(57)【要約】【課題】電力伝送効率を維持しつつ、漏洩磁界を抑制すること。【解決手段】実施例１の無線電力伝送装置では、送電コイル１０の周囲に２つのキャンセルコイル１２Ａ、Ｂが設けられている。送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂはソレノイドコイルであり、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの巻き方向は、送電コイル１０とは逆方向となっている。また、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂのコイルの半径は送電コイル１０のコイルの半径と同じである。キャンセルコイル１２Ａ、Ｂに供給される電流は、送電コイル１０に供給される電流と同一である。キャンセルコイル１２Ａ、Ｂは、送電コイル１０の中心軸と同軸に配置され、送電コイル１０を挟んで対向して配置され、送電コイル１０の中心からキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの中心までの距離は等しい。【選択図】図１
2017077113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電コイルとの磁界結合によって、前記受電コイルへ電力を送電する送電コイルを備えた無線送電装置において、
前記送電コイルが生成する磁界とは逆向きの磁界を生成するキャンセルコイルを、前記送電コイルの周囲に複数個設け、
各前記キャンセルコイルは、遠方において、前記送電コイルが生成する磁界の距離３乗減衰の成分と、前記キャンセルコイル全体が生成する磁界の距離３乗減衰の成分がキャンセルするように構成し、
各前記キャンセルコイル間の配置は、各前記キャンセルコイル全体の中心と前記送電コイルの中心とが一致するように配置し、各前記キャンセルコイルが生成する距離４乗減衰の成分が、全体としてキャンセルするように配置する、
ことを特徴とする無線送電装置。
【請求項２】
前記キャンセルコイルは２個であり、
各前記キャンセルコイルの構造は互いに同一であり、
各前記キャンセルコイルは、前記送電コイルの中心を通る直線上に、前記送電コイルを挟んで対向するように配置した、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線送電装置。
【請求項３】
前記送電コイルと各前記キャンセルコイルとの間に、導体板を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線送電装置。
【請求項４】
前記送電コイルおよび各前記キャンセルコイルは、ソレノイドコイルであり、
前記送電コイルおよび各前記キャンセルコイルのコイル半径は同一であり、
各前記キャンセルコイルを流れる交流電流は、前記送電コイルを流れる交流電流と同一周波数、同一振幅、かつ同相であり、
各前記キャンセルコイルの巻き方向は、前記送電コイルの巻き方向と逆巻きであり、
各前記キャンセルコイルの巻き数は、各前記キャンセルコイルのインダクタンスが前記送電コイルのインダクタンスの半分となる巻き数である、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の無線送電装置。
【請求項５】
前記送電コイルおよび各前記キャンセルコイルは、直列に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の無線送電装置。
【請求項６】
送電コイルとの磁界結合によって、前記送電コイルからの電力を受電する受電コイルを備えた無線受電装置において、
前記受電コイルにより発生する磁界とは逆向きの磁界を発生させるキャンセルコイルを、前記受電コイルの周囲に複数個設け、
各前記キャンセルコイルは、遠方において、前記受電コイルが生成する磁界の距離３乗減衰の成分と、前記キャンセルコイル全体が生成する磁界の距離３乗減衰の成分がキャンセルするように構成し、
各前記キャンセルコイル間の配置は、各前記キャンセルコイル全体の中心と前記受電コイルの中心とが一致するように配置し、各前記キャンセルコイルが生成する距離４乗減衰の成分が、全体としてキャンセルするように配置する、
ことを特徴とする無線受電装置。
【請求項７】
前記キャンセルコイルは２個であり、
各前記キャンセルコイルの構造は互いに同一であり、
各前記キャンセルコイルは、前記受電コイルの中心を通る直線上に、前記受電コイルを挟んで対向するように配置した、
ことを特徴とする請求項６に記載の無線受電装置。
【請求項８】
前記受電コイルと各前記キャンセルコイルとの間に、導体板を設けたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の無線受電装置。
【請求項９】
前記受電コイルおよび各前記キャンセルコイルは、ソレノイドコイルであり、
前記受電コイルおよび各前記キャンセルコイルのコイル半径は同一であり、
各前記キャンセルコイルを流れる交流電流は、前記受電コイルを流れる交流電流と同一周波数、同一振幅、かつ同相であり、
各前記キャンセルコイルの巻き方向は、前記受電コイルの巻き方向と逆巻きであり、
各前記キャンセルコイルの巻き数は、各前記キャンセルコイルのインダクタンスが前記受電コイルのインダクタンスの半分となる巻き数である、
ことを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の無線受電装置。
【請求項１０】
前記受電コイルおよび各前記キャンセルコイルは、直列に接続されていることを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の無線送電装置。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載された無線送電装置と、請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載された無線受電装置と、を備えた無線電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界結合により無線電力を送電する無線送電装置、あるいは磁界結合により無線電力を受電する無線受電装置に関する。また、それらを用いた無線電力伝送装置に関する。特に、漏洩磁界が低減されたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機器などに電力を給電する際、電気機器に電源ケーブルを接続して給電することが広く一般的に行われている。しかし、給電の度に電源ケーブルを接続するのは手間がかかりわずらわしい。そのため、近年は電源ケーブルを接続することなく非接触で電力伝送を行う技術がさかんに研究、開発されている。特に、送電コイルと受電コイル間の磁界結合（磁界共鳴、磁界共振、磁気結合などとも呼ばれている）を利用して電力を伝送する方式が注目されている。この方式は、送電コイルと受電コイルが比較的離れていても電力を伝送でき、送電コイルと受電コイルの位置ずれに対しても強く、配置の自由度が高いという利点がある。
