\¥0 2020/175582 1 卩（：17 2020 /007861 明 細 書

発明の名称 ： 無線給電ユニットおよび受電モジュール

技術分野

[0001 ] 本開示は、 無線給電ユニッ トおよび受電モジュールに関する。

背景技術

[0002] 近年、 無線すなわち非接触で電力を伝送する無線電 力伝送技術の開発が進 められている。

[0003] 特許文献 1は、 移動体または電気機器に非接触で給電する非 接触給電装置 の例を開示している。 特許文献 1 に開示された非接触給電装置は、 一次卷線 から二次卷線に電磁誘導作用によって電力を 伝送する。 一次卷線および二次 巻線の一方には直列コンデンサが接続され、 _次卷線および二次巻線の他方 には並列コンデンサが接続される。 直列コンデンサおよび並列コンデンサの それぞれの容量値は、 非接触給電装置のトランスが理想トランスと 実質的に 等価になるように設定される。 そのような設定により、 高効率、 高力率、 か つ負荷の変動に依存しない非接触給電装置を 提供できる旨が記載されている

[0004] 特許文献 2は、 送電用のコイルと受電用のコイルの組み合わ せを 2組備え る非接触給電装置を開示している。 特許文献 2に開示された非接触給電装置 では、 固定部に配置された 2つの一次コイルから、 回転部に配置された 2つ の二次コイルに、 非接触で電力が伝送される。

先行技術文献

特許文献

[0005] 特許文献 1 :国際公開第 2 0 0 7 / 0 2 9 4 3 8号明細書

特許文献 2 :国際公開第 2 0 1 5 / 0 1 9 4 7 8号明細書

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0006] 本開示は、 無線電力伝送システムの動作をさらに安定化 させるための技術 \¥0 2020/175582 2 卩（：170? 2020 /007861

を提供する。

課題を解決するための手段

[0007] 本開示の一態様による無線給電ユニッ トは、 送電モジュールと、 受電モジ ュールとを備える。 前記送電モジュールは、 交流電力を送出する送電コイル を含む。 前記受電モジュールは、 前記送電コイルから前記交流電力の少なく とも一部を受け取る受電コイルと、 前記受電コイルに接続された補償回路と を含む。 前記補償回路は、 前記送電コイルおよび前記受電コイルから構 成さ れるコイル対の、 漏れリアクタンスまたは励磁リアクタンスの 少なくとも一 部を相殺する少なくとも 1つの補償素子を含む。

[0008] 本開示の他の態様による無線給電ユニッ トは、 送電モジュールと、 受電モ ジュールとを備える。 前記送電モジュールは、 第 1の交流電力を送出する第 1の送電コイルと、 第 2の交流電力を送出する第 2の送電コイルとを含む。 前記受電モジュールは、 前記第 1の送電コイルから前記第 1の交流電力の少 なくとも一部を受け取る第 1の受電コイルと、 前記第 2の送電コイルから前 記第 2の交流電力の少なくとも一部を受け取る第 2の受電コイルと、 前記第 1および第 2の受電コイルに接続された補償回路とを含� �。 前記補償回路は 、 前記第 1の送電コイルおよび前記第 1の受電コイルから構成される第 1の コイル対、 前記第 2の送電コイルおよび前記第 2の受電コイルから構成され る第 2のコイル対、 前記第 1の送電コイルおよび前記第 2の送電コイルから 構成される第 3のコイル対、 前記第 1の受電コイルおよび前記第 2の受電コ イルから構成される第 4のコイル対、 前記第 1の送電コイルおよび前記第 2 の受電コイルから構成される第 5のコイル対、 および前記第 2の送電コイル および前記第 1の受電コイルから構成される第 6のコイル対のうちの少なく とも 1つのコイル対の、 漏れリアクタンスまたは励磁リアクタンスの 少なく とも一部を相殺する少なくとも 1つの補償素子を含む。

[0009] 本開示の包括的または具体的な態様は、 装置、 システム、 方法、 集積回路 、 コンビュータプログラム、 または記録媒体を用いて実現され得る。 あるい は、 装置、 システム、 方法、 集積回路、 コンビュータプログラム、 または記 \¥0 2020/175582 3 卩（：170? 2020 /007861

録媒体の任意の組み合わせによつて実現さ れてもよい。

発明の効果

［0010］ 本開示の一態様によれば、 無線電力伝送システムの動作をさらに安定化 さ せることができる。

図面の簡単な説明

［001 1］ ［図 1］無線電力伝送システムの構成の一例を示� �ブロツク図である。

［図 2八］解析で使用された回路構成を示す図で� �る。

［図 28］解析で使用された回路構成を示す図であ� ��。

［図 3］本開示の例示的な実施形態 1 による無線電力伝送システムの構成を模式 的に示す図である。

［図 4］結合回路および補償回路の等価回路を示� �図である。

［図 5］結合回路におけるコイル間の電磁結合を� �式的に示す図である。

［図 6］結合回路の 型等価回路を示す図である。

［図 7］複数の補償素子の配置例を示す図である� �

［図 8］結合回路および補償回路の具体的な構成� �例を示す図である。

［図 9］実施形態 1の第 1の変形例を示す図である。

［図 10］実施形態 1の第 2の変形例を示す図である。

［図 1 1］実施形態 1の第 3の変形例を示す図である。

［図 12］実施形態 1の第 4の変形例を示す図である。

［図 13］実施形態 1の第 5の変形例を示す図である。

［図 14］本開示の例示的な実施形態 2の構成の概略を示す図である。

［図 15］実施形態 2における結合回路および補償回路の具体的� �構成例を示す 図である。

が変化したときの出力電圧 V 。 リ 1 1の過渡変動の解析結 果を示すグラフである。

［図 17］実施形態 2の変形例を示す図である。

［図 18］ 丨 n 1 と V 丨 门 2の位相差が 0 ° 、 9 0 ° 、 1 8 0 ° の場合の V I の波形の例を示す図である。 \¥0 2020/175582 4 卩（：170? 2020 /007861

［図 19］ 丨 n 1 と V 丨 n 2の位相差を変化させることにより、 V〇リ 1: 1お よび V〇リ I 2を変化させることができることを示す図で� �る。

［図 20］本開示の例示的な実施形態 3における無線電力伝送システムの構成を 模式的に示す図である。

［図 21］実施形態 3における結合回路を 型等価回路で表した図である。

［図 22］無線電力伝送を適用したロボッ トアーム装置の一例を示す図である。 ［図 23］無線電力伝送システムの構成例を示すブ� ��ック図である。

［図 24八］送電コイルおよび受電コイルの等価回� ��の一例を示す図である。

［図 248］送電コイルおよび受電コイルの等価回路 の他の例を示す図である。 ［図 25八］送電コイルおよび受電コイルの配置関� ��の一例を示す図である。

［図 258］送電コイルおよび受電コイルの他の構成 例を示す図である。

［図 25（：］送電コイルおよび受電コイルのさら� ��他の構成例を示す図である。 ［図 26］アームの直動部におけるコイルの配置例� ��示す斜視図である。

［図 27八］フルブリッジ型のインバータ回路の構� ��例を示す図である。

［図 278］ハーフブリッジ型のインバータ回路の構 成例を示す図である。

発明を実施するための形態

［0012］ （本開示の基礎となった知見）

本開示の実施形態を説明する前に、 本開示の基礎となった知見を説明する

［0013］ 図 1は、 無線電力伝送システムの構成の一例を示すブ ロック図である。 こ の無線電力伝送システムは、 無線給電ユニッ ト 1 0 0と、 第 1の電源 5 1 と 、 第 2の電源 5 2と、 第 1の負荷 6 1 と、 第 2の負荷 6 2とを備える。 無線 給電ユニッ ト 1 0 0は、 2つの電源 5 1、 5 2と、 2つの負荷 6 1、 6 2と に接続される。 無線給電ユニッ ト 1 0 0は、 電源 5 1、 5 2から供給された 電力を、 負荷 6 1、 6 2にそれぞれ無線で供給することができる。 すなわち 、 無線給電ユニッ ト 1 0 0は、 2つの無線電力伝送系統を備える。 以下、 こ れらの 2つの無線電力伝送系統を、 「第 1の系統」 および 「第 2の系統」 と 称する。 \¥0 2020/175582 5 卩（：170? 2020 /007861

[0014] 第 1の系統は、 第 1のインバータ回路 1 3と、 第 1の送電コイル 1 1 と、 第 1の受電コイル 2 1 と、 第 1の整流回路 2 3とを含む。 第 2の系統は、 第 2のインバータ回路 1 4と、 第 2の送電コイル 1 2と、 第 2の受電コイル 2 2と、 第 2の整流回路 2 4とを含む。 第 1の系統における無線電力伝送は、 第 1の送電コイル 1 1 と、 これに対向する第 1の受電コイル 2 1 との間の電 磁結合によって実現される。 第 2の系統における無線電力伝送は、 第 2の送 電コイル 1 2と、 これに対向する第 2の受電コイル 2 2との間の電磁結合に よって実現される。

