特開 2022-168680 磁界発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022168680

(43)【公開日】2022-11-08

(54)【発明の名称】磁界発生装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/70 20160101AFI20221031BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20221031BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20221031BHJP

   H01F 38/14 20060101ALI20221031BHJP

【ＦＩ】

H02J50/70

H02J50/12

H02J7/00 P

H02J7/00 301D

H01F38/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021074308

(22)【出願日】2021-04-26

(71)【出願人】

【識別番号】000125370

【氏名又は名称】学校法人東京理科大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】居村 岳広

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 蒼真

【テーマコード（参考）】

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503AA07

5G503BA02

5G503BB01

5G503FA06

5G503GB08

(57)【要約】

【課題】送電コイルから発生する磁界を、送電コイルの近傍のみならず、遠方においても低減させることが可能な磁界発生装置を提供する。
【解決手段】磁界の発生による電力の送電を行う主コイル１０と、主コイル１０の周辺の主コイル１０と同一の平面に配置され、主コイル１０が発生させる漏洩磁界を打ち消す磁界を発生させる、又は吸収するキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂと、キャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂと間隔を置いて配置され、主コイル１０が発生させる漏洩磁界を打ち消す磁界を発生させる別のキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂと、を備える磁界発生装置が提供される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁界の発生による電力の送電を行う第１送電コイルと、
前記第１送電コイルの周辺の前記第１送電コイルと同一の平面に配置され、前記第１送電コイルが発生させる漏洩磁界を打ち消す磁界を発生させる、又は吸収する第１キャンセルコイルと、
前記第１キャンセルコイルと間隔を置いて配置され、前記第１送電コイルが発生させる漏洩磁界を打ち消す磁界を発生させる少なくとも１つの第２キャンセルコイルと、
を備える磁界発生装置。

【請求項2】

前記第２キャンセルコイルは、前記第１送電コイルから所定の間隙を置いて少なくとも１つ配置される、請求項１に記載の磁界発生装置。

【請求項3】

前記第２キャンセルコイルは、前記第１送電コイルを挟む位置に等間隔に少なくとも１組配置される、請求項２に記載の磁界発生装置。

【請求項4】

前記第２キャンセルコイルは、前記第１送電コイルから見て同一の方向に少なくとも１組配置される、請求項１～３のいずれか１項に記載の磁界発生装置。

【請求項5】

前記第２キャンセルコイルは、前記第１キャンセルコイルと同一の形状に形成される、請求項１～４のいずれか１項に記載の磁界発生装置。

【請求項6】

前記第２キャンセルコイルの周辺に配置され、磁界の発生による電力の送電を行う第２送電コイルを備える、請求項１～５のいずれか１項に記載の磁界発生装置。

【請求項7】

前記第２送電コイルは、前記第１送電コイルが磁界を発生させている間は磁界を発生させない、請求項６に記載の磁界発生装置。

【請求項8】

前記第１キャンセルコイルは、前記第１送電コイルを挟んで配置される、請求項１～７のいずれか１項に記載の磁界発生装置。

【請求項9】

前記第１キャンセルコイルは、前記第１送電コイルを取り囲んで配置される、請求項１～７のいずれか１項に記載の磁界発生装置。

【請求項10】

前記第１送電コイルは、電気で駆動する移動体へ電力を送電する、請求項１～９のいずれか１項に記載の磁界発生装置。

【請求項11】

前記第２キャンセルコイルは、前記移動体の走行方向に沿って前記第１キャンセルコイルと間隔を置いて配置される、請求項１０に記載の磁界発生装置。

【請求項12】

前記第２キャンセルコイルは、さらに、前記移動体の走行進路に隣接する走行進路に少なくとも１つ配置されている、請求項１１に記載の磁界発生装置。

【請求項13】

前記移動体は、電気で駆動する電気自動車である、請求項１０～１２のいずれか１項に記載の磁界発生装置。

【請求項14】

所定の間隙を置いて配置され、磁界の発生による電力の送電を行う複数の送電コイルを備え、
複数の前記送電コイルの中の一の送電コイルが送電している間は、少なくとも１つの他の送電コイルは、送電中の前記一の送電コイルが発生させる漏洩磁界を打ち消す磁界を発生させる、磁界発生装置。

【請求項15】

前記他の送電コイルは、前記一の送電コイルの隣に配置されている、請求項１４に記載の磁界発生装置。

【請求項16】

前記複数の送電コイルは、電気で駆動する移動体へ電力を送電する、請求項１４又は１５に記載の磁界発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁界発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

