JP2018148146A - コイルユニット、ワイヤレス送電装置、ワイヤレス受電装置、及びワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】送電コイル１０と受電コイル２０との平面的な位置関係にズレが生じた場合であっても、送電コイル１０のインダクタンスの変化を抑制する。【解決手段】送電コイル１０よりも小さい巻回面積で中央に開口部２０ａを有するように平面スパイラル状に巻回された受電コイル２０と、送電コイル１０から見て反対側の受電コイル２０の表面に沿って配置された磁性部材２１と、を備えるコイルユニットＬｒであって、磁性部材２１は、互いに離間して配置された複数の磁性体２１ａ〜２１ｄによって構成され、磁性体２１ａ〜２１ｄはそれぞれ、平面的に見て、受電コイル２０の巻き線部分と開口部２０ａとの両方に重なるように配置され、磁性体２１ａ〜２１ｄのうち隣り合う２つの磁性体間の離間距離である幅ｓ１は、受電コイル２０の最大幅ｄ１の３％以上３０％以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、コイルユニット、ワイヤレス送電装置、ワイヤレス受電装置、及びワイヤレス電力伝送システムに関する。

近年、相対させた一次（送電）コイルと二次（受電）コイルの間の電磁誘導作用を利用して、モバイル機器や電気自動車などの移動体への充電を行うワイヤレス電力伝送技術が注目されている。この技術に関しては、コイルと直列又は並列にコンデンサを接続して共振回路を構成することで、高効率、低損失での電力伝送を可能にする技術が検討されている。

特許文献１には、上記ワイヤレス電力伝送技術を利用して電力電送を行う非接触電力伝送装置が開示されている。この非接触電力伝送装置は、送電側部材に設けられた一次コイルと、受電側部材に設けられた二次コイルとによって構成されており、一次コイルによって発生する磁界内に二次コイルが入っているときに電力の伝送を行う。二次コイルから見て反対側の一次コイルの表面、及び、一次コイルから見て反対側の二次コイルの表面には、それぞれ磁性体が設けられる。このように磁性体を設けるのは、コイルのインダクタンスを増加させることにより、送電距離を拡大するためである。また、二次コイルの外径は、一次コイルの外径の０．３倍から０．７倍に設定される。これも、送電距離を拡大するための構成である。

特開２０１６−７３０５９号公報

本願の発明者は、より高効率、低損失でのワイヤレス電力伝送を実現するため、特許文献１に記載の構成において、一次コイルと二次コイルのそれぞれに共振回路を構成させることを研究している。しかしながら、研究を進めるうち、単純に共振回路を構成させることとすると、電力伝送効率が逆に低下してしまう場合があることが判明した。以下、詳しく説明する。

図９及び図１０は、本発明の背景技術によるコイルユニット１００ｔ，１００ｒを示す斜視図である。これらの図に示すように、コイルユニット１００ｔは、相対的に大きい巻回面積で平面スパイラル状に巻回された一次コイル１１０と、磁性部材１１１とを含んで構成され、コイルユニット１００ｒは、相対的に小さい巻回面積で平面スパイラル状に巻回された二次コイル１２０と、磁性部材１２１とを含んで構成される。また、コイルユニット１００ｔ，１００ｒは、一次コイル１１０と二次コイル１２０とが互いを向き合うように配置される。

図９は、一次コイル１１０の中心と二次コイル１２０の中心とが平面的に見て一致するようにコイルユニット１００ｔ，１００ｒを配置した状態を示している。この場合、一次コイル１１０に電流を流すことによって生ずる磁束の経路は、一次コイル１１０と二次コイル１２０の中心部を通過し、一次コイル１１０と二次コイル１２０の外側に回り込む形状となる。このように、一次コイル１１０で生じた磁束が二次コイル１２０と鎖交する。

図１０は、一次コイル１１０と二次コイル１２０の平面的な位置関係にズレが生じた状態を示している。この場合、一次コイル１１０で生ずる磁束の中に、二次コイル１２０に鎖交することなく磁性部材１２１を通過するものが発生する。このような磁束が存在することは、一次コイル１１０における総発生磁束量を増加させ、それによって一次コイル１１０のインダクタンスを増大させる。こうして一次コイル１１０のインダクタンスが増大すると、一次コイル１１０と二次コイル１２０のそれぞれによって構成される共振回路の共振状態が変化してしまうので、結果として電力伝送効率が低下することになる。

このような電力伝送効率の低下は、一次コイルと二次コイルの巻回面積を逆転させた場合においても、同様に発生する。つまり、上記課題は、巻回面積が相対的に大きい第１のコイルと、巻回面積が相対的に小さい第２のコイルとを互いに向き合うように対向配置して用いる場合、これらの平面的な位置関係にズレが生ずると、第１のコイルのインダクタンスが大きく変化し、その結果、第１のコイルと第２のコイルのそれぞれによって構成される共振回路の共振状態が変化して電力伝送効率が低下する、と一般化することができる。

