JP7617809B2 - Electric field type wireless power transmission coupler and electric field type wireless power transmission system - Google Patents
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Description
本発明は、電界型無線電力伝送結合器及び電界型無線電力伝送システムに関する。 The present invention relates to an electric field type wireless power transmission coupler and an electric field type wireless power transmission system.
従来、携帯電話や電気自動車等の普及に伴い、無線で電力を供給する、電界型無線電力伝送システムの開発が積極的になされている。送電側の電極と受電側の電極とからなるカプラにて電界を通して無線で電力伝送する技術が提案されるに至っている。この種の技術が記載されるものとして特許文献１がある。
With the spread of mobile phones and electric vehicles, there has been active development of electric field type wireless power transmission systems that supply power wirelessly. A technology has been proposed that transmits power wirelessly through an electric field using a coupler consisting of a power transmitting electrode and a power receiving electrode.
負荷インピーダンスが、例えば消費電力の変化に伴って、変化した場合に、電源出力におけるリアクタンス成分が生じる。インピーダンスの不整合が生じ、電源から見ると力率が悪い負荷が接続されることになり、多くの配電が必要となる或いは伝送効率が低下するという問題が生じていた。 When the load impedance changes, for example due to a change in power consumption, a reactance component is generated in the power supply output. This causes an impedance mismatch, and from the power supply's perspective, a load with a poor power factor is connected, resulting in problems such as the need for more power distribution or reduced transmission efficiency.
本発明は、負荷のインピーダンスが変化しても伝送効率の低下が抑えられる電界型無線電力伝送結合器及び電界型無線電力伝送システムを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide an electric field type wireless power transmission coupler and an electric field type wireless power transmission system that suppresses a decrease in transmission efficiency even when the load impedance changes.
本発明にかかる電界型無線電力伝送結合器は、第１の送電側伝送線、第２の送電側伝送線、第１の受電側伝送線及び第２の受電側伝送線と、第１の送電側伝送線と第２の送電側伝送線とを結ぶ送電側コンデンサと、第１の受電側伝送線と第２の受電側伝送線とを結ぶ受電側コンデンサと、第１の送電側電極、第２の送電側電極、第１の受電側電極及び第２の受電側電極を有し、第１の送電側電極と第２の送電側電極との間に電界の形成に伴う送電側の浮遊容量を形成するとともに、第１の受電側電極と第２の受電側電極との間に電界の形成に伴う受電側の浮遊容量を形成し、第１の送電側電極と第１の受電側電極とで容量を形成する第１のカップリング部を有し、第２の送電側電極と第２の受電側電極とで容量を形成する第２のカップリング部を有するカプラと、を備え、第１のカップリング部の容量値と第２のカップリング部の容量値とに基づいて算出される代表値と、送電側コンデンサの容量値と送電側の浮遊容量の容量値との和と、受電側コンデンサの容量値と受電側の浮遊容量の容量値との和と、の内の何れか１つを基準値として、他の２つの値と基準値との差が基準値の±１０％以内に収まるように構成される。 The electric field type wireless power transmission coupler according to the present invention has a first power transmitting side transmission line, a second power transmitting side transmission line, a first power receiving side transmission line, and a second power receiving side transmission line, a power transmitting side capacitor connecting the first power transmitting side transmission line and the second power transmitting side transmission line, a power receiving side capacitor connecting the first power receiving side transmission line and the second power receiving side transmission line, a first power transmitting side electrode, a second power transmitting side electrode, a first power receiving side electrode, and a second power receiving side electrode, and forms a power transmitting side floating capacitance due to the formation of an electric field between the first power transmitting side electrode and the second power transmitting side electrode, and forms a power receiving side floating capacitance due to the formation of an electric field between the first power receiving side electrode and the second power receiving side electrode. The coupler has a first coupling section that forms a capacitance between the first power transmitting side electrode and the first power receiving side electrode, and a second coupling section that forms a capacitance between the second power transmitting side electrode and the second power receiving side electrode, and is configured so that one of the following is set as a reference value: a representative value calculated based on the capacitance value of the first coupling section and the capacitance value of the second coupling section, the sum of the capacitance value of the power transmitting side capacitor and the capacitance value of the power transmitting side floating capacitance, and the sum of the capacitance value of the power receiving side capacitor and the capacitance value of the power receiving side floating capacitance, and the difference between the other two values and the reference value is within ±10% of the reference value.
本発明によれば、負荷のインピーダンスが変化しても伝送効率の低下が抑えられた電界型無線電力伝送結合器及び電界型無線電力伝送システムを提供できる。 The present invention provides an electric field type wireless power transmission coupler and an electric field type wireless power transmission system in which the decrease in transmission efficiency is suppressed even when the load impedance changes.