バッテリに蓄えられた電力をモータの駆動力に変換することで走行する電気自動車は、走行時にバッテリに蓄えられた電力が枯渇しないよう注意しなければならない。充電スタンドで電気自動車のバッテリを充電する方法もあるが、充電スタンドに辿り着くまでに電力が枯渇するおそれもある。

【0003】

そこで、電気自動車のバッテリに蓄えられた電力の枯渇を防ぐために、電気自動車の走行中にバッテリを充電させる走行中ワイヤレス給電技術の開発が進められている。走行中ワイヤレス給電技術は、漏洩磁界の影響が懸念される。この漏洩磁界は電子機器の誤作動や人体への悪影響をもたらす。そこで遠傍の漏洩磁界の抑制を図る技術が提案されている。例えば非特許文献１には、送電コイルから発生する磁界をキャンセルコイルが作り出す磁界で打ち消すことで近傍の磁界を低減させる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】T. Campi, S. Cruciani, F. Maradei and M. Feliziani, "Active Coil System for Magnetic Field Reduction in an Automotive Wireless Power Transfer System," 2019 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Signal & Power Integrity (EMC+SIPI), New Orleans, LA, USA, 2019, pp. 189-192, doi: 10.1109/ISEMC.2019.8825202.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、非特許文献１で開示されている技術では、送電コイルの近傍の磁界をキャンセルコイルにより低減させることはできるが、送電コイルの遠方、例えば１０メートル程度離れた場所の磁界を低減させることはできない。

【0006】

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、送電コイルから発生する磁界を、送電コイルの近傍のみならず、遠方においても低減させることが可能な磁界発生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】

【0007】

本発明の第１態様に係る磁界発生装置は、磁界の発生による電力の送電を行う第１送電コイルと、前記第１送電コイルの周辺の前記第１送電コイルと同一の平面に配置され、前記第１送電コイルが発生させる漏洩磁界を打ち消す磁界を発生させる、又は吸収する第１キャンセルコイルと、前記第１キャンセルコイルと間隔を置いて配置され、前記第１送電コイルが発生させる漏洩磁界を打ち消す磁界を発生させる少なくとも１つの第２キャンセルコイルと、を備える。

【0008】

本発明の第２態様に係る磁界発生装置は、第１態様に係る磁界発生装置であって、前記第２キャンセルコイルは、前記第１送電コイルから所定の間隙を置いて少なくとも１つ配置される。

【0009】

本発明の第３態様に係る磁界発生装置は、第２態様に係る磁界発生装置であって、前記第２キャンセルコイルは、前記第１送電コイルを挟む位置に等間隔に少なくとも１組配置される。

【0010】

本発明の第４態様に係る磁界発生装置は、第１態様～第３態様のいずれかに係る磁界発生装置であって、前記第２キャンセルコイルは、前記第１送電コイルから見て同一の方向に少なくとも１組配置される。

【0011】

本発明の第５態様に係る磁界発生装置は、第１態様～第４態様のいずれかに係る磁界発生装置であって、前記第２キャンセルコイルは、前記第１キャンセルコイルと同一の形状に形成される。

【0012】

本発明の第６態様に係る磁界発生装置は、第１態様～第５態様のいずれかに係る磁界発生装置であって、前記第２キャンセルコイルの周辺に配置され、磁界の発生による電力の送電を行う第２送電コイルを備える。

【0013】

本発明の第７態様に係る磁界発生装置は、第６態様に係る磁界発生装置であって、前記第２送電コイルは、前記第１送電コイルが磁界を発生させている間は磁界を発生させない。

【0014】

本発明の第８態様に係る磁界発生装置は、第１態様～第７態様にいずれかに係る磁界発生装置であって、前記第１キャンセルコイルは、前記第１送電コイルを挟んで配置される。

【0015】

本発明の第９態様に係る磁界発生装置は、第１態様～第７態様のいずれかに係る磁界発生装置であって、前記第１キャンセルコイルは、前記第１送電コイルを取り囲んで配置される。

【0016】

本発明の第１０態様に係る磁界発生装置は、第１態様～第９態様のいずれかに係る磁界発生装置であって、前記第１送電コイルは、電気で駆動する移動体へ電力を送電する。

【0017】

本発明の第１１態様に係る磁界発生装置は、第１０態様に係る磁界発生装置であって、前記第２キャンセルコイルは、前記移動体の走行方向に沿って前記第１キャンセルコイルと間隔を置いて配置される。

【0018】

本発明の第１２態様に係る磁界発生装置は、第１１態様に係る磁界発生装置であって、前記第２キャンセルコイルは、さらに、前記移動体の走行進路に隣接する走行進路に少なくとも１つ配置されている。

