(57)【要約】【課題】交流電源から電力を効率良く共鳴系に供給することができる非接触電力伝送装置を提供する。【解決手段】非接触電力伝送装置１０の共鳴系１２は、１次コイル１３と、１次側共鳴コイル１４と、２次側共鳴コイル１５と、２次コイル１６とを有する。共鳴系１２は、共鳴系１２における入力インピーダンスの値と周波数との関係をグラフにした場合、入力インピーダンスの極大点Ｐｍａｘ及び極小点Ｐｍｉｎを有する状態となるように構成されている。交流電源１１は、前記極大点Ｐｍａｘと極小点Ｐｍｉｎとの間のインピーダンスに対応する周波数で１次コイル１３に交流電圧を印加する。１次コイル１３として、交流電源１１の出力インピーダンスに対応したインピーダンスのコイルを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から交流電圧が印加される１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続される２次コイルとを有する共鳴系を備える非接触電力伝送装置であって、
前記１次コイルのインピーダンスが、前記交流電源の出力インピーダンスと前記共鳴系の入力インピーダンスとが整合するように設定されていることを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記交流電源は、前記共鳴系の入力インピーダンスと周波数との関係をグラフにした場合の極大点と極小点との間に存在するインピーダンスに対応する周波数の交流電圧を前記１次コイルに印加する請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
前記交流電源は、前記共鳴系の入力インピーダンスが周波数の増加に伴い減少する範囲内の周波数の交流電圧を前記１次コイルに印加する請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項４】
交流電源から交流電圧が印加される１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続される２次コイルとを有する共鳴系を備える非接触電力伝送装置の設計方法であって、
前記交流電源から前記１次コイルに印加する交流電圧の周波数を設定した後、当該周波数で前記交流電源の出力インピーダンスと前記共鳴系の入力インピーダンスとが整合するように前記１次コイルのインピーダンスを設定することを特徴とする非接触電力伝送装置の設計方法。
【請求項５】
前記交流電源から前記１次コイルに印加する交流電圧の周波数として、前記共鳴系の入力インピーダンスと周波数との関係を調べて入力インピーダンスと周波数との関係をグラフにした場合の極大点と極小点との間の周波数を採用する請求項４に記載の非接触電力伝送装置の設計方法。
【請求項６】
前記交流電源から前記１次コイルに印加する交流電圧の周波数として、前記共鳴系の入力インピーダンスが周波数の増加に伴い減少する範囲内の周波数を採用する請求項４に記載の非接触電力伝送装置の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触電力伝送装置及び非接触電力伝送装置の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６に示すように、二つの銅線コイル５１，５２を離れた状態で配置し、一方の銅線コイル５１から他方の銅線コイル５２に電磁場の共鳴によって電力を伝送することが紹介されている（例えば、非特許文献１及び特許文献１参照）。具体的には、交流電源５３に接続された１次コイル５４で発生した磁場を銅線コイル５１，５２による磁場共鳴により増強し、２次コイル５５により増強された銅線コイル５２付近の磁場から電磁誘導を利用して電力を取り出し負荷５６に供給する。そして、半径３０ｃｍの銅線コイル５１，５２を２ｍ離して配置した場合に、負荷５６としての６０Ｗの電灯を点灯できることが確認されている。
【非特許文献１】ＮＩＫＫＥＩ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  ２００７．１２．３  １１７頁〜１２８頁
【特許文献１】国際公開特許ＷＯ／２００７／００８６４６  Ａ２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この非接触電力伝送装置において交流電源の電力を負荷に効率良く供給するには、交流電源から電力を効率良く共鳴系に供給することが必要になる。しかし、従来技術には非接触電力伝送装置の概要が記載されているだけで、具体的にどのようにすればそのような条件を満足できる非接触電力伝送装置を得ることができるのかに付いては記載されていない。
