特許 6622181 非接触給電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6622181

(24)【登録日】2019年11月29日

(45)【発行日】2019年12月18日

(54)【発明の名称】非接触給電装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20191209BHJP

   H02J 50/10 20160101ALI20191209BHJP

   H02J 50/90 20160101ALI20191209BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20191209BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/12

   H02J50/10

   H02J50/90

   H02J7/00 301D

【請求項の数】2

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2016-252238(P2016-252238)

(22)【出願日】2016年12月27日

(65)【公開番号】特開2018-107910(P2018-107910A)

(43)【公開日】2018年7月5日

【審査請求日】2018年11月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000187208

【氏名又は名称】昭和飛行機工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100086092

【弁理士】

【氏名又は名称】合志 元延

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 浩史

(72)【発明者】

【氏名】山本 喜多男

(72)【発明者】

【氏名】望月 正志

(72)【発明者】

【氏名】沖米田 恭之

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 敦

【審査官】 大濱 伸也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１２２９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１８７２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／００６４９４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１６９０１４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１４３１０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ５０／００−５０／９０

Ｈ０２Ｊ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電磁誘導の相互誘導作用に基づき、送電側回路の送電コイルから受電側回路の受電コイルに、ギャップＧａｐを存し非接触で近接対応しつつ電力を供給する、非接触給電装置において、
該送電側回路は、可変昇圧トランスを備えており、タップ切換えにより電圧の段階的切換えが可能となっており、タップ切換えは、該ギャップＧａｐ変動による該送電コイルと受電コイル間の結合係数Ｋの変化に、対応して実施され、
もって該可変昇圧トランスは、タップ切換えによる電圧の段階的切換えにより、該受電コイルの誘起電圧の増減変動抑制機能を発揮し、
該可変昇圧トランスのタップ切換えは、該ギャップＧａｐの減増変動に逆比例する結合係数Ｋの増減変化に対応して、その２次コイルの巻数を減増変更するスイッチ切換えにより実施され、
かつ該送電側回路について、直列コンデンサ及び／又は並列コンデンサと該送電コイルとで共振回路が形成され、又、該受電側回路について、直列コンデンサ及び／又は並列コンデンサと該受電コイルとで共振回路が形成されており、
両該共振回路の共振周波数が等しく設定されると共に、該送電側回路の電源周波数が該共振周波数と等しく揃えられ、もって磁界共鳴方式が電磁誘導方式と併用されており、
該可変昇圧トランスは、該送電側回路の該並列コンデンサより上流側，電源側に配されるか、又は、該送電側回路の該直列コンデンサより下流側，該送電コイル側に配されており、
もって該可変昇圧トランスは、ギャップＧａｐの減増そして結合係数Ｋの増減に対応して、その２次コイルの巻数を減増するタップ切換えにより、結合係数Ｋの変化に対し、結合係数Ｋと該可変昇圧トランスの巻数比とが相反することにより、共振周波数の変動抑制機能も発揮すること、を特徴とする非接触給電装置。

【請求項2】

請求項１において、該送電側回路は、該電源としてマトリックスコンバータが用いられており、ＡＣ／ＡＣ直接変換法により、高周波電源として使用されると共に、該可変昇圧トランスで段階的に切換えられた電圧を、更に細かく減圧方向に微調整可能であり、
もって、該可変昇圧トランスによる段階的電圧調整と、該マトリックスコンバータによる微細電圧調整との組み合わせにより、該受電コイルの誘起電圧の増減変動抑制機能が発揮されること、を特徴とする非接触給電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非接触給電装置に関する。すなわち、路面等の送電側から車輌等の受電側に非接触で電力を供給する、非接触給電装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

《技術的背景》
ケーブル等の機械的接触なしで、例えば電気自動車（ＥＶ）にワイヤレス給電する非接触給電装置（ＷＰＴ）（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）が、需要に基づき開発，実用化されている。
図４は、従来例，一般例の非接触給電装置１を示す。この非接触給電装置１では、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、路面等に定置された送電側回路２の送電コイル３から、車輌等に搭載された受電側回路４の受電コイル５に対し、例えば１００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度のエアギャップＧａｐを存して近接対応位置しつつ、電力を供給する。
この非接触給電装置１では、このような電磁誘導方式に、磁界共鳴方式も併用されている。すなわち、送電側回路２について、送電コイル３，直列コンデンサ６，並列コンデンサ７により共振回路が形成されると共に、受電側回路４について、受電コイル５、直列コンデンサ８，並列コンデンサ９により共振回路が形成されている。そして、両共振回路の共振周波数，高周波電源１０の電源周波数が、等しく揃えられている。
このように、送電コイル３と受電コイル５間の磁界共振を利用して給電する、磁界共鳴方式も併用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

