JP6063719B2 - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無線電力伝送装置に関する。

コイル間の相互インダクタンスにより、電力を伝送する無線電力伝送装置が知られている。コイルは磁性体コアに巻回されるとともに、コイルにはキャパシタが接続されることが多い。キャパシタは、コイルの共振用に用いられたり、コイルと直列、並列もしくは直列および並列の組み合わせにより接続されてマッチング用、力率改善用、端子間電圧低下用に用いられたりする。

従来、トランスのコイルをセンターからオフセットさせてスペースを確保し、確保したスペースにキャパシタの全部もしくは一部を配置するコア構造が知られている。

井田他、長ギャップ非接触給電システム、自動車技術会 ２０１２春季大会

しかしながら、上記のようにキャパシタを配置する方法においては、キャパシタが、コイル間の電力伝送に影響してしまい、伝送効率が低下する問題があった。

この発明の一側面は、コイル間の伝送効率の低下を抑制するようにキャパシタを配置した無線電力伝送装置を提供する。

本発明の一態様としての無線電力伝送装置は、磁性体コアと、前記磁性体コアを巻回するコイルと、前記コイルに接続された少なくとも１つのキャパシタとを備え、前記磁性体コアのうち、前記コイルが巻かれた部分と異なる部分に切り欠き部が形成されており、前記キャパシタは、前記切り欠き部に配置または前記切り欠き部に対向するように配置されている。

第１の実施形態に従った無線電力伝送装置の斜視図である。 図１に示した無線電力伝送装置の平面図である。 図１に示した無線電力伝送装置の近傍電界分布を示す図である。 図１に示した無線電力伝送装置の近傍磁界分布を示す図である。 キャパシタの接続構成を変化させるスイッチの例を示す図である。 図１に示した無線電力伝送装置に対し配線により後段回路を接続した受電装置を示す図である。 図６に示した整流器を後段回路から分離して、無線電力伝送装置内に組み込んだ構成を示す図である。 図７に示した平滑用コンデンサをさらに後段回路から分離して、無線電力伝送装置内に組み込んだ構成を示す図である。 図１に示した無線電力伝送装置の変形例を示す斜視図である。 図１に示した無線電力伝送装置の別の変形例を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態にしたがった無線電力伝送装置の構成を示す平面図である。 第１の実施形態に従った無線電力伝送装置の他の構成例を示す斜視図である。 磁性体コアの構成例を示す平面図である。

以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。

図１は、第１の実施形態に従った無線電力伝送装置の斜視図である。図２は、図１に示した無線電力伝送装置の平面図である。図示の無線電力伝送装置は、受電装置または送電装置に搭載されることができる共振子である。

この無線電力伝送装置は、コイル１１と、磁性体コア１２と、キャパシタ１３、１４と、導体板１０を備えている。磁性体コア１２は、たとえばフェライトにより形成される。磁性体コア１２は、扁平の矩形の単位ブロックを複数敷き詰めることにより、形成されてもよいし、物理的に一枚の磁性体板により形成されてもよい。磁性体コア１２は、隙間を開けて配置された一対の磁性体コアブロック１２ａ、１２ｂと、磁性体コアブロック１２ａ、１２ｂ間の磁性体コアブロック１２ｃとを含み、これらのコアブロックが一体に形成されている。この場合、磁性体コアブロック１２ｃは、磁性体コアブロック１２ａ、１２ｂより短い長さを有することにより、磁性体コア１２に切り欠き部１５、１６が形成される。個々のコアブロックは、上記した単位ブロックを複数敷き詰めて形成されてもよいし、磁性体シートを用いてもよい。また磁性体シートを積み重ねて磁性体コアブロックまたは磁性体コアを形成してもよい。大きさの違う磁性体シートを重ねて、磁性体コアブロックまたは磁性体コアの位置に応じて厚みの違いを出してもよい。

コイル１１は、磁性体コア１２を巻回している。コイル１１は、概ね扁平である。コイル１１の片側面は、導体板１０の表面に実装されている。コイル１１の長さ方向、すなわちコイル１１の断面に垂直な方向に、コイル１１の両端面（開口面）から離れた位置にキャパシタ１３、１４が配置されている。なお、コイルの端面とは、コイルを軸に対して垂直に巻いた場合に、コイルの端部を通り該軸に垂直な面であって、コイルを含むコイルの内側の領域に一致する面である。