【０００４】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、交流電源から電力を効率良く共鳴系に供給することができる非接触電力伝送装置及びその設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、交流電源から交流電圧が印加される１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続される２次コイルとを有する共鳴系を備える非接触電力伝送装置である。そして、前記１次コイルのインピーダンスが、前記交流電源の出力インピーダンスと前記共鳴系の入力インピーダンスとが整合するように設定されている。ここで、「交流電源」とは、交流電圧を出力する電源を意味し、直流電源から入力された直流を交流に変換して出力するものも含む。また、「共鳴系の入力インピーダンス」とは、１次コイルの両端で測定した共鳴系全体のインピーダンスを指す。このとき、２次コイルに接続される負荷の有無は問わない。さらに、「交流電源の出力インピーダンスと共鳴系の入力インピーダンスとが整合する」とは、両インピーダンスが完全に一致することだけでなく、非接触電力伝送装置として所望の性能（電力伝送効率等）を達成する範囲内で、例えば、共鳴系の入力インピーダンスと交流電源の出力インピーダンスとの差が、交流電源の出力インピーダンスに対して±１０％の範囲内、好ましくは±５％の範囲内であることも意味する。
【０００６】
この発明では、交流電源の出力インピーダンスと共鳴系の入力インピーダンスとが整合されているため、交流電源から効率良く電力を共鳴系に供給することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記交流電源は、前記共鳴系の入力インピーダンスと周波数との関係をグラフにした場合の極大点と極小点との間に存在するインピーダンスに対応する周波数の交流電圧を前記１次コイルに印加する。この発明では、１次コイルに供給された電力を効率良く負荷に伝送できる。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記交流電源は、前記共鳴系の入力インピーダンスが周波数の増加に伴い減少する範囲内の周波数の交流電圧を前記１次コイルに印加する。この発明では、１次コイルに供給された電力を効率良く負荷に伝送できる。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、交流電源から交流電圧が印加される１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、負荷が接続される２次コイルとを有する共鳴系を備える非接触電力伝送装置の設計方法である。そして、前記交流電源から前記１次コイルへ印加する交流電圧の周波数を設定した後、当該周波数で前記交流電源の出力インピーダンスと前記共鳴系の入力インピーダンスとが整合するように前記１次コイルのインピーダンスを設定する。
【０００９】
この発明は、実験を通して発明者らが得た「１次コイルのインピーダンスを変えても共鳴系全体の電力伝送特性に影響を及ぼさない」との知見に基づく。すなわち、非接触電力伝送装置を設計する際に、先ず共鳴系の電力伝送特性（例えば、電力伝送効率が最大となる周波数）に基づき、交流電源から１次コイルに印加される交流電圧の周波数が設定される。次にその周波数で交流電源の出力インピーダンスと共鳴系の入力インピーダンスとが整合（マッチング）するように１次コイルのインピーダンスが設定される。このとき、１次コイルのインピーダンスを変えても共鳴系の電力伝送特性には影響を及ぼさないので、整合後に再度共鳴系や交流電源の交流周波数等を調整する必要がない。したがって、交流電源から効率良く共鳴系に電力を供給できる非接触電力伝送装置を提供できる。また、交流電源の出力インピーダンスと共鳴系の入力インピーダンスとの整合も容易になる。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記交流電源から前記１次コイルに印加する交流電圧の周波数として、前記共鳴系の入力インピーダンスと周波数との関係を調べて入力インピーダンスと周波数との関係をグラフにした場合の極大点と極小点との間の周波数を採用する。この発明では、１次コイルに供給された電力を効率良く負荷に伝送できる。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記交流電源から前記１次コイルに印加する交流電圧の周波数として、前記共鳴系の入力インピーダンスが周波数の増加に伴い減少する範囲内の周波数を採用する。この発明では、１次コイルに供給された電力を効率良く負荷に伝送できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、交流電源から電力を効率良く共鳴系に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、非接触電力伝送装置１０は、交流電源１１から供給される電力を非接触で伝送する共鳴系１２を備える。共鳴系１２は、交流電源１１に接続される１次コイル１３と、１次側共鳴コイル１４と、２次側共鳴コイル１５と、２次コイル１６とを有する。２次コイル１６は負荷１７に接続されている。
