特許 6780909 非接触電力伝送回路及び非接触電力伝送装置

(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】6780909

(24)【登録日】2020年10月19日

(45)【発行日】2020年11月4日

(54)【発明の名称】非接触電力伝送回路及び非接触電力伝送装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20201026BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20201026BHJP

   H02J 50/50 20160101ALI20201026BHJP

   H02J 50/70 20160101ALI20201026BHJP

   H01F 38/14 20060101ALI20201026BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/12

   H02M7/48 Z

   H02J50/50

   H02J50/70

   H01F38/14

【請求項の数】3

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-26350(P2017-26350)

(22)【出願日】2017年2月15日

(65)【公開番号】特開2017-153351(P2017-153351A)

(43)【公開日】2017年8月31日

【審査請求日】2020年1月17日

(31)【優先権主張番号】特願2016-30349(P2016-30349)

(32)【優先日】2016年2月19日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000173809

【氏名又は名称】一般財団法人電力中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100101236

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100166914

【弁理士】

【氏名又は名称】山▲崎▼ 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】名雪 琢弥

(72)【発明者】

【氏名】根本 孝七

【審査官】 高野 誠治

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−２１７１１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１７３５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３９８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２４８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０８８６６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ５０／００ −５０／９０

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０１Ｆ ３８／１４

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一方側の一方コイルと前記一方コイルに並列又は直列に接続された一方コンデンサとで閉回路を形成して一方コイル部材とし、
他方側の他方コイルと前記他方コイルに並列又は直列に接続された他方コンデンサとで閉回路を形成して他方コイル部材とする一方、
中間コイルと前記中間コイルに並列に接続された中間コンデンサとで閉回路を形成して中間コイル部材とし、
前記一方コイル部材と前記他方コイル部材との間に、複数の前記中間コイル部材を配置した非接触電力伝送回路であって、
前記一方コイル及び前記他方コイルは、円盤状に巻回されたコイル本体と、前記コイル本体に並設された磁性体と、前記コイル本体及び前記磁性体の前記中間コイル部材とは反対側である外側に配置された金属磁気遮蔽板とからそれぞれ構成され、
前記中間コイルは、円盤状に巻回されたコイル本体と、前記コイル本体に並設され、前記コイル本体を部分的に被覆する磁性体とから構成される
ことを特徴とする非接触電力伝送回路。

【請求項2】

請求項１に記載の非接触電力伝送回路において、
前記中間コイルにおける前記磁性体は、複数の棒状又は扇型形状の磁性体からなり、前記複数の棒状又は扇型形状の磁性体は、放射状に配置されている
ことを特徴とする非接触電力伝送回路。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の非接触電力伝送回路と、
直流電源が接続され、前記直流電源の直流出力電圧を交流電圧に変換すると共に、変換した前記交流電圧が前記他方コイルに印加されるように前記一方コイルが接続されてインバータとして駆動される一方電力変換装置と、
前記他方コイルに接続され、前記他方コイルを介して印加される前記交流電圧を直流出力電圧に変換し、前記直流出力電圧を直流負荷に印加するコンバータとして駆動される他方電力変換装置とを備えた
ことを特徴とする非接触電力伝送装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一方側（電力を供給する側：一次側）から他方側（電力が供給される側：二次側）に非接触で電力を送る非接触電力伝送回路及び非接触電力伝送装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一方側（電力を供給する側：一次側）から他方側（電力が供給される側：二次側）に非接触で電力を送る非接触充電技術としては、電磁誘導を利用した非接触充電方式と、磁気共鳴を利用した非接触充電方式とが知られている。磁気共鳴方式を利用した電力伝送の技術として、特許文献１に開示する非接触給電システムが知られている。特許文献１に開示された技術は、一次側、二次側のコイルとして複数のコイルを並設し、一次側のコイルから二次側のコイルに磁気共鳴方式を利用して電力を伝送する電力伝送回路を有している。

【0003】

一次側、二次側のコイルとして複数のコイルを並設したことで、一次側のコイルの間隔（一次側コイルの幅）、及び、二次側のコイルの間隔（二次側コイルの幅）をある程度大きくする必要はあるが、上記非接触給電システムは、例えば、電気自動車に対する充電装置や、電気自動車と家屋との双方向の送電装置に適用することができる。

