JP6085811B2 - 電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴方式によってワイヤレスで電力の送受を行う電力伝送システムに関する。

近年、電源コードなどを用いることなく、ワイヤレスで電力（電気エネルギー）を伝送する技術の開発が盛んとなっている。ワイヤレスで電力を伝送する方式の中でも、特に注目されている技術として、磁気共鳴方式と呼ばれるものがある。この磁気共鳴方式は２００７年にマサチューセッツ工科大学の研究グループが提案したものであり、これに関連する技術は、例えば、特許文献１（特表２００９−５０１５１０号公報）に開示されている。

磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムは、送電側アンテナの共振周波数と、受電側アンテナの共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うものであり、電力伝送距離を数十ｃｍ〜数ｍとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。

上記のような磁気共鳴方式のワイヤレス電力伝送システムを、電気自動車などの車両の給電ステーションで用いるような場合には、受電側アンテナを車両の底部に搭載しておき、この受電側アンテナに対して、地上に埋設された送電側アンテナから給電を行う方法が考えられる。このような電力伝送形態においては、送電側アンテナと受電側アンテナとの間が完全には電磁気的に結合することは難しく、少なからず、アンテナから放射されるノイズが発生し、車体底部の金属などがそれにより温度上昇を起こすことなどが考えられる。

そこで、ワイヤレス電力伝送システムにおいては、アンテナから発生するノイズを低減させるための方策を検討する必要がある。

なお、高周波ノイズを低減する技術としては、例えば、特許文献２（特開２０１０−８７０２４号公報）には、ノイズの発生源の近傍に、ループ状の閉経路を有する導体と、閉経路と電気的に接続されるコンデンサとからなる共振回路を設けることが開示されている。
特表２００９−５０１５１０号公報 特開２０１０−８７０２４号公報

特許文献２記載の従来技術においては、ノイズキャンセル用のＬＣ共振器の共振周波数としては、除去したいノイズ源の周波数と、合わせることで、ノイズ低減効果を増大するようにしている。

しかしながら、特に磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤレス電力伝送システムにおけるノイズ対策として、ノイズキャンセル共振器の共振周波数を、ノイズ源の周波数と合わせたとしても、必ずしも、ノイズ低減効果が大きいものではない、という問題があった。

また、特許文献２記載の従来技術は、ノイズキャンセル共振器の最適な配置についての
開示がなく、問題であった。

上記問題を解決するために、本発明に係る電力伝送システムは、１次共振器コイルを有する１次共振器で発生させる所定周波数の電磁界を介して、２次共振器コイルを有する２次共振器に電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、ノイズキャンセル共振器コイルを有し、前記所定周波数より、前記１次共振器コイルと前記ノイズキャンセル共振器コイルの結合度に応じて決まるシフト周波数分高い共振周波数を有するノイズキャンセル共振器を備え、前記１次共振器コイルが発生する磁界の方向と、前記ノイズキャンセル共振器コイルが発生する磁界の方向とが平行となるように、前記ノイズキャンセル共振器コイルが配されることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、前記ノイズキャンセル共振器コイルは、前記１次共振器コイル内から前記１次共振器コイル外へと磁界が発生する面内に含まれると共に、前記１次共振器コイル外に配されることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、１次共振器コイルを有する１次共振器で発生させる所定周波数の電磁界を介して、２次共振器コイルを有する２次共振器に電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、ノイズキャンセル共振器コイルを有し、前記所定周波数より、前記２次共振器コイルと前記ノイズキャンセル共振器コイルの結合度に応じて決まるシフト周波数分高い共振周波数を有するノイズキャンセル共振器を備え、前記２次共振器コイルが発生する磁界の方向と、前記ノイズキャンセル共振器コイルが発生する磁界の方向とが平行となるように、前記ノイズキャンセル共振器コイルが配されることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、前記ノイズキャンセル共振器コイルは、前記２次共振器コイル内から前記２次共振器コイル外へと磁界が発生する面内に含まれると共に、前記２次共振器コイル外に配されることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、前記所定周波数が、前記１次共振器が発生する電磁界の基本波の周波数であることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、前記所定周波数が、前記１次共振器が発生する電磁界の高調波の周波数であることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、前記高調波が奇数倍波であることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、前記高調波が偶数倍波であることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、前記１次共振器コイルと前記ノイズキャンセル共振器コイルの間の相互インダクタンス成分がＬ_mであるとき、
前記シフト周波数が、