このような非接触給電装置１としては、例えば、次の特許文献１，２に示されたものが挙げられる。

【特許文献1】特開２０１６−１１８７３号公報

【特許文献2】特開２０１１−２５８８０７号公報

【0004】

《従来技術》
図２の（３）図は、このような従来例，一般例の非接触給電装置１の送電側回路２を示す。同図に示したように、ＡＣ電源１０からの出力は、まずＡＣ／ＤＣブロック１１で直流に変換される。それから、ＤＣ昇圧ブロック１２で所望電圧に昇圧される。電源１０が２００Ｖの商用電源なので、受電側回路４の負荷１３（図４を参照）であるバッテリーの充電電圧には不足するので、ここで昇圧される。
そして、ＤＣ／ＡＣ変換ブロック２８にて高周波電圧に変換された後、共振回路の直列コンデンサ６，並列コンデンサ７を経由して、送電コイル３が通電される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、このような従来の非接触給電装置１については、次の問題が課題として指摘されていた。
《第１の問題点》
第１に、大ギャップＧａｐ変動により、受電コイル５の誘起電圧が変動する、という課題が指摘されていた。
まず前提として、非接触給電装置１では、送電側コイル３と受電側コイル５間の離間距離を表わすギャップＧａｐが、通常は１００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度で給電可能とされている。他方、送電コイル３と受電コイル５の電磁結合度合をあらわす結合係数Ｋは、このギャップＧａｐとは逆比例の関係にある（後述する図３の（１）図を参照）。
そして、非接触給電装置１の受電側回路４の受電コイル５の誘起電圧は、結合係数Ｋに比例して、変化する（後述する数式１を参照）。
○ところで設計上、ギャップＧａｐ１５０ｍｍ，結合係数Ｋ０．１で、１００％の誘起電圧が定格出力として発生すべく設定されるのが一般的である。
○このベストパワー状態に対し、ギャップＧａｐ１００ｍｍ，結合係数Ｋ０．２５の場合、受電コイル５に２５０％の誘起電圧が発生することになる。
○ギャップＧａｐ５０ｍｍ，結合係数Ｋ０．５の場合、受電コイル５に５００％の誘起電圧が発生してしまう。

【0006】

このように、ギャップＧａｐが変動すると、→結合係数Ｋが逆比例して変動し、→もって誘起電圧が変動してしまう。そこで、誘起電圧が一定保持されない、安定せず大きな電圧変化が生じてしまう、もって確実な給電に支障が生じる、という問題が指摘されていた。
特に、５０ｍｍ〜１５０ｍｍという大きなギャップＧａｐ変動に対応できない、つまり０．５〜０．１の大きな結合係数Ｋ変動に対応できない、という問題が指摘されていた。
非接触給電装置１において、従来よりの使用ギャップＧａｐは１００ｍｍ〜１５０ｍｍ，結合係数Ｋ０．２５〜０．１程度であるが、これをギャップＧａｐ５０ｍｍ〜１５０ｍｍ，結合係数０．５〜０．１程度まで使用範囲を広げたい、というニーズが従来より強かった。

【0007】

《第２の問題点》
第２に、従来の非接触給電装置１において、このような問題に対処するためには、装置の大容量化を要する、という課題が指摘されていた。
受電コイル５の誘起電圧を定格にキープし安定化するためには、送電側回路２の電圧制御が必要となる。前述した例では、結合係数Ｋ０．２５の場合、誘起電圧を前記２５０％から定格１００％まで下げるためには、ＤＣ昇圧ブロック１２にて電圧を、結合係数Ｋ定格０．１の場合の２．５分の１に下げることを要する。
すると、電流が定格の場合の２５０％増となる。つまり装置としては、結合係数Ｋ定格０．１の場合に対し、２５０％増の電気容量（電圧×電流）が必要となってしまう。
従って、ニーズが強いギャップＧａｐ５０ｍｍ〜１５０ｍｍ，結合係数Ｋ０．５〜０．１まで使用可能な送電側回路２のためには、定格１００％に対し５００％の電気容量が必要となる。つまり電気容量を、ギャップＧａｐ変動幅に比例して、過大に増加させることが必要となる。
従って、従来の非接触給電装置１では、誘起電圧安定化のためには、送電側回路２のＤＣ昇圧ブロック１２およびＤＣ／ＡＣ変換ブロック２８について、電子回路の大容量化が必要となり、回路構成が複雑化し、コスト面や信頼性に大きな問題が指摘されていた。

【0008】

《第３の問題点》
第３に、ギャップＧａｐ変動そして結合係数Ｋ変動により、共振周波数が変動する、という課題も指摘されていた。
まず前提として、この非接触給電装置１では、前述したように送電側回路２，受電側回路４の共振周波数と、送電側回路２の電源周波数とが、等しく揃えられている。
そして、その共振角周波数ωは結合係数Ｋに比例して変化する（後述する数式２，３を参照）。そこで、ギャップＧａｐ変動，結合係数Ｋ変動により、共振回路の共振周波数が、所期の最適周波数から変動してしまい、もって共振点ずれが発生し、給電効率が低下する、という問題が指摘されていた。
電源１０のインバータ効率が低下し、その出力電流の出力電圧に対する位相角が０°から大きくずれ、運転力率が１から大きく離隔する、という問題が指摘されていた。

【0009】

《本発明について》
本発明の非接触給電装置は、このような実情に鑑み、上記従来技術の課題を解決すべくなされたものである。
そして本発明は、第１に、大ギャップ変動に対応可能であり、誘起電圧変動が抑制されると共に、第２に、共振周波数変動も抑制され、第３に、しかもこれらが、簡単な構成により、コスト面や信頼性に優れて実現される、非接触給電装置を提案することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

