JP5682992B2 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置に関し、詳しくは、携帯電子機器、携帯電気機器、又は電子装置などに用いられる非接触電力伝送装置に関する。

近年、電源から電子機器へ非接触で電力を伝送する方式の一つとして、相対させたコイル間の電磁誘導作用を利用するシステムが提案されている。そのシステムとしては、例えばコードレスパワーステーション（Cordless Power Station）又はコンタクトレスパワーステーション（Contactless Power Station）と呼ばれるものがあり、一般にＣＬＰＳと略称されている。

このような非接触電力伝送システムの送電側励磁気の構成を検討したものとして非特許文献１及び２に記載されたものがある。

非特許文献１は、構成法の相異による得失、コンデンサ挿入による特性改善、伝送電力量及び伝送効率改善に与えるフェライトの効果、１次側−２次側の位置ずれによる伝送特性の改善について検討を行ったものである。具体的には、非接触電力伝送装置において１次側−２次側ともにドーナッツ状の空心コイルを配置し、隣接するコイルの磁束の向きが逆になる接続方法を用いている。その理由は、隣接するコイルの磁束の向きが、逆になる接続方法の方が、発生する磁束が全て同じ方向になる接続方法よりも、互いに磁束を強め合い、また外部へのもれ磁束が少ないという利点を有するからである。

非特許文献１では、１次側、２次側ともに、空心コイル数を増加させると、最大伝送電力Ｐ２_ｍａｘ及び最大伝送効率η_ｍａｘは、ともに増加すること及び円板状のフェライトコアを用いた場合には、さらに、伝送電力の増加が図れ、伝送効率の向上が図れることが開示されている。

さらに、非特許文献１では、２次コイルと負荷抵抗との間に、２次コイルの自己インダクタンスとの共振条件から求めた容量を有するコンデンサを直列に挿入すると損失が減少し、伝送効率が約１割向上することが述べられている。

また、非特許文献１では、電力の損失量及び伝送効率は、フェライトコアの厚さには依存せず、フェライトの種類にも依存しないので、システムの薄型化には、フェライトコアは薄型の方が有利であることが示されている。さらに、非特許文献１において、面に対して垂直な磁束成分のみを利用するようなコイル形状の場合には、中心軸を一致させた方が良いことが判明している。

しかしながら、非特許文献１に開示された非接触電力伝送装置では、１次側及び２次側のコイルは同一寸法のもので構成しているので、位置ズレによる変化が大きく、広範囲な面での任意の伝送には不都合となる欠点をもつ。

また、非特許文献２に開示された非接触電力伝送システムは、受電側に１つのスパイラルコイルを配し、送電側に複数の並列したスパイラルコイルを配置し、夫々のスパイラルコイルの対向面と反対側にそれぞれ磁性体薄板又はシートを配置した構成である。このような構成の非特許文献２による非接触電力伝送システムによると、受電側において、内径、外径比（Ｄ_ｉ／Ｄ_ｏ）が０．６５のとき最大伝送電力約７０Ｗ、コイル間効率約６５％が得られている。また、伝送特性に、磁気結合係数ｋが大きく関与しており、Ｄ_ｉ／Ｄ_ｏ＝０．６５は中央に位置する送電コイルと受電コイルとの相互インダクタンスＭｃと外側に位置するに送電コイルと受電コイルとの相互インダクタンスＭ０とほぼ等しくなる点で伝送特性が向上することが示されている。

また、非特許文献２においては、非接触電力伝送装置は、相対する１次側、２次側コイル間の電磁誘導を用い、空隙を介して１次側コイル１から２次側コイル２に非接触にて電力を伝送する。

このような非接触電力伝送装置においては、受電コイル側にコイルの誘導性リアクタンスを打ち消すようにコンデンサＣ２を負荷に並列に挿入すると、より効率の改善が見られること、及び、受電コイルの裏側の磁性体の形状を漏れをさらに防ぐ形状とすることで、伝送効率の変動幅を改善することができることが示されている。

しかしながら、非特許文献２に開示された非接触電力伝送装置では、１次側コイルは平面に配列し、隣接するコイルによる伝送の面内には伝送不能な死点が存在する。そのため、２次側コイルは１次側コイルよりも大きくする必要がある。そのため、２次側の小型化には不都合な構成となる。