以下、本発明の実施の形態にかかる電界型無線電力伝送結合器及び電界型無線電力伝送システムについて図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付す。 The following describes an electric field type wireless power transmission coupler and an electric field type wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention with reference to the drawings. Note that the same components are denoted by the same reference numerals in each drawing.
以下、実施の形態に係る電界型無線電力伝送結合器３及び電界型無線電力伝送システムＳを図１から図２８を参照して説明する。
The electric field type wireless
図１に示すように、本本発明の一実施形態にかかる電界型無線電力伝送システムＳは、無線送電装置１と無線受電装置２とを有する。無線送電装置１は、送電側カプラ本体部３０１と送電側リアクタンス調整回路３１と電源４とを有する。無線受電装置２は、受電側カプラ本体部３０２と受電側リアクタンス調整回路３２と負荷５とを有する。
As shown in FIG. 1, an electric field type wireless power transmission system S according to one embodiment of the present invention has a wireless power transmitting
送電側カプラ本体部３０１は第１の送電側電極１１と第２の送電側電極１２とを有する。受電側カプラ本体部３０２は第１の受電側電極２１と第２の受電側電極２２とを有する。送電側カプラ本体部３０１と受電側カプラ本体部３０２とによりカプラ３００が構成される。
The power transmitting
第１の送電側電極１１と第１の受電側電極２１とが容量を形成して第１のカップリング部Ｃｍ１を構成し、第２の送電側電極１２と第２の受電側電極２２とが容量を形成して第２のカップリング部Ｃｍ２を構成する
The first
第１の送電側電極１１と第２の送電側電極１２との間に電界の形成に伴う送電側の浮遊容量Ｃ１１が形成されるとともに、第１の受電側電極２１と第２の受電側電極２２との間に電界の形成に伴う受電側の浮遊容量Ｃ２１が形成される。
A floating capacitance C11 on the power transmission side is formed due to the formation of an electric field between the first power
電界型無線電力伝送結合器３は、第１の送電側伝送線１０１、第２の送電側伝送線１０２、第１の受電側伝送線２０１及び第２の受電側伝送線２０２と、カプラ３００と、第１の送電側伝送線１０１と第２の送電側伝送線１０２とを結ぶ送電側コンデンサＣ１２と、第１の受電側伝送線２０１と第２の受電側伝送線２０２とを結ぶ受電側コンデンサＣ２２とを有する。
The electric field type wireless
第１の送電側電極１１、第２の送電側電極１２、第１の受電側電極２１、第２の受電側電極２２は、平板電極であることが好ましいが、これに限られない。
The first
第１の送電側電極１１は第１の送電側伝送線１０１及び第１の送電側コイルＬ１１をこの順に介して電源４の第１の出力端４０１に接続される。第２の送電側電極１２は第２の送電側伝送線１０２及び第２の送電側コイルＬ１２をこの順に介して電源４の第２の出力端４０２に接続される。第１の送電側伝送線１０１と第２の送電側伝送線１０２とは、送電側コンデンサＣ１２を介して接続されている。第１の送電側コイルＬ１１、第２の送電側コイルＬ１２、送電側コンデンサＣ１２によって送電側リアクタンス調整回路３１が形成されている。
The first power
第１の受電側電極２１は第１の受電側伝送線２０１及び第１の受電側コイルＬ２１をこの順に介して負荷５の第１の入力端５０１に接続される。第２の受電側電極２２は第２の受電側伝送線２０２及び第２の受電側コイルＬ２２をこの順に介して負荷５における第２の入力端５０２に接続される。第１の受電側伝送線２０１と第２の受電側伝送線２０２とは、受電側コンデンサＣ２２を介して接続されている。第１の受電側コイルＬ２１、第２の受電側コイルＬ２２、受電側コンデンサＣ２２によって受電側リアクタンス調整回路３２が形成されている。
The first power
上記のように、コイルとコンデンサとが設けられる容量結合型の無線電力伝送方式は、電界方式と称されるものである。 As described above, the capacitively coupled wireless power transmission method in which a coil and a capacitor are provided is called the electric field method.