であることを特徴とする。

また、本発明に係る電力伝送システムは、前記ノイズキャンセル共振器コイルのＱ値が５０以上であることを特徴とする。

本発明に係る電力伝送システムでは、ノイズキャンセル共振器コイルを有し、前記所定周波数より、前記１次共振器コイルと前記ノイズキャンセル共振器コイルの結合度に応じて決まるシフト周波数分高い共振周波数を有するノイズキャンセル共振器を備えると共に、ノイズキャンセル共振器のノイズキャンセル共振器コイルが最適な位置に配されているので、本発明によれば、特に磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤレス電力伝送システムでノイズの発生を抑制し、ノイズの漏洩を低減することが可能となる。

本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。 電力伝送システムのインバーター部を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００の等価回路を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける１次共振器及び２次共振器の設置形態を説明する図である。 １次共振器コイル及び２次共振器コイルのレイアウトを説明する図である。 本発明の実施形態に係るノイズキャンセル共振器とノイズ源である１次共振器との間の結合を説明する図である。 伝送効率の周波数依存性と、ノイズ放射率の周波数依存性の図を重ね合わせて示す図である。 第１極値周波数（磁気壁条件結合時周波数）における電流と電界の様子を模式的に示す図である。 第２極値周波数（電気壁条件結合時周波数）における電流と電界の様子を模式的に示す図である。 ノイズキャンセル共振器によってノイズ低減効率が向上することを説明する概念図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る電力伝送システムのブロック図である。なお、本実施形態においては、電力伝送システムを構成する送電側のアンテナとして１次共振器１５０を、また、受電側のアンテナとして２次共振器２５０を用いる例につき説明する。

本発明のアンテナが用いられる電力伝送システムとしては、例えば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両への充電のためのシステムが想定されている。電力伝送システムは、上記のような車両に対して電力を非接触で伝送するため、当該車両を停車させることが可能な停車スペースに設けられる。車両のユーザーはこの電力伝送システムが設けられている停車スペースに車両を停車させて、車両に搭載されている２次共振器２５０と、前記１次共振器１５０とを対向させることによって電力伝送システムからの電力を受電する。

電力伝送システムでは、電力伝送システム１００側の１次共振器１５０から、受電側システム２００側の２次共振器２５０へ効率的に電力を伝送する際、１次共振器１５０の共振周波数と、２次共振器２５０の共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し、効率的にエネルギー伝達を行うようにする。

電力伝送システム１００におけるＡＣ／ＤＣ変換部１０１は、入力される商用電源を一定の直流に変換するコンバータである。このＡＣ／ＤＣ変換部１０１からの出力は電圧制御部１０２において、所定の電圧に昇圧されたりする。この電圧制御部１０２で生成される電圧の設定は主制御部１１０から制御可能となっている。

インバーター部１０３は、電圧制御部１０２から供給される電圧から所定の交流電圧を生成して、整合器１０４に入力する。図２は電力伝送システムのインバーター部を示す図である。インバーター部１０３は、例えば図２に示すように、フルブリッジ方式で接続されたＱ_A乃至Ｑ_Dからなる４つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）によって構成されている。

本実施形態においては、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Bの間の接続部Ｔ１と、直列接続されたスイッチング素子Ｑ_Cとスイッチング素子Ｑ_Dとの間の接続部Ｔ２との間に整合器１０４が接続される構成となっており、スイッチング素子Ｑ_A
とスイッチング素子Ｑ_Dがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオ
フとされ、スイッチング素子Ｑ_Bとスイッチング素子Ｑ_Cがオンのとき、スイッチング素子Ｑ_Aとスイッチング素子Ｑ_Dがオフとされることで、接続部Ｔ１と接続部Ｔ２との間に矩形波の交流電圧を発生させる。なお、本実施形態においては、各スイッチング素子のスイッチングによって生成される矩形波の周波数の範囲は２０ｋＨｚ〜数１０００ｋＨｚ程度である。

上記のようなインバーター部１０３を構成するスイッチング素子Ｑ_A乃至Ｑ_Dに対する駆動信号は主制御部１１０から入力されるようになっている。また、インバーター部１０３を駆動させるための周波数は主制御部１１０から制御することができるようになっている。

整合器１０４は、所定の回路定数を有する受動素子から構成され、インバーター部１０３からの出力が入力される。そして、整合器１０４からの出力は１次共振器１５０に供給される。整合器１０４を構成する受動素子の回路定数は、主制御部１１０からの指令に基づいて調整することができるようになっている。主制御部１１０は、１次共振器１５０と２次共振器２５０とが共振するように整合器１０４に対する指令を行う。なお、整合器１０４は必須の構成ではない。

１次共振器１５０は、誘導性リアクタンス成分を有する１次共振器コイル１６０と、容量性リアクタンス成分を有する１次共振器キャパシタ１７０とから構成されており、対向するようにして配置される車両搭載の２次共振器２５０と共鳴することで、１次共振器１５０から出力される電気エネルギーを２次共振器２５０に送ることができるようになっている。１次共振器１５０・２次共振器２５０は、電力伝送システム１００における磁気共鳴アンテナ部として機能する。

