CN102414957A - 无线电力传输*** - Google Patents

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Abstract

无线电力传输***具备送电谐振器(105)及受电谐振器(107)，经由谐振磁场以非接触的方式传输电力。送电谐振器(105)及受电谐振器(107)的至少一方为串联谐振电路。该串联谐振电路具备电感器，该电感器包括：螺线布线(201)；用于将螺线布线的点(203)连接到供电结构的引线(213)；用于将螺线布线的其他多个点连接到供电结构的引线(207a、207b、207c)。引线(207a、207b、207c)上分别连接着多个电容(209a、209b、209c)和多个开关(211a、211b、211c)，可以随着通过选择性导通的开关选择的电流路径而具有不同的电感值。螺线布线(201)的布线部分(201a)具有谐振频率下的每单位长度的布线电阻被设定得比螺线布线的其他布线部分的至少一部分还低的低电阻部分(2010)。

Description

无线电力传输***
技术领域
本发明涉及以非接触的方式进行充电供电或电力收集的无线电力传输***以及用于该***中的无线电力传输装置。
背景技术
在电子设备的移动性确保对策/电子设备的防水对策、壁挂式电视机的无布线化、简便地向电动汽车等大型设备充电供电方面，高度关注无接点/非接触方式的能量充电供电技术。
作为非接触的电力传输方式，不仅仅是以往一直研究的电磁感应方式，还提出专利文献1所记载的磁谐振方式。认为这种磁谐振利用谐振天线间的谐振模式间耦合，能够实现距离比以往的电磁感应方式更长、效率更高的电力传输，尤其是若利用谐振磁场，则与利用谐振电场的情形相比，可以回避对周边生物体带来的影响。
若对磁谐振方式进一步描述详细内容，则如专利文献1的说明书中的段落【0033】所记载的，谐振器也可以利用两端开放的环状线圈固有的自谐振现象。再有，如段落【0038】所记载的，也可以是装载了电容的线圈。磁谐振方式的电力传输***可以看作是通过采用耦合系数不为1的高Q电路而提高了传输效率的电磁感应***。其中，因为耦合系数低(k≠1)，所以与被设定为k≈1的电磁感应相比，产生以下限制：仅在保证了送电器与送电谐振器、受电器与受电谐振器间的阻抗匹配的状态下才能产生高效率传输。
另一方面，除了以恒流模式工作的光器件等一部分器件以外，大多是被恒压驱动的电子器件、电子设备。再有，家庭用插座等或太阳能电池、燃料电池等成为电源的电路也大多提供接近于恒定的电压。因此，若磁谐振方式的能量传输***可以实现向阻抗变动的对应，则能够在更多的电源或更多的负载中采用本***。因此，虽然送电模块或受电模块也优选发现阻抗变动对应功能，但尤其是构成为至少包含谐振器对的无线部需要发现可变功能。作为可变功能，需要兼顾向阻抗变动的对应和高效率传输特性的维持。
专利文献2中公开了可变电感器的构成例。
再有，专利文献3中公开了可变谐振器的构成，即：从并联配置的不同容量的电容器组中选择与电感器连接的电容器，以获得可变谐振频率特性。
(先行技术文献)
专利文献1：美国申请公开2008/0278264-A1公报(图6、图31)
专利文献2：JP特开2007-142418号公报(图3)
专利文献3：JP特开2001-344574号公报(图3)
发明内容
(发明想要解决的课题)
在本发明中解决以下课题：向磁谐振方式的无线电力传输***导入在构成内包含可变电感器电路的可变谐振器来实现与多个动作条件对应之际所产生的将传输效率继续维持较高值的难度、为了回避该困难而需要增大布线总量。
(用于解决课题的手段)
本发明是为了解决上述现有的课题而完成的，其目的在于提供一种不会使布线总量无故增大、且即使在多个切换状态下也能维持高的传输效率的无线电力传输***。
本发明的无线电力传输***具备送电谐振器及受电谐振器，且经由谐振磁场而以非接触的方式传输电力，其中，所述送电谐振器及所述受电谐振器的至少一方是串联谐振电路，所述串联谐振电路包括：电感器，其包括螺线布线、用于将所述螺线布线的第一连接点连接到供电结构的第一引线、用于将所述螺线布线的不同于所述第一连接点的第二连接点连接到所述供电结构的第二引线、和用于将所述螺线布线的比所述第二连接点更远离所述第一连接点的第三连接点连接到所述供电结构的第三引线；分别与所述第二引线及第三引线连接的多个开关；以及多个电容，经由所述多个开关中的对应的开关而分别与所述第二引线及第三引线串联连接；所述串联谐振电路能够随着通过所述多个开关中的选择性导通的开关所选择的电流路径而具有不同的电感值，所述多个电容的电容值被设定为：不依赖于选择性导通的开关，所述串联谐振电路的谐振频率表示恒定的值；所述螺线布线在从所述第二连接点到所述第一连接点为止的范围内，具有所述谐振频率下的每单位长度的布线电阻被设定得比所述螺线布线的其他范围的至少一部分还低的低电阻部分。
在优选的实施方式中，所述低电阻部分在所述谐振频率下的每单位长度的布线电阻比其他部分在所述谐振频率下的每单位长度的布线电阻还低。
在优选的实施方式中，所述谐振频率下的所述螺线布线的布线电阻的、从所述第二连接点到所述第一连接点为止的整个范围的平均值比所述谐振频率下的所述螺线布线的布线电阻在所述范围外的平均值还低。
在优选的实施方式中，所述螺线布线的所述低电阻部分具有根数比其他部分还多的多根布线并列配置的结构。
在优选的实施方式中，所述螺线布线的所述低电阻部分包含直径比其他部分还大的至少1根布线。
