JP6281963B2 - 非接触電力伝送装置および非接触電力伝送方法 - Google Patents
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Description
本発明は、８の字コイルを用いて、非接触にて電力を伝送する非接触電力伝送装置および非接触電力伝送方法に関する。
従来の非接触電力伝送装置は、スパイラルコイルを２個対向させて、一方のスパイラルコイルに電力を投入して電力伝送を行なっていた。
特許文献１には、非接触給電装置に関して、記載されており、スパイラルコイルの形状とした、電力伝送用の給電コイルと、受電コイルが開示されている。ここで、前記電力伝送用の給電コイルと、受電コイルの内側に、信号伝送用の送信コイル、および信号伝送用の受信コイルが配置されている。
従来の、非接触給電装置では、電力伝送用の給電コイルと、受電コイルに関して、給電コイル自身、および受電コイル自身が、発生するノイズに関しては、ノイズ軽減の対策は、取られていなかった。
また、特許文献１では、電力伝送用の給電コイルと、受電コイルの内側に、信号伝送用の送信コイル、および信号伝送用の受信コイルが配置され、前記信号伝送用の送信コイル、および信号伝送用の受信コイルに関しては、いずれも８の字コイル形状であって、ノイズ対策が行われているが、電力伝送用の給電コイルと、受電コイル自身が、発生するノイズについては、ノイズ減少させる対策については、全く開示されてない。
本発明の課題は、電力伝送用の１次側コイル、２次側コイル自身が外部に出すノイズを相殺することができ、また、１次側コイル、２次側コイルからの漏れ磁束を低減することができ、かつ、１次側コイルの位置ずれにも対応することができ、電力伝送の効率を最良にすることができる非接触電力伝送装置および非接触電力伝送方法を提供することである。
本発明の請求項１の非接触電力伝送装置は、電磁誘導を用いて、対向して配置された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非接触電力伝送装置において、
前記１次側コイルと前記２次側コイルは対向して配置され、
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルであり、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルであり、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルは、それぞれ２個の端子を有していて、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルには、それぞれ個別に電源が接続され、当該２個のスパイラルコイルに流す電流を個別に調整可能としたことを特徴とする非接触電力伝送装置である。ここで、半円形部分の形状は、ほぼ、円の半分の形状が、一般に使用されるが、かならずしも、この形状には、限られない。このように、複数の電源が、１次側コイルに接続される場合には、１次側コイルの隣接した複数のコイル、２個のスパイラルコイルに流す電流を、個別に調整することが可能となり、伝送効率の良い非接触電力伝送装置を提供できる。
前記１次側コイルと前記２次側コイルは対向して配置され、
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルであり、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルであり、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルは、それぞれ２個の端子を有していて、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルには、それぞれ個別に電源が接続され、当該２個のスパイラルコイルに流す電流を個別に調整可能としたことを特徴とする非接触電力伝送装置である。ここで、半円形部分の形状は、ほぼ、円の半分の形状が、一般に使用されるが、かならずしも、この形状には、限られない。このように、複数の電源が、１次側コイルに接続される場合には、１次側コイルの隣接した複数のコイル、２個のスパイラルコイルに流す電流を、個別に調整することが可能となり、伝送効率の良い非接触電力伝送装置を提供できる。
本発明の請求項２の非接触電力伝送装置は、隣接した複数のコイルから構成された１次側コイルと、隣接した複数のコイルから構成された２次側コイルとを重ねて配置した非接触電力伝送装置であり、
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルであり、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルであり、
前記半円形部分と直線部分とが合成された形状の１次側コイルが前記直線部分に関して、回転軸方向に角度をずらすように、複数個配置されており、
