(57)【要約】本発明は、共振周波数の変化にも送信効率の安定性を維持する給集電システムに関し、共振周波数の変化に応じて電圧または電流が変化する状況でも給電装置から集電装置への電力送信の効率における安定性を維持する給集電システムに関する。本発明によると、給集電システムのＱファクターを低い値に設定することで、共振周波数の変化に応じて電圧または電流が変化する状況でも給電装置から集電装置への電力送信の効率における安定性を維持させる給集電システムを提供する効果がある。
2014535254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体に磁気誘導方式で電力を供給する給電装置であって、
磁場を特定方向に形成させるための磁極を備える給電コアと、
給電コアの互いに隣接する磁極が異なる極性を有するように配置されて電流が流れる給電コイルと、
を含み、
前記給電コイルの電流によるＱファクターは１００未満であり、
前記Ｑファクターは
【数２１】
2014535254.tif 000023
によって決定され、
前記ｗは前記給電コイルの電流の各周波数であり、
前記Ｌｓは前記給電コイルのインダクタンスであり、
前記Ｒｓは前記給電コイルの抵抗であることを特徴とする給電装置。
【請求項２】
移動体に磁気誘導方式で電力を供給する給電装置であって、
移動体の進行方向と平行に互いに並んでいる複数の磁極を備える給電コアと、
移動体の進行方向に沿って延びて配置され、移動体の進行方向に垂直の面で前記給電コアの互いに隣接する磁極が異なる極性を有するように電流が流れる給電コイルと、
を含み、
前記給電コイルの電流によるＱファクターは１００未満であり、
前記Ｑファクターは
【数２２】
2014535254.tif 000024
によって決定され、
前記ｗは前記給電コイルの電流の各周波数であり、
前記Ｌｓは前記給電コイルのインダクタンスであり、
前記Ｒｓは前記給電コイルの抵抗であることを特徴とする給電装置。
【請求項３】
前記磁極の移動体の進行方向と垂直の断面は「Ｕ」状の形態を有し、
前記給電コイルは、前記Ｕ状の磁極内部に移動体の進行方向と平行するように配置されることを特徴とする請求項２に記載の給電装置。
【請求項４】
前記磁極の移動体の進行方向と垂直の断面は２つの「Ｕ」状が左右に隣接した形態を有し、
前記給電コイルは、前記各Ｕ状の磁極内部に移動体の進行方向と平行するように配置されることを特徴とする請求項２に記載の給電装置。
【請求項５】
前記給電コアは、移動体の進行方向と平行に互いに並んでいる複数の磁極を備える給電モジュールが移動体の進行方向に沿って直列に配置される形態であることを特徴とする請求項２に記載の給電装置。
【請求項６】
移動体に磁気誘導方式で電力を供給する給電装置であって、
移動体の進行方向に沿って直列に配置された１つ以上の磁極を備える給電コアと、
前記磁極左右で移動体の進行方向と並んで前記磁極の間で互いに交差するように配置され、移動体の進行方向に沿って前記給電コアの互いに隣接する磁極が異なる極性を有するように電流が流れる給電コイルと、
を含み、
前記給電コイルの電流によるＱファクターは１００未満であり、
前記Ｑファクターは
【数２３】
2014535254.tif 000025
によって決定され、
前記ｗは前記給電コイルの電流の各周波数であり、
前記Ｌｓは前記給電コイルのインダクタンスであり、
前記Ｒｓは前記給電コイルの抵抗であることを特徴とする給電装置。
【請求項７】
前記磁極の移動体の進行方向に垂直である断面は「Ｉ」状であり、
前記給電コイルは、前記各磁極の左右で移動体の進行方向と並んで前記各磁極の間で互いに交差するように配置され、
前記各磁極の左右の給電コイルには互いに反対方向の電流が流れることを特徴とする請求項６に記載の給電装置。
【請求項８】
道路の進行方向に設けられた一字型の磁気遮蔽部材をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の給電装置。
【請求項９】
前記給電コアは、移動体の進行方向に沿って直列に配置された１つ以上の磁極を備える給電モジュールが移動体の進行方向に沿って直列に列をなすように配置される形態であることを特徴とする請求項６に記載の給電装置。
【請求項１０】
前記各給電モジュールは、前後両端にコア接続部を備え、
各給電コアモジュールは、前記コア接続部によって接続されて再び進行方向に沿って直列に列をなすように配置されることを特徴とする請求項９に記載の給電装置。
【請求項１１】
前記給電コアは熱膨張及び熱収縮を収容できるように、一定間隔に離隔された状態に配置されることを特徴とする請求項９に記載の給電装置。
【請求項１２】
前記給電コアは、上部または下部にガラス繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ：ＦＲＰ）が設けられることを特徴とする請求項９に記載の給電装置。