【０００３】
磁界結合による方式では、コイルからの漏洩磁界（コイルから十分に遠方での磁界）が問題となる。特許文献１には、送電コイルや受電コイルの近傍に、給電時に発生する磁界とは逆向きの磁界を発生させるキャンセルコイルを１つ設けることにより、漏洩磁界を低減する技術が開示されている。キャンセルコイルを設けることで、磁界の距離の３乗に反比例する成分を打ち消すことができ、漏洩磁界が低減される。この場合、漏洩磁界として、送電コイルの中心とキャンセルコイルの中心との中心間距離に比例し、距離の４乗に反比例する成分（距離４乗減衰成分）が残る。
【０００４】
一方、特許文献２には、４つのファラデー回転子が正方形を成すように配置し、隣接するファラデー回転子の電磁石の磁界方向が互いに逆向きとなるようにした構成が示されている。このように、電磁石を磁気８重極子の配置とすることで、ファラデー回転子の電磁石からの漏洩磁界が距離５乗減衰となり、漏洩磁界を十分に低減できることが示されている。また、特許文献２には、１つのファラデー回転子を中心として、その回りに６個のファラデー回転子を対称に配置し、その６個のファラデー回転子の電磁石の磁界方向が互いに逆向きとなるようにし、中心のファラデー回転子の電磁石の磁界方向と同一の電磁石について、その磁界強度を逆向きの磁界を発生させる電磁石の磁界強度の３／４とする構成も示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１１０７２６号公報
【特許文献２】特開２００９−５３３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、漏洩磁界は送電コイルの中心とキャンセルコイルの中心との中心間距離におよそ比例するため、その中心間距離を小さくすれば漏洩磁界を低減することができる。しかし、中心間距離を小さくすると電力伝送に必要な磁界強度も低下してしまい、電力の伝送効率を低下させてしまうことになる。つまり、特許文献１の無線電力伝送装置では、漏洩磁界の低減と電力伝送効率はトレードオフの関係にあり、電力伝送効率を維持しつつ、漏洩磁界をさらに低減したいという要望を満たすのは困難である。
【０００７】
特許文献２に示された方法は、無線電力伝送技術には適用することが難しい。送電コイルないし受電コイルに対して、特許文献２のように複数のキャンセルコイルを配置すると、複数のキャンセルコイルのうちいくつかは、その発生する磁界の方向が送電コイルないし受電コイルにより発生する磁界の方向と等しくなる。そのため、電力の伝送効率を低下させてしまうことになる。また、キャンセルコイルの個数が多くなってしまい、コストが増大するとともに、そのキャンセルコイルでの銅損などのエネルギー損失により伝送効率を悪化させてしまう。
【０００８】
そこで本発明の目的は、コイル間の磁界結合により電力を伝送する無線電力伝送装置において、近傍の磁界を維持して電力の伝送効率を維持しつつ、漏洩磁界をさらに抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、受電コイルとの磁界結合によって、受電コイルへ電力を送電する送電コイルを備えた無線送電装置において、送電コイルが生成する磁界とは逆向きの磁界を生成するキャンセルコイルを、送電コイルの周囲に複数個設け、各キャンセルコイルは、遠方において、送電コイルが生成する磁界の距離３乗減衰の成分と、キャンセルコイル全体が生成する磁界の距離３乗減衰の成分がキャンセルするように構成し、各キャンセルコイル間の配置は、各キャンセルコイル全体の中心と送電コイルの中心とが一致するように配置し、各キャンセルコイルが生成する距離４乗減衰の成分が、全体としてキャンセルするように配置する、ことを特徴とする無線送電装置である。
【００１０】
各キャンセルコイル全体の中心とは、その複数のキャンセルコイル全体の合成磁界と同じ磁界を発生させる１つのキャンセルコイルを考えた場合に、その１つのキャンセルコイルの中心となる位置を意味する。
【００１１】
送電コイルに対するキャンセルコイルの個数はなるべく少なくすることが望ましい。コストを低減することができ、また、キャンセルコイルでの銅損などのエネルギー損失を低減して伝送効率を向上させることができるからである。最も望ましいのはキャンセルコイルの個数を２個とすることである。その場合、次のような構成としてもよい。キャンセルコイルは２個であり、各キャンセルコイルの構造は互いに同一であり、各キャンセルコイルは、送電コイルの中心を通る直線上に、送電コイルを挟んで対向するように配置する。これにより、簡素な構成で低コストに送電コイルからの漏洩磁界を低減することができる。
【００１２】
また、本発明の無線送電装置において、送電コイルと各キャンセルコイルとの間に、導体板を設けてもよい。これにより、送電コイルと各キャンセルコイル間の磁界接合を抑制し、電力の伝送効率低下を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明の無線送電装置において、次のような構成としてもよい。送電コイルおよび各キャンセルコイルは、ソレノイドコイルであり、送電コイルおよび各キャンセルコイルのコイル半径は同一であり、各キャンセルコイルを流れる交流電流は、送電コイルを流れる交流電流と同一周波数、同一振幅、かつ同相であり、各キャンセルコイルの巻き方向は、送電コイルの巻き方向と逆巻きであり、各キャンセルコイルの巻き数は、各キャンセルコイルのインダクタンスが送電コイルのインダクタンスの半分となる巻き数である。このように構成すれば、簡素で低コストに送電コイルからの漏洩磁界を低減することができる。