在优选的实施方式中，所述螺线布线的所述低电阻部分包含厚度比其他部分还小的至少1根布线。
在优选的实施方式中，所述螺线布线的所述低电阻部分包含宽度比其他部分还宽的至少1根布线。
在优选的实施方式中，所述电感器包含第四引线，其用于将所述螺线布线的比所述第一连接点更远离所述第二连接点的第四连接点连接到所述供电结构，所述第一引线及所述第四引线分别通过与所述多个开关不同的多个开关被选择性地连接到所述供电结构。
在优选的实施方式中，具有所述串联谐振电路所能具备的多个电感值中的最低电感值时成为所述螺线布线的电流路径的部分位于螺线结构的最内周侧。
在优选的实施方式中，所述多个开关的额定值或构成开关的晶体管的栅极宽度随着在导通时流经开关的电流而具有不同的值。
在优选的实施方式中，所述多个开关中，导通时流过的电流更多的开关的额定值或构成开关的晶体管的栅极宽度比导通时流经的电流更少的开关的额定值或构成开关的晶体管的栅极宽度还大。
在优选的实施方式中，在所述串联谐振电路不参与电力传输时，通过控制所述多个开关，从而使所述谐振频率变化为不同的值。
在优选的实施方式中，通过使所述多个开关全部导通，从而设置为使所述串联谐振电路不参与电力传输的状态。
在优选的实施方式中，通过使所述多个开关全部打开，从而设置为使所述串联谐振电路不参与电力传输的状态。
在优选的实施方式中，该无线电力传输***具备经由所述供电结构而向所述送电谐振器提供电力的送电器，使所述送电谐振器与所述受电谐振器之间的传输效率最大化的所述送电谐振器的最佳输入阻抗和所述送电器的输出阻抗一致。
在优选的实施方式中，该无线电力传输***具备经由所述供电结构而从所述受电谐振器接收电力的受电器，使所述送电谐振器与所述受电谐振器之间的传输效率最大化的所述受电谐振器的最佳输入阻抗和所述受电器的输出阻抗一致。
在优选的实施方式中，该无线电力传输***具备经由所述供电结构而从所述受电谐振器接收电力的受电器，使所述送电谐振器与所述受电谐振器之间的传输效率最大化的所述受电谐振器的最佳输出阻抗和所述受电器的输入阻抗一致。
在优选的实施方式中，所述受电器的输出阻抗和负载阻抗一致。
在优选的实施方式中，该无线电力传输***还包括从所述多个开关中选择能导通的1个开关的引线选择部。
在优选的实施方式中，该无线电力传输***还包括：经由所述供电结构向所述送电谐振器提供电力的送电器；和经由所述供电结构从所述受电谐振器接收电力的受电器，所述引线选择部基于所述送电器的输出阻抗、所述受电器的输入阻抗以及负载阻抗中的至少一个，从所述多个开关中选择能导通的1个开关。
本发明的无线电力传输装置，其具备送电谐振器及受电谐振器的一方，且在与所述送电谐振器及所述受电谐振器的另一方之间经由谐振磁场以非接触方式传输电力，其中，该无线电力传输装置具备作为所述送电谐振器或所述受电谐振器发挥功能的串联谐振电路，所述串联谐振电路包括：电感器，其包括螺线布线、用于将所述螺线布线的第一连接点连接到供电结构的第一引线、用于将所述螺线布线的不同于所述第一连接点的第二连接点连接到所述供电结构的第二引线、和用于将所述螺线布线的比所述第二连接点更远离所述第一连接点的第三连接点连接到所述供电结构的第三引线；分别与所述第二引线及第三引线连接的多个开关；以及多个电容，经由所述多个开关中的对应的开关而分别与所述第二引线及第三引线串联连接；所述串联谐振电路能够随着通过所述多个开关中选择性导通的开关所选择的电流路径而具有不同的电感值，所述多个电容的电容值被设定为：不依赖于选择性导通的开关，所述串联谐振电路的谐振频率表示恒定的值；所述螺线布线在从所述第二连接点到所述第一连接点为止的范围内，具有所述谐振频率下的每单位长度的布线电阻被设定得比所述螺线布线的其他范围的至少一部分还低的低电阻部分。
(发明效果)
根据本发明的无线电力传输***，可以回避布线总量的增大的问题，同时即使在包含低阻抗传输时的任一状态下都可以回避无线传输效率的劣化。
附图说明
图1是本发明实施方式1中的无线电力传输***的框图。
图2是表示本发明实施方式1中的送电谐振器及受电谐振器的图。
图3是表示本发明实施方式1中的串联谐振电路的立体示意图。
图4是示意地表示图3的串联谐振电路结构的图。
图5是本发明实施方式1中的无线电力传输***的立体示意图。
图6是本发明实施方式1中的无线电力传输***的立体示意图。
图7是用于说明本发明的无线电力传输***中的阻抗匹配的图。
图8是本发明实施方式2中的无线电力传输***的立体示意图。
图9是本发明实施方式3中的无线电力传输***的立体示意图。
图10是表示针对本发明的其他实施方式假设将螺线布线笔直延伸的状态的图。
图11是表示针对本发明的另一实施方式假设将螺线布线笔直延伸的状态的图。
图12(a)、(b)及(c)是表示并联布线结构的一例的与长轴方向垂直的剖视图。
图13(a)、(b)及(c)是表示并联布线结构的另一例的与长轴方向垂直的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的无线电力传输***的实施方式。在图中所示的XYZ坐标中，将可变谐振器的构成要素、即电感器的配置面设为XY平面，将电感器的高度方向设为Z方向。图中，对相同或对应的构成要素赋予相同的参考序号。
(实施方式1)
图1是表示本发明实施方式1中的无线电力传输***的构成的框图。
如图1所示，本实施方式的无线电力传输***包括送电谐振器105及受电谐振器107，在送电谐振器105与受电谐振器107之间经由谐振磁场以非接触方式传输电力。在该无线电力传输***中，设计成送电谐振器105及受电谐振器107以频率f0进行谐振。