【0004】

一方、一次側から二次側に非接触で電力を送る非接触充電技術の適用として、高い箇所に設置された電力消費部材への給電、例えば、送電鉄塔の航空障害灯への給電に適用することが考えられる。非接触充電技術を適用することにより、電気絶縁距離を確保しながらの給電が可能になる。これまで、送電鉄塔の航空障害灯への給電に非接触で電力を供給する技術を適用する場合、架空地線からの誘導電流や太陽光発電付蓄電池等が用いられている。しかしながら、架空地線からの誘導電流を用いた場合には、雷撃による電圧の上昇が生じる問題があり、太陽光発電付蓄電池を用いた場合には、蓄電池の保守点検のための高所作業が必要になってしまう。

【0005】

電圧の上昇や高所作業を減らすため、磁気共鳴方式における一次側のコイル、二次側のコイルとして複数のコイルを並設し、非接触で高所まで電力を供給することが考えられる。この場合、一次側のコイル部材と二次側のコイル部材との間に中間コイル部材を適切に配置することで、中間コイル部材を介して一方コイル部材から他方コイル部材に向けてコイル電流を確保し、各コイル部材の間の距離のトータルにより、一方側の一方コイル部材と他方側の他方コイル部材との距離を確保することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１４−２１７１１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特定のコイル部材の間の距離の利用に着目すると、それ以外の距離（一次側コイルの幅や二次側コイルの幅）については、非接触電力伝送回路の大型化を招く無駄な空間となる。上記非接触充電技術の適用分野によっては、非接触電力伝送回路を備えた非接触電力伝送装置の小型化や高効率化を求められる場合があり、対応が困難となる。

【0008】

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、一方側（電力を供給する側：一次側）から他方側（電力が供給される側：二次側）に非接触で電力を送ることができ、小型化及び高効率化を実現することが可能な非接触電力伝送回路を提供することを目的とする。

【0009】

また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、一方側から他方側に非接触で電力を送ることができ、小型化及び高効率化を図ることが可能な非接触電力伝送回路を備えた非接触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】

【0010】

上記目的を達成するための請求項１にかかる本発明の非接触電力伝送回路は、一方側の一方コイルと前記一方コイルに並列又は直列に接続された一方コンデンサとで閉回路を形成して一方コイル部材とし、他方側の他方コイルと前記他方コイルに並列又は直列に接続された他方コンデンサとで閉回路を形成して他方コイル部材とする一方、中間コイルと前記中間コイルに並列に接続された中間コンデンサとで閉回路を形成して中間コイル部材とし、前記一方コイル部材と前記他方コイル部材との間に、複数の前記中間コイル部材を配置した非接触電力伝送回路であって、前記一方コイル及び前記他方コイルは、円盤状に巻回されたコイル本体と、前記コイル本体に並設された磁性体と、前記コイル本体及び前記磁性体の前記中間コイル部材とは反対側である外側に配置された金属磁気遮蔽板とからそれぞれ構成され、前記中間コイルは、円盤状に巻回されたコイル本体と、前記コイル本体に並設され、前記コイル本体を部分的に被覆する磁性体とから構成されることを特徴とする。

【0011】

請求項１にかかる本発明では、一方コイル及び他方コイルにおいて、コイル本体及び磁性体の中間コイル部材とは反対側である外側に金属磁気遮蔽板をそれぞれ配置したので、発生した磁界が各金属磁気遮蔽板の中間コイル部材とは反対側である外側に回り込まないようにすることができ、漏洩を防止することができる。

【0012】

また、中間コイルにおいて、コイル本体に並設され、コイル本体を部分的に被覆する磁性体を配置したので、コイル間の結合が小さくなり、無駄な空間を大幅に短縮することができると共に、自己インダクタンスが増加するため、コイル電流が減少しジュール損失が減少する。

【0013】

そして、請求項２にかかる本発明の非接触電力伝送回路は、請求項１に記載の非接触電力伝送回路において、前記中間コイルにおける前記磁性体は、複数の棒状又は扇型形状の磁性体からなり、前記複数の棒状又は扇型形状の磁性体は、放射状に配置されていることを特徴とする。

【0014】

請求項２にかかる本発明では、請求項１にかかる本発明と同様にして、無駄な空間の大幅な短縮と、自己インダクタンスの増加によるコイル電流の減少を実現することができると共に、ジュール損失が減少することで電源容量を必要最低限に抑えることができ、コスト性にも優れている。

【0015】

上記目的を達成するための請求項３にかかる本発明の非接触電力伝送装置は、請求項１又は請求項２に記載の非接触電力伝送回路と、直流電源が接続され、前記直流電源の直流出力電圧を交流電圧に変換すると共に、変換した前記交流電圧が前記他方コイルに印加されるように前記一方コイルが接続されてインバータとして駆動される一方電力変換装置と、前記他方コイルに接続され、前記他方コイルを介して印加される前記交流電圧を直流出力電圧に変換し、前記直流出力電圧を直流負荷に印加するコンバータとして駆動される他方電力変換装置とを備えたことを特徴とする。