したがって、本発明の目的の一つは、巻回面積が相対的に大きい第１のコイルと、巻回面積が相対的に小さい第２のコイルとを互いに向き合うように対向配置して用いる場合において、これらの平面的な位置関係にズレが生じた場合の第１のコイルのインダクタンスの変化を抑制できるコイルユニット、ワイヤレス送電装置、ワイヤレス受電装置、及びワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。

本発明によるコイルユニットは、平面スパイラル状に巻回されてなる第１のコイルとの磁気結合により電力をワイヤレスにて送電又は受電するコイルユニットであって、前記第１のコイルよりも小さい巻回面積で開口部を有するように平面スパイラル状に巻回された第２のコイルと、前記第１のコイルから見て反対側の前記第２のコイルの表面に沿って配置された磁性部材と、を備え、前記磁性部材は、互いに離間して配置された複数の磁性体によって構成され、前記複数の磁性体はそれぞれ、平面的に見て、前記第２のコイルの巻き線部分と、前記開口部との両方に重なるように配置され、前記複数の磁性体のうち隣り合う２つの磁性体間の離間距離である第１の距離は、前記第２のコイルの最大幅の３％以上３０％以下であるコイルユニットである。

本発明によれば、第２のコイルの最大幅の３％以上の幅の磁気ギャップが磁性部材内に形成されることから、第２のコイルに鎖交せずに磁性部材を通過する磁束の発生を効率よく抑制でき、その結果として、第１のコイルと第２のコイルとの平面的な位置関係にズレが生じた場合であっても、第１のコイルのインダクタンスの変化を抑制することが可能になる。また、磁性部材内に磁気ギャップを設けると第１のコイルと第２のコイルの磁気結合が低下してしまうおそれがあるが、磁気ギャップを第２のコイルの最大幅の３０％以下としているので、このような磁気結合の低下を抑制することが可能になる。

上記コイルユニットにおいて、前記複数の磁性体は、行列状に配置された４つ以上の磁性体によって構成されることとしてもよい。これによれば、あらゆる方向の位置ズレに対して、第１のコイルのインダクタンスの変化を抑制することが可能になる。

上記各コイルユニットにおいて、前記開口部のうち平面的に見て前記複数の磁性体のそれぞれと重なる領域の合計面積は、前記開口部全体の面積の１０％以上であることとしてもよい。これによれば、第２のコイルに鎖交する磁路が形成され易くなるため、第１のコイルと第２のコイルの磁気結合の低下をより効果的に抑制することが可能になる。

上記各コイルユニットにおいて、前記複数の磁性体のそれぞれは、複数の磁性片の集合体で構成されることとしてもよい。これによれば、各磁性体の耐機械振動性が高くなるため、モバイル機器や移動体への搭載に適したコイルユニットを提供することが可能になる。

このコイルユニットにおいて、１つの前記磁性体を構成する前記複数の磁性片のうち隣り合う２つの磁性片間の離隔距離である第２の距離は、前記第１の距離の５０％以下であることとしてもよい。これによれば、隣り合う２つの磁性片間の磁気的な抵抗を十分に小さくすることができるので、第１のコイルと第２のコイルの磁気結合の低下を効果的に抑制しつつ、第１のコイルのインダクタンスの変化を効果的に抑制することが可能になる。

上記各コイルユニットにおいて、前記第１の距離は、前記第１のコイルと前記第２のコイルの対向距離の１０％以上９０％以下であることとしてもよい。このようにしても、第１のコイルと第２のコイルとの相対的な位置関係にズレが生じたことによって生ずる第１のコイルのインダクタンスの変化を抑制するとともに、磁性部材内に磁気ギャップを設けたことによる第１のコイルと第２のコイルの磁気結合の低下を抑制することが可能になる。

上記各コイルユニットにおいて、前記第１の距離は、前記第１のコイルの最大幅と前記第２のコイルの最大幅との差の５％以上４５％以下であることとしてもよい。このようにしても、第１のコイルと第２のコイルとの相対的な位置関係にズレが生じたことによって生ずる第１のコイルのインダクタンスの変化を抑制するとともに、磁性部材内に磁気ギャップを設けたことによる第１のコイルと第２のコイルの磁気結合の低下を抑制することが可能になる。

本発明によるワイヤレス送電装置は、ワイヤレスにて電力を送電するコイルユニットと、入力直流電力を交流電力に変換して前記コイルユニットに供給する電力変換回路と、を備え、前記コイルユニットは、上述した各コイルユニットのいずれかであるワイヤレス送電装置である。

本発明によるワイヤレス受電装置は、ワイヤレスにて電力を受電するコイルユニットと、
前記コイルユニットが受電した交流電力を直流電力に変換する整流回路と、を備え、前記コイルユニットは、上述した各コイルユニットのいずれかであるワイヤレス受電装置である。

