JP2011061942A - 中継方式の非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１に、エアギャップ拡大が可能となると共に、第２に、各コイルについて、配置自由度が向上し配置バリエーションが拡大するようになる、中継方式の非接触給電装置を提案する。
【解決手段】この非接触給電装置Ａは、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、１次側１の電源回路３のコイル４から、２次側２の負荷側回路５のコイル６に、エアギャップｇを存し非接触で対応位置しつつ、電力を供給する。１次側１のコイル４側および２次側２のコイル６側には、それぞれ中継回路１８，２０の中継コイル１９，２１が配設されている。又、両中継コイル１９，２１間には、中間回路２２の中間コイル２３が配設されている。中継回路１８，２０の中継コイル１９，２１は、それぞれ同回路のコンデンサ２４，２５と共振し、中間回路２２の中間コイル２３は、同回路のコンデンサ２６と共振する。
【選択図】図１

Description

本発明は、中継方式の非接触給電装置に関する。すなわち、定置された１次側から、例えば電気自動車に搭載された２次側に、非接触で電力を供給する、中継方式の非接触給電装置に関するものである。

ケーブル等の機械的接触なしで、例えば電気自動車のバッテリーに、外部から電力を供給する非接触給電装置ＩＰＳ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）が、需要に基づき開発，実用化されている。
この非接触給電装置は、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、給電側である１次側コイルから、受電側である２次側コイルへと電力を供給する。
すなわち、地上側に定置された１次側コイルでの磁束形成により、エアギャップを存しつつ、非接触で対応位置する電気自動車等に搭載された２次側コイルに、誘導起電力を生成して電力を供給する（後述する図８も参照）。

このような非接触給電装置としては、例えば、次の特許文献１，特許文献２に示されたものが挙げられる。
特開平７−１７０６８１号公報 特開２００８−０８７７３３号公報

《問題点について》
ところで、このような従来の非接触給電装置については、次の課題が指摘されていた。
すなわち、この種の非接触給電装置では、エアギャップの拡大が大きなテーマとなっている。より大きなエアギャップのもとで、所定電力を供給せんとするニーズが高まっている。
例えば、従来の非接触給電装置では、１次側コイルと２次側コイル間のエアギャップは、１００ｍｍ程度が限界とされていたのに対し、電気自動車等では（地面からの給電が最も実現性があるものの）、床の最低地上高を１３０ｍｍ以上確保する必要があり、より一層のエアギャップ拡大が切望されていた。

《先出願について》
そこで、本発明の発明者は、エアギャップ拡大をテーマとして研究，開発を進め、特願２００９−０１９０８６を先に出願した。この先出願は、１次側コイルと２次側コイル間に、中継コイルを配設してなる。
すなわち、この先出願は、１次側の電源回路や２次側の負荷側回路とは独立した中継回路を、共振回路として設けると共に、そのコンデンサと共振する中継コイルを、１次側コイルと２次側コイル間のエアギャップの磁路に配したことを、特徴とする。
そして、この先出願は、エアギャップ拡大に資する所が大であるが、より一層のエアギャップ拡大が切望されていた。更に、各コイル配置の自由度向上，バリエーション拡大も切望されていた。例えば、１次側コイルと２次側コイルに関し、水平面の前後方向や左右方向での位置ずれ対策も、課題とされていた。

《本発明について》
本発明の中継方式の非接触給電装置は、このような実情に鑑み、上記先出願をベースに更に研究を進め、その改良発明として開発されたものである。
そして本発明は、第１に、更なるエアギャップ拡大が可能となり、第２に、コイル配置の自由度向上，バリエーション拡大も実現される、中継方式の非接触給電装置を提案することを、目的とする。

《請求項について》
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、特許請求の範囲に記載したように、次のとおりである。
まず、請求項１については次のとおり。
請求項１の中継方式の非接触給電装置は、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、１次側の電源回路のコイルから２次側の負荷側回路のコイルに、エアギャップを存し非接触で対応位置しつつ、電力を供給する。
そして、該１次側のコイル側および該２次側のコイル側に、それぞれ中継回路の中継コイルが配設されており、かつ該両中継コイル間に、中間回路の中間コイルが配設されていること、を特徴とする。

請求項２については次のとおり。
請求項２の中継方式の非接触給電装置は、請求項１において、該１次側の電源回路および中継回路は、地上側に定置配設され、該中間回路も、同地上側に定置配設されている。そして、該２次側の負荷側回路および中継回路は、移動体に搭載されていること、を特徴とする。
請求項３については次のとおり。
請求項３の中継方式の非接触給電装置は、請求項２において、該中継回路および該中間回路は、それぞれ、該１次側の電源回路や該２次側の負荷側回路から独立している。そして、該中継回路の中継コイルは、同回路のコンデンサと共振し、該中間回路の中間コイルは、同回路のコンデンサと共振すること、を特徴とする。
請求項４については次のとおり。
請求項４の中継方式の非接触給電装置は、請求項３において、該１次側のコイル，該２次側のコイル，該中継コイル，該中間コイルは、それぞれ、円形や方形の渦巻状に巻回されて扁平なフラット構造よりなること、を特徴とする。