【００１４】
また、本発明の無線送電装置において、送電コイルおよび各キャンセルコイルは、直列に接続されていてもよい。送電コイルと各キャンセルコイルに電流を供給する電源を共通化でき、構成の簡素化、低コスト化を図ることができる。
【００１５】
他の本発明は、送電コイルとの磁界結合によって、送電コイルからの電力を受電する受電コイルを備えた無線受電装置において、受電コイルにより発生する磁界とは逆向きの磁界を発生させるキャンセルコイルを、受電コイルの周囲に複数個設け、各キャンセルコイルは、遠方において、受電コイルが生成する磁界の距離３乗減衰の成分と、キャンセルコイル全体が生成する磁界の距離３乗減衰の成分がキャンセルするように構成し、各キャンセルコイル間の配置は、各キャンセルコイル全体の中心と受電コイルの中心とが一致するように配置し、各キャンセルコイルが生成する距離４乗減衰の成分が、全体としてキャンセルするように配置する、ことを特徴とする無線受電装置である。
【００１６】
受電コイルに対するキャンセルコイルの個数はなるべく少なくすることが望ましい。コストを低減することができ、また、キャンセルコイルでの銅損などのエネルギー損失を低減して伝送効率を向上させることができるからである。最も望ましいのはキャンセルコイルの個数を２個とすることである。その場合、次のような構成としてもよい。キャンセルコイルは２個であり、各キャンセルコイルの構造は互いに同一であり、各キャンセルコイルは、受電コイルの中心を通る直線上に、受電コイルを挟んで対向するように配置する。これにより、簡素な構成で低コストに受電コイルからの漏洩磁界を低減することができる。
【００１７】
また、本発明の無線受電装置において、受電コイルと各キャンセルコイルとの間に、導体板を設けてもよい。これにより、受電コイルと各キャンセルコイル間の磁界接合を抑制し、電力の伝送効率低下を抑制することができる。
【００１８】
また、本発明の無線受電装置において、次のような構成としてもよい。受電コイルおよび各キャンセルコイルは、ソレノイドコイルであり、受電コイルおよび各キャンセルコイルのコイル半径は同一であり、各キャンセルコイルを流れる交流電流は、受電コイルを流れる交流電流と同一周波数、同一振幅、かつ同相であり、各キャンセルコイルの巻き方向は、受電コイルの巻き方向と逆巻きであり、各キャンセルコイルの巻き数は、各キャンセルコイルのインダクタンスが受電コイルのインダクタンスの半分となる巻き数である。このように構成すれば、簡素で低コストに送電コイルからの漏洩磁界を低減することができる。
【００１９】
また、本発明の無線受電装置において、受電コイルおよび各キャンセルコイルは、直列に接続されていてもよい。構成の簡素化、低コスト化を図ることができる。
【００２０】
他の本発明は、本発明の無線送電装置と、本発明の無線受電装置とを備えた無線電力伝送装置である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、漏洩磁界の距離の３乗に反比例する成分だけでなく、距離の４乗に反比例する成分もキャンセルすることができる。また、各キャンセルコイルの磁界の方向はすべて等しく、かつ送電コイルないし受電コイルの磁界とは逆向きであるため、伝送効率を悪化させてしまうこともない。したがって、送電コイルないし受電コイル近傍の磁界を維持して電力の伝送効率を維持しつつ、漏洩磁界を全方位についてさらに低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施例１の無線電力伝送装置の構成を示した図。
【図２】実施例１の無線電力伝送装置の変形例を示した図。
【図３】本発明の原理を説明するための図。
【図４】磁界分布を示した３次元グラフ。
【図５】送電コイル１０の中心からの距離と磁界強度との関係を示したグラフ。
【図６】実施例１の無線電力伝送装置の変形例を示した図。
【図７】実施例１の無線電力伝送装置の変形例を示した図。
【図８】実施例１の無線電力伝送装置の変形例を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２４】
図１は、実施例１の無線電力伝送装置の構成を示した図である。図１のように、実施例１の無線電力伝送装置は、送電コイル１０と、受電コイル１１と、送電コイル１０の周囲に設けられた２つのキャンセルコイル１２Ａ、Ｂと、整流回路１３と、電源１４〜１６と、によって構成されている。たとえば、実施例１の無線電力伝送装置を車両への給電に用いる場合には、受電コイル１１と整流回路１３は車両に設けられ、送電コイル１０、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂおよび電源１４〜１６は路面などに設けられる。
【００２５】
送電コイル１０は、磁界結合によって受電コイル１１へ交流電力を送電するコイルであり、板状のコア材１００に導線１０１を巻いたソレノイドコイルである。また、送電コイル１０の導線１０１は電源１４に接続されていて、導線１０１にはコンデンサ１７が挿入されている。電源１４は、送電コイル１０に交流電流を供給する電源である。その周波数は、たとえば数ＭＨｚから数ＧＨｚである。定電圧をスイッチングする電源であってもよい。コンデンサ１７は、送電コイル１０側の共振周波数を調整し、受電コイル１１側の共振周波数と整合させるためのものである。たとえば送電コイル１０側の共振周波数と受電コイル１１側の共振周波数の差を、送電コイル１０側の共振周波数の±１０％以下とすることで、送電コイル１０側から受電コイル１１側へと効率的に電力を伝送することができる。
【００２６】
受電コイル１１は、磁界結合により送電コイル１０から送電される交流電力を受電するコイルであり、板状のコア材１１０と導線１１１で構成されたソレノイドコイルである。受電コイル１１の導線１１１は整流回路１３に接続されている。整流回路１３は、受電コイル１１からの交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を図示しない各機器に供給する。
【００２７】