【００１４】
交流電源１１から１次コイル１３に交流電圧を印加することにより１次コイル１３に磁場を発生させる。この磁場を１次側共鳴コイル１４と２次側共鳴コイル１５とによる磁場共鳴により増強し、増強された２次側共鳴コイル１５付近の磁場から２次コイル１６で電磁誘導を利用して電力を取り出し負荷１７に供給する。
【００１５】
１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６は電線により形成されている。コイルの径や巻数は、伝送しようとする電力の大きさ等に対応して適宜設定される。この実施形態では１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６は、同じ径に形成されている。
【００１６】
交流電源１１は、交流電圧を出力する電源である。交流電源１１の出力交流電圧の周波数、即ち、交流電源１１の交流周波数は自由に変えられるようになっている。したがって、共鳴系１２に印加される交流電圧の周波数は自由に変えることができる。
【００１７】
次に前記のように構成された非接触電力伝送装置１０の設計方法を説明する。
この設計方法は、先ず、共鳴系１２を構成する１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５の仕様を設定する。仕様としては、例えば、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５を構成する電線の材質の他に電線の太さ、コイルの径、巻数、両共鳴コイル間距離等の両共鳴コイルを製作、設置するのに必要な値がある。次に、１次コイル１３及び２次コイル１６の仕様を設定する。仕様としては、両コイル１３，１６を構成する電線の材質の他に電線の太さ、コイルの径、巻数がある。通常は電線として銅線が使用される。
【００１８】
次に設定された仕様で１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６を形成するとともに、共鳴系１２を組み立てる。そして、交流電源１１から１次コイル１３に印加する交流電圧の周波数を変更しながら、その共鳴系１２の入力インピーダンス（１次コイル１３の両端で測定した共鳴系１２全体のインピーダンス）を測定する。また、負荷１７を２次コイル１６に接続した状態で交流電源１１の交流周波数を変えながら、例えば、交流周波数に対する電力伝送効率、伝送電力等必要な共鳴系１２の電力伝送特性を測定する。そして、所望の電力伝送特性が得られる交流周波数を駆動周波数として設定する。
【００１９】
次にその駆動周波数で交流電源１１の出力インピーダンスと共鳴系１２の入力インピーダンスとが整合するように１次コイル１３のインピーダンスを調整する。具体的には、１次コイル１３のコイル径、巻数、巻線間隔等を調整する。
【００２０】
交流電源１１の出力インピーダンスと共鳴系１２の入力インピーダンスとを整合させるとき、両インピーダンスが完全に一致することが最も望ましいが、例えば、非接触電力伝送装置１０の電力伝送効率８０％以上、または、１次コイル１３から交流電源１１への反射電力が５％以下等、所望の性能を達成する範囲内での差異は許容される。例えば、共鳴系１２の入力インピーダンスと交流電源１１の出力インピーダンスとの差が、交流電源１１の出力インピーダンスに対して±１０％の範囲内、好ましくは±５％の範囲内であっても、両インピーダンスが「整合した」とする。
【００２１】
この設計方法は、実験を通して発明者らが得た「１次コイルのインピーダンスを変えても共鳴系全体の電力伝送特性には影響を及ぼさない」との知見に基づく。したがって、共鳴系１２の電力伝送特性の設計と、交流電源１１の出力インピーダンス及び共鳴系１２の入力インピーダンスの整合とを独立に行うことができる。
【００２２】
共鳴系１２を構成する各コイルの電線としてサイズが０．５ｓｑ（平方ｍｍ）の自動車用薄肉ビニル絶縁低圧電線（ＡＶＳ線）を使用して、１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６を次の仕様で形成した。
【００２３】
１次コイル１３及び２次コイル１６：巻数…２巻、径…直径１５０ｍｍ、密巻
両共鳴コイル１４，１５：巻数…４５巻、径…直径１５０ｍｍ、密巻、両端開放
共鳴コイル間距離：２００ｍｍ
そして、負荷１７として５０Ωの抵抗を接続して、入力電圧として１０Ｖｐｐ（振幅５Ｖ）の正弦波１ＭＨｚ〜７ＭＨｚを１次コイル１３に供給して、１次コイル１３のインピーダンス及び共鳴系１２の入力インピーダンス並びに電力伝送効率ηを測定した。また、１次コイル１３のインピーダンスの影響を調べるため、１次コイル１３以外のコイルの仕様は変更せずに、１次コイル１３の巻数を１巻及び４巻に変更した共鳴系１２に対しても同じ条件で同じ測定を行った。測定結果を、横軸が周波数、縦軸がインピーダンス又は電力伝送効率ηを表すグラフにしたものを図２、図３及び図４に示す。図２〜図４では電力伝送効率ηを単に効率ηとして示している。なお、電力伝送効率ηは負荷での消費電力の１次コイルへの入力電力に対する割合を表し、％で示す場合は、次のようにして求められる。