電力伝送システム１００の主制御部１１０はＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部である。この主制御部１１０は、図示されている主制御部１１０と接続される各構成と協働するように動作する。

また、通信部１２０は車両側の通信部２２０と無線通信を行い、車両との間でデータの送受を可能にする構成である。通信部１２０によって受信したデータは主制御部１１０に転送され、また、主制御部１１０は所定情報を通信部１２０を介して車両側に送信することができるようになっている。

次に、車両側に設けられている構成について説明する。車両の受電側のシステムにおいて、２次共振器２５０は、１次共振器１５０と共鳴することによって、１次共振器１５０から出力される電気エネルギーを受電するものである。このような２次共振器２５０は、車両の底面部に取り付けられるようになっている。

２次共振器２５０は、誘導性リアクタンス成分を有する２次共振器コイル２６０と、容量性リアクタンス成分を有する２次共振器キャパシタ２７０とから構成されている。

２次共振器２５０で受電された交流電力は、整流部２０２において整流され、整流された電力は充電制御部２０３を通して電池２０４に蓄電されるようになっている。充電制御部２０３は主制御部２１０からの指令に基づいて電池２０４の蓄電を制御する。より具体的には、整流部２０２からの出力は充電制御部２０３において、所定の電圧値に昇圧又は降圧されて、電池２０４に蓄電されるようになっている。また、充電制御部２０３は電池２０４の残量管理なども行い得るように構成される。

主制御部２１０はＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭとＣＰＵのワークエリアであるＲＡＭなどからなる汎用の情報処理部である。この主制御部２１０は、図示されている主制御部２１０と接続される各構成と協働するように動作する。

インターフェイス部２１５は、車両の運転席部に設けられ、ユーザー（運転者）に対し所定の情報などを提供したり、或いは、ユーザーからの操作・入力を受け付けたりするものであり、表示装置、ボタン類、タッチパネル、スピーカーなどで構成されるものである。ユーザーによる所定の操作が実行されると、インターフェイス部２１５から操作データとして主制御部２１０に送られ処理される。また、ユーザーに所定の情報を提供する際には、主制御部２１０からインターフェイス部２１５に対して、所定情報を表示するための表示指示データが送信される。

また、車両側の通信部２２０は送電側の通信部１２０と無線通信を行い、送電側のシステムとの間でデータの送受を可能にする構成である。通信部２２０によって受信したデータは主制御部２１０に転送され、また、主制御部２１０は所定情報を通信部２２０を介して送電システム側に送信することができるようになっている。

電力伝送システムで、電力を受電しようとするユーザーは、上記のような送電側のシステムが設けられている停車スペースに車両を停車させ、インターフェイス部２１５から充電を実行する旨の入力を行う。これを受けた主制御部２１０は、充電制御部２０３からの電池２０４の残量を取得し、電池２０４の充電に必要な電力量を算出する。算出された電力量と送電を依頼する旨の情報は、車両側の通信部２２０から送電側のシステムの通信部１２０に送信される。これを受信した送電側システムの主制御部１１０は電圧制御部１０２、インバーター部１０３、整合器１０４を制御することで、車両側に電力を伝送するようになっている。

次ぎに、以上のように構成される１次共振器１５０・２次共振器２５０それぞれの回路定数（インダクタンス成分、キャパシタンス成分）について説明する。図３は本発明の実施形態に係る電力伝送システム１００の等価回路を示す図である。

本発明に係る電力伝送システム１００においては、１次共振器１５０の回路定数（インダクタンス成分、キャパシタンス成分）と、２次共振器２５０の回路定数とは、あえて異なるように構成することで、伝送効率を向上させるようにしている。

図３に示す等価回路において、１次共振器１５０のインダクタンス成分がＬ₁、キャパ
シタンス成分がＣ₁、抵抗成分がＲt₁であり、２次共振器２５０のインダクタンス成分が
Ｌ₂、キャパシタンス成分がＣ₂、抵抗成分がＲt₂であり、１次共振器１５０と２次共振器２５０との間の相互インダクタンスがＭであることを示している。なお、抵抗成分Ｒt₁及び抵抗成分Ｒt₂は導線などの内部抵抗であり、意図的に設けられているものではない。また、Ｒは電池２０４の内部抵抗を示している。また、１次共振器１５０と２次共振器２５０との間の結合係数はＫによって示される。

また、本実施形態においては、１次共振器１５０は、インダクタンス成分Ｌ₁、キャパ
シタンス成分Ｃ₁である直列共振器を、また、２次共振器２５０は、インダクタンス成分
Ｌ₂、キャパシタンス成分Ｃ₂である直列共振器を構成するものと考える。