【請求項１３】
前記給電コアは、移動体の進行方向に垂直の幅が前記磁極中心間の間隔の２分の１以下であることを特徴とする請求項６に記載の給電装置。
【請求項１４】
前記磁極の移動体の進行方向への長さは、前記隣接する磁極の隣接端部間の距離の２倍以上であることを特徴とする請求項６に記載の給電装置。
【請求項１５】
移動体の進行経路に沿って設けられた給電装置から磁気誘導方式で電力が供給される移動体に設けられた集電装置であって、
移動体の下段に給電装置と一定間隔に離隔して設けられる集電コアと、
給電装置から誘導された誘導電流が流れるように前記集電コアにループ形態に設けられた集電コイルと、
を含み、
前記集電コイル電流によるＱファクターは１００未満であり、
前記Ｑファクターは
【数２４】
2014535254.tif 000026
によって決定され、
前記ｗは前記集電コイル電流の各周波数であり、
前記ＬＬは前記集電コイルのインダクタンスであり、
前記ＲＬは前記集電コイルの抵抗であることを特徴とする集電装置。
【請求項１６】
前記集電コアは平板型または格子型であることを特徴とする請求項１５に記載の集電装置。
【請求項１７】
集電コア周囲にループ型の磁気遮蔽部材をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の集電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振周波数の変化にも送信効率の安定性を維持する給集電システムに関し、共振周波数の変化に応じて電圧または電流が変化する状況でも給電装置から集電装置への電力送信の効率における安定性を維持する給集電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の無線電力送信装置において、給電装置と集電装置との間の最適な電力伝達のために給電装置と集電装置の位置を正確に固定してＱファクター（ｆａｃｔｏｒ）値を増大させることで最大の電力送信の効率を取得するための装置が提案されている。しかし、システムの共振周波数は製作時の工程に応じて変わり、使用する部品の誤差などによって変わり得る。特に、給電装置が埋設された道路上を走行し、これから電力が供給される無線充電電気自動車の場合、給電装置は固定されているが集電装置の位置を正確に固定することが極めて難しく、また、車に集電装置が２以上装着されて追加に集電する場合も発生することがある。この場合において、システムの共振周波数が変わることがあり、それによって給電装置から集電装置への電力送信の効率が大きく低下する問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は上記のような問題を解決するために創案されたものであり、給集電システムのＱファクターを低い値に設定することで、共振周波数の変化に応じて電圧または電流が変化する状況でも給電装置から集電装置への電力送信の効率における安定性を維持させる給集電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前述した目的を達成するために、本発明に係る移動体に磁気誘導方式で電力を供給する給電装置は、磁場を特定方向に形成させるための磁極を備える給電コアと、給電コアの互いに隣接する磁極が異なる極性を有するように配置されて電流が流れる給電コイルとを含み、前記給電コイルの電流によるＱファクターは１００未満であり、前記Ｑファクターは
【０００５】
【数１】
2014535254.tif 000003
によって決定され、前記ｗは前記給電コイルの電流の各周波数であり、前記Ｌｓは前記給電コイルのインダクタンスであり、前記Ｒｓは前記給電コイルの抵抗である。
【０００６】
本発明の他の側面によると、移動体に磁気誘導方式で電力を供給する給電装置は、移動体の進行方向と平行に互いに並んでいる複数の磁極を備える給電コアと、移動体の進行方向に沿って延びて配置され、移動体の進行方向に垂直の面で前記給電コアの互いに隣接する磁極が異なる極性を有するように電流が流れる給電コイルとを含み、前記給電コイルの電流によるＱファクターは１００未満であり、前記Ｑファクターは
【０００７】
【数２】
2014535254.tif 000004
によって決定され、前記ｗは前記給電コイルの電流の各周波数であり、前記Ｌｓは前記給電コイルのインダクタンスであり、前記Ｒｓは前記給電コイルの抵抗である。
【０００８】
前記磁極の移動体の進行方向と垂直の断面は「Ｕ」状の形態を有し、前記給電コイルは、前記Ｕ状の磁極内部に移動体の進行方向と平行するように配置されていてもよい。
【０００９】
前記磁極の移動体の進行方向と垂直の断面は２つの「Ｕ」状が左右隣接した形態を有し、前記給電コイルは、前記各Ｕ状の磁極内部に移動体の進行方向と平行するように配置されていてもよい。