本発明によるワイヤレス電力伝送システムは、電力をワイヤレスにて伝送するためのワイヤレス電力伝送システムであって、ワイヤレスにて電力を送電する送電コイルユニットと、ワイヤレスにて電力を受電する受電コイルユニットと、を備え、前記送電コイルユニット及び前記受電コイルユニットのいずれか一方は、上述した各コイルユニットのいずれかであるワイヤレス電力伝送システムである。

本発明によれば、第１のコイルと第２のコイルとの相対的な位置関係にズレが生じたことによって生ずる第１のコイルのインダクタンスの変化を抑制するとともに、磁性部材内に磁気ギャップを設けたことによる第１のコイルと第２のコイルの磁気結合の低下を抑制することが可能になる。

本発明の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。 本発明の実施の形態によるコイルユニットＬｔ，Ｌｒの断面の模式図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態による磁性部材２１の平面の模式図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態による受電コイル２０及び磁性部材２１の平面の模式図である。 本発明の実施の形態による送電コイルユニットＬｔを示す斜視図である。 本発明の実施の形態によるコイルユニットＬｔ，Ｌｒを示す斜視図である。 （ａ）は、受電コイル２０の位置ズレによる送電コイル１０のインダクタンスの変化量のｓ１／ｄ１による変化を示す図であり、（ｂ）は、受電コイル２０が位置ズレしているときの送電コイル１０と受電コイル２０の間の磁気結合のｓ１／ｄ１による変化を示す図である。 （ａ）は、受電コイル２０の位置ズレによる送電コイル１０のインダクタンスの変化量のｓ１／ｇによる変化を示す図であり、（ｂ）は、受電コイル２０が位置ズレしているときの送電コイル１０と受電コイル２０の間の磁気結合のｓ１／ｇによる変化を示す図である。 （ａ）は、受電コイル２０の位置ズレによる送電コイル１０のインダクタンスの変化量のｓ１／（ｄ２−ｄ１）による変化を示す図であり、（ｂ）は、受電コイル２０が位置ズレしているときの送電コイル１０と受電コイル２０の間の磁気結合のｓ１／（ｄ２−ｄ１）による変化を示す図である。 本発明の背景技術によるコイルユニット１００ｔ，１００ｒを示す斜視図である。 本発明の背景技術によるコイルユニット１００ｔ，１００ｒを示す斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの構成を示す図である。ワイヤレス電力伝送システムＳは電力をワイヤレスにて伝送するための装置であって、同図に示すように、ワイヤレスにて電力を送電するワイヤレス送電装置Ｕｓと、ワイヤレスにて電力を受電するワイヤレス受電装置Ｕｒとを備えて構成される。

ワイヤレス電力伝送システムＳは、例えばスマートフォンなどのモバイル機器や電気自動車などの車両への給電を行うために使用される。スマートフォンなどのモバイル機器が給電対象となる場合、ワイヤレス送電装置Ｕｓは例えば卓上等に設置された給電パッドであり、ワイヤレス受電装置Ｕｒはモバイル機器の内蔵装置である。電気自動車などの車両が給電対象となる場合、ワイヤレス送電装置Ｕｓは例えば路面又は地中に設置された給電設備であり、ワイヤレス受電装置Ｕｒは車両の搭載設備である。

ワイヤレス送電装置Ｕｓは、図１に示すように、電源ＰＷと、電力変換回路ＤＲと、キャパシタＣｔと、送電コイルユニットＬｔとを含む装置である。

電源ＰＷは、直流電力を出力する電源装置である。具体的には、商用交流電源を整流・平滑してなる直流電源、二次電池、太陽光発電による直流電源、スイッチングコンバータ等のスイッチング電源装置などを、電源ＰＷとして好適に用いることができる。

電力変換回路ＤＲは、電源ＰＷが出力する直流電力（入力直流電力）を交流電力に変換する機能を有する。電力変換回路ＤＲは、具体的には、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されてなるスイッチング回路によって構成される。スイッチング素子の例としては、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor)やＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの素子が挙げられる。

送電コイルユニットＬｔ及びキャパシタＣｔは、電力変換回路ＤＲのプラス側出力端子とマイナス側出力端子の間に接続されており、共振回路を構成している。なお、キャパシタＣｔは、送電コイルユニットＬｔに対して直列に接続されていてもよく、並列に接続されていてもよい。また、キャパシタＣｔは複数のキャパシタを備えていてもよく、それらが送電コイルユニットＬｔに対して直列、並列、又は直並列に接続されていても構わない。電力変換回路ＤＲが出力した交流電力は、送電コイルユニットＬｔ及びキャパシタＣｔによって構成される共振回路内に、所定の周波数で振動する交流信号を発生させる。送電コイルユニットＬｔはこの交流信号によって磁界を生成し、それによって交流電力をワイヤレス送電する役割を果たす。送電コイルユニットＬｔの構成については、後ほど別途詳しく説明する。

