特開 2023-182185 モータ用ワイヤレス給電装置、モータ駆動システム、車両用ワイヤレス給電システムおよび車々間給電システム

(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】P2023182185

(43)【公開日】2023-12-26

(54)【発明の名称】モータ用ワイヤレス給電装置、モータ駆動システム、車両用ワイヤレス給電システムおよび車々間給電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20231219BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20231219BHJP

   H02M 3/28 20060101ALI20231219BHJP

   B60L 53/122 20190101ALI20231219BHJP

   B60M 7/00 20060101ALI20231219BHJP

   B60L 5/00 20060101ALI20231219BHJP

【ＦＩ】

H02J50/12

H02J7/00 P

H02J7/00 301D

H02J7/00 303C

H02M3/28 Q

B60L53/122

B60M7/00 X

B60L5/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022095655

(22)【出願日】2022-06-14

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】エサキムトゥパンダラコンシリナータン

(72)【発明者】

【氏名】矢次 健一

(72)【発明者】

【氏名】飯塚 英男

【テーマコード（参考）】

5G503

5H105

5H125

5H730

【Ｆターム（参考）】

5G503AA04

5G503BA01

5G503BB01

5G503CA01

5G503CA11

5G503DA08

5G503FA06

5G503GB06

5G503GB08

5H105AA20

5H105BB05

5H105CC02

5H105CC19

5H105DD10

5H105EE15

5H105GG04

5H125AA01

5H125AC04

5H125AC12

5H125AC25

5H125BC21

5H125BC24

5H125BE02

5H125DD02

5H125EE61

5H730AS13

5H730BB26

5H730BB61

5H730EE04

5H730EE07

(57)【要約】

【課題】本発明の目的は、モータに電力を伝送するワイヤレス給電装置について、モータまたはその周辺回路の状態を安定化することである。
【解決手段】ワイヤレス給電装置１０は、モータＭＴに電力を供給する受電共振回路２にワイヤレス、すなわち非接触で結合する給電共振回路１を備えている。また、ワイヤレス給電装置１０は、スイッチングによって給電共振回路１に電力を供給するスイッチング電源２０を備えている。ワイヤレス給電装置１０は、さらに、給電共振回路１に結合する制御部３を備えている。制御部３は、帰還部１６および位相調整部１８から構成され、給電共振回路１における電圧または電流の時間変化に応じたタイミングで、スイッチング電源２０をスイッチングさせる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータに電力を供給する受電共振回路に非接触で結合する給電共振回路と、
前記給電共振回路にスイッチングによって電力を供給するスイッチング電源と、
前記給電共振回路に結合し、前記給電共振回路における電圧または電流の時間変化に応じたタイミングで、前記スイッチング電源をスイッチングする制御部と、を備えることを特徴とするモータ用ワイヤレス給電装置。

【請求項2】

請求項１に記載のモータ用ワイヤレス給電装置であって、
前記制御部は、
前記給電共振回路に結合する帰還インダクタを備え、
前記スイッチング電源は、
前記帰還インダクタにおける電圧または電流の時間変化に応じたタイミングで、前記スイッチング電源をスイッチングするスイッチング回路を備えることを特徴とするモータ用ワイヤレス給電装置。

【請求項3】

請求項２に記載のモータ用ワイヤレス給電装置であって、
前記制御部は、
前記帰還インダクタにおける電圧または電流に応じた帰還信号を生成する帰還部と、
前記帰還信号の位相を調整する位相調整部と、を備え、
前記スイッチング回路は、
位相が調整された前記帰還信号に基づいて、前記給電共振回路における電流または電圧をオンオフすることを特徴とするモータ用ワイヤレス給電装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ用ワイヤレス給電装置と、
前記受電共振回路と、前記モータと、前記受電共振回路から出力される電力を前記モータに供給する電力変換回路と、を備えることを特徴とするモータ駆動システム。

【請求項5】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ用ワイヤレス給電装置を複数備える車両用ワイヤレス給電システムであって、
複数の前記モータ用ワイヤレス給電装置が、道路に沿って配置されていることを特徴とする車両用ワイヤレス給電システム。

【請求項6】

電動車両に搭載された請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ用ワイヤレス給電装置と、
インホイールモータと共に前記電動車両のホイールに設けられ、前記モータ用ワイヤレス給電装置から給電された電力を取得するワイヤレス受電装置と、を備え、
前記ワイヤレス受電装置は、
前記インホイールモータに電力を供給することを特徴とする車両用ワイヤレス給電システム。