前記複数の１次側コイルと前記２次側コイルとの間に、回転軸方向のずれが生じ、電力伝送の効率が低下した場合、前記複数の１次側コイルのいずれかを電源に接続するように、スイッチが切り替えられるようにして、前記２次側コイルの出力が最大に設定されたことを特徴とする非接触電力伝送装置である。
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルであり、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルであり、
前記半円形部分と直線部分とが合成された形状の１次側コイルが前記直線部分に関して、回転軸方向に角度をずらすように、複数個配置されており、
前記複数の１次側コイルと前記２次側コイルとの間に、回転軸方向のずれが生じ、電力伝送の効率が低下した場合、前記複数の１次側コイルのいずれかを電源に接続するように、スイッチが切り替えられるようにして、前記２次側コイルの出力が最大に設定されたことを特徴とする非接触電力伝送装置である。
本発明の請求項３の非接触電力伝送装置は、前記複数の１次側コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、等しい角度に設定されたことを特徴とする請求項２記載の非接触電力伝送装置である。例えば、複数の１次側コイルが、３個の場合は、お互いの角度は、１２０度となる。
本発明の請求項４の非接触電力伝送装置は、前記複数の１次側コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、ランダムな角度に設定されたことを特徴とする請求項２記載の非接触電力伝送装置である。このように、複数の１次側コイルをランダムな角度に配置する場合は、より集中させて、複数の１次側コイルを配置することが可能となり、２次側コイルの出力を、更に高めることができる。
本発明の請求項５の非接触電力伝送装置は、前記１次側コイル、２次側コイルに、対向する面と反対側に、軟磁性体の板が配置されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の非接触電力伝送装置である。
本発明の請求項６の非接触電力伝送装置は、前記軟磁性体の板は、Ｍｎ−ＺｎフェライトもしくはNi-Cu-Znフェライトであることを特徴とする請求項５記載の非接触電力伝送装置である。ここで、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトは、Ｍｎ−Ｚｎフェライトより、絶縁破壊に対する性能が優れている。
本発明の請求項７の非接触電力伝送方法は、電磁誘導を用いて対向して配置された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非接触電力伝送方法において、
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルとし、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルとし、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルには、それぞれ２個の端子を設け、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルには、それぞれ個別に電源を接続し、当該２個のスパイラルコイルに流す電流が個別に調整することを特徴とする非接触電力伝送方法である。ここで、半円形部分の形状は、ほぼ、円の半分の形状が、一般に使用されるが、かならずしも、この形状には、限られない。このように、複数の電源が、１次側コイルに接続される場合には、１次側コイルの隣接した複数のコイル、２個のスパイラルコイルに流す電流を、個別に調整することが可能となり、伝送効率の良い非接触電力伝送方法を提供できる。
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルとし、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルとし、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルには、それぞれ２個の端子を設け、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルには、それぞれ個別に電源を接続し、当該２個のスパイラルコイルに流す電流が個別に調整することを特徴とする非接触電力伝送方法である。ここで、半円形部分の形状は、ほぼ、円の半分の形状が、一般に使用されるが、かならずしも、この形状には、限られない。このように、複数の電源が、１次側コイルに接続される場合には、１次側コイルの隣接した複数のコイル、２個のスパイラルコイルに流す電流を、個別に調整することが可能となり、伝送効率の良い非接触電力伝送方法を提供できる。
本発明の請求項８の非接触電力伝送方法は、隣接した複数のコイルから構成された１次側コイルと、隣接した複数のコイルから構成された２次側コイルとを重ねて配置する非接触電力伝送方法であり、