まず、磁気共鳴方式の電力伝送では、電力伝送システム１００側の１次共振器１５０から、受電側システム２００側の２次共振器２５０へ効率的に電力を伝送する際、１次共振器１５０の共振周波数と、２次共振器２５０の共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナ（１次共振器１５０）から受電側アンテナ（２次共振器２５０）に対し、効率的にエネルギー伝達を行うようにしている。このための条件は、下式（１）によって表すことができる。

これを、インダクタンス成分がＬ₁、キャパシタンス成分がＣ₁、インダクタンス成分がＬ₂、キャパシタンス成分がＣ₂のみの関係で示すと、下式（２）に要約することができる。

また、１次共振器１５０のインピーダンスは下式（３）により、また、２次共振器２５０のインピーダンスは下式（４）により、表すことができる。なお、本明細書においては、下式（３）及び下式（４）によって定義される値をそれぞれの共振器のインピーダンスとして定義する。

磁気共鳴方式の電力伝送システム１００の受電側システムにおいて、電池２０４が定電圧充電モードに移行すると、電池２０４の電圧が一定なので、充電電力によって入力インピーダンスが変化する。電池２０４への充電電力が大きければ入力インピーダンスは低く、充電電力が小さければ入力インピーダンスは高くなる。受電側における２次共振器２５０は、効率の面から、電池２０４の充電電力に応じた入力インピーダンスに近いインピーダンスに設定することが望ましい。

一方、送電側における電源から見た１次共振器１５０への入力インピーダンスは、効率の面から高ければ高いほどよい。これは電源の内部抵抗分により電流の２乗比例でロスが発生するためである。

以上のことから、（３）式で示される１次共振器１５０のインピーダンスと、（４）式で示される２次共振器２５０のインピーダンスとの間には、下式（５）の関係が満たされることが望ましい。

これを、インダクタンス成分がＬ₁、キャパシタンス成分がＣ₁、インダクタンス成分がＬ₂、キャパシタンス成分がＣ₂のみの関係で示すと、下式（６）に要約することができる。

本発明に係る電力伝送システム１００においては、１次共振器１５０の回路定数と、２次共振器２５０の回路定数とが上記の式（２）及び式（６）を満たすようにされているために、受電側システムで電池２０４の充電を行う場合に、効率的な電力伝送を行うことが可能となる。

さらに電池２０４の内部インピーダンスとの関係についても言及する。受電側システムにおいて、電池２０４に対して効率的に充電が行える条件として、２次共振器２５０のインピーダンスと、電池２０４のインピーダンスとが整合していることを挙げることができる。

すなわち、本実施形態では、式（２）及び式（６）の条件に加えて、さらに、式（４）の２次共振器２５０のインピーダンスと電池２０４のインピーダンスRとの間に、

の関係を持たせることで、受電側システムで電池２０４の充電を行う場合、システム全体として、効率的な電力伝送を行うことを可能としている。

次に、以上のように構成される電力伝送システム１００におけるノイズ漏洩対策について説明する。

これまで説明したように、本実施形態に係る電力伝送システム１００では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などの車両搭載電池への充電を行うために用いられる。図４は本発明の実施形態に係る電力伝送システムにおける１次共振器１５０及び２次共振器２５０の設置形態を説明する図である。

図４に示すように、１次共振器１５０を構成する１次共振器コイル１６０及び１次共振器キャパシタ１７０は１次共振器ケース１４０に収納され、地面上に配される。一方、２次共振器２５０を構成する２次共振器コイル２６０及び２次共振器キャパシタ２７０は２次共振器ケース２４０に収納され、車両の底面部に取り付けられている。

上記のような状況で、電力伝送システム１００で電力伝送を実施すると、１次共振器１５０と２次共振器２５０とが対向していない周辺部で、電磁界強度が高いが領域が発生することで、ノイズが漏洩することとなる。

このような、電力伝送中に共振器から漏洩した電磁界は、車両の金属部に入射しこれを加熱したり、車両の底面と地面との間から漏洩し、環境や人体へ影響を与える可能性があったりするので、好ましくない。

そこで、本発明に係る電力伝送システム１００では、ノイズキャンセル共振器３００を、送電側のアンテナである１次共振器１５０の近傍に配置することにより、上記のような漏洩を低減させることが可能となり、電磁界の漏洩による環境や人体への影響を抑制することが可能となる。

図５は１次共振器コイル１６０及び２次共振器コイル２６０のレイアウトを説明する図である。

図５（Ａ）は１次共振器１５０が収納される１次共振器ケース１４０、及び、２次共振器２５０が収納される２次共振器ケース２４０を抜き出して示す図である。なお、本図においては、１次共振器１５０の１次共振器コイル１６０のみを示し、１次共振器キャパシタ１７０は図示省略している。同様に、２次共振器２５０の２次共振器コイル２６０のみを示し、２次共振器キャパシタ２７０は図示省略している。

