共振子および無線電力伝送装置
【課題】共振子の伝送効率を高めるとともに、軽量化可能にする。
【解決手段】磁性体コアは、互いに間隔を開けて配置された第1および第２の磁性体コアブロックを含む。コイルは、前記第1および第２の磁性体コアブロックの短手方向に前記磁性体コアを巻回する。前記第1の磁性体コアブロックは、第1部分と、前記第1の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第1部分の両側の第２部分とを含み、前記長手方向に直交する方向において前記第１部分の断面積は前記第２部分よりも大きい。前記第２の磁性体コアブロックは、第３部分と、前記第２の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第３部分の両側の第４部分とを含み、前記長手方向に直交する方向において前記第３部分の断面積は前記第４部分よりも大きい。前記磁性体コアの前記コイルが巻回される部分は、前記第１の磁性体コアブロックの前記第１部分と前記第２の磁性体コアブロックの前記第３部分である。
【解決手段】磁性体コアは、互いに間隔を開けて配置された第1および第２の磁性体コアブロックを含む。コイルは、前記第1および第２の磁性体コアブロックの短手方向に前記磁性体コアを巻回する。前記第1の磁性体コアブロックは、第1部分と、前記第1の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第1部分の両側の第２部分とを含み、前記長手方向に直交する方向において前記第１部分の断面積は前記第２部分よりも大きい。前記第２の磁性体コアブロックは、第３部分と、前記第２の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第３部分の両側の第４部分とを含み、前記長手方向に直交する方向において前記第３部分の断面積は前記第４部分よりも大きい。前記磁性体コアの前記コイルが巻回される部分は、前記第１の磁性体コアブロックの前記第１部分と前記第２の磁性体コアブロックの前記第３部分である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、共振子および無線電力伝送装置に関し、たとえば磁性体コイルを用いた共振子および当該共振子を用いた無線電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力伝送装置は、１次側コイル及び２次側コイルの左右方向の位置ずれに対して強くするため、概ね扁平な磁性体コアに対してコイルを巻いた１次側および２次側共振子を対向させている。しかし、コアの平面面積が広くなり、重量が大きくなるという問題があった。
【０００３】
上記の重量に関する欠点を解決するため、特許文献１や非特許文献１に示す従来の無線電力伝送装置は、軽量化のため、各コイルのコアが各平面上に間隔を空けて配置された複数個のコアから成るとして、１次側と２次側とを対向させている。コイルにより巻回された複数個のコアからコア間の間隙を埋める磁力線が出力されるため、１次側コア及び２次側コアは、コア間の間隙を寸法に含めた、拡大された大きさのコアとして作用するとしている。
【０００４】
ただ、複数個のコアのうち、左右の両端のコアで、そのうちコイルを巻いた部分に磁束が最も集中するため、単純にコアを分割するとコアの断面積が小さくなり、集中の度合いが悪化し、コアロスが増加するという課題がある。このコアロスの増加は、以下に述べるような理由による。
【０００５】
一般に、コアロス、すなわち、磁性体をコアとして交流磁界中で用いる場合の損失は、ヒステリシス損、渦電流損、その他の残留損に分けられる。シュタインメッツの実験式によると、ヒステリシス損は、磁束密度Ｂが０．１〜１テスラ位の範囲では、磁束密度Ｂの１．６乗に比例する。また、渦電流損は、磁束密度Ｂの２乗に比例する。なお、その他の残留損は、ＭＨｚ程度、あるいはそれ以上の周波数では、大きくなることが知られている。したがって、たとえば、１ＭＨｚ以下の周波数を用いる場合、その他の残留損はヒステリシス損、渦電流損よりもかなり小さいと近似できる。
この場合、たとえば、コアの断面積が半分になった場合、コアを通過する磁束が変化しないと近似すると、磁束密度は２倍になるので、単位断面積あたりのコアロスは、約２．５６倍ないしは4倍となる。コア全体のコアロスで考えても、コアの断面積が半分になった場合に、約１．２８倍ないしは２倍になると推測できる。複数個のコアのうち、左右の両端のコアで、コイルを巻いた部分に磁束が最も集中する効果も勘案すると、コアロスの増加は、さらに増加すると予測される。加えて、増加した磁束密度が、磁性体の磁気飽和を生ずる値に達した場合は、磁性体の効果が急激になくなり、共振子のインダクタンスが急激に低下するという問題点もある。
【０００６】
また、コイルをコアの上下端近くまで巻いた場合には、反磁性のため、上端と下端に近い位置では、等価透磁率が大幅に下がるため、コイルのインダクタンスが上がりにくい、という課題がある。さらに、上下に対向する磁性体コアブロックのうち、巻き線のない部分が短くなるため、磁束ループの経路が短くなり、上下の結合が小さくなるという課題がある。
【０００７】
一方、特許文献２に示す従来の無線電力伝送装置は、１次側コイルと２次側コイルとの結合係数を向上させるため、Ｈ型にコイルブロックを並べている。しかし、この場合も、コイルブロックの面積が広くなるため、重量が大きくなるという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2010-172084号公報
【特許文献２】特開2011-50127号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Y. Nagatsuka, et al., “Compact Contactless Power Transfer System for Electric Vehicles,” The 2010 International Power Electronics Conference.
【非特許文献２】Mickel Budhia, et al., “Design and Optimization of Magnetic Structures for Lumped Inductive Power Transfer Systems,” IEEE ECCE, pp.2081-2088 (2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように従来の無線電力伝送装置においては、概ね扁平な磁性体コアを用いてコイルを巻いた共振子においては、重量が重くなる、という問題があった。また、軽量化するため、間隔を空けて配置された複数個のコアを用いると、左右の両端のコアで、そのうちコイルを巻いた部分に磁束が最も集中するため、集中の度合いが悪化し、コアロスが増加するという問題があった。また、コイルをコアの上下端近くまで巻いた場合には、反磁性のため、上端と下端に近い位置では、等価透磁率が大幅に下がるため、コイルのインダクタンスが上がりにくい、という問題があった。
【００１１】
その他、小型化、低損失化、薄型化、装置全体の軽量化、放熱機構の簡略化、大電力化、損失の低減、などが課題となっている。
この発明の一側面は、伝送効率の高い、軽量化可能な共振子、および当該共振子を備えた無線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】
【００１２】
本発明の一態様としての共振子は、磁性体コアと、前記磁性体コアを巻回するコイルと、を備える。
【００１３】
前記磁性体コアは、第1の磁性体コアブロックと、前記第1の磁性体コアブロックと間隔を開けて配置された第２の磁性体コアブロックと、を含む。
【００１４】
前記コイルは、前記第1および第２の磁性体コアブロックの短手方向に前記磁性体コアを巻回する。
【００１５】
前記第1の磁性体コアブロックは、第1部分と、前記第1の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第1部分の両側の第２部分とを含み、前記長手方向に直交する方向において前記第１部分の断面積は前記第２部分よりも大きい。
【００１６】
前記第２の磁性体コアブロックは、第３部分と、前記第２の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第３部分の両側の第４部分とを含み、前記長手方向に直交する方向において前記第３部分の断面積は前記第４部分よりも大きい。
【００１７】
前記磁性体コアの前記コイルが巻回される部分は、前記第１の磁性体コアブロックの前記第１部分と前記第２の磁性体コアブロックの前記第３部分である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態に係る共振子を示す。
【図２】図１で示した共振子を、無線電力伝送装置の１次側共振子および２次側共振子に用いる場合の配置例を示す。