【００１０】
前記給電コアは、移動体の進行方向と平行に互いに並んでいる複数の磁極を備える給電モジュールが移動体の進行方向に沿って直列に配置される形態であってもよい。
【００１１】
本発明の更なる側面によると、移動体に磁気誘導方式で電力を供給する給電装置は、移動体の進行方向に沿って直列に配置された１つ以上の磁極を備える給電コアと、前記磁極左右で移動体の進行方向と並んで前記磁極の間で互いに交差するように配置され、移動体の進行方向に沿って前記給電コアの互いに隣接する磁極が異なる極性を有するように電流が流れる給電コイルとを含み、前記給電コイルの電流によるＱファクターは１００未満であり、前記Ｑファクターは
【００１２】
【数３】
2014535254.tif 000005
によって決定され、前記ｗは前記給電コイルの電流の各周波数であり、前記Ｌｓは前記給電コイルのインダクタンスであり、前記Ｒｓは前記給電コイルの抵抗である。
【００１３】
前記磁極の移動体の進行方向に垂直である断面は「Ｉ」状であり、前記給電コイルは、前記各磁極の左右で移動体の進行方向と並んで前記各磁極の間で互いに交差するように配置され、前記各磁極の左右の給電コイルには互いに反対方向の電流が流れることが好ましい。
【００１４】
前記給電装置は、道路の進行方向に設けられた一字型の磁気遮蔽部材をさらに含んでいてもよい。
【００１５】
前記給電コアは、移動体の進行方向に沿って直列に配置された１つ以上の磁極を備える給電モジュールが移動体の進行方向に沿って直列に列をなすように配置される形態であってもよい。
【００１６】
前記各給電モジュールは、前後両端にコア接続部を備え、各給電コアモジュールは、前記コア接続部によって接続されて再び進行方向に沿って直列に列をなすように配置されていてもよい。
【００１７】
前記給電コアは熱膨張及び熱収縮を収容できるように、一定間隔に離隔された状態に配置されていてもよい。
【００１８】
前記給電コアは、上部または下部にガラス繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ：ＦＲＰ）が設けられていてもよい。
【００１９】
前記給電コアは、移動体の進行方向に垂直の幅が前記磁極中心間の間隔の２分の１以下であってもよい。
【００２０】
前記磁極の移動体の進行方向への長さは、前記隣接する磁極の隣接端部間の距離の２倍以上であることが好ましい。
【００２１】
本発明の更なる側面によると、移動体の進行経路に沿って設けられた給電装置から磁気誘導方式で電力が供給される移動体に設けられた集電装置は、移動体の下段に給電装置と一定間隔に離隔して設けられる集電コアと、給電装置から誘導された誘導電流が流れるように前記集電コアにループ形態に設けられた集電コイルとを含み、前記集電コイル電流によるＱファクターは１００未満であり、前記Ｑファクターは
【００２２】
【数４】
2014535254.tif 000006
によって決定され、前記ｗは前記集電コイル電流の各周波数であり、前記ＬＬは前記集電コイルのインダクタンスであり、前記ＲＬは前記集電コイルの抵抗である。
【００２３】
前記集電コアは平板型または格子型であってもよい。
【００２４】
前記集電装置は、集電コア周囲にループ型の磁気遮蔽部材をさらに含んでいてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によると、給集電システムのＱファクターを低い値に設定することで、共振周波数の変化に応じて電圧または電流が変化する状況でも給電装置から集電装置への電力送信の効率における安定性を維持させる給集電システムを提供する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電気自動車における無線電力送信システムの構成を示す図である。
【図２】給電装置及び集電装置の模式図である。
【図３】給電装置及び集電装置を正面から観測した断面図である。
【図４】電気自動車に適用された集電装置の断面構造を示す図である。
【図５】共振状態における磁場形状化技術を適用しない状態における磁場分布図である。
【図６】共振状態における磁場形状化技術を適用した状態における磁場分布図である。
【図７】共振状態における磁場形状化技術を適用した後の磁場分布図を磁束密度ベクトルとして示す図である。
【図８】給電装置の電源で電流源を有する無線電力送信システムの等価回路を示す図である。
【図９】給電装置の電源で電圧源を有する無線電力送信システムの等価回路を示す図である。
【図１０】Ｉ型の給電装置の構造を示す図である。
【図１１】集電装置で集電コアを格子型に構成した場合の実施形態を示す図である。
【図１２】給電装置を曲げられた道路に施工しやすいよう磁極間隔の大きさにモジュール化した給電モジュールを示す図である。