また、本発明で用いるノイズキャンセル共振器３００は、インダクタンス成分Ｌ_nを有
するノイズキャンセル共振器コイル３１０と、キャパシタンス成分Ｃ_nを有するノイズキ
ャンセル共振器キャパシタ３２０の直列接続から構成されているが、図５（Ａ）ではノイズキャンセル共振器コイル３１０のみ図示し、ノイズキャンセル共振器キャパシタ３２０については図示省略している。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示される１次共振器コイル１６０、２次共振器コイル２６０、ノイズキャンセル共振器コイル３１０を模式化して図解したものである。１次共振器コイル１６０は仮想平面Ｐ１内に、また、２次共振器コイル２６０は仮想平面Ｐ２内に含まれるように配されている。また、ノイズキャンセル共振器コイル３１０については、１次共振器コイル１６０の近傍であり、仮想平面Ｐ１内に含まれるように、配されている。

また、１次共振器コイル１６０とノイズキャンセル共振器コイル３１０とは、同じ仮想平面Ｐ１内にあり、１次共振器コイル１６０が発生する磁界の方向と、ノイズキャンセル共振器コイル３１０が発生する磁界の方向とが平行となるように、ノイズキャンセル共振器コイル３１０が配されるようになっている。

さらに、本実施形態においては、ノイズキャンセル共振器コイル３１０は、１次共振器コイル１６０内から１次共振器コイル１６０外へと磁界が発生する面（仮想平面Ｐ１）内に含まれると共に、１次共振器コイル１６０外に配されることを特徴としている。

ここで、ノイズキャンセル共振器３００についてより詳細に説明する。なお、本発明で用いるノイズキャンセル共振器３００は、特に磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤレス電力伝送システムにおけるノイズ対策に好適であるが、上記電力伝送システムのようなノイズ源に限らず、種々のノイズ源に対して、ノイズ低減効率を向上させることが可能である。

図６は本発明の実施形態に係るノイズキャンセル共振器３００とノイズ源である１次共振器１５０との間の結合を説明する図である。

図６において、１次共振器１５０は、電力伝送システムの送電用のアンテナとして用いられており、１次共振器１５０は所定の基本周波数の電磁界を発生し、２次共振器２５０に対して磁気共鳴方式で電力の伝送を行っている。また、１次共振器１５０と２次共振器２５０との間の相互インダクタンスはＭである。

１次共振器１５０は、インダクタンス成分Ｌ₁を有する１次共振器コイル１６０と、キ
ャパシタンス成分Ｃ₁を有する１次共振器キャパシタ１７０の直列接続から構成されてい
る。

一方、ノイズキャンセル共振器３００は、インダクタンス成分Ｌ_nを有するノイズキャ
ンセル共振器コイル３１０と、キャパシタンス成分Ｃ_nを有するノイズキャンセル共振器
キャパシタ３２０の直列接続から構成されており、２次共振器２５０に対する電力伝送に寄与せず、１次共振器１５０から漏洩する電磁界（ノイズ）を除去することが想定されるものである。

Ｌ_mは１次共振器コイル１６０とノイズキャンセル共振器コイル３１０と間の相互イン
ダクタンスである。

ノイズキャンセル共振器３００は、実際は端子部（２）において閉じた構造を有するものであるが、図６においては、１次共振器１５０からノイズキャンセル共振器３００への電力伝送回路として認識することで、ノイズキャンセル共振器３００の特性について説明を行うものである。

図７は、上記のような図６の電力伝送回路における伝送効率の周波数依存性と、ノイズ放射率と周波数依存性の図を重ね合わせて示す図である。図７において、横軸には周波数、また、縦軸のＳ２１は端子（１）から信号を入力したときに、端子（２）に通過する電
力を示している。

図７に示すように、図６の電力伝送回路における電力伝送効率の周波数特性では、２つの極値を与える周波数が２つある。周波数が低い方の極値周波数を第１極値周波数、周波数が高い方の極値周波数を第２極値周波数として定義する。また、図中、ｆ_oはノイズキ
ャンセル共振器３００の共振周波数を示している。

低い方の極値周波数である第１極値周波数で１次共振器１５０を駆動し、電力伝送を行っている場合には、１次共振器１５０の１次共振器コイル１６０と、ノイズキャンセル共振器３００のノイズキャンセル共振器コイル３１０とが、磁気壁条件で結合している。

一方、高い方の極値周波数である第２極値周波数で１次共振器１５０を駆動し、電力伝送を行っている場合には、１次共振器１５０の１次共振器コイル１６０と、ノイズキャンセル共振器３００のノイズキャンセル共振器コイル３１０とが、電気壁条件で結合している。