請求項５については次のとおり。
請求項５の中継方式の非接触給電装置は、請求項４において、該１次側のコイルおよび該中継コイルは、該移動体である車輌に対し側方に縦向きに、単数配設される。該中間コイルは、地面に横向きに単数又は複数配設される。そして、該２次側のコイルおよび該中継コイルは、該車輌の側部や前部に縦向き又は底部に横向きに、単数配設されること、を特徴とする。
請求項６については次のとおり。
請求項６の中継方式の非接触給電装置は、請求項４において、該１次側のコイルおよび該中継コイルは、該移動体である車輌に対し側方に縦向きや横向きに、単数配設される。該中間コイルは、上方に横向きに単数又は複数配設される。そして、該２次側のコイルおよび該中継コイルは、該車輌の側部に縦向き又は頂部に横向きに、単数配設されること、を特徴とする。
請求項７については次のとおり。
請求項７の中継方式の非接触給電装置は、請求項４において、該１次側のコイルと該中継コイル間、および該２次側のコイルと該中継コイル間には、少なくともコイル肉厚に対応した隙間が形成されている。又、該１次側の中継コイルと該中間コイル間の中心間距離、および該２次側の中継コイルと該中間コイル間の中心間距離は、該中継コイルや該中間コイルの巻き直径に見合った寸法を目安とすること、を特徴とする。
請求項８については次のとおり。
請求項８の中継方式の非接触給電装置は、請求項４において、該非接触給電装置は、給電に際し、該２次側のコイル，中継コイルが、該１次側のコイル，中継コイル，および該中間コイルの近くで、停止する停止給電方式よりなるか、又は、給電に際し、該２次側のコイル，中継コイルが、該１次側のコイル，中継コイル，および該中間コイルの近くを、低速走行する移動給電方式よりなること、を特徴とする。

《作用等について》
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
（１）非接触給電装置は、１次側に対し２次側が、エアギャップを存し対応位置しつつ電力を供給する。
（２）この給電は、停止給電方式又は移動給電方式により行われる。
（３）給電に際しては、１次側コイルが通電されて磁束が形成され、磁路が２次側コイルとの間に形成される。
（４）もって、１次側コイルと２次側コイルが電磁結合され、２次側コイルに誘導起電力が生成される。このような電磁誘導の相互誘導作用により、電力が１次側から２次側に供給される。
（５）さて、本発明の非接触給電装置は中継方式よりなり、１次側コイルと２次側コイル間のエアギャップに、中継回路の中継コイル，中間回路の中間コイル，中継回路の中継コイルが、順に配設されている。
（６）そして、両中継コイルや中間コイルを、それぞれの回路のコンデンサと共振させることにより、１次側コイルから２次側コイルに、電力が供給される。
（７）電力供給が、このような中継方式にて実施されることは、実験等によっても裏付けられている。
（８）そして本発明の非接触給電装置は、中継コイルに加え中間コイルを介在させた、共振による中継方式を採用したことにより、所定供給電力を損なうことなく、エアギャップ拡大が可能となる。なお、各コイルについてフラット構造を採用したことも、エアギャップ拡大に資するようになる。
（９）又、本発明の非接触給電装置では、エアギャップ拡大と共に、各コイルの組み合わせ配置した中継方式により電力供給を行うので、コイル配置の自由度が向上し、その配置場所や配置方向のバリエーションが拡大する。
（１０）さてそこで、本発明の中継方式の非接触給電装置は、次の効果を発揮する。

《第１の効果》
第１に、更なるエアギャップ拡大が、可能となる。本発明の非接触給電装置は、１次側コイル，その中継コイルと、２次側コイル，その中継コイルとの間に、中間コイルを介在させた、共振による中継方式を採用したことにより、１次側コイルと２次側コイル間のエアギャップを、供給電力を損なうことなく、例えば数ｍ程度まで大きくとることが可能となる。
すなわち、ギャップ給電効率に優れ、例えば、１ｍ〜２ｍ程度の大ギャップのもとでも、数ｋＷオーダーの大電力供給が可能となる。前述したこの種従来例の１００ｍｍ程度のエアギャップや、中間コイル無しの場合のエアギャップに比し、より大きなエアギャップのもとでの大電力供給が可能となる。
そこで例えば、低床化が容易でないとされるトラック、例えば冷凍トラックの冷凍設置への外部電源による電力供給の道も開ける。

《第２の効果》
第２に、各コイルについて、配置の自由度が向上し、配置のバリエーションが拡大する。本発明の非接触給電装置は、前述したエアギャップ拡大と共に、各コイルを順次組み合わせ配置した中継方式にて電力供給を行うので、コイル配置の自由度が向上する。
すなわち、１次側コイルやその中継コイルを、地上側の側方にて縦向きや横向きに配置したり、中間コイルを、地上側の地面や上方に横向きに配置したり、２次側コイルやその中継コイルを、車輌等の移動体の側部，底部，前部，頂部等に縦向きや横向きに配置したりすることが、可能となる。そこで例えば、前述したこの種従来例のように、１次側コイルと２次側コイルに関し、前後方向や左右方向での位置ずれを気にすることなく、自在な配置が可能となる。
このように本発明によると、コイル配置のバリエーションが拡大し、電力供給のシチュエーションに応じて、コイル配置を選択することにより、広く各種の電力供給の場に適用可能となる。例えば、この種従来例が底面給電方式（路面給電方式）に限定されていたのに比し、底面充電方式は勿論のこと、側面給電方式（側壁給電方式），横置給電方式，上面給電方式，その他各種の給電方式が可能となる。
このように、この種従来例に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。