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルとし、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルとし、
前記半円形部分と直線部分とが合成された形状の１次側コイルが前記直線部分に関して、回転軸方向に角度をずらすように、複数個配置し、
前記複数の１次側コイルと前記２次側コイルとの間に、回転軸方向のずれが生じ、電力伝送の効率が低下した場合、前記複数の１次側コイルのいずれかを電源に接続するように、スイッチが切り替えられるようにして、前記２次側コイルの出力を最大に設定することを特徴とする非接触電力伝送方法である。
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルとし、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルとし、
前記半円形部分と直線部分とが合成された形状の１次側コイルが前記直線部分に関して、回転軸方向に角度をずらすように、複数個配置し、
前記複数の１次側コイルと前記２次側コイルとの間に、回転軸方向のずれが生じ、電力伝送の効率が低下した場合、前記複数の１次側コイルのいずれかを電源に接続するように、スイッチが切り替えられるようにして、前記２次側コイルの出力を最大に設定することを特徴とする非接触電力伝送方法である。
本発明の請求項９の非接触電力伝送方法は、前記複数の１次側コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、等しい角度に設定されたことを特徴とする請求項８記載の非接触電力伝送方法である。例えば、複数の１次側コイルが、３個の場合は、お互いの角度は、１２０度となる。
本発明の請求項１０の非接触電力伝送方法は、前記複数の１次側コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、ランダムな角度に設定されたことを特徴とする請求項８記載の非接触電力伝送方法である。このように、複数の１次側コイルをランダムな角度に配置する場合は、より集中させて、複数の１次側コイルを配置することが可能となり、２次側コイルの出力を、更に高めることができる。
本発明の請求項１１の非接触電力伝送方法は、前記１次側コイル、２次側コイルに、対向する面と反対側に、軟磁性体の板が配置されることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項記載の非接触電力伝送方法である。
本発明の請求項１２の非接触電力伝送方法は、前記軟磁性体の板は、Ｍｎ−ＺｎフェライトもしくはNi-Cu-Znフェライトであることを特徴とする請求項１１記載の非接触電力伝送方法である。ここで、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｚｎフェライトは、Ｍｎ−Ｚｎフェライトより、絶縁破壊に対する性能が優れている。
請求項１の非接触電力伝送装置によれば、１次側コイル、２次側コイルを用いて効率良く電力伝送を行い、更に、電力伝送時の漏洩電磁界からのノイズ、および、外部からのノイズ、更に、前記１次側コイル、２次側コイル自身が外部に出すノイズを相殺し、
更に、複数の電源が、１次側コイルに接続されて、１次側コイルの隣接した複数のコイル、２個のスパイラルコイルに流す電流を、個別に調整することが可能となり、伝送効率の良い非接触電力伝送装置を提供できる。
更に、複数の電源が、１次側コイルに接続されて、１次側コイルの隣接した複数のコイル、２個のスパイラルコイルに流す電流を、個別に調整することが可能となり、伝送効率の良い非接触電力伝送装置を提供できる。
請求項２、３、４の非接触電力伝送装置によれば、複数の１次側コイルを切り替えることにより、１次側コイル、２次側コイルの相対位置を最適にすることができ、電力の伝送効率を最適とする非接触電力伝送装置を提供できる。
請求項５、６の非接触電力伝送装置によれば、軟磁性体を使用して、漏れ磁束を低減することができる非接触電力伝送装置を提供できる。
請求項７の非接触電力伝送方法によれば、１次側コイル、２次側コイルを用いて効率良く電力伝送を行い、更に、電力伝送時の漏洩電磁界からのノイズ、および、外部からのノイズ、更に、前記１次側コイル、２次側コイル自身が外部に出すノイズを相殺し、更に、複数の電源が、１次側コイルに接続されて、１次側コイルの隣接した複数のコイル、２個のスパイラルコイルに流す電流を、個別に調整することが可能となり、伝送効率の良い、近傍電磁界を用いる非接触電力伝送方法を提供できる。
請求項８、９、１０の非接触電力伝送方法によれば、複数の１次側コイルを切り替えることにより、１次側コイル、２次側コイルの相対位置を最適にすることができ、電力の伝送効率を最適とする近傍電磁界を用いる非接触電力伝送方法を提供できる。
請求項１１，１２の非接触電力伝送方法によれば、軟磁性体を使用して、漏れ磁束を低減することができる近傍電磁界を用いる非接触電力伝送方法を提供できる。
