(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のコイルと、
前記第１のコイルに接続される共振キャパシタと、
外部から電流が供給される第２のコイルと、
前記第２のコイルに電気的に接続される補助コイルと、を備え、
前記第１のコイルと前記第２のコイルは、磁気結合し、
前記補助コイルは、電磁共鳴によって第１のコイルとの間でワイヤレスにて電力の送受電が行われる他のコイルが発生する磁界と逆位相の磁界を発生することを特徴とするコイルユニット。
【請求項２】
前記第１および第２のコイルと前記補助コイルとの磁気結合を抑制する電磁遮蔽板をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
【請求項３】
前記第１のコイルは、互いに電気的に接続された第１および第２の巻線を含み、
前記第１の巻線と前記第２の巻線は、互いに逆位相の磁界を発生することを特徴とする請求項１または２に記載のコイルユニット。
【請求項４】
前記第１のコイルは、前記第１の巻線の背面側に配置される第３の巻線と、前記第２の巻線の背面側に配置される第４の巻線と、をさらに備え、
前記第１〜第４の巻線は、電気的に直列接続されており、
前記第１および第２の巻線は、前記第１および第２の巻線をともに鎖交する第１の磁束を発生し、
前記第３の巻線は、前記第１の巻線に鎖交する第２の磁束を発生し、
前記第４の巻線は、前記第２の巻線に鎖交する第３の磁束を発生し、
前記第２および第３の磁束の周回方向は、前記第１の磁束の周回方向とは逆向きであることを特徴とする請求項３に記載のコイルユニット。
【請求項５】
前記第３の巻線の軸方向は、前記第１の巻線の軸方向と略直交し、
前記第４の巻線の軸方向は、前記第２の巻線の軸方向と略直交することを特徴とする請求項４に記載のコイルユニット。
【請求項６】
ワイヤレス送電装置からワイヤレス受電装置にワイヤレスにて電力が伝送されるワイヤレス電力伝送装置であって、
前記ワイヤレス送電装置は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のコイルユニットを有することを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスで電力を伝送するためのコイルユニットおよびワイヤレス電力伝送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ケーブル等の機械的接触なしで電力を送電するために、相対させた１次（送電）コイルと２次（受電）コイルの間の電磁誘導作用を利用したワイヤレス電力伝送技術が注目されており、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ：Ｐｌｕｇ−ｉｎ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）に搭載された二次電池を充電するための給電装置としての利用の拡大が見込まれている。
【０００３】
しかしながら、ワイヤレス電力伝送技術を電気自動車等のパワーエレクトロニクス装置における充電装置へ適応した場合においては、大電力伝送が要求されるためにコイルに大電流を流す必要があることから、コイルから離れた場所に形成される漏洩磁界強度も高くなり、周囲の電子機器等に悪影響を及ぼす電磁波障害が生じる虞があった。
【０００４】
これに対して、特許文献１では、共鳴法を用いた非接触給電において、複数のコイルを含み、対向配置される第１の共振コイルと電磁共鳴を行なうための第２の共振コイルを備え、複数のコイルのうちの第１のコイルは、複数のコイルのうちの第１のコイルと異なる他のコイルの少なくとも１つとは、第１の共振コイルに対向する面に対して、発生する磁界が逆位相となるように配置されるコイルユニットにより、漏洩電磁場を低減する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２３４４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示される技術のように、車両側および給電装置側の双方を、発生する磁界が逆位相となるように配置される複数のコイルで構成する（特許文献１の図１７等参照）と、車両に搭載されるコイルが大型化するとともに、重量が重くなることから、車両に搭載される部品の小型・軽量化の要求を満足できないという課題があった。
【０００７】
また、特許文献１に開示される技術のように、給電装置側のみ、発生する磁界が逆位相となるように配置される複数のコイルで構成する（特許文献１の図１９等参照）と、車両側から発生する漏洩電磁場の低減が不十分という課題があった。
【０００８】
そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、対向配置されるコイルの大型化および重量化を抑制しつつ、対向配置されるコイルから発生する不要な漏洩磁界の低減が可能なコイルユニットおよびワイヤレス電力伝送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るコイルユニットは、第１のコイルと、第１のコイルに接続される共振キャパシタと、第１のコイルと磁気結合する第２のコイルと、外部から電流が供給される第２のコイルと、第２のコイルに電気的に接続される補助コイルと、を備え、第１のコイルと第２のコイルは、磁気結合し、補助コイルは、電磁共鳴によって第１のコイルとの間でワイヤレスにて電力の送受電が行われる他のコイルが発生する磁界と逆位相の磁界を発生することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、補助コイルが、電磁共鳴によって第１のコイルとの間でワイヤレスにて電力の送受電が行われる他のコイルが発生する磁界と逆位相の磁界を発生している。ここで、第１のコイルは共振キャパシタに接続され、且つ、第２のコイルと磁気結合するため、第１のコイルに流れる電流の位相は、第２のコイルに流れる電流の位相に対して位相が９０度ずれる。さらに、電磁共鳴によって第１のコイルとの間でワイヤレスにて電力の送受電が行われる他のコイルに流れる電流の位相は、第１のコイルに流れる電流の位相に対して位相が９０度ずれる。このとき、第２のコイルに流れる電流の位相と他のコイルに流れる電流の位相は逆位相となる。したがって、補助コイルを第２のコイルに電気的に接続して、補助コイルに流れる電流の位相を第２のコイルに流れる電流の位相と同位相とすることにより、補助コイルに流れる電流の位相は他のコイルに流れる電流の位相と逆位相となる。つまり、補助コイルにより、他のコイルが発生する磁界と逆位相の磁界を発生することとなる。そのため、他のコイルが発生する不要な漏洩磁界を低減することができる。その結果、対向配置されるコイルの大型化および重量化を抑制しつつ、対向配置されるコイルから発生する不要な漏洩磁界の低減ができる。
【００１１】
好ましくは、第１および第２のコイルと補助コイルとの磁気結合を抑制する電磁遮蔽板をさらに備えるとよい。この場合、第１および第２のコイルと補助コイルとの間の不要な電磁的干渉を低減することができるので、他のコイルが発生する不要な漏洩磁界をより確実に低減することができる。
【００１２】
好ましくは、第１のコイルは、互いに電気的に接続された第１および第２の巻線を含み、第１の巻線と第２の巻線は、互いに逆位相の磁界を発生するとよい。この場合、互いに逆位相の磁界を発生する第１の巻線と第２の巻線により、第１のコイルが発生する不要な漏洩磁界を低減することができる。
【００１３】
より好ましくは、第１のコイルは、第１の巻線の背面側に配置される第３の巻線と、第２の巻線の背面側に配置される第４の巻線と、をさらに備え、第１〜第４の巻線は、電気的に直列接続されており、第１および第２の巻線は、第１および第２の巻線をともに鎖交する第１の磁束を発生し、第３の巻線は、第１の巻線に鎖交する第２の磁束を発生し、第４の巻線は、第２の巻線に鎖交する第３の磁束を発生し、第２および第３の磁束の周回方向は、第１の磁束の周回方向とは逆向きとなるように構成されるとよい。この場合、第２の磁束は第１の巻線近傍の磁界を強め、第３の磁束は第２の巻線近傍の磁界を強める。一方、第１のコイルから離れた場所では、互いに周回方向が逆向きである第１の磁束と第２および第３の磁束が打消し合うために磁界を弱め合う。その結果、電力伝送効率を低下させることなく、第１のコイルが発生する漏洩磁界を一層低減することができる。