《各請求項について》
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、特許請求の範囲に記載したように、次のとおりである。
請求項１については、次のとおり。
請求項１の非接触給電装置は、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、送電側回路の送電コイルから受電側回路の受電コイルに、ギャップＧａｐを存し非接触で近接対応しつつ電力を供給する。
該送電側回路は、可変昇圧トランスを備えており、タップ切換えにより電圧の段階的切換えが可能となっている。タップ切換えは、該ギャップＧａｐ変動による該送電コイルと受電コイル間の結合係数Ｋの変化に、対応して実施される。
もって該可変昇圧トランスは、タップ切換えによる電圧の段階的切換えにより、該受電コイルの誘起電圧の増減変動抑制機能を発揮する。
そして、該可変昇圧トランスのタップ切換えは、該ギャップＧａｐの減増変動に逆比例する結合係数Ｋの増減変化に対応して、その２次コイルの巻数を減増変更するスイッチ切換えにより実施される。

【0011】

更に、該送電側回路について、直列コンデンサ及び／又は並列コンデンサと該送電コイルとで共振回路が形成されている。又、該受電側回路について、直列コンデンサ及び／又は並列コンデンサと該受電コイルとで共振回路が形成されている。
両該共振回路の共振周波数が等しく設定されると共に、該送電側回路の電源周波数が該共振周波数と等しく揃えられ、もって磁界共鳴方式が電磁誘導方式と併用されている。
そして該可変昇圧トランスは、該送電側回路の該並列コンデンサより上流側，電源側に配されるか、又は、該送電側回路の該直列コンデンサより下流側，該送電コイル側に配されるか、又は、該送電側回路の該直列コンデンサより下流側，該送電コイル側に配されている。
もって該可変昇圧トランスは、ギャップＧａｐの減増そして結合係数Ｋの増減に対応して、その２次コイルの巻数を減増するタップ切換えにより、結合係数Ｋの変化に対し、結合係数Ｋと該可変昇圧トランスの巻数比とが相反することにより、共振周波数の変動抑制機能も発揮すること、を特徴とする。

【0012】

請求項２については、次のとおり。
請求項２の非接触給電装置は、請求項１において、該送電側回路は、該電源としてマトリックスコンバータが用いられており、ＡＣ／ＡＣ直接変換法により、高周波電源として使用されると共に、該可変昇圧トランスで段階的に切換えられた電圧を、更に細かく減圧方向に微調整可能である。
もって、該可変昇圧トランスによる段階的電圧調整と、該マトリックスコンバータによる微細電圧調整との組み合わせにより、該受電コイルの誘起電圧の増減変動抑制機能が発揮されること、を特徴とする。

【0013】

《作用等について》
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
（１）非接触給電装置では給電に際し、受電コイルが送電コイルに、ギャップを存し近接対応位置する。
（２）そして送電コイルが通電され、受電コイルとの間に磁路が形成され、電磁誘導の相互誘導作用に基づき電力が供給される。
（３）更に、このような電磁誘導方式に加え、磁界共振を利用して給電する磁界共鳴方式も併用されている。
（４）さて給電に際しては、送電コイルと受電コイル間のギャップが変動する可能性がある。給電毎にギャップが異なっている可能性がある。
（５）これに対し、送電コイルと受電コイル間の結合係数は、ギャップ変動と逆比例関係にある。ギャップが減増変動すると、結合係数は増減変動する。受電コイルの誘起電圧は、送電コイル電圧がそのままでは、結合係数に比例して変動する。
（６）そこで本発明では、送電側回路に可変昇圧トランスを採用してなり、結合係数の増減変動に対し、多段タップの切換えにより、その２次コイル巻数を減増変動し、出力電圧を減増変更する。もって可変昇圧トランスは、大きなギャップ変動そして結合係数変動があっても、受電コイルの誘起電圧の変動抑制機能を発揮する。
（７）又、送電側回路には、マトリックスコンバータが採用されており、ＡＣ／ＡＣ直接変換法による高周波電源として使用されると共に、上述により可変昇圧トランスで切換えられた電圧を更に微調整する。
（８）ところで可変昇圧トランスは、共振周波数の変動抑制機能も発揮する。すなわち、可変昇圧トランスを、送電側回路の共振回路のコンデンサ上流側や下流側に配設すると共に、前述により２次コイルの巻数をタップ切換えすることにより、ギャップ変動，結合係数変動があっても、共振周波数変動は抑制される。
すなわち、結合係数の増減に対し、可変昇圧トランスの２次コイルの巻数が減増されることにより、共振周波数の変動は抑制される。
（９）そして、この非接触給電装置は、上述したところを簡単な構成により容易に実現する。
（１０）そこで、本発明は次の効果を発揮する。

【発明の効果】

【0014】

《第１の効果》
第１に、大ギャップ変動に対応可能であり、誘起電圧変動が抑制される。
本発明の非接触給電装置は、送電側回路にタップ切換え式の可変昇圧トランスを採用してなり、タップ切換えにより２次コイルの巻数を変更する。電源としては、マトリックスコンバータを併用している。
もって、ギャップ変動があり結合係数が変動しても、受電コイルの誘起電圧変動は抑制される。変動は生じないか、最小化される。前述したこの種従来技術のように大きな誘起電圧変動は回避され、誘起電圧は安定化され定格出力が維持され、もって確実な給電が実現される。
そして特に、大ギャップ変動に対応可能となる。非接触給電装置において、代表的な使用ギャップは、従来１００ｍｍ〜１５０ｍｍ，結合係数０．２５〜０．１程度であったが、これを例えばギャップ５０ｍｍ〜１５０ｍｍ，結合係数０．５〜０．１程度まで、使用範囲を広げることができ、最近のニーズに十分対応可能となる。