【請求項7】

車々間給電システムであって、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ用ワイヤレス給電装置が、複数の電動車両のそれぞれに搭載され、
各前記電動車両には、他の前記電動車両に搭載された前記モータ用ワイヤレス給電装置から給電された電力を取得するワイヤレス受電装置が搭載され、
複数の前記電動車両の相互間で電力の授受を行うことを特徴とする車々間給電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータ用ワイヤレス給電装置、モータ駆動システム、車両用ワイヤレス給電システムおよび車々間給電システムに関し、特に、モータへのワイヤレス給電に関する。

【背景技術】

【0002】

給電装置から負荷装置に非接触で電力を供給するワイヤレス給電システムにつき広く研究開発が行われている。ワイヤレス給電システムには、給電装置に設けられた共振回路と、負荷装置に設けられた共振回路とを非接触で結合させ、これらの共振回路を共鳴させることで給電装置から負荷装置に電力を供給するものがある。以下の特許文献１および２には、このようなワイヤレス給電に関する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１６４２９４号公報

【特許文献2】特開２０１７－００５７９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ワイヤレス給電システムでは、負荷装置の共振回路に接続された負荷回路の状態が変化したときに、給電装置の共振回路と、負荷装置の共振回路の共振状態が変化し、負荷装置に印加される電圧や負荷装置に流れる電流が変動してしまうことがある。例えば、負荷装置にモータが含まれている場合には、モータの回転数や負荷の変動によって、モータに接続される電気回路における電圧または電流が変動し、モータまたはその周辺回路の状態が不安定となってしまうことがある。

【0005】

本発明の目的は、モータに電力を伝送するワイヤレス給電装置について、モータまたはその周辺回路の状態を安定化することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、モータに電力を供給する受電共振回路に非接触で結合する給電共振回路と、前記給電共振回路にスイッチングによって電力を供給するスイッチング電源と、前記給電共振回路に結合し、前記給電共振回路における電圧または電流の時間変化に応じたタイミングで、前記スイッチング電源をスイッチングする制御部と、を備えることを特徴とする。

【0007】

望ましくは、前記制御部は、前記給電共振回路に結合する帰還インダクタを備え、前記スイッチング電源は、前記帰還インダクタにおける電圧または電流の時間変化に応じたタイミングで、前記スイッチング電源をスイッチングするスイッチング回路を備える。

【0008】

望ましくは、前記制御部は、前記帰還インダクタにおける電圧または電流に応じた帰還信号を生成する帰還部と、前記帰還信号の位相を調整する位相調整部と、を備え、前記スイッチング回路は、位相が調整された前記帰還信号に基づいて、前記給電共振回路における電流または電圧をオンオフする。

【0009】

望ましくは、前記受電共振回路と、前記モータと、前記受電共振回路から出力される電力を前記モータに供給する電力変換回路と、を備える。

【0010】

また、本発明は、前記モータ用ワイヤレス給電装置を複数備える車両用ワイヤレス給電システムであって、複数の前記モータ用ワイヤレス給電装置が、道路に沿って配置されている。

【0011】

また、本発明は、電動車両に搭載された請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のモータ用ワイヤレス給電装置と、インホイールモータと共に前記電動車両のホイールに設けられ、前記モータ用ワイヤレス給電装置から給電された電力を取得するワイヤレス受電装置と、を備え、前記ワイヤレス受電装置は、前記インホイールモータに電力を供給することを特徴とする。

【0012】

また、本発明は、車々間給電システムであって、前記モータ用ワイヤレス給電装置が、複数の電動車両のそれぞれに搭載され、各前記電動車両には、他の前記電動車両に搭載された前記モータ用ワイヤレス給電装置から給電された電力を取得するワイヤレス受電装置が搭載され、複数の前記電動車両の相互間で電力の授受を行う。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、モータまたはその周辺回路の状態を安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】モータ用ワイヤレス給電システムの基本構成を示す図である。

【図2】モータ用ワイヤレス給電システムの具体的な構成例を示す図である。

【図3】負荷抵抗値に対する負荷電力および伝送効率の特性をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。

【図4】負荷抵抗値に対する負荷電圧および負荷電流の特性をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１には、本発明の実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１００の基本構成が示されている。モータ用ワイヤレス給電システム１００は、ワイヤレス給電装置１０およびワイヤレス受電装置１２を備えている。ワイヤレス受電装置１２には、負荷ＲＬとしてモータＭＴが接続されており、ワイヤレス給電装置１０からワイヤレス受電装置１２に電力が伝送され、モータＭＴに電力が供給される。すなわち、ワイヤレス給電装置１０からワイヤレス受電装置１２を介してモータＭＴに電力が供給されるモータ駆動システムが、モータ用ワイヤレス給電システム１００によって構成されている。