[0015] 第 1のインバータ回路 1 3は、 第 1の電源 5 1 と第 1の送電コイル 1 1 と の間に接続される。 第 1のインバータ回路 1 3は、 第 1の電源 5 1から出力 された第 1の直流電力を第 1の交流電力に変換して第 1の送電コイル 1 2に 供給する。 第 2のインバータ回路 1 4は、 第 2の電源 5 2と第 2の送電コイ ル 1 2との間に接続される。 第 2のインバータ回路 1 4は、 第 2の電源 5 2 から出力された第 2の直流電力を第 2の交流電力に変換して第 2の送電コイ ル 1 2に供給する。

[0016] 第 1の整流回路 2 3は、 第 1の受電コイル 2 1 と第 1の負荷 6 1 との間に 接続される。 第 1の整流回路 2 3は、 第 1の受電コイル 2 1が受け取った交 流電力を整流および平滑化して第 1の負荷 6 1 に供給する。 第 2の整流回路 2 4は、 第 2の受電コイル 2 2と第 2の負荷 6 2との間に接続される。 第 2 の整流回路 2 4は、 第 2の受電コイル 2 2が受け取った交流電力を整流およ び平滑化して第 2の負荷 6 2に供給する。

[0017] 図 1 に示すシステムは、 例えばロボッ トが備えるモータなどの電動機器と 、 当該電動機器を制御する制御装置に、 それぞれ独立に電力を供給する用途 で使用され得る。 その場合、 モータなどの電動機器が第 1の負荷 6 1 に相当 し、 当該電動機器を制御する制御装置が第 2の負荷 6 2に該当する。

[0018] 本明細書において 「負荷」 とは、 電力によって動作するあらゆる機器を意 味する。 「負荷」 には、 例えばモータ、 カメラ、 撮像素子、 光源、 二次電池 、 および電子回路 （例えば電力変換回路またはマイクロコント ローラ） など \¥0 2020/175582 6 卩（：170? 2020 /007861

の機器が含まれ得る。

[0019] 図 1 に示す例では、 コンデンサ〇 3 1、 〇 3 2が送電コイル 1 1、 1 2に それぞれ直列に接続され、 コンデンサ〇 1、 〇 2が受電コイル 2 1、 2 2にそれぞれ並列に接続されている。 すなわち、 各系統において送電側に直 列コンデンサが配置され、 受電側に並列コンデンサが配置されている。 この 構成は、 特許文献 1 に開示された構成に類似する。 以下、 各コンデンサを表 す符号 1等） を、 そのコンデンサの容量値を表す記号としても 用いる

[0020] 特許文献 1の記載に従えば、 各コンデンサの容量値を、 送電コイルと受電 コイルとの対によって構成されるトランスが 理想トランスと実質的に等価に なるように設定される。 そのような設定により、 高効率、 高力率、 あるいは 負荷変動に依存しないシステムを構築できる ことが期待される。

[0021 ] しかしながら、 本発明者らの検討によれば、 複数系統のコイル対が同ーユ ニッ ト内に配置されている場合、 各容量値を上記のように設定したとしても 、 十分な性能が実現されないことがわかった。 これは、 複数系統のコイル間 で不要な電磁結合が発生するためであると考 えられる。

[0022] 図 1の例では、 黒矢印で示される必要なコイル間結合だけで なく、 ドッ ト 矢印で示される不要なコイル間結合が発生す る。 不要なコイル間結合は、 第 1の送電コイル 1 1 と第 2の送電コイル 1 2との間、 第 1の送電コイル 1 1 と第 2の受電コイル 2 2との間、 第 2の送電コイル 1 2と第 1の受電コイル 2 1 との間、 および第 1の受電コイル 2 1 と第 2の受電コイル 2 2との間で 生じる。 これらの不要な結合により、 例えば以下の問題が生じ得る。

出力電圧変動：各系統で伝送される電力の一 部が相互に他方の系統に漏れ 、 各系統の出力電圧の変動を引き起こす。

-負荷停止時の不要な動作：第 1の負荷への給電停止時に、 第 2の負荷に供 給される電力の一部が第 1の系統に漏れ、 第 1の負荷の不要な動作を招く。

[0023] これらの問題は、 3系統以上の無線電力伝送を行うシステムに� �いても同 様に発生し得る。 \¥02020/175582 7 卩（：170? 2020 /007861

［0024］ 本発明者らは、 図 1 に示す構成について、 回路解析を行うことにより、 不 要なコイル間結合による電力伝送への影響を 確認した。 図 2八は、 本解析で 使用された回路構成を示す図である。 第 1の系統において、 送電コイル 1_ 1 には直列コンデンサ〇 3 1が接続され、 受電コイル !_ 2には並列コンデンサ 〇 1が接続されている。 第 2の系統において、 送電コイル !_ 3には直列コ ンデンサ〇 32が接続され、 受電コイル !_4には並列コンデンサ〇 2が接 続されている。 図 2八における［¾ 1、 ［¾ 2、 ［¾3、 それぞれ、 コイ ル 1_ 1、 ！_ 2、 ！_ 3、 1-4の抵抗成分を表す。 送電コイル 1_ 1、 直列コンデ ンサ〇 3 1、 抵抗 1 によって構成される直列共振回路の入力電圧 を V 丨 n 1 とする。 受電コイル 1_ 2、 並列コンデンサ〇 1、 抵抗 2によって構成 される並列共振回路の出力電圧を V〇リ I 1 とする。 電圧 V〇リ I 1は、 負 荷［¾ 1_ 1 に印加される。 同様に、 受電コイル !_ 4、 並列コンデンサ〇 2、 抵抗 4によって構成される並列共振回路の出力電� �を V〇リ I 2とする。 電圧 V。リ 2は、 負荷 1_ 2に印加される。 コイル 1_ 1、 ！_ 2間の結合係 数を！ < 1 2、 コイル !_ 3、 1-4間の結合係数を 1< 34、 コイル 1_ 1、 ！_4間 の結合係数を！ < 1 4、 コイル !_ 3、 ！_ 2間の結合係数を 1< 32、 コイル !_ 2 、 1_4間の結合係数を 1< 24とする。

［0025］ 図 2八は、 系統間の不要な結合がない場合、 すなわち、 |< 1 3 = 1< 24 =

1 4 = 1< 32 = 0の場合の例を示している。 他の回路パラメータは、 図示 されているとおりである。

［0026］ 表 1は、 入力電圧を V i n 1 =255V、 V I n 2 = 1 2 Vに設定し、 および V〇リ 2の変 化を示している。 ここで、 出力電圧 V〇リ 1: 1および V〇リ 2の定格電圧 は、 それぞれ 282 Vおよび 24 である。

[0027] \¥02020/175582 8 卩(：170? 2020 /007861

[表 1]

[0028] 表 2は、 入力電圧を V 丨 n 1 =0 V、 V 丨 n 2 = 1 2 Vに設定した場合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0029] [表 2]

[0030] 表 3は、 入力電圧を V i n 1 =255 V、 V I n 2 = 0 Vに設定した場合 の 〇リ 1および 〇リ 2の変化を示している。

[0031] [表 3]

[0032] 表 1から表 3に示すように、 V〇リ 1: 1および V〇リ I 2のそれぞれの最 適値からの変動率が 1 0%以内に収まっている。 このように、 系統間の不要 な結合がない場合は、 系統間の干渉は発生せず、 出力電圧は安定している。

[0033] 図 2巳は、 図 2八の構成から、 結合係数！＜ 1 3、 ！＜ 24、 ！＜ 1 4、 ！＜ 32 \¥02020/175582 9 卩（：170? 2020 /007861

のそれぞれの値を 0. 1 5に増加させた構成を示している。 他のパラメータ は図 2八におけるパラメータと同一である。 この場合、 系統間で不要な干渉 が発生する。

[0034] 表 4は、 図 2巳の例において、 入力電圧を V i n 1 =255 V、 V I 门 2 = 1 2 Vに設定し、 および の値を変化させたときの V〇リ 1: 1 および V〇リ I 2の変化を示している。

[0035] [表 4]

[0036] 表 5は、 入力電圧を V 丨 n 1 =0 V、 V 丨 n 2 = 1 2 Vに設定した場合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0037] [表 5]

[0038] 表 6は、 入力電圧を V i n 1 =255 V、 V I n 2 = 0 Vに設定した場合 の 〇リ 1および 〇リ 2の変化を示している。

[0039] [表 6]

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[0040] 表 4の結果から、 第 1の系統から第 2の系統への干渉が大きく、 〇リ

2が定格電圧 2 4 Vを大きく逸脱していることがわかる。 また、 表 5および 表 6に示すように、 一方の系統が停止している場合でも、 他方の系統の出力 電圧が 0よりも大きく、 負荷の意図しない動作が生じ得ることがわか る。

[0041 ] このように、 無線で電力を伝送する複数のコイル対が近接 するシステムに おいては、 コイル間の不要な結合により、 出力電圧の変動が大きくなり、 意 図しない負荷の動作を引き起こすおそれがあ る。