キャンセルコイル１２Ａ、Ｂは、送電時に送電コイル１０から発生する漏洩磁界（送電コイル１０より十分に遠方での磁界）を低減するために設けるコイルである。キャンセルコイル１２Ａ、Ｂは、板状のコア材１２０Ａ、Ｂに導線１２１Ａ、Ｂを巻いたソレノイドコイルであり、その巻き方向は、送電コイル１０の導線１０１とは逆方向となっている。つまり、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂにより発生する磁界の方向は等しく、かつ送電コイル１２０により発生する磁界の方向とは逆向きとなる。また、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂのコイルの半径は送電コイル１０のコイルの半径と同じである。キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの導線１２１Ａ、Ｂには、それぞれ電源１５、１６が接続されている。電源１５、１６は、電源１４と同一構成のものを用い、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂに供給される電流は、送電コイル１０に供給される電流と同一周波数、同一振幅、同相である。また、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの導線１２１Ａ、Ｂの巻き数は、送電コイル１０の導線１０１よりも少なくしており、これによりキャンセルコイル１２Ａ、Ｂのインダクタンスが送電コイル１０のインダクタンスの半分となるようにしている。
【００２８】
また、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂは、図１のように、その中心軸が送電コイル１０の中心軸と同軸となるように配置されている。そして、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂは、送電コイル１０を中心として対称に配置され、送電コイル１０の中心からキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの中心までの距離は等しい。
【００２９】
キャンセルコイル１２Ａ、Ｂと送電コイル１０との間の磁界結合を低減するために、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの中心から送電コイルの中心までの距離Ｌを十分に取ることが望ましく、たとえば送電コイル１０のコイル半径ａの１〜２０倍とすることが望ましい。より望ましくは３〜１５倍であり、さらに望ましくは５〜１０倍である。
【００３０】
また、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂと送電コイル１０との距離Ｌを短くすると、送電コイル１０近傍での磁界が低減し、伝送効率が低減してしまう。そのため、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂと送電コイルとの間の距離Ｌは、送電コイル１０から受電コイル１１までの距離の１〜２０倍とすることが望ましい。より望ましくは３〜１５倍であり、さらに望ましくは５〜１０倍である。
【００３１】
なお、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの導線１２１Ａ、Ｂの巻き方向を送電コイル１０の導線１０１と同一方向にし、電源１５、１６によって逆相の電流を供給することで、送電コイル１０の生成する磁界とは逆向きの磁界を生成するようにしてもよい。
【００３２】
また、各キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの導線１２１Ａ、Ｂの巻き数を送電コイル１０の導線１０１の巻き数よりも少なくすることで、各キャンセルコイル１２Ａ、Ｂのインダクタンスが送電コイル１０のインダクタンスの半分となるようにし、各キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの生成する磁界の距離３乗減衰成分が、送電コイル１０の生成する磁界の距離３乗減衰成分の１／２となるようにしているが、電源１５、１６によって供給する交流電流の振幅や、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂのコイル半径を変えることでそれを実現してもよい。具体的には、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂに供給される交流電流の振幅を、送電コイル１０に供給される電流の振幅の１／２とするか、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂのコイル半径を１／２とすればよい。もちろん、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの巻き数、供給される交流電流の振幅、コイル半径のいずれか２以上を変えることで、各キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの生成する磁界の距離３乗減衰成分が、送電コイル１０の生成する磁界の距離３乗減衰成分の１／２となるようにしてもよい。
【００３３】
また、送電コイル１０のコア材１００と、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂのコア材１２０Ａ、Ｂを分離して設けているが、共通のコア材としてもよい。キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの配置の自由度は低下するが、装置の構成を簡略にすることができる。
【００３４】
また、導線１０１と導線１２１Ａ、Ｂを連続させた一の導線とし、電源１５、１６を省いた構成とし、これにより送電コイル１０、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂを直列に接続する構成としてもよい。キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの配置の自由度は低下するが、装置の構成をより簡略化することができる。図２に、コア材１００を送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂで共通とし、キャンセルコイル１２Ａ、送電コイル１０、キャンセルコイル１２Ｂの順に直列に接続した構成を示す。
【００３５】