図１に示す電源４からは交流が送電される。プラスの電圧が送出されて、第１の送電側電極１１に電源からプラス電荷が蓄積されると、第１のカップリング部Ｃｍ１を介して、第１の受電側電極２１にマイナス電荷が誘起される。そして、マイナス電圧が受電側に伝達される。マイナスの電圧が送出されて、第１の送電側電極１１に電源からマイナス電荷が蓄積されると、第１のカップリング部Ｃｍ１を介して、第１の受電側電極２１にプラス電荷が誘起される。そして、プラス電圧が受電側に伝達される。そして、交流電力が受電側に伝達される。第２の送電側電極１２と第２の受電側電極２２との間においても同様に交流電力が伝達される。以上のように、送電側からの電力は、第１のカップリング部Ｃｍ１及び第２のカップリング部Ｃｍ２を通して、受電側装置に伝達される。そして、第２の負荷５２に電力が供給される。
The
負荷５とは、例えば蓄電池であり、産業機器や携帯電子機器等に採用されている。産業機器としては、電気自動車、携帯電子機器としては、ラップトップパソコン、スマートフォン、携帯音楽プレーヤ等が挙げられる。
The
送電側の浮遊容量Ｃ１１の容量値をｃ１１、送電側コンデンサＣ１２の容量値をｃ１２、第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値をｃｍ１、第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値をｃｍ２、受電側の浮遊容量Ｃ２１の容量値をｃ２１、受電側コンデンサＣ２２の容量値をｃ２２とする。 The capacitance value of the power transmitting side stray capacitance C11 is c11, the capacitance value of the power transmitting side capacitor C12 is c12, the capacitance value of the first coupling part Cm1 is cm1, the capacitance value of the second coupling part Cm2 is cm2, the capacitance value of the power receiving side stray capacitance C21 is c21, and the capacitance value of the power receiving side capacitor C22 is c22.
本発明の第１の実施の形態にかかる電界型無線電力伝送結合器３及び電界型無線電力伝送システムＳにおいて、式（１）が満たされる。但し、後述するように、完全に等号が満たされる必要はない。
ｃ１１＋ｃ１２ ＝ （ｃｍ１＋ｃｍ２）／２ ＝ｃ２１＋ｃ２２ （式１）
In the electric field type wireless
c11+c12 = (cm1+cm2)/2 =c21+c22 (Formula 1)
また、電界型無線電力伝送結合器３及び電界型無線電力伝送システムＳにおいて、式（２）が満たされることが好ましい。但し、後述するように、完全に等号が満たされる必要はない。
ｃｍ１＝ｃｍ２ （式２）
この場合には、電界型無線電力伝送結合器３及び電界型無線電力伝送システムＳにおいて、式（３）が満たされる。但し、後述するように、完全に等号が満たされる必要はない。
ｃ１１＋ｃ１２＝ｃｍ１＝ｃｍ２＝ｃ２１＋ｃ２２ （式３）
It is also preferable that formula (2) be satisfied in the electric field type wireless
cm1=cm2 (Formula 2)
In this case, the formula (3) is satisfied in the electric field type wireless
c11+c12=cm1=cm2=c21+c22 (Formula 3)
送電側リアクタンス調整回路３１が有する第１の送電側コイルＬ１１及び第２の送電側コイルＬ１２のインダクタンスが最適化され、且つ、受電側リアクタンス調整回路３２が有する第１の受電側コイルＬ２１及び第２の受電側コイルＬ２２のインダクタンスが最適化される。そして、電界型無線電力伝送システムＳにおいて、電源４のインピーダンスと電源４から見た電界型無線電力伝送システムＳのインピーダンスとが一致する。
The inductance of the first power transmitting coil L11 and the second power transmitting coil L12 in the power transmitting
図２から７は、式１、式２、式３が厳密に満たされる場合における電力伝送の様子をスミスチャートにて示す。
Figures 2 to 7 show the power transmission behavior in the Smith chart when
図２から４は、負荷５の初期のインピーダンスが５０オーム、電源４のインピーダンスが５０オームの場合におけるインピーダンスの様子を示す。
Figures 2 to 4 show the impedance behavior when the initial impedance of the
図２は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源のインピーダンスが５０オームの場合におけるインピーダンスの様子を示している。図２中のプロット点は、図１中の負荷５の第１の入力端５０１、ａからｄの場所、及び電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスの状態を示している。ａは第１の受電側コイルＬ２１の電源側、ｂは第１の受電側電極２１の負荷５側、ｃは第１の送電側電極１１の電源側、ｄは第１の送電側コイルＬ１１の負荷５側をそれぞれ表す。
Figure 2 shows the impedance state when the impedance of the
負荷５の第１の入力端５０１においては、負荷インピーダンスが５０オームのため、スミスチャートの中央に状態がプロットされる。第１の受電側コイルＬ２１によりリアクタンスが生じ、図１のａ点においては、図２に示すようにスミスチャート上で大きく右下に移動する（ａ点）。更に、受電側コンデンサＣ２２及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の影響で、右上に移動する（ｂ点）。次に、第１のカップリング部Ｃｍ１の影響で上方に移動し（ｃ点）、送電側の浮遊容量Ｃ１１及び送電側コンデンサＣ１２の影響で左上に移動し（ｄ）、第１の送電側コイルＬ１１の影響で、電源のインピーダンスが５０オームに合致するように移動する。
At the
即ち、電源のインピーダンスと電源から見た電界型無線電力伝送システムのインピーダンスが一致して５０オームである。 In other words, the impedance of the power source and the impedance of the electric field type wireless power transmission system seen from the power source are the same, at 50 ohms.