【0015】

《第２の効果》
第２に、共振周波数変動も抑制される。
本発明の非接触給電装置は、送電側回路において、可変昇圧トランスを共振回路のコンデンサ上流側や下流側に配設してなると共に、タップ切換えを２次コイルの巻数変更により実施する。
そこで、ギャップ変動があり結合係数が変動しても、共振周波数変動は抑制される。変動は生じないか、最小化される。昇圧トランスの巻数比を変えることにより、共振周波数が調整され、前述したこの種従来技術で指摘されていた共振点ずれ発生は、回避される。
もって、電源の出力電流の出力電圧に対する位相差が０°近くとなり、無効電力が減少し、運転力率が１近くとなる等、電源効率が向上する。

【0016】

《第３の効果》
第３に、しかもこれらは、簡単な構成により、コスト面や信頼性に優れて実現される。
本発明の非接触給電装置は、送電側回路について、所定の可変昇圧トランス，マトリックスコンバータ等を備えた簡単な構成によりなる。もって、前述した誘起電圧変動抑制や共振周波数変動抑制の効果を、容易に実現する。
前述した従来技術のように、装置の大容量化，電子回路の大容量化，回路構成の複雑化等を伴うことなく実現する。もって、コスト面や信頼性に優れている。
このように、この種従来技術に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明に係る非接触給電装置について、発明を実施するための形態の説明に供し、基本回路図である。

【図2】同発明を実施するための形態の説明に供し、送電側回路の要部説明図であり、（１）図は、本発明に関し、（２）図は、その双方向スイッチを示し、（３）図は、従来例に関する。

【図3】同発明を実施するための形態の説明に供し、（１）図は、ギャップと結合係数の関係データのグラフ、（２）図は、回路の要部説明図である。

【図4】非接触給電装置の一般的な回路図である。

【図5】非接触給電装置の一例を示し、（１）図は、全体の側面概略図、（２）図は、構成ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。
《非接触給電装置１４について》
まず、本発明の前提として、非接触給電装置（ＷＰＴ）１４について、図１，図５を参照して、一般的に説明しておく。
非接触給電装置１４は、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、送電側回路１５の送電コイル３から、負荷１３に接続された受電側回路１４の受電コイル５に、エアギャップＧａｐを存して近接対応位置しつつ、非接触で電力を供給する。

【0019】

このような非接触給電装置１４について、更に詳述する。まず、１次側の送電側回路１５は、給電スタンド１６等の給電エリアにおいて、地面，路面，その他の地上１７側に定置配置される。
これに対し、２次側の受電側回路４は、電気自動車（ＥＶ），電動台車（ＡＧＶ），電車等の車輌１８，その他の移動体側に搭載される。車載の受電側回路４は、図５のように、バッテリー１９に接続されるのが代表的であるが、その他の負荷１３に直接接続される場合もある。
給電に際し、送電側回路１５の送電コイル３と受電側回路４の受電コイル５とは、例えば１００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度の僅かなギャップＧａｐを存して、対応位置する。
そして図５の（１）図に示したように、受電コイル５が送電コイル３に対し、上側等から対応位置して停止される停止給電方式が代表的である。停止給電方式の場合、受電コイル５と送電コイル３とは、上下等で対をなす対称構造よりなる。これに対し、受電コイル５が送電コイル３上を低速走行されつつ給電を行う、移動給電方式も可能である。
送電側回路１５の送電コイル３は、電源１０に接続されており、電源１０は、例えば数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ程度の高周波交流を、送電コイル３に向けて通電する。
受電側回路４の受電コイル５からの出力は、図５ではバッテリー１９に供給され、充電されたバッテリー１９にて走行用モータ２０が駆動される。図５中２１は、交流を直流に変換するコンバータ（整流部や平滑部）、２２は、直流を交流に変換するインバータ、２３は、受電側回路４の出力ラインに設けられたスイッチである。

【0020】

電磁誘導の相互誘導作用については、次のとおり。給電に際しては、送電コイル３での磁束形成により、受電コイル５に誘起電力を生成させ、もって送電コイル３から受電コイル５に電力を供給することは、公知公用である。
すなわち送電コイル３に、電源１０から給電交流，励磁電流を印加，通電することにより、自己誘導起電力が発生して磁界が送電コイル３の周囲に生じ、磁束がコイル面に対して直角方向に形成される。そして形成された磁束が、受電コイル５を貫き錯交することにより、誘起電力が生成され磁界が誘起される。
このように誘起生成された磁界を利用して、数ｋＷ以上〜数１０ｋＷ〜数１００ｋＷ程度の電力供給が可能となる。送電コイル３側の磁束の磁気回路と、受電コイル５側の磁束の磁気回路は、相互間にも磁束の磁気回路つまり磁路が形成されて、電磁結合される。非接触給電装置１では、このような電磁誘導の相互誘導作用に基づき、非接触給電が行われる。

