特許 7564003 非接触電力伝送システム

(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】

(24)【登録日】2024-09-30

(45)【発行日】2024-10-08

(54)【発明の名称】非接触電力伝送システム

(51)【国際特許分類】

   H01F 38/14 20060101AFI20241001BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20241001BHJP

   H02J 50/70 20160101ALI20241001BHJP

【ＦＩ】

H01F38/14

H02J50/12

H02J50/70

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021016833

(22)【出願日】2021-02-04

(65)【公開番号】P2022119585

(43)【公開日】2022-08-17

【審査請求日】2023-12-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木村 統公

(72)【発明者】

【氏名】木村 和峰

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 智清

(72)【発明者】

【氏名】金崎 正樹

【審査官】小林 大介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１８７３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９５７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１７５６７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０４７０４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｆ ３８／１４

Ｈ０２Ｊ ５０／１２

Ｈ０２Ｊ ５０／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送電コイルから受電コイルに非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムであって、
前記送電コイルは、
水平方向に隣り合って配置する一対のコイルである第１コイル部と、
前記第１コイル部のそれぞれの前記コイルが発生する磁界を誘導する一対のコアである第１コア部と、
を含み、
前記第１コイル部のそれぞれの前記コイルは、
互いに距離を空けて配置され、
水平面で巻回された形状であって、電流によって発生する磁界の向きが互いに逆方向となるように構成されており、
前記第１コア部のそれぞれの前記コアは、
前記第１コイル部のそれぞれの前記コイルと一体的であって、第１距離を空けて配置されており、
前記受電コイルは、
水平方向に隣り合って配置する一対のコイルである第２コイル部と、
前記第２コイル部のそれぞれの前記コイルが発生する磁界を誘導する一対のコアである第２コア部と、
を含み、
前記第２コイル部のそれぞれの前記コイルは、
互いに距離を空けて配置され、
水平面で巻回された形状であって、電流によって発生する磁界の向きが互いに逆方向となるように構成されており、
前記第２コア部のそれぞれの前記コアは、
前記第２コイル部のそれぞれの前記コイルと一体的であって、第２距離を空けて配置されており、
前記第１コイル部と前記第２コイル部は、
対面するように配置され、
前記第２コイル部の短軸方向の長さは、前記第１コイル部の短軸方向の長さと同等か又は前記第１コイル部の短軸方向の長さよりも短く、
前記第２距離は、前記第１コイル部のそれぞれの前記コイルの中央位置と前記第２コイル部のそれぞれの前記コイルの中央位置とが合わさる大きさであり、
前記第１距離及び前記第２距離は、前記第１コイル部と前記第２コイル部との間の距離よりも短い
ことを特徴とする非接触電力伝送システム。

【請求項2】

請求項１に記載の非接触電力伝送システムであって、
前記第１コイル部の短軸方向の長さは前記第２コイル部の短軸方向の長さと同等であり、
前記第２距離は、前記第１距離と同等である
ことを特徴とする非接触電力伝送システム。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の非接触電力伝送システムであって、
前記送電コイルは、地面、路面、又は床面に定置され、
前記受電コイルは、移動体に搭載される
ことを特徴とする非接触電力伝送システム。

【請求項4】

請求項３に記載の非接触電力伝送システムであって、
複数の前記送電コイルが前記移動体の移動経路の進行方向に連なるように定置されている
ことを特徴とする非接触電力伝送システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、送電コイルから受電コイルに非接触で電力を伝送する非接電力伝送システムに関する。

【背景技術】

【0002】

送電コイルから受電コイルに非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムでは、送電コイルが発生する磁界のうち受電コイルに鎖交しない磁界（以下、「漏洩磁界」とも称する。）が大きくなると、電力の伝送効率が低下する。また漏洩磁界の拡がりが大きくなると、周囲の環境に影響を与えてしまう虞がある。従来、漏洩磁界を低減するための様々な技術が提案されている。

【0003】

特許文献１には、漏洩磁界を低減することが可能なコイル構造を有する非接触電力伝送システムが開示されている。この非接触電力伝送システムでは、送電コイルは、第１の面において互いに第１方向に間隔を空けて配置され、流れる電流が互いに逆位相となるように構成された第１単位コイル及び第２単位コイルを含んでいる。また受電コイルは、第１の面に平行な第２の面において互いに第１方向に間隔を空けて配置され、流れる電流が互いに逆位相となるように構成された第３単位コイル及び第４単位コイルを含んでいる。そして、第１及び第２単位コイルの巻回軸線は、第１の面において第１方向に交差する方向に沿って平行に配置され、第３及び第４単位コイルの巻回軸線は、第２の面において第１方向に交差する方向に沿って平行に配置される。ここで、第１単位コイルと第２単位コイルとの間の距離は、第１単位コイルと第３単位コイルとの間の距離よりも大きく、第３単位コイルと第４単位コイルとの間の距離は、第２単位コイルと第４単位コイルとの間の距離よりも大きくなっている。このようなコイル構造とすることで、漏洩磁界の低減を図るとともに、伝送効率の高い電力伝送システムを提供している。

【0004】

その他、本技術分野の技術レベルを示す文献として以下の特許文献２、及び特許文献３がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１５－０４７０４６号公報