伝送効率は、電源４の第１の出力端４０１における出力の力率で見積もることが出来る。力率は伝送される電力における電圧と電流との位相差θの余弦（ｃｏｓθ）である。力率が１の場合に有効に使える電力が最大となる。力率が小さい場合には、同じ電力を供給しようとすると電圧を上げざるを得なくなり、伝送効率が下がる。以下、力率を適宜用いて効率を論じる。
The transmission efficiency can be estimated by the power factor of the output at the
図２に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において虚部はなく、力率は１であり、最大効率が実現される。
As shown in FIG. 2, there is no imaginary part at the
図３に負荷５のインピーダンスが２５オームに低減した場合の影響を示す。負荷５が２５オームのため、スミスチャートの０．５の位置に負荷５はプロットされる。負荷５が低減されたにも関わらず電源４の第１の出力端４０１におけるプロット点は、スミスチャートの横軸線上に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じていない。図３に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において力率は１であり、最大効率が実現される。
Figure 3 shows the effect of reducing the impedance of the
図４に負荷５のインピーダンスが１００オームに増加した場合の影響を示す。負荷５が１００オームのため、スミスチャートの２の位置に負荷５の第１の入力端５０１のインピーダンスはプロットされる。負荷５が低減されたにも関わらず電源４の第１の出力端４０１におけるプロット点は、スミスチャートの横軸線上に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じていない。図４に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において力率は１であり、最大効率が実現される。
Figure 4 shows the effect of increasing the impedance of the
図５から７に、負荷５の初期のインピーダンスが１００オーム、電源のインピーダンスが１０オームの場合について、負荷５のインピーダンスが１００オームから５０オーム、２５オームと変化した場合のインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。
Figures 5 to 7 show, in a Smith chart, the impedance behavior when the impedance of
図５は、負荷５のインピーダンスが１００オーム、電源のインピーダンスが１０オームの場合におけるインピーダンスの様子を示している。図５中のプロット点は、図１中の負荷５の第１の入力端５０１、ａからｄの場所、及び電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスを示している。ａは第１の受電側コイルＬ２１の電源側、ｂは第１の受電側電極２１の負荷５側、ｃは第１の送電側電極１１の電源側、ｄは第１の送電側コイルＬ１１の負荷５側をそれぞれ表す。
Figure 5 shows the impedance when the impedance of the
負荷５の第１の入力端５０１においては、負荷インピーダンスが１００オームのため、スミスチャートの２（即ち５０オームの２倍）に状態がプロットされる。第１の受電側コイルＬ２１によりリアクタンスが生じ、図５のａ点においては、図５に示すようにスミスチャート上で右上に移動する（ａ点）。更に、受電側コンデンサＣ２２及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の影響で、下方に移動する（ｂ点）。次に、第１のカップリング部Ｃｍ１の影響で右方に移動し（ｃ点）、送電側の浮遊容量Ｃ１１及び送電側コンデンサＣ１２の影響で左下に移動し（ｄ）、第１の送電側コイルＬ１１のインダクタンスを調整してあることから、電源４のインピーダンスが１０オームに合致するように移動する。
At the
即ち、電源４のインピーダンスと電源４から見た電界型無線電力伝送システムＳのインピーダンスが一致して１０オームである。図５に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において虚部はなく、力率は１であり、最大効率が実現される。
That is, the impedance of the
図６に負荷５のインピーダンスが５０オームに低減した場合の影響を示す。負荷５のインピーダンスが５０オームのため、スミスチャートの１の位置に負荷５の第１の入力端５０１のインピーダンスはプロットされる。負荷５のインピーダンスが低減されたにも関わらず電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスのプロット点は、スミスチャートの横軸線上に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じていない。図６に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において、力率は１であり、最大効率が実現される。
Figure 6 shows the effect when the impedance of the
図７に負荷５のインピーダンスが２５オームに更に低減した場合の影響を示す。負荷５のインピーダンスが２５オームのため、スミスチャートの０．５の位置に負荷５の第１の入力端５０１におけるインピーダンスはプロットされる。負荷５のインピーダンスが低減されたにも関わらず電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスのプロット点は、スミスチャートの横軸線上に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じていない。図７に示されるように、電源４の第１の出力端４０１において、力率は１であり、最大効率が実現される。
Figure 7 shows the effect of further reducing the impedance of the
式（１）（２）（３）において、単純に等号で結んでいるが、完全に一致する必要はなく、±１０％以内の差であることが好ましい。一般的に力率には０．９以上であることが求められるが、この条件が満たされる。図８から図２５を用いて説明する。 In equations (1), (2), and (3), they are simply connected with an equal sign, but they do not need to match perfectly, and it is preferable for the difference to be within ±10%. Generally, a power factor of 0.9 or more is required, and this condition is met here. An explanation will be given using Figures 8 to 25.