また、非特許文献３及び４においては、非接触電力伝送装置は、１次側コイルは隣接した平面コイルを重畳し、２次側コイル径は１次側より小とした構成について、隣接するコイルに流れる励磁電流に位相差を設けることにより、位置による伝送の変動が改善することが示されている。しかしながら、この構成では、１次側平面コイルを線状に配列する構成であり、連続して平面状に展開できる構成を示唆するものではない。

また、特許文献１は、非特許文献１と同様であり、１次側、２次側のコイル構成が同様であり、コイル位置ズレにより安定した伝送が困難となる。

また、特許文献２は、対向する１次コイル、２次コイルの外側部に軟磁性体粉末と有機結合材からなる軟磁性部材を配置するものであり、平面渦巻き型コイル間の位置ズレによる安定した伝送に言及していない。位置ズレの許容域を広げる構成として、平面渦巻き型コイルとミアンダ型コイルの組み合わせを示している。

村上純一、松木英敏、菊地新喜：「フェライトを用いたコードレスパワーステーションによる非接触電力伝送特性」、電気学会研究資料、マグネティックス研究会、ＭＡＧ−９５−１３８、第６３−７０頁、１９９３年８月２日社団法人電気学会発行 畠中紘一、佐藤文博、松木英敏、菊地新喜、村上純一、川瀬誠、佐藤忠邦：「位置決め不要な非接触電力伝送システムの送電側励磁構成に関する検討」、日本応用磁気学会誌、２６巻、第５８０−５８４頁（２００２年） 宮森潤、芳賀昭、佐藤文博、松木英敏、佐藤忠邦：「民生機器適用を目指した非接触送電パッドの基礎的検討」、平成１９年度電気関係学会東北支部連合大会講演論文集、第３５４頁、平成１９年８月２３日平成１９年度電気関係学会東北支部連合大会実行委員会発行 宮森潤、芳賀昭、佐藤文博、松木英敏、佐藤忠邦：「デスクトップＣＬＰＳにおける位相励磁に関する検討」、第３１回日本応用磁気学会学術講演概要集、第１１０頁（２００２年）、２００７年９月１１日社団法人日本応用磁気学会発行 特開平７−２３１５８６号公報 特開平８−１４８３６０号公報

したがって、非特許文献１〜４に開示された非接触電力伝送システムにおいて、伝送不能な点を縮小、低減し、また、調節すること及び隣接するコイル間の励磁電流の位相差を調整することで、より広い範囲で高い出力と安定した電力伝送ができるようにさらに改善することが求められている。

そこで、本発明の技術的課題は、広い範囲での安定した電力伝送が実現できる非接触電力伝送装置を提供することにある。

本発明によれば、相対するコイル間の電磁誘導を用い、空隙を介して１次側コイルから２次側コイルに非接触にて電力を伝送する電力伝送装置において、前記１次側コイルとして同じ大きさの３以上の平面型コイルを用い、前記平面型コイルの各々が隣接する他の平面型コイルと一部重なりかつそれらの中心が二次元に配置されるように１次側を構成し、前記１次側コイルの外径は前記２次側コイルの外径よりも大きく、前記１次側コイルの内径は前記２次側コイルの内径よりも大きくかつ前記２次側コイルの外径よりも小さいことを特徴とする非接触電力伝送装置が得られる。

また、本発明によれば、前記非接触電力伝送装置において、対向する１次側平面型コイルと２次側平面型コイルの何れか一方、または双方の外側部に、軟磁性材料を貼付配置することを特徴とする非接触電力伝送装置が得られる。

また、本発明によれば、前記いずれか一つの非接触電力伝送装置において、１次側の隣接コイルに流れる励磁電流の位相差を４５°〜１３５°又は２２５°〜３１５°とし、２つ以上の位相の異なる磁界を生成することを特徴とする非接触電力伝送装置が得られる。

また、本発明によれば、前記いずれか一つの非接触電力伝送装置において２次側平面型コイルの外側部に配置された軟磁性材料を有し、該軟磁性材料の面積を、２次側平面型コイル外径の面積の１．２倍以上とすることを特徴とする非接触電力伝送装置が得られる。