【図３】図１で示した共振子を用いた無線電力伝送装置のブロック図を示す。
【図４】磁性体コアブロックの上端、下端の厚さを小さくした構成を示す。
【図５】図４の共振子を１次側共振子および２次側共振子として用いた場合の配置を示す。
【図６】コイルを巻く部分の幅が、他の部分に比べて、それぞれコイルの左右外側に大きくされた例を示す。
【図７】コイルを巻く部分の幅が、他の部分に比べて、それぞれコイルの左右両側に大きくした例を示す。
【図８】コイルを巻く部分を左右内側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くした例を示す。
【図９】コイルを巻く部分をコイルの左右外側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くした例を示す。
【図１０】コイルを巻く部分を、コイルの左右両側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くした例を示す。
【図１１】コイルを巻く部分の厚さを、他の部分に比べて、ステップ状に2段階に変更した例が示される。
【図１２】コイルを巻く部分の厚さを、他の部分に比べて、ステップ状に３段階に変更した例を示す。
【図１３】コイルを巻く部分の厚さを、他の部分に比べて、ステップ状に３段階に変更する場合に、上下非対称に変える例を示す。
【図１４】コイルを巻く場所を複数にした構成例を示す。
【図１５】左右各磁性体コアブロックにおいてコイルの巻かれていない外側部分を、コアブロックの上下端に向けて幅を徐々に狭くするように、テーパ状に幅を変更した例を示す。
【図１６】コイルを巻く部分を、中央部の特定の長さ部分に集中させた例を示す。
【図１７】左右の磁性体コアブロックに対して、ひれを付加した例を示す。
【図１８】図１７と異なる向きにひれを付加した例を示す。
【図１９】コイルを巻く部分を、中央部の特定の長さ部分に集中させ、かつ厚さ方向に形状を変えた構成例を示す。
【図２０】コイルを巻く部分を、中央部の特定の長さ部分に集中させ、かつ厚さ方向に形状を変えた他の構成例を示す。
【図２１】図１９の構成による結合係数増加効果を示す。
【図２２】図２０の構成による結合係数増加効果を示す。
【図２３】コイルの断面が、楕円の例を示す。
【図２４】コイルの曲率の最も大きい部分にコアブロックを配置する例を示す。
【図２５】第３の磁性体コアブロックを追加することによるリアクタンス増加効果を説明するための第1の図である。
【図２６】第３の磁性体コアブロックを追加することによるリアクタンス増加効果を説明するための第２の図である。
【図２７】第３の磁性体コアブロックを追加することによるリアクタンス増加効果を説明するための第３の図である。
【図２８】第３の磁性体コアブロックを追加した構成例を示す。
【図２９】第３の磁性体コアブロックを追加したときの磁界強度分布を示す。
【図３０】各磁性体コアブロックの断面積の広い部分を一体化した例を示す。
【図３１】各磁性体コアブロックの断面積の広い部分を一体化した他の例を示す。
【図３２】共振子の寸法の一例を示す。
【図３３】１次側および２次側共振子の位置ずれと、結合係数ｋとの関係のグラフを示す。
【図３４】磁性体コアブロックを長くした例を示す。
【図３５】図３４の構成の場合の、１次側および２次側共振子の位置ずれと、結合係数との関係のグラフを示す。
【図３６】２つの磁性体コアブロックの長さを異なる値とした例を示す。
【図３７】図３６の構成の場合の、１次側および２次側共振子の位置ずれと、結合係数との関係のグラフを示す。
【図３８】全長が短い方の磁性体コアブロックにひれを付加した例を示す。
【図３９】全長が短い方の磁性体コアブロックにひれを付加した他の例を示す。
【図４０】３つの磁性体コアブロックのうち、少なくとも２つの全長を互いに異なる値とした第1の例を示す。
【図４１】３つの磁性体コアブロックのうち、少なくとも２つの全長を互いに異なる値とした第２の例を示す。
【図４２】３つの磁性体コアブロックのうち、少なくとも２つの全長を互いに異なる値とした第３の例を示す。
【図４３】２つの磁性体コアブロックの距離を変化させる様子を示す。
【図４４】２つの磁性体コアブロックの距離を変化させたときのインダクタンスの変動のグラフを示す。
【図４５】従来の共振子を用いた場合の磁性体コアブロック内部の磁束密度分布を示す。
【図４６】図１に示す共振子を用いた場合の磁性体コアブロック内部の磁束密度分布を示す。
【図４７】図２８に示す共振子を用いた場合の磁性体コアブロック内部の磁束密度分布を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、第１の実施形態の無線電力伝送装置に用いる共振子を示す。図１（Ａ）は上面図、図１（Ｂ）は紙面に沿って下から見た側面図、図１（Ｃ）は、紙面に沿って右から見た側面図である。
この共振子は、コイル１１と、磁性体コア（磁性体コアブロック１２、１３）を備えている。コイル１１は、概ね扁平であり、他の部分に比べて曲率の大きい部分が２つある側断面をもつコイルである。曲率の大きい部分は、磁力線が集中するところであり、図１では、これら２つの曲率の大きい部分が、左右両端に位置している。
【００２１】
コイル１１内を貫通するように、少なくとも２つの磁性体コアブロック（第１の磁性体コアブロック）１２および磁性体コアブロック（第２の磁性体コアブロック）１３が配置されている。磁性体コアブロック１２、１３の短手方向に、磁性体コアをコイル１１が巻回しており、磁性体コアブロック１２、１３は、コイル１１内側の左右両端に近接させられている。
【００２２】
磁性体コアブロック１２は、磁性体コアブロック１２の長手方向に沿って第1部分１２Aとその両側の第２部分１２Bを含む。当該長手方向に直交する方向において、第1部分１２Ａの断面積は、第２部分１２Bよりも大きい。なお、長手方向は、本例では、コイルの孔が貫通する方向に一致する。
【００２３】
磁性体コアブロック１３は、磁性体コアブロック１３の長手方向に沿って第３部分１３Aと、その両側の第４部分１３Bとを含む。当該長手方向に直交する方向において、第３部分１３Aの断面積は、第４部分１３Bよりも大きい。
【００２４】
コイル１１は、磁性体コアブロック１２、１３のそれぞれ断面積の大きな部分、すなわち、第１部分１２Aおよび第３部分１３Aに巻かれている。磁性体コアブロック１２、１３の厚みは、それぞれ一定であり、第１部分１２Aおよび第３部分１３Aの各幅ＬAは、第２部分１２Bおよび第４部分１３Bの幅ＬＡに比べて大きくなっている。つまり、厚みを一定としつつ、幅を大きくとることにより断面積を広げている。厚みを一定とすることで、磁性体コアブロックの厚みを揃えることができ、共振子を薄くすることができる。
【００２５】
このように構成することで、磁束が最も集中する、コイルの巻かれた部分の断面積が広くなり、コアロスを低減すると共に、それ以外の磁性体部分の分量を大幅に低減し、軽量化できる。
【００２６】
図４３に示す扁平な共振子で、２つの磁性体コアブロック６２、６３の距離を変化させたときのインダクタンスの変動を示すグラフを図４４に示す。グラフで最も右側に相当する左右の両端においた場合が、磁性体の影響が大きくなるため、より大きなインダクタンス値を得ることができている。
【００２７】
図２は、図１で示した共振子を、本無線電力伝送装置の１次側共振子２１および２次側共振子２２に用いる場合の配置例を示す側面図である。
【００２８】
１次側共振子と２次側共振子を対向するように配置している。一従来例（コアの上端近くから下端近くまでコイルを巻いたもの）に比べ、上下に対向する磁性体コアブロックのうち、巻き線のない部分が長くなるため、磁束ループの経路を長く確保でき、上下の結合を増加することができる。
【００２９】
また、当該一従来例に比べ、本実施形態では、コイルを巻く部分を中央部に集中させている。特に、磁性体コアブロックの長さL_coreに対し、コイルを巻く部分の上端からコイルを巻く部分の下端に至る長さをL_coreの1/3以下となるようにしている。一般に、図２の両共振子のコアブロックのように、磁路が閉じない状態で使用する場合（比較例として、たとえばトランスの一例では、コアがループ状になっており、この場合、磁路が閉じているといえる）には、反磁性の影響の影響で、コアの長さ方向に関して、中央から遠くなるほど、本来の磁性体の持つ透磁率に対して、実際の効果を示す等価透磁率が大きく低下する。本実施例のように、より中央に近い方にコイルを巻くことにより、等価透磁率がより大きいため、同一長さのコイルを巻く場合には、より高いインダクタンス値を得ることができる効果が生じる。つまり、共振子間の結合を増加させ、かつ、反磁性に起因するコイルを巻く部分の等価透磁率の低下を抑えることができる。
【００３０】