【文献】特表２０１８－５０７６７１号公報

【文献】特開２０１５－０８８６７３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に記載された非接触電力伝送システムでは、第１単位コイルと第２単位コイルとの間の距離、及び第３単位コイルと第４単位コイルとの間の距離を、それぞれ第１単位コイルと第３単位コイルとの間の距離、及び第２単位コイルと第４単位コイルとの間の距離よりも大きくする必要がある。つまり、送電コイル及び受電コイルそれぞれに含まれる一対のコイルのコイル間距離を、送電コイルと受電コイルとの間の距離よりも大きくする必要がある。

【0007】

これは、特許文献１に記載する構成では、送電コイル及び受電コイルそれぞれに含まれる一対のコイルのコイル間距離を送電コイルと受電コイルとの間の距離よりも小さくすると、一対のコイルの間で逆方向の磁束干渉が起きることで受電コイルへの鎖交磁束が減少し、送電コイルと受電コイルとの間の結合係数が低下、延いては送電効率が低下する虞があるためである。

【0008】

従って、送電コイル及び受電コイルの体格が、送電コイルと受電コイルとの間の距離により制限される。延いては、送電コイル及び受電コイルの体格増加を招いてしまう。

【0009】

本発明は上記の課題を鑑みてなされたもので、送電コイル及び受電コイルの体格増加を抑制しつつ、漏洩磁界を良好に低減することが可能な非接触電力伝送システム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】

本発明に係る非接触電力伝送システムは、送電コイルと、受電コイルと、を備え、送電コイルから受電コイルに非接触で電力を伝送する。送電コイルは、水平方向に隣り合って配置する一対のコイルである第１コイル部と、第１コイル部のそれぞれのコイルが発生する磁界を誘導する一対のコアである第１コア部と、を含んでいる。第１コイル部に含まれるそれぞれのコイルは、水平面で巻回された形状であって、電流によって発生する磁界の向きが互いに逆方向となるように構成されている。第１コア部に含まれるそれぞれのコアは、第１コイル部に含まれるそれぞれのコイルと一体的であって、距離を空けて配置されている。

【0011】

受電コイルは、水平方向に隣り合って配置する一対のコイルである第２コイル部と、第２コイル部のそれぞれのコイルが発生する磁界を誘導する一対のコアである第２コア部と、を含んでいる。第２コイル部に含まれるそれぞれのコイルは、水平面で巻回された形状であって、電流によって発生する磁界の向きが互いに逆方向となるように構成されている。第２コア部に含まれるそれぞれのコアは、第２コイル部に含まれるそれぞれのコイルと一体的であって、距離を空けて配置されている。

【0012】

そして、第１コイル部と第２コイル部は、対面するように配置されている。

【発明の効果】

【0013】

本出願に係る発明者らは、送電コイル及び受電コイルそれぞれに含まれる一対のコイルを水平面で巻回されたサーキュラー型の形状とし、一対のコイルのそれぞれのコイルと一体的である一対のコアのそれぞれのコアを距離を空けて配置することで、漏洩磁界を低減しつつ、一対のコアのコア間距離（延いては、一対のコイルのコイル間距離）を小さくしても送電コイルと受電コイルの間の結合係数が低下せずに増加することを見出した。

【0014】

本発明に係る非接触電力伝送システムでは、第１コイル部及び第２コイル部それぞれに含まれる一対のコイルを、水平面で巻回されたサーキュラー型の形状とする。そして、第１コイル部及び第２コイル部に含まれる一対のコイルは、電流によって発生する磁界の向きが互いに逆方向となるように構成されている。また、第１コイル部及び第２コイル部それぞれに含まれる一対のコイルと一体的である第１コア部及び第２コア部は、それぞれに含まれるコアが距離を空けて配置されている。これにより、送電コイル及び受電コイルの体格増加を抑制しつつ、漏洩磁界を良好に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本実施の形態に係る非接触電力伝送システムの回路構成を示す回路図である。

【図2】本実施の形態に係る送電回路の構成を説明するための概念図である。

【図3】本実施の形態に係る受電回路の構成を説明するための概念図である。

【図4】本実施の形態に係る送電回路及び受電回路の配置を説明するための概念図である。

【図5】本実施の形態に係る送電回路及び受電回路の配置を説明するための概念図である。

【図6】本実施の形態に係る送電装置の複数のインバータの駆動及び制御の処理を示すフローチャートである。

【図7】漏洩磁界が電流素片によって発生していると仮定した場合の漏洩磁界につついて説明するための概念図である。

【図8】本実施の形態に係る非接触電力伝送システムとの比較対象とする非接触電力伝送システムに係る送電回路及び受電回路の構成を示す概念図である。

【図9】本実施の形態に係る非接触電力伝送システムの比較対象とする非接触電力伝送システムに係る送電回路及び受電回路の配置を示す概念図である。

【図10】本実施の形態に係る非接触電力伝送システムと図８及び図９に示す非接触電力伝送システムとの漏洩磁界分布の比較を示す図である。

【図11】本実施の形態に係る非接触電力伝送システムと図８及び図９に示す非接触電力伝送システムとの図１０に示す遠方地点における漏洩磁界の比較を示す図である。

【図12】本実施の形態に係る非接触電力伝送システムにおいて、送受電距離を一定としてコア間距離を可変とした場合の、送受電距離とコア間距離との比率に対する送電コイルと受電コイルとの間の結合係数を示すグラフである。