[0042] 本発明者らは、 上記の考察に基づき、 上記の課題を解決するための構成を 検討した。 本発明者らは、 各コイル対の漏れリアクタンスおよび励磁リ アク タンスの少なくとも一部を相殺する補償回路 を各受電コイルの後段に設ける ことにより、 上記の課題を解決できることに想到した。 以下、 本開示の実施 形態の概要を説明する。

[0043] 本開示の一態様に係る無線給電ユニッ トは、 送電モジュールと、 受電モジ ュールとを備える。 前記送電モジュールは、 第 1の交流電力を送出する第 1 の送電コイルと、 第 2の交流電力を送出する第 2の送電コイルとを含む。 前 記受電モジュールは、 前記第 1の送電コイルから前記第 1の交流電力の少な くとも一部を受け取る第 1の受電コイルと、 前記第 2の送電コイルから前記 第 2の交流電力の少なくとも一部を受け取る第 2の受電コイルと、 前記第 1 および第 2の受電コイルに接続された補償回路とを含� �。 前記補償回路は、 前記第 1の送電コイルおよび前記第 1の受電コイルから構成される第 1のコ イル対、 前記第 2の送電コイルおよび前記第 2の受電コイルから構成される 第 2のコイル対、 前記第 1の送電コイルおよび前記第 2の送電コイルから構 成される第 3のコイル対、 前記第 1の受電コイルおよび前記第 2の受電コイ ルから構成される第 4のコイル対、 前記第 1の送電コイルおよび前記第 2の 受電コイルから構成される第 5のコイル対、 および前記第 2の送電コイルお よび前記第 1の受電コイルから構成される第 6のコイル対のうちの少なくと も 1つのコイル対の、 漏れリアクタンスまたは励磁リアクタンスの 少なくと も一部を相殺する少なくとも 1つの補償素子を含む。 \¥0 2020/175582 1 1 卩（：170? 2020 /007861

[0044] 上記構成によれば、 少なくとも 1つのコイル対の、 漏れリアクタンスまた は励磁リアクタンスの少なくとも一部を相殺 する少なくとも 1つの補償素子 を設けることにより、 2系統間の電磁結合に基づく干渉を抑制する� �とがで きる。

[0045] 無線電力伝送システムでは、 出力電圧の負荷依存性を低くすることが求め られる。 この点は、 電力伝送の系統の数が複数であるか単数であ るかに関わ らず、 無線電力伝送システムに共通の課題である。 上記の構成によれば、 各 系統の出力電圧の負荷変動に対する依存性を 低減することができる。

[0046] 前記少なくとも 1つの補償素子は、 前記少なくとも 1つのコイル対の、 漏 れリアクタンスおよび励磁リアクタンスの一 部または全部を相殺するように 構成されていてもよい。 補償回路は、 各コイル対の、 漏れリアクタンスおよ び励磁リアクタンスの全てを相殺することを 要しない。 これらのリアクタン スの一部のみを相殺する構成であっても、 出力電圧の安定化の効果が得られ る。

[0047] 前記補償回路は、 前記少なくとも 1つのコイル対の、 前記励磁リアクタン スおよび前記漏れリアクタンスの両方を相殺 する複数の補償素子を含んでい てもよい。

[0048] 前記補償回路は、 前記第 1から第 6のコイル対の各々の漏れリアクタンス または励磁リアクタンスの少なくとも一部を 相殺する複数の補償素子を含ん でいてもよい。

[0049] 前記補償回路は、 前記第 1から第 6のコイル対の各々の漏れリアクタンス および励磁リアクタンスの両方を相殺する複 数の補償素子を含んでいてもよ い。

[0050] 各補償素子のリアクタンス値は、 前記第 1および第 2の送電コイル、 なら びに前記第 1および第 2の受電コイルを含む相互に電磁的に結合す� �複数の コイルを含む結合回路を 型等価回路で表現した場合に、 前記 型等価回路 における複数のリアクタンスのいずれかを相 殺する値に設定され得る。

[0051 ] 前記補償回路は、 前記第 1のコイル対の漏れリアクタンスの少なくと� �一 \¥0 2020/175582 12 卩（：170? 2020 /007861

部を相殺する第 1の補償素子であって、 前記第 1の受電コイルに直列に接続 された第 1の補償素子と、 前記第 2のコイル対の漏れリアクタンスの少なく とも一部を相殺する第 2の補償素子であって、 前記第 2の受電コイルに直列 に接続された第 2の補償素子とを含んでいてもよい。

[0052] 前記送電モジュールは、 前記第 1の送電コイルに直列に接続された第 3の 補償素子と、 前記第 2の送電コイルに直列に接続された第 4の補償素子とを 含んでいてもよい。 前記第 1の補償素子および前記第 3の補償素子は、 前記 第 1のコイル対の漏れリアクタンスを相殺する� �うに設計され得る。 前記第 2の補償素子および前記第 4の補償素子は、 前記第 2のコイル対の漏れリア クタンスを相殺するように設計され得る。

[0053] 前記少なくとも 1つの補償素子は、 コンデンサまたはインダクタであり得 る。

[0054] 前記送電モジュールは、 前記第 1の交流電力を前記第 1の送電コイルに供 給する第 1のインバータ回路と、 前記第 2の交流電力を前記第 2の送電コイ ルに供給する第 2のインバータ回路と、 前記第 1および第 2のインバータ回 路を制御する制御回路とを含んでいてもよい 。

[0055] 前記制御回路は、 前記第 1の交流電力と前記第 2の交流電力との位相差を 変化させることにより、 前記補償回路から出力される各電圧を変化さ せるよ うに構成されていてもよい。

[0056] 前記送電モジュールは、 第 3の交流電力を送出する第 3の送電コイルをさ らに含んでいてもよい。 前記受電モジュールは、 前記第 3の送電コイルから 前記第 3の交流電力の少なくとも一部を受け取る第 3の受電コイルをさらに 含んでいてもよい。 前記補償回路は、 前記第 1および第 2の送電コイル、 な らびに前記第 1および第 2の受電コイルのうちの 1つのコイルと、 前記第 3 の送電コイルまたは前記第 3の受電コイルとによって構成されるコイル� �の 漏れリアクタンスまたは励磁リアクタンスの 少なくとも一部を相殺する少な くとも 1つの補償素子を含んでいてもよい。

[0057] 本開示の無線給電ユニッ トは、 必ずしも複数の電力伝送系統を備えている \¥0 2020/175582 13 卩（：170? 2020 /007861

必要はない。 すなわち、 無線給電ユニッ トは、 送電コイルと受電コイルとの 対を 1つだけ備えていてもよい。

[0058] 本開示の他の態様に係る無線給電ユニッ トは、 送電モジュールと、 受電モ ジュールとを備える。 前記送電モジュールは、 交流電力を送出する送電コイ ルを含む。 前記受電モジュールは、 前記送電コイルから前記交流電力の少な くとも一部を受け取る受電コイルと、 前記受電コイルに接続された補償回路 とを含む。 前記補償回路は、 前記送電コイルおよび前記受電コイルから構 成 されるコイル対の、 漏れリアクタンスまたは励磁リアクタンスの 少なくとも 一部を相殺する少なくとも 1つの補償素子を含む。

[0059] 上記構成によれば、 補償回路を設けることにより、 出力電圧の負荷依存性 を低減することができる。

[0060] 以下、 本開示のより具体的な実施形態を説明する。 ただし、 必要以上に詳 細な説明は省略する場合がある。 例えば、 既によく知られた事項の詳細説明 や実質的に同一の構成に対する重複説明を省 略する場合がある。 これは、 以 下の説明が不必要に冗長になるのを避け、 当業者の理解を容易にするためで ある。 なお、 発明者らは、 当業者が本開示を十分に理解するために添付 図面 および以下の説明を提供するのであって、 これらによって特許請求の範囲に 記載の主題を限定することを意図するもので はない。 以下の説明において、 同一または類似する構成要素については、 同じ参照符号を付している。

[0061 ] （実施形態 1）

図 3は、 本開示の例示的な実施形態 1 による無線電力伝送システムの構成 を模式的に示す図である。 この無線電力伝送システムは、 無線給電ユニッ ト 1 0 0の構成を除き、 図 1 に示すシステムと同様の構成を備える。 以下、 本 実施形態における無線給電ユニッ ト 1 〇〇の構成例を説明する。

[0062] 無線給電ユニッ ト 1 0 0は、 送電モジュール 1 0と、 受電モジュール 2 0 とを備える。 送電モジュール 1 0は、 第 1の送電コイル 1 1 と、 第 1のイン バータ回路 1 3と、 第 2の送電コイル 1 2と、 第 2のインバータ回路 1 4と 、 制御回路 1 9とを備える。 第 1の送電コイル 1 1は、 第 1のインバータ回 \¥0 2020/175582 14 卩（：170? 2020 /007861

路 1 3に接続されている。 第 2の送電コイル 1 2は、 第 2のインバータ回路 1 4に接続されている。 制御回路 1 9は、 第 1のインバータ回路 1 3および 第 2のインバータ回路 1 4を制御する。