【0019】

本発明の第１３態様に係る磁界発生装置は、第１態様～第１２態様のいずれかに係る磁界発生装置であって、前記移動体は、電気で駆動する電気自動車である。

【0020】

本発明の第１４態様に係る磁界発生装置は、所定の間隙を置いて配置され、磁界の発生による電力の送電を行う複数の送電コイルを備え、複数の前記送電コイルの中の一の送電コイルが送電している間は、少なくとも１つの他の送電コイルは、送電中の前記一の送電コイルが発生させる漏洩磁界を打ち消す磁界を発生させる。

【0021】

本発明の第１５態様に係る磁界発生装置は、第１４態様に係る磁界発生装置であって、前記他の送電コイルは、前記一の送電コイルの隣に配置されている。

【0022】

本発明の第１６態様に係る磁界発生装置は、第１４態様又は第１５態様に係る磁界発生装置であって、前記複数の送電コイルは、電気で駆動する移動体へ電力を送電する。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、送電コイルから発生する磁界を少なくとも２つのキャンセルコイルで打ち消すことで、送電コイルから発生する磁界を、送電コイルの近傍のみならず、遠方においても低減させることが可能な磁界発生装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施形態に係る磁界発生装置の概要を示す図である。

【図2】主コイル及びキャンセルコイルの構造を示す斜視図である。

【図3】磁界発生装置による電気自動車への給電を模式的に示した図である。

【図4】磁界発生装置による電気自動車への給電を模式的に示した図である。

【図5】主コイルの漏洩磁界の測定点を示す図である。

【図6】漏洩磁界をシミュレーションして比較したグラフを示した図である

【図7】キャンセルコイルの選択例を示す図である。

【図8】キャンセルコイルの別の選択例を示す図である。

【図9】キャンセルコイルの別の選択例を示す図である。

【図10】キャンセルコイルの形状の変形例を示す図である。

【図11】磁界発生装置の変形例を示す図である。

【図12】磁界発生装置の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与している。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

【0026】

図１は、本発明の実施形態に係る磁界発生装置の概要を示す図である。

【0027】

図１に示した磁界発生装置は、本発明の移動体の一例である電気自動車１の走行中に、電気自動車１のバッテリにワイヤレスで給電するための走行中ワイヤレス給電システムに用いられる装置である。図１には、複数の主コイル１０と、主コイル１０の近傍に設けられるキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂと、の組が、電気自動車１の走行方向に沿って、道路上に複数埋設されている磁界発生装置が示されている。図１には、（Ａ）～（Ｃ）で示した３組の主コイル１０及びキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂが道路上に埋設されている様子が示されている。

【0028】

主コイル１０は、電気自動車１へワイヤレスで給電するための所定の周波数で磁界を発生させる。主コイル１０は、本発明の第１送電コイルの一例である、図１には示されていないが、電気自動車１の底面には、主コイル１０と同様の形状を有し、主コイル１０が発生させた磁界に応じて電流を発生させるコイルが設けられる。コイルが発生させた電流は、電気自動車１に設けられるバッテリの充電に用いられる。すなわち、主コイル１０が発生させた磁界により、電気自動車１は、走行中にバッテリを充電することができる。

【0029】

主コイル１０の近傍に設けられるキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂは、主コイル１０が発生させた磁界に伴う漏洩磁界を打ち消す磁界を発生させる、又は主コイル１０が発生させた磁界に伴う漏洩磁界を吸収するコイルである。（Ｂ）の位置にあるキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂは、本発明の第１キャンセルコイルの一例である。

【0030】

図２は、主コイル１０及びキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂの構造を示す斜視図である。主コイル１０は、アルミ板４０及びフェライト３０の上に所定回数巻回された導線で構成される。また、キャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂは、主コイル１０と所定距離離れた位置に設けられる。キャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂは、主コイル１０と同様に、それぞれ、アルミ板４０及びフェライト３０の上に所定回数巻回された導線で構成される。

【0031】

図３は、磁界発生装置による電気自動車１への給電を模式的に示した図である。図３中の（Ａ）～（Ｃ）は、図１の（Ａ）～（Ｃ）と対応している。

【0032】

図３に示したように、電気自動車１の通過に合わせて、磁界を発生させる主コイル１０を切り替えていくことで、電気自動車１に対するワイヤレス給電を実現する。電気自動車１の通過の検出手法は特定の手法に限定されず、例えば道路にセンサを埋設するなどすることで行われてもよい。