【0021】

ところで、この非接触給電装置１では、このような電磁誘導方式により給電が行われるが、磁界共鳴方式も併用され、もって重なる給電効率の向上が図られている。
すなわち、送電側回路１５について、直列コンデンサ６及び／又は並列コンデンサ７と送電コイル３とで、共振回路が形成され、又、受電側回路４について、直列コンデンサ８及び／又は並列コンデンサ９と受電コイル５とで、共振回路が形成されている。
図示例では、送電側回路１５について、送電コイル３，直列コンデンサ６，並列コンデンサ７等により、共振回路が形成されている。又、受電側回路４について、受電コイル５，直列コンデンサ８，並列コンデンサ９等により、共振回路が形成されている。
そして、両共振回路の共振周波数が等しく設定されると共に、送電側回路１５の電源１０の電源周波数も、この共振周波数と等しく揃えられている。もって、送電コイル３と受電コイル５間に生じる磁界共振（磁界共鳴）現象をも利用して給電する、磁界共鳴方式が併用されている。
なお図示例によらず、送電側回路１５について、直列コンデンサ６と並列コンデンサ７のいずれか一方のみが用いられ、もって共振回路が形成される側も可能である。同様に、受電側回路４についても、直列コンデンサ８と並列コンデンサ９のいずれか一方のみが用いられ、もって共振回路が形成される側も可能である。
非接触給電装置１４について、一般的説明は以上のとおり。

【0022】

《本発明の概要》
以下、本発明の非接触給電装置１４について、図１，図２の（１）図，図３の（１）図，（２）図等を参照して、説明する。まず、本発明の概要については次のとおり。
本発明の非接触給電装置１４は、送電側回路１５に可変昇圧トランス２４を備えており、タップ切換えにより電圧の段階的切換えが可能となっている。
タップ切換えは、ギャップＧａｐ変動による送電コイル３と受電コイル５間の結合係数Ｋの変化に、対応して実施される。すなわち、ギャップＧａｐ変動に逆比例する結合係数Ｋの増減に対応して、その２次コイルの巻数を変更すべく、スイッチ切換えにより実施される。
もって可変昇圧トランス２４は、結合係数Ｋの変化に対し、受電コイルの誘起電圧の変動抑制機能を発揮する。又、結合係数Ｋの変化に対し、共振周波数の変動抑制機能も発揮する。
なお送電側回路１５は、電源１０としてマトリックスコンバータ２５が用いられており、ＡＣ／ＡＣ直接変換法により、高周波交流が電圧調整されて生成される。
本発明の概要については、以上のとおり。以下、このような本発明の非接触給電装置１４について、更に詳述する。

【0023】

《マトリックスコンバータ２５について》
まず、送電側回路１５のマトリックスコンバータ２５について、図１，図２の（１）図を参照して説明する。
マトリックスコンバータ２５は、複数の双方向スイッチの切換制御により、入力された交流を、異なる任意の周波数や電圧の交流に直接変換して出力する、ＡＣ／ＡＣ直接変換法よりなる。なお、特開２００６−１４５５０号公報，特開２０１１−３０４０９号公報，特開２０１４−１４３８２５，その他多数の特許出願も存在している。
そして、マトリックスコンバータ２５は、非接触給電装置１４の送電側回路１５の電源１０として用いられ、商用電源交流を電圧調整された高周波交流に変換して出力する。例えば、三相２００Ｖ，５０Ｈｚの商用電源交流を、単相２００Ｖ，８５ｋＨｚに変換，出力する。
電圧調整に関しては次のとおり。すなわち送電側回路１５では、後述により可変昇圧トランス２４にて電圧の段階的切換えが実施されるが（例えば大きく２００Ｖ単位毎で切換え）、その切換えられた電圧の範囲内で、マトリックスコンバータ２５にて、細かい電圧微調整（２００Ｖの範囲内で微細に調整）が、減圧方向限定で実施される。そしてこの電圧調整は、受電側回路４の出力電圧を把握し、これに対応して双方向スイッチを切換制御することにより、実施される。
マトリックスコンバータ２５については、以上のとおり。

【0024】

《可変昇圧トランス２４について》
次に、可変昇圧トランス２４について、図１，図２の（１）図，図３の（１）図を参照して説明する。
送電側回路１５には、可変昇圧トランス２４が設けられており、多段（図示例では３段）タップ切換えにより、２次側出力電圧を段階的に切換える。
可変昇圧トランス２４のタップ切換えは、ギャップＧａｐ変動に逆比例する結合係数Ｋの増減変化に対応して実施され、その２次コイルＳの巻数を変更すべくスイッチ切換えする。

【0025】

これらについて詳述する。ギャップＧａｐは、送電側回路１５の送電コイル３と受電側回路４の受電コイル５の離間距離を示し、一般的には、１００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度で給電可能とされている。結合係数Ｋは、送電コイル３と受電コイル５間の電磁結合度合をあらわす係数であり、０〜１間の数値をとる。
図３の（１）図は、このようなギャップＧａｐと結合係数Ｋとの関係を示す特性図である。同図にも示されたように、ギャップＧａｐと結合係数Ｋとは、逆比例の関係にある。ギャップＧａｐの大小と結合係数Ｋの大小とは、逆比例する。
○勿論、ギャップＧａｐが過大の場合、結合係数Ｋは０である。
○そしてギャップＧａｐ１００ｍｍが、結合係数Ｋ０．２５に対応する。
○ギャップＧａｐ１５０ｍｍが、結合係数Ｋ０．１に対応する。
○そして一般的には、ギャップＧａｐ１００ｍｍ〜１５０ｍｍ，結合係数Ｋ０．２５〜０．１程度で、例えば電気自動車への電力供給が可能に設計されている。