本発明に係る中継方式の非接触給電装置について、発明を実施するための形態の説明に供し、回路説明図である。 同発明を実施するための形態の説明に供し、使用例の側面概略図である。そして、（１）図は第１例、（２）図は第２例、（３）図は第３例、（４）図は第４例、（５）図は第５例を、それぞれ示す。 同発明を実施するための形態の説明に供し、各使用例の側面概略図である。そして、（１）図は第６例、（２）図は第７例、（３）図は第８例、（４）図は第９例、（５）図は第１０例を、それぞれ示す。 同発明を実施するための形態の説明に供し、１次側コイル，２次側コイル，中継コイル，中間コイル等の配置バリエーションの正面説明図である。そして、（１）図はその１、（２）図はその２、（３）図はその３、（４）図はその４、（５）図はその５、（６）図はその６、（７）図はその７を、それぞれ示す。 同発明を実施するための形態の説明に供し、（１）図は、１次側コイル，２次側コイル，中継コイル等の代表的配置例の正面説明図、（２）図は、結合係数のグラフである。（３）図，（４）図，（５）図は、コイル形状の平面説明図であり、（３）図は円形の例を、（４）図は正方形の例を、（５）図は長方形の例を示す。 同発明を実施するための形態の説明に供し、１次側コイル，２次側コイル，中継コイル等の配置バリエーションの正面説明図である。そして、（１）図はその１、（２）図はその２、（３）図はその３、（４）図はその４、（５）図はその５、（６）図はその６を、それぞれ示す。（７）図は、配置不適例を示す。 非接触給電装置の説明に供し、その１次側コイル，２次側コイル等の平面説明図である。 非接触給電装置の説明に供し、（１）図は、側面説明図、（２）図は、ブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。
すなわち、本発明の中継方式の非接触給電装置Ａについて、その一般的説明，１次側や２次側の構造，本発明の概要，中継コイル，中継コイルの配置，中間コイル，中間コイルの配置，本発明の各使用例，作用、等の順に説明する。

《非接触給電装置Ａについて》
まず、図８を参照して、非接触給電装置Ａについて一般的に説明する。
非接触給電装置Ａは、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、１次側１の電源回路３のコイル４から、２次側２の負荷側回路５のコイル６に、エアギャップｇを存して非接触で対応位置しつつ、電力を供給する。
１次側１は、地面Ｂ等の地上側Ｃに定置配設されており、２次側２は、車輌Ｄ等の移動体Ｅに搭載されている。

このような非接触給電装置Ａについて、更に詳述する。まず、１次側１つまり給電側，トラック側の電源回路３は、図示の給電スタンドＦ，給電コーナー，その他の給電エリアにおいて、路面，床面等の地面Ｂやその他の地上側Ｃに、固定的に定置配設されている。
これに対し、２次側２つまり受電側，ピックアップ側は、電気自動車や電車等の車輌Ｄ，その他の移動体Ｅに搭載されている。移動体Ｅとしては、各種交通システム，カートシステム，遊戯施設，工場の搬送システム，自動搬送車ＡＧＶＳ（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｇｕｉｄｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｙｓｔｅｍ）、等々も考えられる。２次側２は、これらの駆動用の他、非駆動用としても利用可能である。又、車載バッテリー７に接続されるのが代表的であるが、各種負荷に直接接続されることもある。
そして、１次側１のコイル４と２次側２のコイル６とは、給電に際し、間隙空間であるエアギャップｇを存しつつ、非接触で対応位置される。図示例は、２次側２のコイル６が、１次側１のコイル４上で停止，駐車される停止給電方式よりなるが、図示例によらず、１次側１のコイル４上を低速走行する移動給電方式も、勿論可能である。
停止給電方式の場合、１次側１のコイル４と２次側２のコイル６とは、例えば上下等で対をなす対称構造よりなる。移動給電方式の１例としては、高速道路上で走行中の電気自動車（ＥＶ車）に給電する例が挙げられる。
又、図示例では、２次側２のコイル６は、車載バッテリー７に接続されており、給電により充電されたバッテリー７にて、走行用モータ８が駆動される。図中９は、交流を直流に変換するコンバータ、１０は、直流を交流に変換するインバータである。

非接触給電装置Ａにおいて、電磁誘導の相互誘導作用に基づき電力を供給することは、公知公用である。給電に際し、対応位置する１次側１のコイル４と、２次側２のコイル６との間で、コイル４での磁束形成により、コイル６に誘導起電力を生成させ、もってコイル４からコイル６へと電力を供給することは、公知公用である。
すなわち、まず１次側１のコイル４に対し２次側２のコイル６が、エアギャップｇを介して対応位置し、１次側１のコイル４に、交流を励磁電流として通電することにより、磁界がコイル４の導線の周囲に生じ、磁束がコイル４面に対して直角方向に形成される。
この１次側１のコイル４で形成された磁束が、２次側２のコイル６を貫き鎖交することにより、２次側２のコイル６に誘導起電力が生成され、もって磁場が形成され、磁界を利用して電力が送受される。コイル４側の磁束の磁気回路と、コイル６側の磁束の磁気回路は、相互間に磁束の磁気回路つまり磁路が形成されて、電磁結合される。非接触給電装置Ａでは、このような電磁誘導の相互誘導作用に基づき、給電が実施される。
非接触給電装置Ａは、一般的にはこのようになっている。