【0033】

図３に示した例では、電気自動車１が（Ｂ）の位置にいる状態で（Ｂ）の主コイル１０がＯＮとなって磁界を発生させ、（Ａ）及び（Ｃ）の主コイル１０がＯＦＦとなっている。すなわち、（Ｂ）の主コイル１０が発生させた磁界によって電気自動車１のバッテリが充電される。

【0034】

しかし、主コイル１０だけでは、上述したように漏洩磁界の影響が懸念される。そこで、本実施形態に係る磁界発生装置は、キャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂと組み合わせることで、漏洩磁界を低減させることを特徴としている。

【0035】

図４は、磁界発生装置による電気自動車１への給電を模式的に示した図である。図４には、（Ａ）～（Ｅ）の５組の主コイル１０及びキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂの状態が模式的に示されている。

【0036】

図４に示した例では、電気自動車１が（Ｃ）の位置にいる状態で（Ｃ）の主コイル１０がＯＮとなって磁界を発生させ、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｄ）及び（Ｅ）の主コイル１０がＯＦＦとなっている。そして、電気自動車１が（Ｃ）の位置にいる状態で、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）のキャンセルコイル２０Ａ、２０ＢがＯＮとなって磁界を発生させ、（Ａ）及び（Ｅ）のキャンセルコイル２０Ａ、２０ＢがＯＦＦとなっている。（Ｂ）及び（Ｄ）の位置にあるキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂは、本発明の第２キャンセルコイルの一例である。

【0037】

本実施形態に係る磁界発生装置は、磁界を発生させている主コイル１０と同じ組のキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂから磁界を発生させるとともに、磁界を発生させていない主コイル１０と同じ組のキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂから磁界を発生させる。本実施形態に係る磁界発生装置は、このように主コイル１０、キャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂから磁界を発生させることで、主コイル１０が発生させた磁界に伴う漏洩磁界を、主コイル１０の近傍のみならず、遠方においても軽減させることができる。

【0038】

また、このように複数の組のキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂを用いることで、複数の組のキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂを用いない場合と比べてキャンセルコイルに必要な電圧を小さくでき、キャンセルコイルが消費する電力を減らすことができる。

【0039】

ここで、本実施形態に係る磁界発生装置による効果を説明する。図５は、主コイル１０の漏洩磁界の測定点を示す図である。図５に示したように、主コイル１０の中心から水平方向に１０メートル離れた場所での漏洩磁界をシミュレーションすることで、本実施形態に係る磁界発生装置による効果を示す。ここでは、複数の組のキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂを用いない場合（ケース１とする）と、図４の（Ｂ）及び（Ｃ）の２つの組のキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂを用いる場合（ケース２とする）と、図４の（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）の３つの組のキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂを用いる場合（ケース３とする）とを比較して説明する。

【0040】

なお、主コイル１０の送電距離を１５ｃｍ、共振周波数は８５ｋＨｚとする。また、主コイル１０のサイズは４００×４００ｍｍ、巻数は１５、ピッチは１．８ｍｍ、共振時のインダクタンスは２５１．８２μＨ、キャパシタンスは１３９．２３μＦ、Ｑ値は５５１．０４である。また、キャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂのサイズは１００×４００ｍｍ、巻数は８、ピッチは２ｍｍ、共振時のインダクタンスは４０．７６５μＨ、キャパシタンスは２４５．３１μＦ、Ｑ値は７３．００４である。

【0041】

図６は、上述の３つの場合の漏洩磁界をシミュレーションして比較したグラフを示した図である。図６に示したグラフの横軸はキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂに印加するキャンセル電圧、縦軸は主コイル１０から１０メートル先の磁界強度（漏洩磁界）である。符号１０１は、キャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂによる磁界が無い場合の、キャンセル電圧と磁界強度との関係を示す。符号１０２は、磁界強度の規制値（２．６６ｍＡ／ｍ、総務省告示２０７号第４項より）を示す。符号１０３は、ケース１におけるキャンセル電圧と磁界強度との関係を示す。符号１０４は、ケース２におけるキャンセル電圧と磁界強度との関係を示す。符号１０５は、ケース３におけるキャンセル電圧と磁界強度との関係を示す。なお、主コイル１０の電圧は、漏洩磁界の抑制効果を分かりやすくするために、１０００Ｖで固定した。

【0042】

図６に示したグラフによれば、ケース１では、キャンセル電圧が８００Ｖになっても、漏洩磁界は規制値を下回れなかった。これに対し、ケース２では、キャンセル電圧がおよそ６１０Ｖを超えると、漏洩磁界は規制値を下回るようになった。さらに、ケース３では、およそ４７０Ｖを超えると、漏洩磁界は規制値を下回るようになった。