【0026】

さて、受電コイル５の誘起電圧Ｖ_Ｌ２は、下流の数式１につて与えられる。
すなわち誘起電圧Ｖ_Ｌ２は、送電コイル３の電圧Ｖ_Ｌ１や結合係数Ｋに、正比例して変化する。給電に際し、受電コイル５に誘起される誘導起電力は、結合係数Ｋが増加すれば、増加すべく変化する関係にある。数式１中、_Ｌ１は送電コイル３のインダクタンス、_Ｌ２は受電コイル５のインダクタンスである。
このように、ギャップＧａｐが減増変動すると、→結合係数Ｋが逆比例して増減変動する。→もって、送電コイル３の電圧Ｖ_Ｌ１がそのままなら、→受電コイル５の誘起電圧Ｖ_Ｌ２が大きく変動してしまう。

【0027】

【数1】

【0028】

そこで、このような誘起電圧Ｖ_Ｌ２の増減変動を抑制すべく、可変昇圧トランス２４等が採用されており、変動抑制機能を発揮する。
すなわち、可変昇圧トランス２４は、ギャップＧａｐが減増変動し、→結合係数Ｋが増減変動すると、→２次コイルＳ巻数が、多段タップの切換えにより、減増変更される。
→そこで、その出力電圧が段階的に切換えられ、もって誘起電圧Ｖ_Ｌ２の増減変動が抑制される。誘起電圧Ｖ_Ｌ２は、変動しないか又は変動しても少なく最小化され、安定化される。
タップ切換えは、スイッチ切換えにより行われ、高周波用なので、図２（２）図に示した半導体による双方向スイッチが使用される。
そして、２次コイルＳの巻数変更は、巻数の異なる図示例では３種の２次コイルＳ１（巻数多３／３），Ｓ２（巻数中２／３），Ｓ３（巻数少１／３）を、それぞれの双方向スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３で、タップ切換えすることにより行われる。
なお、このような可変昇圧トランス２４の誘起電圧Ｖ_Ｌ２の変動抑制機能は、前述したようにマトリックスコンバータ２５による電圧微調整により、補完される。
可変昇圧トランス２４については、以上のとおり。

【0029】

《共振周波数の変動抑制機能について》
可変昇圧トランス２４は、上述したように誘起電圧Ｖ_Ｌ２の変動抑制機能を発揮するが、更に共振周波数の変動抑制機能も発揮する。
まず、その前提として、この非接触給電装置１４では、送電側回路１５の共振周波数と受電側回路４の共振周波数と電源周波数とが、等しく揃えられている。
そして、その共振角周波数ωは、結合係数Ｋに比例して変化，変動する。すなわち、送電コイル３の共振角周波数ω_１は、下記の数式２にて与えられる。受電コイル５の共振角周波数ω_２は、下記の数式３にて与えられる。
もって共振角周波数ωは、結合係数Ｋにより変化する。数式２中、Ｃ_１は直列コンデンサ６のキャパシタンス、Ｃ_１′は並列コンデンサのキャパシタンス、Ｌ_１は送電コイル３のインダクタンスである。数式３中、Ｃ_２は直列コンデンサ８のキャパシタンス、Ｃ_２′は並列コンデンサ９のキャパシタンス、Ｌ_２は受電コイル５のインダクタンスである。

【0030】

【数2】

【0031】

【数3】

【0032】

さて、このままでは共振周波数が結合係数Ｋ変動に伴い、変動することになるが、この非接触給電装置１４では、可変昇圧トランス２４により、このような共振周波数変動が抑制される。
すなわち可変昇圧トランス２４は、その２次コイルＳの巻数変更によりタップ切換えを実施すると共に、送電側回路１５において、並列コンデンサ７より上流側，電源１０側に配されている。もって結合係数Ｋの変化に対し、共振回路のＣ値つまりキャパシタンス値を変えることにより、共振周波数の変動抑制機能を発揮する。
又、可変昇圧トランス２４は、送電側回路１５において、共振回路の直列コンデンサ６より下流側，送電コイル３側に配されている。もって上述に準じ同様の理由により、結合係数Ｋの変化に対し共振周波数の変動抑制機能を発揮する。
このように可変昇圧トランス２４は、タップ切換えによる２次コイルＳの巻数変更により、共振周波数の変動抑制機能を発揮する。共振周波数は変動しないか、変動しても少なく最小化される。このように共振周波数が調整されて、所期の最適周波数が維持され、共振点ずれ発生は回避される。

【0033】

ここで、上述した変動抑制機能を裏付け説明しておく。
まず、送電側回路１５の共振回路の直列コンデンサ６のキャパシタンスＣ_１を、可変昇圧トランス２４の２次コイルＳ側で見たキャパシタンスＣ_１″は、下記の数式４にて与えられる。数式４中、Ｐは可変昇圧トランス２４の１次コイル巻数、Ｓは２次コイル巻数である。
そして送電コイル３の共振角周波数ωは、下記の数式５に基づいて、下記の数式６にて与えられる。数式５，６中Ｃ_１′は並列コンデンサ７のキャパタンス、Ｌ_１は送電コイル３のインダクタンスである。

【0034】

【数4】

【0035】

【数5】

【0036】

【数6】

【0037】

【数7】

【0038】

もって、この数式６に数式４を代入すると、上記数式７が得られる。数式７により、送電コイル３の共振角周波数ωは、結合係数Ｋと可変昇圧トランス２４の巻数比Ｐ／Ｓとが相反するようにすれば、共振角周波数ωの変化を少なくすることができる。
例えば、ギャップＧａｐが減少し、結合係数Ｋが増加した場合、巻数比Ｐ／Ｓが増加すれば、つまり２次コイルＳの巻数が減少すれば、共振周波数ωの変動抑制機能が発揮されるようになる。
そして、前述した誘起電圧Ｖ_Ｌ２の変動抑制機能において前述したように、可変昇圧トランス２４は、正にそのように２次コイルＳの巻数が、タップ切換えにより増減変更される。
共振周波数の変動抑制機能については、以上のとおり。