【００１４】
より好ましくは、第３の巻線の軸方向は、第１の巻線の軸方向と略直交し、第４の巻線の軸方向は、第２の巻線の軸方向と略直交するように構成されるとよい。この場合、第３および第４の巻線により、第１のコイルから離れた場所にまで周回する第２の磁束および第３の磁束を発生させ易くなる。その結果、第１のコイルが発生する漏洩磁界をより一層低減することができる。
【００１５】
本発明に係るワイヤレス電力伝送装置は、ワイヤレス送電装置からワイヤレス受電装置にワイヤレスにて電力が伝送されるワイヤレス電力伝送装置であって、ワイヤレス送電装置は、上記コイルユニットを有することを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、ワイヤレス受電装置に搭載されることとなる受電コイルの大型化および重量化を抑制しつつ、受電コイルから発生する不要な漏洩磁界を低減することができるワイヤレス電力伝送装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明によれば、対向配置されるコイルの大型化および重量化を抑制しつつ、対向配置されるコイルから発生する不要な漏洩磁界の低減が可能なコイルユニットおよびワイヤレス電力伝送装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示すシステム模式構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置において、コイルユニットを受電コイルとともに示す断面図である。
【図３ａ】図２において、インバータの出力電流位相が０度のときに各コイルが発生する磁界の向きを模式的に示した図である。
【図３ｂ】図２において、インバータの出力電流位相が９０度のときに各コイルが発生する磁界の向きを模式的に示した図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示すシステム模式構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置において、コイルユニットを受電コイルとともに示す断面図である。
【図６ａ】図５において、インバータの出力電流位相が０度のときに各コイルが発生する磁界の向きを模式的に示した図である。
【図６ｂ】図５において、インバータの出力電流位相が９０度のときに各コイルが発生する磁界の向きを模式的に示した図である。
【図７】図５において、インバータの出力電流位相が９０度のときに第１〜４の巻線が発生する磁束を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２０】
（第１実施形態）
まず、図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示すシステム模式構成図である。図２は、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置において、コイルユニットを受電コイルとともに示す断面図である。なお、本発明に係るコイルユニットは、ワイヤレス電力伝送装置におけるワイヤレス送電装置あるいはワイヤレス受電装置のいずれにも適用可能であるが、ここでは、本発明に係るコイルユニットをワイヤレス送電装置に適用した例を用いて説明する。
【００２１】
ワイヤレス電力伝送装置Ｓ１は、図１に示されるように、ワイヤレス送電装置Ｕｔ１と、ワイヤレス受電装置Ｕｒ１と、を有する。
【００２２】
ワイヤレス送電装置Ｕｔ１は、電源ＰＷ１と、インバータＩＮＶ１と、コイルユニットＬｔｕ１と、を有する。ワイヤレス受電装置Ｕｒ１は、受電コイルＬｒと、共振キャパシタＣｒと、整流回路ＤＢと、負荷Ｒと、を有する。ワイヤレス電力伝送装置Ｓ１は、ワイヤレス送電装置Ｕｔ１のコイルユニットＬｔｕ１とワイヤレス受電装置Ｕｒ１の受電コイルＬｒが対向することにより、ワイヤレス送電装置Ｕｔ１からワイヤレス受電装置Ｕｒ１にワイヤレスにて電力が伝送される。
【００２３】
まず、ワイヤレス送電装置Ｕｔ１について説明する。電源ＰＷ１は、直流電力を後述するインバータＩＮＶ１に供給する。電源ＰＷ１としては、直流電力を出力するものであれば特に制限されず、商用交流電源を整流・平滑した直流電源、二次電池、太陽光発電した直流電源、あるいは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が挙げられる。
【００２４】
インバータＩＮＶ１は、電源ＰＷ１から供給される入力直流電力を交流電力に変換する機能を有している。インバータＩＮＶ１としては、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。このスイッチング回路を構成するスイッチング素子としては、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＢＧＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの素子が挙げられる。インバータＩＮＶ１は、電源ＰＷ１から供給される入力直流電力を交流電力に変換し、後述するコイルユニットＬｔｕ１に供給する。なお、インバータＩＮＶ１とコイルユニットＬｔｕ１の間には、回路の力率を向上させるためのキャパシタ（図示しない）が挿入されてもよい。
【００２５】
コイルユニットＬｔｕ１は、図１および図２に示されるように、第１のコイルＬｔｒと、共振キャパシタＣｔｒと、第２のコイルＬｔｅと、補助コイルＬｎと、電磁遮蔽板Ｓと、第１の磁性コアＦｔと、第２の磁性コアＦｎと、を有する。なお、第１のコイルＬｔｒと、第２のコイルＬｔｅと、補助コイルＬｎと、電磁遮蔽板Ｓは、コイルユニットＬｔｕ１と後述する受電コイルＬｒとの対向方向と直交する方向から見て、後述する受電コイルＬｒに近い側から、第１のコイルＬｔｒ、第２のコイルＬｔｅ、電磁遮蔽板Ｓ、補助コイルＬｎの順で配置されている。すなわち、補助コイルＬｎが後述する受電コイルＬｒと最も離れた位置に配置されることとなる。このコイルユニットＬｔｕ１は、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、地中または地面近傍に配設されることとなる。
【００２６】
第１のコイルＬｔｒは、電磁共鳴によって後述する受電コイルＬｒへワイヤレスで電力を送電する機能を有する。すなわち、第１のコイルＬｔｒが送電コイルとして機能することとなる。本実施形態においては、第１のコイルＬｔｒは互いに電気的に接続された第１の巻線ＬｔｒＡおよび第２の巻線ＬｔｒＢを含む。第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢは、コイルユニットＬｔｕ１と後述する受電コイルＬｒとの対向方向と直交する方向に並置された平面状のスパイラル構造のコイルであり、銅やアルミニウム等のリッツ線を巻回して形成されている。第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢの巻数は、コイルユニットＬｔｕ１と後述する受電コイルＬｒとの間の離間距離や所望の電力伝送効率などに基づいて適宜設定される。なお、第１の巻線ＬｔｒＡの巻回方向と第２の巻線ＬｔｒＢの巻回方向は互いに逆向きとなっており、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢの軸方向は、共にコイルユニットＬｔｕ１と後述する受電コイルＬｒとの対向方向と平行となっている。すなわち、第１のコイルＬｔｒに電流が流れたとき、第１の巻線ＬｔｒＡと第２の巻線ＬｔｒＢは、互いに逆位相の磁界を発生することとなる。そのため、互いに逆位相の磁界を発生する第１の巻線ＬｔｒＡと第２の巻線ＬｔｒＢにより、第１のコイルＬｔｒが発生する漏洩磁界を低減することができる。