《１次側１や２次側２の構造について》
次に、非接触給電装置Ａの１次側１および２次側２の構造について、図１，図７，図８を参照して、一般的に説明する。
まず、１次側１について述べる。図１中や図８に示されたように、１次側１の電源回路３において、コイル４は、電源１１に接続されている。電源１１としては、数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚ程度の高周波インバータが使用される。
そしてコイル４は、図７に示したように、略平板状で複数回ターン方式のフラット構造をなす。すなわち、絶縁されたコイル導線が、同一平面において並列化された平行位置関係を維持しつつ、円形や方形の渦巻き状に複数回巻回ターンされ、もって、全体的に凹凸のない平坦で肉厚の薄い扁平状のフラット構造をなすと共に、環状，略フランジ状をなしており、中央部に空間が形成されている。
又、図示例では、磁心コアとしてフェライトコア１２が、コイル４，６間のインダクタンスを増し電磁結合を強化すると共に、磁束を誘導，収集，方向付けすべく用いられている。このフェライトコア１２は、コイル４より大きな面積よりなり、フラットな平板状そして環状，略フランジ状をなし、コイル４と同心に配置されている。
なお本発明において、フェライトコア１２は、共振周波数およびコイル配置による出力変動等を考慮して、必要に応じ使用され、使用効果が小さい場合は不使用とされる。
図７中、１３はモールド樹脂、１４は発泡材、１５はベースプレートである。モールド樹脂１３は、コイル４やフェライトコア１２の位置決め固定用等として、発泡材１４は、軽量化用等として用いられている。

次に、２次側２について述べる。２次側２の負荷側回路５は、上述した１次側１の電源回路３のコイル４，フェライトコア１２に対応した、コイル６，フェライトコア１６と、負荷１７とを備えている。この２次側２のコイル６やフェライトコア１６の構成については、例えば停止給電方式の場合は、前述した１次側１のコイル４やフェライトコア１２に準じる。モールド樹脂１３，発泡材１４，ベースプレート１５等についても、１次側１のものに準じる。なお通常、コイル６の巻き径はコイル４と同じであるが、巻き数は異なっている。
１次側１や２次側２は、このようになっている。

《本発明の概要について》
以下、図１〜図６を参照して、本発明について説明する。まず、本発明の概要について述べる。
この中継方式の非接触給電装置Ａは、上述したように、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、１次側１のコイル４から２次側２のコイル６に、エアギャップｇを存し非接触で対応位置しつつ、電力を供給する。
１次側１のコイル４側には、中継回路１８の中継コイル１９が配設され、２次側２のコイル６側には、中継回路２０の中継コイル２１が配設されている。そして、１次側１の中継コイル１９と２次側２の中継コイル２１との間には、中間回路２２の中間コイル２３が配設されている。
この中継回路１８，２０や中間回路２２は、それぞれ、１次側１の電源回路３や２次側２の負荷側回路５から独立している。勿論、中継回路１８，２０，中間回路２２相互間も、独立している。
そして、中継回路１８の中継コイル１９は、同回路のコンデンサ２４と共振し、中継回路２０の中継コイル２１は、同回路のコンデンサ２５と共振し、中間回路２２の中間コイル２３は、同回路のコンデンサ２６と共振する。
本発明の概要は、このようなっている。

《中継コイル１９，２１について》
このような本発明について、更に詳述する。まず、中継コイル１９，２１について、図１，図５，図６を参照して、説明する。
中継回路１８が、１次側１の電源回路３と共に地上側Ｃに定置配設され、中継回路２０が、２次側２の負荷側回路５と共に車輌Ｄ等の移動体Ｅに搭載されている。
この１次側１に隣接配設される中継回路１８、および２次側２に隣接配設される中継回路２０は、共に共振回路よりなり、共振用の中継コイル１９とコンデンサ２４、および共振用の中継コイル２１とコンデンサ２５を、それぞれ備えている。
この中継コイル１９や中継コイル２１は、前述した１次側１のコイル４や２次側２のコイル６に準じ、扁平なフラット構造をなし、図５の（３）図〜（５）図に示したように円形，正方形，長方形等に巻回されてなる。なお中継コイル１９，２１は、共振により大きな電流が流れ、抵抗損失，電力損失が大きくなるので、その低減策の一環として例えばリッツ線が採用され、１パラや３パラで巻回される。

図１，図５の（１）図，図６等に示したように、中継コイル１９，２１は、コイル４，６より大きな面積とされることが多いと共に、中継コイル１９は、１次側１のコイル４と同軸に配置され、中継コイル２１は、２次側２のコイル６と同軸に配置される。通常、中継コイル１９と中継コイル２１とは、同面積，同形状よりなる。
又、図５の（１）図中に示したように、１次側１のコイル４と中継コイル１９間、および２次側２のコイル６と中継コイル２１間には、少なくともコイル肉厚寸法に対応した例えば５０ｍｍ程度の隙間Ｈが、形成される。コイル４，６で形成される磁力線が抜けるスペースが必要であり、コイル肉厚が異なる場合は、厚い方の肉厚寸法以上の隙間Ｈが形成される。
なお、図１，図５の（１）図，図６等に示した例では、１次側１，２次側２共にフェライトコア１２，１６が配設されているが、前述したように、その使用は必須的ではない。