【0043】

図６に示したシミュレーション結果から、キャンセルコイルの数を増やすことで、低いキャンセル電圧で漏洩磁界を規制値より小さくすることができる。従って、キャンセルコイルの数を増やすことで、漏洩磁界の軽減に要する電力を低く抑えることが可能となる。

【0044】

なお、使用するキャンセルコイルの場所及び数は選択可能である。図７は、キャンセルコイルの選択例を示す図である。例えば図７に示したように、上記ケース３においてキャンセルコイル２０Ａのみを使用するようにしてもよい。なお図７では、磁界を発生させていない主コイル１０及び同じ組のキャンセルコイル２０Ｂは図示していない。

【0045】

図８は、キャンセルコイルの別の選択例を示す図である。図８では、磁界を発生させている主コイル１０の隣の組（Ｂ）、（Ｄ）では無く、さらに隣の組（Ａ）、（Ｅ）のキャンセルコイル２０Ａ、２０Ｂを用いる例を示している。このようにキャンセルコイルを選択しても、同様に遠方の漏洩磁界を軽減させることが可能となる。

【0046】

図９は、キャンセルコイルの別の選択例を示す図である。図９では、複数の車線にコイルが埋設されている例が示されている。そして図９では、主コイル１０の隣の組では無く、隣の車線のキャンセルコイル２０Ｂが複数選択されている例が示されている。このようにキャンセルコイルを選択しても、同様に主コイル１０が発生させている漏洩磁界を遠方において軽減させることが可能となる。

【0047】

また、キャンセルコイルの形状も変更可能である。例えば、主コイルを取り囲むようにキャンセルコイルを形成してもよい。

【0048】

図１０は、キャンセルコイルの形状の変形例を示す図である。磁界発生装置は、図１０に示したように、主コイル１０を取り囲むキャンセルコイル２０を形成し、主コイル１０及びキャンセルコイル２０の組を複数有してもよい。そして図１０では、磁界を発生させている主コイル１０の隣の組（Ｂ）、（Ｄ）では無く、さらに隣の組（Ａ）、（Ｅ）のキャンセルコイル２０を用いる例を示している。このようにキャンセルコイルを形成し、キャンセルコイルを選択しても、同様に主コイル１０が発生させている漏洩磁界を遠方において軽減させることが可能となる。

【0049】

ここまでは、主コイルの他にキャンセルコイルを設けた例を示したが、本発明は係る例に限定されるものではない。例えば、キャンセルコイルを設けずに、電気自動車１へ給電するための磁界を発生させていない主コイルを、ここまで述べてきたキャンセルコイルとして利用してもよい。

【0050】

図１１は、磁界発生装置の変形例を示す図である。図１１に示したのは、磁界発生装置を構成する複数の主コイル１０が車両の走行方向に沿って道路に埋設されている例である。

【0051】

図１１では、（Ｃ）の位置にある主コイル１０が、電気自動車１へ給電するための磁界を発生させているコイルであり、（Ｂ）及び（Ｄ）の位置にある主コイル１０が、（Ｃ）の位置にある主コイル１０が発生させている漏洩磁界を打ち消す磁界を発生させるコイルである。すなわち、（Ｃ）の位置にある主コイル１０と、（Ｂ）及び（Ｄ）の位置にある主コイル１０とでは、異なる磁界を発生させるような電圧が印加される。

【0052】

このように、キャンセルコイルを設けない場合であっても、主コイル１０が発生させている漏洩磁界を遠方において軽減させることが可能となる。

【0053】

図１２は、磁界発生装置の変形例を示す図である。図１２に示したのは、磁界発生装置を構成する複数の主コイル１０が車両の走行方向に沿って道路に埋設されており、さらに主コイル１０の列に隣接して複数のキャンセルコイル２０が車両の走行方向に沿って道路に埋設されている例である。

【0054】

図１２では、１つの主コイル１０が電気自動車１へ給電するための磁界を発生させており、３つのキャンセルコイル２０が、主コイル１０が発生させている漏洩磁界を打ち消す磁界を発生させている。このように、主コイル１０の列とキャンセルコイル２０の列を分ける場合であっても、主コイル１０が発生させている漏洩磁界を遠方において軽減させることが可能となる。

【符号の説明】

【0055】

１ 電気自動車
１０ 主コイル
２０、２０Ａ、２０Ｂ キャンセルコイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】