より詳細に、磁性体コア１２は、コイル１１に巻回された部分と異なる部分のうちさらにコイル１１の幅方向の端（図１のY軸方向の端）以外の部分に上述した切り欠き部１５、１６を有する。図１の例では、磁性体コア１２は、コイル１１の長さ方向の端（図１のX軸方向の端）を含む部分に切り欠き部１５、１６を有する。なお、切り欠き部はコイル１１の長さ方向の端を含まないように（磁性体コアに穴が形成されるように）形成されてもよい。キャパシタ１３、１４は、切り欠き部１５、１６に配置されている。あるいは、キャパシタ１３、１４は、切り欠き部１５、１６に対向するように配置されてもよい。すなわち、キャパシタ１３、１４は、切り欠き部１５、１６から磁性体コア１２の面に垂直な方向あるいは磁性体コア１２の面に水平な方向にX軸方向に離れた位置に配置されてもよい。磁性体コア１２の面に水平にX軸方向に離れた位置にキャパシタを配置した例を図１２に示す。キャパシタ５３、５４は、磁性体コア１２からX軸方向に離れた位置で、切り欠き部１５、１６に対向するように配置されている。

キャパシタ１３、１４の一端は、コイル１１の両端子に導電線９ａ、９ｂ（図２参照）を介して接続されている。キャパシタ１３、１４の他端は、それぞれ導電線９ｃ、９ｄにより、図示しない回路に接続されている。具体的に、本無線電力伝送装置が受電装置に搭載される場合は、キャパシタ１３、１４の他端は、整流器等の回路に接続されることができる。本無線電力伝送装置が送電装置に搭載される場合は、キャパシタ１３、１４の他端は、電源回路等の回路に直接、または別の回路を介して、接続されることができる。

図３は、図１および図２の無線電力伝送装置の動作時の近傍電界分布を示す。図４は、図１および図２に示した無線電力伝送装置の動作時の近傍磁界分布を示す。これらの分布は本発明者らにより行ったシミュレーションの結果により作成したものである。

コイル１１の長さ方向にコイル１１の端面からの距離が大きくなるほど、コイル１１が形成する電磁界分布は弱くなる。なお、コイル１１の幅方向にコイル１１から離れるほど電磁界が弱くなるが、コイル１１の長さ方向に離れる方が、電磁界分布の弱まり効果が大きい。

コイル１１の長さ方向に離れた位置に切り欠き部１５、１６を形成し、切り欠き部１５、１６にキャパシタ１３、１４を配置することで、コイル１１の電気特性（たとえば対向する無線電量装置のコイルとの結合特性）へ与える影響を抑制しつつ、かつ全体のサイズを小さく抑えて、キャパシタ１３、１４を無線電力伝送装置に内蔵できる。すなわちキャパシタ１３、１４を導体板上に実装できる。コイルの磁界分布はコアのある部分に集中するため切り欠き部を形成することで、当該切り欠き部の位置の磁界を、切り欠き部を形成しない場合よりも弱めることができる。

磁性体コア１２の変形例として、隙間を開けて配置された一対の磁性体コアブロック１２ａ、１２ｂ（図１または図２参照）のみ含み、磁性体コアブロック１２ｃが存在しない構成も可能である。磁性体コアブロック１２ｃを省略するとコアロスの低減効果が低くなるが、軽量化の効果を得ることができる。磁性体コアのうち、磁束密度が集中する位置（たとえばコイルが巻かれた部分）の厚みを厚くして磁束密度を下げ、これによりコアロスをさらに低減してもよい。図１３（Ａ）は図１および図２の磁性体コア１２を取り出して示した平面図であり、図１３（Ｂ）は、当該磁性体コア１２から磁性体コアブロック１２ｃを取り除いた構成の平面図である。図１３（Ｂ）に示すように、一対の磁性体コアブロック１２ａ、１２ｂが隙間を開けて配置されている。これにより、図１３（Ａ）の構成に比べて軽量化の効果を得ることができる。なお、図１３（Ｂ）では磁性体コアブロック１２ｃの全部を取り除いたが、図１３（Ｃ）に示すように、磁性体コアブロック１２ｃの一部を取り除いても良い。

図１および図２に示した例では、１つの切り欠き部に対して１つのキャパシタを配置したが、１つの切り欠き部に対して複数のキャパシタを配置してもよい。また複数のキャパシタ間の接続を切り換えるスイッチを、切り欠き部または切り欠き部に対向するように配置してもよい。たとえば図５に示すように、スイッチＳ１、Ｓ２の切り換えにより、接続するキャパシタの個数を変化させ、容量（キャパシタンス値）を可変にしても良い。これによりコイルの電気特性へ与える影響を少なくして、本無線電力伝送装置にスイッチを内蔵できる。

図６は、図１および図２に示した無線電力伝送装置に対し、配線により後段回路を接続した構成（受電装置）を模式的に示す。後段回路は、整流器１７、平滑用コンデンサ１８および負荷１９を含む。送電装置から無線電力伝送装置で受電した電力を整流器１７および平滑用コンデンサ１８により直流に変換して、負荷１９へ供給する。