【図13】本実施の形態に係る非接触電力伝送システムにおいて、コア間距離が小さくなることによる結合係数の増加を説明するための概念図である。

【図14】本実施の形態に係る非接触電力伝送システムにおいて、送受電距離を一定としてコア間距離を可変とした場合の、送受電距離とコア間距離との比率に対する遠方地点における漏洩磁界を示すグラフである。

【図15】本実施の形態の変形例に係る送電回路及び受電回路の配置を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲などの数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数が特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構成などは、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を附しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

【0017】

１．構成
１－１．回路構成
図１は、本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０の回路構成を示す回路図である。非接触電力伝送システム１０は、送電装置１００と、受電装置２００と、電源３００と、バッテリ４００と、を含んでいる。

【0018】

送電装置１００及び電源３００は、典型的には、地面、路面、床面等に定置される。受電装置２００及びバッテリ４００は、典型的には、充電の対象となる移動体（車両、スマートフォン等）に搭載される。

【0019】

本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０は、送電装置１００に含まれる送電コイル１１１と、受電装置２００に含まれる受電コイル２１１と、が互いに磁界共振することにより、送電コイル１１１から受電コイル２１１に電力を伝送する。つまり、磁界共振方式による電力伝送が行われる。これにより、電源３００から送電装置１００に供給される電力が受電装置２００に伝送されることで、受電装置２００はバッテリ４００の充電を行う。

【0020】

なお図１には、１つの受電装置２００及びバッテリ４００が示されているが、充電の対象となる移動体が複数ある場合には、それぞれの移動体に図１に示す受電装置２００及びバッテリ４００が搭載される。そして、複数の移動体は、同一の送電装置１００により電力の伝送及びバッテリ４００の充電が行われても良い。

【0021】

電源３００は、送電装置１００と接続し、送電装置１００に電力を供給する。電源３００は、３相の交流電源である。例えば、相電圧２００Ｖの系統電源である。ただし、電源３００は、単相の交流電源であっても良い。

【0022】

バッテリ４００は、受電装置２００と接続し、受電装置２００により電力が充電される。バッテリ４００は、典型的には、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の再充電可能な直流電源である。

【0023】

送電装置１００は、送電回路１１０と、イミタンスフィルタ１２０と、インバータ１３０と、ＡＣＤＣコンバータ１４０と、を含んでいる。送電回路１１０と、イミタンスフィルタ１２０と、インバータ１３０と、ＡＣＤＣコンバータ１４０と、はそれぞれ従属接続するように構成されている。

【0024】

ＡＣＤＣコンバータ１４０は、電源３００から供給される交流電力を整流及び変圧し、インバータ１３０へ直流電力を出力する。ＡＣＤＣコンバータ１４０は、典型的には、ダイオード及びコンデンサを含んだ整流回路と、半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等）を含んだ昇降圧回路により構成される。ＡＣＤＣコンバータ１４０は、図示しない制御装置により半導体スイッチング素子が制御されることで、出力電圧、駆動、及び停止の制御が行われる。

【0025】

インバータ１３０は、ＡＣＤＣコンバータ１４０から出力される直流電力を所定周波数の交流電力に変換し、イミタンスフィルタ１２０を介して送電回路１１０へ交流電力を出力する。インバータ１３０は、出力する交流電力の周波数が、後述する送電回路１１０の共振周波数と同等となるように直流電力を変換する。インバータ１３０が出力する交流電力の周波数（送電回路１１０の共振周波数）は、例えば、８５ｋＨｚ程度の高周波である。

【0026】

インバータ１３０は、典型的には、半導体スイッチング素子を含む単相フルブリッジ回路により構成される。インバータ１３０は、図示しない制御装置によりパルス幅変調（ＰＷＭ；Pulse Width Modulation）等によるスイッチング制御が行われることで、直流電力を所定周波数の交流電力に変換する。またインバータ１３０は、制御装置により、駆動及び停止の制御が行われる。

【0027】

イミタンスフィルタ１２０は、インバータ１３０の出力電力の電磁ノイズを低減する。イミタンスフィルタ１２０は、図１に示すようにコイルとコンデンサにより構成されており、ローパスフィルタとして機能し送電装置１００のインピーダンスを調整する。

【0028】

送電回路１１０は、送電コイル１１１と、コンデンサＣ１１及びＣ１２と、により構成される共振回路である。送電回路１１０及び送電コイル１１１の詳細については後述する。

【0029】

送電回路１１０の共振周波数は、インバータ１３０の出力電力の周波数と同等である。送電コイル１１１は、インバータ１３０から共振周波数で出力される電力によって、後述する受電コイル２１１と磁界共振する。そして、送電コイル１１１から受電コイル２１１に電力が伝送される。

【0030】

ところで、移動している移動体を対象として電力を伝送する場合、移動体の移動経路に沿って複数の送電コイル１１１（延いては送電回路１１０）が配置される。例えば、走行している車両を対象として電力を伝送する場合、車両の走行経路に沿って複数の送電コイル１１１が道路上に配置される。このとき、移動体の移動に従って送電を行う送電コイル１１１を適切に切り替えることが必要となる。このため、送電回路１１０に加え、イミタンスフィルタ１２０、及びインバータ１３０が、移動経路に沿って複数配置される。一方で、ＡＣＤＣコンバータ１４０は、出力する直流電力が複数のインバータ１３０それぞれに供給されれば良く、複数配置しなくても良い。