【００２７】
共振キャパシタＣｔｒは、第１のコイルＬｔｒに電気的に接続されている。共振キャパシタＣｔｒの静電容量は、第１のコイルＬｔｒのインピーダンスに対して、インバータＩＮＶ１から供給される電流の周波数で共振するように設定される。本実施形態では、共振キャパシタＣｔｒは、第１のコイルＬｔｒの第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢと直列に接続されているが、これに限られることなく、共振キャパシタＣｔｒは、第１のコイルＬｔｒの第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢと並列に接続されてもよい。いずれの場合においても、第１のコイルＬｔｒのインピーダンスに対して、インバータＩＮＶ１から供給される電流の周波数で共振するように共振キャパシタＣｔｒの静電容量が設定されていればよい。
【００２８】
第２のコイルＬｔｅは、インバータＩＮＶ１に電気的に接続されている。この第２のコイルＬｔｅは、第１のコイルＬｔｒの近傍に配置されているため、第１のコイルＬｔｒと強く磁気結合している。本実施形態においては、第２のコイルＬｔｅは、電気的に直列接続された２つの巻線ＬｔｅＡ，ＬｔｅＢを含む。巻線ＬｔｅＡの軸は、第１のコイルＬｔｒの第１の巻線ＬｔｒＡの軸と一致し、巻線ＬｔｅＢの軸は、第１のコイルＬｔｒの第２の巻線ＬｔｒＢの軸と一致するように配置され、巻線ＬｔｅＡの巻回方向と巻線ＬｔｅＢの巻回方向は互いに逆向きとなっている。このように構成されることにより、第２のコイルＬｔｅにインバータＩＮＶ１から交流電流が供給されると、電磁誘導の原理により、第１のコイルＬｔｒに起電力が発生し、第１のコイルＬｔｒに交流電流が流れる。すなわち、第２のコイルＬｔｅはインバータＩＮＶ１から供給される電力を第１のコイルＬｔｒに供給する役割を果たすこととなる。また、第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡ，ＬｔｅＢの巻数は、第１のコイルＬｔｒの第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢの巻数に比べて少なく設定されている。ここで、第１のコイルＬｔｒには共振キャパシタＣｔｒが接続されているため、第２のコイルＬｔｅから見た第１のコイルＬｔｒの電気的なインピーダンスは非常に小さいので、第２のコイルＬｔｅが有する巻線ＬｔｅＡ，ＬｔｅＢの巻数が少なくても、第１のコイルＬｔｒにはワイヤレス電力伝送のために十分な電流を発生させることができる。なお、本実施形態では、第２のコイルＬｔｅが２つの巻線ＬｔｅＡ，ＬｔｅＢから構成されているが、巻線ＬｔｅＡあるいは巻線ＬｔｅＢのいずれか一方のみから構成されていてもよい。
【００２９】
補助コイルＬｎは、第２のコイルＬｔｅと電気的に接続されている。本実施形態においては、図１に示されるように、補助コイルＬｎは、第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡと巻線ＬｔｅＢに直列に接続されている。この補助コイルＬｎは、ソレノイド構造のコイルであり、銅やアルミニウム等のリッツ線を螺旋状に巻回して形成されている。補助コイルＬｎの軸方向は、後述する受電コイルＬｒの軸方向と略一致しており、本実施形態においては、補助コイルＬｎの軸方向は、コイルユニットＬｔｕ１と後述する受電コイルＬｒとの対向方向と直交する方向であって、補助コイルＬｎの軸方向は、第１のコイルＬｔｒの第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢの軸方向および第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡ，ＬｔｅＢの軸方向と直交する方向である。この補助コイルＬｎは、後述する受電コイルＬｒが発生する磁界と逆位相の磁界を発生する。ここで、補助コイルＬｎが発生する磁界を、後述する受電コイルＬｒが発生する磁界と逆位相とするためには、補助コイルＬｎの巻線の巻回方向を、後述する受電コイルＬｒの巻線の巻回方向と同じ方向とすればよい。補助コイルＬｎの巻数は、コイルユニットＬｔｕ１と後述する受電コイルＬｒとの間の離間距離や所望の漏洩磁界低減効果などに基づいて適宜設定される。
【００３０】
電磁遮蔽板Ｓは、第１のコイルＬｔｒおよび第２のコイルＬｔｅと補助コイルＬｎとの間であって、補助コイルＬｎの軸方向に沿って配置される。具体的には、電磁遮蔽板Ｓは、後術する第１の磁性コアＦｔと補助コイルＬｎの間に配置される。この電磁遮蔽板Ｓは、第１のコイルＬｔｒおよび第２のコイルＬｔｅと補助コイルＬｎの不要な磁気結合を抑制するシールド材として機能する。言い換えれば、電磁遮蔽板Ｓは、誘導電流、渦電流などにより磁界を打消して磁束の通過を抑制するシールド材として機能する。これにより、第１のコイルＬｔｒおよび第２のコイルＬｔｅと補助コイルＬｎとの間の不要な電磁的干渉を低減することができる。このような電磁遮蔽板Ｓとしては、表面が電磁シールド材として機能する非磁性の導体であれば特に制限されず、銅やアルミニウム、あるいは表面に亜鉛メッキを施した鋼板等が挙げられる。なお、第２のコイルＬｔｅと補助コイルＬｎを電気的に接続する配線は、電磁遮蔽板Ｓに空けた穴を貫通するように引き回してもよく、電磁遮蔽板Ｓを迂回して引き回してもよい。
【００３１】
第１の磁性コアＦｔは、フェライト等の磁性体により構成され、板状の両端に突起部を有する略Ｕ字形状を呈しており、一方の突起部が第１のコイルＬｔｒの第１の巻線ＬｔｅＡおよび第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡの軸を貫通し、他方の突起部が第１のコイルＬｔｒの第２の巻線ＬｔｒＢおよび第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＢの軸を貫通するように配置されている。つまり、第１の磁性コアＦｔは、第１のコイルＬｔｒの第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢと第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡ，ＬｔｅＢのコアとして機能する。そのため、第１の磁性コアＦｔによって、第１のコイルＬｔｒの第１の巻線ＬｔｒＡと第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡの磁気結合度および第１のコイルＬｔｒの第２の巻線ＬｔｒＢと第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＢの磁気結合度が向上させることができ、第１のコイルＬｔｒによってワイヤレス電力伝送のための磁束を効率良く発生させることができる。
【００３２】
第２の磁性コアＦｎは、板状または棒状のフェライト等の磁性体により構成され、補助コイルＬｎの軸を貫通するように配置されている。つまり、第２の磁性コアＦｎは、補助コイルＬｎのコアとして機能する。そのため、補助コイルＬｎによって、後述する受電コイルＬｒが発生する漏洩磁界を低減するための磁束を効率良く発生させることができる。
【００３３】