送电谐振器105上连接着送电器103。送电器103从未图示的电源接收直流或交流的能量(电能)，并将其变换为频率f0的RF能量。从送电器103输出的RF能量被提供给送电谐振器105。构成为以相同的频率进行谐振的送电谐振器105及受电谐振器107通过谐振磁场(谐振频率f0)耦合。因此，受电谐振器107可以有效地接受由送电谐振器105送出的RF能量。在本说明书中，因为以在谐振频率f0下振动的谐振磁场进行无线电力传输，所以有时将谐振频率f0称为传输频率。
接着，参照图2。
图2是表示送电谐振器105及受电谐振器107的等效电路的图。在图2所示的例子中，送电谐振器105是电感器105a及电容元件105b串联连接的串联谐振电路。另外，受电谐振器107是电感器107a及电容元件107b并联连接的并联谐振电路。此外，送电谐振器105的串联谐振电路具有电阻成分R1，受电谐振器107的并联谐振电路具有电阻成分R2。
在图2的例子中，送电谐振器105由串联谐振电路构成，受电谐振器107由并联谐振电路构成，但是本发明并不限于该例子。既可以是送电谐振器105及受电谐振器107的一方由串联谐振电路构成，还可以是两者都由串联谐振电路构成。
图2所示的送电谐振器105是电感器105a的电感值L1及电容元件105b的电容值C1可变的串联谐振电路。本实施方式中的串联谐振电路具备如下结构：在将谐振频率f0维持恒定的状态下，可以将电感值L1及电容值C1切换为不同大小的值。将在后面详细叙述该结构。
这样，在本实施方式的无线电力传输***中，因为串联谐振电路的电感值可变，所以能够与电源及负载中的阻抗的变动对应。其结果，也可以将本***适用于更多的电源或更多的负载。不光是送电模块，对于受电模块而言，在赋予与阻抗变动对应的功能时，只要受电谐振器107也与送电谐振器105同样地由阻抗可变的串联谐振电路构成即可。
以下，参照图3对本实施方式中的阻抗可变的串联谐振电路(以下，称为“可变谐振电路”)的构成进行详细的说明。图3是表示本实施方式中的可变谐振电路的构成例的立体图。
图3的可变谐振电路包括：具有多条引线的电感器；将多条引线选择性地连接到外部的供电结构来切换电感值的开关组；和构成为根据切换后的电感值将谐振频率维持为恒定值的电容组。在该可变谐振电路中，在传输电力时，从多个开关中选出的1个开关导通(ON)，其他开关被设定为非导通(OFF)。因为根据选择性导通的开关而使连接电感器的信号侧与接地侧的电流路径变化，所以可以实现具有不同电感值及阻抗的谐振电路。
为了从多个开关中选择最佳的1个开关，本实施方式中的无线电力传输***还包括与各开关连接在一起的引线选择部220。引线选择部220基于电源和/或负载中的阻抗值，选择可以导通的开关。例如，引线选择部220与电源、送电器103、受电器109及负载中的至少一个连接，基于这些部件的阻抗值来选择可以导通的1个开关。
以下，更加详细地说明图3的构成例。
图3所示的电感器包括：具有矩形的螺线形状的布线(以下称为“螺线布线”)201；以及分别与螺线布线201的不同位置连接的多条引线213、207a、207b、207c。虽然图3所示的螺线布线201的整体的圈数为6，但该数只要是2以上即可。
本实施方式中的螺线布线201由3个布线部分201a、201b、201c构成。图4为了明确地示出构成螺线布线201的布线部分201a、201b、201c和引线213、207a、207b、207c的关系，表示了假设将螺线布线201笔直延伸的状态的图。
如图4中最清楚地所表示的，由螺线布线201的点203到点205a为止的范围由布线部分201a构成。再有，螺线布线201的点205a到点205b为止的范围由布线部分201b构成，点205b到点205c为止的范围由布线部分201c构成。其中，在螺线布线201上，连接引线的“点”并非一定是严格意义上的“点”，也可以是接触部具有有限面积的“面”。这些“点”表示各引线与螺线布线的连接部的“位置”。
在图中，比表示其他布线部分的线更粗地描绘了表示布线部分201a的线的一部分。在表示布线部分201a的线中相对粗的线的部分是在谐振频率f0下每单位长度的布线电阻比其他布线部分还低的低电阻部分2010。布线电阻依存于信号的频率。本发明中重要的“布线电阻”是谐振频率f0下的布线电阻的值。因此，在以下的说明中，“布线电阻”表示“谐振频率下的布线电阻”。
为了使螺线布线上的特定部分中的每单位长度的布线电阻比其他部分更低，在该特定部分的布线材料中采用导电率高的材料或采用使布线数比其他部分有所增加的并联布线结构是非常有效的。在采用并联布线结构的情况下，更优选捻转并联配置的多条布线彼此来进行配置。图12是表示并联布线结构的一例的与长轴方向垂直的剖视图。图12(a)表示布线部分201b的剖面的一例，图12(b)表示布线部分201a中的低电阻部分2010的剖面的一例。在低电阻部分2010中，与布线部分201b等其他的布线部分相比，并联配置了更多根数的线材20。在低电阻部分2010中，如图12(c)所示，也可以不改变并联配置的线材20的根数，而是使线材20的直径比其他部分中的线材20的直径更大。
再有，图13表示布线部分201b的剖面的另一例。图13(a)表示布线部分201b的剖面的一例，图13(b)及图13(c)分别表示布线部分201a中的低电阻部分2010的剖面的例子。在图13(b)所示的低电阻部分2010中，没有改变并联配置的线材20的根数，而是使线材20的厚度比其他部分中的线材20的厚度更大。另外，在图13(c)所示的低电阻部分2010中，没有改变并联配置的线材20的根数，而是使线材20的宽度比其他部分中的线材20的宽度更大。在低电阻部分2010中，只要直径、厚度和/或宽度比其他部分中的值更大的线材的根数至少为1根即可。