【0031】

図１では、このことを示すために、送電装置１００が、送電回路１１０、イミタンスフィルタ１２０、及びインバータ１３０をそれぞれ複数含む場合を示している。図１に示すように、送電回路１１０、イミタンスフィルタ１２０、及びインバータ１３０それぞれが従属接続した複数の回路が、ＡＣＤＣコンバータ１４０の出力端に並列に接続している。なお、複数の送電回路１１０、イミタンスフィルタ１２０、及びインバータ１３０それぞれは、前述する内容において説明したものと同等である。また、複数の送電回路１１０、イミタンスフィルタ１２０、及びインバータ１３０それぞれを区別するために、それぞれの符号に記号（Ａ，Ｂ，・・・）を附している。ただし、本実施の形態に係る送電装置１００は、１つの送電回路１１０、イミタンスフィルタ１２０、及びインバータ１３０により構成されていても良い。

【0032】

受電装置２００は、受電回路２１０と、イミタンスフィルタ２２０と、整流回路２３０と、平滑コンデンサＣ２４と、を含んでいる。受電回路２１０と、イミタンスフィルタ２２０と、整流回路２３０と、はそれぞれ従属接続するように構成されている。平滑コンデンサＣ２４は、整流回路の出力端に接続されている。

【0033】

受電回路２１０は、受電コイル２１１と、コンデンサＣ２１及びＣ２２と、により構成される共振回路である。受電回路２１０及び受電コイル２１１の詳細については後述する。

【0034】

受電回路２１０の共振周波数は、インバータ１３０の出力電力の周波数（送電回路１１０の共振周波数）と同等である。受電コイル２１１は、送電コイル１１１と磁界共振し、送電コイル１１１から伝送される電力を受電する。

【0035】

イミタンスフィルタ２２０は、受電回路２１０が受電した電力の電磁ノイズを低減する。イミタンスフィルタ２２０は、図１に示すようにコイルとコンデンサにより構成されており、ローパスフィルタとして機能し受電装置２００のインピーダンスを調整する。

【0036】

整流回路２３０は、受電回路２１０が受電した電力を直流電力に変換して出力する。整流回路２３０は、典型的には、単相全波整流回路である。

【0037】

平滑コンデンサＣ２４は、整流回路２３０が出力する直流電力を平滑化する。平滑コンデンサＣ２４により平滑化された直流電力が、バッテリ４００の充電電力となる。

【0038】

１－２．送電回路、受電回路
１－２－１．送電回路
図２は、本実施の形態に係る送電回路１１０の構成を説明するための概念図である。図２は、水平面（ＸＹ面）に位置する送電回路１１０について、鉛直方向（Ｚ軸方向）から見た平面図と、水平縦方向（Ｘ軸方向）から見た断面図を示している。送電回路１１０は、前述したように、送電コイル１１１と、コンデンサＣ１１及びＣ１２と、により構成される共振回路である。

【0039】

送電コイル１１１は、一対のコイルである第１コイル部（コイルＬ１１及びＬ１２）と、一対のコアである第１コア部（コアＭＭ１１及びＭＭ１２）と、コンデンサＣ１３と、アルミプレートＰＬ１と、を含んでいる。なお、図２に示すコイルＬ１１及びＬ１２は、その内外径を示すとともに、巻回方向を模式的に示している。また、コイルＬ１１及びＬ１２と、コアＭＭ１１及びＭＭ１２は、図示しない樹脂部材等で保持される。

【0040】

第１コイル部のそれぞれのコイルＬ１１及びＬ１２は、図２に示すように、水平面（ＸＹ平面）で巻回されたサーキュラー型の形状となっている。また、コイルＬ１１及びＬ１２は、それぞれの一端がコンデンサＣ１３を介して接続しており、電流によって発生する磁界が互いに逆方向となるように巻回されている。つまり、コイルＬ２１は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して上向きの磁界を発生し、コイルＬ２２は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して下向きの磁界を発生する。このような構成とすることで、漏洩磁界を低減することができる。漏洩磁界の詳細については後述する。

【0041】

コイルＬ１１及びＬ１２は、それぞれの一端にコンデンサＣ１１及びＣ１２が接続している。コンデンサＣ１１、コイルＬ１１、コンデンサＣ１３、コイルＬ１２、及びコンデンサＣ１２が、この順に直列に接続しており、送電回路１１０は直列共振回路となっている。コンデンサＣ１１、Ｃ１２、及びＣ１３は、共振回路（送電回路１１０）のキャパシタンスを与える共振コンデンサである。コンデンサＣ１１及びＣ１２のキャパシタンスは同程度であり、コンデンサＣ１３のキャパシタンスはコンデンサＣ１１及びＣ１２のキャパシタンスの１／２程度である。

【0042】

ここで、コンデンサＣ１３は、コイルＬ１１とコイルＬ１２との間に接続している。これにより、伝送する電力が大電力となり、送電回路１１０にかかる電圧が高くなる場合であっても、コイルＬ１１及びＬ１２と、コアＭＭ１１及びＭＭ１２との間の電位差を低減することができる。

【0043】

第１コア部のそれぞれのコアＭＭ１１及びＭＭ１２は、第１コイル部のそれぞれのコイルＬ１１及びＬ１２が発生する磁界を誘導する磁性材料である。コアＭＭ１１及びＭＭ１２は、典型的には、フェライトで構成される。

【0044】

また、第１コア部のそれぞれのコアＭＭ１１及びＭＭ１２は、第１コイル部のそれぞれのコイルＬ１１及びＬ１２と一体的となっており、水平方向（Ｙ軸方向）に距離ＡＷ１（以下、「第１コア間距離ＡＷ１」とも称する。）を空けて隣り合って配置している。