続いて、ワイヤレス受電装置Ｕｒ１の構成について説明する。なお、本実施形態において、電磁共鳴によって第１のコイルとの間で電力の送受電が行われる他のコイルとは、受電コイルＬｒのことを意味する。受電コイルＬｒは、ソレノイド構造のコイルであり、銅やアルミニウム等のリッツ線から構成される巻線Ｗｒを第３の磁性コアＦｒに螺旋状に巻回して形成されている。受電コイルＬｒの軸方向は、コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの対向方向に対して直交する方向である。受電コイルＬｒの巻数は、コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの間の離間距離や所望の電力伝送効率などに基づいて適宜設定される。このように構成される受電コイルＬｒは、第１のコイルＬｔｒから送電された交流電力を受電する機能を有している。また、受電コイルＬｒは、後述する整流回路ＤＢに電気的に接続されている。なお、受電コイルＬｒは、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、車両下部に搭載されることとなる。ここで、第３の磁性コアＦｒは、板状または棒状のフェライト等の磁性体により構成され、受電コイルＬｒの軸を貫通するように配置されている。つまり、第３の磁性コアＦｒは、受電コイルＬｒのコアとして機能する。そのため、第１のコイルＬｔｒが発生する磁束が選択的に第３の磁性コアＦｒを通過する磁路を形成することから、受電コイルＬｒに鎖交する磁束が増加し、電力伝送効率を向上させることができる。
【００３４】
共振キャパシタＣｒは、受電コイルＬｒと後述する整流回路ＤＢの間に挿入されている。共振キャパシタＣｒの静電容量は、受電コイルＬｒのインピーダンスに対して、インバータＩＮＶ１から供給される電流の周波数で共振するように設定される。これにより、受電コイルＬｒが電磁共鳴によって第１のコイルＬｔｒとの間でワイヤレスにて電力の伝送が行われる。本実施形態では、共振キャパシタＣｒは受電コイルＬｒと並列に接続されているが、共振キャパシタＣｒは、受電コイルＬｒと直列に接続されてもよい。いずれの場合においても、受電コイルＬｒのインピーダンスに対して、インバータＩＮＶ１から供給される電流の周波数で共振するように共振キャパシタＣｒの静電容量が設定されていればよい。
【００３５】
整流回路ＤＢは、受電コイルＬｒが受電した交流電力を直流電力に整流する機能を有している。整流回路ＤＢ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を備えた変換回路などが挙げられる。この整流回路ＤＢにより整流された直流電力は、負荷Ｒに出力される。ここで、負荷Ｒとしては、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１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が挙げられる。
【００３６】
続いて、図３を参照して、本実施形態における第１のコイルＬｔｒ、第２のコイルＬｔｅ、補助コイルＬｎ、受電コイルＬｒのそれぞれが発生する磁界と、不要な漏洩磁界の低減作用について詳細に説明する。図３ａは、図２において、インバータの出力電流位相が０度のときに各コイルが発生する磁界の向きを模式的に示した図である。図３ｂは、図２において、インバータの出力電流位相が９０度のときに各コイルが発生する磁界の向きを模式的に示した図である。なお、図３ａおよび図３ｂにおいて、説明の便宜上、第１の磁性コアＦｔ、第２の磁性コアＦｎ、および第３の磁性コアＦｒは省略している。
【００３７】
インバータＩＮＶ１の出力電流位相が０度のとき、すなわち正弦波状のインバータＩＮＶ１の出力電流瞬時値が最大となるとき、図３ａに示されるように、第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡ，ＬｔｅＢに発生する磁界ＨＬｔｅＡ，ＨＬｔｅＢと、補助コイルＬｎに発生する磁界ＨＬｎの強度が最大となる。なお、磁界ＨＬｔｅＡと磁界ＨＬｔｅＢは互いに逆位相の磁界であり、コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの対向方向に平行な向きである。また、磁界ＨＬｎは、コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの対向方向に直交する向きである。またさらには、第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡ，ＬｔｅＢの巻数は少ないため、磁界ＨＬｔｅＡと磁界ＨＬｔｅＢの強度は低い。したがって、第２のコイルＬｔｅにより、コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所に形成される漏洩磁界強度も低く、影響は小さい。
【００３８】
次に、第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡが第１のコイルＬｔｒの第１の巻線ＬｔｒＡと磁気結合し、第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＢが第１のコイルＬｔｒの第２の巻線ＬｔｒＢと磁気結合するため、磁界ＨＬｔｅＡおよび磁界ＨＬｔｅＢにより第１のコイルＬｔｒの第１の巻線ＬｔｒＡおよび第１のコイルＬｔｒの第２の巻線ＬｔｒＢに電流が流れて第１の巻線ＬｔｅＡおよび第２の巻線ＬｔｅＢに磁界が発生する。このとき、第１のコイルＬｔｒには共振キャパシタＣｔｒが接続されているため、第２のコイルＬｔｅから見た第１のコイルＬｔｒの電気的なインピーダンスは非常に小さいので、磁界ＨＬｔｅＡと磁界ＨＬｔｅＢの強度が低くても、第１のコイルＬｔｒの第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢには十分な電流が流れ、比較的高い強度の磁界が発生する。
【００３９】
また、第１のコイルＬｔｒには共振キャパシタＣｔｒが接続されているため、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢの電流および発生磁界の位相は、第２のコイルＬｔｅに流れる電流の位相に対して９０度ずれる。すなわち、図３ｂに示されるように、インバータＩＮＶ１の出力電流位相が９０度のとき、第１のコイルＬｔｒの第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢのそれぞれが発生する磁界ＨＬｔｒＡ，ＨＬｔｒＢの強度が最大となる。なお、磁界ＨＬｔｒＡと磁界ＨＬｔｒＢは、互いに逆位相の磁界であり、コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの対向方向に平行な向きである。したがって、第１のコイルＬｔｒが発生する漏洩磁界を低減することができる。
【００４０】
さらに、磁界ＨＬｔｒＡと磁界ＨＬｔｒＢは、互いに逆位相の磁界のため、磁界ＨＬｔｒＡと磁界ＨＬｔｒＢによって、第１のコイルＬｔｒの第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢを共に鎖交する第１の磁束が発生する。この第１の磁束が受電コイルＬｒにも鎖交することで、受電コイルＬｒに起電力が生じて電流が流れる。そして、受電コイルＬｒに生じた電流は、整流回路ＤＢによって整流されて負荷Ｒに電力が出力される。ここで、第１のコイルＬｔｒと補助コイルＬｎとの間には磁気結合を抑制する電磁遮蔽板が設置されているため、磁界ＨＬｔｒＡと磁界ＨＬｔｒＢによって発生する第１の磁束が補助コイルＬｎに鎖交することは抑制される。
【００４１】
またさらには、受電コイルＬｒには共振キャパシタＣｒが接続されているため、受電コイルＬｒに流れる電流の位相は、第１のコイルＬｔｒに流れる電流の位相に対して９０度ずれる。すなわち、図３ａに示されるように、インバータＩＮＶ１の出力電流位相が０度のとき、受電コイルＬｒに流れる電流によって発生する磁界ＨＬｒの強度が最大となる。具体的には、第２のコイルＬｔｅおよび補助コイルＬｎに流れる電流の位相と第１のコイルＬｔｒに流れる電流の位相は９０度ずれ、第１のコイルＬｔｒに流れる電流の位相と受電コイルＬｒに流れる電流の位相は９０度ずれるため、補助コイルＬｎに流れる電流と受電コイルＬｒに流れる電流は互いに逆位相となる。ここで、補助コイルＬｎの軸方向は受電コイルＬｒの軸方向と一致しており、補助コイルＬｎの巻線の巻回方向と受電コイルＬｒの巻線の巻回方向は同じ方向であるので、補助コイルＬｎと受電コイルＬｒに互いに逆位相となる電流が流れることで、補助コイルＬｎが発生する磁界ＨＬｎと受電コイルＬｒが発生する磁界ＨＬｒも互いに逆位相となる。つまり、補助コイルＬｎは、電磁共鳴によって第１のコイルＬｔｒとの間でワイヤレスにて電力の送受電が行われるコイルである受電コイルＬｒが発生する磁界ＨＬｒと逆位相の磁界ＨＬｎを発生する。そのため、ワイヤレス電力伝送装置Ｓ１から離れた場所においては、受電コイルＬｒが発生する磁界ＨＬｒと補助コイルＬｎが発生する磁界ＨＬｎが互いに打消し合うことで、漏洩磁界が低減される。