在螺线布线201中的布线部分201a的低电阻部分(粗实线部分)2010以外的部分中，每单位长度的电阻值既可以基本恒定，也可以是变化的。重要的是：在选择了电感值最低的状态时，与选择其他电感值的状态时相比，能实现以更低的阻抗高效率地工作的谐振器。
在本实施方式中，信号侧的引线213是1根，但接地侧的引线207a、207b、207c为多根。如后面的详细说明，通过从接地侧的引线207a、207b、207c中选择1根引线，从而能够切换电感值。在本实施方式中，虽然信号侧及接地侧的引线的总数为4根，但该总数只要为3根以上即可。
在图3的例子中，信号侧的引线、即第一引线213与成为螺线布线201的内侧终端的点203直接连接。另一方面，接地侧的引线组、即第二～第四引线207a、207b、207c分别与螺线布线的不同点205a、205b、205c连接。点203或点205c无需兼作螺线布线201的终端点。但是，因为没有必要使螺线布线201无谓地延伸，所以优选螺线布线201的两端与引线连接。
第一引线213经由端子216与外部电路(图1的送电器103或图1的受电器109或者配置于送电器、受电器周边的匹配电路或滤波器电路等)连接，接受来自外部设备输出的能量供电或者向外部设备的能量供给。另一方面，第二引线207a与电容209a、导通路径选择开关211a及端子215a串联连接。第三引线207b与电容209b、导通路径选择开关211b及端子215b串联连接。第四引线207c与电容209c、导通路径选择开关211c及端子215c串联连接。
引线207a、207b、207c中的一根经由从导通选择开关211a、211b、211c中选择并导通的一个开关，与端子215a、215b、215c中的一个连接。端子215a、215b、215c也与端子216成对地连接于外部电路的输入输出端子。
电容209a、209b、209c的电容值被设定为：不依赖于选择性导通的开关，串联谐振电路的谐振频率表示恒定的值。在此，将分别选择了引线组207a、207b、207c时的电感值分别设为La、Lb、Lc。另外，将电容209a、209b、209c的电容值分别设为Ca、Cb、Cc。此时，预先调整Ca、Cb、Cc，以便即使从(La、Ca)、(Lb、Cb)、(Lc、Cc)这三组中选择任意一组，也可以以频率f0构成谐振电路。
根据上述构成，可以在将谐振频率保持f0不变的状态下从电感值与电容值的平衡不同的多个状态中选择一个状态。
谐振频率f0被设定为与进行无线电力传输的电磁能量的频率f0相同。更严谨的是，因为谐振器的制造偏差等主要原因，虽然能够在***中利用以与传输频率不同的值进行谐振的谐振器，但不能有意地产生该差。通过在电感器与电容的平衡不同的多个状态间进行切换，从而在磁谐振方式的无线电力传输***中实现具有可变阻抗特性的无线传输模块。
另外，例如在引线207a与端子215a之间电容209a及导通路径选择开关211a的配置顺序是任意的。也可以逆转电容209a及导通路径选择开关211a的配置顺序。即，也可以将电容209a连接到端子215a，将导通路径选择开关211a连接到引线207a。这对于其他引线、电容、开关、端子而言也是同样的。
在本实施方式中，不是在布线部分201a的整条路径上配置了低电阻部分2010，而是仅在其一部分路径上配置了低电阻部分2010，但是本发明不限于这种例子。即，也可以由低电阻部分2010形成布线部分201a的整条路径。这样，若在布线部分201a的至少一部分路径上形成低电阻部分2010，则可以使布线电阻在整个布线部分201a上的平均值设得比整个其他布线部分201b、201c的平均值更小。
也可以在螺线布线201中的布线部分201a以外的部分、即布线部分201b、201c的一部分路径上与布线部分201a的低电阻部分2010同样地设置布线电阻低的部分。在这种情况下，也优选使布线电阻在整个布线部分201a上的平均值比整个其他布线部分201b、201c上的平均值更小。
根据以上事实可知：本实施方式中的螺线布线201在从点203到点205a为止的范围(布线部分201a)内，具有将谐振频率下的每单位长度的布线电阻设置得比螺线布线201的其他范围的至少一部分还低的低电阻部分2010。其结果，螺线布线201的布线电阻在点203到点205a为止的整个范围内的平均值要比该范围外的平均值低。另外，最优选：设置在点203到点205a为止的范围内的低电阻部分2010在谐振频率下的每单位长度的布线电阻比其他任意部分在谐振频率下的每单位长度的布线电阻更低。
通过采用上述构成，从而在本实施方式的可变谐振电路中，在选择了电感值最低的状态时，与选择了其他电感值的状态时相比，可以实现更低阻抗的谐振器。
一般，在驱动恒压电路的情况下，在向负载提供更多电力时会流过更多的电流，成为低阻抗条件。另一方面，在以串联谐振电路进行磁谐振方式的无线电力传输的情况下，为了降低使传输效率最大化的输入输出端子中的最佳阻抗Zopt，优选实现谐振器的电感值小且电容值大的组合。
在图3的例子中，与使开关211b或开关211c导通的方式相比，使开关211a导通的方式会更缩短与谐振动作相关的螺线布线长度，因此串联谐振电路的电感值降低。在选择了电感值变为最小的状态时的螺线布线201的路径中包含布线电阻比其他部分更低的部分。结果，工作时可以成为阻抗更低且传输效率高的谐振器。