ワイヤレス受電装置Ｕｒは、図１に示すように、受電コイルユニットＬｒと、キャパシタＣｒと、整流回路ＤＢとを含む装置である。

受電コイルユニットＬｒ及びキャパシタＣｒは、整流回路ＤＢのプラス側入力端子とマイナス側入力端子の間に接続されており、共振回路を構成している。なお、キャパシタＣｒは、受電コイルユニットＬｒに対して直列に接続されていてもよく、並列に接続されていてもよい。また、キャパシタＣｒは複数のキャパシタを備えていてもよく、それらが受電コイルユニットＬｒに対して直列、並列、又は直並列に接続されていても構わない。送電コイルユニットＬｔによって生成された磁界内に受電コイルユニットＬｒが入ると、受電コイルユニットＬｒ及びキャパシタＣｒによって構成される共振回路内に、所定の周波数で振動する交流信号が発生する。受電コイルユニットＬｒはこれにより、送電コイルユニットＬｔがワイヤレス送電した交流電力を受電する役割を果たす。受電コイルユニットＬｒの構成についても、後ほど別途詳しく説明する。

整流回路ＤＢは、受電コイルユニットＬｒが受電した交流電力を直流電力に整流する機能を有する。整流回路ＤＢの具体的な例としては、ダイオードブリッジを用いた全波整流機能と、コンデンサおよび三端子レギュレータを用いた電力平滑化機能とを備えた変換回路などが挙げられる。整流回路ＤＢにより整流された直流電力は、負荷Ｒに出力される。

負荷Ｒは、例えばワイヤレス電力伝送システムＳを電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、車両が有する二次電池又は回転機或いはその両方である。なお、負荷Ｒが交流回転機の場合、整流回路ＤＢと負荷Ｒとの間にインバータ（図示せず）を付加し、負荷Ｒに交流電力が供給されるようにワイヤレス受電装置Ｕｒを構成する必要がある。

図２は、本実施の形態によるコイルユニットＬｔ，Ｌｒの断面の模式図である。また、図３（ａ）は、本実施の形態による磁性部材２１の平面の模式図であり、図３（ｂ）は、本実施の形態による受電コイル２０及び磁性部材２１の平面の模式図である。以下、これらの図を参照しながら、コイルユニットＬｔ，Ｌｒの構成の詳細について説明する。

送電コイルユニットＬｔは、図２に示すように、送電コイル１０（第１のコイル）と、磁性部材１１と、電磁遮蔽板１３とを有して構成される。また、受電コイルユニットＬｒは、図２に示すように、受電コイル２０（第２のコイル）と、磁性部材２１と、電磁遮蔽板２３とを有して構成される。

送電コイル１０及び受電コイル２０はそれぞれ、中央に巻き線のない空間を設けて略方形の平面スパイラル状に巻回された平面スパイラルコイルである。なお、送電コイル１０及び受電コイル２０の平面視形状は特に限定されず、略円形であっても構わない。送電コイル１０及び受電コイル２０ともに、巻き線の具体的な材料としては、銅やアルミニウムなどからなるリッツ線が使用される。送電コイル１０及び受電コイル２０の中央の巻き線のない部分を、以下では、それぞれ開口部１０ａ，２０ａと称する。図２には示していないが、送電コイル１０の一端は電力変換回路ＤＲ（図１参照）のプラス側出力端子に接続され、送電コイル１０の他端は電力変換回路ＤＲのマイナス側出力端子に接続される。また、受電コイル２０の一端は整流回路ＤＢ（図１参照）のプラス側入力端子に接続され、受電コイル２０の他端は整流回路ＤＢのマイナス側入力端子に接続される。なお、キャパシタＣｔが送電コイルユニットＬｔに直列に接続される場合は、送電コイル１０はキャパシタＣｔを介して電力変換回路ＤＲに接続されることとなる。同様に、キャパシタＣｒが受電コイルユニットＬｒに直列に接続される場合は、受電コイル２０はキャパシタＣｒを介して整流回路ＤＢに接続されることとなる。

受電コイル２０は、送電コイル１０と比べて小さい巻回面積で巻回されている。ここでいう巻回面積は、例えば、各コイルの最外周によって囲まれる領域（開口部を含む）の面積である。受電コイル２０と送電コイル１０の具体的な巻回面積比は、後述する対向距離ｇや所望の電力伝送効率などに応じて適宜決定すればよいが、例えば送電コイル１０の巻回面積の１／１０〜１／２とすることが好適である。

磁性部材１１は、受電コイル２０から見て反対側の送電コイル１０の表面に沿って配置された長方形（又は正方形）の板状の磁性体である。磁性部材１１の具体的な面積及び形状は、平面的に見て送電コイル１０の全体が磁性部材１１内に収まるように設定される。磁性部材１１は、送電コイル１０で発生する磁束の磁路としての役割を担っている。