【0045】

アルミプレートＰＬ１は、コイルＬ１１及びＬ１２とコアＭＭ１１及びＭＭ１２の下に配置され、送電回路１１０に対する外部の磁界の影響を低減する。

【0046】

１－２－２．受電回路
図３は、本実施の形態に係る受電回路２１０の構成を説明するための概念図である。図３は、水平面（ＸＹ面）に位置する受電回路２１０について、鉛直方向（Ｚ軸方向）から見た平面図と、水平縦方向（Ｘ軸方向）から見た断面図を示している。受電回路２１０は、前述したように、受電コイル２１１と、コンデンサＣ２１及びＣ２２と、により構成される共振回路である。

【0047】

受電コイル２１１は、一対のコイルである第２コイル部（コイルＬ２１及びＬ２２）と、一対のコアである第２コア部（コアＭＭ２１及びＭＭ２２と）、コンデンサＣ２３と、アルミプレートＰＬ２と、を含んでいる。なお、図３に示すコイルＬ２１及びＬ２２は、その内外径を示すとともに、巻回方向を模式的に示している。また、コイルＬ２１及びＬ２２と、コアＭＭ２１及びＭＭ２２は、図示しない樹脂部材等で保持される。

【0048】

第２コイル部のそれぞれのコイルＬ２１及びＬ２２は、図３に示すように、水平面（ＸＹ平面）で巻回されたサーキュラー型の形状となっている。また、コイルＬ２１及びＬ２２は、それぞれの一端がコンデンサＣ２３を介して接続しており、電流によって発生する磁界が互いに逆方向となるように巻回されている。これにより、第１コイル部のコイルＬ１１及びＬ１２それぞれから発生する互いに逆方向の磁界を適切に受電することができる。

【0049】

コイルＬ２１及びＬ２２は、それぞれの一端にコンデンサＣ２１及びＣ２２が接続している。コンデンサＣ２１、コイルＬ２１、コンデンサＣ２３、コイルＬ２２、及びコンデンサＣ２２が、この順に接続しており、受電回路２１０は直列共振回路となっている。コンデンサＣ２１、Ｃ２２、及びＣ２３は、共振回路（受電回路２１０）のキャパシタンスを与える共振コンデンサである。

【0050】

なお、第１コイル部の長軸方向（Ｘ軸方向）の長さは、第２コイル部の長軸方向（Ｘ軸方向）の長さより長くなっている。一方で、第１コイル部と第２コイル部の短軸方向（Ｙ軸方向）の長さは同等である。これにより、受電コイル２１１が受電する電力の脈動を抑えることができる。

【0051】

第２コア部のそれぞれのコアＭＭ２１及びＭＭ２２は、第２コイル部のそれぞれのコイルＬ２１及びＬ２２が発生する磁界を誘導する磁性材料である。

【0052】

また、第２コア部のそれぞれのコアＭＭ２１及びＭＭ２２は、第２コイル部のそれぞれのコイルＬ２１及びＬ２２と一体的となっており、水平方向（Ｙ軸方向）に距離ＡＷ２（以下、「第２コア間距離ＡＷ２」とも称する。）を空けて隣り合って配置している。

【0053】

ここで、伝送効率の向上のため、第２コア間距離ＡＷ２は、第１コア間距離ＡＷ１と同等であることが望ましい。以下、第１コア間距離ＡＷ１と第２コア間距離ＡＷ２は同等であるとする。

【0054】

アルミプレートＰＬ２は、コイルＬ２１及びＬ２２とコアＭＭ２１及びＭＭ２２の下に配置され、受電回路２１０に対する外部の磁界の影響を低減する。

【0055】

１－２－３．配置
第１コイル部（コイルＬ１１及びＬ１２）と第２コイル部（コイルＬ２１及びＬ２２）は対面するように配置される。図４及び図５は、送電回路１１０及び受電回路２１０の配置を説明するための概念図である。図４は、斜視図を示している。図５は、鉛直方向（Ｚ軸方向）から見た平面図と、水平縦方向（Ｘ軸方向）から見た断面図と、水平横方向（Ｙ軸方向）から見た断面図と、を示している。また図４及び図５は、送電装置１００が複数の送電回路１１０を含む場合を示しており、５つの第１コイル部が示されている。つまり、移動している移動体に対して電力の伝送を行う場合の配置を示している。なお図４及び図５では、図２及び図３において説明した送電回路１１０及び受電回路２１０の構成のうち、一部の部分を省略して示している。

【0056】

図５で示すように、第１コイル部と第２コイル部は、鉛直方向に距離ＡＧ（以下、「送受電距離ＡＧ」とも称する。）を隔てて対面している。また図４に示すように、複数の第１コイル部は、アルミプレートＰＬ１に連なって取り付けられ、地面、路面、床面等に定置される。第１コイル部が連なる方向（Ｘ軸方向）は、典型的には、移動体の移動経路の進行方向である。第２コイル部は、アルミプレートＰＬ２に取り付けられ、充電の対象となる移動体に搭載される。面ＦＬは、第２コイル部が搭載される移動体の部分を示す。面ＦＬは、例えば、移動体が車両である場合、車両のボデーの底部である。