図３は、図１で示した共振子を用いた第１の実施形態の無線電力伝送装置のブロック図を示す。送電回路３１からは、１次側共振子３２が効率よく伝送可能な周波数の電力信号が供給される。１次側共振子３２と２次側共振子３３との間の結合により、電力信号が無線伝送される。２次側共振子３３が受電した電力信号は、受電回路３４へ送られる。なお、必要に応じて、送電回路３１と受電回路３４の間で、無線信号を用いて、送電回路３１の制御部と受電回路３４の制御部がやりとりを行い、送受電の開始、終了、中止、送電電力量の変更などが実施される。
【００３１】
図４に示すように、左右の磁性体コアブロックの上端４１、４３、下端４２、４４の厚さを小さくして、軽量化を図ることも考えられる。図４（Ａ）は上面図、図４（Ｂ）は紙面に沿って下から見た側面図、図４（Ｃ）は、紙面に沿って右から見た側面図である。
【００３２】
図５に、図４の共振子を１次側共振子５１および２次側共振子５２として用いた場合の配置を示す。図５にあるように、磁性体コアブロックの上端、下端は、共振子同士の磁束の結合が起こるため、コア内部の磁束密度が中央部に比べて低下しており、厚さを小さくしても、磁気飽和が生じる恐れは低い。なお、図５に示したように、上下非対称に厚さを小さくし、残ったコアの上端部、下端部が、互いに近くなるように、両共振子を対向させることにより、共振子間の結合をより高めることも考えられる。
【００３３】
なお、左右各磁性体コアブロックの形状において、コイルを巻く部分の幅が他の部分に比べて大きくする場合において、図１の形状以外にも、図６および図７に示す形状も考えられる。
【００３４】
図６では、コイルを巻く部分６１、６２の幅が、他の部分に比べて、それぞれコイルの左右外側に大きくされている。
【００３５】
図７では、コイルを巻く部分７１、７２の幅が、他の部分に比べて、それぞれコイルの左右両側に大きくされている。
【００３６】
また、図８のように、コイルを巻く部分８１、８２を左右内側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分８３、８４を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くしてもよい。
【００３７】
あるいは、図９のように、コイルを巻く部分９１、９２をコイルの左右外側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分９３、９４を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くしてもよい。
【００３８】
あるいは、図１０のように、コイルを巻く部分１０１、１０２を、コイルの左右両側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分１０３、１０４を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くしてもよい。
【００３９】
図８〜図１０に示した例において、テーパのカーブを製造上の都合等により他の形状にすることも考えられる。
【００４０】
なお、左右各磁性体コアブロックの形状において、コイルを巻く部分の厚さを他の部分に比べて大きくすることにより、磁束が最も集中する部分の断面積を広くすることも考えられる。図１１〜図１３に、これらの例を示す。
【００４１】
図１１では、コイルを巻く部分１１１、１１２の厚さを、他の部分１１３、１１４に比べて、ステップ状に2段階に変更した例が示される。
【００４２】
図１２では、コイルを巻く部分１２１、１２２の厚さを、他の部分１２３、１２４に比べて、ステップ状に３段階に変更した例が示される。
【００４３】
図１３では、コイルを巻く部分１３１、１３２の厚さを、他の部分１３３、１３４に比べて、ステップ状に３段階に変更する場合に、上下非対称に変える例が示される。もちろん、図４に示したように、テーパ状に変更することも差し支えない。
【００４４】
また、大電力を流す場合には、図１４のように、コイルを巻く場所を複数にすることにより、温度上昇する場所を分散させることが考えられる。この場合にも、図１４に示すように、左右各磁性体コアブロックの形状において、コイルを巻く部分１４１、１４２の幅を、他の部分１４３、１４４に比べて大きくする。これにより、磁束が最も集中する部分の断面積が広くなり、コアロスを低減すると共に、それ以外の磁性体の分量を低減し、軽量化できる。なお、コイルを巻いた部分の間は、磁束が最も集中する部分であることから、断面積を、コイルを巻いた部分と同様に広く取っている。
【００４５】
図１５のように、左右各磁性体コアブロックにおいてコイルの巻かれていない外側部分１５１、１５２を、コアブロックの上下端に向けて幅を徐々に狭くするように、テーパ状に幅を変更することも考えられる。
【００４６】
また、図１６のように、コイルを巻く場所を複数にする場合でも、コイルを巻く部分を、中央部で、磁性体コアブロックの長さL_coreに対し、コイルを巻く部分の上端からコイルを巻く部分の下端に至る長さをL_coreの1/3以下となるように集中させてもよい。これにより、図２の実施例と同様に、等価透磁率がより大きいため、同一長さのコイルを巻く場合には、より高いインダクタンス値を得ることができる。
【００４７】
また、図１７に示すように、左右の磁性体コアブロックに対して、ひれ（拡張部）１７１、１７２を付加するように磁性体コアの形状を変えて、対向する磁性体コアブロックのうち、巻き線のない部分をさらに長くし、磁束ループの経路をさらに長く確保して、対向する共振子の結合係数をさらに増加させることも考えられる。なお、ひれの付加形態は図１７に限定されず、図１８に示すように、図１７と異なる向きにひれ１８１、１８２を付加してもよい。
【００４８】
また図１９、図２０に、図１の実施例の左右の磁性体コアブロックに対して、コイルを巻く部分の上端からコイルを巻く部分の下端に至る長さを磁性体コアブロック長L_coreの1/3以下となるように保ったまま、厚さ方向に形状を変えた構成例を示す。この構成により、図２１、図２２に示すように、両共振子を構成する磁性体コアブロックの一部の距離を短縮し、上下の共振子の結合係数をさらに増加させることも考えられる。図２０の構成は、図１７または図１８の方向（幅方向）と異なる方向（厚み方向）にひれ（拡張部）を付加した構成と見ることもできる。
【００４９】
なお、図２３のように、コイル２３１の断面が概ね扁平ではなく、楕円などの場合でも、曲率が大きい部分が少なくとも２つあれば、それら２つの部分にコアブロック２３２、２３２を配置することが考えられる。
【００５０】
あるいは、図２４などのように、コイル２４１が、一部２４１Ａで急激に折れ曲がるが、その折れ曲がり角が、曲率が大きい他の２つの部分２４２Ｂの折れ曲がり角よりも小さい場合には、曲率が大きくかつ折れ曲がり角が小さい２つの部分２４１Ａに、コアブロックを配置することが考えられる。
【００５１】
また、コイルの左右方向の中央を含む部分に磁性体コアブロックを追加配置する構成も可能である。この場合の構成例を図２８に示す。図１の実施例のようにコイルの左右方向両端に配置された磁性体コアブロック２８１、２８２に加え、コイルの中央付近に磁性体コアブロック（第３の磁性体コアブロック）２８３が追加されている。磁性体コアブロック２８３は、磁性体コアブロック２８３の長手方向に沿って第５部分２８３Aと、その両側の第６部分２８３Bとを含む。当該長手方向に直交する方向において、第５部分２８３Aの断面積は、第６部分２８３Bよりも大きい。コイルは、断面積の大きい第５部分２８３Aに巻かれている。なお各第６部分２８３Bの端部に前述したひれ（拡張部）が付加されてもよい。以下、磁性体コアブロック２８３のコイルの巻かれた部分の断面積が、磁性体コアブロック２８１、２８２と同様に、他の部分に比べて広くされていることについて説明する。
【００５２】
たとえば、計算によれば、図２５に示すコイル２５１の両端のみに棒状の磁性体コアブロック２５２、２５３を設置したコイルのリアクタンス値が２３μＨの場合に、図２６に示す追加の棒状の磁性体コアブロック２６１を端の磁性体コアブロック２５３に並べて置いたとする。この場合に、リアクタンス値が２６．５μＨであるのに対し、図２７のようにコイル２５１の真ん中に棒状の磁性体コアブロック２６１を追加すると、２９．４μＨとなる。
【００５３】
したがって、図２７の共振子に対して、さらに、図２８のように、第１の実施形態と同様、各磁性体コアブロック２８１、２８２、２８３の形状において、コイルを巻く部分の幅を他の部分に比べて大きくしている。これにより、磁束が最も集中する部分と２番目に集中する部分の断面積が広くなり、コアロスを低減すると共に、それ以外の磁性体の分量を大幅に低減し、軽量化できる。つまり、左右両端に近接した部分の次に、コイルのインダクタンス増加効果の大きい中央を含む部分に第３の磁性体コアブロックを配置し、かつ、第３の磁性体コアブロックの中で磁束が最も集中する部分の断面積が広くなることでコアロスを低減すると共に、それ以外の磁性体の分量を大幅に低減し、軽量化できる。
【００５４】