《中継コイル１９，２１の配置について》
次に、中継コイル１９，２１の配置について、図５，図６を参照して、説明する。
以下に述べるコイル配置は、前述した先出願（特願２００９−０１９０８６）について、本発明の発明者が更に実験を重ねた結果、新たな展開として把握されたものである。
まず、図５の（１）図に示したように、ギャップ給電効率面から、１次側１の中継コイル１９と２次側２の中継コイル２１間の中心間距離ａは、中継コイル１９，２１の巻き直径ｂに見合った寸法が、目安とされる。
すなわち、両者の磁気回路間の電磁結合の度合を示す結合係数は、例えば図５の（２）図に示した実験データのように、中心間距離ａの設定が５００ｍｍの巻き直径ｂを越えると、急速に低下する。なお、図５の（２）図の実験は、図１の（１）図に示した代表的配置例により、巻き直径５００ｍｍ、共振周波数８０ｋＨｚ、フェライトコア１２，１６有、供給電力１ｋＷで実施した。巻き直径５００ｍｍは車載サイズとして代表的である。
なお第１に、巻き直径ｂとは、コイル形状が円形の場合に適用されるが、コイル形状が正方形や長方形の場合は、同面積の円形のコイル形状に置き換え換算する。
なお第２に、中心間距離ａ＜巻き直径ｂとする設定も、勿論可である。しかし中心間距離ａが、１次側１と２次側２間のエアギャップｇのベースとなる点に鑑み、エアギャップｇ拡大の観点から、中心間距離ａを巻き直径ｂ程度に設定するのが、最もギャップ給電効率に優れており、代表的設計と言える。
なお第３に、これに対し、中心間距離ａ＞巻き直径ｂとする設定も、勿論可能である。しかし、その差が大きくなるにつれ結合係数の低下は避け難く、供給可能な電力が大きく減少し、もって、エアギャップｇと供給電力の比率であるギャップ給電効率が悪化するので、設計上、採用に難が生じる。

さて、このように把握される中心間距離ａを前提として、両中継コイル１９，２１間の配置バリエーションについては、次のとおり。図５の（１）図に示したように、両中継コイル１９，２１が対向位置する代表例以外にも、図６に示したように、各種の配置例が可能である。
すなわち、両中継コイル１９，２１両者間の配置関係に関し、まず図６の（１）図のように、２次側２のコイル６，フェライトコア１６が、両者間に平行に介在位置する例や、逆に、１次側１のコイル４，フェライトコア１２が、両者間に平行に介在位置する例や、
コイル４，コイル６，フェライトコア１２，フェライトコア１６等の全部が、両者間に平行に介在位置する例も、可である。（２）図のように、両者が真横並びで位置する例や、両者共に逆転位置する例や、（３）図のように、両者が横並びで上下逆転位置する例も、可能である。
又、（４）図のように、両者の中心軸が直交するが、一方の中心軸上に他方の中心点が位置せず左右に離れている例や、（５）図のように、一方の中心軸上に他方の中心点が位置していても、両者の中心軸が直交せず、例えば８０度程度僅かに傾斜している例も、可能である。（６）図のように、一方の中心軸上に他方の中心点が位置していても、両者の中心軸が直交せず、例えば４０度程度大きく傾斜している例も、可能である。更に、その他これらの各例に準じた配置例や、これらを組合わせた配置例が、可能である。
なお各図示例において、両中継コイル１９，２１間の中心間距離ａは、（５）図の例を除き巻き直径ｂ程度となっているが、（５）図の例では、巻き直径ｂの１／２程度まで接近させることを要した。
これらに対し（７）図に示しように、両者の中心軸が直交すると共に、一方の中心軸上に他方の中心点が一致する場合は、電力供給不能となり配置不適例となる。
中継コイル１９，２０については、以上のとおり。

《中間コイル２３について》
次に、中間コイル２３について、図１，図４を参照して、説明する。
まず中間回路２２が、１次側１の電源回路３や中継回路１８と共に、地上側Ｃに定置配設されている。この中間回路２２は共振回路よりなり、共振用の中間コイル２３とコンデンサ２６とを、備えている。
中間コイル２３は、前述したコイル４，６，中継コイル１９，２１等に準じ、円形，正方形，長方形等に巻回され（図７，図５の（３）図〜（５）図も参照）、もって扁平なフラット構造をなす。
そして中間コイル２３は、中継コイル１９，２１と同面積等の共通仕様とすることが望ましい。共通仕様での組み合わせが共振に適しており、異なる仕様で組み合わせた場合は共振状態が変化する虞が生じる。例えば、中継コイル１９，２１の円形に対し、中間コイル２３を正方形とすることは構わないが、少なくとも面積は両者共通にすることが望ましい。リッツ線の採用に関しては、中継コイル１９，２１について前述した所に準じる。

《中間コイル２３の配置について》
次に、中間コイル２３の配置について、図１，図４を参照して、説明する。
以下に述べるコイル配置は、中継コイル１９，２１のコイル配置について、前述したところが前提となる。そして、これをベースとしつつ、中継コイル１９，２１間に中間コイル２３を介在，追加する実験を重ねた結果、以下のように把握された。
中間コイル２３は、１次側１のコイル４，中継コイル１９と、２次側２のコイル６，中継コイル２１との間に、配設される。そしてまず、１次側１の中継コイル１９と中間コイル２３との中心間距離ａ、および２次側２の中継コイル２１と中間コイル２３との中心間距離ａは、中継コイル１９，２１や中間コイル２３の巻き直径ｂに見合った寸法が、目安となる。