本発明によれば、電力伝送用の１次側コイル、２次側コイル自身が外部に出すノイズを相殺することができ、また、１次側コイル、２次側コイルからの漏れ磁束を低減することができ、かつ、１次側コイルの位置ずれにも対応することができ、更に、複数の電源が、１次側コイルに接続されて、１次側コイルの隣接した複数のコイル、２個のスパイラルコイルに流す電流を、個別に調整することが可能となり、電力伝送の効率を最良にすることができる非接触電力伝送装置および非接触電力伝送方法を提供することができる。
１ ８の字型のコイル
２ ８の字一次側コイル
３ ８の字二次側コイル
４、４１ 軟磁性体の板
１１、１２ スパイラルコイル
１１ａ スパイラルコイルの半円形部分
１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ スパイラルコイルの直線部分
５ 第１の８の字一次側コイル
６ 第２の８の字一次側コイル
７ 第３の８の字一次側コイル
８ ８の字二次側コイル
２０ 重ねられた一次側コイル
１０１，１０２，１０３ 切り替えスイッチ
２ ８の字一次側コイル
３ ８の字二次側コイル
４、４１ 軟磁性体の板
１１、１２ スパイラルコイル
１１ａ スパイラルコイルの半円形部分
１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ スパイラルコイルの直線部分
５ 第１の８の字一次側コイル
６ 第２の８の字一次側コイル
７ 第３の８の字一次側コイル
８ ８の字二次側コイル
２０ 重ねられた一次側コイル
１０１，１０２，１０３ 切り替えスイッチ
本発明の実施の形態による非接触電力伝送装置は、隣接した複数のコイルから構成された１次側コイルと、隣接した複数のコイルから構成された２次側コイルとを、電力伝送時の漏洩電磁界からのノイズ、および、外部からのノイズ、更に、前記１次側コイル、２次側コイル自身が外部に出すノイズを相殺するように重ねて配置したことを特徴とする非接触電力伝送装置。である。
また、本発明の実施の形態による非接触電力伝送装置は、電磁誘導を用いて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非接触電力伝送装置において、前記１次側コイルは、異なる向きの磁束を発生する隣接した複数のコイルから構成され、前記２次側コイルは、異なる向きの磁束を発生する隣接した複数のコイルから構成され、電力伝送時の漏洩電磁界からのノイズ、および、外部からのノイズ、更に、前記１次側コイル、２次側コイル自身が外部に出すノイズを相殺するように重ねて配置したことを特徴とする非接触電力伝送装置。である
ここで、電力伝送時の漏洩電磁界からのノイズとは、１次側コイル、２次側コイルの発生する磁界が、他の部材（金属や、磁性体など）と干渉、あるいは反射して発生するノイズであり、外部からのノイズとは、気象上での雷サージ、あるいは、電力線からのノイズ、あるいは他の電子機器が発生するノイズである。更に、１次側コイル、２次側コイル自身が外部に出すノイズとは、一次コイルに、電源から電流が供給された際、その状態で、主として電源系から起因して発生するノイズであり、また前記一次側コイルから電力を受ける２次側コイルからも、同じく発生するノイズである。
ここで、前記１次側コイルは、２枚のスパイラルコイルを差動に接続した平面８の字型コイルであり、前記２次側コイルは、２枚のスパイラルコイルを差動に接続した平面８の字型コイルであり、前記スパイラルコイルの形状は、半円形部分と直線部分とが合成された形状であり、２枚のスパイラルコイルの直線部分が重ねられて平面８の字型コイルが形成されている。
前記一次側コイルの隣接した複数のコイルには、１個の電源が接続されるか、あるいは
複数の電源が接続される。複数の電源が、一次コイルに接続される場合には、一次側コイルの隣接した複数のコイルに流す電流を、個別に調整することが可能となり、さらに、伝送効率の良い非接触電力伝送装置を提供できる。
複数の電源が接続される。複数の電源が、一次コイルに接続される場合には、一次側コイルの隣接した複数のコイルに流す電流を、個別に調整することが可能となり、さらに、伝送効率の良い非接触電力伝送装置を提供できる。
また、本発明の実施の形態による非接触電力伝送装置は前記半円形部分と直線部分とが合成された形状の１次側コイルが前記直線部分に関して、回転軸方向に角度をずらすように、複数個配置されており、前記複数の１次側コイルと前記２次側コイルとの間に、回転軸方向のずれが生じ、電力伝送の効率が低下した場合、前記複数の一次側コイルのいずれかを、前記電源に接続するように、スイッチが切り替えられるようにして、前記２次側コイルの出力が最大に設定されたことを特徴とする。
前記複数の一次コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、等しい角度に設定されるか、あるいは前記複数の一次コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、ランダムな角度に設定される。複数の一次コイルをランダムな角度に配置する場合は、より集中させて、複数の一次コイルを配置することが可能となり、２次コイルの出力を、更に高めることができる。