式１が再掲される。
ｃ１１＋ｃ１２ ＝ （ｃｍ１＋ｃｍ２）／２ ＝ｃ２１＋ｃ２２ （式１）
ｃ１１、ｃ１２、ｃ２１、ｃ２２、ｃｍ１、ｃｍ２の値が変動し、式１の等号が完全には成り立たない場合について検証する。ｃ１１＋ｃ１２＝ｃ２１＋ｃ２２とし、ｃ１１＋ｃ１２の値を（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２の値に比べて５％から２０％変動させる。
c11+c12 = (cm1+cm2)/2 =c21+c22 (Formula 1)
A case will be verified in which the values of c11, c12, c21, c22, cm1, and cm2 are varied and the equality of
この変動は、式１が満たされるようにシステムが構築されている場合に、例えば、製造工程でのバラツキ、或いは、製造業者間でのバラツキ、或いは、標準条件としての逸脱許容範囲などに相当する。
When the system is constructed so that
図８は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より５％大きい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図９は、図８の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１０は、図８の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。
Figure 8 shows the impedance behavior in the Smith chart when the impedance of the
負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図８に示すように、力率は０．９９９８である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図９に示すように力率は０．９８６５である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図１０に示すように力率は０．９７７である。
When the impedance of the
図１１は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より５％小さい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１２は、図１１の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１３は、図１１の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。
Figure 11 shows the impedance behavior in the Smith chart when the impedance of the
負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図１１に示すように、力率は０．９９９９である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図１２に示すように力率は０．９８０２である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図１３に示すように力率は０．９８７４である。
When the impedance of the
図１４は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より１０％大きい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１５は、図１４の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１６は、図１４の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。
Figure 14 shows the impedance behavior in the Smith chart when the impedance of the
負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図１４に示すように、力率は０．９９５７である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図１５に示すように力率は０．９６４５である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図１６に示すように力率は０．８９２５である。
When the impedance of
図１７は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より１０％小さい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１８は、図１７の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図１９は、図１７の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。
Figure 17 shows the impedance behavior in the Smith chart when the impedance of the
負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図１７に示すように、力率は０．９９８３である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図１８に示すように力率は０．９２２３である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図１９に示すように力率は０．９６５０である。
When the impedance of the
図２０は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より２０％大きい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図２１は、図２０の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図２２は、図２０の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。
Figure 20 shows the impedance behavior in the Smith chart when the impedance of the
負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図２０に示すように、力率は０．９１２７である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図２１に示すように力率は０．９７８１である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図２２に示すように力率は０．６００２である。
When the impedance of
図２３は、負荷５のインピーダンスが５０オーム、電源インピーダンスが５０オーム、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２より２０％小さい場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図２４は、図２３の条件のうち負荷５のインピーダンスが２５オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。図２５は、図２３の条件のうち負荷５のインピーダンスが１００オームの場合におけるインピーダンスの様子をスミスチャートにて示す。
Figure 23 shows the impedance behavior in the Smith chart when the impedance of the
負荷５のインピーダンスが５０オームの場合には、図２３に示すように、力率は０．９８４３である。負荷５のインピーダンスが２５オームの場合には、図２４に示すように力率は０．７７０４である。負荷５のインピーダンスが１００オームの場合には、図２５に示すように力率は０．９３２６である。
When the impedance of
一般的に力率として０．９以上が要求される。上記の例においては、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２に比して２０％の差異があり、且つ、負荷５のインピーダンスが２５オーム或いは１００オームと変動した場合において、少なくとも、力率が０．９を切る組み合わせ条件が含まれる。このことから、ｃ１１＋ｃ１２の値が（ｃｍ１＋ｃｍ２）／２に比して±１０％以内であることが好ましく、式１の等号は、±１０％以内であることを意味していると言える。
Generally, a power factor of 0.9 or more is required. In the above example, when the value of c11 + c12 differs from (cm1 + cm2)/2 by 20% and the impedance of the
（比較例）
比較例を図２６から図２８に示す。式（１）が満たされず、容量値が３０％程度等号から外れる場合について示す。
Comparative Example
Comparative examples are shown in Figures 26 to 28. They show a case where the formula (1) is not satisfied and the capacitance value deviates from the equality by about 30%.