以下、１次共振器１５０の１次共振器コイル１６０と、ノイズキャンセル共振器３００のノイズキャンセル共振器コイル３１０との間の対称面に生じる電気壁、及び磁気壁の概念について説明する。

図８は第１極値周波数（磁気壁条件結合時周波数）における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第１極値周波数においては、１次共振器コイル１６０に流れる電流と、ノイズキャンセル共振器コイル３１０に流れる電流とで位相が略等しくなり、磁界ベクトルが揃う位置が１次共振器コイル１６０やノイズキャンセル共振器コイル３１０の中央部付近となる。この状態を、１次共振器コイル１６０とノイズキャンセル共振器コイル３１０との間の対称面に対して磁界の向きが垂直となる磁気壁が生じているものとして考える。

図８に示すように、１次共振器１５０とノイズキャンセル共振器３００とが磁気壁条件で結合している時は、１次共振器コイル１６０からの磁界がノイズキャンセル共振器コイル３１０に進入するような状態となる。

また、図９は第２極値周波数（電気壁条件結合時周波数）における電流と電界の様子を模式的に示す図である。第２極値周波数においては、１次共振器コイル１６０に流れる電流と、ノイズキャンセル共振器コイル３１０に流れる電流とで位相がほぼ逆となり、磁界ベクトルが揃う位置が１次共振器コイル１６０やノイズキャンセル共振器コイル３１０の対称面付近となる。この状態を、１次共振器コイル１６０とノイズキャンセル共振器コイル３１０との間の対称面に対して磁界の向きが水平となる電気壁が生じているものとして考える。

図９に示すように、１次共振器１５０とノイズキャンセル共振器３００とが電気壁条件で結合している時は、１次共振器コイル１６０からの磁界と、ノイズキャンセル共振器３００からの磁界が、対称面で排斥し合うような状態となる。

なお、以上のような電気壁や磁気壁などの概念に関しては、居村岳広、堀洋一「電磁界共振結合による伝送技術」ＩＥＥＪ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．７，２００９、或いは、居村岳広、岡部浩之、内田利之、堀洋一「等価回路から見た非接触電力伝送の磁界結合と電界結合に関する研究」ＩＥＥＪ Ｔｒａｎｓ．ＩＡ，Ｖｏｌ．１３０，Ｎｏ．１，２０１０などに記載されているものを本明細書においては援用している。

ここで、図７の一点鎖線で示される、１次共振器１５０からのノイズ放射の周波数特性は、第１極値周波数（磁気壁条件結合時周波数）で極小値をとり、第２極値周波数（電気壁条件結合時周波数）で極大値をとることがわかる。

上記のような特性があることから、本発明においては、１次共振器１５０が発する電磁界（ノイズ）の周波数が、ちょうど、第１極値周波数ｆ_m（磁気壁条件結合時周波数）と
なるような関係で、ノイズキャンセル共振器３００の共振周波数ｆ_cを設定する。

より具体的には、ノイズキャンセル共振器３００の共振周波数ｆ_cは、１次共振器１５
０が発生する電磁界の所定周波数（本実施形態の場合ｆ_mとする）より、１次共振器コイ
ル１６０とノイズキャンセル共振器コイル３１０の結合度ｋ（小文字）に応じて決まるシフト周波数ｆ_s分高い共振周波数に設定する。

シフト周波数ｆ_sは、１次共振器コイル１６０とノイズキャンセル共振器コイル３１０
の結合度ｋに応じて決定されるものであり、すなわち、シフト周波数ｆ_sは、１次共振器
コイル１６０とノイズキャンセル共振器コイル３１０との間の相互インダクタンスＬ_mに
よっても決まるものであり、上記のシフト周波数ｆ_sは、下式（８）によって求めること
ができる。

以上より、ノイズキャンセル共振器３００の共振周波数ｆ_cは、下式（９）により求め
るようにする。

ノイズキャンセル共振器３００の共振周波数ｆ_cを上記のように設定することで、ノイ
ズ源である１次共振器１５０の１次共振器コイル１６０とノイズキャンセル共振器コイル３１０とは磁気壁条件で結合することとなり、これにより、図７のノイズ放射の周波数特性でも示されるように、ノイズキャンセル共振器３００が効率的に、１次共振器１５０から放射されるノイズを除去することができるようになる。

本発明で用いるノイズキャンセル共振器３００によれば、特に磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤレス電力伝送システムにおけるノイズ対策において、ノイズ低減効果が大きい。

なお、本発明で用いるノイズキャンセル共振器３００は、ノイズに対してパッシブな構成であるために、ノイズキャンセル共振器３００の特性がノイズの逆位相波のレベルと等倍程度であることが望ましい。また、ノイズキャンセル共振器３００でのロスを極力低減することが望ましく、実験的にノイズキャンセル共振器３００のＱ値は５０以上であるとノイズ低減効果が大きいことを確認している。