【図ｌ３】給電装置の温度変化による膨張収縮の問題に対処した構造の一実施形態を示す図である。
【図１４】Ｗ型の給電装置の構造を示す図である。
【図１５】Ｉ型の給電装置と集電装置の磁気遮蔽方法を示す図である。
【図１６】給集電システムの共振周波数が２０ｋＨｚである場合に、動作周波数として２０ｋＨｚの電流信号が印加されたときの給電装置のＱファクター（Ｑｓ）による送信効率を示す図である。
【図１７】給集電システムの共振周波数が１８ｋＨｚである場合に、動作周波数として２０ｋＨｚの電流信号が印加されたときの給電装置のＱファクター（Ｑｓ）による送信効率を示す図である。
【図１８】給集電システムの共振周波数が２０ｋＨｚである場合に、動作周波数として２０ｋＨｚの電流信号が印加されたときの集電装置のＱファクター（ＱＬ）による送信効率を示す図である。
【図１９】給集電システムの共振周波数が１８ｋＨｚである場合に、動作周波数として２０ｋＨｚの電流信号が印加されたときの集電装置のＱファクター（ＱＬ）による送信効率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。説明の前に、本明細書及び請求範囲に用いられる用語や単語は、通常的であるか辞典的な意味として限定し解釈されてはならず、発明者は自身の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に基づいて本発明の技術的な思想に適する意味及び概念で解釈されなければならない。したがって、本明細書に記載された実施形態と図面に示した構成は本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想を全て代弁することはないため、本出願の時点において、これを代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
【００２８】
電力会社から製造された電源（図面で６０Ｈｚ）がインバータに印加され、インバータは無線電力送信周波数（図面で２０ｋＨｚ）の電流を発生する。発生した電流は、給電装置の給電コイル１２０を介して流れるが、これによって磁場が発生し、発生した磁場の一部は集電装置１３１内の集電コイルによって電力を発生させる。発生した電力は、レギュレーター１３２を経てバッテリ１３３を充電してモータ１３４を駆動するために用いられる。
【００２９】
これについて詳細に説明すると、電力の供給を担当するソース（ｓｏｕｒｃｅ）インバータ１１０では、無線電力送信周波数帯域の信号を生成する機能を果たす。無線で電力を送信する給電装置は給電コイル１２０が一種の送信アンテナの役割を果たし、金属またはフェライト（ｆｅｒｒｉｔｅ）のような非金属磁性体などによって磁場の形を決定する磁場形状化（Ｓｈａｐｅｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＳＭＦＩＲ）の技術が必須である。電力を受ける送信端の集電装置１３１の主な要素は集電コイルであり、集電装置においても純粋な集電コイルだけでは磁場の経路を所望する形態で製造することが困難であるため、給電装置と同様に金属または非金属磁性体を用いる集電コアによってＳＭＦＩＲ技術を適用する。負荷（Ｌｏａｄ）は電気自動車の場合にモータ１３４またはバッテリ１３３で構成され、生成された電力を消費することになる。
【００３０】
図２は、給電装置及び集電装置の模式図である。
【００３１】
地下に埋設された給電コア２１１上の給電コイル２１２に電流が流れると磁場が発生し、発生した磁場が集電装置の集電コア２２１に巻回された集電コイル２２２を通過すれば、これによって集電コイルの両終端に電圧が誘導（誘導起電力）される。したがって、集電装置の両終端にバッテリ、モータのような抵抗性負荷を接続すれば電力が負荷で消耗される。
【００３２】
図３は、給電装置及び集電装置を正面から観測した断面図である。
【００３３】
給電装置の給電コア３１１が図面に示すように平板型であるため磁場の方向を一定の方向に集中させがたい形状である場合、地下に埋設された給電コイル３１２から発生した磁場は集電コイル３２２を通過し、矢印１０に示すように全体的に大きなループを形成する。このような場合、集電装置への集中した電力伝達能力が低下する。磁場の伝達方向を調整するための給電コア３１１及び集電コア３２１はフェライトを使用してもよい。このように磁性体フェライトを用いた磁場形状の調節は、共振状態における磁場形状化（Ｓｈａｐｅｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＳＭＦＩＲ）技術には必須要素である。
【００３４】
図４は、電気自動車２０に適用された集電コア４２１及び集電コイル４２２の断面構造を示す図である。
【００３５】