【0016】

ワイヤレス給電装置１０は、スイッチング電源２０、第１コンデンサＣ１、第１抵抗器Ｒ１、給電インダクタＬ１、帰還部１６および位相調整部１８を備えている。第１コンデンサＣ１、第１抵抗器Ｒ１および給電インダクタＬ１は直列接続され、給電共振回路１を構成している。第１コンデンサＣ１の第１抵抗器Ｒ１が接続された側とは反対側の一端と、給電インダクタＬ１の第１抵抗器Ｒ１が接続された側とは反対側の一端との間には、スイッチング電源２０が接続されている。

【0017】

なお、第１抵抗器Ｒ１は、給電インダクタＬ１に含まれる抵抗成分であってよい。ただし、図１では、第１抵抗器Ｒ１が給電インダクタＬ１に含まれる抵抗成分である場合も含めて、第１抵抗器Ｒ１が給電インダクタＬ１とは別の素子として描かれている。

【0018】

ワイヤレス受電装置１２は、受電インダクタＬ２、第２抵抗器Ｒ２、第２コンデンサＣ２、整流回路１４および平滑コンデンサＣｓを備えている。受電インダクタＬ２、第２抵抗器Ｒ２および第２コンデンサＣ２は直列接続され、受電共振回路２を構成している。給電共振回路１と受電共振回路２の共振周波数は一致または近似している。第２コンデンサＣ２の第２抵抗器Ｒ２が接続された側とは反対側の一端と、受電インダクタＬ２の第２抵抗器Ｒ２が接続された側とは反対側の一端との間には、電力変換回路として整流回路１４が接続されている。整流回路１４には、モータＭＴと、モータＭＴに並列に接続された平滑コンデンサＣｓが接続されている。

【0019】

モータＭＴは、ＤＣモータの他、ＤＣブラシレスモータ、ＡＣモータ、スイッチトリラクタンス、ステッピングモータ、超音波モータであってもよい。モータＭＴに供給される電力が交流電力であるか直流電力であるかによって、整流回路が他の電力変換回路に置き換えられてよい。

【0020】

第１抵抗器Ｒ１と同様、第２抵抗器Ｒ２は、受電インダクタＬ２に含まれる抵抗成分であってよい。ただし、図１では、第２抵抗器Ｒ２が受電インダクタＬ２に含まれる抵抗成分である場合も含めて、第２抵抗器Ｒ２が受電インダクタＬ２とは別の素子として描かれている。

【0021】

スイッチング電源２０は、スイッチングによって交流電圧を発生する発振回路によって構成されてよい。スイッチング電源２０は、例えば、給電共振回路１の共振周波数と同一のまたは近似した周波数で値がハイおよびローを繰り返す矩形波電圧を交流電圧として出力する。これによって、給電共振回路１には給電電流としての共振電流が流れる。帰還部１６は、給電共振回路１に結合し、給電インダクタＬ１に流れる給電電流を検出し、検出値に応じた帰還信号を位相調整部１８に出力する。位相調整部１８は、給電電流（共振電流）の位相と、スイッチング電源２０に流れる電流との位相差が低減され、または０となるように、スイッチング電源２０が出力する交流電圧の位相を調整する。

【0022】

位相調整部１８が、帰還信号の位相を調整することで、給電共振回路１に流れる給電電流の値が、スイッチング電源２０が出力する交流電圧に正帰還される。これによって、ワイヤレス給電装置１０において自励式発振器が構成され、給電共振回路１の共振状態が安定的に維持される。

【0023】

給電共振回路１と、受電共振回路２は磁気的に結合し、あるいは、電磁界結合をする。すなわち、給電インダクタＬ１および受電インダクタＬ２の電磁誘導によって、給電共振回路１および受電共振回路２が磁気的に結合してよい。また、給電共振回路１が電磁界を発生し、受電共振回路２がその電磁界を受信して、給電共振回路１および受電共振回路２が電磁界結合してもよい。

【0024】

給電共振回路１と受電共振回路２の共振周波数は一致または近似しているので、給電共振回路１と受電共振回路２が共鳴する。給電共振回路１に流れる給電電流によって、受電共振回路２には受電電流が流れる。整流回路１４によって受電電流が整流され、平滑コンデンサＣｓおよびモータＭＴに直流成分を含む電流が流れる。すなわち、整流回路１４は、受電共振回路２から出力される交流電力を直流電力に変換してモータＭＴに供給する。