【0016】

請求項３にかかる本発明では、コイル間の無駄な空間を大幅に短縮できると共に、自己インダクタンスの増加によりコイル電流が減少しジュール損失が減少した状態で、小型、小容量化したインバータ及びコンバータを介した電力伝送を行うことができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明では、一方側（電力を供給する側：一次側）から他方側（電力が供給される側：二次側）に非接触で電力を送ることができ、小型化及び高効率化を実現することが可能な非接触電力伝送回路を提供することが可能になる。

【0018】

また、本発明では、一方側から他方側に非接触で電力を送ることができ、小型化及び高効率化を実現することが可能な非接触電力伝送回路を備えた非接触電力伝送装置とすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態にかかる非接触電力伝送回路を備えた非接触電力伝送装置の概略系統図である。

【図2】非接触電力伝送装置における各コイルの配置説明図であり、（ａ）は一方コイル及び他方コイルに接続された各コンデンサを並列に配置した配置説明図、（ｂ）は一方コイル及び他方コイルに接続された各コンデンサを直列に配置した配置説明図である。

【図3】非接触電力伝送装置における各コイルを厚さ方向にそれぞれ切断した状態の一部を示した部分斜視図であり、（ａ）は一方コイルを示す部分斜視図、（ｂ）は中間コイルを示す部分斜視図である。

【図4】非接触電力伝送回路の等価回路図であり、（ａ）は一方コイル及び他方コイルに接続された各コンデンサを並列に配置した等価回路図、（ｂ）は一方コイル及び他方コイルに接続された各コンデンサを直列に配置した等価回路図である。

【図5】実施例１の各コイルの配置説明図である。

【図6】実施例１における周波数と電流及び電力伝送効率との関係を示すグラフである。

【図7】比較例１における周波数と電流及び電力伝送効率との関係を示すグラフである。

【図8】比較例２における周波数と電流及び電力伝送効率との関係を示すグラフである。

【図9】比較例３における周波数と電流及び電力伝送効率との関係を示すグラフである。

【図10】参考例の非接触電力伝送回路を備えた非接触電力伝送装置の概略系統図である。

【図11】参考例と実施例の非接触電力伝送装置の基本波電流に対する比率のグラフである。

【図12】参考例と実施例の非接触電力伝送装置の周波数とコイルの効率との関係を示すグラフである。

【図13】参考例と実施例の非接触電力伝送装置のＤＣ負荷電圧とコイルの効率との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１から図３に基づいて本発明の非接触電力伝送回路、及び、非接触電力伝送装置の構成を説明する。

【0021】

図１には、本発明の一実施形態にかかる非接触電力伝送回路を備えた非接触電力伝送装置の全体の概略を説明する概略系統、図２には、非接触電力伝送回路を構成する一方コイル部材、他方コイル部材、及び中間コイル部材の配置の状況を示してある。また、図３には、一方コイル部材及び中間コイル部材の各構成要素の配置の状況を示してある。尚、図３では、説明の便宜上、厚さ方向に切断して半円盤状にした各部材を示しているが、実際の各部材は円盤状である。また、説明では各部材の形状は円盤状としたが、これに限らず、例えば正方形にしてもよい。

【0022】

図１に示すように、非接触電力伝送装置１は、一方コイル部材２を備えた一方側（電力を供給する側：一次側）の設備（電源装置）である一次側設備３と、他方コイル部材５を備えた他方側（電力が供給される側：二次側）の設備である二次側設備６とを備えている。

【0023】

二次側設備６の例としては、例えば、電気自動車に対する充電装置に適用されて実施される。

【0024】

図２（ａ）に示すように、一方コイル部材２は、一方コイル４と一方コイル４に並列に接続された一方コンデンサ８とで閉回路が形成されて構成されており、他方コイル部材５は、他方コイル７と他方コイル７に並列に接続された他方コンデンサ９とで閉回路が形成されて構成されている。或いは、図２（ｂ）に示すように、一方コイル部材２は、一方コイル４と一方コイル４に直列に接続された一方コンデンサ８とで閉回路が形成され、他方コイル部材５は、他方コイル７と他方コイル７に直列に接続された他方コンデンサ９とで閉回路が形成されてもよい。

【0025】

図１に示すように、一次側設備３には直流電源１１が備えられ、直流電源１１には一方電力変換装置としてのインバータ１２が接続され、インバータ１２には一方コイル部材２の一方コイル４が接続されている。インバータ１２は、直流電源１１の直流出力電圧を交流電圧に変換し、一方コイル４を介して変換した交流電圧が他方コイル７に印加されるように駆動される。