【0039】

《距離センサ２６や制御手段２７について》
次に、距離センサ２６や制御手段２７について、図１，図３の（２）図を参照して説明する。
この非接触給電装置１４は、送電側回路１５に、距離センサ２６と制御手段２７とが付設されている。距離センサ２６は、送電コイル３と受電コイル５間のギャップＧａｐ長を検出する。制御手段２７は、距離センサ２６の検出結果を、予め準備しておいた関係データに適用して結合係数Ｋを演算し、もって得られた結合係数Ｋに基づき、可変昇圧トランス２４をタップ切換えせしめる。

【0040】

これらについて更に詳述する。前述したように、可変昇圧トランス２４は、ギャップＧａｐが減増変動し、→結合係数Ｋが増減変動すると、→２次コイルＳの巻数を、タップ切換えにより減増変更せしめる。
そこで、まず距離センサ２６が送電側回路１５の送電コイル３付近に配設され、もって給電に際し近接対応位置せしめられた受電側回路４の受電コイル５とのギャップＧａｐ長を、検出可能となっている。
距離センサ２６としては、例えば非接触式，反射式のものが用いられており、光，電波，超音波等を送電コイル３側から発射し、受電コイル５面での反射波を捉える方式によりなる。なお光使用の場合は、受電側に設けたバーコードの読み取り機能を付加しておくことにより、制御手段２７等により受電側を識別，認識することも可能化する。
制御手段２７は、距離センサ２６のギャップＧａｐ長検出結果を、予め準備しておいたデータに適用する。図３の（１）図に示されたような、ギャップＧａｐ長と結合係数Ｋとの関係データに適用し、もって結合係数Ｋを演算する。
そして、得られた結合係数Ｋに基づき、可変昇圧トランス２４をタップ切換え制御し、２次コイルＳ巻数を変更させる。結合係数Ｋの増減変動に対応して、可変昇圧トランス２４の２次コイルＳの巻数を減増変更すべく、タップ切換えを行う。
例えば、結合係数０．１以上〜０．１５以下の場合は、２次コイルＳ１のみをオンし、０．１５超〜０．３５以下の場合は、２次コイルＳ２のみをオンし、０．３５超の場合は、２次コイルＳ３のみをオンとする、タップ切換え制御を行う。
このように、結合係数Ｋの値の変動をリアルタイムで把握することにより、可変昇圧トランス２４のタップ切換え制御が自動化される。
距離センサ２６や制御手段２７については、以上のとおり。

【0041】

《作用等》
本発明の非接触給電装置１４は、以上説明したように構成されている。そこで以下のようになる。
（１）非接触給電装置１４では、給電に際し、車輌１８等に搭載された受電側回路４の受電コイル５が、路面等の地上１７側に定置配置された送電側回路１５の送電コイル３上に、ギャップＧａｐを存して近接対応位置する（図５を参照）。

【0042】

（２）そして送電コイル３が、高周波交流を励磁電流として通電され、もって送電コイル３と受電コイル５間のギャップＧａｐに、磁束の磁路が形成されて、両者が電磁結合される。このような電磁誘導の相互誘導作用に基づき、電力が送電側回路１５から受電側回路４へと供給される（図１を参照）。

【0043】

（３）更に、この非接触給電装置１４では、このような電磁誘導方式に加え、磁界共鳴方式も併用されている。
すなわち、送電側回路１５および受電側回路４には、それぞれ共振回路が形成されており、送電コイル３と受電コイル５間に生じる磁界共振を利用して、給電する（図１を参照）。

【0044】

（４）さて、このような給電に際しては、送電コイル３と受電コイル５間のギャップＧａｐが、車輌１８等側の条件次第で種々変動している可能性がある（例えば同一車輌１８でも、積載重量次第では変動する）。給電毎に、ギャップＧａｐが異なっている可能性がある。
ギャップＧａｐは、設計上は、１００ｍｍ〜１５０ｍｍ程度で給電可能とされているが、実際上は、更に５０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度と大きく変動する可能性がある（図５も参照）。

【0045】

（５）これに対し、送電コイル３と受電コイル５間の電磁結合度合を表わす結合係数Ｋは、このように変動するギャップＧａｐとは、逆比例の関係にある。ギャップＧａｐが減増変動すると、結合係数Ｋは増減変動する（図３の（１）図を参照）。
そして、給電のポイントとなる受電コイル５の誘起電圧は、送電コイル３の電圧がそのままとすると、このような結合係数Ｋに比例して、変動する関係にある（前記数式１を参照）。もって結合係数Ｋの増減変動に伴い、誘起電圧も増減変動する虞がある。

【0046】

（６）そこでこの非接触給電装置１４では、送電側回路１５について、多段タップ切換え式の可変昇圧トランス２４を採用してなる（図１，図２の（１）図を参照）。そして結合係数Ｋの増減変動に対し、多段タップの切換えにより２次コイルＳの巻数を減増変更させ、その出力電圧を段階的に切換える。
これにより、５０ｍｍ〜１５０ｍｍの大きなギャップＧａｐ変動があっても、もって０．５〜０．１の大きな結合係数Ｋ変動があっても、上述した受電コイル５の誘起電圧の増減変動は、確実に抑制されるようになる。このように可変昇圧トランス２４は、誘起電圧の変動抑制機能を発揮する。
なお送電側回路１５には、距離センサ２６と制御手段２７が付設されている（図１，図３の（２）図を参照）。そして距離センサ２６がギャップＧａｐ長を検出し、これに基づき制御手段２７が結合係数Ｋを演算することにより、リアルタイムで可変昇圧トランス２４をタップ切換えせしめる。