【0025】

上記では、給電インダクタＬ１に流れる給電電流を検出し、位相調整部１８に検出値に応じた帰還信号を出力する帰還部１６について説明した。帰還部１６は、給電インダクタＬ１または第１コンデンサＣ１に現れる電圧を検出し、位相調整部１８に検出値に応じた帰還信号を出力する回路であってもよい。この場合、給電共振回路１に現れる電圧の値が、スイッチング電源２０が出力する交流電圧に正帰還される。

【0026】

このように、本実施形態に係るワイヤレス給電装置１０（モータ用ワイヤレス給電装置）は、モータＭＴに電力を供給する受電共振回路２にワイヤレス、すなわち非接触で結合する給電共振回路１を備えている。また、ワイヤレス給電装置１０は、給電共振回路１にスイッチングによって電力を供給するスイッチング電源２０を備えている。ワイヤレス給電装置１０は、さらに、給電共振回路１に結合する制御部３を備えている。制御部３は、帰還部１６および位相調整部１８から構成され、給電共振回路１における電圧または電流の時間変化に応じたタイミングで、スイッチング電源２０をスイッチングさせる。

【0027】

従来のワイヤレス給電システムでは、モータの回転数や負荷が変動すると、給電装置の共振回路および受電装置の共振回路の共振周波数も変化し、モータやその周辺の回路に現れる電圧または電流が変動してしまうことがあった。この場合、モータの制御が困難となったり、周辺回路に用いる部品の耐電圧または許容電流を大きくする必要が生じたりする場合があった。

【0028】

本実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１００では、給電共振回路１に流れる給電電流の検出値が、スイッチング電源２０が出力する交流電圧に対して正帰還される。そのため、給電共振回路１および受電共振回路２の共振状態が安定的に維持される。これによって、モータＭＴやその周辺の回路に現れる電圧または電流の変動が抑制され、モータＭＴの制御が容易になる。また、モータＭＴの回転数やトルクが変動する等、モータＭＴの状態が変動した場合であっても、給電共振回路１および受電共振回路２の共振状態が安定的に維持され、モータＭＴに安定的に電力が供給される。

【0029】

また、本実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１００では、整流回路１４の代わりに、スイッチング素子を用いた電力変換回路が用いられた場合であっても、スイッチング電源２０のスイッチングと、電力変換回路のスイッチングとを同期させなくてもよい。これによって、モータ用ワイヤレス給電システム１００の構成が単純化される。

【0030】

図２には、本発明の実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１００の具体的な構成例として、モータ用ワイヤレス給電システム１０２が示されている。モータ用ワイヤレス給電システム１０２は、ワイヤレス給電装置１０、ワイヤレス受電装置１２、整流回路１４およびモータＭＴを備えている。

【0031】

ワイヤレス給電装置１０は、スイッチング回路２２、給電共振回路１ａ、帰還部１６、および位相調整部１８を備えている。

【0032】

スイッチング回路２２は、図１に示されたスイッチング電源２０に相当する。スイッチング回路２２は、スイッチングドライバ５４およびハーフブリッジ５６を備えている。ハーフブリッジ５６は、一端が共通に接続された第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２を備えている。第１スイッチング素子Ｓ１の第２スイッチング素子Ｓ２とは反対側の一端は、直流電圧源５８に接続されており、第２スイッチング素子Ｓ２の第１スイッチング素子Ｓ１とは反対側の一端は、接地導体に接続されている。

【0033】

スイッチングドライバ５４は、位相調整部１８から出力される位相制御信号に従う位相で、第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２を交互にオンオフする。第１スイッチング素子Ｓ１がオフからオンに切り替えられたときは、第２スイッチング素子Ｓ２はオンからオフに切り替えられ、第１スイッチング素子Ｓ１がオンからオフに切り替えられたときは、第２スイッチング素子Ｓ２はオフからオンに切り替えられる。

【0034】

給電共振回路１ａは、第１コンデンサＣ１、第１給電インダクタＬａおよび第２給電インダクタＬｂを備えている。第１給電インダクタＬａおよび第２給電インダクタＬｂは、図１に示された給電インダクタＬ１に相当する。第１コンデンサＣ１の一端は、ハーフブリッジ５６における第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２の接続点に接続されている。第１コンデンサＣ１の他端は、第１給電インダクタＬａの一端に接続されている。第１給電インダクタＬａの他端は、第２給電インダクタＬｂの一端に接続され、第２給電インダクタＬｂの他端は接地導体に接続されている。