传输效率的阻抗依存性表示峰值时的最大传输效率由谐振器的Q值来决定。谐振器的Q值依存于构成谐振器的电感器的Q值和电容器的Q值。电感器的Q值具有随着电感器的圈数降低而降低的倾向。即，在越是低阻抗传输时越选择低电感值的状态的可变谐振器中，会导致谐振器的Q值降低、无线电力传输部的效率降低。为了改善电感器的Q值，降低电感器布线的每单位长度的电阻值是非常有效的。按照在布线的整条路径中实现低的电阻值的方式来设计电感器结构在实用上是不现实的。即，将全部布线置换为高导电率的布线的方法、或利用并联数高的并联布线结构来实现全部布线的方法会导致布线量增大引起的重量化、成本增大、占有容积的增大。
本实施方式中，选择低电感值时的谐振器中的布线路径是点203与点205a之间的路径。另一方面，选择高电感值时的谐振器中的布线路径是包含点205a到点205b为止的布线部分或者点205a到205c为止的布线部分的、更长的路径。虽然从点205a到点205b为止的布线部分在开关211b或开关211c导通时能够构成螺线布线的路径，但从点205b到点205c为止的布线部分仅在开关211c导通时才构成螺线布线的路径。
在本实施方式中设定为：构成选择低电感值时的路径的布线部分的至少一部分路径在无线电力传输频率f0下的每单位长度的电阻值要比仅在选择高电感值时构成路径的布线部分(点205a与点205b之间的布线部分以及点205b与点205c之间的布线部分)在无线电力传输频率f0下的每单位长度的电阻值还要低。
通过采用上述构成，从而可以以在低阻抗传输时选择的状态回避可变谐振器的Q值降低。在本实施方式中设计为越是电力传输量增多且要求高传输效率的条件就越能改善传输效率的劣化，且能回避布线量的增大。
其中，流经开关211a、211b、211c的每一个开关的电流的大小互不相同。因此，优选根据假设成流经每个开关的电流的大小来适当地选择开关的尺寸或特性。例如，作为流过更大电流的开关，优选采用与流过更少电流的开关相比额定电流大的开关。再有，作为流过更大电流的开关，优选采用与流过更小电流的开关相比其栅极宽度相对较大的半导体元件。
(可变谐振器的动作停止控制)
在本发明的无线电力传输***中想要停止充电供电动作的情况下，可通过将可变谐振器的谐振频率fr改变成与传输电磁能量的频率f0不同的值来应对。作为实现上述状态的方法，如图5所示，将导通路径选择开关全部选择为开放。再有，如图6所示，可以采用通过导通控制多个导通路径选择开关来使谐振频率不同于f0的方法等。
图7是用于说明本发明的无线电力传输***中的阻抗匹配的图。在图7中，省略了进行反馈控制的功能模块等。根据需要可以追加实现这些功能的未图示的模块。
匹配条件1：设计为使送电器103的输出阻抗ZTo与送电谐振器的最佳输入阻抗ZTx0一致。由此，能够降低送电器103与送电谐振器105之间的阻抗不匹配引起的能量反射。
匹配条件2：设计为使受电谐振器107的最佳输出阻抗ZRx0与受电器109的输入阻抗ZRi一致。由此，能够降低受电谐振器107与受电器109之间的阻抗不匹配引起的能量反射。
匹配条件3：设计为使输入阻抗ZRi下的受电器109工作时的输出阻抗ZRo与负载阻抗RL一致。由此，能够降低受电器109与负载11之间的阻抗不匹配引起的能量反射。
通过同时满足上述三个匹配条件，从而可以使传输效率最大化。另外，并非一定要同时满足上述三个匹配条件。
(送电谐振器与受电谐振器的个数)
传输***内包含的送电谐振器与受电谐振器的台数并未分别限定于1。
(电路元件的具体结构)
在送电谐振器与受电谐振器中，电容电路209a、209b、209c也可以利用芯片电容元件或陶瓷电容器、钽电解电容器、铝电解电容器、云母电容器、双电层电容器、真空电容器、在半导体工艺上形成的MIM结构等的集中常数电路元件来实现。再有，也可以考虑分布布线而产生的寄生电容的值来决定上述集中常数电路元件的电容值。
构成送电谐振器105、受电谐振器107的电感器电路的螺线布线的形状并不限于矩形。既可以是椭圆形状，也可以是任意的非对称形状。在采用矩形螺线的形状的情况下，优选在角部具有一定以上的曲率。不包含角度急剧变化的部分的布线形状可以回避高频电流的集中、周边空间的磁场密度集中，可以提高传输效率。
构成本发明的可变谐振器的螺线布线并不限于具有平面单层结构的布线。螺线布线也可以具有层叠结构。
(实施方式2)
接着，参照图8来说明本发明涉及的无线电力传输***的第二实施方式。本实施方式与上述实施方式不同之处仅在于阻抗可变的串联谐振器的构成。因此，在此说明该串联谐振器的结构，对于其他结构不再重复相同的说明。
在图3所示的实施方式中，将与外部端子216直接连接的信号侧的引线213连接到位于螺线布线201的螺线内侧的部分。相对于此，在本实施方式中，如图8所示，将信号侧的引线213连接到位于螺线布线201的螺线外侧的部分。
在本实施方式中，在选择开关211a时，成为电感值变为最低的状态。因此，在点203～点205a的布线部分201a的至少一部分中，与其他部分(点205a～点205b的布线部分201b或点205b～点205c的布线部分201c)相比，降低了传输频率f0下的每单位长度的电阻值。即使采用本实施方式的构成，也能实现与实施方式1中的串联谐振电路同样的效果。
然而，通过改善电感器的Q值，电流密度及磁场密度集中的螺线内部的布线电阻的降低能够取得相对更大的效果。因此，与图8的结构相比，更优选采用图3的构成。再有，在采用图3的结构的情况下，根据同样的理由，在实用问题上优选低电阻部分2010配置于螺线结构的最内周侧。