【0026】

二次側設備６には負荷１５（直流負荷：例えば、車載バッテリ）が備えられ、負荷１５には他方電力変換装置としての整流器１６が接続され、整流器１６は他方コイル部材５の他方コイル７に接続されている。整流器１６は、他方コイル７を介して印加される交流電圧を直流出力電圧に変換し、直流出力電圧を負荷１５に印加するコンバータとして駆動される。

【0027】

図１及び図２に示すように、一方コイル部材２と他方コイル部材５の間には、中間コイル部材２１が２つ配置されている。中間コイル部材２１は、中間コイル２２と中間コイル２２に並列に接続された中間コンデンサ２３とで閉回路が形成されて構成されている。非接触電力伝送装置１には、複数の中間コイル部材２１が配置されていれば数は問わないが、少なくとも２つ配置されていることが好ましく、或いは３つ以上配置されていてもよい。そして、隣接するコイル部材同士（コイル同士）が共振回路を構成している。

【0028】

本実施形態では、一方コイル部材２と他方コイル部材５の間に中間コイル部材２１を配置したので、磁気共鳴方式において、中間コイル部材２１（中間コイル２２）を介して一方コイル部材２から他方コイル部材５に向けてコイル電流を確保することができる。

【0029】

次に、図１及び図３を参照して、各コイルの構成について詳細に説明する。図１及び図３（ａ）に示すように、一方コイル４は、円盤状に巻回されたコイル本体４１と、コイル本体４１に並設された円盤状の磁性体４２と、コイル本体４１及び磁性体４２の中間コイル部材２１とは反対側である外側に配置された金属磁気遮蔽板４３とから構成されている。コイル本体４１から発生する磁界が金属磁気遮蔽板４３に到達すると、金属磁気遮蔽板４３表面に渦電流が生じて損失が発生する。本実施形態では、コイル本体４１と金属磁気遮蔽板４３との間に磁性体４２を挿入することで、渦電流損失を緩和させると共に、コイル本体４１の自己インダクタンスを増加させることで、コイル電流が減少し、ジュール損失を減少させることができる。

【0030】

一方、他方コイル７は、円盤状に巻回されたコイル本体７１と、コイル本体７１に並設された円盤状の磁性体７２と、コイル本体７１及び磁性体７２の中間コイル部材２１とは反対側である外側に配置された金属磁気遮蔽板７３とから構成されている。尚、一方コイル４と他方コイル７の構成及び材質は同一であるので、他方コイル７の各部材の説明は適宜省略する。

【0031】

本実施形態では、コイル本体４１，７１及び磁性体４２，７２の中間コイル部材２１とは反対側である外側に金属磁気遮蔽板４３，７３を配置したので、発生した磁界が金属磁気遮蔽板４３，７３の中間コイル部材２１とは反対側である外側に回り込まないようにすることで、漏洩を防止することができる。

【0032】

コイル本体４１，７１は、例えば外径が３ｍｍのリッツ線（複数のエナメル素線を束ねてねじり、その素線束を束ねて更にねじった構造で複合撚りＲｏｐｅＬａｙとも呼ばれる）を直径ｒ（図２参照）が２０ｃｍの円盤状になるように２７回巻回した。また、磁性体４２，７２は、コイル本体４１，７１の直径ｒよりも大きな直径を有する円板であり、フェライト等の磁性体材料からなる。更に、金属磁気遮蔽板４３，７３は、磁性体４２，７２の直径よりも大きな直径を有する円板であり、磁気遮蔽効果を有するアルミ等の金属材料からなる。ただし、必要に応じてコイル本体４１，７１、磁性体４２，７２及び金属磁気遮蔽板４３，７３の構成及び材質は適宜変更され得る。