負荷５の初期のインピーダンスは５０オーム、電源のインピーダンスは５０オームである。電源４のインピーダンスと電源４から見た電界型無線電力伝送システムＳのインピーダンスが一致して５０オームとなるように、送電側リアクタンス調整回路３１及び受電側リアクタンス調整回路３２は調整されてなる。
The initial impedance of the
ところで、本発明の実施の形態における図８、図１１、図１４、図１７、図２０、図２３に示す伝送状態においては、負荷５のインピーダンスが５０オームであるにも拘らず力率は１には近いものの１ではない。最適された状態から意図的に条件が外された状態であるため、このような現象が生じる。比較例では、負荷５のインピーダンスが５０オームである場合において最適化されており、力率は１であることに留意することが必要である。
Incidentally, in the transmission states shown in Figures 8, 11, 14, 17, 20, and 23 in the embodiment of the present invention, even though the impedance of the
比較例において、負荷５のインピーダンスが初期の５０オームから、２５オーム或いは１００オームに変動する場合について、インピーダンスの様子がスミスチャートにて示される。
In the comparative example, the impedance of the
図２６は、負荷５のインピーダンスが５０オームの場合におけるインピーダンスの様子を示している。図２６中のプロット点は、図１中の負荷５の第１の入力端５０１、ａからｄの場所、及び電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスを示している。ａは第１の受電側コイルＬ２１の電源側、ｂは第１の受電側電極２１の負荷５側、ｃは第１の送電側電極１１の電源側、ｄは第１の送電側コイルＬ１１の負荷５側をそれぞれ表す。
Figure 26 shows the impedance state when the impedance of the
負荷５の第１の入力端５０１においては、負荷インピーダンスが５０オームのため、スミスチャートの１にインピーダンスがプロットされる。第１の受電側コイルＬ２１によりリアクタンスが生じ、図５のａ点においては、図２６に示すようにスミスチャート上で右下に移動する（ａ点）。更に、受電側コンデンサＣ２２及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の影響で、右上に移動する（ｂ点）。次に、第１のカップリング部Ｃｍ１の影響で上方に移動し（ｃ点）、送電側の浮遊容量Ｃ１１及び送電側コンデンサＣ１２の影響で左上に移動し（ｄ）、第１の送電側コイルＬ１１のインダクタンスを調整してあることから、電源のインピーダンスである５０オームに合致するように移動する。
At the
即ち、電源のインピーダンスと電源から見た電界型無線電力伝送システムのインピーダンスが一致して５０オームである。 In other words, the impedance of the power source and the impedance of the electric field type wireless power transmission system seen from the power source are the same, at 50 ohms.
図５に示したプロットと図２６に示したプロットとを比べると大きな違いはない。何れの場合にも電源４の第１の出力端４０１でインピーダンスが一致するように、図１に示す送電側リアクタンス調整回路３１及び受電側リアクタンス調整回路３２を調整したからである。
There is no significant difference between the plots shown in FIG. 5 and FIG. 26. This is because the transmitting
図２７に負荷５のインピーダンスが２５オームに低減した場合の影響を示す。負荷５のインピーダンスが２５オームのため、スミスチャートの０．５の位置に負荷５のインピーダンスはプロットされる。第１の受電側コイルＬ２１によりリアクタンスが生じ、図２７のａ点においては、図２７に示すようにスミスチャート上で右上に移動する（ａ点）。更に、受電側コンデンサＣ２２及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の影響で、右下に移動する（ｂ点）。次に、第１のカップリング部Ｃｍ１の影響で左下方向に移動し（ｃ点）、送電側の浮遊容量Ｃ１１及び送電側コンデンサＣ１２の影響で左下に移動し（ｄ）、第１の送電側コイルＬ１１の影響で、左上に移動する。
Figure 27 shows the effect when the impedance of the
図６とは異なり、電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスのプロット点は、スミスチャートの横軸線から大きく外れた上方に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じる。即ち、力率の悪化が生じる。力率は０．８２２６である。
Unlike FIG. 6, the plot point of the impedance at the
図２８に負荷５のインピーダンスが１００オームに増加した場合の影響を示す。負荷５が１００オームのため、スミスチャートの２の位置に負荷５のインピーダンスはプロットされる。第１の受電側コイルＬ２１によりリアクタンスが生じ、図２８のａ点においては、スミスチャート上で右上に移動する（ａ点）。更に、受電側コンデンサＣ２２及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の影響で、右下に移動する（ｂ点）。次に、第１のカップリング部Ｃｍ１の影響で右下方向に移動し（ｃ点）、送電側の浮遊容量Ｃ１１及び送電側コンデンサＣ１２の影響で左下に移動し（ｄ）、第１の送電側コイルＬ１１の影響で、左方向に移動する。
Figure 28 shows the effect when the impedance of the
図７とは異なり、電源４の第１の出力端４０１におけるインピーダンスのプロット点は、スミスチャートの横軸線から大きく外れた下方に位置する。即ち、電源４の第１の出力端４０１において、リアクタンス或いは虚部が生じる。即ち、力率の悪化が生じる。力率は０．８２２６である。
Unlike FIG. 7, the plot point of the impedance at the
図２６、図２７及び図２８の結果をまとめる。負荷インピーダンス５が５０オームの場合に対して、第１の出力のインピーダンスが５０オームとなるように、即ち力率が１となるように、第１の送電側コイルＬ１１、第２の送電側コイルＬ１２等を調整してなる。しかしながら、この調整にもかかわらず、負荷インピーダンス５が２５オームと減った場合にも１００オームと増えた場合にも力率は０．９を切り、伝送効率の低下は問題となるレベルである。
The results of Figures 26, 27, and 28 are summarized below. When the
以上説明したように、電界型無線電力伝送システムが式（１）を満たしてなることにより、負荷インピーダンスの変動に対して、力率の悪化が抑えられる。そして、これにより、負荷５のインピーダンスが変動した場合にあっても、高い伝送効率が維持される。
As described above, by satisfying formula (1) in the electric field type wireless power transmission system, deterioration of the power factor due to fluctuations in the load impedance is suppressed. As a result, high transmission efficiency is maintained even if the impedance of the
送電側の浮遊容量Ｃ１１及び受電側の浮遊容量Ｃ２１は系によっては第１のカップリング部Ｃｍ１或いは第２のカップリング部Ｃｍ２に比して１／１０以下のように小さい場合がある。このような場合には、式（１）において、送電側の浮遊容量Ｃ１１の容量値ｃ１１及び受電側の浮遊容量Ｃ２１の容量値ｃ２１を無視することが出来る。 Depending on the system, the stray capacitance C11 on the power transmitting side and the stray capacitance C21 on the power receiving side may be smaller than 1/10 of the first coupling section Cm1 or the second coupling section Cm2. In such cases, the capacitance value c11 of the stray capacitance C11 on the power transmitting side and the capacitance value c21 of the stray capacitance C21 on the power receiving side can be ignored in equation (1).