ところで、ノイズ源である１次共振器１５０から発生する電磁界の周波数は、基本波に加えて、この基本波の高調波のノイズ成分が含まれるので、このノイズ成分についても、ノイズキャンセル共振器３００によって除去を行いたい、というニーズが存在する。

上記のような高調波として、１次共振器１５０を駆動する周波数の奇数倍の高調波が放射されすい系では、１次共振器１５０から下式（１０）により求められる高調波が発生するので、ノイズキャンセル共振器３００の共振周波数は、下式（１１）により定められるものとするとよい。

（ただし、ｎは自然数）

（ただし、ｎは自然数）
また、高調波として、１次共振器１５０を駆動する周波数の偶数倍の高調波が放射されすい系では、１次共振器１５０から下式（１２）により求められる高調波が発生するので、ノイズキャンセル共振器３００の共振周波数は、下式（１３）により定められるものとするとよい。

（ただし、ｎは自然数）

（ただし、ｎは自然数）
これまで説明したように、本発明で用いるノイズキャンセル共振器３００のノイズキャンセル共振器コイル３１０においては、１次共振器１５０の１次共振器コイル１６０と磁気壁条件で結合するようにすることで、ノイズ低減効果を狙うようにしているが、この原理を模式的に説明する。

図１０は本発明の実施形態に係るノイズキャンセル共振器３００によってノイズ低減効率が向上することを説明する概念図である。これまで、説明したように、１次共振器コイル１６０とノイズキャンセル共振器コイル３１０とは、互いに磁気壁条件で結合している。さらに、１次共振器コイル１６０とノイズキャンセル共振器コイル３１０とは、同じ仮想平面Ｐ１内にあり、１次共振器コイル１６０が発生する磁界の方向と、ノイズキャンセル共振器コイル３１０が発生する磁界の方向とが平行となるように、ノイズキャンセル共振器コイル３１０が配されるようになっている。

さらに、本実施形態においては、ノイズキャンセル共振器コイル３１０は、１次共振器コイル１６０内から１次共振器コイル１６０外へと磁界が発生する面（仮想平面Ｐ１）内に含まれると共に、１次共振器コイル１６０外に配されることを特徴としている。

図１０（Ａ）は、１次共振器１５０の１次共振器コイル１６０とノイズキャンセル共振器３００のノイズキャンセル共振器コイル３１０とが磁気壁条件で結合している場合を示しており、この場合、１次共振器コイル１６０からの磁界がノイズキャンセル共振器コイル３１０に進入するような状態となるが、これに基づけば、ポイントＸに発生している磁界もノイズキャンセル共振器コイル３１０に進入することとなる。したがって、点線で囲まれているように、１次共振器コイル１６０から磁界と、ノイズキャンセル共振器コイル３１０に進入する磁界と、が相殺するようになり、ノイズのキャンセル効果が発生する。

一方、図１０（Ｂ）は、１次共振器１５０器の１次共振器コイル１６０とノイズキャンセル共振器３００のノイズキャンセル共振器コイル３１０とが電気壁条件で結合している場合を示しており、この場合、１次共振器コイル１６０からの磁界と、ノイズキャンセル共振器３００からの磁界が、その間で排斥し合うような状態となるが、これに基づけば、ポイントＸに進入する磁界が発生することとなる。したがって、点線で囲まれているように、１次共振器コイル１６０からの磁界と、ノイズキャンセル共振器コイル３１０からの磁界とは、お互いに強め合うように働き、ノイズを増幅してしまうこととなる。

以上、本発明に係る電力伝送システム１００では、ノイズキャンセル共振器コイル３１０を有し、前記所定周波数より、前記１次共振器コイル１６０と前記ノイズキャンセル共振器コイル３１０の結合度に応じて決まるシフト周波数分高い共振周波数を有するノイズキャンセル共振器３００を備えると共に、ノイズキャンセル共振器３００のノイズキャンセル共振器コイル３１０が最適な位置に配されているので、本発明によれば、特に磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤレス電力伝送システムでノイズの発生を抑制し、ノイズの漏洩を低減することが可能となる。

なお、以上に示した実施形態においては、ノイズキャンセル共振器３００は、１次共振器コイル１６０側に配置する例に基づいて説明を行ったが、ノイズキャンセル共振器３００は、２次共振器２５０の２次共振器コイル２６０近傍に配するようにしてもよい。