図７は、図６に示した整流器１７を後段回路から分離して、無線電力伝送装置内に組み込んだ構成を示す。整流器１７は２つの整流器１７A、１７Bを含み、キャパシタ１３、１４と同様に、それぞれ電磁界分布の弱い位置に配置する。具体的に、図１に示される切り欠き部１５、１６に、または切り欠き部１５、１６に対向するように、整流器１７A、１７Bを配置する。整流器１７A、１７Bはそれぞれキャパシタ１３、１４に接続される。これによりコイル１１への電気特性の影響を抑制しつつ、かつ全体のサイズを小さく抑えて、整流器１７A、１７Bを無線電力伝送装置に内蔵できる。

図８は、図７に示した平滑用コンデンサをさらに後段回路から分離して、無線電力伝送装置内に組み込んだ構成を示す。本平滑用コンデンサ２８も、上述と同様に、電磁界分布の弱い位置に配置する。具体的に、図１に示される切り欠き部１５、１６に、または切り欠き部１５、１６に対向するように、平滑用コンデンサ１８を配置する。平滑用コンデンサ１８の両端子は、それぞれ整流器１７A、１７Bに接続する。これによりコイル１１への電気特性の影響を抑制しつつ、かつ全体のサイズを小さく抑えて、平滑用コンデンサを無線電力伝送装置に内蔵できる。

なお、無線電力伝送装置は、受電装置や送電装置から着脱することができても良い。着脱可能な構成とする場合には、少なくともコイル１１と磁性体コア１２と、キャパシタ１３、１４とが一体に着脱できるように構成する。このようにキャパシタ１３、１４をコイル１１や磁性体コア１２と一体で着脱する構成にすることによって、無線電力伝送装置を受電装置や送電装置から着脱するために用いるコネクタの耐圧もしくは耐電流を低くすることができる。

図９は、図１および図２に示した無線電力伝送装置の変形例を示す斜視図である。

図１に示した無線電力伝送装置では磁性体コア１２に切り欠き部１５，１６が設けられていた。これに対して、図９に示す装置では、図１の切り欠き部１５，１６に対応する位置で、磁性体コア２２の厚みが薄くなっている。すなわち、磁性体コア１２のうち、コイル１１に巻かれた部分と異なる部分の一部であるブロック部分５、６の厚みが、他の部分、特にコイル１１が巻回された部分よりも、薄くなっている。特に、コイル１１の幅方向の端（図１のY軸方向の端）以外の部分に厚みの薄い部分が形成されている。図９の例では、磁性体コア２２は、コイル１１の長さ方向の端（図１のX軸方向の端）を含む部分に厚みの薄い部分が形成されている。厚みを薄くすることにより当該部分での磁界の分布を弱めるとともにスペースを確保し、空いたスペースにキャパシタ１３、１４を配置する。これにより、対向の無線電力伝送装置との磁気結合の低下を抑制しつつ、コイル１１の電気特性へ与える影響を抑制し、さらに全体のサイズを小さく抑えることができる。

図１０は、図１および図２に示した無線電力伝送装置の別の変形例を示す平面図である。

図１に示した無線電力伝送装置では、磁性体コアの切り欠き部が２つで、キャパシタが２つであったが、本変形例では、磁性体コア３２に４つの切り欠き部３３、３４、３５、３６が存在する。

４つの切り欠き部３３、３４、３５、３６に、キャパシタ３７、３８、３９、４０が配置されている。なお、キャパシタ３７、３８、３９、４０は、導体板３０上に実装されている。キャパシタ３７の一端はコイル３１の一端に接続され、キャパシタ３９の一端は、コイル３１の他端に接続されている。

キャパシタ３８の一端はキャパシタ３７の他端に接続されている。すなわち、キャパシタ３７はキャパシタ３８と直列に接続されている。キャパシタ３８の他端は、図示しない回路に接続されている。

キャパシタ４０の一端はキャパシタ３９の他端に接続されている。すなわち、キャパシタ３９はキャパシタ３９と直列に接続されている。キャパシタ４０の他端は、図示しない回路に接続されている。

当該図示しない回路は、たとえば、受電装置であれば整流器等の回路、送電装置であれば電源生成回路等の回路である。

切り欠き部３３、３４、３５、３６の領域では、上述したように、コイル１１の電磁界分布が弱くなっている。したがって、切り欠き部３３、３４、３５、３６にキャパシタを配置することで、コイル３１の電気特性への影響を抑制しつつ、全体のサイズ（幅および厚み）を小さく抑えることができる。