磁性部材２１は、送電コイル１０から見て反対側の受電コイル２０の表面に沿って配置された磁性体である。磁性部材２１は、行列状に互いに離間して配置された複数の磁性体によって構成される。図３（ａ）の例では、磁性部材２１を構成する磁性体の数を４つ（磁性体２１ａ〜２１ｄ）としている。ただし、磁性部材２１を構成する磁性体の数は４つに限定されない。以下では、図３（ａ）の構成を前提として説明を続ける。

磁性体２１ａ〜２１ｄは、図３（ａ）に示すように、一定の幅ｓ１（第１の距離）の間隙を空けて配置される。幅ｓ１の好適な値については後述する。なお、複数の磁性体のうち行方向に隣り合う２つの磁性体間の離間距離である第１の距離と複数の磁性体のうち列方向に隣り合う２つの磁性体間の離間距離である第１の距離は、互いに異なっていても構わない。また、磁性体２１ａ〜２１ｄはそれぞれ、複数の磁性片２２の集合体によって構成される。図３（ａ）の例では、磁性体２１ａ〜２１ｄのそれぞれが行列状に配置された各正方形の１６個の磁性片２２の集合体によって構成されるものとしている。ただし、磁性体２１ａ〜２１ｄのそれぞれを構成する磁性片２２の数は１６個に限定されない。また、磁性体２１ａ〜２１ｄによって磁性片２２の数が異なっていてもよい。１つの磁性体内における各磁性片２２は、図３（ａ）に示すように、一定の幅ｓ２（第２の距離）の間隙を空けて配置される。この幅ｓ２は、幅ｓ１の５０％以下であることが好ましい。図３（ａ）には、ｓ２＝０ｍｍの例を示している。

磁性部材２１の全体としての面積（磁性体２１ａ〜２１ｄ間の隙間及び磁性片２２間の隙間を含む）及び形状は、図３（ｂ）に例示するように、平面的に見て受電コイル２０の全体が磁性部材２１の外周内に収まるように設定される。磁性部材２１も、送電コイル１０で発生する磁束の磁路としての役割を担っている。

磁性体２１ａ〜２１ｄの配置は、それぞれが平面的に見て受電コイル２０の巻き線部分と開口部２０ａとの両方に重なるように決定される。より具体的には、開口部２０ａのうち平面的に見て磁性体２１ａ〜２１ｄのそれぞれと重なる領域の合計面積が開口部２０ａ全体の面積の１０％以上となるように、磁性体２１ａ〜２１ｄを配置することが好ましい。このような配置によれば、受電コイル２０に鎖交する磁路が形成され易くなるため、送電コイル１０と受電コイル２０の磁気結合の低下を効果的に抑制することが可能になる。

電磁遮蔽板１３は、送電コイル１０から見て反対側の磁性部材１１の表面に沿って配置された金属板であり、電磁遮蔽板２３は、受電コイル２０から見て反対側の磁性部材２１の表面に沿って配置された金属板である。これらは、送電コイル１０及び受電コイル２０で発生する電磁波が外部に漏れないようにする役割を果たす。

本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳの特徴のひとつは、磁性部材２１が互いに離間して配置された複数の磁性体２１ａ〜２１ｄによって構成される点にある。以下、この点について、図４及び図５も参照しながら、より詳しく説明する。

図４は、本実施の形態による送電コイルユニットＬｔを示す斜視図である。また、図５は、本実施の形態によるコイルユニットＬｔ，Ｌｒを示す斜視図である。

初めに図４を参照する。図１に示した電力変換回路ＤＲから送電コイル１０に対して交流電力が供給されると、それに応じて送電コイル１０の巻き線の周りに磁束Ｂが発生する。磁束Ｂは、図４に示すように、開口部１０ａ内を上向き（受電コイル２０に向かう方向）又は下向きに通過する磁束となる。送電コイル１０の下側にある磁束Ｂは、磁性部材１１内を通過する。

図４の状態にある送電コイルユニットＬｔに対し、図９に示したような位置関係で受電コイルユニットＬｒを配置した場合（すなわち、送電コイル１０の中心と受電コイル２０の中心とが平面的に見て一致するようにコイルユニットＬｔ，Ｌｒを配置した場合）、開口部１０ａから出た磁束Ｂが受電コイル２０に鎖交することになる。これにより、受電コイル２０内に交流電力が発生し、ワイヤレス送電装置Ｕｓからワイヤレス受電装置Ｕｒへの電力の送電が実現される。