(实施方式3)
接着，参照图9对本发明涉及的无线电力传输***的第三实施方式进行说明。本实施方式与上述实施方式的不同之处仅在于阻抗可变的串联谐振器的结构。因此，在此说明该串联谐振器的结构，对于其他结构不再重复相同的说明。
在图3或图8所示的可变谐振器中，能选择电流路径的结构(开关电路)均仅针对接地侧的引线而存在。相对于此，在本实施方式中，如图9所示，对信号侧的引线也设置开关电路。具体是，选择性地连接2个信号输入侧端子216a、216b与2个引出点203a、203b。即，与引出点203a连接的引线213a经由开关212a与端子216a连接。另一方面，与引出点203b连接的引线213b经由开关212b与端子216b连接。选择性地导通多个开关212a、212b中的1个。
若将输入信号一侧的引线213a、213b、…的根数设为M，将接地侧的引线207a、207b、...的根数设为N，则最大能够得到M×N个电感值可变状态。
也可以在从引出点203a、203b到外部端子216a、216b为止的路径中***电容元件。其中，此时，在谐振器工作中成为导通状态的开关的个数为2。另一方面，如图3的结构所示，在输入侧的引线213为1根的情况下，可以将工作中在谐振器内被选择控制为导通状态的导通路径选择开关的个数削减为1。即，在图3的结构中，与图9的结构相比，能够将谐振器中的开关导通损耗减半，由此提高传输效率。
在上述各实施方式中，在阻抗变为最低的状态(假设了恒压动作时流过最大的电流的状态)下选择的路径包含着布线电阻比其他部分更低的部分。然而，本发明并不限于这种情况。例如，也可以在使用频度最高的布线部分或使用时间最长的布线部分的至少一部分路径中设置布线电阻比其他部分的至少一部分还低的部分(低电阻部分2010)。
另外，图10及图11分别是表示针对其他实施方式而言假设将螺线布线201笔直延伸的状态的图。图10所示的螺线布线201也在从点203b到点205a为止的范围内具有低电阻部分2010，该低电阻部分2010设定为谐振频率下的每单位长度的布线电阻要比螺线布线201的其他范围内的至少一部分更低。其中，在该例子中，也可以在点203a到点203b为止的范围的一部分设置低电阻部分2010。
图11所示的螺线布线201也在从点203到点205a为止的范围内具有低电阻部分2010，该低电阻部分设定为谐振频率下的每单位长度的布线电阻要比螺线布线201的其他范围内的至少一部分更低。其中，在该例子中，也可以在点205a到点205b为止的范围的一部分设置低电阻部分2010。
(实施例)
为了实际验证本发明的有利效果，制作了具有图3所示的结构的可变谐振器。具体是，制作了以下的表1所示的实施例及比较例。制作的顺序如下所述。
首先，以长方形状中长边a＝30cm、短边b＝16cm、相邻布线间隔1cm、最大圈数为6的条件制作了螺线布线(电感器布线)。为了降低谐振器的导体损耗，由并列排列多根直径120微米的铜布线而成的绞合线(Litzwire)形成螺线布线。螺线布线的每单位长度的布线电阻随着构成绞合线的并列铜布线的根数而变化。在实施例1中，由并列根数为60根的布线部分、150根布线部分、250根的布线部分构成螺线布线。在比较例1a中，由并列根数为60根的布线构成螺线布线整体。在比较例1b中，由并列根数为250根的布线构成螺线布线整体。
无论在哪个可变谐振器中，都将螺线最内部的终端点设为点203，并经由引线213而连接到外部电路的信号线。再有，在从螺线最内部的一端开始数起，在圈数为2的位置设置分支点205a，在圈数为4的位置设置分支点205b，将最外部的终端点(圈数为6的位置)设为点205c。在点205a、205b、205c上分别连接引线207a、207b、207c。引线207a、207b、207c分别经由电容209a、209b、209c而连接到负载开关211a、211b、211c。
在实施例1中，螺线布线的从终端点203到分支点205a为止的部分由并列根数为250根的布线部分构成，该部分的布线电阻最低。螺线布线的从分支点205a到分支点205b为止的部分由并列根数为150根的布线部分构成。螺线布线的从分支点205b到终端点205c为止的部分由并列根数为60根的布线部分构成，该部分的布线电阻最高。
另一方面，在比较例1a中，螺线布线的从一个终端点203到另一个终端点205a为止的整体都由并列根数为60根的布线构成。在比较例1b中，螺线布线的从一个终端点203到另一个终端点205a为止的整体都由并列根数为250根的布线构成。
负载开关211a、211b、211c均为具有30mΩ的导通(ON)电阻的MOSFET。负载开关211a、211b、211c连接到外部电路的输入输出端子的GND。通过使负载开关211a、211b、211c中的1个导通，从而选择螺线布线201的从点203到点215a、215b、215c的任一个点为止的路径，可以使电感值可变。
在负载开关211a、211b、211c的任意一个被选择性导通的情况下，即使选择哪一个负载开关，都能按照串联谐振电路的谐振频率为1.8MHz的方式设定电容209a、209b、209c的电容值。具体是，将电容209a、209b、209c的电容值分别设定为3640pF(皮法)、1070pF、500pF。
在进行低阻抗传输时选择开关211a，使用圈数为2的电感器有助于谐振。再有，在进行高阻抗传输时选择开关211c，使用圈数为6的电感器有助于谐振。在进行中阻抗传输时选择开关211b，使用圈数为4的电感器有助于谐振。