上記のように２つのキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを送電コイル１０の近傍に配置すると、送電コイル１０近傍の磁界を維持して伝送効率を維持しつつ、キャンセルコイルを１つ設ける場合に比べて漏洩磁界をさらに低減することができる。その理由は次の通りである。
【００３６】
キャンセルコイル１２Ａ、Ｂは、その生成する磁界の方向（磁気双極子とみなしたときの磁気モーメントの方向）が、送電コイル１０の生成する磁界とは逆向きとなるように構成している。また、十分遠方において、各キャンセルコイル１２Ａ、Ｂが生成する磁界の距離（送電コイル１０の中心からの距離）の３乗に反比例する成分（距離３乗減衰成分）の大きさが、送電コイル１０が生成する磁界の距離３乗減衰成分の大きさの１／２となるようにしている。つまり、十分遠方において、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂ全体が生成する磁界の距離３乗減衰成分と、送電コイル１０が生成する磁界の距離３乗減衰成分とは大きさが同じで逆向きである。したがって、十分遠方では磁界の距離３乗減衰成分はキャンセルされる。
【００３７】
また、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂは、送電コイル１０を中心として対称に配置されている。その配置の対称性から、キャンセルコイル１２Ａの生成する磁界の距離４乗減衰成分と、キャンセルコイル１２Ｂの生成する磁界の距離４乗減衰成分は、大きさが同じで逆方向となる。したがって、十分遠方では磁界の距離４乗減衰成分はキャンセルされる。
【００３８】
以上のように、距離３乗減衰成分と距離４乗減衰成分はキャンセルされるため、送電コイル１０、およびキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの全体が生成する磁界は、十分遠方において距離５乗減衰成分が主となる。
【００３９】
一方、キャンセルコイルを１つ設けた従来の例では、十分遠方において磁界の距離の３乗に反比例する成分（距離３乗減衰の成分）をキャンセルすることができる。しかし、キャンセルコイルを設けたことにより、磁界の距離４乗減衰の成分が残存する。
【００４０】
このように、従来のキャンセルコイル１つの場合では、漏洩磁界は主として距離４乗減衰であったのに対し、実施例１の場合では、漏洩磁界は主として距離５乗減衰であり、従来に比べて漏洩磁界が低減されている。また、実施例１は送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの間の距離を短くすることで漏洩磁界を低減するものではなく、十分に間隔を空けることができる。そして送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの間隔を十分に空ければ、送電コイル１０近傍の磁界がキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを設けない場合に比べて低減しないようにすることができ、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂを設けない場合と同等の伝送効率を維持することができる。
【００４１】
漏洩磁界の距離の３乗および４乗に反比例する成分がキャンセルされる理由を、次のように単純化し、数式を用いて説明する。
【００４２】
図３のように、送電コイル１０およびキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとして半径ａの円形コイルを考える。また、送電コイル１０の中心とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの中心との間の距離をＬとする。送電コイル１０に対するキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの配置は図１と同様である。つまり、送電コイル１０の中心軸の一方向にｘ軸を取り、そのｘ軸の負方向に距離Ｌ離れた位置をキャンセルコイル１２Ａの中心とし、ｘ軸の正方向に距離Ｌ離れた位置をキャンセルコイル１２Ｂの中心とする。また、送電コイル１０およびキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの面は、ｘ軸に垂直な面に平行とする。送電コイル１０の導線１０１にはｘ軸正方向から見て反時計回りに電流Ｉ1 が流れ、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの導線１２１Ａ、Ｂには電流Ｉ1 とは逆向きに、つまりｘ軸正方向から見て時計回りに電流Ｉ2 が流れるとする。
【００４３】
ここで、ｘ軸上（中心軸上）の点Ｐでの磁界の強さＨを考える。点Ｐは送電コイル１０の中心からｘ軸正方向に距離ｒの位置にあり、十分に遠方であるとする。このとき、点Ｐでの磁界は、送電コイル１０により発生する磁界と、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂにより発生する磁界の和である。点Ｐは、送電コイル１０、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの中心軸上の点であるから、それらにより発生する磁界はｘ軸方向の成分のみである。送電コイル１０により発生する磁界の強さをＨ0 、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂにより発生する磁界の強さをそれぞれＨA 、ＨB とすれば、点Ｐでの磁界の強さＨは、Ｈ＝Ｈ0 ＋ＨA ＋ＨB であり、Ｈ0 、ＨA 、ＨB はいずれも円電流により発生する磁界であるから、次の式（１）で表される。
【００４４】
【数１】
2017077113.tif 000003
【００４５】
式（１）において、第１項は送電コイル１０により発生する磁界の強さＨ0 、第２項はキャンセルコイル１２Ａにより発生する磁界の強さＨA 、第３項はキャンセルコイル１２Ｂによって発生する磁界の強さＨB を示している。ただし、ｒ＞＞ａとして近似し、ａ／ｒの５乗以上の成分は無視している。
【００４６】
ＨA 、ＨB について、ｒ＞＞Ｌとして、Ｌ／ｒの５乗までの近似とすると、下記の式（２）、（３）のようになる。
【００４７】
【数２】