しかしながら、現実のワイヤレス電力伝送システムＳにおいては、必ずしも送電コイル１０の中心と受電コイル２０の中心とが平面的に見て一致するようにコイルユニットＬｔ，Ｌｒを配置できるとは限らず、図５のように受電コイル２０の中心が送電コイル１０の中心からずれた（送電コイル１０の巻き線部分の上方に位置した）状態で電力伝送を行う場合がある。この場合、図１０を参照して説明したように、送電コイル１０で生ずる磁束Ｂの中に、受電コイル２０に鎖交することなく磁性部材２１を通過するものが発生する。このことは、上述したように、送電コイル１０のインダクタンスの増大を招き、その結果として電力伝送効率を低下させる。

しかしながら、本実施の形態による磁性部材２１は実際には一枚の磁性体ではなく、図５にも示すように、行列状に互いに離間して配置された４つの磁性体２１ａ〜２１ｄによって構成されている。磁性体２１ａ〜２１ｄ間の幅ｓ１の間隙は、受電コイル２０に鎖交することなく磁性部材２１を通過する磁束から見ると磁気ギャップに他ならず、磁性部材２１の磁気抵抗を増大させる。したがって、本実施の形態による磁性部材２１によれば、一枚の磁性体により磁性部材２１を構成する場合に比べ、受電コイル２０に鎖交することなく磁性部材２１を通過する磁束を減らすことが可能になる。

この点について、図２に戻って再度より詳しく説明する。図２に示した磁束Ｂ１は、送電コイル１０で発生する磁束のうち受電コイル２０に鎖交する分を示し、磁束Ｂ２は、受電コイル２０に鎖交せずに磁性部材２１を通過する分を示している。磁束Ｂ１は、受電コイル２０に鎖交しているので、受電コイル２０内に交流電力を発生させる。したがって、ワイヤレス送電装置Ｕｓからワイヤレス受電装置Ｕｒへの送電という役割を果たしている。一方、磁束Ｂ２は、受電コイル２０に鎖交していないので、受電コイル２０内に交流電力を発生させることはなく、ワイヤレス送電装置Ｕｓからワイヤレス受電装置Ｕｒへの送電という役割を果たしていない。

本実施の形態によれば、磁性部材２１内に設けられる幅ｓ１の間隙によって、磁束Ｂ２による磁性部材２１内の通過が妨げられる。したがって、磁性部材２１内に間隙を設けない場合に比べて磁束Ｂ２の量を少なくすることができるので、磁束Ｂ２が発生することによる送電コイル１０のインダクタンスの増大を抑制し、その結果として高い電力伝送効率を得ることが可能になる。

次に、幅ｓ１の好適な値について、実験結果を参照しながら説明する。幅ｓ１はどんな値でもよいというわけではなく、ある好適な範囲が存在する。幅ｓ１が小さすぎると、受電コイル２０が位置ズレしたことによる送電コイル１０のインダクタンスの変化量を十分に抑制することができなくなる。一方、幅ｓ１が大きすぎると、送電コイル１０と受電コイル２０の磁気結合が低下してしまい、電力を伝送するというワイヤレス電力伝送システムＳの本来の役割を果たすことができなくなる。以下では、このような観点から幅ｓ１の好適な範囲を規定する。

ここで、以下の説明では、ワイヤレス電力伝送システムＳのサイズを表すパラメータとして、幅ｓ１の他にｄ１，ｄ２，ｇの３つを使用する。ｄ１は、図２及び図３（ｂ）に示すように受電コイル２０の最大幅（コイルの中心を通り当該コイルの互いに異なる外周縁に至る直線のうち最長のものの長さ）を示すパラメータである。ｄ２は、図２に示すように送電コイル１０の最大幅（コイルの中心を通り当該コイルの互いに異なる外周縁に至る直線のうち最長のものの長さ）を示すパラメータである。ｇは、図２に示すように送電コイル１０と受電コイル２０の対向距離を示すパラメータである。今回の実験では、ｄ１＝３００ｍｍ、ｄ２＝５００ｍｍ、ｇ＝１００ｍｍとした。

その他、今回の実験では、開口部１０ａ，２０ａの最大幅（コイルの中心を通り当該コイル開口部の互いに異なる外周縁に至る直線のうち最長のものの長さ）は、それぞれ２００ｍｍ、１００ｍｍとした。また、受電コイル２０は、その中心が送電コイル１０の中心に対して図５に示したｘ方向（略方形に巻回されてなる送電コイル１０の一辺に平行な方向）に１００ｍｍ、ｙ方向（ｘ方向と送電コイル１０の巻回面内で直交する方向）に１００ｍｍのところに位置するように配置した。