【００４２】
以上のように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１は、コイルユニットＬｔｕ１における補助コイルＬｎが、電磁共鳴によって第１のコイルＬｔｒとの間でワイヤレスにて電力の送受電が行われる他のコイルである受電コイルＬｒが発生する磁界ＨＬｒと逆位相の磁界ＨＬｎを発生している。ここで、第１のコイルＬｔｒは共振キャパシタＣｔｒに接続され、且つ、第２のコイルＬｔｅと磁気結合するため、第１のコイルＬｔｒに流れる電流の位相は、第２のコイルＬｔｅに流れる電流の位相に対して位相が９０度ずれる。さらに、電磁共鳴によって第１のコイルＬｔｒとの間でワイヤレスにて電力の送受電が行われる他のコイルである受電コイルＬｒに流れる電流の位相は、第１のコイルＬｔｒに流れる電流の位相に対して位相が９０度ずれる。このとき、第２のコイルＬｔｅに流れる電流の位相と他のコイルである受電コイルＬｒに流れる電流の位相は逆位相となる。したがって、補助コイルＬｎを第２のコイルＬｔｅに電気的に接続して、補助コイルＬｎに流れる電流の位相を第２のコイルＬｔｅに流れる電流の位相と同位相とすることにより、補助コイルＬｎに流れる電流の位相は他のコイルである受電コイルＬｒに流れる電流の位相と逆位相となる。つまり、補助コイルＬｎにより、他のコイルである受電コイルＬｒが発生する磁界ＨＬｒと逆位相の磁界ＨＬｎを発生することとなる。そのため、他のコイルである受電コイルＬｒが発生する不要な漏洩磁界を低減することができる。その結果、対向配置されるコイルである受電コイルＬｒの大型化および重量化を抑制しつつ、対向配置されるコイルである受電コイルＬｒから発生する不要な漏洩磁界の低減ができる。
【００４３】
また、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１においては、第１のコイルＬｔｒおよび第２のコイルＬｔｅと補助コイルＬｎとの磁気結合を抑制する電磁遮蔽板Ｓを備えている。そのため、第１のコイルＬｔｒおよび第２のコイルＬｔｅと補助コイルＬｎとの間の不要な電磁的干渉を低減することができるので、他のコイルである受電コイルＬｒが発生する不要な漏洩磁界をより確実に低減することができる。
【００４４】
さらに、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１においては、第１のコイルＬｔｒは、互いに電気的に接続された第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢを含み、第１の巻線ＬｔｒＡと第２の巻線ＬｔｒＢは、互いに逆位相の磁界ＨＬｔｒＡと磁界ＨＬｔｒＢを発生する。そのため、互いに逆位相の磁界ＨＬｔｒＡと磁界ＨＬｔｒＢを発生する第１の巻線ＬｔｒＡと第２の巻線ＬｔｒＢにより、第１のコイルＬｔｒが発生する不要な漏洩磁界を低減することができる。
【００４５】
（第２実施形態）
次に、図４および図５を参照して、本発明の第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ２の構成について説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置を示すシステム模式構成図である。図５は、本発明の第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置において、コイルユニットを受電コイルとともに示す断面図である。なお、本発明に係るコイルユニットは、ワイヤレス電力伝送装置におけるワイヤレス送電装置あるいはワイヤレス受電装置のいずれにも適用可能であるが、ここでは、本発明に係るコイルユニットをワイヤレス送電装置に適用した例を用いて説明する。
【００４６】
ワイヤレス電力伝送装置Ｓ２は、図４に示されるように、ワイヤレス送電装置Ｕｔ２と、ワイヤレス受電装置Ｕｒ１と、を有する。ワイヤレス送電装置Ｕｔ２は、電源ＰＷ１と、インバータＩＮＶ１と、コイルユニットＬｔｕ２と、を有する。ワイヤレス受電装置Ｕｒ１は、受電コイルＬｒと、共振キャパシタＣｒと、整流回路ＤＢと、負荷Ｒと、を有する。ワイヤレス電力伝送装置Ｓ２は、ワイヤレス送電装置Ｕｔ２のコイルユニットＬｔｕ２とワイヤレス受電装置Ｕｒ１の受電コイルＬｒが対向することにより、ワイヤレス送電装置Ｕｔ２からワイヤレス受電装置Ｕｒ１にワイヤレスにて電力が伝送される。ここで、電源ＰＷ１、インバータＩＮＶ１、受電コイルＬｒ、共振キャパシタＣｒ、整流回路ＤＢ、負荷Ｒの構成は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１と同様である。第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ２では、コイルユニットＬｔｕ１に代えて、コイルユニットＬｔｕ２を備えている点において、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１と相違する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、本実施形態においても、電磁共鳴によって第１のコイルとの間で電力の送受電が行われる他のコイルとは、第１実施形態と同様、受電コイルＬｒのことを意味する。
【００４７】
コイルユニットＬｔｕ２は、第１のコイルＬｔｒと、共振キャパシタＣｔｒと、第２のコイルＬｔｅと、補助コイルＬｎと、電磁遮蔽板Ｓと、第１の磁性コアＦｔと、第２の磁性コアＦｎと、第４の磁性コアＦｔＣと、第５の磁性コアＦｔＤと、を有する。ここで、共振キャパシタＣｔｒと、第２のコイルＬｔｅと、補助コイルＬｎと、電磁遮蔽板Ｓと、第１の磁性コアＦｎと、第２の磁性コアＦｎの構成は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１と同様である。
【００４８】
第１のコイルＬｔｒは、第１の巻線ＬｔｒＡと、第２の巻線ＬｔｒＢと、第３の巻線ＬｔｒＣと、第４の巻線ＬｔｒＤと、を含む。本実施形態では、第１の巻線ＬｔｒＡ、第２の巻線ＬｔｒＢ、第３の巻線ＬｔｒＣ、第４の巻線ＬｔｒＤ、および共振キャパシタＣｔｒが電気的に直列に接続されている。ここで、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢの構成は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の第１のコイルＬｔｒが有する第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢと同様である。
【００４９】
第３の巻線ＬｔｒＣは、第１の巻線ＬｔｒＡの背面側に配置されている。すなわち、第３の巻線ＬｔｒＣは、第１の巻線ＬｔｒＡの受電コイルＬｒと対向する面とは反対面側に配置されている。より具体的には、第３の巻線ＬｔｒＣは、図５に示されるように、コイルユニットＬｔｕ２と受電コイルＬｒとの対向方向から見て、第１の巻線ＬｔｒＡと重なり合うように配置されている。この第３の巻線ＬｔｒＣは、ソレノイド構造のコイルであり、銅やアルミニウム等のリッツ線を螺旋状に巻回して形成されている。また、第３の巻線ＬｔｒＣの軸方向は、コイルユニットＬｔｕ２と受電コイルＬｒとの対向方向と直交する方向である。すなわち、第３の巻線ＬｔｒＣの軸方向は、第１の巻線ＬｔｒＡの軸方向と直交する方向である。そのため、第３の巻線ＬｔｒＣにより、第３の巻線ＬｔｒＣから離れた場所にまで周回する磁束をより発生させ易くなり、第１のコイルＬｔｒが発生する漏洩磁界をより一層低減することができる。またさらには、第３の巻線ＬｔｒＣの巻数は、所望の漏洩磁界低減効果などに基づいて適宜設定される。
【００５０】