すなわち、１次側１のコイル４と２次側２のコイル６間に中継コイル１９，２１そして中間コイル２３が介在する、共振による中継方式であることに鑑み、中継コイル１９，２１間の中心間距離ａについて前述した所が、中継コイル１９と中間コイル２３間や、中継コイル２１と中間コイル２３間にも、そのまま適用される。
もって、中継コイル１９と中間コイル２３間の中心間距離ａ、および、中継コイル２１と中間コイル２３間の中心間距離ａは、中継コイル１９，２１や中間コイル２３の巻き直径ｂ程度が、標準的目安となる。
なお第１に、前述したように中継コイル１９，２１と中間コイル２３とは、前述したように面積等が共通仕様とされる。
なお第２に、コイル形状が円形，正方形，長方形等で相違する場合の置き換え換算についても、中継コイル１９，２１に関して前述した所に準じる。
なお第３に、中心間距離ａ＜巻き直径ｂとする設定や、逆に、中心間距離ａ＞巻き直径ｂとする設定についても、中継コイル１９，２１に関して前述した所に準じる。
なお第４に、図４の図示例では、コイル４，６に関しフェライトコア１２，１６は使用されていない。なお第５に、コイル４（６）に対する中継コイル１９（２１）の配置例は、図６の（１）図〜（３）図に関して前述した所に準じる。

さて、このように把握される中心間距離ａを前提として、中間コイル２３の配置バリエーションについては、次のとおり。
図４の（１）図〜（７）図に示したように、中間コイル２３と、１次側１のコイル４や中継コイル１９と、２次側２のコイル６や中継コイル２１との、３者間の位置関係に関しては、各種の配置例が可能である。
すなわち中間コイル２３に関し、まず、図１や図４の（１）図のように、対向する他と中心軸を一致させて、中間にて平行に位置する代表例の外、角度付の例も中心軸をずらした例も可能である。（２）図のように、対向する他と中心軸が直交すると共に、一側方で縦に位置する例や、（３）図のように、対向する他と中心軸が直交すると共に、中間にて縦に位置する例や、（４）図のように、横並びの他と中心軸が直交すると共に、中間にて縦に位置する例も、可能である。
又、（５）図のように、横並びの他と中心軸が平行をなすと共に、中間に横並びで１個位置する例や、（６）図のように、横並びの他と中心軸が平行をなすと共に、中間に横並びで２個位置する例、更には３個以上位置する例も、可能である。
更に、その他これらの各例に準じた配置例が、可能である。このように、広く各種の配置バリエ−ションが可能である。

なお第１に、図４の（７）図の例は、中間コイル２３を隣接配置することにより、電力供給可能となった配置例である。
すなわち、図６の（７）図について前述したように、両中継コイル１９，２１の中心軸が直交すると共に、一方の中心軸上に他方の中心点が一致する場合は、電力供給不能となっていたが、例外的に、図４の（７）図の例では、中間コイル２３を一方の側方に中心軸を平行にして隣接配置したことにより、電力供給可能となる。
なお第２に、中心間距離ａは、図４の各例では巻き直径ｂ程度が目安となっている。
なお第３に、図４の（６）図のように、中間コイル２３を中間に横並びで２個位置せしめた例、その他複数個位置せしめた例において、中間コイル２３相互間の中心間距離ａも、巻き直径ｂ程度が目安となっている。
中間コイル２３については、以上のとおり。

《本発明の各使用例について》
次に、図２，図３を参照して、本発明の各例について説明する。
中間コイル２３の配置については、前述したように、広く各種の配置バリエーションが可能である。
従って、このような中間コイル２３を始め、中継コイル１９，２１，１次側１コイル４，２次側２コイル６等で構成される、中継方式のこの非接触給電装置Ａについては、例えば図２，図３に示したように、各種の使用例が可能となる。但し、コイル４（６）と中継コイル１９（２１）の配置バリエーションについては、省略している。

図２の例については、次のとおり。
図２に示した非接触給電装置Ａにおいて、１次側１のコイル４および中継コイル１９は、移動体Ｅである車輌Ｄに対し側方に配設されると共に、縦向きで単数配設されている。中間コイル２３は、地面Ｂに横向きで、単数又は複数配設されている。２次側２のコイル６および中継コイル２１は、車輌Ｄの側部や前部に縦向き、又は底部に横向きに、単数配設されている。
このような図２の各例について、更に詳述する。まず各例共通に、地上側Ｃの壁面Ｊ下部に、１次側１のコイル４や中継コイル１９が、縦向きに配設されると共に、壁面Ｊと車輌Ｄの中間地点の地上側Ｃの地面Ｂに、中間コイル２３が横向きに埋設されている。
中間コイル２３は、（２）図の例では２個、他の各の例では１個、埋設されているが、３個以上横並びで埋設することも可能である（複数個埋設することにより、その分だけ中心間距離ａが増加し、エアギャップｇ拡大が可能となる）。あるいは、コイル４や中継コイル１９の周りに中間コイル２３を複数個埋設し、複数の車輌に同時に給電することも可能である。
又、移動体Ｅである車輌Ｄについて、２次側２のコイル６や中継コイル２１が、（１）図，（２）図の例では、側部下部に縦向きに、（３）図の例では、底部下に横向きに、（４）図の例では、前部に縦向きに、（５）図の例では、前部下の底部に横向きに、それぞれ配設されている。
そして例えば、図２の（１）図，（２）図の例に示した側面給電方式（側壁給電方式）では、車輌Ｄの徐行運転に鑑み、実際上１ｍ〜２ｍ程度のエアギャップｇが、壁面Ｊと車輌Ｄ間に必要とされるが、これを十分に確保可能である。