【0033】

一方、図１及び図３（ｂ）に示すように、中間コイル２２は、一方コイル４に配置されたコイル本体４１と同様の構成及び材質であるコイル本体２２１と、コイル本体２２１に並設され、コイル本体２２１を部分的に覆う磁性体２２２とから構成される。磁性体２２２の材質は、一方コイル４に配置された磁性体４２と同様であるが、磁性体２２２の構成は異なる。即ち、磁性体２２２は、例えば、複数（ここでは８本）の棒状の磁性体（棒状磁性体）２２４からなり、これらの棒状磁性体２２４は、放射状に配置され、コイル本体２２１を部分的に覆うことが好ましい。コイル本体２２１の全体に対する磁性体２２２の被覆率は、中間コイル２２と一方コイル４との距離Ｓ_１（図２参照）を接近させるに従って大きくする必要がある。例えば、上述の仕様であれば、距離Ｓ_１が７ｃｍの場合には、被覆率は０％でよいが、距離Ｓ_１が３ｃｍとなるように両者を接近させると、被覆率を２５％とすることが必要となる。各棒状磁性体２２４として、長手方向の幅が１０ｃｍ、短手方向の幅が１ｃｍ及び厚さが３ｍｍの矩形状の板を８本用いた場合には、磁性体２２２の被覆率は、下記式（１）に示す通り概ね２５％となる。
１００×（８×１０×１）／（π×１０^２）≒２５ ・・・（１）

【0034】

本実施形態では、８本の棒状磁性体２２４からなる磁性体２２２を、コイル本体２２１の厚さ方向に対する面に放射状に配置したので、無駄な空間を大幅に短縮することができると共に、自己インダクタンスが増加するため、コイル電流が減少しジュール損失を減少させることができる。また、インバータ１２や直流電源１１の容量を必要最低限に抑えることができ、コスト性にも優れている。尚、本実施形態では、８本の棒状磁性体２２４からなる磁性体２２２を用いたが、磁性体２２２は、複数の扇型形状の磁性体から構成されてもよい。

【0035】

図４には、上述した非接触電力伝送回路の等価回路を示しており、（ａ）には一方コイル及び他方コイルに接続された各コンデンサを並列に配置した等価回路、（ｂ）には一方コイル及び他方コイルに接続された各コンデンサを直列に配置した等価回路を示している。本実施形態では、各コンデンサＣ_０，Ｃ_３の配置は、上記の通り並列でも直列でも構わない。図４に示した通り、直流電源１１から負荷１５に電力を伝送する回路において、伝送側（一次側）から順に各コイル（一方コイル４、中間コイル２２、中間コイル２２、他方コイル７）の自己インダクタンスをＬ_０，Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３とし、各コイルの巻線抵抗をｒ_０，ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３とし、共振コンデンサをＣ_０，Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３としている。

【0036】

また、一方コイル４と一方コイル４に隣接する中間コイル２２との間の結合係数をｋ_０１、中間コイル２２同士の間の結合係数をｋ_１２、他方コイル７に隣接する中間コイル２２と他方コイル７との間の結合係数をｋ_２３、一方コイル４と他方コイル７に隣接する中間コイル２２との間の結合係数をｋ_０２、一方コイル４に隣接する中間コイル２２と他方コイル７との間の結合係数をｋ_１３、一方コイル４と他方コイル７との間の結合係数をｋ_０３としている。本実施形態では、上述した通りに各コイルが配置されることにより、結合係数ｋ_０１，ｋ_１２，及びｋ_２３の比率が概ね２：１：２となるが、これに限定されない。全体として電力が伝送できる範囲であれば、結合係数ｋ_０１，ｋ_１２，及びｋ_２３の比率が２：１：２から多少前後してもよい。

【0037】

直流電源１１から見た入力インピーダンスと電力の伝送効率は、コイルにかかる電圧、コイルに流れる電流との関係に基づき与えられ、相互インダクタンスは、結合係数、及び、自己インダクタンスを用いて導き出すことができる。そして、各コイルの損失は、電流の値、及び、コイルの巻線抵抗に基づく発熱量により導き出すことができる。

【0038】

本実施形態では、各コイルが上述した通りの構造を有することにより、図２に示すように、一方コイル部材２と中間コイル部材２１の間の距離Ｓ_１は３ｃｍ、中間コイル部材２１の間の距離Ｓ_２は１０ｃｍ、中間コイル部材２１と他方コイル部材５の間の距離Ｓ_３は３ｃｍにそれぞれ設定される。ただし、各コイル間の距離Ｓ_１，Ｓ_２及びＳ_３は、上記値に限定されることはなく、各コイルの配置などに応じて適宜変更され得る。

【0039】

上記構成の非接触電力伝送回路を備えた非接触電力伝送装置１では、直流電源１１からの直流出力電圧が、インバータ１２により交流電圧に変換され、変換された交流電圧が一方コイル４を介して中間コイル２２を介して他方コイル７に印加される。他方コイル７に印加された交流電圧が整流器１６により直流出力電圧に変換され、直流出力電圧が負荷１５に印加される。これにより、直流電源１１からの電力が磁気共鳴方式によって非接触で負荷１５に供給される。