ここで、第３の巻線ＬｔｒＣは、第１の巻線ＬｔｒＡに鎖交する第２の磁束を発生する。具体的には、図５において、第１の巻線ＬｔｒＡが、第１の巻線ＬｔｒＡから受電コイルＬｒに向かう方向（図示上向き）の磁界を発生しているときには、第３の巻線ＬｔｒＣが、第３の巻線ＬｔｒＣから第１の巻線ＬｔｒＡに向かう方向（図示右向き）の磁界を発生すれば、第３の巻線ＬｔｒＣは、第１の巻線ＬｔｒＡに鎖交する第２の磁束を発生することとなる。一方、第１の巻線ＬｔｒＡが、受電コイルＬｒから第１の巻線ＬｔｒＡに向かう方向（図示下向き）の磁界を発生しているときには、第３の巻線ＬｔｒＣが、第１の巻線ＬｔｒＡから第３の巻線ＬｔｒＣに向かう方向（図示左向き）の磁界を発生すれば、第３の巻線ＬｔｒＣは、第１の巻線ＬｔｒＡに鎖交する第２の磁束を発生することとなる。このような磁界を発生させるには、第３の巻線ＬｔｒＣにおける第１の巻線ＬｔｒＡと最も近接する部分（図示第３の巻線ＬｔｒＣの上面部分）を通過する電流の向きが、第１の巻線ＬｔｒＡにおける第３の巻線ＬｔｒＣと最も近接する部分（図示第１の巻線ＬｔｒＡの左側部分）を通過する電流の向きと同じとなるように、リッツ線の巻回方向を選択して第３の巻線ＬｔｒＣを構成すればよい。また、第３の巻線ＬｔｒＣは、第３の巻線ＬｔｒＣが発生する第２の磁束の周回方向が、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢが発生する第１の磁束の周回方向とは逆向きとなるように配置されている。このような磁束とするためには、受電コイルＬｒから見て、第１の巻線ＬｔｒＡと第２の巻線ＬｔｒＢの並び方向において、第１の巻線ＬｔｒＡの中心から第２の巻線ＬｔｒＢの中心へ向かう方向とは反対側にずれた位置に第３の巻線ＬｔｒＣが配置されればよい。
【００５１】
第４の巻線ＬｔｒＤは、第２の巻線ＬｔｒＢの背面側に配置されている。すなわち、第４の巻線ＬｔｒＤは、第２の巻線ＬｔｒＢの受電コイルＬｒと対向する面とは反対面側に配置されている。より具体的には、第４の巻線ＬｔｒＤは、図５に示されるように、コイルユニットＬｔｕ２と受電コイルＬｒとの対向方向から見て、第２の巻線ＬｔｒＢと重なり合うように配置されている。この第４の巻線ＬｔｒＤは、ソレノイド構造のコイルであり、銅やアルミニウム等のリッツ線を螺旋状に巻回して形成されている。また、第４の巻線ＬｔｒＤの軸方向は、コイルユニットＬｔｕ２と受電コイルＬｒとの対向方向と直交する方向である。すなわち、第４の巻線ＬｔｒＤの軸方向は、第２の巻線ＬｔｒＢの軸方向と直交する方向である。そのため、第４の巻線ＬｔｒＤにより、第４の巻線ＬｔｒＤから離れた場所にまで周回する磁束をより発生させ易くなり、第１のコイルＬｔｒが発生する漏洩磁界をより一層低減することができる。またさらには、第４の巻線ＬｔｒＤの巻数は、所望の漏洩磁界低減効果などに基づいて適宜設定される。
【００５２】
ここで、第４の巻線ＬｔｒＤは、第２の巻線ＬｔｒＢに鎖交する第３の磁束を発生する。具体的には、図５において、第２の巻線ＬｔｒＢが、第２の巻線ＬｔｒＢから受電コイルＬｒに向かう方向（図示上向き）の磁界を発生しているときには、第４の巻線ＬｔｒＤが、第４の巻線ＬｔｒＤから第２の巻線ＬｔｒＢに向かう方向（図示左向き）の磁界を発生すれば、第４の巻線ＬｔｒＤは、第２の巻線ＬｔｒＢに鎖交する第３の磁束を発生することとなる。一方、第２の巻線ＬｔｒＢが、受電コイルＬｒから第２の巻線ＬｔｒＢに向かう方向（図示下向き）の磁界を発生しているときには、第４の巻線ＬｔｒＤが、第２の巻線ＬｔｒＢから第４の巻線ＬｔｒＤに向かう方向（図示右向き）の磁界を発生すれば、第４の巻線ＬｔｒＤは、第２の巻線ＬｔｒＢに鎖交する第３の磁束を発生することとなる。このような磁界を発生させるには、第４の巻線ＬｔｒＤにおける第２の巻線ＬｔｒＢと最も近接する部分（図示第４の巻線ＬｔｒＤの上面部分）を通過する電流の向きが、第２の巻線ＬｔｒＢにおける第４の巻線ＬｔｒＤと最も近接する部分（図示第２の巻線ＬｔｒＢの右側部分）を通過する電流の向きと同じとなるように、リッツ線の巻回方向を選択して第４の巻線ＬｔｒＤを構成すればよい。また、第４の巻線ＬｔｒＤは、第４の巻線ＬｔｒＤが発生する第３の磁束の周回方向が、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢが発生する第１の磁束の周回方向とは逆向きとなるように配置されている。このような磁束とするためには、受電コイルＬｒから見て、第１の巻線ＬｔｒＡと第２の巻線ＬｔｒＢの並び方向において、第２の巻線ＬｔｒＢの中心から第１の巻線ＬｔｒＡの中心へ向かう方向とは反対側にずれた位置に第４の巻線ＬｔｒＤが配置されればよい。
【００５３】
第４の磁性コアＦｔＣは、板状または棒状のフェライト等の磁性体により構成され、第３の巻線ＬｔｒＣの軸を貫通するように配置されている。つまり、第４の磁性コアＦｔＣは、第１のコイルＬｔｒの第３の巻線ＬｔｒＣのコアとして機能する。そのため、第３の巻線ＬｔｒＣによって、漏洩磁界を低減するための磁束が効率良く発生する。また、第４の磁性コアＦｔＣは、第１の磁性コアＦｔに接続されている。したがって、第３の巻線ＬｔｒＣは、第１の巻線ＬｔｒＡに鎖交する第２の磁束を効率良く発生することができる。なお、第４の磁性コアＦｔＣと第１の磁性コアＦｔは一体的に形成されていてもよい。
【００５４】
第５の磁性コアＦｔＤは、板状または棒状のフェライト等の磁性体により構成され、第４の巻線ＬｔｒＤの軸を貫通するように配置されている。つまり、第５の磁性コアＦｔＤは、第１のコイルＬｔｒの第４の巻線ＬｔｒＤのコアとして機能する。そのため、第４の巻線ＬｔｒＤによって、漏洩磁界を低減するための磁束が効率良く発生する。また、第５の磁性コアＦｔＤは、第１の磁性コアＦｔに接続されている。したがって、第４の巻線ＬｔｒＤは、第２の巻線ＬｔｒＢに鎖交する第３の磁束を効率良く発生することができる。なお、第５の磁性コアＦｔＤと第１の磁性コアＦｔは一体的に形成されていてもよい。
【００５５】
続いて、図６を参照して、本実施形態における第１のコイルＬｔｒ、第２のコイルＬｔｅ、補助コイルＬｎ、受電コイルＬｒのそれぞれが発生する磁界と、不要な漏洩磁界の低減作用について詳細に説明する。図６ａは、図５において、インバータの出力電流位相が０度のときに各コイルが発生する磁界の向きを模式的に示した図である。図６ｂは、図５において、インバータの出力電流位相が９０度のときに各コイルが発生する磁界の向きを模式的に示した図である。なお、図６ａおよび図６ｂにおいて、説明の便宜上、第１の磁性コアＦｔ、第２の磁性コアＦｎ、第３の磁性コアＦｒ、第４の磁性コアＦｔＣ、および第５の磁性コアＦｔＤは省略している。
【００５６】
インバータＩＮＶ１の出力電流位相が０度のとき、すなわち正弦波状のインバータＩＮＶ１の出力電流瞬時値が最大となるとき、図６ａに示されるように、第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡ，ＬｔｅＢに発生する磁界ＨＬｔｅＡ，ＨＬｔｅＢと、補助コイルＬｎに発生する磁界ＨＬｎの強度が最大となる。なお、磁界ＨＬｔｅＡと磁界ＨＬｔｅＢは互いに逆位相の磁界であり、コイルユニットＬｔｕ２と受電コイルＬｒとの対向方向に平行な向きである。また、磁界ＨＬｎは、コイルユニットＬｔｕ２と受電コイルＬｒとの対向方向に直交する向きである。またさらには、第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡ，ＬｔｅＢの巻数は少ないため、磁界ＨＬｔｅＡと磁界ＨＬｔｅＢの強度は低い。したがって、第２のコイルＬｔｅにより、コイルユニットＬｔｕ２から離れた場所に形成される漏洩磁界強度も低く、影響は小さい。
【００５７】