さらに、本発明によれば、送電側コイルを含み、該送電側コイルに対向配置される受電側コイルへ電磁誘導により電力を伝送する給電装置において、前記送電側コイルとして、前記受電側コイルの外径よりも大きい外径と、前記受電側コイルの内径よりも大きくかつ前記受電側コイルの外径よりも小さい内径とを持つ同じ大きさの平面型コイルを３個以上有し、これらの平面型コイルを、隣接する平面型コイルと一部重なるようにかつその中心が二次元に配置されるように構成し、互いに隣接する平面型コイルに位相の異なる励磁電流を流すようにしたことを特徴とする給電装置が得られる。

上述した非接触電力伝送装置は、広い範囲で安定した電力伝送の実現を可能にする。

上述した非接触電力伝送装置の給電側装置は、３以上の平面型コイルを重畳して構成しており、この連続で任意の平面的展開が可能となり、広い範囲で機能する非接触電力伝送装置が得られる。

また、１次側の隣接コイルに流れる励磁電流の位相差を４５°〜１３５°又は２２５°〜３１５°とし、２つ以上の位相の異なる磁界を生成することにより、広い範囲で安定した給電を行う非接触電力伝送装置が得られる。

また、本発明によれば、前記いずれか一つの非接触電力伝送装置において、対向する１次側平面型コイルと２次側平面型コイルの何れか一方、または双方の外側部に、軟磁性材料を貼付配置することにより、高い出力の非接触電力伝送装置が得られる。

また、２次側平面型コイルに配置する軟磁性材料の面積を、２次側平面型コイル外径の面積の１．２倍以上とすることにより、より広い範囲で高い出力の非接触電力伝送装置が得られる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明の非接触電力伝送装置は、相対するコイル間の電磁誘導を用い、空隙を介して１次側コイルから２次側コイルに非接触にて電力を伝送する。この電力伝送装置において、１次側を３以上の平面型コイルを重畳して（一部重ねて）平面的に配置し構成し、２次側を１以上の平面型コイルで構成するものであり、２次側コイル外径（２次側の平面型コイルの外径）は１次側コイル外径（１次側の平面型コイルの外径）よりも小とする。平面型コイルは、平面型であれば、円形に限らず、多角形であっても良いが、平面型巻線コイルであることが好ましい。

また、本発明の非接触電力伝送装置において、対向する１次側平面型コイルと２次側平面型コイルの何れか一方、または双方の外側部（対向面の反対側、背面ともいう）に、軟磁性材料を配置することにより、発生磁界の収束効果によって、１次側コイルと２次側コイルの磁気結合を向上し、出力の向上に寄与することができる。

また、前記非接触電力伝送装置において、１次側の隣接コイルに流れる励磁電流の位相差を４５°〜１３５°又は２２５°〜３１５°とし、２つ以上の位相の異なる磁界を発生することにより移動磁界を生成し、給電側面の広い範囲で高い伝送効率を得ることができる。

また、２次側平面型コイルの外側部に軟磁性材料を配置する場合は、軟磁性材料の面積を、２次側平面型コイル外径の面積の１．２倍以上とすることにより、給電側面のより広い範囲で高い伝送効率を得ることができる。

また、本発明は電子機器等への非接触伝送でも、特に携帯用機器への適用において有用となるように、１次側コイルに比べ２次側コイルが小となるように構成し、小型化、軽量化を図るものである。

また、本発明の給電側（１次側）は伝送面積を任意に広くできるものであり、受電側（２次側）は複数でも電力の伝送が可能となるものである。

（他の実施の形態）
本発明の他の実施の形態に係る給電装置は、例えば、携帯用電子機器の充電器として用いられる。携帯電子機器が備える受電用コイルが２次側コイルとなるため、この非接触電力伝送装置は、２次側コイルを備えていない。

給電装置は、受電用コイルの外径より大きい外径を持つ平面型コイルを送電用（１次側）コイルとして３個以上有している。これらの平面型コイルは、隣接する平面型コイルと一部重なるように二次元に配置される。この配置は、例えば、誘電材料板又はシート上に、隣接する平面型コイルの中心を結ぶ直線が正三角形を描くように行われる。

