％の低下に抑えられている。同様の結果は、送電コイル１１６に対する受電コイル２１６の位置がｙ方向に変化した場合にも得られる。このように、本実施形態の構成によれば、コイル間の相対位置が適正な位置からずれた場合の結合係数が低下が抑制されるため、電力伝送効率の低下を抑制することができる。

以上のように、本実施形態における送電コイル１１６は、使用時において、受電コイル２１６の側から見て、中央部が外周部よりも奥に位置する形状を有する。また、受電コイル２１６は、使用時において、送電コイル１１６の側から見て、中央部が外周部よりも手前に位置する形状を有する。このような構造により、送電コイル１１６と受電コイル２１６との相対位置が変化した場合におけるコイル間の結合効率の低下を抑制することができる。その結果、電力伝送の効率の低下を抑制することができる。

送電コイル１１６および受電コイル２１６の形状は、上記の形状に限定されず、多様な形状が可能である。以下、送電コイル１１６および受電コイル２１６の形状の他の例を説明する。

図８Ａおよび図８Ｂは、送電コイル１１６および受電コイル２１６の断面形状の他の例を示す図である。これらの例では、送電コイル１１６および受電コイル２１６は、曲面状ではなく、多角形的な断面構造を有する。このような構造であっても、送電コイル１１６と受電コイル２１６との間の位置ずれが生じた場合における伝送効率の低下を抑制することができる。

図９は、送電コイル１１６および受電コイル２１６の概形の他の例を示す図である。この例では、送電コイル１１６および受電コイル２１６の各々は、球面状に巻線が巻回されたスパイラルコイルである。このような構造であっても、前述の効果を得ることができる。

本実施形態では、受電コイル２１６は、送電コイル１１６よりも小さいサイズを有するが、受電コイル２１６が送電コイル１１６と同一のサイズ、または送電コイル１１６よりも小さいサイズを有していてもよい。

図１０Ａから図１０Ｃは、受電コイル２１６が送電コイル１１６よりも大きい構成の例を示す図である。図１０Ａの例では、送電コイル１１６および受電コイル２１６の各々は、曲面的に湾曲したコイル面を有する。図１０Ｂおよび図１０Ｃの例では、送電コイル１１６および受電コイル２１６の各々は、多角形的に屈曲したコイル面を有する。これらの例のように、送電コイル１１６が受電コイル２１６よりも小さい構成であっても、コイル間の位置ずれが生じた場合の結合効率の低下を抑制することができる。

次に、本実施形態における無線電力伝送システムの構成要素をより詳細に説明する。

図１１は、充電ステーション１００と電動スクータ２００のより詳細な構成例を示すブロック図である。本実施形態における充電ステーション１００は、送電ユニット１１０に加えて、電源１０５を備える。電源１０５は、直流電力を送電ユニット１１０に供給する。

送電ユニット１１０は、送電コイル１１６と、送電回路１１５と、送電制御回路１１４とを備える。送電回路１１５は、例えばインバータ回路を含み、電源１０５から供給された直流電力を交流電力に変換して送電コイル１１６に出力する。この例における送電コイル１１６は、送電コイルを含み、送電回路１１５から出力された交流電力を送出する。送電制御回路１１４は、例えばマイクロコントローラユニットなどの集積回路によって実現され得る。送電制御回路１１４は、送電回路１１５に電気的に接続されている。送電制御回路１１４は、送電回路１１５を制御する。

図１１に示す電動スクータ２００は、受電ユニット２１０と、充放電制御回路２７０と、バッテリ２６０と、モータ制御回路２８０と、電気モータ２９０とを備える。電気モータ２９０は、モータ制御回路２８０によって制御され、電動スクータ２００における１つ以上の駆動輪を回転させる。充放電制御回路２７０は、バッテリ２６０の充電状態を監視し、充電および放電を制御する。

受電ユニット２１０は、受電コイル２１６と、受電回路２１５とを備える。送電コイル１１６と受電コイル２１６とが対向した状態で、送電コイル１１６から受電コイル２１６に電力が無線で伝送される。受電回路２１５は、受電コイル２１６が受け取った電力を、直流電力に変換して充放電制御回路２７０に出力する整流回路を含む。