2017077113.tif 000004
【００４８】
【数３】
2017077113.tif 000005
【００４９】
この式（２）、（３）において１／ｒの４乗成分を見ると、キャンセルコイル１２Ａにより発生する磁界ＨA の１／ｒの４乗成分と、キャンセルコイル１２Ｂにより発生する磁界のＨB の１／ｒの４乗成分とがキャンセルして０となることがわかる。したがって、ｒ＞＞Ｌとして、Ｌ／ｒの５乗までの近似とすることで、点Ｐでの磁界の強さＨは、次の式（４）のようになる。
【００５０】
【数４】
2017077113.tif 000006
【００５１】
式（４）における１／ｒの３乗成分を見ると、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂに流れるＩ2 を適当に選ぶと０にできることがわかる。すなわち、Ｉ1 ＝２Ｉ2 とすることにより、送電コイル１０により発生する磁界ＨA の１／ｒの３乗成分と、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂ全体により発生する磁界の１／ｒの３乗成分とがキャンセルして０となることがわかる。そこで式（４）においてＩ1 ＝２Ｉ2 とすると、点Ｐでの磁界の強さＨは次の式（５）となる。
【００５２】
【数５】
2017077113.tif 000007
【００５３】
以上、式（５）のように、点Ｐが十分に遠方であれば、送電コイル１０およびキャンセルコイル１２Ａ、Ｂによる磁界の強さＨは、主として距離ｒの５乗減衰成分であり、距離ｒの３乗成分と４乗成分はキャンセルして０となっている。
【００５４】
次に、実施例１の無線電力伝送装置に関する各種シミュレーション結果について説明する。
【００５５】
図４（ｃ）は、図３のように送電コイル１０、およびキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを設けた場合の、ｘｙ平面での磁界分布をシミュレーションにより算出した結果を示した３次元グラフである。なお、ｙ軸はｘ軸に直交する方向に取った。また、図４（ａ）は、キャンセルコイルを設けない場合（比較例１）の磁界分布を示した３次元グラフ、図４（ｂ）は、キャンセルコイルを１つとした場合（比較例２）の磁界分布を示した３次元グラフである。コイルの半径ａは０．１ｍ、送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとの間の距離Ｌは１ｍ、送電コイル１０に流れる電流は１Ａの定電流、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂに流れる電流は０．５Ａの定電流とした。
【００５６】
図４（ａ）〜（ｃ）を比較すると、キャンセルコイルを設けない比較例１に対して、キャンセルコイルを設けた比較例２、実施例１では、ｘｙ平面内の全方位について、遠方での磁界が低減されていることがわかる。また、実施例１のように２つのキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを設けることで、キャンセルコイルを１つ設けた比較例２よりも遠方での磁界が低減されていることがわかる。
【００５７】
図５は、送電コイル１０の中心からの距離と磁界強度との関係を電磁界シミュレーションにより算出した結果を示したグラフである。コイル半径ａは０．１ｍ、送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとの間の距離Ｌは１ｍ、送電コイル１０に流れる電流は１Ａの定電流、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂに流れる電流は０．５Ａの定電流とした。また、比較のため、キャンセルコイルを設けない場合（比較例１）と、キャンセルコイルを１つとした場合（比較例２）についても、同様に送電コイル１０の中心からの距離と磁界強度との関係を算出した。
【００５８】
図５のように、距離が１０ｍ以上離れた遠方においては、磁界強度は比較例１では距離３乗減衰、比較例２では距離４乗減衰、実施例１では距離５乗減衰となっていることがわかる。また、距離が１００ｍ離れた位置では、実施例１の磁界強度は比較例２の磁界強度の１／１０以下であり、十分に磁界が低減されていることがわかる。また、距離が２ｍ以下の十分に近傍においては、実施例１の磁界強度と比較例２の磁界強度はほぼ同一であり、磁界強度が維持されていることがわかる。
【００５９】
［各種変形例］
送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとの間隔を十分に空けることができず、送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとの間の磁界結合が発生して電力の伝送効率低下を起こしうる場合には、図６のように、送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとの間に導体板２００を設けるとよい。この導体板２００を設けることにより、送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとの間の磁界結合を抑制し、送電コイル１０から受電コイル１１への電力の伝送効率の低下を抑制することができる。たとえば、スペースが狭くキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを自由に配置できない場合や、装置の小型化を図りたい場合などに有効である。また、送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの間隔を小さくすることで漏洩磁界をさらに低減したい場合にも有効である。送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの間隔を小さくして漏洩磁界のさらなる低減を図りつつ、送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとの間の磁界結合を抑制することができる。
【００６０】
また、受電コイル１１とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとの間の磁界結合を抑制するために、上記と同様にして、受電コイル１１とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとの間に導体板を設けてもよい。