また、互いに隣接する平面型コイルへは、互いに位相の異なる励磁電流を供給する。位相差は、４５°〜１３５°または２２５°〜３１５°の範囲内にあることが望ましく、特に、９０°又は２７０°が望ましい。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら、説明する。

（実施例１）
本発明の実施例１では、非接触電力伝送装置の基本構成について説明する。

図１は、本発明の実施例１による非接触電力伝送装置のコイルの配置の一例を主に示す斜視図である。

図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、相対する１次側、２次側コイル１，２間の電磁誘導を用い、空隙３を介して１次側コイル１から２次側コイル２に非接触にて電力を伝送する。１次側コイル１に複数の平面巻線型コイル１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ及び１ｆ、２次側コイル２に１個以上の平面巻線型コイル２ａを備えている。１次コイル１の背面（外側面）には、軟磁性材の板またはシート４が貼り付けられている。また、２次コイル２の背面（外側面）にも同様の軟磁性材の板またはシート４を貼り付けることも出来る。また、上記例においては、１次側コイル１および２次側コイル２に用いられるコイルをともに平面巻線型コイルとしたが、円形の平面コイルに限定されるものでなく、多角形コイルであれば本発明の効果が得られることは勿論である。

また、上記例においては、対向するコイル背面へ軟磁性材からなる板またはシート４を配置しているが、この磁性材は、発生磁界を収束させる効果があり、１次側コイル１と２次側コイル２の磁気結合を向上し、出力の向上に寄与するものである。

図１に示す非接触電力伝送装置１０は、１次側コイル１に複数の平面巻線型コイル１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ及び１ｆ、２次側コイル２に１個以上の平面巻線型コイル２ａを備えている。そして、この平面巻線型コイル２ａの外径（２次側コイル外径）は、平面巻線型コイル１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅまたは１ｆの外径（１次側コイル外径）よりも小さい。この非接触電力伝送装置１０は、従来技術による非接触電力伝送装置とは、１次側コイル１の平面巻線型コイル１ａ，１ｂ，・・・，１ｆの個数が異なり、２次側コイルの平面巻線型コイル２ａの外径が１次側コイル外径より小さい点でも異なる。

（実施例２）
本発明の実施例２では、軟磁性材を配置したときの非接触電力伝送装置の具体的特性の測定について説明する。

図１の様に１次側コイル及び２次側コイルを軸方向で互いに対向するように配置した。１次側コイルは、各々の外径を７０ｍｍ、内径を２０ｍｍ、巻き数８１とした３個の平面巻線型コイルで構成した。隣接する平面巻線型コイルの中心軸は平面上６０°の角度をもって配置され、３個のコイル巻線部が重畳した構成となっている。２次側コイルは、外径を３０ｍｍ、内径を１５ｍｍ、巻き数１１とした。

そして、１次側コイル１及び２次側コイル２の中心軸が合っている状態で、コイル間のギャップを１ｍｍとし、軟磁性材の配置を１次側・２次側の双方、１次側のみ、２次側のみ、装着なしとし、図２に示すように、１次側コイル１の平面巻線型コイルＬ_１−１，Ｌ_１−２及びＬ_１−３に電源Ｐ１，Ｐ２及びＰ３を夫々接続し、一方、２次側コイルの平面巻線型コイルＬ_２には、コンデンサＣ_２、整流器２１、ＤＣ・ＤＣコンバータ２２、及び可変抵抗Ｒ_loadを接続して測定回路（ＬＣＲメータ）を構成した。そして、電源Ｐ１，Ｐ２及びＰ３を周波数１２０ｋＨｚ、定電流５０ｍＡに設定し、ＬＣＲメータによりインダクタンスを測定し、磁気結合係数ｋを求めた。軟磁性材は、厚さ０．５ｍｍのＭｎＺｎフェライト焼結体とし、２次側コイル２に装着したものはコイル外径面積の約１．１倍の大きさとしている。

その結果を、下の表１に示す。

表１から明らかなように、軟磁性材を配置することにより、磁気結合係数ｋが明らかに向上し、伝送電力の向上が図られる。

（実施例３）
実施例２の様な１次側コイル１と２次側コイル２の配置構成において、２次側コイル２を１次側コイル１の上方で移動させ、位置による２次側コイル２への伝送効率を測定した。ここで、１次側は周波数１２０ｋＨｚ、１８Ｖ、負荷抵抗１０Ω、隣接して重畳するコイルＬ_１−１，Ｌ_１−２及びＬ_１−３に流れる励磁電流の位相を可変としている。