道路の下には平板型の給電コア４１１及び給電コイル４１２が埋設されている。
【００３６】
図５は、共振状態における磁場形状化（ＳＭＦＩＲ）の技術を適用していない状態における磁場分布図である。
【００３７】
ＳＭＦＩＲ技術が適用されない場合、電流の流れる給電コイル５１０を中心に３６０度の全方向に磁場が形成されて全体磁場はそれぞれの電線による磁場の和からなる。給電装置（送信コイル）と集電装置（受信コイル）がそれぞれ全体的に丸い形態の磁場分布が現れ、全体的には２つの円が隣接する形態に磁場分布が形成される。
【００３８】
図６は、共振状態における磁場形状化（ＳＭＦＩＲ）技術を適用した状態における磁場分布図である。
【００３９】
磁性体を用いたＳＭＦＩＲ技術が適用された後には、磁場が３６０度の全方向に放射されず、磁性体のある箇所は磁場が形成されやすく、そうでない箇所には磁場が形成され難い。下記の図に示すように一部の位置６１０に磁場が特定形にしたがって平たく形成されることは、その位置に磁性体があるからである。このような技術は、根本的に磁場形成を通した電力の伝達経路をつくることによって電力の伝達容量及び効率を向上させる機能を果たす。また、車の下部に集電装置を設ける場合のように、制限された空間（高さ）に集電装置を設ける場合は、磁場が全方向に延び、他の装置や材料に影響を与えることを防げるために、漏洩磁場による渦電流（ｅｄｄｙ  ｃｕｒｒｅｎｔ）とこれによる熱発生を予防することができ、また、磁場が人体に及ぼす影響を最小化するための根本的な対策となる。
【００４０】
図７は、共振状態における磁場形状化（ＳＭＦＩＲ）技術を適用した後の磁場分布図を磁束密度ベクトルとして示す図である。
【００４１】
ＳＭＦＩＲ技術が適用された後、磁場は全方向に幅広く広がることなく形状化された経路に沿う。下記の図は給電装置と集電装置にＳＭＦＩＲ技術が適用された後の磁場分布をベクトルに示した図である。上方に向かった「Ｕ」状の構造物７１０は車の車体である金属板であり、このように車の下部に集電装置が装着される場合は、ＳＭＦＩＲ技術が適用されることで車に直接入る磁場を防止する。磁場が金属板に垂直入射されると渦電流によって熱が発生することになるが、車のように大きい電力を用いるシステムではこの熱が大きい制約となる。ＳＭＦＩＲ技術を適用すれば、磁場が金属板に届かないように磁場を形状化できるという大きい長所がある。
【００４２】
ループ形状を示す矢印のうち左側の太い矢印７２０は給電装置から集電装置に伝えられる磁場の経路を示すものである。このようにＳＭＦＩＲ技術は磁場の経路を設計者が希望する形態に製造することで集電容量及び集電効率を向上させ、右側への矢印７３０で大きく現れる漏洩磁場を減らす役割も行うため、磁場の人体影響に対する問題も根本的に減少させ得る。
【００４３】
図８は、給電装置の電源で電流源を有する無線電力送信システムの等価回路を示す図であり、図９は、給電装置の電源に電圧源を有する無線電力送信システムの等価回路を示す図である。
【００４４】
以下は図９を中心に電力送信の効率を算出する式を誘導する。
【００４５】
左側９１０は給電装置の等価回路、右側９２０は集電装置の等価回路を示す。給電装置等価回路のＱファクターをＱｓ、集電装置等価回路のＱファクターをＱＬとする。
【００４６】
給電装置等価回路９１０において、
【００４７】
【数５】
2014535254.tif 000007
集電装置等価回路９２０において、
【００４８】
【数６】
2014535254.tif 000008
数式（２）から、
【００４９】
【数７】
2014535254.tif 000009
数式（３）を上記数式（１）に代入して、
【００５０】
【数８】
2014535254.tif 000010
一方、集電装置等価回路９２０の電力は
【００５１】
【数９】
2014535254.tif 000011
であり、ここに上記数式（４）を代入すると、
【００５２】
【数１０】
2014535254.tif 000012
一方、給電装置等価回路９１０の電力は
【００５３】
【数１１】
2014535254.tif 000013
であり、ここに上記数式（３）、（４）を代入すると、
【００５４】
【数１２】
2014535254.tif 000014
これにより給電装置から集電装置への無線電力送信の効率を示す電力送信関数Ｋ（ｐｏｗｅｒ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は、
【００５５】
【数１３】
2014535254.tif 000015
に誘導される。
【００５６】
これにより、
【００５７】
【数１４】
2014535254.tif 000016
ここに、Ｑファクター
【００５８】
【数１５】
2014535254.tif 000017