【0035】

帰還部１６は、帰還トランスＴおよび増幅回路５０を備えている。帰還トランスＴは、磁気的に結合した第２給電インダクタＬｂおよび帰還インダクタＬｆを備えている。すなわち、帰還トランスＴおよび給電共振回路１ａは、第２給電インダクタＬｂを共有している。帰還インダクタＬｆの両端は、増幅回路５０の正相端子５０ｐと逆相端子５０ｎとの間に接続されている。

【0036】

増幅回路５０は、差動増幅器５１、正相入力抵抗器Ｒａ３、逆相入力抵抗器Ｒａ１、帰還抵抗器Ｒａ２およびシャント抵抗器Ｒａ４～Ｒａ６を備えている。正相入力抵抗器Ｒａ３は、正相端子５０ｐと差動増幅器５１の正相入力端子との間に接続され、逆相入力抵抗器Ｒａ１は、逆相端子５０ｎと差動増幅器５１の逆相入力端子との間に接続されている。帰還抵抗器Ｒａ２は、差動増幅器５１の出力端子と逆相入力端子との間に接続されている。シャント抵抗器Ｒａ４は、逆相端子５０ｎと接地導体との間に接続されている。シャント抵抗器Ｒａ５は、正相端子５０ｐと接地導体との間に接続され、シャント抵抗器Ｒａ６は、差動増幅器５１の正相入力端子と接地導体との間に接続されている。正相入力抵抗器Ｒａ３、逆相入力抵抗器Ｒａ１、帰還抵抗器Ｒａ２およびシャント抵抗器Ｒａ４～Ｒａ６の各抵抗値によって、増幅回路５０の利得が定められる。

【0037】

増幅回路５０は、帰還インダクタＬｆの両端の電圧を増幅し、帰還信号を位相調整部１８に出力する。帰還信号は、給電共振回路１ａに流れる電流に応じた信号である。増幅回路５０は、帰還インダクタＬｆに流れる電流に応じた帰還信号を出力する増幅回路に置き換えられてもよい。この場合、増幅回路は、帰還インダクタＬｆに直列に接続された抵抗器等を有し、その抵抗器に現れる電圧を増幅し、帰還信号を位相調整部１８に出力する回路であってよい。

【0038】

位相調整部１８は、移相コンデンサＣｂ、第１可変抵抗器Ｒｂ１、第２可変抵抗器Ｒｂ２および比較器５２を備えている。移相コンデンサＣｂおよび第１可変抵抗器Ｒｂ１は並列に接続されている。移相コンデンサＣｂおよび第１可変抵抗器Ｒｂ１の一方の接続点は、増幅回路５０の出力端子に接続されている。移相コンデンサＣｂおよび第１可変抵抗器Ｒｂ１の他方の接続点は、比較器５２の入力端子および第２可変抵抗器Ｒｂ２の一端に接続されている。第２可変抵抗器Ｒｂ２の他端は接地導体に接続されている。

【0039】

移相コンデンサＣｂ、第１可変抵抗器Ｒｂ１および第２可変抵抗器Ｒｂ２は、帰還信号の位相を変化させて比較器５２に出力する。位相変化量は、第１可変抵抗器Ｒｂ１または第２可変抵抗器Ｒｂ２の抵抗値を変化させることで調整される。

【0040】

比較器５２は、帰還信号が基準値を超えたときには値がハイとなり、基準値以下であるときには値がローとなる位相制御信号をスイッチングドライバ５４に出力する。スイッチングドライバ５４は、位相制御信号のハイおよびローの切り替わりのタイミングと同期して、第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２を交互にオンオフする。

【0041】

第１スイッチング素子Ｓ１がオンとなり、第２スイッチング素子Ｓ２がオフとなっているときには、接地導体から第２給電インダクタＬｂおよび第１給電インダクタＬａを経て直流電圧源５８に至る経路に電流が流れる。

【0042】

第２スイッチング素子Ｓ２がオンとなり、第１スイッチング素子Ｓ１がオフとなっているときには、第１コンデンサＣ１の一端が接地導体に短絡される。第２スイッチング素子Ｓ２、第１コンデンサＣ１、第１給電インダクタＬａおよび第２給電インダクタＬｂによる電流ループが形成される。