【0057】

前述したように、複数の第１コイル部の１ピッチ当たりの長さは、第２コイル部の長軸方向（Ｘ軸方向）の長さより長くなっている。これにより、１ピッチ当たりに対する受電コイル２１１が受電する電力の脈動を抑えることができる。

【0058】

２．動作
移動している移動体に対して電力の伝送を行うためには、複数の送電コイル１１１に係るインバータ１３０それぞれを移動体の位置に応じて適切に制御することが必要となる。図６は、本実施の形態に係る送電装置１００の複数のインバータ１３０の駆動及び制御の処理の例を示すフローチャートである。

【0059】

図６に示す処理は、インバータ１３０に係る制御装置により実行される。また、１番目のインバータ１３０を駆動する条件が満たされたときに図６に示す処理を開始する。ここで、１番目のインバータ１３０とは、移動体に対して最初に電力の伝送を行う送電コイル１１１に係るインバータ１３０である。これは、例えば、移動体が車両であって、送電コイル１１１が道路上に連なって配置されている場合、車両が最初に通過する送電コイル１１１に係るインバータ１３０である。１番目のインバータ１３０を駆動する条件とは、例えば、最初に通過することとなる送電コイル１１１の位置の手前の地点であって、送電コイル１１１を通過するまでの間に分岐がない地点を通過したことが検出された場合等である。

【0060】

ステップＳ１００において、制御装置は、制御の対象とするインバータ１３０を示す値であるＮを１に設定する。Ｎは、連なって配置する送電コイル１１１に係るインバータ１３０の順番に対応しており、Ｎ＝１は、移動体に対して最初に電力の伝送を行う送電コイル１１１に係るインバータ１３０に対応する。ステップＳ１００の後、処理はステップＳ１１０に進む。

【0061】

ステップＳ１１０において、制御装置は、Ｎ番目のインバータ１３０を小電圧出力で駆動する。処理の開始直後は、Ｎ＝１となるから、１番目のインバータ１３０を小出力電圧で駆動する。ステップＳ１１０の後、処理はステップＳ１２０に進む。

【0062】

ステップＳ１２０において、制御装置は、Ｎ番目のインバータ１３０に係る出力電流（インバータ電流）が所定値を超えるか否かを判定する。ここで、インバータ電流は、受電コイル２１１が送電コイル１１１に近づくほど増加し、遠ざかるほど減少する特性がある。このため、移動体が送電コイル１１１を通過する場合、移動体が送電コイル１１１に最接近する位置まではインバータ電流が増加し、その後減少することとなる。つまり、Ｎ番目のインバータ電流が所定値を超えたことにより、移動体がＮ番目のインバータ１３０に十分近づいたことを判断することができる。なお所定値は、プログラムにあらかじめ与える値であり、実験等により最適に定められる値である。

【0063】

Ｎ番目のインバータ電流が所定値を超える場合（ステップＳ１２０；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１３０に進む。Ｎ番目のインバータ電流が所定値を超えない場合（ステップＳ１２０；Ｎｏ）、次の実行周期において再度ステップＳ１２０の処理を実行する。

【0064】

ステップＳ１３０において、制御装置は、Ｎ番目のインバータ１３０の出力電圧を増加させる。これは、移動体がＮ番目のインバータ１３０に十分に近づいており、Ｎ番目のインバータ１３０に係る送電コイル１１１による電力の伝送を十分に行うためである。ステップＳ１３０の後、処理はステップＳ１４０に進む。

【0065】

ステップＳ１４０において、制御装置は、Ｎ番目のインバータ電流が所定値を下回るか否かを判定する。前述したように、Ｎ番目のインバータ電流が所定値を下回ったことにより、移動体がＮ番目のインバータ１３０から一定程度離れたことを判断することができる。なお所定値は、プログラムにあらかじめ与えられる値であり、実験等により最適に定められる値である。またステップＳ１２０における所定値と同等であっても異なっていても良い。

【0066】

Ｎ番目のインバータ電流が所定値を下回る場合（ステップＳ１４０；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１５０に進む。Ｎ番目のインバータ電流が所定値を下回らない場合（ステップＳ１４０；Ｎｏ）、次の実行周期において再度ステップＳ１４０の処理を実行する。

【0067】

ステップＳ１５０において、制御装置は、Ｎ番目のインバータ１３０の出力電圧を低下させる。これは、移動体がＮ番目のインバータ１３０から一定程度離れており、Ｎ番目のインバータ１３０に係る送電コイル１１１による電力の伝送の効果が小さいためである。このとき、Ｎ番目のインバータ１３０を停止し、Ｎ番目のインバータ１３０に係る送電コイル１１１による電力の伝送を止めても良い。ステップＳ１５０の後、処理はステップＳ１６０に進む。

【0068】

ステップＳ１６０において、制御装置は、Ｎ番目のインバータ１３０が終端であるか否かを判定する。これは、例えば、配置する送電コイル１１１の個数ｋを、プログラムにあらかじめ与えておく、あるいは取得し、Ｎがｋとなるか否かを判定することにより行う。Ｎ番目のインバータ１３０が終端である場合（ステップＳ１６０；Ｙｅｓ）、処理は終了する。Ｎ番目のインバータ１３０が終端でない場合（ステップＳ１６０；Ｎｏ）、処理はステップＳ１７０に進む。