前記一次コイル、二次コイルに、対向する面と反対側に、軟磁性体の板が配置され、前記軟磁性体の板は、Ｍｎ−ＺｎフェライトもしくはNi-Cu-Znフェライトが使用されるが、これに限られない。
本発明の実施の形態による非接触電力伝送方法は、隣接した複数のコイルから構成された１次側コイルと、隣接した複数のコイルから構成された２次側コイルとを、電力伝送時の漏洩電磁界からのノイズ、および、外部からのノイズ、更に、前記１次側コイル、２次側コイル自身が外部に出すノイズを相殺するように重ねて配置することを特徴とする近傍電磁界を用いる非接触電力伝送方法である。
また、本発明の実施の形態による非接触電力伝送方法は電磁誘導を用いて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非接触電力伝送方法において、前記１次側コイルを、異なる向きの磁束を発生する隣接した複数のコイルから構成し、前記２次側コイルを、異なる向きの磁束を発生する隣接した複数のコイルから構成し、電力伝送時の漏洩電磁界からのノイズ、および、外部からのノイズ、更に、前記１次側コイル、２次側コイル自身が外部に出すノイズを相殺するように重ねて配置することを特徴とする近傍電磁界を用いる非接触電力伝送方法である。
ここで、前記１次側コイルを、２枚のスパイラルコイルを差動に接続した平面８の字型コイルとし、前記２次側コイルを、２枚のスパイラルコイルを差動に接続した平面８の字型コイルとし、前記スパイラルコイルの形状は、半円形部分と直線部分とが合成された形状であり、２枚のスパイラルコイルの直線部分を重ねて、平面８の字型コイルを形成する。
また、本発明の実施の形態による非接触電力伝送方法は、前記半円形部分と直線部分とが合成された形状の１次側コイルが前記直線部分に関して、回転軸方向に角度をずらすように、複数個配置されており、前記複数の１次側コイルと前記２次側コイルとの間に、回転軸方向のずれが生じ、電力伝送の効率が低下した場合、前記複数の一次側コイルのいずれかを、前記電源に接続するように、スイッチを切り替えて、前記２次側コイルの出力を最大に設定することを特徴とする請求項１１ないし１５のいずれか１項記載の近傍電磁界を用いる非接触電力伝送方法である。
ここで、前記複数の一次コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、等しい角度に設定されるか、あるいは、前記複数の一次コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、ランダムな角度に設定されたことを特徴とする。
ここで、近傍電磁界について説明する。放射源の近傍で、波動のインピーダンスが、自由空間インピーダンスと大きく異なる領域を、近傍電磁界と呼ぶ。電磁界の波長をλとし、λ／（２π）までを、近傍電磁界とし、それよりも遠方を、遠方電磁界と呼ぶ、例えば、周波数は、１００ｋＨｚの場合、波長は、およそ３ｋｍであり、λ／（２π）は、およそ０．５ｋｍとなる。この場合は、０．５ｋｍ以下の範囲が、１００ｋＨｚでの近傍電磁界の範囲である。
（実施例１）
図１（ｂ）は、実施例１の８の字コイルの平面図である。８の字型のコイル１は、 スパイラルコイル１１，１２が差動接続されている。図１（ａ）は、スパイラルコイル１１の図である。前記８の字型コイルを、一次側用と、二次側用と構成して、これらを対向させて非接触電力伝送装置を構成する。（図２）
図１（ｂ）は、実施例１の８の字コイルの平面図である。８の字型のコイル１は、 スパイラルコイル１１，１２が差動接続されている。図１（ａ）は、スパイラルコイル１１の図である。前記８の字型コイルを、一次側用と、二次側用と構成して、これらを対向させて非接触電力伝送装置を構成する。（図２）
・8の字コイルの構成は、以下のごとくである。
（１）Ｄの字型に巻いた2枚のコイルを重ね、差動接続して構成
（２）Ｄの字型コイルのサイズ（図１）
外径：Ａ＝４６．５ｍｍ、Ｂ＝７５ｍｍ
内径：Ｃ＝２０．５ｍｍ、Ｄ＝５２ｍｍ
巻数：１０ｔ
（３）重ねて８の字にした場合のサイズ（図２）
外径：Ａ＝８０ｍｍ、Ｂ＝７５ｍｍ
内径：Ｃ＝５５ｍｍ、Ｄ＝５２ｍｍ
巻数：１０ｔ
（４）コイル特性（Ｌ，ｒ）
Ｄの字型 Ｌ＝６．６μＨ、ｒ＝６４ｍΩ
８の字 Ｌ＝１５μＨ、ｒ＝１２８ｍΩ
（１）Ｄの字型に巻いた2枚のコイルを重ね、差動接続して構成
（２）Ｄの字型コイルのサイズ（図１）
外径：Ａ＝４６．５ｍｍ、Ｂ＝７５ｍｍ
内径：Ｃ＝２０．５ｍｍ、Ｄ＝５２ｍｍ
巻数：１０ｔ
（３）重ねて８の字にした場合のサイズ（図２）
外径：Ａ＝８０ｍｍ、Ｂ＝７５ｍｍ
内径：Ｃ＝５５ｍｍ、Ｄ＝５２ｍｍ
巻数：１０ｔ
（４）コイル特性（Ｌ，ｒ）
Ｄの字型 Ｌ＝６．６μＨ、ｒ＝６４ｍΩ
８の字 Ｌ＝１５μＨ、ｒ＝１２８ｍΩ
・検討の結果
＜例１＞