【0043】

第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２が交互にオンオフすることで、給電共振回路１ａの第１コンデンサＣ１、第１給電インダクタＬａおよび第２給電インダクタＬｂには給電電流としての共振電流が流れる。給電電流に応じた帰還信号が帰還部１６から位相調整部１８に出力され、帰還信号の位相に応じた位相制御信号がスイッチングドライバ５４に出力される。スイッチングドライバ５４は、位相制御信号のハイおよびローの切り替わりのタイミングと同期して、第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２を交互にオンオフする。

【0044】

このような構成によって、スイッチング回路２２は、帰還インダクタＬｆにおける電圧または電流の時間変化に応じたタイミングで、ハーフブリッジ５６をスイッチングして、（スイッチング電源２０をスイッチングして）、給電共振回路１ａにおける電圧または電流をオンオフする。

【0045】

本実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１０２では、給電電流に基づく帰還信号および位相制御信号が、給電電流に対して正帰還となるように、位相調整部１８における位相変化量が設定されている。すなわち、給電電流の位相と第１スイッチング素子Ｓ１および第２スイッチング素子Ｓ２のスイッチングタイミングとが同期するように、位相調整部１８における位相変化量が設定されている。これによって、ワイヤレス給電装置１０において自励式発振器が構成され、給電共振回路１の共振状態が安定的に維持される。

【0046】

ワイヤレス受電装置１２は、受電共振回路２ａおよび整流回路１４を備えている。受電共振回路２ａは、受電インダクタＬ２および第２コンデンサＣ２を備えている。整流回路１４は、ダイオードＤ１～Ｄ４を備えている。ダイオードＤ１のアノードはダイオードＤ２のカソードに接続され、ダイオードＤ３のアノードはダイオードＤ４のカソードに接続されている。ダイオードＤ１のカソードはダイオードＤ３のカソードに接続され、ダイオードＤ２のアノードはダイオードＤ４のアノードに接続されている。

【0047】

第２コンデンサＣ２の一端はダイオードＤ１およびＤ２の接続点に接続されている。第２コンデンサＣ２の他端は、受電インダクタＬ２の一端に接続され、受電インダクタＬ２の他端はダイオードＤ３およびＤ４の接続点に接続されている。ダイオードＤ１およびＤ３の接続点と、ダイオードＤ２およびＤ４の接続点との間には、平滑コンデンサＣｓおよびモータＭＴが接続されている。

【0048】

第１給電インダクタＬａおよび受電インダクタＬ２が結合することで、給電共振回路１ａおよび受電共振回路２ａが結合する。あるいは、給電共振回路１ａは電磁界を発生し、受電共振回路２ａがその電磁界を受信して、給電共振回路１ａおよび受電共振回路２ａが電磁界結合する。給電共振回路１ａの第１コンデンサＣ１、第１給電インダクタＬａおよび第２給電インダクタＬｂに流れる給電電流に基づいて、受電共振回路２ａの受電インダクタＬ２および第２コンデンサＣ２には、受電電流が流れる。受電電流は整流回路１４によって整流される。すなわち、受電電流は、ダイオードＤ１およびＤ３の接続点からモータＭＴおよび平滑コンデンサＣｓ側に流出し、モータＭＴおよび平滑コンデンサＣｓ側からダイオードＤ２およびＤ４の接続点に流入する直流電流に整流される。

【0049】

モータＭＴに印加される直流電圧は平滑コンデンサＣｓによって平滑化される。整流回路１４からモータＭＴに流れる電流および整流回路１４からモータＭＴに印加される電圧によって、モータＭＴはトルクを発生し回転する。

【0050】

一般に、モータは、回転数やトルク等、回転状態が変化することで、電力供給端に現れる電圧の大きさや位相、あるいは、モータに流れる電流の大きさや位相が変化する。したがって、ワイヤレス給電装置に共振周波数を安定化させる回路等が設けられていない場合には、モータの回転状態の変化によって、給電共振回路および受電共振回路の共鳴周波数や、給電共振回路および受電共振回路のＱ値が変化することがある。

【0051】

本実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１０２では、ワイヤレス給電装置１０において自励式発振器が構成される。したがって、給電共振回路１ａの共振状態が安定的に維持され、さらには、給電共振回路１ａおよび受電共振回路２ａの共鳴状態が安定的に維持される。これによって、モータＭＴに安定的に電力が供給される。

【0052】

図３には、負荷ＲＬの抵抗値（負荷抵抗値）に対する負荷電力および伝送効率の特性をシミュレーションによって求めた結果が示されている。負荷電力は、ワイヤレス受電装置１２からモータＭＴ等の負荷ＲＬに供給される電力である。伝送効率は、ワイヤレス給電装置１０における直流電圧源（スイッチング電源２０または直流電圧源５８）が出力する電力に対する、負荷電力の比率である。横軸は負荷抵抗値を示す。左側の縦軸は負荷電力を示し、右側の縦軸は伝送効率を示す。