【0069】

ステップＳ１７０において、制御装置は、Ｎのインクリメントを行う。ステップＳ１７０の後、次の実行周期においてステップＳ１１０に戻り、処理を繰り返す。

【0070】

以上説明した処理により、移動体の位置に応じて複数のインバータ１３０それぞれの制御を行うことができる。なお図６に示す処理は一例であり、本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０が適応される環境等に応じて適切な処理が与えられても良い。

【0071】

３．特性
３－１．漏洩磁界
本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０では、距離を空けて配置する一対のコア（第１コア部）と一体的な一対のコイル（第１コイル部）により磁界を発生させることで、漏洩磁界を良好に低減することができる。

【0072】

漏洩磁界は、第１コイル部のそれぞれのコイルＬ１１及びＬ１２の位置にある電流素片によって発生していると仮定することができる。図７は、漏洩磁界が第１コイル部のそれぞれのコイルＬ１１及びＬ１２の位置にある電流素片ＣＥ１及びＣＥ２によって発生していると仮定した場合の漏洩磁界について説明するための概念図である。図７は、鉛直方向から見た図である。図７の中央軸線は、第１コイル部のそれぞれのコイルＬ１１及びＬ１２の中央をＸ軸方向に通る線である。

【0073】

電流素片ＣＥ１及びＣＥ２は、水平横方向（Ｙ軸方向）に互いに距離ｄを隔てて位置している。また、電流素片ＣＥ１は中央軸線から距離ｄ１の位置であり、電流素片ＣＥ２は中央軸線から距離ｄ２の位置である。電流素片ＣＥ１及びＣＥ２は、それぞれ長さがｄｓで、電流値がＩで同一である。電流素片ＣＥ１に流れる電流の向き（ベクトルｄｓ１の向き）は、負のＹ軸方向であり、電流素片ＣＥ２に流れる電流の向き（ベクトルｄｓ２の向き）は、正のＹ軸方向である。これは、送電コイル１１１（第１コイル部）の長軸方向がＸ軸方向であり、第１コイル部のそれぞれのコイルＬ１１及びＬ１２が、Ｙ軸方向に隣り合って配置されていることによる。

【0074】

このとき、送電コイル（第１コイル部）の中央地点Ｏから、水平縦方向（Ｘ軸方向）に距離ｒ離れた地点Ｐにおける漏洩磁界ｄＨの大きさは、以下の式（１）で与えられる。なお漏洩磁界ｄＨの大きさは、Ｚ軸方向の向きを正としている。

【0075】

【数1】

【0076】

ここで、図７に示すように、θ１は、電流素片ＣＥ１の位置から地点Ｐを覗く方向とＹ軸とのなす角である。θ２は、電流素片ＣＥ２の位置から地点Ｐを覗く方向とＹ軸とのなす角である。

【0077】

式（１）括弧内の左式は、電流素片ＣＥ１に係る漏洩磁界を与えるものであり、右式は、電流素片ＣＥ２に係る漏洩磁界を与えるものである。電流素片ＣＥ１及び電流素片ＣＥ２に係る漏洩磁界は、互いに逆方向となる。

【0078】

式（１）より、距離ｒが距離ｄ（距離ｄ１及び距離ｄ２）より十分に大きければ、電流素片ＣＥ１に係る漏洩磁界と電流素片ＣＥ２に係る漏洩磁界の大きさは同等となり互いに打ち消しあい、漏洩磁界ｄＨは０に近似できる。例えば、充電の対象となる移動体が車両であり、送電コイル１１１（第１コイル部）が車両の走行経路となる道路上に連なって配置している場合、車両の進行方向（Ｘ軸方向）に十分離れた（例えば、１０ｍ程度離れた）遠方地点では、漏洩磁界が良好に低減される。

【0079】

以下、本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０における漏洩磁界と、一対のコアと一体的な１対のコイルを用いない非接触電力伝送システムにおける漏洩磁界と、の比較を示す。本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０は、送電回路１１０及び受電回路２１０が図１乃至図５に示す構成及び配置であるとする。

【0080】

図８及び図９は、本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０の比較対象とする非接触電力伝送システムの送電回路Ｃ１１０及び受電回路Ｃ２１０の構成及び配置を示す概念図である。図８に示すように、送電回路Ｃ１１０及び受電回路Ｃ２１０それぞれは、一対のコアと一体的な１対のコイルではなく、それぞれ１つのコアＣＭ１とコイルＣＬ１、及び１つのコアＣＭ２とコイルＣＬ２を含んでいる。一方で、図９に示すように、比較対象とする非接触電力伝送システムの送電回路Ｃ１１０及び受電回路Ｃ２１０の配置は、本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０の送電回路１１０及び受電回路２１０の配置と同等である。

【0081】

図１０に、漏洩磁界分布の比較を示す。また図１１に、遠方地点における漏洩磁界の大きさの比較を示す。図１０は、送電コイル１１１の中央部分の断面（Ａ－Ｂ断面）の漏洩磁界の分布を示している。また図１１は、図１０で示す漏洩磁界分布において、水平縦方向（Ｘ軸方向）の遠方地点における漏洩磁界を示している。図１０及び図１１に示すように、本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０では、遠方地点の漏洩磁界を良好に低減できていることがわかる。また図１０に示すように、漏洩磁界の拡がりを小さくすることができている。