図６（ａ）は、受電コイル２０の位置ズレによる送電コイル１０のインダクタンスの変化量のｓ１／ｄ１による変化を示す図であり、図６（ｂ）は、受電コイル２０が位置ズレしているときの送電コイル１０と受電コイル２０の間の磁気結合のｓ１／ｄ１による変化を示す図である。また、図７（ａ）は、受電コイル２０の位置ズレによる送電コイル１０のインダクタンスの変化量のｓ１／ｇによる変化を示す図であり、図７（ｂ）は、受電コイル２０が位置ズレしているときの送電コイル１０と受電コイル２０の間の磁気結合のｓ１／ｇによる変化を示す図であり、図８（ａ）は、受電コイル２０の位置ズレによる送電コイル１０のインダクタンスの変化量のｓ１／（ｄ２−ｄ１）による変化を示す図であり、図８（ｂ）は、受電コイル２０が位置ズレしているときの送電コイル１０と受電コイル２０の間の磁気結合のｓ１／（ｄ２−ｄ１）による変化を示す図である。なお、いずれの図においても、ｓ１＝０ｍｍの場合を１００％とし、実験は、幅ｓ１が０ｍｍ以上９０ｍｍ以下となる範囲（すなわち、０%≦ｓ１／ｄ１≦３０%、０%≦ｓ１／ｇ≦９０%、０%≦ｓ１／（ｄ２−ｄ１）≦４５%）で行った。

受電コイル２０の位置ズレによる送電コイル１０のインダクタンスの変化量は５０％以下（図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）の破線より下のレベル）に抑制することが好ましいが、この条件を満たすｓ１／ｄ１は、図６（ａ）より３％以上となる。同様に、この条件を満たすｓ１／ｇは１０％以上であり（図７（ａ））、この条件を満たすｓ１／（ｄ２−ｄ１）は５％以上である（図８（ａ））。したがって、幅ｓ１が受電コイル２０の最大幅ｄ１の３％以上、幅ｓ１が送電コイル１０と受電コイル２０の対向距離ｇの１０％以上、幅ｓ１が送電コイル１０の最大幅ｄ２と受電コイル２０の最大幅ｄ１との差ｄ２−ｄ１の５％以上、のいずれかが満たされれば、受電コイル２０が位置ズレしたことによる送電コイル１０のインダクタンスの変化量を十分に抑制することが可能になると言える。

また、送電コイル１０と受電コイル２０の磁気結合の低下は、ｓ１＝０の場合に比べて１０％以下（図６（ｂ）の破線より上のレベル）に抑制することが好ましいが、この条件は、今回実験を行った幅ｓ１の範囲のすべてで満たされる。したがって、幅ｓ１が受電コイル２０の最大幅ｄ１の３０％以下、幅ｓ１が送電コイル１０と受電コイル２０の対向距離ｇの９０%以下、幅ｓ１が送電コイル１０の最大幅ｄ２と受電コイル２０の最大幅ｄ１との差ｄ２−ｄ１の４５%以下、のいずれかが満たされれば、送電コイル１０と受電コイル２０の磁気結合の低下を１０％以下に抑制することが可能になると言える。

以上から、幅ｓ１の好適な範囲は、受電コイル２０の最大幅ｄ１の３％以上３０％以下、送電コイル１０と受電コイル２０の対向距離ｇの１０％以上９０%以下、又は、送電コイル１０の最大幅ｄ２と受電コイル２０の最大幅ｄ１との差ｄ２−ｄ１の５％以上４５%以下であると言える。幅ｓ１をこの範囲の値とすることにより、送電コイル１０と受電コイル２０との平面的な位置関係にズレが生じた場合であっても、送電コイル１０のインダクタンスの変化をｓ１＝０の場合に比べて５０％以下に抑制することが可能になり、かつ、送電コイル１０と受電コイル２０の間の磁気結合の低下をｓ１＝０の場合に比べて１０％以下に抑制することが可能になる。

以上説明したように、本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳによれば、受電コイル２０に鎖交せずに磁性部材２１を通過する磁束の発生を効率よく抑制でき、その結果として、送電コイル１０と受電コイル２０との平面的な位置関係にズレが生じた場合であっても、送電コイル１０のインダクタンスの変化を抑制することが可能になる。また、磁性部材２１内に磁気ギャップを設けると送電コイル１０と受電コイル２０の磁気結合が低下してしまうおそれがあるが、本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳによれば、このような磁気結合の低下を抑制することも可能になる。

また、本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳによれば、行列状に配置した４つの磁性体２１ａ〜２１ｄによって磁性部材２１を構成しているので、あらゆる方向の位置ズレに対して、送電コイル１０のインダクタンスの変化を抑制することが可能になる。

また、本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳによれば、開口部２０ａのうち平面的に見て磁性体２１ａ〜２１ｄのそれぞれと重なる領域の合計面積が開口部２０ａ全体の面積の１０％以上となるように磁性体２１ａ〜２１ｄのサイズ及び配置を決定しているので、受電コイル２０に鎖交する磁路が形成され易くなり、その結果として、送電コイル１０と受電コイル２０の磁気結合の低下を効果的に抑制することが可能になる。