【0040】

上述した非接触電力伝送回路を備えた非接触電力伝送装置１は、中間コイル２２において、コイル本体２２１に並設され、コイル本体２２１を部分的に被覆する磁性体２２２を配置したので、無駄な空間を大幅に短縮しても、結合係数が過大とならないよう適切な値に維持することができると共に、自己インダクタンスの増加によりコイル電流が減少してジュール損失も減少した状態となることから、小容量化したインバータ及びコンバータを介した電力伝送を行うことができる。

【0041】

これにより、小型化及び高効率化を実現することが可能な非接触電力伝送回路を備えた非接触電力伝送装置１とすることが可能になる。

【0042】

また、上述した非接触電力伝送装置１は、電気自動車等、電力を要する車両に対する給電に適用することができる。

【0043】

尚、上述した実施形態における非接触電力伝送回路は、直流電源１１から負荷１５に一方向で給電を行う例を挙げて説明したが、電力変換装置（インバータ１２、整流器１６）の回路を適宜変更することにより、双方向で電力を伝送する装置とすることができる。

【実施例】

【0044】

次に、以下の実施例及び比較例を参照して、本発明を更に詳細に説明する。

【0045】

（実施例１）
実施例１では、上述した非接触電力伝送回路を備えた非接触電力伝送装置１を用いて、周波数に対する電流及び電力伝送効率を求めた。図５には、実施例１で用いた非接触電力伝送回路の構成について、各コイルの配置の状況を示した。また、図６には、周波数に対する電流及び電力伝送効率を求めた結果を示した。尚、ここでいう電力伝送効率とは、詳細は後述するが、１ｋＷを出力するための効率である。

【0046】

図５に示した通り、実施例１で用いた非接触電力伝送回路では、一方コイル４と中間コイル２２の距離Ｓ_１を３ｃｍ、中間コイル２２同士の距離Ｓ_２を１０ｃｍ、中間コイル２２と他方コイル７の距離Ｓ_３を３ｃｍとし、各コイルに配置されているコイル本体４１、コイル本体２２１、コイル本体２２１及びコイル本体７１の直径ｒをそれぞれ２０ｃｍとした。また、一次側設備３の出力ピーク電圧Ｖｐは±２００Ｖ及び出力電力Ｐは１ｋＷ、二次側設備６の負荷抵抗Ｒは２０Ωであった。

【0047】

上述した通り、直流電源１１から見た入力インピーダンスと電力の伝送効率は、コイルにかかる電圧、コイルの流れる電流との関係に基づき与えられ、相互インダクタンスは、結合係数、及び、自己インダクタンスを用いて導き出すことができる。そして、各コイルの損失は、電流の値、及び、コイルの巻線抵抗に基づく発熱量により導き出すことができる。導き出した各パラメータを下記表１に示した。また、下記表２には、各コイルの配置により設定された各コイル間の結合係数を示した。実施例１では、一方コイル４と一方コイル４に隣接する中間コイル２２との間の結合係数をｋ_０１、中間コイル２２同士の間の結合係数をｋ_１２、他方コイル７に隣接する中間コイル２２と他方コイル７との間の結合係数をｋ_２３、一方コイル４と他方コイル７に隣接する中間コイル２２との間の結合係数をｋ_０２、一方コイル４に隣接する中間コイル２２と他方コイル７との間の結合係数をｋ_１３、一方コイル４と他方コイル７との間の結合係数をｋ_０３とした。

【0048】

【表1】

【0049】

【表2】

【0050】

図６に示した通り、コイルの最大効率となる周波数は８１１９０Ｈｚであり、一方コイル４のコイル電流（入力電流）は７．６０Ａであり、一方コイル４と隣接する中間コイル２２のコイル電流（中間共振電流）は１１．３５Ａであり、他方コイル７と隣接する中間コイル２２のコイル電流（中間共振電流）は１２．２１Ａであり、他方コイル７のコイル電流（出力電流）は７．０９Ａであった。また、コイルの最大効率は９１．８％であった。表２に示した通り、各コイル間の結合係数ｋ_０１、結合係数ｋ_１２及び結合係数ｋ_２３の比率をおよそ２：１：２にできた。

【0051】

（比較例１）
比較例１では、２つの中間コイル２２を配置せずに、一方コイル４と他方コイル７の距離を１０ｃｍにしたこと以外は実施例１で用いた非接触電力伝送回路と同様の回路を用いた。図７には、周波数に対する電流及び電力伝送効率を求めた結果を示し、導き出した各パラメータ及び各コイル間の結合係数を下記表３に示した。