对于实施例1、比较例1a、比较例1b的每一个而言，各制作2个绞合线的并列布线根数如表1所示那样不同的谐振器，作为谐振器的低损耗性的指标，测量了Q值。
再有，将同一条件的谐振器作为送电及受电谐振器的对，将电感器的形成面平行地离开20cm进行配置。将两天线的输入输出端子连接到网络分析仪，以小信号输入条件测量了通过/反射特性。这样，测量了将天线间传输效率最大化的最佳阻抗值及最大传输效率。接着，向送电侧的天线提供50W的能量，在利用受电天线进行受电的情况下，测量了送电及受电天线(送受電アンテナ)中产生的热量。
表1中示出实施例1及比较例1a、1b的结构、传输特性、以50W传输时产生的热量。再有，也在表1中示出将用于比较例1a中的布线量设为100时的实施例与比较例的总布线量。
[表1]
Figure BDA0000103758360000171
Figure BDA0000103758360000181
如表1所示，比较例1a的低阻抗传输时(选择开关211a且使用圈数为2)的发生损耗与高阻抗传输时(选择开关211c且使用圈数为6)相比达到63倍，在实用方面进行改善是有必要的。
另一方面，在实施例1中，尤其是在低阻抗传输时，与比较例1a相比传输效率得到了大幅度的改善。低阻抗传输时的发生损耗与比较例1a相比降低87％，在实用方面得到了非常有用的效果(高阻抗传输时降低59％)。
在比较例1b中，达成三例中最高的传输效率。然而，与比较例1a相比，必须使用3.3倍的布线。而且，比较例1b与实施例1相比，尽管布线量也增加了64％，但低阻抗传输时的发生损耗只能够削减25％。还有，可知：虽然高阻抗传输时的发生损耗削减了40％，但比较例1b的效率与实施例1或比较例1a的效率之差极小。
如上所述，实际验证了能以较少的布线使用量有效地改善大电力传输时的效率这样的本发明特有的效果。
另外，在实施例1中，虽然将固定引线设置在螺线的内侧终端点，但制作了将固定引线设定到螺线的外侧终端点侧的实施例2。在实施例2中，与实施例1相反，从螺线布线外侧开始按照每2圈将绞合线的并列根数设为100、60、30。在实施例2中，在使用圈数2中得到了861的Q值，在使用圈数6中得到了1811的Q值。实施例2与比较例1a相比为2.19倍的布线使用量。实施例2虽然在布线使用效率及Q值的特性上都比实施例1差一些，但是还是验证了本发明的有用效果。
其中，本发明的无线电力传输***的利用范围并非一定要限于恒压驱动***。
(工业上的可利用性)
本发明涉及的无线电力传输***可以应用于个人计算机、笔记本型个人计算机等办公设备或壁挂式电视机、移动AV设备等AV设备。该无线电力传输***不仅可以应用于对助听器、医疗保健(health care)设备的充电供电中，还可以应用于电动汽车、电动自行车、移动机器人的行驶中充电***、停车中充电***等。进而，也可以应用于与来自太阳电池或燃料电池的集电***、直流供电***中的设备的连接场所、交流插座替代品等比较广泛的领域。
符号说明
20构成螺线布线的线材
101  电源
103  送电器
105  送电谐振器
105a  电感器
105b  电容元件
107  受电谐振器
107a  电感器
107b  电容元件
109  受电器
111  负载
201  螺线布线
201a、201b、201c  布线部分
203  螺线布线的终端点
205a、205b、205c、203a、203b  螺线布线上的任意点
207a、207b、207c  接地侧的引线组
209a、209b、209c  电容
211a、211b、211c  导通路径选择开关
212a、212b  导通路径选择开关
213、213a、213b  信号输入侧的引线
215a、215b、215c  端子
216、216a、216b  端子
220  引线选择部
2010  螺线布线的低电阻部分

Claims (20)

1.一种无线电力传输***，其具备送电谐振器及受电谐振器，且经由谐振磁场而以非接触的方式传输电力，其中，
所述送电谐振器及所述受电谐振器的至少一方是串联谐振电路，
所述串联谐振电路包括：
电感器，其包括螺线布线、用于将所述螺线布线的第一连接点连接到供电结构的第一引线、用于将所述螺线布线的不同于所述第一连接点的第二连接点连接到所述供电结构的第二引线、和用于将所述螺线布线的比所述第二连接点更远离所述第一连接点的第三连接点连接到所述供电结构的第三引线；
分别与所述第二引线及第三引线连接的多个开关；以及
多个电容，经由所述多个开关中的对应的开关而分别与所述第二引线及第三引线串联连接，
所述串联谐振电路能够随着通过所述多个开关中的选择性导通的开关所选择的电流路径而具有不同的电感值，
所述多个电容的电容值被设定为：不依赖于选择性导通的开关，所述串联谐振电路的谐振频率表示恒定的值，
所述螺线布线在从所述第二连接点到所述第一连接点为止的范围内，具有所述谐振频率下的每单位长度的布线电阻被设定得比所述螺线布线的其他范围的至少一部分还低的低电阻部分。
2.根据权利要求1所述的无线电力传输***，其中，
所述低电阻部分在所述谐振频率下的每单位长度的布线电阻比其他部分在所述谐振频率下的每单位长度的布线电阻还低。
3.根据权利要求1所述的无线电力传输***，其中，
所述谐振频率下的所述螺线布线的布线电阻的、从所述第二连接点到所述第一连接点为止的整个范围的平均值比所述谐振频率下的所述螺线布线的布线电阻在所述范围外的平均值还低。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