【００２４】
電力伝送効率η＝（負荷での消費電力／１次コイルへの入力電力）×１００［％］
図２〜図４の結果から次のことが言える。
１．１次コイル１３のインピーダンスＺ１は、巻数に拘わらず周波数が１ＭＨｚから７ＭＨｚまで増加するに伴って単調増加し、増加率は周波数の低い方が大きいことを確認することができる。
【００２５】
２．共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎは、２ＭＨｚ以下及び６ＭＨｚ以上では１次コイル１３のインピーダンスとほぼ一致するように変化し、共鳴周波数付近においては並列共振、直列共振が順に生じて、極大点Ｐｍａｘ及び極小点Ｐｍｉｎが生じるように変化する。
【００２６】
３．電力伝送効率ηは、１次コイル１３の巻数に拘わらずほぼ同じ周波数で最大になる。ここで、電力伝送効率ηが最大になる周波数をその共鳴系１２における共鳴周波数と定義する。
【００２７】
４．共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎの極大点Ｐｍａｘ及び極小点Ｐｍｉｎが生じる周波数の値は１次コイル１３の巻数に拘わらずほぼ一定になる。
５．共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎが極大点Ｐｍａｘとなる周波数と極小点Ｐｍｉｎとなる周波数の間の周波数で、電力伝送効率ηが高くなる。特に、この周波数範囲内であって、共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎと１次コイル１３のインピーダンスＺ１とが等しくなる周波数付近で電力伝送効率ηが最大となる。
【００２８】
６．共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎが周波数の増加に伴い減少する周波数の範囲内で、電力伝送効率が高くなる。特に、この周波数範囲内であって、共鳴系の入力インピーダンスＺｉｎと１次コイル１３のインピーダンスＺ１とが等しくなる周波数付近で電力伝送効率ηが最大となる。
【００２９】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。  
（１）非接触電力伝送装置１０は、交流電源１１から交流電圧を印加される１次コイル１３と、１次側共鳴コイル１４と、２次側共鳴コイル１５と、負荷１７が接続される２次コイル１６とを有する共鳴系１２を備えている。そして、交流電源１１の出力インピーダンスと共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎとが整合されている。したがって、交流電源１１から効率良く電力を共鳴系１２に供給することができる。また、共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎと交流電源１１の出力インピーダンスとを整合させる際に、共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎに代えて１次コイル１３のインピーダンスＺ１のみを測定すればよい。したがって、容易に両インピーダンスを整合させることができる。
【００３０】
（２）交流電源１１は、共鳴系１２における入力インピーダンスＺｉｎが極大点Ｐｍａｘとなる周波数と極小点Ｐｍｉｎとなる周波数との間の周波数の交流電圧を１次コイル１３に印加する。したがって、共鳴系１２の電力伝送効率ηが高くなる。特に、このような周波数の範囲内であって、共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎと１次コイル１３のインピーダンスＺ１とが等しくなる周波数の交流電圧を１次コイルに印加した場合、共鳴系１２の電力伝送効率ηは最大となる。
【００３１】
（３）交流電源１１は、共鳴系１２における入力インピーダンスＺｉｎが周波数の増加に伴い減少する範囲内の周波数の交流電圧を１次コイル１３に印加する。したがって、共鳴系１２の電力伝送効率ηが高くなる。特に、このような周波数の範囲内であって、共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎと１次コイル１３のインピーダンスＺ１とが等しくなる周波数の交流電圧を１次コイル１３に印加した場合、共鳴系１２の電力伝送効率ηは最大となる。
【００３２】
（４）１次コイル１３のインピーダンスＺ１を変更しても共鳴系１２の共鳴周波数は変化しない。したがって、１次コイル１３のインピーダンスＺ１を調整するだけで、共鳴周波数を変化させずに、交流電源１１の出力インピーダンスと共鳴系１２の入力インピーダンスＺｉｎとを整合することができ、非接触電力伝送装置１０の設計、調整が容易となる。
【００３３】