次に、第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＡが第１のコイルＬｔｒの第１の巻線ＬｔｒＡと磁気結合し、第２のコイルＬｔｅの巻線ＬｔｅＢが第１のコイルＬｔｒの第２の巻線ＬｔｒＢと磁気結合するため、磁界ＨＬｔｅＡおよび磁界ＨＬｔｅＢにより第１のコイルＬｔｒの第１の巻線ＬｔｒＡ、第２の巻線ＬｔｅＢ、第３の巻線ＬｔｒＣ、および第４の巻線ＬｔｒＤに電流が流れて第１の巻線ＬｔｒＡ、第２の巻線ＬｔｅＢ、第３の巻線ＬｔｒＣ、および第４の巻線ＬｔｒＤに磁界が発生する。ここで、第１のコイルＬｔｒは共振キャパシタＣｔｒに接続されているため、第２のコイルＬｔｅから見た第１のコイルＬｔｒの電気的なインピーダンスは非常に小さいので、磁界ＨＬｔｅＡと磁界ＨＬｔｅＢの強度が低くても、第１のコイルＬｔｒの第１の巻線ＬｔｒＡ、第２の巻線ＬｔｅＢ、第３の巻線ＬｔｒＣ、および第４の巻線ＬｔｒＤには十分な電流が流れ、比較的高い強度の磁界が発生する。
【００５８】
また、第１のコイルＬｔｒには共振キャパシタＣｔｒが接続されているため、第１の巻線ＬｔｒＡ、第２の巻線ＬｔｅＢ、第３の巻線ＬｔｒＣ、および第４の巻線ＬｔｒＤの電流および発生磁界の位相は、第２のコイルＬｔｅに流れる電流の位相に対して９０度ずれる。すなわち、図６ｂに示されるように、インバータＩＮＶ１の出力電流位相が９０度のとき、第１のコイルＬｔｒの第１の巻線ＬｔｒＡ、第２の巻線ＬｔｅＢ、第３の巻線ＬｔｒＣ、および第４の巻線ＬｔｒＤのそれぞれが発生する磁界ＨＬｔｒＡ，ＨＬｔｒＢ，ＨＬｔｒＣ，磁界ＨＬｔｒＤの強度が最大となる。なお、磁界ＨＬｔｒＡと磁界ＨＬｔｒＢは、互いに逆位相の磁界であり、コイルユニットＬｔｕ２と受電コイルＬｒとの対向方向に平行な向きである。したがって、第１のコイルＬｔｒが発生する漏洩磁界を低減することができる。
【００５９】
さらに、磁界ＨＬｔｒＡと磁界ＨＬｔｒＢは、互いに逆位相の磁界のため、磁界ＨＬｔｒＡと磁界ＨＬｔｒＢによって、第１のコイルＬｔｒの第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢを共に鎖交する第１の磁束が発生する。この第１の磁束が受電コイルＬｒにも鎖交することで、受電コイルＬｒに起電力が生じて電流が流れる。そして、受電コイルＬｒに生じた電流は、整流回路ＤＢによって整流されて負荷Ｒに電力が出力される。ここで、第１のコイルＬｔｒと補助コイルＬｎとの間には磁気結合を抑制する電磁遮蔽板が設置されているため、磁界ＨＬｔｒＡと磁界ＨＬｔｒＢによって発生する第１の磁束が補助コイルＬｎに鎖交することは抑制される。
【００６０】
またさらには、受電コイルＬｒには共振キャパシタＣｒが接続されているため、受電コイルＬｒに流れる電流の位相は、第１のコイルＬｔｒに流れる電流の位相に対して９０度ずれる。すなわち、図６ａに示されるように、インバータＩＮＶ１の出力電流位相が０度のとき、受電コイルＬｒに流れる電流によって発生する磁界ＨＬｒの強度が最大となる。具体的には、第２のコイルＬｔｅおよび補助コイルＬｎに流れる電流の位相と第１のコイルＬｔｒに流れる電流の位相は９０度ずれ、第１のコイルＬｔｒに流れる電流の位相と受電コイルＬｒに流れる電流の位相は９０度ずれるため、補助コイルＬｎに流れる電流と受電コイルＬｒに流れる電流は互いに逆位相となる。ここで、補助コイルＬｎの軸方向は受電コイルＬｒの軸方向と一致しており、補助コイルＬｎの巻線の巻回方向と受電コイルＬｒの巻線の巻回方向は同じ方向であるので、補助コイルＬｎと受電コイルＬｒに互いに逆位相となる電流が流れることで、補助コイルＬｎが発生する磁界ＨＬｎと受電コイルＬｒが発生する磁界ＨＬｒも互いに逆位相となる。つまり、補助コイルＬｎは、電磁共鳴によって第１のコイルＬｔｒとの間でワイヤレスにて電力の送受電が行われるコイルである受電コイルＬｒが発生する磁界ＨＬｒと逆位相の磁界ＨＬｎを発生する。そのため、ワイヤレス電力伝送装置Ｓ１から離れた場所においては、受電コイルＬｒが発生する磁界ＨＬｒと補助コイルＬｎが発生する磁界ＨＬｎが互いに打消し合うことで、漏洩磁界が低減される。
【００６１】
続いて、図７を参照して、第１のコイルＬｔｒが発生する漏洩磁界の低減について、詳細に説明する。図７は、図５において、インバータの出力電流位相が９０度のときに第１〜４の巻線が発生する磁束を模式的に示した図である。ただし、図７中、第１の磁性コアＦｔ、第２の磁性コアＦｎ、第３の磁性コアＦｒ、第４の磁性コアＦｔＣ、および第５の磁性コアＦｔＤの中における磁束の図示は省略している。また、図７では、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢが発生する第１の磁束のうち、体表的なものとして磁束Ｂｔ１ａ〜Ｂｔ１ｄを示し、第３および第４の巻線ＬｔｒＣ，ＬｔｒＤが発生する第２および第３の磁束のうち、代表的なものとして磁束Ｂｃ１ａ〜Ｂｃ１ｄを模式的に示している。ただし、これらの磁束は、それぞれの磁束の向きのみを模式的に示したものであって、磁束密度を示すものではない。
【００６２】
図７に示されるように、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢは、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢをともに鎖交する第１の磁束Ｂｔ１ａ〜Ｂｔ１ｄを発生している。このうち、第１の磁束Ｂｔ１ａ，Ｂｔ１ｂが受電コイルＬｒに鎖交する磁束であり、この第１の磁束Ｂｔ１ａ，Ｂｔ１ｂが受電コイルＬｒに鎖交することで、受電コイルＬｒに起電力が生じる。一方、本実施形態においては、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢは平面状に巻回された巻線であるため、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢは受電コイルＬｒに鎖交せずに、第１のコイルＬｔｒから離れた場所にまで大きく周回する第１の磁束Ｂｔ１ｃ，Ｂｔ１ｄも発生している。この第１の磁束Ｂｔ１ｃ，Ｂｔ１ｄは第１のコイルＬｔｒから離れた場所に不要な漏洩磁界を形成する磁束となる。
【００６３】
第３の巻線ＬｔｒＣは、第３の巻線ＬｔｒＣと第１の巻線ＬｔｒＡをともに鎖交する第２の磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂを発生している。第３の巻線ＬｔｒＣは、第１の巻線ＬｔｒＡの背面側であって、受電コイルＬｒから見て第１の巻線ＬｔｒＡと第２の巻線ＬｔｒＢの並び方向において、第１の巻線ＬｔｒＡの中心から第２の巻線ＬｔｒＢの中心へ向かう方向とは反対側にずれた位置に配置されているので、第３の磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂの周回方向は、第１の磁束Ｂｔ１ａ〜Ｂｔ１ｄの周回方向とは逆向きとなる。また、本実施形態においては、第３の巻線ＬｔｒＣの軸方向は第１の巻線ＬｔｒＡの軸方向と直交しているため、第２の磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂは第１のコイルＬｔｒから離れた場所にまで大きく周回し易くなる。
【００６４】
第４の巻線ＬｔｒＤは、第４の巻線ＬｔｒＤと第２の巻線ＬｔｒＢをともに鎖交する第３の磁束Ｂｃ１ｃ，Ｂｃ１ｄを発生している。第４の巻線ＬｔｒＤは、第２の巻線ＬｔｒＢの背面側であって、受電コイルＬｒから見て第１の巻線ＬｔｒＡと第２の巻線ＬｔｒＢの並び方向において、第２の巻線ＬｔｒＢの中心から第１の巻線ＬｔｒＡの中心へ向かう方向とは反対側にずれた位置に配置されているので、第３の磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂの周回方向は、第１の磁束Ｂｔ１ａ〜Ｂｔ１ｄの周回方向とは逆向きとなる。また、本実施形態においては、第４の巻線ＬｔｒＤの軸方向は第２の巻線ＬｔｒＢの軸方向と直交しているため、第３の磁束Ｂｃ１ｃ，Ｂｃ１ｄは第１のコイルＬｔｒから離れた場所にまで大きく周回し易くなる。
【００６５】