図３の例については、次のとおり。
図３に示した非接触給電装置Ａにおいて、１次側１のコイル４および中継コイル１９は、移動体Ｅである車輌Ｄに対し側方に配設されると共に、縦向きや横向きで単数配設されている。中間コイル２３は、上方に横向きで、単数又は複数配設される。２次側２のコイル６および中継コイル２１は、車輌Ｄの側部に縦向き又は頂部に横向きに、単数配設されている。
このような図３の各例について、更に詳述する。まず各例共通に、地上側Ｃの壁面Ｊ上部（天井部）に、１次側１のコイル４や中継コイル１９が、縦向きや横向きに配設されると共に、壁面Ｊと車輌Ｄの中間地点の地上側Ｃの高所に、中間コイル２３が横向きに架設されている。
又、２次側２のコイル６や中継コイル２１が、車輌Ｄについて、（１）図，（３）図，（５）図の各例では、側部上部に縦向きに、（２）図，（４）図の例では、頂部上に横向きに、それぞれ配設されている。
本発明は、例えばこのように各種の使用例が可能である。

《作用等》
本発明の中継方式の非接触給電装置Ａは、以上説明したように構成されている。そこで、以下のようになる。
（１）非接触給電装置Ａでは、給電に際し、車輌Ｄ等の移動体Ｅに搭載された受電側，２次側２のコイル６が、地面Ｂや壁面Ｊ等の地上側Ｃに定置された給電側，１次側１のコイル４に対し、エアギャップｇを存し非接触で対応位置しつつ、電力を供給する（図８を参照）。

（２）この給電は、停止給電方式又は移動給電方式により、行われる（図２，図３を参照）。
停止給電方式では、給電に際し、移動体Ｅ側の２次側２のコイル６，中継コイル２１が、地上側Ｃの１次側１のコイル４，中継コイル１９，そして中間コイル２３の近くで、停止される。移動給電方式では、給電に際し、移動体Ｅ側の２次側２のコイル６，中継コイル２１が、地上側Ｃの１次側１のコイル４，中継コイル１９，そして中間コイル２３の近くを、低速走行する。

（３）給電に際しては、まず、１次側１の電源回路３のコイル４が、高周波交流の励磁電流により通電される。
そこで、コイル４に磁束が形成され、もってエアギャップｇについて磁束の磁路が、１次側１の電源回路３のコイル４と２次側２の負荷側回路５のコイル６との間に、中継方式を介在させて形成される。すなわち、中継コイル１９，中間コイル２３，中継コイル２１等、共振による中継方式を介在させて、形成される（図１を参照）。

（４）このようにして、１次側１のコイル４と２次側２のコイル６とが、電磁結合され、両者間に磁場が形成される。そして、１次側１のコイル４で形成された磁束が、２次側２のコイル６を貫き、もって、２次側２のコイル６に誘導起電力が生成される。
非接触給電装置Ａでは、このような電磁誘導の相互誘導作用により、電力が、１次側１の電源回路３のコイル４から、２次側２の負荷側回路５のコイル６へと、供給される（図１等を参照）。

（５）さて、本発明の非接触給電装置Ａは、中継方式よりなる。すなわち、１次側１のコイル４と２次側２のコイル６間のエアギャップｇの磁路について、１次側１では、独立した中継回路１８の中継コイル１９が、２次側２では、独立した中継回路２０の中継コイル２１が、中継コイル１９と中継コイル２１間では、独立した中間回路２２の中間コイル２３が、それぞれ配設されている（図１〜図４を参照）。

（６）そして、両中継コイル１９，２１や中間コイル２３を、それぞれの回路１８，２０，２２のコンデンサ２４，２５，２６と、共通の共振周波数で共振させることにより、各コイル４，１９，２３，２１，６間が電磁結合される。もって、１次側１のコイル４から２次側２のコイル６に、電力が供給される。

（７）電力供給が、このように共振する中継コイル１９，２１，中間コイル２３による中継方式にて行われることは、度重なる実験によって裏付けられた。又、上述した共振により、励磁無効電力が磁路に対し供給されることや、ヘルムホルツコイルの理論等も、裏付けになると推測される。

（８）そして、本発明の非接触給電装置Ａは、このように両中継コイル１９，２１間に中間コイル２３を追加，介在させた、共振による中継方式を採用したことにより、供給電力を損なうことなく、エアギャップｇの更なる拡大が可能となる。
すなわち、１次側１と２次側２間のエアギャップｇは、１次側１の中継コイル１９と中間コイル２３間の中心間距離ａ、および、中間コイル２３と２次側２の中継コイル２１間の中心間距離ａを、基準とする（図１，図４を参照）。更には、これに加え、中間コイル２３間の中心間距離ａが、基準として加わる場合もある（図４の（６）図を参照）。
エアギャップｇは、これらの中心間距離ａを基準とし、例えば各図示例については、その合算（例えばｇ＝ａ＋ａやｇ＝ａ＋ａ＋ａ）や三角関数にて算出可能となる。中心間距離ａは、コイルの巻き直径ｂを目安とする。
結局、中間コイル２３を追加，介在させたことにより、中継コイル１９，２１のみの場合に比し、例えば２倍以上のエアギャップｇを得ることも可能となる。そして、得られた大ギャップのもとで、ギャップ給電効率に優れた電力供給が可能となる。
なお、１次側コイル４，中継コイル１９，中間コイル２３，中継コイル２１，２次側コイル６等について、フラット構造を採用したことも、このような大ギャップ化に資することになる。