（５）１次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６は同じ径に形成されている。したがって、１次コイル１３及び１次側共鳴コイル１４を一つの筒に巻くことで入力側の両コイルを容易に製作することができ、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６を一つの筒に巻くことで出力側の両コイルを容易に製作することができる。
【００３４】
（６）前記非接触電力伝送装置１０の設計方法は、交流電源１１から１次コイル１３へ印加する交流電圧の周波数を設定した後、当該周波数で交流電源１１の出力インピーダンスと共鳴系１２の入力インピーダンスとが整合するように１次コイル１３のインピーダンスを設定する。このとき、１次コイル１３のインピーダンスを変えても共鳴系１２の電力伝送特性には影響を及ぼさないので、整合後に再度共鳴系１２や交流電源１１の交流周波数等を調整する必要がない。したがって、交流電源１１から効率良く共鳴系１２に電力を供給できる非接触電力伝送装置１０を提供できる。また、交流電源１１の出力インピーダンスと共鳴系１２の入力インピーダンスとの整合も容易になる。
【００３５】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  １次コイル１３のインピーダンスＺ１を調整する場合、１次コイル１３の巻数を変更したり、径を変更したり、電線の太さを変更したり、電線の材質を変更したりすることで対応することができる。しかし、コイルの巻数及び径を変更するのが簡単である。
【００３６】
○  電線を巻回してコイルを形成する場合、コイルは円筒状に限らない。例えば、三角筒状、四角筒状、六角筒状等の多角筒状や楕円筒状等の単純な形状の筒状としたり、対称図形ではなく他の異形断面の筒状としたりしてもよい。
【００３７】
○  １次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５は、電線が筒状に巻回されたコイルに限らず、例えば、図５に示すように、電線が一平面上で周回するように巻回された形状としてもよい。
【００３８】
○  コイルは、電線が密巻されて隣接する巻回部が接触する構成でも、巻回部が接触しないように巻回部の間隔を空けて電線が巻回された構成であってもよい。
○  １次コイル１３、１次側共鳴コイル１４、２次側共鳴コイル１５及び２次コイル１６が全て同じ径に形成されている必要はない。例えば、１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５は同じ径で、１次コイル１３及び２次コイル１６は異なる径としてもよい。
【００３９】
○  非接触電力伝送装置１０の設計方法は、共鳴系１２を構成する１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５の仕様を設定した後、交流電源１１の仕様を設定し、その交流電源１１の出力インピーダンスと共鳴系１２の入力インピーダンスが整合するように１次コイル１３のインピーダンスを設定する方法に限らない。例えば、先ず、交流電源１１の仕様を設定し、その仕様に合わせて共鳴系１２を構成する１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５の仕様及び１次コイル１３のインピーダンスを設定してもよい。交流電源１１の仕様を共鳴系１２の仕様より先に設定するということは、共鳴系１２の仕様を設定する際に、共鳴周波数が決められた状態で１次側共鳴コイル１４及び２次側共鳴コイル１５を構成する電線の材質、電線の太さ、コイルの径、巻数、両共鳴コイル間距離等の値を設定することになる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施形態の非接触電力伝送装置の構成図。
【図２】１次コイルの巻数１巻の場合における１次コイル単体のインピーダンス、共鳴系の入力インピーダンス及び電力伝送効率と周波数との関係を示すグラフ。
【図３】１次コイルの巻数２巻の場合における１次コイル単体のインピーダンス、共鳴系の入力インピーダンス及び電力伝送効率と周波数との関係を示すグラフ。
【図４】１次コイルの巻数４巻の場合における１次コイル単体のインピーダンス、共鳴系の入力インピーダンス及び電力伝送効率と周波数との関係を示すグラフ。
【図５】別の実施形態の入力側共鳴コイル及び出力側共鳴コイルの模式図。
【図６】従来技術の非接触電力伝送装置の構成図。
【符号の説明】
【００４１】
Ｐｍａｘ…極大点、Ｐｍｉｎ…極小点、１０…非接触電力伝送装置、１１…交流電源、１２…共鳴系、１３…１次コイル、１４…１次側共鳴コイル、１５…２次側共鳴コイル、１６…２次コイル、１７…負荷。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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