【００６１】
図６に示した例では、導体板２００は、一枚の長方形の帯状の金属板であり、矩形の凸部を有する形状に折り曲げられている。その凸部の内側に送電コイル１０を配置し、凸部の外側であってその一方の側面にキャンセルコイル１２Ａを配置し、他方の側面にキャンセルコイル１２Ｂを配置している。これにより、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの送電コイル１０側に導体板２００が位置するとともに、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの受電コイル１１側に導体板２００が位置するようにしている。つまり、図６の例では、一枚の導体板２００によって、送電コイル１０とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとの間の磁界結合と、受電コイル１１とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂとの間の磁界結合の両方を効率的に防止することができる。
【００６２】
実施例１では、送電コイル１０、受電コイル１１、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂとしてソレノイドコイルを用いているが、本発明はコイルの構造を限定するものではない。従来知られている任意のコイルを用いることができる。たとえば、渦巻きコイルなども用いることができる。
【００６３】
また、実施例１では、送電コイル１０に対して２つのキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを設けているが、３つ以上のキャンセルコイルを設けてもよい。また、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの配置は、実施例１のように送電コイル１０の中心軸上に対称に配置するものに限るものではない。要は、複数のキャンセルコイルの構成、配置について以下の２つの条件を満たすようにすれば、任意の構成、配置としてよい。
【００６４】
第１に、各キャンセルコイルは、その磁界の方向（磁気双極子とみなしたときの磁気モーメントの方向）が送電コイルの磁界の方向とは逆向きとなるように構成し、それらキャンセルコイル全体の合成磁界の距離３乗減衰成分と、送電コイル１０の磁界の距離３乗減衰成分とがキャンセルするように構成されていればよい。
【００６５】
具体的には、各キャンセルコイルを送電コイル１０の中心に配置したと仮定した場合に、各キャンセルコイルの生成する磁界の和が、送電コイル１０の生成する磁界の大きさと等しく、かつ逆向きであればよい。磁界の距離３乗減衰成分は、コイル半径、巻き数、電流値に比例するため、各キャンセルコイルについてコイル半径、巻き数、電流値を調整することで、これを達成することができる。また、キャンセルコイルの磁界の方向については、そのキャンセルコイルの導線に流れる電流の向きを、送電コイルの導線に流れる電流の向きと逆向きにするか、あるいはキャンセルコイルの巻き方向を送電コイルの巻き方向とは逆向きにすることで、送電コイルの磁界の方向とは逆向きとすることができる。
【００６６】
送電コイルの磁界の向き（磁気モーメントの方向）と各キャンセルコイルの磁界の向き（磁気モーメントの方向）は、必ずしも平行でなくともよいが、上記の第１の条件、および下記外２の条件を満たすことが難しくなり、全方位について漏洩磁界を低減することが難しくなるため、なるべく平行に揃えることが望ましい。具体的には、各キャンセルコイルの磁界の方向と、送電コイルの磁界の方向との成す角を、１０°以下とすることが望ましく、より望ましくは５°以下、さらに望ましくは１°以下である。
【００６７】
たとえば、キャンセルコイルの個数をＮ個とし、各キャンセルコイルを同一構造（コイル半径、巻き数、巻き方向、電流を同一とした構造）として生成する磁界がそれぞれ等しいものとした場合には、１つのキャンセルコイルの生成する磁界は送電コイル１０の磁界強度の１／Ｎで、その磁界の方向が送電コイル１０の磁界の方向と逆向きであればよい。そして、磁界強度を１／Ｎとするには、たとえばコイル半径、巻き数、電流値のいずれか１つを送電コイル１０の１／Ｎとすればよく、磁界の方向を逆向きとするには、コイルに流れる電流の向きを逆向きとするか、コイルの巻き方向を逆巻きとすればよい。
【００６８】
なお、キャンセルコイル全体の合成磁界の距離３乗減衰成分と、送電コイル１０の磁界の距離３乗減衰成分とが、遠方において完全にキャンセルするようにしなくともよく、十分に距離３乗減衰成分を低減できていればよい。たとえば、送電コイルの距離３乗減衰成分の１０％以下（望ましくは５％以下）に低減できていればよい。
【００６９】
第２に、各キャンセルコイルの配置は、各キャンセルコイルの生成する磁界の距離４乗減衰成分が全体としてキャンセルするように配置すればよい。そのためには、複数のキャンセルコイル全体の中心が、送電コイルの中心と一致するように、各キャンセルコイルを配置すればよい。ここで、複数のキャンセルコイル全体の中心とは、その複数のキャンセルコイル全体の合成磁界と同じ磁界を発生させる１つのキャンセルコイルを考えた場合に、その１つのキャンセルコイルの中心となる位置と定義する。
【００７０】
たとえば、各キャンセルコイルを同一構造として生成する磁界がそれぞれ等しいものとした場合には、送電コイルの中心に対して対称に各キャンセルコイルを配置すればよい。特に、キャンセルコイルの個数を２個として、送電コイルの中心を通る直線上に、送電コイルを挟んで２つのキャンセルコイルを対向させて配置するのがよい。
【００７１】
キャンセルコイルの個数は、なるべく少なくすることが望ましく、２個とするのが最も望ましい。コストを低減することができ、装置構成の簡略化、小型化を図ることができる。また、個数を少なくすることでキャンセルコイルでの銅損などのエネルギー損失を低減することができ、伝送効率を高めることができる。
【００７２】