より具体的には、このような実施形態では、１次共振器コイル１６０を有する１次共振器１５０で発生させる所定周波数の電磁界を介して、２次共振器コイル２６０を有する２次共振器２５０に電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、ノイズキャンセル共振器コイル３１０を有し、前記所定周波数より、前記２次共振器コイル２６０と前記ノイズキャンセル共振器コイル３１０の結合度に応じて決まるシフト周波数分高い共振周波数を有するノイズキャンセル共振器３００を備え、前記２次共振器コイル２６０が発生する磁界の方向と、前記ノイズキャンセル共振器コイル３１０が発生する磁界の方向とが平行となるように、前記ノイズキャンセル共振器コイル３１０が配されるようにする。

さらに、前記ノイズキャンセル共振器コイル３１０は、前記２次共振器コイル２６０内から前記２次共振器コイル２６０外へと磁界が発生する面（仮想平面Ｐ２）内に含まれると共に、前記２次共振器コイル２６０外に配されるようにする。

以上のような、ノイズキャンセル共振器３００を、２次共振器２５０の２次共振器コイル２６０近傍に配するようにした実施形態によっても、先の実施形態と同様の効果を享受することができる。

さらに、本発明においては、ノイズキャンセル共振器３００は、１次共振器１５０の１次共振器コイル１６０近傍、及び、２次共振器２５０の２次共振器コイル２６０近傍の双方に配するようにしてもよい。

このような本発明によれば、特に磁気共鳴方式の磁気共鳴アンテナが用いられるワイヤ
レス電力伝送システムでノイズの発生を抑制し、ノイズの漏洩を低減することが可能となる。

１００・・・電力伝送システム
１０１・・・ＡＣ／ＤＣ変換部
１０２・・・電圧制御部
１０３・・・インバーター部
１０４・・・整合器
１１０・・・主制御部
１２０・・・通信部
１４０・・・１次共振器ケース
１５０・・・１次共振器
１６０・・・１次共振器コイル
１７０・・・１次共振器キャパシタ
２０１・・・２次共振器
２０２・・・整流部
２０３・・・充電制御部
２０４・・・電池
２１０・・・主制御部
２１５・・・インターフェイス部
２２０・・・通信部
２４０・・・２次共振器ケース
２５０・・・２次共振器
２６０・・・２次共振器コイル
２７０・・・２次共振器キャパシタ

Claims (10)

1. １次共振器コイルを有する１次共振器で発生させる所定周波数の電磁界を介して、２次共振器コイルを有する２次共振器に電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、
   ノイズキャンセル共振器コイルを有し、前記所定周波数より、前記１次共振器コイルと前記ノイズキャンセル共振器コイルの結合度に応じて決まるシフト周波数分高い共振周波数を有するノイズキャンセル共振器を備え、
   前記１次共振器コイルが発生する磁界の方向と、前記ノイズキャンセル共振器コイルが発生する磁界の方向とが平行となるように、前記ノイズキャンセル共振器コイルが配されることを特徴とする電力伝送システム。
2. 前記ノイズキャンセル共振器コイルは、前記１次共振器コイル内から前記１次共振器コイル外へと磁界が発生する面内に含まれると共に、前記１次共振器コイル外に配されることを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
3. １次共振器コイルを有する１次共振器で発生させる所定周波数の電磁界を介して、２次共振器コイルを有する２次共振器に電気エネルギーを伝送する電力伝送システムであって、
   ノイズキャンセル共振器コイルを有し、前記所定周波数より、前記２次共振器コイルと前記ノイズキャンセル共振器コイルの結合度に応じて決まるシフト周波数分高い共振周波数を有するノイズキャンセル共振器を備え、
   前記２次共振器コイルが発生する磁界の方向と、前記ノイズキャンセル共振器コイルが発生する磁界の方向とが平行となるように、前記ノイズキャンセル共振器コイルが配されることを特徴とする電力伝送システム。
4. 前記ノイズキャンセル共振器コイルは、前記２次共振器コイル内から前記２次共振器コイル外へと磁界が発生する面内に含まれると共に、前記２次共振器コイル外に配されることを特徴とする請求項３に記載の電力伝送システム。
5. 前記所定周波数が、前記１次共振器が発生する電磁界の基本波の周波数であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
6. 前記所定周波数が、前記１次共振器が発生する電磁界の高調波の周波数であることを特徴とする請求項１乃至請求項請求項４のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
7. 前記高調波が奇数倍波であることを特徴とする請求項６に記載の電力伝送システム。
8. 前記高調波が偶数倍波であることを特徴とする請求項６に記載の電力伝送システム。
9. 前記１次共振器コイルと前記ノイズキャンセル共振器コイルの間の相互インダクタンス成分がＬ_mであるとき、
   前記シフト周波数が、
   

   

   であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力伝送システム。
10. 前記ノイズキャンセル共振器コイルのＱ値が５０以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の電力伝送システム。
    

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