[0063] 受電モジユール 2 0は、 第 1の受電コイル 2 1 と、 第 1の整流回路 2 3と 、 第 2の受電コイル 2 2と、 第 2の整流回路 2 4と、 リアクタンス補償回路 2 8とを備える。 リアクタンス補償回路 2 8は、 受電コイル 2 1、 2 2に接 続されている。 補償回路 2 8は、 複数の補償素子を含む。 各補償素子は、 コ ンデンサまたはインダクタである。

[0064] 図 4は、 送電コイル 1 1、 1 2および受電コイル 2 1、 2 2によって構成 される結合回路 1 1 0の等価回路と、 補償回路 2 8の等価回路とを示す図で ある。 図 4では、 2系統のコイル対によって構成される結合回� �が、 型等 価回路で表されている。 補償回路 2 8は、 複数の補償素子を含む。 図 4の例 では、 各補償素子は、 コンデンサである。 複数の補償素子は、 4つのコイル 1 1、 1 2、 2 1、 2 2の間の各漏れリアクタンスおよび各励磁リ� �クタン スを相殺するように設計されている。 このような構成により、 各系統におけ る入力 ·出力間のインピーダンスを実質的に 0にすることができる。 このた め、 負荷 6 1、 6 2の状態によらず、 入力電圧 V 丨 n 1 と出力電圧 V〇リ 1 1 とを実質的に一致させ、 入力電圧 V 丨 2と出力電圧 V〇リ 2とを実質 的に一致させることができる。 結果として、 2系統間の相互干渉を低減させ 、 各系統における出力電圧の負荷依存性を低減 させることができる。

[0065] ここで、 各補償素子のリアクタンス値を決定する方法 の例を説明する。

[0066] 図 5は、 コイル 1 1、 1 2、 2 1、 2 2によって構成される結合回路 1 1

0における電磁結合を模式的に示す図である� � この結合回路における各コイ ルの自己インダクタンス、 ならびに各コイル対の結合係数および相互イ ンダ クタンスを、 以下の記号で表す。

＜自己インダクタンス＞

-送電コイル 1

-送電コイル 1 2の自己インダクタンス： ！_ \¥0 2020/175582 15 卩（：170? 2020 /007861

-受電コイル 2 1の自己インダクタンス： 1_ 「 1

-受電コイル 2 2の自己インダクタンス： 1_ 「 ₂

＜結合係数＞

-送電コイル 1 1 と受電コイル 2 1 との間の結合係数： 1＜ ^

-送電コイル 1 1 と送電コイル 1 2との間の結合係数： 1＜ ^ ^

-送電コイル 1 1 と受電コイル 2 2との間の結合係数： 1＜ ^］「 ₂ -送電コイル 1 2と受電コイル 2 1 との間の結合係数： 1＜ 送電コイル 1 2と受電コイル 2 2との間の結合係数： 1＜ 「 ₂

-受電コイル 2 1 と受電コイル 2 2との間の結合係数： 1＜ 「 ₂ ＜相互インダクタンス＞

-送電コイル 1 1 と受電コイル 2 1 との間の相互インダクタンス：

-送電コイル 1 1 と送電コイル 1 2との間の相互インダクタンス：

-送電コイル 1 1 と受電コイル 2 2との間の相互インダクタンス：

-送電コイル 1 2と受電コイル 2 1 との間の相互インダクタンス：

-送電コイル 1 2と受電コイル 2 2との間の相互インダクタンス：

-受電コイル 2 1 と受電コイル 2 2との間の相互インダクタンス：

［0067］ この結合回路におけるコイル間の結合を 行列で表現すると、 以下の数 1 で表される。

［数 1］

\¥02020/175582 16 卩(：17 2020 /007861

[0068] なお、 図 5に示すように、 電圧 V I、 V 2, 3、 4、 および電流 I 1 、 I 2、 I 3、 I 4を定義し、 ベクトル Vを = (V I V 2 3 4) 丁 、 ベクトル丨 を 丨 = (丨 1 I 2 I 3 I 4) 丁と定義すると、 行列は、 V = I を満たす行列である。

[0069] ここで、 以下の数 2に示すように、 行列の丨 」成分を 3 と表現する。

[数 2]

[0070] 丫行列、 すなわち 行列の逆行列は、 以下の数 3で表される。

[数 3]

[0071] 数 3における行列の各要素は、 行列式丨 八 丨 を用いて、 以下の計算によつ て得られる。

[数 4]

\¥0 2020/175582 17 卩(：17 2020 /007861

[数 5]

[0072] 図 6は、 コイル 1 1、 1 2、 2 1、 2 2によって構成される結合回路 1 1

0の ?å：型等価回路を示す図である。 コイル間の励磁リアクタンスおよび漏れ リアクタンスを、 以下の記号で表す。

-送電コイル 1

-送電コイル 1 2の励磁リアクタンス

-受電コイル 2 1の励磁リアクタンス： X

-受電コイル 2 2の励磁リアクタンス： X「 ₂

-送電コイル 1 1 と送電コイル 1 2との間の漏れリアクタンス： _{! 4} 2 -送電コイル 1 1 と受電コイル 2 1 との間の漏れリアクタンス： 「

-送電コイル 1 1 と受電コイル 2 2との間の漏れリアクタンス： 「 2

-送電コイル 1 2と受電コイル 2 1 との間の漏れリアクタンス： 乂 「 ₁ -送電コイル 1 2と受電コイル 2 2との間の漏れリアクタンス： 乂 「 ₂ -受電コイル 2 1 と受電コイル 2 2との間の漏れリアクタンス： X , _! , ₂

[0073] 数 3に示す丫行列から、 結合回路 1 1 0の 型等価回路の各素子定数を以 下の数 6に示すように計算することができる。 \¥0 2020/175582 18 卩(：17 2020 /007861

[数 6]

［0074］ なお、 双対性により、 以下の数 7が成立する。

[数 7]

［0075］ 図 7は、 補償回路 2 8における複数の補償素子の配置例を示す図� �ある。

図示されるように、 補償回路 2 8における複数の補償素子は、 型等価回路 で表された結合回路 1 1 0とミラーリングすなわち線対称の関係にな� �よう に配置され得る。 例えば、 送電コイル 1 1 と受電コイル 2 1 との間の漏れリ アクタンス乂 を相殺するために、 一 X のリアクタンスをもつ補償素 子が、 受電コイル 2 1 に直列に接続され得る。 他の補償素子についても、 同 様の考え方でその配置およびリアクタンス値 が決定される。 図 7の例では、 リアクタンス X _{1 2} 、 乂 ^、 X _I ］「 ₂ 、 乂 ^、 X ^「 ₂ をそれぞれ相殺す るリアクタンスー ^_ 乂 _{1 1} 「1、 ^_ 乂 _{1 1} 「2、 ^_ 乂 _{1 2} 「1、 ^_ 乂「1「2をそ れぞれ有する複数の補償素子が配置されてい る。 このような構成により、 電 源から見た負荷のインピーダンスを〇に近づ けることができる。 その結果、 系統間の干渉を抑制し、 負荷変動による出力電圧の変動を抑制するこ とがで きる。 なお、 補償回路 2 8は、 図 7に示す補償素子の全てを備えている必要 はない。 要求される電力伝送特性に応じて、 一部の補償素子を省略してもよ い。

［0076］ 図 8は、 本実施形態における結合回路および補償回路 2 8の具体的な構成 の例を示す図である。 この例では、 補償回路 2 8は、 補償素子として、 イン タクタ 1— _{1: 1} と、 コンデンサ〇 _{1 2} 、 〇「1、 〇「2、 〇 _{1; 1} 「1、 〇 _{1; 1 1 2} 、 〇 _{1; 1} 「2、 \¥02020/175582 19 卩（：17 2020 /007861

〇 ₁₂ 「1、 〇 ₁₂ 「2、 とを含む。 インタクタ 1- 1； 1、 コンデンサ〇 ₁₂ 、

1、 〇 r 2^ 尤 1 _| - 1、 し 尤 1 尤 2、 尤 1 「 2、 〇 尤 2 _| - 1、 尤 2 「 2、 _| - 1 「 2は、 Iそ れ、 図 7に示すリアクタンスー X ^ ₁ 、 — X ₄₂ ' —乂「 ₁ 、 ^_ 乂「 ₂ 、 ^_ 乂 ₁₁ 「 ₁ 、 ^— X _{I 1 I 2} ' _乂 ₁₁ 「2、 _乂 ₁₂ 「1、 _乂 ₁₂ 「2、 _ X「 1「 2に相当するリアク タンス値をもつように、 その容量値またはインダクタンス値が設定さ れてい る。

[0077] 本発明者らは、 図 8の構成について、 回路解析を行うことにより、 本実施 形態の効果を検証した。 本解析では、 コイル間の各結合係数、 各コイルの自 己インダクタンス、 各コンデンサのキャパシタンス、 抵抗値、 および送電周 波数を、 図 8に示すように設定した。

[0078] 表 7は、 入力電圧を V i n 1 =282V、 V I n 2 = 24 Vに設定し、 および V〇リ 2の変 化を示している。 ここで、 出力電圧 V〇リ 1: 1および V〇リ 2の定格電圧 は、 それぞれ 282 Vおよび 24 である。