を適用し、給電装置等価回路９１０及び集電装置等価回路９２０の共振周波数（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）
【００５９】
【数１６】
2014535254.tif 000018
を適用すると、
【００６０】
【数１７】
2014535254.tif 000019
一方、
【００６１】
【数１８】
2014535254.tif 000020
が成立するが、ここで、ｋは、ＬｓとＬＬがどのような関連性をもっているかを示す結合係数（ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を示す。これにより、
【００６２】
【数１９】
2014535254.tif 000021
が成立する。これを上記数式（８）に代入すると、
【００６３】
【数２０】
2014535254.tif 000022
が成立する。
【００６４】
図１０は、Ｉ型の給電装置の構造を示す図である。
【００６５】
給電装置は移動体に磁気誘導方式で電力を供給し、集電装置は移動体に付着して給電装置から磁気誘導方式で電力を集電し、バッテリなどを充電する装置である。本発明の図面にはＩ型の給電装置及びこれにより電力を集電する集電装置の平面図３１、側面図３２、及び正面図３３が断面図の形態に図示されている。
【００６６】
本発明の図面はＩ型の給電装置の一実施形態として、給電装置が道路１に埋設される場合を示す。
【００６７】
Ｉ型の給電装置は、移動体の進行方向に沿って直列に複数配置された磁極１０１２を備える給電コア１０１１、移動体の進行方向に沿って前記給電コアの互いに隣接する磁極１０１２が他の極性を有するように、すなわち、Ｎ極及びＳ極が交代に発生するよう配置される給電線１０２０を含む。本発明の図面における実施形態の場合、２つの給電線１０２０には互いに反対方向の電流が流れ、そのために側面図３２に示すように、連続する磁極１０１２の上側で互いに反対方向の磁場５０が発生することによってＮ極及びＳ極が交代に発生する。このような方式で、その上を走行する移動体に磁気誘導方式に基づいて電力を供給し、集電装置１０４０はこれにより電力を集電する。「Ｉ型」とは、正面図３３に示すように、磁極１０１２の断面がＩ状を有するからである。もちろん、若干の変形や改善された他の形態も可能であり、これを通称して「Ｉ型」と称することにする。
【００６８】
前記給電コアは、図面に示すように、移動体の進行方向に垂直である幅が前記磁極中心間の間隔の２分の１以下であることが好ましい。前述したように、図面に示す通りに磁極をＩ型にすることによって磁極の幅を著しく減らし、道路の進行方向にＮ極及びＳ極が交代に発生するようにし、給電線路の左右側におけるＥＭＦを著しく減らすだけではなく、給電線路の設置費用も減らし得る。また、このようにしながらも埋設された給電装置と車の下部に設けられた集電装置間の距離、すなわち、孔隙間隔１０３１（図１１参照）を一定の間隔以上に維持し、伝えられる電力を適正に供給できる。また、このように狭いＩ型磁極を用いた狭い給電線路の幅によって車に設けられる集電装置の左右幅を減らすことで、そのような範囲で集電装置が一定の左右幅以上であれば、他の構造の給電線路に比べて左右許容偏差を大きくすることができるため、他の構造に比べて広い左右許容偏差の特性を取得できる効果もある。
【００６９】
また、図面に示すように、前記磁極の移動体の進行方向への長さは前記隣接する磁極の隣接する端部間の距離の２倍以上であることが好ましい。
【００７０】
一方、前記給電コアは、移動体の進行方向に沿って直列に配置された１つ以上の磁極を備える給電モジュールが移動体の進行方向に沿って直列に列をなすように配置された形態に構成してもよい。すなわち、磁極を備える給電コアがモジュール化されて各モジュールが直列に接続した形態であってもよい。
【００７１】
図１１は、集電装置１０５０で集電コア１０５１を格子（ｌａｔｔｉｃｅ）型に構成した場合の実施形態を示す図である。
【００７２】
このようにすると、集電コア１０５１の重さを減少させ得ると共に冷却に有利であり、機械的に堅い構造で製作できるという有利点がある。ここで、窓格子の間隔は、孔隙間隔１０３１の１／２以下に十分小さければ電気的な性能に大きい影響を及ぼさない。
【００７３】
図１２は、給電装置を曲げられた道路に施工しやすいよう磁極間隔の大きさにモジュール化した給電モジュールを示す図である。
【００７４】
各給電コアモジュールの平面図１２１０及び側面図１２２０が図示されている。給電コアモジュールの両側の終面には磁気回路的に接触面積が広く、機械的に簡便に締結可能な雄雌構造の接続部材１２１１、１２１２を備える。このように構成すれば、給電コアモジュールを現場で結合しながら左右方向に曲げられた道路に沿って少しずつ角度をずらしてやれば良い。給電コアモジュールが接続部材１２１１、１２１２によって結合された形態の平面図１２３０及び側面図１２４０が図示されている。また、本発明には図示されていないが、同じ原理で傾斜面などの上下方向に曲げられた道路に対しても施工可能なコアモジュールを構成してもよい。