（１）８の字コイル２枚を対向するよう配置
※向きをそろえる
（２）コイル間距離（Ｇａｐ）を１０ｍｍとし、電力伝送を実施
測定条件
共振コンデンサあり（４３ｎＦ、直列接続）
負荷：抵抗１０Ω
駆動周波数ｆ＝２００ｋＨｚ、正弦波入力
パワーメータにて計測
（３）結果
効率η＝８４％の出力を確認
参考：スパイラルコイル（従来型）の効率→９１％
（４）試作コイルをモデル化し、電力伝送中の磁場分布を電磁場解析ソフトウェアで確認
比較のためスパイラルコイルを基準として評価する
＜例１＞
（１）８の字コイル２枚を対向するよう配置
※向きをそろえる
（２）コイル間距離（Ｇａｐ）を１０ｍｍとし、電力伝送を実施
測定条件
共振コンデンサあり（４３ｎＦ、直列接続）
負荷：抵抗１０Ω
駆動周波数ｆ＝２００ｋＨｚ、正弦波入力
パワーメータにて計測
（３）結果
参考：スパイラルコイル（従来型）の効率→９１％
（４）試作コイルをモデル化し、電力伝送中の磁場分布を電磁場解析ソフトウェアで確認
比較のためスパイラルコイルを基準として評価する
図４は、実施例１の試作コイルをモデル化し、電力伝送中の磁場分布を電磁場解析ソフトウェアで確認した図である。
図４にて、白いラインは、ICNIRPガイドライン値(27μT)となるラインを示す。
ICNIRPガイドライン値(27μT)以下となるまでの距離（@ Gap 10 mm）
・コイル上方（中心軸上）： 34 mm（8の字） 71 % ＜ 48 mm（スパイラル）
・コイル側方（机上面）
： 16 mm（8の字） 80 % ＜ 20 mm（スパイラル
図４にて、白いラインは、ICNIRPガイドライン値(27μT)となるラインを示す。
ICNIRPガイドライン値(27μT)以下となるまでの距離（@ Gap 10 mm）
・コイル上方（中心軸上）： 34 mm（8の字） 71 % ＜ 48 mm（スパイラル）
・コイル側方（机上面）
： 16 mm（8の字） 80 % ＜ 20 mm（スパイラル
（実施例２）
図３は、８の字型コイル２，３を重ね、それぞれの８の字型コイル２，３の裏側に磁性体の板４，４２を配置した非接触電力伝送装置の図である。
＜例２＞
（１）Mn-Zn Ferriteを8の字コイル給電面の裏側に配置
磁性体（Mn-Zn Ferrite）のサイズ：９０ｍｍ×９０ｍｍ×０．５ｍｍ
（２）８の字コイル２枚を対向するよう配置
※向きをそろえる
（３）コイル間距離（Ｇａｐ）を１０ｍｍとし、電力伝送を実施
測定条件
共振コンデンサあり（２２ｎＦ、直列接続）
負荷：抵抗１０Ω
駆動周波数ｆ＝２００ｋＨｚ、正弦波入力
パワーメータにて計測
（４）結果
効率η＝９５％の出力を確認
参考：スパイラルコイル（従来型・フェライト付）の効率→９７％
（５）試作コイルをモデル化し、電力伝送中の磁場分布を電磁場解析ソフトウェアで確認
比較のためスパイラルコイルを基準として評価する
図３は、８の字型コイル２，３を重ね、それぞれの８の字型コイル２，３の裏側に磁性体の板４，４２を配置した非接触電力伝送装置の図である。
＜例２＞
（１）Mn-Zn Ferriteを8の字コイル給電面の裏側に配置
磁性体（Mn-Zn Ferrite）のサイズ：９０ｍｍ×９０ｍｍ×０．５ｍｍ
（２）８の字コイル２枚を対向するよう配置
※向きをそろえる
（３）コイル間距離（Ｇａｐ）を１０ｍｍとし、電力伝送を実施
測定条件
共振コンデンサあり（２２ｎＦ、直列接続）
負荷：抵抗１０Ω
駆動周波数ｆ＝２００ｋＨｚ、正弦波入力
パワーメータにて計測
（４）結果
参考：スパイラルコイル（従来型・フェライト付）の効率→９７％
（５）試作コイルをモデル化し、電力伝送中の磁場分布を電磁場解析ソフトウェアで確認
比較のためスパイラルコイルを基準として評価する
図５は、実施例２の試作コイルをモデル化し、電力伝送中の磁場分布を電磁場解析ソフトウェアで確認した図である。
図５にて、白いラインは、ICNIRPガイドライン値(27μT)となるラインを示す。
ICNIRPガイドライン値(27μT)以下となるまでの距離（@ Gap 10 mm，両方あり）
・コイル上方（中心軸上）：0 mm（8の字） ＜ 0.89 mm（スパイラル）
・コイル側方（机上面）
：2.6 mm （8の字） ＜ 13.8 mm（スパイラル）
図５にて、白いラインは、ICNIRPガイドライン値(27μT)となるラインを示す。
ICNIRPガイドライン値(27μT)以下となるまでの距離（@ Gap 10 mm，両方あり）
・コイル上方（中心軸上）：0 mm（8の字） ＜ 0.89 mm（スパイラル）
・コイル側方（机上面）
：2.6 mm （8の字） ＜ 13.8 mm（スパイラル）
（実施例３）
図６は、送電コイル（一次コイルを３個、重ねた構成）と、受電コイル（二次コイル、１個）の図である。図６（ａ）は、送信コイル２０（一次コイル）の構造であり、８の字型コイル５，６，７を、３個、１２０度の角度で、重ねて配置した図である。図６（ｂ）は、受電コイル８（二次コイル）の構造であり、８のコイルであって、図６（ａ）の送電コイルでの、１個の８の字コイル５，６，７と、同一寸法、形状である。図６（ｃ）は、送電コイル２０を重ねる前の状態と、個々の８の字コイル５，６，７と、回路との接続の図であり、図６（ｄ）は、送電コイル２０を重ねた後の状態と、受電コイルとの位置関係を示す図である。