バッテリ２６０は、例えばリチウムイオン電池またはニッケル水素電池などの、充電可能な二次電池である。電動スクータ２００は、バッテリ２６０に蓄えられた電力によってモータ２９０を駆動して移動することができる。二次電池に代えて、蓄電用のキャパシタを用いてもよい。例えば電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタなどの、高容量かつ低抵抗のキャパシタを利用することができる。そのようなキャパシタも、本開示においては「バッテリ」に該当するものとする。

モータ２９０は、例えば永久磁石同期モータ、誘導モータ、ステッピングモータ、リラクタンスモータ、直流モータなどの、任意のモータであり得る。モータ２９０は、シャフトおよびギア等の伝達機構を介して電動スクータ２００の車輪を回転させ、電動スクータ２００を移動させる。

モータ制御回路２８０は、モータ２９０を制御して電動スクータ２００に所望の動作を実行させる。モータ制御回路２８０は、モータ２９０の種類に応じて設計されたインバータ回路などの各種の回路を含み得る。

図１２Ａは、送電回路１１５に含まれるインバータ回路の構成例を模式的に示す図である。この例では、４つのスイッチング素子を含むフルブリッジ型のインバータ回路が用いられる。各スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタスイッチであり得る。送電制御回路１１４は、例えば、各スイッチング素子のオン（導通）およびオフ（非導通）の状態を制御する制御信号を出力するゲートドライバと、ゲートドライバに制御信号を出力させるマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）とを含み得る。図示されるフルブリッジ型のインバータの代わりに、ハーフブリッジ型のインバータ、または、Ｅ級などの発振回路を用いてもよい。

図１２Ｂは、受電回路２１５に含まれる整流回路の構成例を模式的に示す図である。この例では、整流回路は、ダイオードブリッジと平滑コンデンサとを含む全波整流回路である。整流回路は、図示されるものとは異なる回路構成を有していてもよい。整流回路は、受け取った交流エネルギをバッテリ２６０などの負荷が利用可能な直流エネルギに変換する。

以上の構成により、充電ステーション１００から電動スクータ２００に、無線で電力を伝送することができる。本実施形態では、送電コイル１１６および受電コイル２１６が、従来の平面コイルとは異なり、曲面的に湾曲した形状を有する。このため、送電コイル１１６と受電コイル２１６との位置ずれが生じた場合でも、伝送効率の低下を抑制することができる。

（実施形態２）
次に、本開示の第２の実施形態による無線給電ユニットを説明する。

図１３Ａは、本実施形態における無線給電ユニットを示す斜視図である。本実施形態では、送電コイル１１６は、曲面状に湾曲したスパイラルコイルであるが、受電コイル２１６は、平面状のスパイラルコイルである。受電側の磁性シールド２３０および導電性シールド２４０は、平板状の構造を有する。送電コイル１１６、送電側の磁性シールド１３０および導電性シールド１４０の構造は、実施形態１における構造と同様である。

図１３Ｂは、図１３Ａに示す無線給電ユニットのＸＺ面に平行な断面の構造を示す図である。図１３Ｃは、図１３Ｂに示す状態から、受電ユニット２１０の位置がＸ方向に変化した状態の例を示す図である。本実施形態では、送電コイル１１６は湾曲しているが、受電コイル２１６は平面的な構造を有する。給電時において、受電コイル２１６の少なくとも一部は、送電コイル１１６の配線によって規定される領域（図１３Ｂにおいて破線で表示）の内部に位置する。図１３Ｃに示すように、受電コイル２１６の中心軸の位置が送電コイル１１６の中心軸に対してＸ方向にずれた場合、受電コイル２１６のうち、図中で左側の部分は送電コイル１１６から遠ざかるが、右側の部分は送電コイル１１６に近付く。このため、本実施形態においても、全体として、結合係数の低下を抑制することができる。