なお、図２８の考え方に加えて、棒状の磁性体コアブロックを追加設置した場合のコイル周りの磁界分布において、図２９の計算結果に示されるようにコイルの線のごく近傍の磁界強度は大きくなる。これを利用し、図３０や図３１のようにコイルの線のごく近傍には、磁性体コアブロック３０１、３０２を設置するようにすることが考えられる。図３０、図３１の構成は、各磁性体コアブロックの断面積の大きな部分を一体化したものととらえることができる。これらのコイルの線のごく近傍に設置する磁性体コアブロックは、反磁性の効果が小さい短い形状のものでも、磁界の強い所に置かれるので効果が大きく、リアクタンス値を増加することができる。また、長い形状の磁性体コアブロックに近接して短い形状のものを配置することにより、長い形状の磁性体コアブロックにおける磁束の集中が緩和され、磁気飽和やコアロスが軽減される効果がある。
【００５５】
図４５、図４６、図４７は、それぞれ、特許文献１に示された従来の磁性体コアブロックを用いた共振子、図1に示された第１の実施形態の共振子、図２８に示された本発明の実施形態の一例の共振子に関して、磁性体内部の磁束密度を数値計算で求めたものである。前述のとおり、図４５に見るように、従来の磁性体コアブロックでは、コアの幅全体にわたり、長辺方向の中央部のコイルを巻いた部分の磁束密度が大きくなっている。これに対し、図４６に示す図１の共振子の場合は、一部の局所的にくぼんだ点で磁束密度が大きくなっているものの、長辺方向の中央部のコイルを巻いた部分の磁束密度は低減されている。さらに、図４７に示す図２８の共振子の場合は、やはり一部の局所的にくぼんだ点で磁束密度が大きくなっているものの、長辺方向の中央部のコイルを巻いた部分の磁束密度はさらに低減されている。なお、図４６と図４７に見られる、局所的な磁束密度の上昇は、一部の狭い面積に限られており、上昇もそれほど大きくないため、この部分での損失は、磁性体コアブロック全体の損失に占める割合は非常に小さい。
【００５６】
図３２（A）は，本発明の実施形態の一例として試作した共振子の寸法を示している。図３２（B）に、２つの共振子間の位置関係を表す側面図を示す。巻線と平行な方向をx軸，垂直な方向をy軸とした。図３３はxおよびy方向に位置ずれした時の結合係数を測定した結果を示している。
【００５７】
コイル間効率はkとQの積（ｋ×Ｑ）に依存し、Q=196の共振子を用いた場合、結合係数k>0.1の時、コイル間効率>90%が得られる。
【００５８】
結合係数k=0.1を目安とすると、x方向は420mm、y方向は120mmまでが位置ずれ許容範囲となる。
【００５９】
図３２に示した寸法の場合，x方向およびy方向の位置ずれ許容範囲は3倍以上異なり、アンバランスとなっている。
【００６０】
y方向の位置ずれ許容範囲が小さいのは、2次側コイルを貫く磁束の総和が0になる点が存在するためである。図３３に示すように，y方向位置ずれ200mmの時に磁束の打ち消しによる結合係数の低下が発生している。これは，y方向寸法の43％に相当し，非特許文献2の結果と一致している。
【００６１】
結合特性は、共振子の外形寸法に依存している。
【００６２】
したがって、図３４の３４１に示すように，磁性体コアブロックを、y方向に長くすれば図３５に示すように，結合係数が低下する位置をより遠くにシフトさせることができる。
【００６３】
また、上記の性質を用いて、図３６のように左端と右端の磁性体コアブロック３６１、３６２の長さL_coreを異なる値とすると、図３７に示すように、磁束の打ち消しによる結合係数の低下は、それぞれの長さに対応する位置ずれに生じるものの、その低下量を抑制することができると考えられる。したがって、位置ずれの広い範囲にわたって、大きな結合係数の低下を抑えることができると考えられる。
【００６４】
また、図３８のように、例えばL_coreが短い磁性体コアブロック３８１にひれ３９２を付加するように磁性体コアの形状を変える、あるいは、図３９のように、左右端両方の磁性体コアブロック３９１、３９２にひれ３９３、３９４を付加するように磁性体コアブロックの形状を変えてもよい。これにより、対向する磁性体コアブロックのうち、巻き線のない部分をさらに長くし、磁束ループの経路をさらに長く確保して、上下の共振子の結合係数をさらに増加させることも考えられる。
【００６５】
さらに、図４０、図４１、図４２のように、コイルの左右方向の中央を含む部分に第３の磁性体コアブロックを配置し、左右端の磁性体コアブロックとあわせた３つの磁性体コアブロックのそれぞれの長さL_coreに対し、少なくとも２つは互いに異なる値とすることにより、図３７に示すのと同様の効果を得ることができる。
【００６６】
以上のように本発明の実施形態によれば、電力伝送効率を高くしつつ、共振子を軽量にできる無線電力伝送装置を提供できる。また、軽量で、かつ、コアロスを低減して、より効率の高い無線電力伝送装置を提供できる。
【００６７】
なお、ここまでの実施形態の説明では、１次側共振子と２次側共振子とが同一のものを用いる形で説明をしてきたが、もちろん、別の形状を用いることも考えられる。
【００６８】
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。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、共振子および無線電力伝送装置に関し、たとえば磁性体コイルを用いた共振子および当該共振子を用いた無線電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力伝送装置は、１次側コイル及び２次側コイルの左右方向の位置ずれに対して強くするため、概ね扁平な磁性体コアに対してコイルを巻いた１次側および２次側共振子を対向させている。しかし、コアの平面面積が広くなり、重量が大きくなるという問題があった。
【０００３】
上記の重量に関する欠点を解決するため、特許文献１や非特許文献１に示す従来の無線電力伝送装置は、軽量化のため、各コイルのコアが各平面上に間隔を空けて配置された複数個のコアから成るとして、１次側と２次側とを対向させている。コイルにより巻回された複数個のコアからコア間の間隙を埋める磁力線が出力されるため、１次側コア及び２次側コアは、コア間の間隙を寸法に含めた、拡大された大きさのコアとして作用するとしている。
【０００４】
ただ、複数個のコアのうち、左右の両端のコアで、そのうちコイルを巻いた部分に磁束が最も集中するため、単純にコアを分割するとコアの断面積が小さくなり、集中の度合いが悪化し、コアロスが増加するという課題がある。このコアロスの増加は、以下に述べるような理由による。
【０００５】
一般に、コアロス、すなわち、磁性体をコアとして交流磁界中で用いる場合の損失は、ヒステリシス損、渦電流損、その他の残留損に分けられる。シュタインメッツの実験式によると、ヒステリシス損は、磁束密度Ｂが０．１〜１テスラ位の範囲では、磁束密度Ｂの１．６乗に比例する。また、渦電流損は、磁束密度Ｂの２乗に比例する。なお、その他の残留損は、ＭＨｚ程度、あるいはそれ以上の周波数では、大きくなることが知られている。したがって、たとえば、１ＭＨｚ以下の周波数を用いる場合、その他の残留損はヒステリシス損、渦電流損よりもかなり小さいと近似できる。
この場合、たとえば、コアの断面積が半分になった場合、コアを通過する磁束が変化しないと近似すると、磁束密度は２倍になるので、単位断面積あたりのコアロスは、約２．５６倍ないしは4倍となる。コア全体のコアロスで考えても、コアの断面積が半分になった場合に、約１．２８倍ないしは２倍になると推測できる。複数個のコアのうち、左右の両端のコアで、コイルを巻いた部分に磁束が最も集中する効果も勘案すると、コアロスの増加は、さらに増加すると予測される。加えて、増加した磁束密度が、磁性体の磁気飽和を生ずる値に達した場合は、磁性体の効果が急激になくなり、共振子のインダクタンスが急激に低下するという問題点もある。
【０００６】
また、コイルをコアの上下端近くまで巻いた場合には、反磁性のため、上端と下端に近い位置では、等価透磁率が大幅に下がるため、コイルのインダクタンスが上がりにくい、という課題がある。さらに、上下に対向する磁性体コアブロックのうち、巻き線のない部分が短くなるため、磁束ループの経路が短くなり、上下の結合が小さくなるという課題がある。
【０００７】
一方、特許文献２に示す従来の無線電力伝送装置は、１次側コイルと２次側コイルとの結合係数を向上させるため、Ｈ型にコイルブロックを並べている。しかし、この場合も、コイルブロックの面積が広くなるため、重量が大きくなるという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2010-172084号公報
【特許文献２】特開2011-50127号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Y. Nagatsuka, et al., “Compact Contactless Power Transfer System for Electric Vehicles,” The 2010 International Power Electronics Conference.