図６は、送電コイル（一次コイルを３個、重ねた構成）と、受電コイル（二次コイル、１個）の図である。図６（ａ）は、送信コイル２０（一次コイル）の構造であり、８の字型コイル５，６，７を、３個、１２０度の角度で、重ねて配置した図である。図６（ｂ）は、受電コイル８（二次コイル）の構造であり、８のコイルであって、図６（ａ）の送電コイルでの、１個の８の字コイル５，６，７と、同一寸法、形状である。図６（ｃ）は、送電コイル２０を重ねる前の状態と、個々の８の字コイル５，６，７と、回路との接続の図であり、図６（ｄ）は、送電コイル２０を重ねた後の状態と、受電コイルとの位置関係を示す図である。
ここで、送電側の前記８の字型コイル５，６，７と、受電側の８の字二次側コイルとの間に、回転軸方向のずれが生じ、電力伝送の効率が低下した場合、ブリッジ回路のスイッチを切り替えて、前記８の字型コイル５，６，７の中で、最適な８の字型コイルを選択して、切り替えて、前記受電側の２次側コイルの出力を最大に設定することができる。
ここで、図６の例では、送電側の８の字型コイル５，６，７は、１２０度の等角度の実施例であったが、これに限られない。例えば、等間隔の角度ではなく、ランダムな角度でも良く、また、送電側の８の字型コイルの個数は、３個に限られず、３個以外の複数個
であっても良い。なお、図７は、８の字コイルの現物の外観を示す図である。
であっても良い。なお、図７は、８の字コイルの現物の外観を示す図である。
（実施例４）
図８は、先の実施例２の条件において、図８（ａ）は、軟磁性体板を一次側コイルのみに配置した場合、図８（ｂ）は、軟磁性体板を二次側コイルのみに配置した場合、図８（ｃ）は、軟磁性体板を一次側コイル、および二次側コイルに配置した場合の、電力伝送中の磁場分布を電磁場解析ソフトウェアで確認した図である。駆動周波数は、２００ｋＨｚである。また、前記軟磁性体の板は、Ｍｎ−Ｚｎフェライトである。
ここで、図８（ｃ）は、先の実施例２での図５の条件と一致する。
明らかに、軟磁性体板を一次側コイル、および二次側コイルに配置した場合
が、最も、漏れ磁束が、減少している。
図８は、先の実施例２の条件において、図８（ａ）は、軟磁性体板を一次側コイルのみに配置した場合、図８（ｂ）は、軟磁性体板を二次側コイルのみに配置した場合、図８（ｃ）は、軟磁性体板を一次側コイル、および二次側コイルに配置した場合の、電力伝送中の磁場分布を電磁場解析ソフトウェアで確認した図である。駆動周波数は、２００ｋＨｚである。また、前記軟磁性体の板は、Ｍｎ−Ｚｎフェライトである。
ここで、図８（ｃ）は、先の実施例２での図５の条件と一致する。
明らかに、軟磁性体板を一次側コイル、および二次側コイルに配置した場合
が、最も、漏れ磁束が、減少している。
（実施例５）
図９は、軟磁性体板を一次側コイル、および二次側コイルに配置した条件にて、
コイル間距離を変化した図であり、図９（ａ）は、コイル間距離が２０ｍｍの場合
図９（ｂ）は、コイル間距離が４０ｍｍの場合、図９（ｃ）は、コイル間距離が８０ｍｍの場合の、電力伝送中の磁場分布を電磁場解析ソフトウェアで確認した図である。駆動周波数は、２００ｋＨｚである。
図９は、軟磁性体板を一次側コイル、および二次側コイルに配置した条件にて、
コイル間距離を変化した図であり、図９（ａ）は、コイル間距離が２０ｍｍの場合
図９（ｂ）は、コイル間距離が４０ｍｍの場合、図９（ｃ）は、コイル間距離が８０ｍｍの場合の、電力伝送中の磁場分布を電磁場解析ソフトウェアで確認した図である。駆動周波数は、２００ｋＨｚである。
図１０は、一次コイルと二次コイルのコイル間距離と、電力伝送効率との関係を示す図である。図１０より、実用的なコイル間距離は、２０ｍｍ以内と判断される。
本発明によれば、１次側コイル、２次側コイル自身が外部に出すノイズを相殺することができ、更に、一次側コイル、２次側コイルからの漏れ磁束を低減し、かつ、一次側コイルを角度をずらして、複数個重ねて、適切な一次コイルに切り替えることによって、一次側コイルと２次コイルと、最適位置関係からの、位置ずれにも対応することができ、電力伝送の効率を最良にすることができる非接触電力伝送装置および非接触電力伝送方法を提供し、モバイル機器や、電気自動車、ならびに体内設置型医療機器、他の用途等への非接触給電技術に応用することができ産業の発展に寄与することができる。
Claims (12)
- 電磁誘導を用いて、対向して配置された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非接触電力伝送装置において、
前記１次側コイルと前記２次側コイルは対向して配置され、