図１４Ａは、本実施形態において、受電コイル２１６の中心軸が、送電コイル１１６の中心軸からｘ方向にｄｘだけずれた場合の磁界の空間分布の例を示す図である。図１４Ａからわかるように、送電コイル１１６の中心軸と受電コイル２１６の中心軸とがずれたとしても、図１４Ａの右側においては、結合が高く維持される。

図１４Ｂは、本実施形態における送電コイル１１６と受電コイル２１６との間の結合係数と、位置ずれ量ｄｘとの関係の例を示すグラフである。図１４Ｂには、ｄｘ＝０の場合の結合係数の値を基準とする結合係数の変化率も示されている。このグラフからわかるように、位置ずれ量ｄｘの絶対値の増加に対する結合効率の低下が、図３Ｂに示す例と比較して抑制されている。同様の結果は、送電コイル１１６に対する受電コイル２１６の位置がｙ方向に変化した場合にも得られる。このように、本実施形態の構成によっても、コイル間の相対位置が適正な位置からずれた場合の結合係数が低下が抑制される。このため、電力伝送効率の低下を抑制することができる。

本実施形態においても、送電コイル１１６の形状は、図示される曲面形状に限定されない。例えば、図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、送電コイル１１６が、多角形的に折れ曲がる断面形状を有していてもよい。

本実施形態では、送電コイル１１６が受電コイル２１６よりも大きいが、受電コイル２１６が送電コイル１１６と同一、またはより大きいサイズを有していてもよい。例えば、図１６Ａに示す例では、送電コイル１１６は、平面状のスパイラルコイルであり、受電コイル２１６よりも小さい。この例において、受電コイル２１６は、曲面状に湾曲した構造を有する。このような構造でも、上記の効果を得ることができる。図１６Ｂおよび図１６Ｃに示すように、受電コイル２１６が多角形的な断面構造を有していてもよい。

次に、磁性シールド１３０、２３０、および導電性シールド１４０、２４０の構造の他の例を説明する。

図１７Ａは、平板状の導電性シールド１４０、２４０と、コイル１１６、２１６をそれぞれ収容する溝を有する磁性シールド１３０、２３０とを備える無線給電ユニットの例を示す図である。なお、図１７Ａの例では、送電コイル１１６および受電コイル２１６の両方が平面コイルであるが、これらの一方は、曲面的に湾曲した構造、または多角形的に折れ曲がった構造を備え得る。

図１７Ｂは、この例における無線給電ユニットの周囲の磁界の強度分布の例を示す図である。図中で明るい領域ほど磁界強度が高いことを示している。導電性シールド１４０、２４０を設けることにより、無線給電ユニットの周囲の磁界強度が低減する効果が得られる。

図１８Ａは、導電性シールド１４０、２４０が箱状の構造を有する無線給電ユニットの例を示す図である。送電コイル１１６、受電コイル２１６、磁性シールド１３０、２３０の構造は、図１７Ａに示す構造と同一である。図１８Ａに示す例では、導電性シールド１４０は、送電コイル１１６および磁性シールド１３０を少なくとも部分的に囲む。同様に、導電性シールド２４０は、送電コイル１１６および磁性シールド２３０を少なくとも部分的に囲む。このような構造により、無線給電ユニットの周囲の漏洩磁界をさらに低減することができる。なお、この例でも、送電コイル１１６および受電コイル２１６の少なくとも一方は、上記のような曲面的に湾曲した構造、または多角形的に折れ曲がった構造を備え得る。

図１８Ｂは、図１８Ａの例における無線給電ユニットの周囲の磁界の強度分布の例を示す図である。箱状の導電性シールド１４０、２４０を設けることにより、無線給電ユニットの周囲の磁界強度がさらに低減することがわかる。

なお、上記の各実施形態において、磁性シールド１３０、２３０、および導電性シールド１４０、２４０のそれぞれは必須の構成要素ではなく、必要に応じて設けられる。磁性シールド１３０、２３０の一方のみが設けられていてもよい。同様に、導電性シールド１４０、２４０の一方のみが設けられていてもよい。