【0052】

【表3】

【0053】

図７に示した通り、コイルの最大効率となる周波数は８７２１０Ｈｚであり、一方コイル４のコイル電流（入力電流）は２２．１４Ａ（過電流：２０Ａ以上）であり、他方コイル７のコイル電流（出力電流）は７．０９Ａであった。また、コイルの最大効率は８８．２％であった。

【0054】

（比較例２）
比較例２では、２つの中間コイル２２に磁性体２２２をそれぞれ配置せずに、一方コイル４と中間コイル２２の距離及び他方コイル７と中間コイル２２の距離をそれぞれ７ｃｍにしたこと以外は実施例１で用いた非接触電力伝送回路と同様の回路を用いた。図８には、周波数に対する電流及び電力伝送効率を求めた結果を示し、導き出した各パラメータを下記表４に、各コイル間の結合係数を下記表５に示した。

【0055】

【表4】

【0056】

【表5】

【0057】

図８に示した通り、コイルの最大効率となる周波数は８２１８０Ｈｚであり、一方コイル４のコイル電流（入力電流）は７．２７Ａであり、一方コイル４と隣接する中間コイル２２のコイル電流（中間共振電流）は１６．５３Ａであり、他方コイル７と隣接する中間コイル２２のコイル電流（中間共振電流）は１４．７７Ａであり、他方コイル７のコイル電流（出力電流）は７．１０Ａであった。また、コイルの最大効率は８８．６％であった。表５に示した通り、磁性体２２２を用いない替りに、距離を３ｃｍから７ｃｍに離すことで、各コイル間の結合係数ｋ_０１、結合係数ｋ_１２及び結合係数ｋ_２３の比率をおよそ２：１：２にできた。

【0058】

（比較例３）
比較例３では、２つの中間コイル２２におけるコイル本体２２１の一方の側の全面に磁性体２２２（形状は磁性体４２と同一）をそれぞれ配置し、一方コイル４と中間コイル２２の距離及び他方コイル７と中間コイル２２の距離をそれぞれ１ｃｍにしたこと以外は実施例１で用いた非接触電力伝送回路と同様の回路を用いた。図９には、周波数に対する電流及び電力伝送効率を求めた結果を示し、導き出した各パラメータを下記表６に、各コイル間の結合係数を下記表７に示した。

【0059】

【表6】

【0060】

【表7】

【0061】

図９に示した通り、コイルの最大効率となる周波数は８１９６０Ｈｚであり、一方コイル４のコイル電流（入力電流）は１９．９３Ａであり、一方コイル４と隣接する中間コイル２２のコイル電流（中間共振電流）は２０．７９Ａ（過電流：２０Ａ以上）であり、他方コイル７と隣接する中間コイル２２のコイル電流（中間共振電流）は２８．９５Ａ（過電流：２０Ａ以上）であり、他方コイル７のコイル電流（出力電流）は７．０８Ａであった。また、コイルの最大効率は６９．０％であった。更に、表７に示した通り、たとえ距離を３ｃｍから１ｃｍに接近させたとしても、全面の磁性体２２２（形状は磁性体４２と同一）が各コイル間の結合を妨げるため、各コイル間の結合係数ｋ_０１、結合係数ｋ_１２及び結合係数ｋ_２３の比率を２：１：２にできなかった。

【0062】

実施例１及び比較例１を比較すると、実施例１では、一方コイル４と他方コイル７との間に２つの中間コイル２２を配置することで、一方コイル４の過電流（過熱）が解消された。

【0063】

比較例１及び比較例２を比較すると、比較例２では、一方コイル４と他方コイル７との間に２つの中間コイル２２を配置してコイルの枚数が増えることで、ジュール損失（コイル電流）の減少と分散を促進させることができた。これにより、巻線を軽量化（断面積の減少）して回路の小型化を実現できる。更に、実施例１及び比較例２を比較すると、実施例１では、中間コイル２２に磁性体２２２を配置したことで、コイル間の間隔が小さくなり、回路の小型化を実現することができる。また、各中間コイル２２の自己インダクタンスがそれぞれ増加（概ね３０％）したので、更に各コイル電流が減少し、また、コイルの最大効率は９１．８％であり、電力伝送効率が向上したことが分かった。これにより、回路の高効率化を実現することができる。

【0064】

実施例１及び比較例３を比較すると、実施例１では、中間コイル２２に磁性体２２２を部分的に配置したことで、各コイル間の結合係数について、結合係数ｋ_０１、結合係数ｋ_１２及び結合係数ｋ_２３の比率をおよそ２：１：２にすることができ、コイルの最大効率を増加させることができた。これにより、回路の高効率化を実現することができる。