２次側コイルの１次側コイル１上での位置に応じて伝送効率は変化した。このときの最大となる値及び最小となる値を、隣接するコイルとの電流位相差（＝α＝β−α）との関係として表２に示した。

隣接して重畳するコイルに流れる励磁電流に位相差を設けることにより、伝送効率が低くなる領域は改善している。位相差を４５〜１３５°又は２２５〜３１５°とすることにより、伝送効率最小値は明らかに向上する傾向となっている。

ちなみに、最大伝送効率の位置では、３Ｗの出力となっている。

また、隣接して重畳するコイルに流れる励磁電流の位相差を６０°にした場合、及び１２０°にした場合、１次側コイルの平面上位置において最大伝送効率となる面積は約９５％を占める。

また、２次側コイルに装着するフェライト平板の面積を増加することにより、伝送効率の低くなる領域が明らかに減少することも、確認した。ちなみに、このフェライト板の面積を２次コイルの外径面積の１．２倍にすることによりほぼ全面で伝送効率７５％以上となった。

本発明の実施例１による非接触電力伝送装置のコイルの配置の一例を主に示す斜視図である。 本発明の実施例２による非接触電力伝送装置の測定回路の構成例を示す回路図である。

符号の説明

１ １次側コイル
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ 平面巻線型コイル
２ ２次側コイル
２ａ 平面巻線型コイル
３ 空隙
４ 軟磁性材からなる板またはシート
１０ 非接触電力伝送装置
２１ 整流器
２２ ＤＣ・ＤＣコンバータ

Claims (8)

1. 相対するコイル間の電磁誘導を用い、空隙を介して１次側コイルから２次側コイルに非接触にて電力を伝送する電力伝送装置において、前記１次側コイルとして同じ大きさの３以上の平面型コイルを用い、前記平面型コイルの各々が隣接する他の平面型コイルと一部重なりかつそれらの中心が二次元に配置されるように１次側を構成し、前記１次側コイルの外径は前記２次側コイルの外径よりも大きく、前記１次側コイルの内径は前記２次側コイルの内径よりも大きくかつ前記２次側コイルの外径よりも小さいことを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 請求項１に記載の非接触電力伝送装置において、対向する１次側平面型コイルと２次側平面型コイルの何れか一方、または双方の外側部に、軟磁性材料を配置することを特徴とする非接触電力伝送装置。
3. 請求項１又は２に記載の非接触電力伝送装置において、１次側の隣接コイルに流れる励磁電流の位相差を４５°〜１３５°又は２２５°〜３１５°とし、２つ以上の位相の異なる磁界を生成することを特徴とする非接触電力伝送装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の非接触電力伝送装置において、２次側平面型コイルの外側部に配置された軟磁性材料を有し、該軟磁性材料の面積を、２次側平面型コイル外径の面積の１．２倍以上とすることを特徴とする非接触電力伝送装置。
5. 送電側コイルを含み、該送電側コイルに対向配置される受電側コイルへ電磁誘導により電力を伝送する給電装置において、
   前記送電側コイルとして、前記受電側コイルの外径よりも大きい外経と、前記受電側コイルの内径よりも大きくかつ前記受電側コイルの外径よりも小さい内径とを持つ同じ大きさの平面型コイルを３個以上有し、これらの平面型コイルを、隣接する平面型コイルと一部重なるようにかつその中心が二次元に配置されるように構成し、互いに隣接する平面型コイルに位相の異なる励磁電流を流すようにしたことを特徴とする給電装置。
6. 請求項５に記載の給電装置において、
   隣接する前記平面型コイルの中心を結ぶ線が正三角形を描くように前記平面型コイルを配置したことを特徴とする給電装置。
7. 請求項５又は６に記載の給電装置において、前記位相の異なる励磁電流が、４５°〜１３５°または２２５°〜３１５°の位相差を有してことを特徴とする給電装置。
8. 請求項５，６又は７に記載の給電装置において、前記送電側コイルの背面側に軟磁性体板又はシートを有していることを特徴とする給電装置。

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