[0079] [表 7]

[0080] 表 8は、 入力電圧を V 丨 n 1 =0 V、 V 丨 n 2 = 24 Vに設定した場合の

V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0081] \¥0 2020/175582 20 卩(：170? 2020 /007861

[表 8]

[0082] 表 9は、 入力電圧を V 丨 n 1 = 2 8 2 V、 V 丨 n 2 = 0 Vに設定した場合 の 〇リ 1および 〇リ 2の変化を示している。

[0083] [表 9]

[0084] 表 7から表 9より、 表 4から表 6に示す結果と比較して、 各系統の負荷変 動に対する出力電圧の変動と、 系統間の干渉が大幅に低減していることがわ かる。 本実施形態の構成により、 出力電圧の安定化と干渉抑制効果が得られ ることがわかる。

[0085] 次に、 本実施形態のいくつかの変形例を説明する。

[0086] （実施形態 1の変形例 1）

図 9は、 本実施形態の第 1の変形例を示す図である。 本変形例では、 図 9 に点線枠で示すように、 図 8に示す構成から、 インダクタ !_ _{1 !} およびコンデ ンサ（3 _{1 2} が削除されている。 それ以外の点は図 8に示す構成と同一である。

[0087] 表 1 0は、 入力電圧を V i n 1 = 2 8 2 V、 V I n 2 = 2 4 Vに設定し、 の値を変化させたときの V 〇 〇 t ^および V〇リ 2の 変化を示している。

[0088] \¥02020/175582 21 卩(：170? 2020 /007861

[表 10]

[0089] 表 1 1は、 入力電圧を V 丨 n 1 = 0 V、 V I n 2 = 24 Vに設定した場合 の 〇リ 1および 〇リ 2の変化を示している。

[0090] [表 11]

[0091] 表 1 2は、 入力電圧を V i n 1 =282V、 V I n 2 = 0 Vに設定した場 合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0092] [表 12]

[0093] 表 1 0から表 1 2より、 図 9に点線枠で示す補償素子を削除して回路を� � 素化した場合でも、 図 8に示す構成における効果とほぼ同等の効果� �得られ ることがわかる。

[0094] （実施形態 1の変形例 2）

図 1 〇は、 本実施形態の第 2の変形例を示す図である。 本変形例では、 図 \¥02020/175582 22 卩(：170? 2020 /007861

8に示す構成から、 コンデンサ〇 「 ₂ 、 が削除されている。 それ以外 の点は図 8の構成と同一である。

[0095] 表 1 3は、 入力電圧を V i n 1 =282V、 V I n 2 = 24 Vに設定した 場合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0096] [表 13]

[0097] 表 1 4は、 入力電圧を V 丨 n 1 = 0 V、 V I n 2 = 24 Vに設定した場合 の 〇リ 1および 〇リ 2の変化を示している。

[0098] [表 14]

[0099] 表 1 5は、 入力電圧を V i n 1 =282V、 V I n 2 = 0 Vに設定した場 合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0100] [表 15]

[0101] この例では、 出力電圧の絶対値は変化するが、 負荷変動時の出力電圧安定 \¥02020/175582 23 卩(：170? 2020 /007861

化と干渉抑制の効果は維持されていること がわかる。

[0102] （実施形態 1の変形例 3）

図 1 1は、 本実施形態の第 3の変形例を示す図である。 本変形例では、 図 8に示す構成から、 コンデンサ（3^* ₂ 、 それ以外 の点は図 8の構成と同一である。

[0103] 表 1 6は、 入力電圧を V i n 1 =282V、 V I n 2 = 24 Vに設定した 場合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0104] [表 16]

[0105] 表 1 7は、 入力電圧を V 丨 n 1 = 0 V、 V I n 2 = 24 Vに設定した場合 の 〇リ 1および 〇リ 2の変化を示している。

[0106] [表 17]

[0107] 表 1 8は、 入力電圧を V i n 1 =282V、 V I n 2 = 0 Vに設定した場 合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0108] \¥02020/175582 24 卩(：170? 2020 /007861

[表 18]

[0109] この例でも、 出力電圧の絶対値は変化するが、 負荷変動時の出力電圧安定 化と干渉抑制の効果は維持されていることが わかる。

[0110] （実施形態 1の変形例 4）

図 1 2は、 本実施形態の第 4の変形例を示す図である。 本変形例では、 図 8に示す構成から、 コンデンサ（3 _! 、 が削除されている。 それ以外の点 は図 8の構成と同一である。

[0111] 表 1 9は、 入力電圧を V i n 1 =282V、 V I n 2 = 24 Vに設定した 場合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0112] [表 19]

[0113] 表 20は、 入力電圧を V 丨 n 1 = 0 V、 V I n 2 = 24 Vに設定した場合 の 〇リ 1および 〇リ 2の変化を示している。

[0114] [表 20]

\¥02020/175582 25 卩(：170? 2020 /007861

[0115] 表 2 1は、 入力電圧を V i n 1 =282V、 V i n 2 = 0 Vに設定した場 合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0116] [表 21]

[0117] この例でも、 出力電圧の絶対値は変化するが、 負荷変動時の出力電圧安定 化と干渉抑制の効果は維持されていることが わかる。

[0118] （実施形態 1の変形例 5）

図 1 3は、 本実施形態の第 5の変形例を示す図である。 本変形例では、 図 8に示す構成から、 コンデンサ〇 、 が削除されている。 それ以外 の点は図 8の構成と同一である。

[0119] 表 22は、 入力電圧を V i n 1 =282V、 V i n 2 = 24 Vに設定した 場合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0120] [表 22]

[0121] 表 23は、 入力電圧を V 丨 n 1 = 0 V、 V I n 2 = 24 Vに設定した場合 の 〇リ 1および 〇リ 2の変化を示している。

[0122] \¥02020/175582 26 卩(：170? 2020 /007861

[表 23]

[0123] 表 24は、 入力電圧を V i n 1 =282V、 V i n 2 = 0 Vに設定した場 合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0124] [表 24]

[0125] 表 22から表 24より、 この例では、 負荷変動時の出力電圧安定化と干渉 抑制の効果が失われていることがわかる。 このことから、 本実施形態の回路 構成では、 コンデンサ〇 、 を設けることが、 出力電圧安定化と干 渉抑制の効果を得る上で重要であることがわ かる。

[0126] （実施形態 2）

次に、 本開示の例示的な実施形態 2による無線給電ユニッ トを説明する。 図 1 4は、 本開示の実施形態 2の構成の概略を示す図である。 本実施形態で は、 実施形態 1 における送電コイル 1 1 と受電コイル 1 2との間の漏れリア クタンス （あるいは漏れインダクタンス!_ ^ _! ） を補償するためのコンデン サ〇 が、 2つのコンデンサ _] ’ 、 〇 / に分割されている。 コ ンデンサ / は、 送電コイル 1 1 に直列に接続されている。 コンデンサ は、 受電コイル 2 1 に直列に接続されている。 これらのコンデンサ のキャパシタンス値は、 + 1 /〇 ₁₁ 「 ₁ ” を満た すように設定される。 同様に、 送電コイル 1 2と受電コイル 22との間の漏 れリアクタンス （あるいは漏れインダクタンス 1- ₁₂ 「 ₂ ） を補償するためのコ ンデンサ〇 ₁₂ 「 ₂ が、 に分割されてい \¥02020/175582 27 卩(：170? 2020 /007861

る。 コンデンサ は、 送電コイル 1 2に直列に接続されている。 コン デンサ〇 「 ₂ ” は、 受電コイル 22に直列に接続されている。 これらのコン デンサのキャパシタンス値は、 1 /〇 ₁₂ 「 ₂ = 1 /〇 ₁₂ 「 ₂ ’ + 1 /〇 , ₂ , ₂ " を満たすように設定される。

[0127] このような構成により、 二次側すなわち受電側だけでなく、 一次側すなわ ち送電側も共振構成となる。 その結果、 負荷が大きい状態での高効率伝送お よび 2系統間の干渉回避が可能となる。

[0128] 図 1 5は、 本実施形態における結合回路および補償回路 28の具体的な構 成例を示す図である。 この例では、 補償回路 28は、 図 9に示す例における コンデンサ〇 _] 、 に代えて、 コンデンサ〇 _] ” 、 〇 ₁₂ 「 ₂ ” を含 んでいる。 また、 送電コイル 1 1、 1 2に、 コンデンサ

がそれぞれ直列に接続されている。 これらのコンデンサのキャパシタンス値 は、 1 /〇 ·！ /〇 + 1 /〇 ，， および 1 /〇 ₁₂ 「 ₂ ·！ / 2「 ₂ ’ + 1 /〇 ₁₂ 「 ₂ ” を満たすように設定されている。 それ以外の点は、 図 9に示す構成と同一である。

[0129] 表 25は、 入力電圧を V i n 1 =270V、 V i n 2= 1 9 Vに設定し、 の値を変化させたときの V〇 〇 t ^および V〇リ 2の 変化を示している。

[0130] [表 25]