【非特許文献２】Mickel Budhia, et al., “Design and Optimization of Magnetic Structures for Lumped Inductive Power Transfer Systems,” IEEE ECCE, pp.2081-2088 (2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように従来の無線電力伝送装置においては、概ね扁平な磁性体コアを用いてコイルを巻いた共振子においては、重量が重くなる、という問題があった。また、軽量化するため、間隔を空けて配置された複数個のコアを用いると、左右の両端のコアで、そのうちコイルを巻いた部分に磁束が最も集中するため、集中の度合いが悪化し、コアロスが増加するという問題があった。また、コイルをコアの上下端近くまで巻いた場合には、反磁性のため、上端と下端に近い位置では、等価透磁率が大幅に下がるため、コイルのインダクタンスが上がりにくい、という問題があった。
【００１１】
その他、小型化、低損失化、薄型化、装置全体の軽量化、放熱機構の簡略化、大電力化、損失の低減、などが課題となっている。
この発明の一側面は、伝送効率の高い、軽量化可能な共振子、および当該共振子を備えた無線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】
【００１２】
本発明の一態様としての共振子は、磁性体コアと、前記磁性体コアを巻回するコイルと、を備える。
【００１３】
前記磁性体コアは、第1の磁性体コアブロックと、前記第1の磁性体コアブロックと間隔を開けて配置された第２の磁性体コアブロックと、を含む。
【００１４】
前記コイルは、前記第1および第２の磁性体コアブロックの短手方向に前記磁性体コアを巻回する。
【００１５】
前記第1の磁性体コアブロックは、第1部分と、前記第1の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第1部分の両側の第２部分とを含み、前記長手方向に直交する方向において前記第１部分の断面積は前記第２部分よりも大きい。
【００１６】
前記第２の磁性体コアブロックは、第３部分と、前記第２の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第３部分の両側の第４部分とを含み、前記長手方向に直交する方向において前記第３部分の断面積は前記第４部分よりも大きい。
【００１７】
前記磁性体コアの前記コイルが巻回される部分は、前記第１の磁性体コアブロックの前記第１部分と前記第２の磁性体コアブロックの前記第３部分である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態に係る共振子を示す。
【図２】図１で示した共振子を、無線電力伝送装置の１次側共振子および２次側共振子に用いる場合の配置例を示す。
【図３】図１で示した共振子を用いた無線電力伝送装置のブロック図を示す。
【図４】磁性体コアブロックの上端、下端の厚さを小さくした構成を示す。
【図５】図４の共振子を１次側共振子および２次側共振子として用いた場合の配置を示す。
【図６】コイルを巻く部分の幅が、他の部分に比べて、それぞれコイルの左右外側に大きくされた例を示す。
【図７】コイルを巻く部分の幅が、他の部分に比べて、それぞれコイルの左右両側に大きくした例を示す。
【図８】コイルを巻く部分を左右内側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くした例を示す。
【図９】コイルを巻く部分をコイルの左右外側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くした例を示す。
【図１０】コイルを巻く部分を、コイルの左右両側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くした例を示す。
【図１１】コイルを巻く部分の厚さを、他の部分に比べて、ステップ状に2段階に変更した例が示される。
【図１２】コイルを巻く部分の厚さを、他の部分に比べて、ステップ状に３段階に変更した例を示す。
【図１３】コイルを巻く部分の厚さを、他の部分に比べて、ステップ状に３段階に変更する場合に、上下非対称に変える例を示す。
【図１４】コイルを巻く場所を複数にした構成例を示す。
【図１５】左右各磁性体コアブロックにおいてコイルの巻かれていない外側部分を、コアブロックの上下端に向けて幅を徐々に狭くするように、テーパ状に幅を変更した例を示す。
【図１６】コイルを巻く部分を、中央部の特定の長さ部分に集中させた例を示す。
【図１７】左右の磁性体コアブロックに対して、ひれを付加した例を示す。
【図１８】図１７と異なる向きにひれを付加した例を示す。
【図１９】コイルを巻く部分を、中央部の特定の長さ部分に集中させ、かつ厚さ方向に形状を変えた構成例を示す。
【図２０】コイルを巻く部分を、中央部の特定の長さ部分に集中させ、かつ厚さ方向に形状を変えた他の構成例を示す。
【図２１】図１９の構成による結合係数増加効果を示す。
【図２２】図２０の構成による結合係数増加効果を示す。
【図２３】コイルの断面が、楕円の例を示す。
【図２４】コイルの曲率の最も大きい部分にコアブロックを配置する例を示す。
【図２５】第３の磁性体コアブロックを追加することによるリアクタンス増加効果を説明するための第1の図である。
【図２６】第３の磁性体コアブロックを追加することによるリアクタンス増加効果を説明するための第２の図である。
【図２７】第３の磁性体コアブロックを追加することによるリアクタンス増加効果を説明するための第３の図である。
【図２８】第３の磁性体コアブロックを追加した構成例を示す。
【図２９】第３の磁性体コアブロックを追加したときの磁界強度分布を示す。
【図３０】各磁性体コアブロックの断面積の広い部分を一体化した例を示す。
【図３１】各磁性体コアブロックの断面積の広い部分を一体化した他の例を示す。
【図３２】共振子の寸法の一例を示す。
【図３３】１次側および２次側共振子の位置ずれと、結合係数ｋとの関係のグラフを示す。
【図３４】磁性体コアブロックを長くした例を示す。
【図３５】図３４の構成の場合の、１次側および２次側共振子の位置ずれと、結合係数との関係のグラフを示す。
【図３６】２つの磁性体コアブロックの長さを異なる値とした例を示す。
【図３７】図３６の構成の場合の、１次側および２次側共振子の位置ずれと、結合係数との関係のグラフを示す。
【図３８】全長が短い方の磁性体コアブロックにひれを付加した例を示す。
【図３９】全長が短い方の磁性体コアブロックにひれを付加した他の例を示す。
【図４０】３つの磁性体コアブロックのうち、少なくとも２つの全長を互いに異なる値とした第1の例を示す。
【図４１】３つの磁性体コアブロックのうち、少なくとも２つの全長を互いに異なる値とした第２の例を示す。
【図４２】３つの磁性体コアブロックのうち、少なくとも２つの全長を互いに異なる値とした第３の例を示す。
【図４３】２つの磁性体コアブロックの距離を変化させる様子を示す。
【図４４】２つの磁性体コアブロックの距離を変化させたときのインダクタンスの変動のグラフを示す。
【図４５】従来の共振子を用いた場合の磁性体コアブロック内部の磁束密度分布を示す。
【図４６】図１に示す共振子を用いた場合の磁性体コアブロック内部の磁束密度分布を示す。
【図４７】図２８に示す共振子を用いた場合の磁性体コアブロック内部の磁束密度分布を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、第１の実施形態の無線電力伝送装置に用いる共振子を示す。図１（Ａ）は上面図、図１（Ｂ）は紙面に沿って下から見た側面図、図１（Ｃ）は、紙面に沿って右から見た側面図である。
この共振子は、コイル１１と、磁性体コア（磁性体コアブロック１２、１３）を備えている。コイル１１は、概ね扁平であり、他の部分に比べて曲率の大きい部分が２つある側断面をもつコイルである。曲率の大きい部分は、磁力線が集中するところであり、図１では、これら２つの曲率の大きい部分が、左右両端に位置している。
【００２１】
コイル１１内を貫通するように、少なくとも２つの磁性体コアブロック（第１の磁性体コアブロック）１２および磁性体コアブロック（第２の磁性体コアブロック）１３が配置されている。磁性体コアブロック１２、１３の短手方向に、磁性体コアをコイル１１が巻回しており、磁性体コアブロック１２、１３は、コイル１１内側の左右両端に近接させられている。
【００２２】
磁性体コアブロック１２は、磁性体コアブロック１２の長手方向に沿って第1部分１２Aとその両側の第２部分１２Bを含む。当該長手方向に直交する方向において、第1部分１２Ａの断面積は、第２部分１２Bよりも大きい。なお、長手方向は、本例では、コイルの孔が貫通する方向に一致する。
【００２３】
磁性体コアブロック１３は、磁性体コアブロック１３の長手方向に沿って第３部分１３Aと、その両側の第４部分１３Bとを含む。当該長手方向に直交する方向において、第３部分１３Aの断面積は、第４部分１３Bよりも大きい。
【００２４】