【0047】

（７）又、この非接触給電装置１４は、送電側回路１５について、マトリックスコンバータ２５を採用してなる（図１，図２の（１）図を参照）。
このマトリックスコンバータ２５は、ＡＣ／ＡＣ直接変換法により高周波電源１０として使用されると共に、前述により可変昇圧トランス２４で切換えられた電圧を、その電圧範囲内で補完すべく、更に細かく減圧方向に微調整する。
このように、受電コイル５の誘起電圧の変動は、可変昇圧トランス２４による段階的電圧調整と、マトリックスコンバータ２５による微細電圧調整の組み合わせにより、確実に抑制される。

【0048】

（８）ところで、この非接触給電装置１４では、磁界共鳴方式も採用されており（図１等を参照）、共振回路の共振周波数や電源周波数が揃えられている。そして、共振周波数そしてその共振角周波数ωは、結合係数Ｋの変動に伴い変化する虞がある（前記数式２，３を参照）。
これに対し可変昇圧トランス２４が、共振周波数の変動抑制機能を発揮する。送電側回路１５において、可変昇圧トランス２４を並列コンデンサ７上流側や直列コンデンサ６下流側に配すると共に、２次コイルＳの巻数を前述によりタップ切換えすることにより、共振周波数の変動が確実に抑制されるようになる。
このように、結合係数Ｋの増減に対し、可変昇圧トランス２４の２次コイルＳの巻数が前述により減増されることにより、共振周波数の変動は抑制される（前記数式７等も参照）。

【0049】

（９）そして、この非接触給電装置１４は、上述したところを簡単な簡略化された構成により、容易に実現する。
所定の可変昇圧トランス２４，マトリックスコンバータ２５，距離センサ２６，制御手段２７等を、組み合わせて採用したことにより（図１等を参照）、装置の大容量化，電子回路の複雑化を伴うことなく、容易に実現する。
本発明の作用等については、以上のとおり。

【実施例】

【0050】

ここで、実施例について説明しておく。
下記の表１は、図１に示した非接触給電装置１４において、ギャップＧａｐ変動，結合係数Ｋ変動に対応して、可変昇圧トランス２４をタップ切換えした際のデータである。
これによると、ギャップＧａｐ１５０ｍｍの場合、マトリックスコンバータ２５の出力電流が４３Ａであったものが、そのままギャップＧａｐを４０ｍｍにすると、マトリックスコンバータ２５の出力電流が２００Ａに激増することになる。これに対し、可変昇圧トランス２４により１／３の電圧に切換えると、６６Ａに減少することが確認できた。
又、受電コイル５の誘起電圧の大幅変動も、抑制された。ギャップ１５０ｍｍの場合の９５０Ｖに対し、ギャップ４０ｍｍの場合は８６０Ｖとなり、変化は少なく安定許容範囲内に収まった。もって、誘起電圧の変動抑制機能が確認された。
更に、電源１０であるマトリックスコンバータ２５の出力電流の出力電圧に対する位相角が、切換え前は進み５５°であったものが、切換え後は進み９°となった。もって、共振周波数の変動抑制機能、そして大きな力率改善が確認された。
実施例については、以上のとおり。

【0051】

【表1】

【符号の説明】

【0052】

１ 非接触給電装置（従来例）
２ 送電側回路（従来例）
３ 送電コイル
４ 受電側回路
５ 受電コイル
６ 直列コンデンサ
７ 並列コンデンサ
８ 直列コンデンサ
９ 並列コンデンサ
１０ 電源
１１ ＡＣ／ＤＣブロック
１２ ＤＣ昇圧ブロック
１３ 負荷
１４ 非接触給電装置（本発明）
１５ 送電側回路（本発明）
１６ 給電スタンド
１７ 地上
１８ 車輛
１９ バッテリー
２０ モータ
２１ コンバータ
２２ インバータ
２３ スイッチ
２４ 可変昇圧トランス
２５ マトリックスコンバータ
２６ 距離センサ
２７ 制御手段
２８ ＤＣ／ＡＣ変換ブロック
Ｐ １次コイル
Ｓ ２次コイル
Ｓ１ ２次コイル
Ｓ２ ２次コイル
Ｓ３ ２次コイル
ＳＷ１ 双方向スイッチ
ＳＷ２ 双方向スイッチ
ＳＷ３ 双方向スイッチ
Ｇａｐ ギャップ
Ｋ 結合係数
Ｌ_１ インダクタンス（送電コイル３）
Ｌ_２ インダクタンス（受電コイル５）
Ｖ_Ｌ１ 電圧（送電コイル３）
Ｖ_Ｌ２ 誘起電圧（受電コイル５）
Ｃ_１ キャパシタンス（直列コンデンサ）
Ｃ_１′ キャパシタンス（並列コンデンサ）
Ｃ_１″ ２次側から見たキャパシタンス（直列コンデンサ）
Ｃ_２ キャパシタンス（直列コンデンサ）
Ｃ_２′ キャパシタンス（並列コンデンサ）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】