本例では４つの切り欠き部および４つのキャパシタを示したが、それぞれ３個、５個、６個以上の場合も同様に実施可能である。

また１つの切り欠き部に１つのキャパシタを配置したが、１つの切り欠き部に複数のキャパシタを配置してもよい。

また前述したように、１つの切り欠き部に、整流器、または、平滑化キャパシタ、または、キャパシタ接続を切り換えるスイッチ、またはこれらの任意の組み合わせを配置してもよい。

なお図１０の構成では、切り欠き部の個数およびキャパシタの個数がコイル３１を挟んでそれぞれ２個であり、対称構造を有する。本実施例はこれに限定されず、非対象構造、たとえばコイルの片側で切り欠き部およびキャパシタがそれぞれ１つ、反対側で切り欠き部およびキャパシタがそれぞれ２つでもよい。

図１１は、本発明の第２の実施形態にしたがった無線電力伝送装置の構成を示す平面図である。

磁性体コア４２の表面にコイル（水平巻きコイル）４１が配置されている。コイル４１の両端面の一方が磁性体コア４２に接触している。磁性体コア４２のうち、コイル４１の内側のコア部分に切り欠き部４６が、コイル４１の外側のコア部分に切り欠き部４５が形成されている。キャパシタ４３は切り欠き部４５に配置され、キャパシタ４４は切り欠き部４６に配置されている。図示の例では切り欠き部の平面形状およびサイズが、キャパシタの平面形状およびサイズとほぼ同じである。切り欠き部に対向するようにキャパシタを配置することも可能である。

コイル４１の一端はコイル４１の内側から取り出され、キャパシタ４４の一端に接続されている。コイル４１の他端はコイル４１の外側に取り出され、キャパシタ４３の一端に接続されている。キャパシタ４３の他端およびキャパシタ４４の他端は図示しない回路に接続されている。

コイル４１による電磁界分布は磁性体コアの存在する領域に集中するため、切り欠き部４５、４６にキャパシタ４３、４４を配置することで、コイル４１への与える電気特性の影響を抑制し、また装置サイズを抑制することができる。

なお、切り欠き部４５，４６の代わりに、その箇所のコアブロックの厚みを薄くし、厚みの薄い部分または当該部分に対向するようにキャパシタを配置してもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims (8)

1. 磁性体コアと、
   前記磁性体コアを巻回するコイルと、
   前記コイルに接続された少なくとも１つのキャパシタと
   を備え、
   前記磁性体コアのうち前記コイルの内部を磁束が通過する方向の端を含む、前記コイルが巻かれた部分と異なる部分に、切り欠き部が形成されており、
   前記キャパシタは、前記切り欠き部に配置された、無線電力伝送装置。
2. 前記キャパシタに接続された整流用ダイオードを備え、
   前記整流用ダイオードは、前記切り欠き部に配置に配置された
   請求項１に記載の無線電力伝送装置。
3. 前記整流用ダイオードに接続された平滑化キャパシタをさらに備え、
   前記平滑化キャパシタは、前記切り欠き部に配置された
   請求項２に記載の無線電力伝送装置。
4. 前記少なくとも１つのキャパシタを含む複数のキャパシタと、
   前記キャパシタ間の接続を切り換えるスイッチを備え、
   前記複数のキャパシタと前記スイッチは、前記切り欠き部に配置された
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の無線電力伝送装置。
5. 磁性体コアと、
   前記磁性体コアを巻回するコイルと、
   前記コイルに接続された少なくとも１つのキャパシタと
   を備え、
   前記磁性体コアのうち前記コイルの内部を磁束が通過する方向の端を含む、前記コイルが巻かれた部分と異なる部分が、前記コイルが巻かれた部分よりも厚みが薄くなっており、
   前記キャパシタは、前記磁性体コアの前記厚みが薄くなった部分に配置された、無線電力伝送装置。
6. 前記キャパシタに接続された整流用ダイオードを備え、
   前記整流用ダイオードは、前記磁性体コアの前記厚みが薄くなった部分に配置された
   請求項５に記載の無線電力伝送装置。
7. 前記整流用ダイオードに接続された平滑化キャパシタをさらに備え、
   前記平滑化キャパシタは、前記磁性体コアの前記厚みが薄くなった部分に配置された
   請求項６に記載の無線電力伝送装置。
8. 前記少なくとも１つのキャパシタを含む複数のキャパシタと、
   前記キャパシタ間の接続を切り換えるスイッチを備え、
   前記複数のキャパシタと前記スイッチは前記厚みが薄くなった部分に配置された
   請求項５ないし７のいずれか一項に記載の無線電力伝送装置。