【0053】

特性７０－１は、本実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１０２についての負荷電力の特性である。特性７０－２は、従来技術に係るモータ用ワイヤレス給電システムについての負荷電力の特性である。

【0054】

特性７２－１は、本実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１０２についての伝送効率の特性である。特性７２－２は、従来技術に係るモータ用ワイヤレス給電システムについての伝送効率の特性である。

【0055】

ここで、従来技術に係るモータ用ワイヤレス給電システムは、図１に示されるモータ用ワイヤレス給電システム１００から、帰還部１６および位相調整部１８を取り除いたものである。従来技術に係るモータ用ワイヤレス給電システムでは、給電共振回路１に流れる給電電流の値が、スイッチング電源２０が出力する電圧に正帰還されない。また、ＡＣ／ＤＣコンバータが用いられる場合には、スイッチング電源２０が出力する交流電圧と同期したスイッチングを行う。

【0056】

負荷抵抗値の臨界値Ｐは、負荷抵抗値を小さい値から大きい値へと変化させたときに、給電共振回路１と受電共振回路２の固有周波数が２つから１つに変化するときの値である。給電共振回路１と受電共振回路２の固有角周波数ωｅは、次の（数１）で表される。

【0057】

（数１）ωｅ＝ω０±（κ^２－γ^２）^１／２

【0058】

κは、第１給電インダクタＬａおよび受電インダクタＬ２の結合係数であり、それぞれの自己インダクタンスをＬａおよびＬ２とし、これらの相互インダクタンスをＭとした場合、結合係数κは、次の（数２）で表される。

【0059】

（数２）κ＝Ｍ／（Ｌａ・Ｌ２）^１／２

【0060】

γは、給電共振回路１ａと受電共振回路２ａの損失の大きさを表す値である。給電共振回路１ａおよび受電共振回路２ａの素子定数が異なる場合、γは複雑な数式で表される。ただし、第１給電インダクタＬａと受電インダクタＬ２のインダクタンスがＬで等しく、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２の容量がＣで等しく、第１抵抗器Ｒ１と第２抵抗器Ｒ２の抵抗値が０である場合には、負荷抵抗値をＲとして、γは次の（数３）で近似される。

【0061】

（数３）γ＝Ｒ・（Ｃ／Ｌ）^１／２

【0062】

（数１）においてκ＝γを成立させるような負荷抵抗値が、臨界値Ｐである

【0063】

負荷抵抗値が臨界値Ｐ以下であるときは、給電共振回路１と受電共振回路２との結合が密であり、固有角周波数ωｅは２つとなる。負荷抵抗値が臨界値Ｐを超えるときは、給電共振回路１と受電共振回路２との結合が疎であり、固有角周波数ωｅは１つとなる。

【0064】

負荷抵抗値が臨界値Ｐを超えるときは、従来技術と本実施形態との間には、負荷電力および伝送効率に大きな差異は認められない。負荷抵抗値が臨界値Ｐ以下であるときは、本実施形態では、従来技術に比べて伝送効率が小さくなるものの、負荷電力が大きくなる。

【0065】

図４には、負荷抵抗値に対する負荷電圧および負荷電流の特性をシミュレーションによって求めた結果が示されている。負荷電圧は負荷ＲＬの両端に印加される電圧であり、負荷電流は負荷ＲＬに流れる電流である。横軸は負荷抵抗値を示す。左側の縦軸は負荷電圧を示し、右側の縦軸は負荷電流を示す。

【0066】

特性７４－１は、本実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１０２についての負荷電圧の特性である。特性７４－２は、従来技術に係るモータ用ワイヤレス給電システムについての負荷電圧の特性である。

【0067】

特性７６－１は、本実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１０２についての負荷電流の特性である。特性７６－２は、従来技術に係るモータ用ワイヤレス給電システムのシミュレーションについての負荷電流の特性である。

【0068】

負荷抵抗値が臨界値Ｐを超えるときは、従来技術と本実施形態との間には、負荷電圧および負荷電流に大きな差異は認められない。負荷抵抗値が臨界値Ｐ以下であるときは、本実施形態では、従来技術に比べて負荷電圧および負荷電流が大きくなる。