なお、複数のキャンセルコイル全体の中心が、送電コイルの中心と完全に一致するように配置する必要はなく、各キャンセルコイルの生成する磁界の距離４乗減衰成分が全体として十分に低減できていればよい。たとえば、遠方において、キャンセルコイル全体の生成する磁界の距離４乗減衰成分が、各キャンセルコイルの生成する磁界の距離４乗減衰成分の平均値の１０％以下（望ましくは５％以下）に低減できていればよい。これを実現するために、複数のキャンセルコイル全体の中心と、送電コイルの中心との位置のずれは、送電コイルのコイル半径以内とするのがよい。
【００７３】
以上の第１、第２条件を満たすように複数のキャンセルコイルを構成、配置すれば、漏洩磁界の距離３乗減衰成分と距離４乗減衰成分をキャンセルすることができ、漏洩磁界は距離５乗減衰となる。また、各キャンセルコイルの生成する磁界の方向はすべて送電コイルの生成する磁界とは逆向きであるから、電力の伝送効率を悪化させることなく、効率的に距離３乗減衰成分と距離４乗減衰成分をキャンセルすることができる。したがって、送電コイル近傍の磁界を維持して電力の伝送効率を維持しつつ、漏洩磁界を全方位についてさらに低減することができる。
【００７４】
以下に、キャンセルコイルの構成や配置を変更した具体な変形例を示す。
【００７５】
図７は、実施例１における送電コイル１０、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂに替えて、送電コイル２０、キャンセルコイル２２Ａ、Ｂを用いた例を示している。送電コイル２０およびキャンセルコイル２２Ａ、Ｂは、渦巻き型の平面コイルであり、中心軸が送電コイル２０の中心軸と平行となるように導体板２０１上に配置されている。キャンセルコイル２２Ａ、Ｂのコイル半径は、送電コイル２０のコイル半径の１／２である。また、キャンセルコイル２２Ａ、Ｂのコイルの巻き方向は、送電コイル２０のコイルの巻き方向とは逆巻きである。また、キャンセルコイル２２Ａ、Ｂに供給される電流は、送電コイル２０に供給される電流と同一周波数、同一振幅、同相である。また、キャンセルコイル２２Ａ、Ｂは、そのコイルの中心が、送電コイル２０の中心を通り、導体板２０１主面に平行な直線上となるように配置されており、送電コイル２０を挟んでキャンセルコイル２２Ａとキャンセルコイル１２Ｂが対向するように配置されている。
【００７６】
以上のように構成したキャンセルコイル２２Ａ、Ｂがそれぞれ生成する磁界の距離３乗減衰成分は、送電コイル２０が生成する磁界の距離３乗減衰成分の１／２であり、磁界の向きは送電コイル２０が生成する磁界と逆向きであるから、十分に遠方においては、キャンセルコイル２２Ａ、Ｂ全体が生成する磁界の距離３乗減衰成分と、送電コイル２０が生成する磁界の距離３乗減衰成分とがキャンセルする。また、キャンセルコイル２２Ａ、Ｂが送電コイル２０の中心に対して対称に配置されていることから、キャンセルコイル２２Ａ、Ｂ全体の中心は、送電コイル２０の中心に一致している。そのため、キャンセルコイル２２Ａが生成する磁界の距離４乗減衰成分と、キャンセルコイル２２Ｂが生成する磁界の距離４乗減衰成分はキャンセルする。したがって、送電コイル２０、およびキャンセルコイル２２Ａ、Ｂの全体が生成する磁界は、十分に遠方においては、距離３乗減衰成分と距離４乗減衰成分がキャンセルされており、漏洩磁界が低減されている。
【００７７】
図８は、実施例１において、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂの配置を変更したものである。図８のように、キャンセルコイル２２Ａ、Ｂは、実施例１におけるキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを、その中心軸を送電コイル１０の中心軸と平行に保ったまま、送電コイル１０の中心から角度φ回転させて配置としたものである。このようにキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの配置をずらしたとしても、キャンセルコイル１２Ａ、Ｂ全体の中心は変化していないため、実施例１と同様に、各キャンセルコイル１２Ａ、Ｂが生成する距離４乗減衰の成分は、全体としてキャンセルしている。したがって、送電コイル１０、およびキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの全体が生成する磁界は、十分に遠方においては、距離３乗減衰成分と距離４乗減衰成分がキャンセルされており、漏洩磁界が低減されている。
【００７８】
また、実施例１では、２つのキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを送電コイル１０側に設けているが、受電コイル１１側に設けてもよい。また、送電コイル１０側と受電コイル１１側の双方にそれぞれキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを設けてもよい。漏洩磁界をさらに抑制することができる。また、受電コイル１１側にもキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを設ける場合に、図６と同様に受電コイル１１とキャンセルコイル１２Ａ、Ｂの間に導体板２００を設けてもよい。
【００７９】
また、実施例１では、送電コイル１０は１つであるが、送電コイル１０を複数設け、送電コイル１０ごとにキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを設ける構成としてもよい。受電コイル１１についても同様に複数設け、受電コイル１１ごとにキャンセルコイル１２Ａ、Ｂを設ける構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の無線電力伝送装置は、各種電気機器の充電などに用いることができ、特に電気自動車やハイブリッド自動車などの車両の充電に用いることができる。
【符号の説明】
【００８１】
１０、２０、３０：送電コイル
１１：受電コイル
１２Ａ、Ｂ、２２Ａ、Ｂ、３２Ａ、Ｂ：キャンセルコイル
１３：整合回路
１４〜１６：電源
１００、１１０：コア材
１０１、１１１：導線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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４】
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