以上説明した実施形態にかかる電界型無線電力伝送結合器によれば以下のような効果を奏する。 The electric field type wireless power transmission coupler according to the embodiment described above provides the following advantages:
電界型無線電力伝送結合器３は、第１の送電側伝送線１０１、第２の送電側伝送線１０２、第１の受電側伝送線２０１及び第２の受電側伝送線２０２と、第１の送電側伝送線１０１と第２の送電側伝送線１０２とを結ぶ送電側コンデンサＣ１２と、第１の受電側伝送線２０１と第２の受電側伝送線２０２とを結ぶ受電側コンデンサＣ２２と、第１の送電側電極１１、第２の送電側電極１２、第１の受電側電極２１及び第２の受電側電極２２を有し、第１の送電側電極１１と第２の送電側電極１２との間に電界の形成に伴う送電側の浮遊容量Ｃ１１を形成するとともに、第１の受電側電極２１と第２の受電側電極２２との間に電界の形成に伴う受電側の浮遊容量Ｃ２１を形成し、第１の送電側電極１１と第１の受電側電極２１とで容量を形成する第１のカップリング部Ｃｍ１を有し、第２の送電側電極１２と第２の受電側電極２２とで容量を形成する第２のカップリング部Ｃｍ２を有するカプラ３と、を備え、第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値と第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値とに基づいて算出される第１のカップリング部Ｃｍ１と第２のカップリング部Ｃｍ２の大きさを示す代表値と、送電側コンデンサＣ１２の容量値と送電側の浮遊容量Ｃ１１の容量値との和と、受電側コンデンサＣ２２の容量値と受電側の浮遊容量Ｃ２１の容量値との和と、の内の何れか１つを基準値として、他の２つの値と基準値との差が基準値の１０％以内に収まるように構成される。
The electric field type wireless
負荷５のインピーダンスが変動した場合にあっても、高い伝送効率が維持される。
High transmission efficiency is maintained even if the impedance of the
電界型無線電力伝送結合器３にあって、第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値と第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値とに基づいて算出される代表値と、送電側コンデンサＣ１２の容量値と送電側の浮遊容量Ｃ１１の容量値との和と、受電側コンデンサＣ２２の容量値と受電側の浮遊容量Ｃ２１の容量値との和と、が等しいように構成される。
In the electric field type wireless
負荷５のインピーダンスが変動した場合にあっても、伝送効率の低下がより確実に抑えられる。
Even if the impedance of the
電界型無線電力伝送結合器３にあって、第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値と第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値とに基づいて算出される代表値は、第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値と第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値との平均値である。
In the electric field type wireless
第１のカップリング部Ｃｍ１を構成する第１の送電側電極１１と第１の受電側電極との間の距離、及び、第２のカップリング部Ｃｍ２を構成する第２の送電側電極１２と第２の受電側電極２２との間の距離が変動する場合において、伝送効率の低下が抑えられる。
When the distance between the first
電界型無線電力伝送結合器３にあって、 第１のカップリング部Ｃｍ１の容量値と第２のカップリング部Ｃｍ２の容量値とが等しい。
In the electric field type wireless
第１のカップリング部Ｃｍ１と第２のカップリング部Ｃｍ２とが同一の構造体により構成される。部品の共通化を図ることが出来る。電界型無線電力伝送結合器３の構成が対称となるため、インピーダンスの整合を取りやすくなる。
The first coupling section Cm1 and the second coupling section Cm2 are configured with the same structure. This allows for the use of common components. As the electric field type wireless
電界型無線電力伝送システムＳが上記の電界型無線電力伝送結合器３を具備してなる。
The electric field type wireless power transmission system S is equipped with the electric field type wireless
負荷５のインピーダンスが変動した場合にあっても、高い伝送効率が維持される。
High transmission efficiency is maintained even if the impedance of the
本開示は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。即ち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。 This disclosure allows for various embodiments and modifications without departing from the broad spirit and scope of the present invention. Furthermore, the above-described embodiments are intended to explain the present invention and do not limit the scope of the present invention. In other words, the scope of the present invention is indicated by the claims, not the embodiments. Furthermore, various modifications made within the scope of the claims and within the scope of the disclosure equivalent thereto are considered to be within the scope of the present invention.