【0065】

図１０から図１３に基づいて参考例に関して説明する。

【0066】

図１０には参考例としての非接触電力伝送回路を備えた非接触電力伝送装置の全体の概略を説明する概略系統を示してある。尚、図１に示した実施例と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

【0067】

図１０に示した非接触電力伝送装置５１は、図１に示した中間コイル部材２１に代えて、中間空芯コイル５２を間隔Ｈ（例えば、１０ｃｍ）で配したものである。その他の構成は、図１に示した非接触電力伝送装置１と同じである。中間空芯コイル５２としては、例えば、外径が２０ｃｍ、巻線には素線径０.１２ｍｍのエナメル銅線を２２８本より合わせたリッツ線を用いた。巻数については、リッツ線の外径３.１５ｍｍより、２７巻となった。

【0068】

図１１には、図１０に示した参考例の非接触電力伝送装置と、図１に示した実施例の非接触電力伝送装置の基本波電流に対する比率（ｄＢ）の状況を示してある。

【0069】

図１１中、黒い棒線が第３高調波電流、斜線の傍線が第５高調波電流、白抜きの棒線が第７高調波電流の基本波電流に対する比率である。図に示したように、第３高調波電流、第５高調波電流、第７高調波電流は、参考例の非接触電力伝送装置に対して、実施例の非接触電力伝送装置のほうが比率は大きくなっている。つまり、放射ノイズ源となる高調波電流を抑制することができることになる。

【0070】

このため、図１に示した実施例の非接触電力伝送装置を用いると、中間コイル部材２１がノイズフィルタとして機能することで、他の機器の動作を阻害する原因となる放射ノイズを抑制でき、電磁両立性（ＥＭＣ）許容値をクリアすることが容易になる。例えば、電気自動車の充電装置として用いた場合、住宅地等、電磁両立性（ＥＭＣ）許容値が厳しい地域で充電装置の設備を構築することが可能になる。

【0071】

図１２には、図１０に示した参考例の非接触電力伝送装置５１と、図１に示した実施例の非接触電力伝送装置１の、周波数（ｋＨｚ）とコイルの効率（％）の関係を示してある。

【0072】

図１２中□印が図１０に示した参考例の非接触電力伝送装置５１の周波数（ｋＨｚ）に対するコイルの効率（％）の関係であり、図１２中△印が図１に示した実施例の非接触電力伝送装置１の周波数（ｋＨｚ）に対するコイルの効率（％）の関係である。図に示したように、実施例の非接触電力伝送装置１では、参考例の非接触電力伝送装置５１に比べて、高周波数側にシフトしたものの、高いコイルの効率を維持することができることがわかる。

【0073】

このため、実施例の非接触電力伝送装置１では、中間コンデンサ２３の微調整により、例えば、電気自動車の充電装置として用いる場合の周波数の領域で、高い効率を維持して適用することが可能になる。

【0074】

図１３には、図１０に示した参考例の非接触電力伝送装置５１と、図１に示した実施例の非接触電力伝送装置１の、ＤＣ負荷電圧（Ｖ）とコイルの効率（％）の関係を示してある。

【0075】

図１３中□印が図１０に示した参考例の非接触電力伝送装置５１のＤＣ負荷電圧（Ｖ）に対するコイルの効率（％）の関係であり、図１３中△印が図１に示した実施例の非接触電力伝送装置１のＤＣ負荷電圧（Ｖ）に対するコイルの効率（％）の関係である。図に示したように、実施例の非接触電力伝送装置１では、参考例の非接触電力伝送装置５１に比べて、ＤＣ負荷電圧（Ｖ）の最適値（効率がピークとなる電圧値）が高電圧側にシフトしていることがわかる。

【0076】

このため、実施例の非接触電力伝送装置１では、インダクタンスを減らし軽量化を図ることが可能になる。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本発明は、一方側（電力を供給する側：一次側）から他方側（電力が供給される側：二次側）に非接触で電力を送る非接触電力伝送回路及び非接触電力伝送装置の産業分野で利用することができる。

【符号の説明】

【0078】

１、５１ 非接触電力伝送装置
２ 一方コイル部材
３ 一次側設備
４ 一方コイル
５ 他方コイル部材
６ 二次側設備
７ 他方コイル
８ 一方コンデンサ
９ 他方コンデンサ
１１ 直流電源
１２ インバータ
１５ 負荷
１６ 整流器
２１ 中間コイル部材
２２ 中間コイル
２３ 中間コンデンサ
４１，７１，２２１ コイル本体
４２，７２，２２２ 磁性体
４３，７３ 金属磁気遮蔽板
５２ 中間空芯コイル
２２４ 棒状磁性体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】