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルであり、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルであり、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルは、それぞれ２個の端子を有していて、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルには、それぞれ個別に電源が接続され、当該２個のスパイラルコイルに流す電流を個別に調整可能としたことを特徴とする非接触電力伝送装置。 - 隣接した複数のコイルから構成された１次側コイルと、隣接した複数のコイルから構成された２次側コイルとを重ねて配置した非接触電力伝送装置であり、
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルであり、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルであり、
前記半円形部分と直線部分とが合成された形状の１次側コイルが前記直線部分に関して、回転軸方向に角度をずらすように、複数個配置されており、
前記複数の１次側コイルと前記２次側コイルとの間に、回転軸方向のずれが生じ、電力伝送の効率が低下した場合、前記複数の１次側コイルのいずれかを電源に接続するように、スイッチが切り替えられるようにして、前記２次側コイルの出力が最大に設定されたことを特徴とする非接触電力伝送装置。 - 前記複数の１次側コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、等しい角度に設定されたことを特徴とする請求項２記載の非接触電力伝送装置。
- 前記複数の１次側コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、ランダムな角度に設定されたことを特徴とする請求項２記載の非接触電力伝送装置。
- 前記１次側コイル、２次側コイルに、対向する面と反対側に、軟磁性体の板が配置されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の非接触電力伝送装置。
- 前記軟磁性体の板は、Ｍｎ−ＺｎフェライトもしくはNi-Cu-Znフェライトであることを特徴とする請求項５記載の非接触電力伝送装置。
- 電磁誘導を用いて対向して配置された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非接触電力伝送方法において、
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルとし、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルとし、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルには、それぞれ２個の端子を設け、
前記１次側コイルの前記２個のスパイラルコイルには、それぞれ個別に電源を接続し、当該２個のスパイラルコイルに流す電流が個別に調整することを特徴とする非接触電力伝送方法。 - 隣接した複数のコイルから構成された１次側コイルと、隣接した複数のコイルから構成された２次側コイルとを重ねて配置する非接触電力伝送方法であり、
前記１次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ね、電流が流れたときに異なる向きの磁束を発生するように配置して構成されたコイルとし、
前記２次側コイルは、それぞれ一つの線を巻いて形成した半円形部分と直線部分とが合成された形状の２個の独立したスパイラルコイルを、外形が円形となるようにそれぞれの直線部分を重ねて配置して構成されたコイルとし、
前記半円形部分と直線部分とが合成された形状の１次側コイルが前記直線部分に関して、回転軸方向に角度をずらすように、複数個配置し、
前記複数の１次側コイルと前記２次側コイルとの間に、回転軸方向のずれが生じ、電力伝送の効率が低下した場合、前記複数の１次側コイルのいずれかを電源に接続するように、スイッチが切り替えられるようにして、前記２次側コイルの出力を最大に設定することを特徴とする非接触電力伝送方法。 - 前記複数の１次側コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、等しい角度に設定されたことを特徴とする請求項８記載の非接触電力伝送方法。
- 前記複数の１次側コイルの、隣り合う回転軸方向の角度は、ランダムな角度に設定されたことを特徴とする請求項８記載の非接触電力伝送方法。
- 前記１次側コイル、２次側コイルに、対向する面と反対側に、軟磁性体の板が配置されることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項記載の非接触電力伝送方法。
- 前記軟磁性体の板は、Ｍｎ−ＺｎフェライトもしくはNi-Cu-Znフェライトであることを特徴とする請求項１１記載の非接触電力伝送方法。
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