コイル１１は、磁性体コアブロック１２、１３のそれぞれ断面積の大きな部分、すなわち、第１部分１２Aおよび第３部分１３Aに巻かれている。磁性体コアブロック１２、１３の厚みは、それぞれ一定であり、第１部分１２Aおよび第３部分１３Aの各幅ＬAは、第２部分１２Bおよび第４部分１３Bの幅ＬＡに比べて大きくなっている。つまり、厚みを一定としつつ、幅を大きくとることにより断面積を広げている。厚みを一定とすることで、磁性体コアブロックの厚みを揃えることができ、共振子を薄くすることができる。
【００２５】
このように構成することで、磁束が最も集中する、コイルの巻かれた部分の断面積が広くなり、コアロスを低減すると共に、それ以外の磁性体部分の分量を大幅に低減し、軽量化できる。
【００２６】
図４３に示す扁平な共振子で、２つの磁性体コアブロック６２、６３の距離を変化させたときのインダクタンスの変動を示すグラフを図４４に示す。グラフで最も右側に相当する左右の両端においた場合が、磁性体の影響が大きくなるため、より大きなインダクタンス値を得ることができている。
【００２７】
図２は、図１で示した共振子を、本無線電力伝送装置の１次側共振子２１および２次側共振子２２に用いる場合の配置例を示す側面図である。
【００２８】
１次側共振子と２次側共振子を対向するように配置している。一従来例（コアの上端近くから下端近くまでコイルを巻いたもの）に比べ、上下に対向する磁性体コアブロックのうち、巻き線のない部分が長くなるため、磁束ループの経路を長く確保でき、上下の結合を増加することができる。
【００２９】
また、当該一従来例に比べ、本実施形態では、コイルを巻く部分を中央部に集中させている。特に、磁性体コアブロックの長さL_coreに対し、コイルを巻く部分の上端からコイルを巻く部分の下端に至る長さをL_coreの1/3以下となるようにしている。一般に、図２の両共振子のコアブロックのように、磁路が閉じない状態で使用する場合（比較例として、たとえばトランスの一例では、コアがループ状になっており、この場合、磁路が閉じているといえる）には、反磁性の影響の影響で、コアの長さ方向に関して、中央から遠くなるほど、本来の磁性体の持つ透磁率に対して、実際の効果を示す等価透磁率が大きく低下する。本実施例のように、より中央に近い方にコイルを巻くことにより、等価透磁率がより大きいため、同一長さのコイルを巻く場合には、より高いインダクタンス値を得ることができる効果が生じる。つまり、共振子間の結合を増加させ、かつ、反磁性に起因するコイルを巻く部分の等価透磁率の低下を抑えることができる。
【００３０】
図３は、図１で示した共振子を用いた第１の実施形態の無線電力伝送装置のブロック図を示す。送電回路３１からは、１次側共振子３２が効率よく伝送可能な周波数の電力信号が供給される。１次側共振子３２と２次側共振子３３との間の結合により、電力信号が無線伝送される。２次側共振子３３が受電した電力信号は、受電回路３４へ送られる。なお、必要に応じて、送電回路３１と受電回路３４の間で、無線信号を用いて、送電回路３１の制御部と受電回路３４の制御部がやりとりを行い、送受電の開始、終了、中止、送電電力量の変更などが実施される。
【００３１】
図４に示すように、左右の磁性体コアブロックの上端４１、４３、下端４２、４４の厚さを小さくして、軽量化を図ることも考えられる。図４（Ａ）は上面図、図４（Ｂ）は紙面に沿って下から見た側面図、図４（Ｃ）は、紙面に沿って右から見た側面図である。
【００３２】
図５に、図４の共振子を１次側共振子５１および２次側共振子５２として用いた場合の配置を示す。図５にあるように、磁性体コアブロックの上端、下端は、共振子同士の磁束の結合が起こるため、コア内部の磁束密度が中央部に比べて低下しており、厚さを小さくしても、磁気飽和が生じる恐れは低い。なお、図５に示したように、上下非対称に厚さを小さくし、残ったコアの上端部、下端部が、互いに近くなるように、両共振子を対向させることにより、共振子間の結合をより高めることも考えられる。
【００３３】
なお、左右各磁性体コアブロックの形状において、コイルを巻く部分の幅が他の部分に比べて大きくする場合において、図１の形状以外にも、図６および図７に示す形状も考えられる。
【００３４】
図６では、コイルを巻く部分６１、６２の幅が、他の部分に比べて、それぞれコイルの左右外側に大きくされている。
【００３５】
図７では、コイルを巻く部分７１、７２の幅が、他の部分に比べて、それぞれコイルの左右両側に大きくされている。
【００３６】
また、図８のように、コイルを巻く部分８１、８２を左右内側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分８３、８４を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くしてもよい。
【００３７】
あるいは、図９のように、コイルを巻く部分９１、９２をコイルの左右外側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分９３、９４を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くしてもよい。
【００３８】
あるいは、図１０のように、コイルを巻く部分１０１、１０２を、コイルの左右両側に大きくし、かつ、コイルを巻かない部分１０３、１０４を、テーパ状に上下端に向けて幅を徐々に狭くしてもよい。
【００３９】
図８〜図１０に示した例において、テーパのカーブを製造上の都合等により他の形状にすることも考えられる。
【００４０】
なお、左右各磁性体コアブロックの形状において、コイルを巻く部分の厚さを他の部分に比べて大きくすることにより、磁束が最も集中する部分の断面積を広くすることも考えられる。図１１〜図１３に、これらの例を示す。
【００４１】
図１１では、コイルを巻く部分１１１、１１２の厚さを、他の部分１１３、１１４に比べて、ステップ状に2段階に変更した例が示される。
【００４２】
図１２では、コイルを巻く部分１２１、１２２の厚さを、他の部分１２３、１２４に比べて、ステップ状に３段階に変更した例が示される。
【００４３】
図１３では、コイルを巻く部分１３１、１３２の厚さを、他の部分１３３、１３４に比べて、ステップ状に３段階に変更する場合に、上下非対称に変える例が示される。もちろん、図４に示したように、テーパ状に変更することも差し支えない。
【００４４】
また、大電力を流す場合には、図１４のように、コイルを巻く場所を複数にすることにより、温度上昇する場所を分散させることが考えられる。この場合にも、図１４に示すように、左右各磁性体コアブロックの形状において、コイルを巻く部分１４１、１４２の幅を、他の部分１４３、１４４に比べて大きくする。これにより、磁束が最も集中する部分の断面積が広くなり、コアロスを低減すると共に、それ以外の磁性体の分量を低減し、軽量化できる。なお、コイルを巻いた部分の間は、磁束が最も集中する部分であることから、断面積を、コイルを巻いた部分と同様に広く取っている。
【００４５】
図１５のように、左右各磁性体コアブロックにおいてコイルの巻かれていない外側部分１５１、１５２を、コアブロックの上下端に向けて幅を徐々に狭くするように、テーパ状に幅を変更することも考えられる。
【００４６】
また、図１６のように、コイルを巻く場所を複数にする場合でも、コイルを巻く部分を、中央部で、磁性体コアブロックの長さL_coreに対し、コイルを巻く部分の上端からコイルを巻く部分の下端に至る長さをL_coreの1/3以下となるように集中させてもよい。これにより、図２の実施例と同様に、等価透磁率がより大きいため、同一長さのコイルを巻く場合には、より高いインダクタンス値を得ることができる。
【００４７】
また、図１７に示すように、左右の磁性体コアブロックに対して、ひれ（拡張部）１７１、１７２を付加するように磁性体コアの形状を変えて、対向する磁性体コアブロックのうち、巻き線のない部分をさらに長くし、磁束ループの経路をさらに長く確保して、対向する共振子の結合係数をさらに増加させることも考えられる。なお、ひれの付加形態は図１７に限定されず、図１８に示すように、図１７と異なる向きにひれ１８１、１８２を付加してもよい。
【００４８】
また図１９、図２０に、図１の実施例の左右の磁性体コアブロックに対して、コイルを巻く部分の上端からコイルを巻く部分の下端に至る長さを磁性体コアブロック長L_coreの1/3以下となるように保ったまま、厚さ方向に形状を変えた構成例を示す。この構成により、図２１、図２２に示すように、両共振子を構成する磁性体コアブロックの一部の距離を短縮し、上下の共振子の結合係数をさらに増加させることも考えられる。図２０の構成は、図１７または図１８の方向（幅方向）と異なる方向（厚み方向）にひれ（拡張部）を付加した構成と見ることもできる。
【００４９】
なお、図２３のように、コイル２３１の断面が概ね扁平ではなく、楕円などの場合でも、曲率が大きい部分が少なくとも２つあれば、それら２つの部分にコアブロック２３２、２３２を配置することが考えられる。
【００５０】