また、本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳによれば、磁性体２１ａ〜２１ｄのそれぞれを複数の磁性片２２の集合体によって構成しているので、各磁性体２１ａ〜２１ｄの耐機械振動性が高くなる。したがって、モバイル機器や移動体への搭載に適した受電コイルユニットＬｒを提供することが可能になる。

また、本実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムＳによれば、磁性体２１ａ〜２１ｄを構成する複数の磁性片２２のうち隣り合う２つの磁性片２２間の離隔距離（幅ｓ２）をを幅ｓ１の５０％以下としているので、隣り合う２つの磁性片２２間の磁気的な抵抗を十分に小さくすることが可能になる。したがって、送電コイル１０と受電コイル２０の磁気結合の低下を効果的に抑制しつつ、送電コイル１０のインダクタンスの変化を効果的に抑制することが可能になる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では送電コイル１０の巻回面積が受電コイル２０の巻回面積より大きい場合について説明したが、受電コイル２０の巻回面積が送電コイル１０の巻回面積より大きい場合にも本発明は好適に適用できる。この場合、磁性部材１１を互いに離間して配置された複数の磁性体によって構成し、これらの磁性体のそれぞれを、平面的に見て、送電コイル１０の巻き線部分と開口部１０ａとの両方に重なるように配置し、これら複数の磁性体のうち隣り合う２つの磁性体間の離間距離を、受電コイル２０の最大幅の３％以上３０％以下とすればよい。

１０ 送電コイル
１０ａ 送電コイル１０の開口部
１１，２１ 磁性部材
１３，２３ 電磁遮蔽板
２０ 受電コイル
２０ａ 受電コイル２０の開口部
２１ａ〜２１ｄ 磁性体
２２ 磁性片
Ｃｒ，Ｃｔ キャパシタ
ＤＢ 整流回路
ＤＲ 電力変換回路
Ｌｒ 受電コイルユニット
Ｌｔ 送電コイルユニット
ＰＷ 電源
Ｒ 負荷
Ｓ ワイヤレス電力伝送システム
Ｕｒ ワイヤレス受電装置
Ｕｓ ワイヤレス送電装置

Claims (10)

1. 平面スパイラル状に巻回されてなる第１のコイルとの磁気結合により電力をワイヤレスにて送電又は受電するコイルユニットであって、
   前記第１のコイルよりも小さい巻回面積で開口部を有するように平面スパイラル状に巻回された第２のコイルと、
   前記第１のコイルから見て反対側の前記第２のコイルの表面に沿って配置された磁性部材と、を備え、
   前記磁性部材は、互いに離間して配置された複数の磁性体によって構成され、
   前記複数の磁性体はそれぞれ、平面的に見て、前記第２のコイルの巻き線部分と、前記開口部との両方に重なるように配置され、
   前記複数の磁性体のうち隣り合う２つの磁性体間の離間距離である第１の距離は、前記第２のコイルの最大幅の３％以上３０％以下であるコイルユニット。
2. 前記複数の磁性体は、行列状に配置された４つ以上の磁性体によって構成される請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記開口部のうち平面的に見て前記複数の磁性体のそれぞれと重なる領域の合計面積は、前記開口部全体の面積の１０％以上である請求項１又は２に記載のコイルユニット。
4. 前記複数の磁性体のそれぞれは、複数の磁性片の集合体で構成される請求項１乃至３のいずれか一項に記載のコイルユニット。
5. １つの前記磁性体を構成する前記複数の磁性片のうち隣り合う２つの磁性片間の離隔距離である第２の距離は、前記第１の距離の５０％以下である請求項４に記載のコイルユニット。
6. 前記第１の距離は、前記第１のコイルと前記第２のコイルの対向距離の１０％以上９０％以下である請求項１乃至５のいずれか一項に記載のコイルユニット。
7. 前記第１の距離は、前記第１のコイルの最大幅と前記第２のコイルの最大幅との差の５％以上４５％以下である請求項１乃至６のいずれか一項に記載のコイルユニット。
8. ワイヤレスにて電力を送電するコイルユニットと、
   入力直流電力を交流電力に変換して前記コイルユニットに供給する電力変換回路と、を備え、
   前記コイルユニットは、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のコイルユニットであるワイヤレス送電装置。
9. ワイヤレスにて電力を受電するコイルユニットと、
   前記コイルユニットが受電した交流電力を直流電力に変換する整流回路と、を備え、
   前記コイルユニットは、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のコイルユニットであるワイヤレス受電装置。
10. 電力をワイヤレスにて伝送するためのワイヤレス電力伝送システムであって、
    ワイヤレスにて電力を送電する送電コイルユニットと、
    ワイヤレスにて電力を受電する受電コイルユニットと、を備え、
    前記送電コイルユニット及び前記受電コイルユニットのいずれか一方は、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のコイルユニットであるワイヤレス電力伝送システム。

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