[0131] 表 26は、 入力電圧を V i n 1 =0V、 V i n 2= 1 9 Vに設定した場合 \¥02020/175582 28 卩(：170? 2020 /007861

の 〇リ 1および 〇リ 2の変化を示している。

[0132] [表 26]

[0133] 表 27は、 入力電圧を V i n 1 =270V、 V i n 2 = 0 Vに設定した場 合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0134] [表 27]

[0135] これらの結果から、 容量を分割して送電側にもコンデンサを配置 すること で、 特に高負荷の状態での出力電圧の安定性を高 めることが可能となること がわかる。

[0136] 本発明者らは、 本実施形態のように容量を分割して送電側に もコンデンサ を配置することで、 負荷変動に伴う出力電圧の過渡的な変動を抑 制できるこ とを見出している。 以下、 この効果について説明する。

[0137] が変化したときの出力電圧 V〇リ 1: 1の過渡変動の 解析結果を示すグラフである。 この例では、 負荷 1 を 80000から 3 50に切り替えた直後の電圧変動を解析した。 解析は、 容量分割のない実施 形態 1の回路構成と、 容量分割のある本実施形態の回路構成の両方 で行った

[0138] 負荷切り替え直後の電圧 V〇リ 1: 1の降下量は、 以下のとおりである。

容量分割あり ： 1 36 V (- 59%)

容量分割なし ： 1 67 V (-48%)

[0139] このように、 容量分割のある構成にすることで、 負荷変動時の出力電圧の \¥02020/175582 29 卩(：170? 2020 /007861

降下を抑制することができる。 すなわち、 本実施形態の構成によれば、 負荷 変動に伴う出力電圧の過渡的な変動を抑制す ることが可能となる。

[0140] （実施形態 2の変形例）

次に、 本実施形態の変形例を説明する。

[0141] 図 1 7は、 本実施形態の変形例を示す図である。 この変形例では、 送電周 波数および各回路素子のパラメータが前述の 各例とは異なっている。 この例 では、 前述の各例と比較して、 各系統の結合が弱く、 系統間の結合が強くな っている。 また、 送電周波数干 1および干 2が、 ともに 300 と高く なっている。 各回路素子のパラメータは、 図 1 7に示すとおりである。

[0142] 表 28は、 入力電圧を V i n 1 =400V、 V i n 2= 1 2 Vに設定し、 の値を変化させたときの V〇 〇 t ^および V〇リ 2の 変化を示している。

[0143] [表 28]

[0144] 表 29は、 入力電圧を V i n 1 =OV、 V i n 2= 1 2 Vに設定した場合 の 〇リ 1および 〇リ 2の変化を示している。

[0145] [表 29]

\¥0 2020/175582 30 卩（：170? 2020 /007861

[0146] 表 3 0は、 入力電圧を V i n 1 = 4 0 0 V、 V I n 2 = 0 Vに設定した場 合の V〇リ 1: 1および V〇リ 2の変化を示している。

[0147] [表 30]

[0148] この例においては、 V〇リ 2の絶対値が大きくなる傾向にあるが、 前述 の各例と同様、 出力電圧安定化と干渉抑制の効果が確認され た。

[0149] 以上の各例では、 入力電圧 V 丨 n 1、 V I n 2は等位相であるが、 V 丨 n

1 と V 丨 との間の位相差を変化させてもよい。

[0150] 図 1 8は、 V 丨 n 1 と V 丨 门 2の位相差が 0 ° 、 9 0 ° 、 1 8 0 ° の場合 の V 丨 n 1および V 丨 n 2の波形の例を示す図である。 図 1 9は、 V 丨 门 1 と V I 门 2の位相差を変化させることにより、 V〇リ 1: 1および V〇リ 1 2 を変化させることができることを示す図であ る。 図 1 9に示されるように、 系統間の入力電圧の位相差を変化させること により、 出力電圧 〇リ 1 1お よび V。リ 1 2の絶対値を変化させることが可能である。 系統間の入力電圧 の位相差の変化は、 図 3に示す制御回路 1 9がインバータ回路 1 3、 1 4に 含まれる複数のスイツチング素子のオンおよ びオフのタイミングを制御する ことによって実現され得る。 位相差を変化させた場合でも、 出力電圧安定化 と干渉抑制の効果が得られる。

[0151 ] （実施形態 3）

図 2 0は、 本開示の例示的な実施形態 3における無線電力伝送システムの 構成を模式的に示す図である。 本実施形態における送電モジュール 1 〇は、 図 3に示す構成要素に加えて、 さらに、 第 3の送電コイル 1 5と、 第 3のイ ンバータ回路 1 6とを備える。 受電モジュール 2 0は、 図 3に示す構成要素 に加えて、 さらに、 第 3の受電コイル 2 5と、 第 3の整流回路 2 6とを備え る。 補償回路 2 8は、 第 3の受電コイル 2 5にも接続されている。 なお、 図 \¥0 2020/175582 31 卩（：170? 2020 /007861

2 0では、 制御回路 1 9の記載は省略されている。 それ以外の点は、 図 3に 示す構成と同様である。

[0152] 図 2 1は、 本実施形態における送電コイル 1 1、 1 2、 1 5と、 受電コイ ル 2 1、 2 2、 2 5とによって構成される結合回路を 型等価回路で表した 図である。 図 2 1 に示すように、 各コイル対間の漏れリアクタンスおよび励 磁リアクタンスが丫行列の要素によって表現 される。 補償回路 2 8における 複数の補償素子は、 これらのリアクタンスを相殺するように配置 される。 こ れにより、 実施形態 1、 2と同様、 出力電圧の安定化およびコイル間の相互 干渉の抑制の効果が得られる。

[0153] このように、 2系統の場合と同様に、 各素子に対応する補償素子を配置す ることで、 3系統への拡張が可能である。 4系統以上の構成への拡張も同様 の方法で行うことができる。

[0154] （応用例）

次に、 本開示の実施形態による無線給電ユニッ トの応用例として、 ロボッ トアーム装置などの電動装置の例を説明する 。

[0155] 1つまたは複数のアームの先端に接続された� �ンドエフェクタを用いて様 々な動作を行うロボッ トハンド装置などの電動装置が開発されてい る。 その ような電動装置は、 例えば工場における物品の運搬などの各種の 作業に利用 されている。

[01 56] 図 2 2は、 上記のような無線電力伝送を適用したロボッ トアーム装置の一 例を示す図である。 このロボッ トアーム装置は、 関節部」 1 6を有して いる。 このうち、 関節部」 2、 」 4には、 前述の無線電力伝送が適用されて いる。 一方、 関節部」 1、 」 3、 」 5、 」 6には、 従来の有線による電力伝 送が適用されている。 ロボッ トアーム装置は、 関節部」 1 6をそれぞれ 駆動する複数のモータ IV! 1 ~ 1\/1 6と、 モータ うち、 モータ 1\/1 3 ~ 1\/1 6をそれぞれ制御するモータ制御回路（3 I 「 6と、 関節部」 2、 」 4にそれぞれ設けられた 2つの無線給電ユニッ ト （インテリジェント ロボッ トハーネスユニッ ト ： 丨 1 ^~ 1 IIと称することもある） 丨 1 ^~ 1 11 2、 丨 1 ^~ 1 11 \¥0 2020/175582 32 卩（：170? 2020 /007861

4とを備えている。 モータ IV! 1、 IV! 2をそれぞれ駆動するモータ制御回路〇 r } _s C t 「 2は、 ロボッ トの外部の制御装置 （コントローラ） 5 0 0に 設けられている。

[0157] コントローラ 5 0 0は、 モータ IV! 1、 1\/1 2、 および無線給電ユニッ ト 丨 1 ^~ 1 リ 2に有線で電力を供給する。 無線給電ユニッ 一対のコイル を介して関節部」 2において電力を無線で伝送する。 伝送された電力は、 モ —夕 IV! 3、 IV! 4、 制御回路〇 I 「 3、 〇 「 4、 および無線給電ユニッ ト I 1 ^~ 1 II 4に供給される。 無線給電ユニッ ト 丨 1 ^~ 1 II 4も、 一対のコイルを介して 関節部」 4において電力を無線で伝送する。 伝送された電力は、 モータ 1\/1 5 、 1\/1 6、 および制御回路〇 「 5、 〇 「 6に供給される。 このような構成 により、 関節部」 2、 」 4において、 電力伝送用のケーブルを排除すること ができる。

[0158] 図 2 3は、 この例における無線電力伝送システムの構成 を示すブロック図 である。 無線電力伝送システムは、 無線給電ユニッ ト 1 0 0と、 無線給電ユ ニッ ト 1 0 0に接続される電源 2 0 0、 非常停止スイッチ 4 0 0、 アクチュ エータ 3 0 0、 およびコントローラ 5 0 0とを備えている。 図 2 3において 、 太い線は電力供給ラインを示しており、 矢印は信号供給ラインを示してい る。