あるいは、図２４などのように、コイル２４１が、一部２４１Ａで急激に折れ曲がるが、その折れ曲がり角が、曲率が大きい他の２つの部分２４２Ｂの折れ曲がり角よりも小さい場合には、曲率が大きくかつ折れ曲がり角が小さい２つの部分２４１Ａに、コアブロックを配置することが考えられる。
【００５１】
また、コイルの左右方向の中央を含む部分に磁性体コアブロックを追加配置する構成も可能である。この場合の構成例を図２８に示す。図１の実施例のようにコイルの左右方向両端に配置された磁性体コアブロック２８１、２８２に加え、コイルの中央付近に磁性体コアブロック（第３の磁性体コアブロック）２８３が追加されている。磁性体コアブロック２８３は、磁性体コアブロック２８３の長手方向に沿って第５部分２８３Aと、その両側の第６部分２８３Bとを含む。当該長手方向に直交する方向において、第５部分２８３Aの断面積は、第６部分２８３Bよりも大きい。コイルは、断面積の大きい第５部分２８３Aに巻かれている。なお各第６部分２８３Bの端部に前述したひれ（拡張部）が付加されてもよい。以下、磁性体コアブロック２８３のコイルの巻かれた部分の断面積が、磁性体コアブロック２８１、２８２と同様に、他の部分に比べて広くされていることについて説明する。
【００５２】
たとえば、計算によれば、図２５に示すコイル２５１の両端のみに棒状の磁性体コアブロック２５２、２５３を設置したコイルのリアクタンス値が２３μＨの場合に、図２６に示す追加の棒状の磁性体コアブロック２６１を端の磁性体コアブロック２５３に並べて置いたとする。この場合に、リアクタンス値が２６．５μＨであるのに対し、図２７のようにコイル２５１の真ん中に棒状の磁性体コアブロック２６１を追加すると、２９．４μＨとなる。
【００５３】
したがって、図２７の共振子に対して、さらに、図２８のように、第１の実施形態と同様、各磁性体コアブロック２８１、２８２、２８３の形状において、コイルを巻く部分の幅を他の部分に比べて大きくしている。これにより、磁束が最も集中する部分と２番目に集中する部分の断面積が広くなり、コアロスを低減すると共に、それ以外の磁性体の分量を大幅に低減し、軽量化できる。つまり、左右両端に近接した部分の次に、コイルのインダクタンス増加効果の大きい中央を含む部分に第３の磁性体コアブロックを配置し、かつ、第３の磁性体コアブロックの中で磁束が最も集中する部分の断面積が広くなることでコアロスを低減すると共に、それ以外の磁性体の分量を大幅に低減し、軽量化できる。
【００５４】
なお、図２８の考え方に加えて、棒状の磁性体コアブロックを追加設置した場合のコイル周りの磁界分布において、図２９の計算結果に示されるようにコイルの線のごく近傍の磁界強度は大きくなる。これを利用し、図３０や図３１のようにコイルの線のごく近傍には、磁性体コアブロック３０１、３０２を設置するようにすることが考えられる。図３０、図３１の構成は、各磁性体コアブロックの断面積の大きな部分を一体化したものととらえることができる。これらのコイルの線のごく近傍に設置する磁性体コアブロックは、反磁性の効果が小さい短い形状のものでも、磁界の強い所に置かれるので効果が大きく、リアクタンス値を増加することができる。また、長い形状の磁性体コアブロックに近接して短い形状のものを配置することにより、長い形状の磁性体コアブロックにおける磁束の集中が緩和され、磁気飽和やコアロスが軽減される効果がある。
【００５５】
図４５、図４６、図４７は、それぞれ、特許文献１に示された従来の磁性体コアブロックを用いた共振子、図1に示された第１の実施形態の共振子、図２８に示された本発明の実施形態の一例の共振子に関して、磁性体内部の磁束密度を数値計算で求めたものである。前述のとおり、図４５に見るように、従来の磁性体コアブロックでは、コアの幅全体にわたり、長辺方向の中央部のコイルを巻いた部分の磁束密度が大きくなっている。これに対し、図４６に示す図１の共振子の場合は、一部の局所的にくぼんだ点で磁束密度が大きくなっているものの、長辺方向の中央部のコイルを巻いた部分の磁束密度は低減されている。さらに、図４７に示す図２８の共振子の場合は、やはり一部の局所的にくぼんだ点で磁束密度が大きくなっているものの、長辺方向の中央部のコイルを巻いた部分の磁束密度はさらに低減されている。なお、図４６と図４７に見られる、局所的な磁束密度の上昇は、一部の狭い面積に限られており、上昇もそれほど大きくないため、この部分での損失は、磁性体コアブロック全体の損失に占める割合は非常に小さい。
【００５６】
図３２（A）は，本発明の実施形態の一例として試作した共振子の寸法を示している。図３２（B）に、２つの共振子間の位置関係を表す側面図を示す。巻線と平行な方向をx軸，垂直な方向をy軸とした。図３３はxおよびy方向に位置ずれした時の結合係数を測定した結果を示している。
【００５７】
コイル間効率はkとQの積（ｋ×Ｑ）に依存し、Q=196の共振子を用いた場合、結合係数k>0.1の時、コイル間効率>90%が得られる。
【００５８】
結合係数k=0.1を目安とすると、x方向は420mm、y方向は120mmまでが位置ずれ許容範囲となる。
【００５９】
図３２に示した寸法の場合，x方向およびy方向の位置ずれ許容範囲は3倍以上異なり、アンバランスとなっている。
【００６０】
y方向の位置ずれ許容範囲が小さいのは、2次側コイルを貫く磁束の総和が0になる点が存在するためである。図３３に示すように，y方向位置ずれ200mmの時に磁束の打ち消しによる結合係数の低下が発生している。これは，y方向寸法の43％に相当し，非特許文献2の結果と一致している。
【００６１】
結合特性は、共振子の外形寸法に依存している。
【００６２】
したがって、図３４の３４１に示すように，磁性体コアブロックを、y方向に長くすれば図３５に示すように，結合係数が低下する位置をより遠くにシフトさせることができる。
【００６３】
また、上記の性質を用いて、図３６のように左端と右端の磁性体コアブロック３６１、３６２の長さL_coreを異なる値とすると、図３７に示すように、磁束の打ち消しによる結合係数の低下は、それぞれの長さに対応する位置ずれに生じるものの、その低下量を抑制することができると考えられる。したがって、位置ずれの広い範囲にわたって、大きな結合係数の低下を抑えることができると考えられる。
【００６４】
また、図３８のように、例えばL_coreが短い磁性体コアブロック３８１にひれ３９２を付加するように磁性体コアの形状を変える、あるいは、図３９のように、左右端両方の磁性体コアブロック３９１、３９２にひれ３９３、３９４を付加するように磁性体コアブロックの形状を変えてもよい。これにより、対向する磁性体コアブロックのうち、巻き線のない部分をさらに長くし、磁束ループの経路をさらに長く確保して、上下の共振子の結合係数をさらに増加させることも考えられる。
【００６５】
さらに、図４０、図４１、図４２のように、コイルの左右方向の中央を含む部分に第３の磁性体コアブロックを配置し、左右端の磁性体コアブロックとあわせた３つの磁性体コアブロックのそれぞれの長さL_coreに対し、少なくとも２つは互いに異なる値とすることにより、図３７に示すのと同様の効果を得ることができる。
【００６６】
以上のように本発明の実施形態によれば、電力伝送効率を高くしつつ、共振子を軽量にできる無線電力伝送装置を提供できる。また、軽量で、かつ、コアロスを低減して、より効率の高い無線電力伝送装置を提供できる。
【００６７】
なお、ここまでの実施形態の説明では、１次側共振子と２次側共振子とが同一のものを用いる形で説明をしてきたが、もちろん、別の形状を用いることも考えられる。
【００６８】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の磁性体コアブロックと、前記第1の磁性体コアブロックと間隔を開けて配置された第２の磁性体コアブロックと、を含む磁性体コアと、
前記第1および第２の磁性体コアブロックの短手方向に前記磁性体コアを巻回するコイルと、を備え、
前記第1の磁性体コアブロックは、第1部分と、前記第1の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第1部分の両側の第２部分とを含み、前記第1の磁性体コアブロックの長手方向に直交する方向において前記第１部分の断面積は前記第２部分よりも大きく
前記第２の磁性体コアブロックは、第３部分と、前記第２の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第３部分の両側の第４部分とを含み、前記第２の磁性体コアブロックの長手方向に直交する方向において前記第３部分の断面積は前記第４部分よりも大きく、
前記磁性体コアの前記コイルが巻回される部分は、前記第１の磁性体コアブロックの前記第１部分と前記第２の磁性体コアブロックの前記第３部分である
ことを特徴とする共振子。
【請求項２】
前記第1の磁性体コアブロックの短手方向における前記第１部分の幅が前記第２部分よりも広く、
前記第２の磁性体コアブロックの短手方向における前記第３部分の幅が前記第４部分よりも広い
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項３】
前記第1の磁性体コアブロックおよび前記第２の磁性体コアブロックは、前記コイルの最も曲率が大きい部分の位置に配置された