【００７５】
図１３は、給電装置の温度変化による膨張・収縮の問題を対処する構造の一実施形態を示す図である。
【００７６】
給電装置が熱収縮した場合の平面図１３１０、側面図１３３０、及びその時の給電コアの長さ１３１１が図示され、また、熱膨張した場合の平面図１３２０、側面図１３４０、及びその時の給電コアの長さ１３２１、そして正面図１３５０が図示されている。
【００７７】
道路は、通常−２０〜＋８０℃の変化に耐えなければならないが、給電装置を構成する磁気材料やケーブル、ＦＲＰやＰＶＣ管などのケーブル保護器具、アスファルトやセメントなどが熱膨張し、また、熱膨張係数が異なることを勘案しなければならない。また、この過程で防水特性が良好に維持されなければならない。
【００７８】
したがって、各構造物は道路の進行方向に一定に断絶され、その接続面において防水を維持することが重要である。図１３は、給電コア１３３１間に道路の進行方向に同一の磁性材料からなる接続部材１３３２を備える場合を示している。また、ガラス繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ：ＦＲＰ）１３３３を断絶して締結するが、その締結部位をＯリング処理１３３４を行う場合を示している。ＦＲＰやＰＶＣ管の締結には収縮チューブやボンド接続などの方法を用いてもよい。また、毎回伸縮性の優れる接続部材で締結する必要はなく、数メートル〜数十メートルの単位で一回ずつ柔軟性のある接続部材を用いてもよい。ただし、一般的にケーブルは柔軟性があるため、通常、別の措置は不要である。
【００７９】
図１４は、Ｗ型の給電装置の構造を示す図である。
【００８０】
本発明の図面にはＷ型の給電装置及びこれによって電力を集電する集電装置の平面図４１、側面図４２、及び正面図４３が断面図の形態に図示されている。
【００８１】
本発明の図面はＷ型の給電装置の一実施形態として、道路１に埋設された場合を示す。
【００８２】
Ｗ型の給電装置は、移動体の進行方向と平行に互いに並んでいる複数の磁極１１１２を備える給電コア１１１１、移動体の進行方向に垂直である面で前記給電コアの互いに隣接する磁極が異なる極性を有するよう、すなわち、Ｎ極及びＳ極が交代に発生するよう移動体の進行方向に沿って延びる給電線１１２０を含む。本発明の図面における実施形態の場合、正面図４３に示すように２つの給電線１１２０には互いに反対方向の電流が流れ、また、正面図４３に示すように移動体の進行方向と平行に互いに並んでいるよう延びる磁極１１１２に、互いに反対方向の磁場６０が発生することで、Ｎ極及びＳ極が交代に発生する。このような方式で、その上を走行する移動体に磁気誘導方式に基づいて電力を供給し、集電装置１１４０はこれによって電力を集電する。「Ｗ型」とは、正面図４３に示すように磁極１１１２を含む給電コア１１１１の断面が「Ｗ」状をなす。もちろん、若干変形されて改善される他の形態も充分可能である。例えば、正面図４３で中間の磁極がなくて両側の２つの並んでいる磁極のみが存在し、これによって一対のＮ極及びＳ極のみが存在していてもよい。このときの形態は「Ｕ」状に近いが、これを通称して「Ｗ型」と称する。Ｗ型の給電装置は、前記Ｕ型の給電装置の給電コアを移動体の進行方向に並んでいるよう隣接した形に構成してもよい。
【００８３】
一方、前記給電コアは、移動体の進行方向と平行に互いに並んでいる複数の磁極を備える給電モジュールが移動体の進行方向に沿って直列に配置された形態に構成してもよい。すなわち、磁極を備える給電コアがモジュール化されて各モジュールを直列に接続した形態であってもよい。
【００８４】
図１５は、Ｉ型の給電装置と集電装置の磁気遮蔽方法を示す図である。
【００８５】
Ｉ型の集電装置は差幅に比べて大きさが半分程度に減少し、磁気遮蔽する空間的な余裕があるという点が特徴である。したがって、図１５に示すように、ループ型の磁気遮蔽材料１５０１で周辺を取り囲むと漏洩磁束が磁気遮蔽ループ１５０１に沿って磁気接地（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｇｒｏｕｎｄ）されるため、磁気遮蔽の効果を発揮する。磁気遮蔽は側面に沿って行われてもよく、上面を覆いながら行われてもよい。
【００８６】
Ｉ型の給電装置の場合、一定間隔に磁極が交番して側面方向に対する電磁場（ＥＭＦ）が発生することから、図１５に示すように長手方向に１状（一字型）の磁気遮蔽線１５０２を備えることによって、長手方向に磁気接地が行われて磁気遮蔽の効果を有する。
【００８７】