以上の実施形態では、本開示の技術を電動スクータ２００を充電する用途に適用する例を説明した。しかし、本開示の技術はそのような用途に限定されず、電力で動作する任意の装置に無線で給電する用途に適用することができる。

本開示の技術は、送電装置と、当該送電装置から無線で伝送される電力によって動作する受電装置とを備えるシステムにおいて利用可能である。
に利用できる。

１００ 充電ステーション
１０５ 電源
１１０ 送電ユニット
１１４ 送電制御回路
１１５ 送電回路
１１６ 送電コイル
１３０ 磁性シールド
１４０ 導電性シールド
２００ 電動スクータ
２０２ 電動車両の軸
２１０ 受電ユニット
２１５ 受電回路
２１６ 受電コイル
２２０ 回路基板
２３０ 磁性シールド
２４０ 導電性シールド
２５０ カバー
２６０ バッテリ
２８０ モータ制御回路
２８２ 負荷
２９０ 電気モータ

Claims (15)

1. 送電コイルと、
   前記送電コイルから無線で電力を受け取る受電コイルと、
   を備え、
   前記送電コイルおよび前記受電コイルの一方である第１コイルは、使用時において、前記送電コイルおよび前記受電コイルの他方である第２コイルの側から見て、中央部が外周部よりも奥に位置する形状を有し、
   前記第１コイルに対して前記第２コイルが位置する側の反対側に、前記第１コイルに沿って湾曲した形状を有する第１導電性シールドをさらに備える、
   無線給電ユニット。
2. 前記第２コイルは、使用時において、前記第１コイルの側から見て、中央部が外周部よりも手前に位置する形状を有する、請求項１に記載の無線給電ユニット。
3. 前記第２コイルに対して前記第１コイルが位置する側の反対側に、前記第２コイルに沿って湾曲した形状を有する第２導電性シールドをさらに備える、請求項２に記載の無線給電ユニット。
4. 前記第２コイルの少なくとも中央部は、使用時において、前記第１コイルの配線によって規定される領域の内部に位置する、請求項１から３のいずれかに記載の無線給電ユニット。
5. 前記第２コイルは、前記第１コイルと同一のサイズ、または前記第１コイルよりも小さいサイズを有する、請求項１から４のいずれかに記載の無線給電ユニット。
6. 前記第１コイルは、曲面的に湾曲した形状を有する、請求項１から５のいずれかに記載の無線給電ユニット。
7. 前記第２コイルは、曲面的に湾曲した形状を有する、請求項１から６のいずれかに記載の無線給電ユニット。
8. 前記第１コイルは前記送電コイルであり、
   前記第２コイルは前記受電コイルである、
   請求項１から７のいずれかに記載の無線給電ユニット。
9. 前記第１コイルと前記第１導電性シールドとの間に位置する第１磁性シールドをさらに備える、請求項１から８のいずれかに記載の無線給電ユニット。
10. 前記第１コイルは、曲面的に湾曲した形状を有し、
    前記第１磁性シールドは、前記第１コイルに沿って湾曲した形状を有する、
    請求項９に記載の無線給電ユニット。
11. 前記第２コイルと前記第２導電性シールドとの間に位置する第２磁性シールドをさらに備える、請求項３に記載の無線給電ユニット。
12. 前記第２コイルは、曲面的に湾曲した形状を有し、
    前記第２磁性シールドは、前記第２コイルに沿って湾曲した形状を有する、請求項１１に記載の無線給電ユニット。
13. 前記送電コイルに交流電力を供給する送電回路をさらに備える、請求項１から１２のいずれかに記載の無線給電ユニット。
14. 前記受電コイルが受け取った前記電力を、他の形態の電力に変換して負荷に供給する受電回路をさらに備える、請求項１から１３のいずれかに記載の無線給電ユニット。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載の無線給電ユニットにおける前記送電コイルを備える送電装置と、
    前記受電コイルを備える電動車両と、
    を備える無線電力伝送システム。
    

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