１ 無線送電装置、２ 無線受電装置、３ 電界型無線電力伝送結合器、４ 電源、５ 負荷、１１ 第１の送電側電極、１２ 第２の送電側電極、２１ 第１の受電側電極、２２ 第２の受電側電極、１０１ 第１の送電側伝送線、１０２ 第２の送電側伝送線、２０１ 第１の受電側伝送線、２０２ 第２の受電側伝送線、Ｃ１１ 送電側の浮遊容量、３００ カプラ、Ｃ１２ 送電側コンデンサ、Ｃ２１ 受電側の浮遊容量、Ｃ２２ 受電側コンデンサ、Ｃｍ１ 第１のカップリング部、Ｃｍ２ 第２のカップリング部、Ｓ 電界型無線電力伝送システム
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記第１の送電側伝送線と前記第２の送電側伝送線とを結ぶ送電側コンデンサと、
前記第１の受電側伝送線と前記第２の受電側伝送線とを結ぶ受電側コンデンサと、
第１の送電側電極、第２の送電側電極、第１の受電側電極及び第２の受電側電極を有し、前記第１の送電側電極と第２の送電側電極との間に電界の形成に伴う送電側の浮遊容量を形成するとともに、第１の受電側電極と第２の受電側電極との間に電界の形成に伴う受電側の浮遊容量を形成し、第１の送電側電極と第１の受電側電極とで容量を形成する第１のカップリング部を有し、第２の送電側電極と第２の受電側電極とで容量を形成する第２のカップリング部を有するカプラと、
を備え、
前記第１のカップリング部の容量値と前記第２のカップリング部の容量値とに基づいて算出されるカップリング部の容量値の大きさを示す代表値と、
前記送電側コンデンサの容量値と前記送電側の浮遊容量の容量値との和と、
前記受電側コンデンサの容量値と前記受電側の浮遊容量の容量値との和と、
の内の何れか１つを基準値として、他の２つの値と基準値との差が基準値の１０％以内に収まるように構成される電界型無線電力伝送結合器。 a first power transmitting side transmission line, a second power transmitting side transmission line, a first power receiving side transmission line, and a second power receiving side transmission line;
a power transmission side capacitor connecting the first power transmission side transmission line and the second power transmission side transmission line;
a power receiving side capacitor connecting the first power receiving side transmission line and the second power receiving side transmission line;
a coupler having a first power transmitting side electrode, a second power transmitting side electrode, a first power receiving side electrode, and a second power receiving side electrode, forming a power transmitting side stray capacitance due to the formation of an electric field between the first power transmitting side electrode and the second power transmitting side electrode, forming a power receiving side stray capacitance due to the formation of an electric field between the first power receiving side electrode and the second power receiving side electrode, having a first coupling portion that forms a capacitance between the first power transmitting side electrode and the first power receiving side electrode, and a second coupling portion that forms a capacitance between the second power transmitting side electrode and the second power receiving side electrode;
Equipped with
a representative value indicating the magnitude of the capacitance value of the coupling section calculated based on the capacitance value of the first coupling section and the capacitance value of the second coupling section;
the sum of the capacitance value of the power transmission side capacitor and the capacitance value of the power transmission side stray capacitance;
the sum of the capacitance value of the power receiving side capacitor and the capacitance value of the power receiving side stray capacitance;
One of the above is set as a reference value, and the difference between the other two values and the reference value is within 10% of the reference value.
前記送電側コンデンサの容量値と前記送電側の浮遊容量の容量値との和と、
前記受電側コンデンサの容量値と前記受電側の浮遊容量の容量値との和と、
が等しいように構成される請求項１に記載の電界型無線電力伝送結合器。 The representative value;
the sum of the capacitance value of the power transmission side capacitor and the capacitance value of the power transmission side stray capacitance;
the sum of the capacitance value of the power receiving side capacitor and the capacitance value of the power receiving side stray capacitance;
The electric field type wireless power transmission coupler according to claim 1 , configured so that
An electric field type wireless power transmission system comprising the electric field type wireless power transmission coupler according to claim 1 .
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