図１６は、給集電システムの共振周波数が２０ｋＨｚである場合に、動作周波数として２０ｋＨｚの電流信号が印加されるときの給電装置のＱファクター（Ｑｓ）による送信効率を示す図である。
【００８８】
システムの共振周波数は製造時の工程に応じて変わり、使用する部品の誤差などで変わり得る。特に、無線充電の電気自動車のように給電装置は固定しているものの、集電装置が動く場合、または、給電装置は１つ存在する一方、集電装置は追加に集電するとき、システムの共振周波数が変わることがある。
【００８９】
本発明の図面は、共振周波数と動作周波数とが一致（２０ｋＨｚ）する場合として、Ｑｓが１００よりも大きい場合（Ｑｓ＝１１５）、動作周波数における電力伝達面では、Ｑｓが１００よりも小さい場合（Ｑｓ＝１４．２４）よりも若干改善されていることが分かる（０．８７２→０．８８０、図面下の表を参照）。しかし、動作周波数が共振周波数と異なる場合には、電力伝達の敏感度の面においてＱｓが１００よりも小さい場合はＱｓが１００よりも大きい場合よりも極めて有利であるが、これを示す図面が図１７であり、これについて以下で説明する。
【００９０】
図１７は、給集電システムの共振周波数が１８ｋＨｚである場合に、動作周波数として２０ｋＨｚの電流信号が印加されるときの給電装置のＱファクター（Ｑｓ）による送信効率を示す図である。
【００９１】
図１６を参照して説明したように、給集電システムの共振周波数と印加した信号の動作周波数とが一致するときはＱファクターに大きい影響を受けず高い送信効率を維持するが、Ｑファクターが大きい場合は周波数帯域における幅が狭くなるため、動作周波数に応じて送信効率が大きく変化する。
【００９２】
図１７を参照すると、このように共振周波数が動作周波数から離れた場合、その動作周波数（２０ｋＨｚ）では、Ｑｓが１００よりも小さい場合（Ｑｓ＝１２．８２）は、Ｑｓが１００よりも大きい場合（Ｑｓ＝１１５）よりもさらに優れる送信効率を示す（０．０５５→０．５１２、図面下の表を参照）。このように、共振周波数（ｌ８ｋＨｚ）が、図１７に示すように動作周波数（２０ｋＨｚ）から離れて揺れる場合には、Ｑｓは１００よりも小さい場合（Ｑｓ＝１２．８２）が、Ｑｓが１００よりも大きい場合（Ｑｓ＝１１５）よりも無線電力送信システムの送信効率の変化において感受度が落ち、より安定的であることが分かる。
【００９３】
これによって上述したような無線充電電気自動車のように、給電装置は固定されているが集電装置の動きによって給集電位置がずれやすい場合、または、給電装置が１つ存在するものの集電装置が追加に集電する場合などにおいて、電力送信の効率安定性のために給電装置のＱファクター値を１００以下にして使用することが好ましい。また、車用の給集電のような大電力システムでは部品が耐える内圧も重要な要素であるため、本発明ではそのためにも給電装置のＱファクター値を１００以下にして使用することが好ましい。
【００９４】
図１８は、給集電システムの共振周波数が２０ｋＨｚである場合に、動作周波数として２０ｋＨｚの電流信号が印加されたときの集電装置のＱファクター（ＱＬ）による送信効率を示す図である。共振周波数と動作周波数とが一致（２０ｋＨｚ）する場合として、ＱＬが１００よりも大きい場合（ＱＬ＝１１５）、動作周波数における電力伝達面ではＱＬが１００よりも小さい場合（ＱＬ＝１２．４）よりも改善されていることが分かる（０．８７３→０．８９４、図面下の表を参照）。しかし、動作周波数が共振周波数と異なる場合、電力伝達の敏感度の面においてＱＬが１００よりも小さい場合が、ＱＬが１００よりも大きい場合より極めて有利であり、これについて以下は図１９を参照して説明する。
【００９５】
図１９は、給集電システムの共振周波数が１８ｋＨｚである場合に、動作周波数として２０ｋＨｚの電流信号が印加されたときの集電装置のＱファクター（ＱＬ）による送信効率を示す図である。このように共振周波数（ｌ８ｋＨｚ）が動作周波数（２０ｋＨｚ）から離れる場合、その動作周波数（２０ｋＨｚ）では、ＱＬが１００よりも小さい場合（ＱＬ＝１１．２）が、ＱＬが１００よりも大きい場合（ＱＬ＝１１５）よりもさらに優れる送信効率を示す（０．００３→０．０９４、図面下の表を参照）。このように、共振周波数が図１９に示すように、動作周波数（２０ｋＨｚ）から離れて揺れる場合には、ＱＬが１００よりも小さい場合（ＱＬ＝１１.２）が、ＱＬが１００よりも大きい場合（ＱＬ＝１１５）よりも無線電力送信システムの送信効率変化において敏感度が落ちることで、より安定的であることが分かる。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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2014535254.tif 000048
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