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項４】
前記第２部分は、前記第１部分と反対側の端部に近づくほど、幅または厚さが小さくなっており、
前記第４部分は、前記第３部分と反対側の端部に近づくほど、幅または厚さが小さくなっている
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項５】
前記第１部分と前記第３部分は一体形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項６】
前記磁性体コアは、前記第1の磁性体コアブロックと前記第２の磁性体コアブロック間に、少なくとも１つの第３の磁性体コアブロックを備え、
前記第３の磁性体コアブロックは、第５部分と、前記第３の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第５部分の両側の第６部分とを含み、前記第３の磁性体コアブロックの長手方向に直交する方向において前記第５部分の断面積は前記第６部分よりも大きく、
前記磁性体コアの前記コイルが巻回される部分は、前記第１の磁性体コアブロックの前記第１部分と前記第２の磁性体コアブロックの前記第３部分と前記第３の磁性体コアブロックの前記第５部分である
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項７】
前記第１部分と前記第３部分と前記第５部分は一体形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の共振子。
【請求項８】
前記第２部分の、前記第1部分と反対側の端部に、前記第２部分より幅または厚みが大きい第1拡張部が付加された
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の共振子。
【請求項９】
前記第４部分の、前記第３部分と反対側の端部に、前記第４部分より幅または厚みが大きい第２拡張部が付加された、
ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の共振子。
【請求項１０】
前記第６部分の、前記第５部分と反対側の端部に、前記第６部分より幅または厚みが大きい第３拡張部が付加された、
ことを特徴とする請求項６または７に記載の共振子。
【請求項１１】
前記第1および第２の磁性体コアブロックの各々の全長Ｌ_coreに対し、前記コイルが巻かれるコアブロック部分の長さが、全長Ｌ_coreの１／３以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項１２】
外部の送電回路から交流信号を受け、前記交流信号に応じた磁界を発生させる、請求項１ないし１０のいずれか一項に従った１次側共振子と、
前記１次側共振子に対向するように配置され、前記１次側共振子と磁気結合することにより前記交流信号を受ける、請求項１ないし１１のいずれか一項に従った２次側共振子と、
を備えた無線電力伝送装置。
【請求項１】
第1の磁性体コアブロックと、前記第1の磁性体コアブロックと間隔を開けて配置された第２の磁性体コアブロックと、を含む磁性体コアと、
前記第1および第２の磁性体コアブロックの短手方向に前記磁性体コアを巻回するコイルと、を備え、
前記第1の磁性体コアブロックは、第1部分と、前記第1の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第1部分の両側の第２部分とを含み、前記第1の磁性体コアブロックの長手方向に直交する方向において前記第１部分の断面積は前記第２部分よりも大きく
前記第２の磁性体コアブロックは、第３部分と、前記第２の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第３部分の両側の第４部分とを含み、前記第２の磁性体コアブロックの長手方向に直交する方向において前記第３部分の断面積は前記第４部分よりも大きく、
前記磁性体コアの前記コイルが巻回される部分は、前記第１の磁性体コアブロックの前記第１部分と前記第２の磁性体コアブロックの前記第３部分である
ことを特徴とする共振子。
【請求項２】
前記第1の磁性体コアブロックの短手方向における前記第１部分の幅が前記第２部分よりも広く、
前記第２の磁性体コアブロックの短手方向における前記第３部分の幅が前記第４部分よりも広い
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項３】
前記第1の磁性体コアブロックおよび前記第２の磁性体コアブロックは、前記コイルの最も曲率が大きい部分の位置に配置された
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項４】
前記第２部分は、前記第１部分と反対側の端部に近づくほど、幅または厚さが小さくなっており、
前記第４部分は、前記第３部分と反対側の端部に近づくほど、幅または厚さが小さくなっている
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項５】
前記第１部分と前記第３部分は一体形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項６】
前記磁性体コアは、前記第1の磁性体コアブロックと前記第２の磁性体コアブロック間に、少なくとも１つの第３の磁性体コアブロックを備え、
前記第３の磁性体コアブロックは、第５部分と、前記第３の磁性体コアブロックの長手方向に沿って前記第５部分の両側の第６部分とを含み、前記第３の磁性体コアブロックの長手方向に直交する方向において前記第５部分の断面積は前記第６部分よりも大きく、
前記磁性体コアの前記コイルが巻回される部分は、前記第１の磁性体コアブロックの前記第１部分と前記第２の磁性体コアブロックの前記第３部分と前記第３の磁性体コアブロックの前記第５部分である
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項７】
前記第１部分と前記第３部分と前記第５部分は一体形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の共振子。
【請求項８】
前記第２部分の、前記第1部分と反対側の端部に、前記第２部分より幅または厚みが大きい第1拡張部が付加された
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の共振子。
【請求項９】
前記第４部分の、前記第３部分と反対側の端部に、前記第４部分より幅または厚みが大きい第２拡張部が付加された、
ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の共振子。
【請求項１０】
前記第６部分の、前記第５部分と反対側の端部に、前記第６部分より幅または厚みが大きい第３拡張部が付加された、
ことを特徴とする請求項６または７に記載の共振子。
【請求項１１】
前記第1および第２の磁性体コアブロックの各々の全長Ｌ_coreに対し、前記コイルが巻かれるコアブロック部分の長さが、全長Ｌ_coreの１／３以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【請求項１２】
外部の送電回路から交流信号を受け、前記交流信号に応じた磁界を発生させる、請求項１ないし１０のいずれか一項に従った１次側共振子と、
前記１次側共振子に対向するように配置され、前記１次側共振子と磁気結合することにより前記交流信号を受ける、請求項１ないし１１のいずれか一項に従った２次側共振子と、
を備えた無線電力伝送装置。
【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】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図２９】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【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】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図２９】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【公開番号】特開２０１３−１０６４７７（Ｐ２０１３−１０６４７７Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５００８６（Ｐ２０１１−２５００８６）
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１５日（２０１１．１１．１５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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