（９）又、本発明の非接触給電装置Ａでは、このようにエアギャップｇが拡大されると共に、１次側コイル４，中継コイル１９，中間コイル２３，中継コイル２１，２次側コイル６等を、順次組み合わせ配置する中継方式にて、電力供給を行う。そこで、コイル配置の自由度が向上する。
すなわち、エアギャップｇ拡大と、コイルを組み合わせる中継方式とに基づき、各コイル４，１９，２３，２１，６について、その高さや位置等の配置場所、および縦向きや横向き等の配置方向等について、コイル配置のバリエーションが拡大する。
もって、この非接触給電装置Ａは、広く各種の使用例が可能となる（図２，図３等を参照）。

１ １次側
２ ２次側
３ 電源回路
４ コイル
５ 負荷側回路
６ コイル
７ バッテリー
８ モータ
９ コンバータ
１０ インバータ
１１ 電源
１２ フェライトコア
１３ モールド樹脂
１４ 発泡材
１５ ベースプレート
１６ フェライトコア
１７ 負荷
１８ 中継回路
１９ 中継コイル
２０ 中継回路
２１ 中継コイル
２２ 中間回路
２３ 中間コイル
２４ コンデンサ
２５ コンデンサ
２６ コンデンサ
Ａ 非接触給電装置
Ｂ 地面
Ｃ 地上側
Ｄ 車輌
Ｅ 移動体
Ｆ 給電スタンド
Ｈ 隙間
Ｊ 壁面
ａ 中心間距離
ｂ 巻き直径
ｇ エアギャップ

Claims (8)

1. 電磁誘導の相互誘導作用に基づき、１次側の電源回路のコイルから２次側の負荷側回路のコイルに、エアギャップを存し非接触で対応位置しつつ電力を供給する、非接触給電装置において、
   該１次側のコイル側および該２次側のコイル側に、それぞれ中継回路の中継コイルが配設されており、かつ該両中継コイル間に、中間回路の中間コイルが配設されていること、を特徴とする中継方式の非接触給電装置。
2. 請求項１に記載した非接触給電装置において、該１次側の電源回路および中継回路は、地上側に定置配設され、該中間回路も、同地上側に定置配設されており、
   該２次側の負荷側回路および中継回路は、移動体に搭載されていること、を特徴とする中継方式の非接触給電装置。
3. 請求項２に記載した非接触給電装置において、該中継回路および該中間回路は、それぞれ、該１次側の電源回路や該２次側の負荷側回路から独立しており、
   該中継回路の中継コイルは、同回路のコンデンサと共振し、該中間回路の中間コイルは、同回路のコンデンサと共振すること、を特徴とする中継方式の非接触給電装置。
4. 請求項３に記載した非接触給電装置において、該１次側のコイル，該２次側のコイル，該中継コイル，該中間コイルは、それぞれ、円形や方形の渦巻状に巻回されて扁平なフラット構造よりなること、を特徴とする中継方式の非接触給電装置。
5. 請求項４に記載した非接触給電装置において、該１次側のコイルおよび該中継コイルは、該移動体である車輌に対し側方に縦向きに、単数配設され、該中間コイルは、地面に横向きに単数又は複数配設され、
   該２次側のコイルおよび該中継コイルは、該車輌の側部や前部に縦向き又は底部に横向きに、単数配設されること、を特徴とする中継方式の非接触給電装置。
6. 請求項４に記載した非接触給電装置において、該１次側のコイルおよび該中継コイルは、該移動体である車輌に対し側方に縦向きや横向きに、単数配設され、該中間コイルは、上方に横向きに単数又は複数配設され、
   該２次側のコイルおよび該中継コイルは、該車輌の側部に縦向き又は頂部に横向きに、単数配設されること、を特徴とする中継方式の非接触給電装置。
7. 請求項４に記載した非接触給電装置において、該１次側のコイルと該中継コイル間、および該２次側のコイルと該中継コイル間には、少なくともコイル肉厚に対応した隙間が形成されており、
   該１次側の中継コイルと該中間コイル間の中心間距離、および、該２次側の中継コイルと該中間コイル間の中心間距離は、該中継コイルや該中間コイルの巻き直径に見合った寸法を目安とすること、を特徴とする中継方式の非接触給電装置。
8. 請求項４に記載した非接触給電装置において、該非接触給電装置は、給電に際し、該２次側のコイル，中継コイルが、該１次側のコイル，中継コイル，および該中間コイルの近くで、停止する停止給電方式よりなるか、
   給電に際し、該２次側のコイル，中継コイルが、該１次側のコイル，中継コイル，および該中間コイルの近くを、低速走行する移動給電方式よりなること、を特徴とする中継方式の非接触給電装置。

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