ここで、図７に示されるように、第１のコイルＬｔｒの近傍では、第１の磁束Ｂｔ１ａ〜Ｂｔ１ｄと第２および第３の磁束Ｂｃ１ａ〜Ｂｃ１ｄはほぼ同じ向きである。すなわち、第２の磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂは第１の巻線ＬｔｒＡ近傍の磁界を強め、第３の磁束Ｂｃ１ｃ，Ｂｃ１ｄは第２の巻線ＬｔｒＢ近傍の磁界を強める。したがって、第３および第４の巻線ＬｔｒＣ，ＬｔｒＤにより、電力伝送効率が低下することは抑制される。一方、第１のコイルＬｔｒから離れた場所では、第１の磁束Ｂｔ１ｃ，Ｂｔ１ｄと第２および第３の磁束Ｂｃ１ａ〜Ｂｃ１ｄは互いに逆向きである。その結果、コイルユニットＬｔｕ２から離れた場所では、第１の磁束Ｂｔ１ｃ，Ｂｔ１ｄと第２および第３の磁束Ｂｃ１ａ〜Ｂｃ１ｄが互いに打消し合い、磁束密度が低くなる。その結果、第１のコイルＬｔｒから離れた場所の磁束密度によって示される漏洩磁界強度も低くなる。すなわち、第３および第４の巻線ＬｔｒＣ，ＬｔｒＤにより、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢが発生する磁界のうち、漏洩磁界のみが選択的に低減され、第１のコイルＬｔｒが発生する漏洩磁界を一層低減することができる。特に、本実施形態においては、第３および第４の巻線ＬｔｒＣ，ＬｔｒＤの軸方向は、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢの軸方向に直交する方向であるため、第２および第３の磁束Ｂｃ１ａ〜Ｂｃ１ｄは第１のコイルＬｔｒから離れた場所にまで大きく周回し易くなり、第１のコイル２４３が発生する漏洩磁界をより一層低減することができる。
【００６６】
以上のように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ２は、コイルユニットＬｔｕ２における補助コイルＬｎが、電磁共鳴によって第１のコイルＬｔｒとの間でワイヤレスにて電力の送受電が行われる他のコイルである受電コイルＬｒが発生する磁界ＨＬｒと逆位相の磁界ＨＬｎを発生している。ここで、第１のコイルＬｔｒは共振キャパシタＣｔｒに接続され、且つ、第２のコイルＬｔｅと磁気結合するため、第１のコイルＬｔｒに流れる電流の位相は、第２のコイルＬｔｅに流れる電流の位相に対して位相が９０度ずれる。さらに、電磁共鳴によって第１のコイルＬｔｒとの間でワイヤレスにて電力の送受電が行われる他のコイルである受電コイルＬｒに流れる電流の位相は、第１のコイルＬｔｒに流れる電流の位相に対して位相が９０度ずれる。このとき、第２のコイルＬｔｅに流れる電流の位相と他のコイルである受電コイルＬｒに流れる電流の位相は逆位相となる。したがって、補助コイルＬｎを第２のコイルＬｔｅに電気的に接続して、補助コイルＬｎに流れる電流の位相を第２のコイルＬｔｅに流れる電流の位相と同位相とすることにより、補助コイルＬｎに流れる電流の位相は他のコイルである受電コイルＬｒに流れる電流の位相と逆位相となる。つまり、補助コイルＬｎにより、他のコイルである受電コイルＬｒが発生する磁界ＨＬｒと逆位相の磁界ＨＬｎを発生することとなる。そのため、他のコイルである受電コイルＬｒが発生する不要な漏洩磁界を低減することができる。その結果、対向配置されるコイルである受電コイルＬｒの大型化および重量化を抑制しつつ、対向配置されるコイルである受電コイルＬｒから発生する不要な漏洩磁界の低減ができる。
【００６７】
また、本発明に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ２においては、コイルユニットＬｔｕ２における第１のコイルＬｔｒは、第１の巻線ＬｔｒＡの背面側に配置される第３の巻線ＬｔｒＣと、第２の巻線ＬｔｒＢの背面側に配置される第４の巻線ＬｔｒＤと、を備え、第１の巻線ＬｔｒＡ、第２の巻線ＬｔｒＢ、第３の巻線ＬｔｒＣ、および第４の巻線ＬｔｒＤは、電気的に直列接続されており、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢは、第１および第２の巻線ＬｔｒＡ，ＬｔｒＢをともに鎖交する第１の磁束Ｂｔ１ａ〜Ｂｔ１ｄを発生し、第３の巻線ＬｔｒＣは、第１の巻線ＬｔｒＡに鎖交する第２の磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂを発生し、第４の巻線ＬｔｒＤは、第２の巻線ＬｔｒＢに鎖交する第３の磁束Ｂｃ１ｃ，Ｂｃ１ｄを発生し、第２および第３の磁束Ｂｃ１ａ〜Ｂｃ１ｄの周回方向は、第１の磁束Ｂｔ１ａ〜Ｂｔ１ｄの周回方向とは逆向きとなるように構成されている。そのため、第２の磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂは第１の巻線ＬｔｒＡ近傍の磁界を強め、第３の磁束Ｂｃ１ｃ，Ｂｃ１ｄは第２の巻線ＬｔｒＢ近傍の磁界を強める。一方、第１のコイルＬｔｒから離れた場所では、互いに周回方向が逆向きである第１の磁束Ｂｔ１ａ〜Ｂｔ１ｄと第２および第３の磁束Ｂｃ１ａ〜Ｂｃ１ｄが打消し合うために磁界を弱め合う。その結果、電力伝送効率を低下させることなく、第１のコイルＬｔｒが発生する漏洩磁界を一層低減することができる。
【００６８】
さらに、本発明に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ２においては、コイルユニットＬｔｕ２における第３の巻線ＬｔｒＣの軸方向は、第１の巻線ＬｔｒＡの軸方向と略直交し、第４の巻線ＬｔｒＤの軸方向は、第２の巻線ＬｔｒＢの軸方向と略直交するように構成されている。そのため、第３および第４の巻線ＬｔｒＣ，ＬｔｒＤにより、第１のコイルＬｔｒから離れた場所にまで周回する第２の磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂおよび第３の磁束Ｂｃ１ｃ，Ｂｃ１ｄを発生させ易くなる。その結果、第１のコイルＬｔｒが発生する漏洩磁界をより一層低減することができる。
【００６９】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
【００７０】
例えば、「電磁共鳴によって送受電を行う」とは、少なくともワイヤレスで電力を受電するコイルにキャパシタを接続して任意の周波数で共振させることで、キャパシタが無い場合に比べてより効率良くワイヤレス電力伝送を行うことを意味する。ただし、共振周波数とコイルに流れる電流の周波数がある程度ずれたとしても、コイルのインピーダンスとキャパシタのインピーダンスが打消し合うことで、キャパシタが無い場合に比べてより効率良くワイヤレス電力伝送を行うことが可能である。すなわち、ここで言う「電磁共鳴によって送受電を行う」とは、共振キャパシタが電気的に接続されたコイルにより電力伝送を行うことを意図しており、厳密に共振周波数とコイルに流れる電流の周波数が一致しない場合を排除する意味ではない。なお、電磁共鳴によるワイヤレス電力伝送において、送電コイルと受電コイルの位相差が厳密に９０度と一致しなくても、本発明によるノイズ低減効果を得ることができることは理解されるべきである。
【符号の説明】
【００７１】
Ｓ１，Ｓ２…ワイヤレス電力伝送装置、ＵｔＬｔｕ１０…ワイヤレス送電装置、ＰＷ１…電源、ＩＮＶ１…インバータ、ＬｔｕＬｔｅ０…コイルユニット、Ｌｔｒ，Ｌｔｒ…第１のコイル、ＬｔｒＡ…第１の巻線、ＬｔｒＢ…第２の巻線、Ｃｔｒ…共振キャパシタ、Ｌｔｅ…第２のコイル、ＬｔｅＡ，ＬｔｅＢ…巻線、Ｌｎ…補助コイル、Ｓ…電磁遮蔽板、Ｆｔ…第１の磁性コア、Ｆｎ…第２の磁性コア、Ｕｒ１…ワイヤレス受電装置、Ｌｒ…受電コイル、Ｗｒ…受電コイルの巻線、Ｆｒ…第３の磁性コア、Ｃｒ…共振キャパシタ、ＤＢ…整流回路、Ｒ…負荷、ＬｔｒＣ…第３の巻線、ＬｔｒＤ…第４の巻線、ＦｔＣ…第４の磁性コア、ＦｔＤ…第５の磁性コア、ＨＬｔｒＡ…第１の巻線が発生する磁界、ＨＬｔｒＢ…第２の巻線が発生する磁界、ＨＬｔｅＡ，ＨＬｔｅＢ…第２のコイルが発生する磁界、ＨＬｎ…補助コイルが発生する磁界、ＨＬｒ…受電コイルが発生する磁界、ＨＬｔｒＣ…第３の巻線が発生する磁界、ＨＬｔｒＤ…第４の巻線が発生する磁界、Ｂｔ１ａ〜Ｂｔ１ｄ…第１の磁束、Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂ…第２の磁束、Ｂｃ１ｃ，Ｂｃ１ｄ…第３の磁束。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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