所述螺线布线的所述低电阻部分具有根数比其他部分还多的多根布线并列配置的结构。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
所述螺线布线的所述低电阻部分包含直径比其他部分还大的至少1根布线。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
所述螺线布线的所述低电阻部分包含厚度比其他部分还小的至少1根布线。
7.根据权利要求1～5中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
所述螺线布线的所述低电阻部分包含宽度比其他部分还宽的至少1根布线。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
所述电感器包含第四引线，该第四引线用于将所述螺线布线的比所述第一连接点更远离所述第二连接点的第四连接点连接到所述供电结构，
所述第一引线及所述第四引线分别通过与所述多个开关不同的多个开关被选择性地连接到所述供电结构。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
具有所述串联谐振电路所能具备的多个电感值中的最低电感值时成为所述螺线布线的电流路径的部分位于螺线结构的最内周侧。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
所述多个开关的额定值或构成开关的晶体管的栅极宽度随着在导通时流经开关的电流而具有不同的值。
11.根据权利要求10所述的无线电力传输***，其中，
所述多个开关中，导通时流经的电流更多的开关的额定值或构成开关的晶体管的栅极宽度比导通时流经的电流更少的开关的额定值或构成开关的晶体管的栅极宽度还大。
12.根据权利要求1～8中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
在所述串联谐振电路不参与电力传输时，通过控制所述多个开关，从而使所述谐振频率变化为不同的值。
13.根据权利要求1～10中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
通过使所述多个开关全部导通，从而设置为使所述串联谐振电路不参与电力传输的状态。
14.根据权利要求1～10中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
通过使所述多个开关全部打开，从而设置为使所述串联谐振电路不参与电力传输的状态。
15.根据权利要求1～14中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
该无线电力传输***具备经由所述供电结构而向所述送电谐振器提供电力的送电器，
使所述送电谐振器与所述受电谐振器之间的传输效率最大化的所述送电谐振器的最佳输入阻抗和所述送电器的输出阻抗一致。
16.根据权利要求1～15中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
该无线电力传输***具备经由所述供电结构而从所述受电谐振器接收电力的受电器，
使所述送电谐振器与所述受电谐振器之间的传输效率最大化的所述受电谐振器的最佳输出阻抗和所述受电器的输入阻抗一致。
17.根据权利要求1～16中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
所述受电器的输出阻抗和负载阻抗一致。
18.根据权利要求1～17中的任一项所述的无线电力传输***，其中，
该无线电力传输***还包括从所述多个开关中选择能导通的1个开关的引线选择部。
19.根据权利要求18所述的无线电力传输***，其中，
该无线电力传输***还包括：经由所述供电结构向所述送电谐振器提供电力的送电器；和经由所述供电结构从所述受电谐振器接收电力的受电器，
所述引线选择部基于所述送电器的输出阻抗、所述受电器的输入阻抗以及负载阻抗中的至少一个，从所述多个开关中选择能导通的1个开关。
20.一种无线电力传输装置，其具备送电谐振器及受电谐振器的一方，且在与所述送电谐振器及所述受电谐振器的另一方之间经由谐振磁场以非接触方式传输电力，其中，
该无线电力传输装置具备作为所述送电谐振器或所述受电谐振器发挥功能的串联谐振电路，
所述串联谐振电路包括：
电感器，其包括螺线布线、用于将所述螺线布线的第一连接点连接到供电结构的第一引线、用于将所述螺线布线的不同于所述第一连接点的第二连接点连接到所述供电结构的第二引线、和用于将所述螺线布线的比所述第二连接点更远离所述第一连接点的第三连接点连接到所述供电结构的第三引线；
分别与所述第二引线及第三引线连接的多个开关；以及
多个电容，经由所述多个开关中的对应的开关而分别与所述第二引线及第三引线串联连接，
所述串联谐振电路能够随着通过所述多个开关中选择性导通的开关所选择的电流路径而具有不同的电感值，
所述多个电容的电容值被设定为：不依赖于选择性导通的开关，所述串联谐振电路的谐振频率表示恒定的值，
所述螺线布线在从所述第二连接点到所述第一连接点为止的范围内，具有所述谐振频率下的每单位长度的布线电阻被设定得比所述螺线布线的其他范围的至少一部分还低的低电阻部分。
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