【0082】

３－２．結合係数
本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０では、コア間距離（第１コア間距離ＡＷ１＝第２コア間距離ＡＷ２）が送受電距離ＡＧに対して小さくなったとしても、送電コイルと受電コイルとの間の結合係数は低下することがない。図１２は、送受電距離ＡＧを一定としてコア間距離ＡＷを可変とした場合の、送受電距離ＡＧとコア間距離ＡＷとの比率ＡＷ／ＡＧに対する結合係数を示すグラフである。図１２に示すように、比率ＡＷ／ＡＧが０に近づくにつれて、すなわち、コア間距離ＡＷが０に近づくにつれて、結合係数は増加することがわかる。

【0083】

この結合係数の増加は、第１コイル部及び第２コイル部のそれぞれのコイルがサーキュラー型の形状であるため、コア間距離ＡＷが小さくなると１つの大きな主磁束を形成することによるものである。図１３は、コア間距離ＡＷが小さくなることによる結合係数の増加を説明するための概念図である。図１３では、（ａ）ＡＷ／ＡＧ＝０．３の場合と、（ｂ）ＡＷ／ＡＧ＝０（ＡＷ１＝ＡＷ２＝０）の場合と、を示している。

【0084】

図１３の（ａ）に示すように、コア間距離ＡＷが一定程度ある場合は、第１コイル部のそれぞれのコイルＬ１１及びＬ１２は、一体的である第１コア部それぞれのコアＭＭ１１及びＭＭ１２によって磁界が誘導されることで、互いに逆方向の磁界を発生する。これにより、互いの漏洩磁界が打ち消し合い、漏洩磁界が低減される。

【0085】

一方で、図１３の（ｂ）に示すように、コア間距離ＡＷが０になると、第１コア部それぞれのコアＭＭ１１及びＭＭ１２と、第２コア部それぞれのコアＭＭ２１及びＭＭ２２は一体となって１つのコアを形成し、１対のコイルの間で１つの主磁束を形成する磁界を発生させる。つまり、１対のコイルが磁気結合状態となり、送電コイル１１１と受電コイル２１１との間の相互インダクタンスが高くなる。このようにして、コア間距離ＡＷが送受電距離ＡＧに対して小さくなったとしても、結合係数が増加することとなる。

【0086】

ゆえに、本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０では、コア間距離ＡＷ（延いては、一対のコイルのコイル間距離）を小さくしたとしても、結合係数の減少に伴う送電効率の低下が起きることがない。

【0087】

ただし、コア間距離ＡＷを一定程度以上小さくすると、前述したように一対のコイルの磁気結合が強まるため、互いに逆方向の磁界を発生させることによる漏洩磁界を低減する効果が弱まる。図１４は、送受電距離ＡＧを一定としてコア間距離ＡＷを可変とした場合の、送受電距離ＡＧとコア間距離ＡＷとの比率ＡＷ／ＡＧに対する遠方地点における漏洩磁界を示すグラフである。図１４に示すように、比率ＡＷ／ＡＧを一定程度以上小さくすると、すなわちコア間距離ＡＷを一定程度以上小さくすると、漏洩磁界が大きくなることがわかる。

【0088】

このため、コア間距離ＡＷを漏洩磁界の大きさに注意して与える必要がある。つまり、本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０では、漏洩磁界の許容範囲内でコア間距離ＡＷを小さくすることができる。

【0089】

４．効果
以上説明したように、本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０では、送電コイル１１１及び受電コイル２１１の体格増加を抑制しつつ、漏洩磁界を良好に低減することができる。延いては、送電コイル１１１及び受電コイル２１１を小型化することができる。

【0090】

なお本実施の形態においては、第１コイル部に含まれるそれぞれのコイル、及び第２コイル部に含まれるそれぞれのコイルについて、発生する磁界が互いに逆方向となるように巻回方向を与える構成としているが、発生する磁界の向きが互いに逆方向となる他の構成を採用しても良い。例えば、電流を流す方向を変えることによって発生する磁界が互いに逆方向となるように構成しても良い。また本実施の形態においては、磁界共振方式により電力の伝送を行う構成としているが、電磁誘導方式やその他の非接触電力伝送方式についても、好適に適用することで同様の効果を得ることができる。

【0091】

５．変形例
本実施の形態に係る非接触電力伝送システム１０は、以下のように変形した態様を採用しても良い。

【0092】

第２コイル部の短軸方向の長さは、第１コイル部の短軸方向の長さよりも短い構成であっても良い。図１５は、変形例に係る送電回路１１０及び受電回路２１０の配置を示す概念図である。図１５に示すように、変形例では、第２コイル部の短軸方向（Ｙ軸方向）の長さが、第１コイル部の短軸方向（Ｙ軸方向）の長さよりも短い。この場合、第１コイル部の１対のコイルそれぞれと、第２コイル部の１対のコイルそれぞれの、中央を合わせるため、第２コア間距離ＡＷ２は第１コア間距離ＡＷ１よりも大きくなる。このような構成においても、前述の実施の形態において説明した非接触電力伝送システム１０と同様の効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0093】

１０ 非接触電力伝送システム
１００ 送電装置
１１０ 送電回路
１１１ 送電コイル
１２０ イミタンスフィルタ
１３０ インバータ
１４０ ＡＣＤＣコンバータ
２００ 受電装置
２１０ 受電回路
２１１ 受電コイル
２２０ イミタンスフィルタ
２３０ 整流回路
Ｃ２４ 平滑コンデンサ
３００ 電源
４００ バッテリ
ＡＷ１ 第１コア間距離
ＡＷ２ 第２コア間距離
ＡＧ 送受電距離

【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】

【図14】

【図15】