[0159] 無線給電ユニッ ト 1 0 0は、 送電モジュール 1 0と、 受電モジュール 2 0 とを備えている。 送電モジュール 1 0は、 第 1のインバータ回路 （ 「駆動用 インバータ」 とも称する。 ） 1 3と、 第 1の送電コイル 1 1 と、 第 2のイン バータ回路 （ 「制御用インパータ」 とも称する。 ） 1 4と、 第 2の送電コイ ル 1 2と、 送電制御回路 1 9と、 第 1の通信回路 1 7とを有している。 駆動 用インバータ 1 3は、 スイッチ 4 0 0を介して電源 2 0 0に接続され、 供給 された電力を第 1の交流電力に変換して出力する。 第 1の送電コイル 1 1は 、 駆動用インバータ 1 3に接続され、 第 1の交流電力を送出する。 制御用イ ンバータ 1 4は、 スイッチ 4 0 0を介さずに電源 2 0 0に接続され、 供給さ れた電力を第 2の交流電力に変換して出力する。 第 2の送電コイル 1 2は、 \¥0 2020/175582 33 卩（：170? 2020 /007861

制御用インバータ 1 4に接続され、 第 2の交流電力を送出する。 送電制御回 路 1 9は、 スイッチ 4 0 0を介さずに電源 2 0 0に接続され、 駆動用インバ —夕 1 3、 制御用インバータ 1 4、 および第 1の通信回路 1 7を制御する。 第 1の通信回路 1 7は、 スイッチ 4 0 0を介さずに電源 2 0 0に接続される 。 第 1の通信回路 1 7は、 アクチュエータ 3 0 0におけるモータ 3 1 （負荷 の一例） を制御するための信号を送信する。 モータ 3 1 を制御するための信 号は、 例えばモータ 3 1の回転速度などの指令値を示す信号であり� �る。 当 該信号は、 外部のコントローラ 5 0 0から送電モジュール 1 0に供給される

[0160] 受電モジュール 2 0は、 第 1の受電コイル 2 1 と、 第 1の整流回路 （ 「駆 動用整流器」 とも称する） 2 3と、 第 2の受電コイル 2 2と、 第 2の整流回 路 （ 「制御用整流器」 とも称する） 2 4と、 補償回路 2 8と、 受電制御回路 2 9と、 第 2の通信回路 2 7とを有する。 第 1の受電コイル 2 1は、 第 1の 送電コイル 1 1 に対向して配置される。 第 1の受電コイル 2 1は、 第 1の送 電コイル 1 1から送出された第 1の交流電力の少なくとも一部を受け取る。 駆動用整流器 2 3は、 補償回路 2 8を介して第 1の受電コイル 2 1 に接続さ れ、 第 1の受電コイル 2 1が受け取った交流電力を第 1の直流電力に変換し て出力する。 第 2の受電コイル 2 2は、 第 2の送電コイル 1 2に対向して配 置される。 第 2の受電コイル 2 2は、 第 2の送電コイル 1 2から送電された 第 2の交流電力の少なくとも一部を受け取る。 制御用整流器 2 4は、 補償回 路 2 8を介して第 2の受電コイル 2 2に接続され、 第 2の受電コイル 2 2が 受け取った交流電力を第 2の直流電力に変換して出力する。 補償回路 2 8は 、 送電コイル 1 1、 1 2および受電コイル 2 1、 2 2の相互のコイル間の漏 れリアクタンスおよび励磁リアクタンスの少 なくとも一部を相殺する。 受電 制御回路 2 9は、 制御用整流器 2 4から出力された第 2の直流電圧によって 駆動され、 第 2の通信回路 2 7を制御する。 第 2の通信回路 2 7は、 送電側 の第 1の通信回路 1 7およびアクチュエータ 3 0 0におけるモータ制御回路 3 5との間で通信を行う。 第 2の通信回路 2 7は、 第 1の通信回路 1 7から \¥0 2020/175582 34 卩（：170? 2020 /007861

送信された信号を受信してモータ制御回路 3 5に送信する。 第 2の通信回路 2 7は、 モータ制御回路 3 5からの要求に応じて、 例えばモータ 3 1の負荷 変動を補償する動作を行うための信号を第 1の通信回路 1 7に送信してもよ い。 当該信号に基づき、 送電制御回路 1 9は、 駆動用インバータ 1 3を制御 して駆動系電力を調整することができる。 これにより、 例えば、 アクチユエ —夕 3 0 0におけるモータインバータ 3 3に常に一定の電圧を与えることが できる。

[0161 ] 本実施形態におけるアクチユエータ 3 0 0は、 受電モジユール 2 0を、 送 電モジユール 1 0に対して移動または回転させる。 この動作の際、 第 1の送 電コイル 1 1 と第 1の受電コイル 2 1 とが対向し、 第 2の送電コイル 1 2と 第 2の受電コイル 2 2とが対向した状態は維持される。 アクチユエータ 3 0 0は、 3相交流によって駆動されるサーボモータ 3 1 と、 モータ 3 1 を駆動 するモータアンプ 3 0とを有している。 モータアンプ 3 0は、 駆動用整流器 2 3から出力された直流電力を 3相交流電力に変換してモータ 3 1 に供給す るモータインバータ 3 3と、 モータインバータ 3 3を制御するモータ制御回 路 3 5とを有している。 モータ制御回路 3 5は、 モータ 3 1の動作中、 回転 位置および回転速度の情報を、 例えばロータリエンコーダによって検出し、 その情報に基づいて、 所望の回転動作を実現するようにモータイン バータ 3 3を制御する。 なお、 モータ 3 1は、 必ずしも 3相交流によって駆動される モータである必要はない。 モータ 3 1が直流で駆動されるモータである場合 には、 3相インバータに代えて、 そのモータの構成に応じたモータ駆動回路 が使用される。

[0162] 駆動用整流器 2 3から出力された第 1の直流電力の少なくとも一部は、 モ —タインバータ 3 3に供給される。 制御用整流器 2 4から出力された第 2の 直流電力の少なくとも一部は、 モータ制御回路 3 5に供給される。 送電制御 回路 1 9は、 駆動用インバータ 1 3および制御用インバータ 1 4の動作中、 スイツチ 4 0 0がオフにされて駆動用インバータ 1 3への給電が停止した場 合であっても、 制御用インバータ 1 4の制御を維持する。 これにより、 モー \¥0 2020/175582 35 卩（：170? 2020 /007861

タインバータ 3 3への給電が停止しても、 モータ制御回路 3 5への給電が維 持される。 モータ制御回路 3 5は、 モータ 3 1の停止時の動作状態を記憶し ているため、 スイッチ 4 0 0が再度オンになって通電が再開された場合� �、 迅速にアクチユエータ 3 0 0の動作を再開することができる。

[0163] 上記の動作を実現するために、 送電制御回路 1 9は、 駆動用インバータ 1

3に供給される電力を監視しながら送電制御� �行う。 送電制御回路 1 9は、 駆動用インバータ 1 3に入力される電力値の低下を検出すること� �より、 非 常停止スイッチ 4 0 0が押された （すなわちスイッチ 4 0 0がオフになった ） ことを検出する。 当該電力の供給の低下 （または停止） を検出したとき、 送電制御回路 1 9は、 制御用インバータ 1 4の制御を維持しながら、 駆動用 インバータ 1 3の制御を停止する。 このとき、 送電制御回路 1 9は、 通信回 路 1 7に、 予め決められた信号 （例えばモータ停止指令） をモータ制御回路 3 5に送信するように指示してもよい。 この信号を受けて、 モータ制御回路 3 5は、 モータインバータ 3 3の制御を停止することができる。 これにより 、 駆動系への電力が停止した場合に、 不要なインバータ制御を継続すること が回避される。

[0164] 次に、 各構成要素の構成をより詳細に説明する。

[0165] 図 2 4八は、 無線給電ユニッ ト 1 0 0における送電コイル 1 1、 1 2、 お よび受電コイル 2 1、 2 2の等価回路の一例を示す図である。 図示されるよ うに、 各コイルは、 インダクタンス成分とキャパシタンス成分と を有する共 振回路として機能する。 互いに対向する 2つのコイルの共振周波数を近い値 に設定することにより、 高い効率で電力を伝送することができる。 送電コイ ルには、 インバータ回路から交流電力が供給される。 この交流電力によって 送電コイルから発生する磁界により、 受電コイルに電力が伝送される。 この 例では、 送電コイル 1 1、 1 2、 および受電コイル 2 1、 2 2の両方が、 直 列共振回路として機能する。

[0166] 図 2 4巳は、 無線給電ユニッ ト 1 0 0における送電コイル 1 1、 1 2、 お よび受電コイル 2 1、 2 2の等価回路の他の例を示す図である。 この例では \¥0 2020/175582 36 卩（：170? 2020 /007861

、 送電コイル 1 1、 1 2は、 直列共振回路として機能し、 受電コイル 2 1、

2 2は、 並列共振回路として機能する。 他にも、 送電コイル 1 1、 1 2が並 列共振回路を構成する形態も可能である。

[0167] 各コイルは、 例えば、 回路基板上に形成された平面コイルもしくは 積層コ イル、 または、 銅線、 リッツ線、 もしくはツイスト線などを用いた巻き線コ イルであり得る。 共振回路における各キャパシタンス成分は、 各コイルの寄 生容量によって実現されていてもよいし、 例えばチップ形状またはリード形 状を有するキャパシタを別途設けてもよい。