【0069】

本実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１００または１０２は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両のモータに電力を供給する車両用ワイヤレス給電システムに用いられてよい。車両用給電システムでは、ワイヤレス給電装置１０が道路に沿って所定の間隔で配置される。各ワイヤレス給電装置１０は、ガードレール、路肩、路面下または路面上、トンネルの天井または壁面等に配置されてよい。電動車両にはワイヤレス受電装置１２が搭載される。電動車両に最も近い位置にあるワイヤレス給電装置１０から、電動車両に搭載されたワイヤレス受電装置１２に電力が供給されてよい。電動車両が走行すると共に、電動車両に電力を供給するワイヤレス給電装置１０が道路に沿って順に入れ替わっていく。ワイヤレス受電装置１２は、電動車両に搭載されたモータに電力を供給し、モータは供給された電力によって電動車両を駆動する。

【0070】

一般に、道路を走行する電動車両は速度や加速度が一定でないため、モータの回転数やトルクが変動する。モータ用ワイヤレス給電システム１００または１０２を用いることで、給電共振回路１および受電共振回路２の共振状態が安定的に維持され、走行中の電動車両のモータに安定的に電力が供給される。

【0071】

本実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１００または１０２は、車々間給電システムに用いられてもよい。車々間給電システムは、複数の電動車両のそれぞれが、ワイヤレス給電装置１０およびワイヤレス受電装置１２を搭載し、電動車両の相互間で電力を授受するものである。各電動車両には、無線制御装置が搭載され、各電動車両の無線制御装置は、各電動車両が搭載するバッテリのＳＯＣ（State Of Charge）を共有する。例えば、各電動車両の無線制御装置は、ワイヤレス給電が可能な位置関係にある電動車両の間で、ＳＯＣの大きい電動車両からＳＯＣの小さい電動車両に電力を供給するように、ワイヤレス給電装置１０およびワイヤレス受電装置１２を制御する。

【0072】

車々間給電システムは、隊列走行を行う複数の電動車両において構成されてよい。また、車々間給電システムは、会員としてＩＤ（Identification）を登録した複数の電動車両において構成されてもよい。この場合、各電動車両の無線制御装置は、ＩＤの認証がされた他の無線制御装置との間で通信を行い、電動車両の相互間で電力を授受し合う制御を実行する。また、車々間給電システムは、工場等で用いられる複数の無人搬送機において構成されてもよい。

【0073】

本実施形態に係るモータ用ワイヤレス給電システム１００または１０２は、電動車両のインホイールモータに用いられてもよい。インホイールモータは、ホイールに固定され、ホイールを駆動するものである。電動車両のボデー側には、ワイヤレス給電装置１０が配置され、ホイールには、インホイールモータに電力を供給するワイヤレス受電装置１２が配置される。

【0074】

一般に、インホイールモータは、ホイールと共に回転する。そのため、電動車両に設けられた給電装置とインホイールモータとの間の電気配線は複雑な構造となる。モータ用ワイヤレス給電システム１００または１０２をインホイールモータに用いることで、ホイール側に配置されたインホイールモータおよびワイヤレス受電装置１２と、ボデー側に配置されたワイヤレス給電装置１０との間の電気配線は不要となる。これによって、インホイールモータの機械的な構造が単純化される。

【符号の説明】

【0075】

１ａ 給電共振回路、２，２ａ 受電共振回路、３ 制御部、１０ ワイヤレス給電装置、１２ ワイヤレス受電装置、１４ 整流回路、１６ 帰還部、１８ 位相調整部、２０ スイッチング電源、２２ スイッチング回路、５０ 増幅回路、５０ｐ 正相入力端子、５０ｎ 逆相入力端子、５１ 差動増幅器、５２ 比較器、５４ スイッチングドライバ、５６ ハーフブリッジ、５８ 直流電圧源、１００，１０２ モータ用ワイヤレス給電システム、Ｌ１ 給電インダクタ、Ｃ１ 第１コンデンサ、Ｒ１ 第１抵抗器、Ｌ２ 給電インダクタ、Ｃ２ 第２コンデンサ、Ｒ２ 第２抵抗器、Ｃｓ 平滑コンデンサ、ＲＬ 負荷、Ｌａ 第１給電インダクタ、Ｌｂ 第２給電インダクタ、Ｌｆ 帰還インダクタ、Ｒａ１ 逆相入力抵抗器、Ｒａ２ 帰還抵抗器、Ｒａ３ 正相入力抵抗器、Ｒａ４～Ｒａ６ シャント抵抗器、Ｃｂ 移相コンデンサ、Ｒｂ１、Ｒｂ２ 可変抵抗器、Ｄ１～Ｄ４ ダイオード、ＭＴ モータ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】