[0168] 共振回路の共振周波数チ 0は、 典型的には、 電力伝送時の伝送周波数干 1 に一致するように設定される。 共振回路の各々の共振周波数チ 0は、 伝送周 波数干 1 に厳密に一致していなくてもよい。 各々の共振周波数干〇は、 例え ば、 伝送周波数チ 1の 5 0〜 1 5 0 %程度の範囲内の値に設定されていても よい。 電力伝送の周波数干 1は、 例えば 5 0 1 ^~ 1 2 ~ 3 0 0◦ 1 ^~ 1 2、 ある例で の例では さらに他 に設定され得る。 これらの周波数帯域の中 から、 駆動系電力の周波数と、 制御系電力の周波数とが選択され得る。 駆動 系電力の周波数と、 制御系電力の周波数とは、 同一または異なる値に設定さ れ得る。

[0169] 図 2 5八は、 送電コイル 1 1、 1 2および受電コイル 2 1、 2 2の配置関 係の一例を示す図である。 この例における構造は、 ロボッ トの関節部のよう な回転する可動部に設けられるコイルに適用 され得る。 受電コイル 2 1、 2 2は、 実際には送電コイル 1 1、 1 2にそれぞれ対向しているが、 図 2 5八 では、 わかり易くするために、 これらのコイルを並べた状態を示している。 この例では、 送電コイル 1 1、 1 2および受電コイル 2 1、 2 2は、 いずれ も円形の平面コイルである。 送電コイル 1 1、 1 2は、 同心円状に配置され 、 送電コイル 1 1の内側に送電コイル 1 2が配置されている。 同様に、 受電 コイル 2 1、 2 2は、 同心円状に配置され、 受電コイル 2 1の内側に受電コ イル 2 2が配置されている。 この例とは逆に、 送電コイル 1 1が送電コイル \¥0 2020/175582 37 卩（：170? 2020 /007861

1 2の内側に配置され、 受電コイル 2 1が受電コイル 2 2の内側に配置され ていてもよい。 この例における送電コイル 1 1、 1 2および受電コイル 2 1 、 2 2の各々は、 磁性体によって覆われている。

[0170] 図 2 5巳は、 送電コイル 1 1、 1 2および受電コイル 2 1、 2 2の他の構 成例を示す図である。 図 2 5巳の例では、 送電コイル 1 1 を覆う磁性体と、 送電コイル 1 2を覆う磁性体との間、 および受電コイル 2 1 を覆う磁性体と 、 受電コイル 2 2を覆う磁性体との間には間隙 （空隙） が存在する。 このよ うな空隙を設けることにより、 コイル間の電磁干渉を抑制することができる

[0171 ] 図 2 5〇は、 送電コイル 1 1、 1 2および受電コイル 2 1、 2 2のさらに 他の構成例を示す図である。 図 2 5〇の例では、 図 2 5巳に示す構成に加え て、 さらにシールド板が追加されている。 図示されるシールド板は、 磁性体 間の間隙の内部に設けられたリング状の導電 性部材である。 空隙の内部にシ —ルド板を追加することにより、 コイル間の電磁干渉をさらに抑制できる。

[0172] なお、 送電コイル 1 1、 1 2、 および受電コイル 2 1、 2 2の形状および 配置関係は、 図 2 5八から図 2 5〇に示す例に限らず、 様々な構造が可能で ある。 例えば、 ロボッ トアームにおける直動 （例えば伸縮） する部位には、 矩形形状のコイルが使用され得る。

[0173] 図 2 6は、 アームの直動部におけるコイル 1 1、 1 2、 2 1、 2 2の配置 例を示す斜視図である。 この例では、 各コイル 1 1、 1 2、 2 1、 2 2は、 アームが移動する方向に長い矩形形状を有す る。 送電コイル 1 1、 1 2は、 それぞれ、 受電コイル 2 1、 2 2よりも大きい。 また、 送電コイル 1 1は、 送電コイル 1 2よりも大きく、 受電コイル 2 1は、 受電コイル 2 2よりも大 きい。 このような構成により、 受電モジュールが送電モジュールに対して移 動しても、 コイル間の対向状態が維持される。 なお、 図 2 6に示す構成にお いて、 送電コイル 1 1が送電コイル 1 2よりも小さく、 受電コイル 2 1が受 電コイル 2 2よりも小さくてもよい。

[0174] 図 2 7八および図 2 7巳は、 各インバータ回路 1 3、 1 4の構成例を示す \¥0 2020/175582 38 卩（：170? 2020 /007861

図である。 図 2 7八は、 フルブリッジ型のインバータ回路の構成例を 示して いる。 この例では、 送電制御回路 1 9は、 インバータ回路 1 3、 1 4に含ま れる 4つのスイッチング素子 3 1 ~ 3 4のオン/オフを制御することにより 、 入力された直流電力を所望の周波数チおよび 電圧 V （実効値） をもつ交流 電力に変換する。 この制御を実現するために、 送電制御回路 1 9は、 各スイ ッチング素子に制御信号を供給するゲートド ライバ回路を含み得る。 図 2 7 巳は、 ハーフブリッジ型のインバータ回路の構成例 を示している。 この例で は、 送電制御回路 1 9は、 インバータ回路 1 3、 1 4に含まれる 2つのスイ ッチング素子 3 1、 3 2のオン/オフを制御することにより、 入力された直 流電力を所望の周波数チおよび電圧 V （実効値） をもつ交流電力に変換する 。 インバータ回路 1 3、 1 4は、 図 2 7八および図 2 7巳に示す構成とは異 なる構造を有していてもよい。

[0175] 送電制御回路 1 9、 受電制御回路 2 9、 およびモータ制御回路 3 5は、 例 えばマイクロコントローラユニッ ト などの、 プロセッサとメモリ とを備える回路によって実現され得る。 メモリに格納されたコンピュータプ ログラムを実行することにより、 各種の制御を行うことができる。 送電制御 回路 1 9、 受電制御回路 2 9、 およびモータ制御回路 3 5は、 本実施形態の 動作を実行するように構成された専用のハー ドウエアによって構成されてい てもよい。

[0176] 通信回路 1 7、 2 7は、 例えば公知の無線通信技術、 光通信技術、 または 変調技術 （周波数変調、 負荷変調など） を用いて、 信号を送受信することが できる。 通信回路 1 7、 2 7による通信方式は任意であり、 特定の方式に限 定されない。

[0177] モータ 3 1は、 例えば永久磁石同期モータまたは誘導モータ などの、 3相 交流によって駆動されるモータであり得るが 、 これに限定されない。 モータ 3 1は、 直流モータ等の他の種類のモータでもよい。 その場合には、 3相イ ンバータ回路であるモータインバータ 3 3に代えて、 モータ 3 1の構造に応 じたモータ駆動回路が使用される。 [0178] 電源 200は、 直流電源を出力する任意の電源であり得る。 電源 200は 、 例えば、 商用電源、 _次電池、 二次電池、 太陽電池、 燃料電池、 US B （ U n i v e r s a l S e r i a l B u s） 電源、 高容量のキャパシタ （ 例えば電気二重層キャパシタ） 、 商用電源に接続された電圧変換器などの任 意の電源であってよい。

[0179] スイッチ 400は、 非常停止用のスイッチであり、 前述の直接開路動作機 構を備える。 ただしこれに限定されず、 本開示の技術は、 他の種類のスイッ チにも適用できる。 スイッチ 400は、 電源 200と駆動用インバータ 1 3 との間の導通/非導通を切り替える。

[0180] コントローラ 500は、 無線電力伝送システムに含まれる各負荷の動 作を 制御する制御装置である。 コントローラ 500は、 アクチユエータ 300に おけるモータ 3 1の動作状態を決定する負荷指令値 （回転速度およびトルク 等） を決定して通信回路 1 7に送信する。

産業上の利用可能性

[0181] 本開示の技術は、 無線で電力を伝送する任意の用途に適用でき る。 例えば ロボッ トなどの電動装置に利用できる。

符号の説明

[0182] 1 0 送電モジュール

1 1 第 1の送電コイル

1 2 第 2の送電コイル

1 3 第 1のインバータ回路

1 4 第 2のインバータ回路

1 5 第 3の送電コイル

1 6 第 3のインバータ回路

1 7 通信回路

1 9 制御回路

20 受電モジュール

2 1 第 1の受電コイル 〇 2020/175582 40 卩（：170? 2020 /007861

22 第 2の受電コイル

23 第 1の整流回路

24 第 2の整流回路

25 第 3の受電コイル

26 第 3の整流回路

27 通信回路

28 補償回路

29 受電制御回路

3 1 モータ

33 モータインバータ回路

35 モータ制御回路

5 1 第 1の電源

52 第 2の電源

6 1 第 1の負荷

62 第 2の負荷

1 00 無線給電ユニッ ト

1 1 0 結合回路

200 電源

300 アクチユエータ

500 制御装置