无线供电装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及由送电装置、受电装置以及共振装置构成的无线供电装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，伴随电子设备的小型轻量化以及低消耗电力化，进而伴随电池容量的增 大化，电池驱动的电子设备不断增加。另外，在近距离以无线来进行设备间的数据通信的利 用形态也不断增加。与这些状况相伴，关于电力也不断关注在近距离的供电技术。
[0003] 例如，现有的非接触型的充电系统如专利文献1所示那样，由在充电座等具备一 次侧线圈的送电装置、和具备二次线圈以及充电电池的便携电子设备构成，用户将便携电 子设备载置在送电装置。由此，送电装置的一次侧线圈和便携电子设备的二次侧线圈电磁 感应耦合（磁场耦合）而向充电装置侧提供电力，对二次电池进行充电。
[0004] 先行技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献I:JP特开2008-206327号公报
[0007] 发明的概要
[0008] 发明要解决的课题
[0009] 在专利文献1的非接触型的充电系统中，送电线圈和受电线圈作为利用了电磁感 应的绝缘变压器发挥作用，只是作为利用为磁耦合的变压器而已。在利用了电磁感应的变 压器中，重要的是使因流过初级绕组的电流而产生的磁通与次级绕组交链来使其流过电 流，效率良好地从电到磁、然后再到电地进行变换。
[0010] 在利用了电磁感应的无线供电装置中，为了提高电力变换效率，重要的是如何提 高初级绕组与次级绕组的磁耦合度。但是，为了防止磁饱和，或者由于物理上的制约，较多 情况下难以使变压器的磁耦合度较大，结果就得不到高的电力变换效率。
[0011] 另外，近年来，使用共振方式的无线供电技术的研宄开发不断活跃。在2007年由 MIT( 7寸于二一七7 7工科大学）报告、受到注目的频率10MHz、传输距离2m下的电力传 输实验中，电力效率低到约15%，非常低。其主要理由推测为是使用考毕兹振荡电路来使高 频交流电流产生。认为在考毕兹振荡电路中的电力放大电路中，在使交流电流产生的阶段 会失去大量的电力。无线供电中的最重要课题，毫不夸张地说就是高效率的高频交流电流 的产生。
[0012] 本发明涉及形成电磁场共振耦合来进行无线供电的装置。在以电磁场共振耦合进 行无线供电的情况下有以下那样的课题。
[0013] (1)在现有的磁场共振技术中，作为用于产生磁通的电力源，运用高频交流源，一 直是使用A类放大电路的线性放大器等。但是，电力放大电路的电力损耗较大，例如在A类 放大电路中，用于产生交流电力的电力效率，理论上的最高也就50%。即，若使用电力放大 电路，就会构成电力效率非常差的无线供电系统。
[0014] (2)在现有的磁场共振技术中，将送电线圈所产生的磁通当中与受电线圈交链的 磁通作为磁路处置，根据磁路中磁通密度大的磁路易于提高传输效率这样的观点，一直限 定地处理送电线圈和受电线圈的位置关系。为此，基本上是使送电线圈和受电线圈相互对 置配置，受到配置位置的制约。
[0015] (3)在现有的磁场共振技术中，将送电线圈所产生的磁通当中与受电线圈交链的 磁通作为磁路来处置，根据磁路中的磁通密度大的磁路易于提高传输效率这样的观点，将 送电线圈和受电线圈的形状形成得相同。为此受到形状的制约。
【发明内容】
[0016] 本发明的目的在于，提供电力传输效率高、各装置的配置位置以及形状的自由度 高的无线供电装置。
[0017] 用于解决课题的手段
[0018] 本发明的无线供电装置如下那样构成。
[0019] (1)特征在于，具备：送电装置，其具备提供电能的直流电源、和与该直流电源电 连接的送电线圈；受电装置，其具备消耗电能的负载、和与该负载电连接的受电线圈；送电 谐振电路，其由所述送电线圈所具有的感性阻抗、和所述送电线圈的寄生电容或基于外部 电容器的谐振电容器的容性阻抗构成；送电开关电路，其包含开关元件和开关控制电路，所 述开关元件与所述送电谐振电路电连接，通过进行通断的开关动作对所述送电谐振电路断 续地赋予所述直流电源、和控制该开关元件来使所述送电谐振电路产生谐振电流的开关控 制电路；受电谐振电路，其由所述受电线圈所具有的感性阻抗、和所述受电线圈的寄生电容 或基于外部电容器的谐振电容器的容性阻抗构成；和受电负载电路，其与所述受电谐振电 路电连接，将基于谐振电流的电能提供给所述负载，将所述送电装置以及所述受电装置隔 着空间配置，所述送电线圈通过所述送电开关电路的动作从所述直流电源取出电能来使谐 振电流产生，并且通过该谐振电流在空间直接创造以开关频率fs周期性变化的电磁场，形 成使空间本身具有能量而振动的电磁场的共振域，所述受电线圈通过从所述共振域得到电 能来使谐振电流产生，并用该谐振电流形成新的电磁场的共振域。
[0020] 通过上述构成，送电装置将直流电源所具有的电能直接变换成电磁场能，受电装 置将共振域所具有的电磁场能直接变换成电能。能用这样的机构从送电装置向受电装置传 输电力。如此，通过直接变换电能和电磁场能，能减低能量损耗。另外，能构成简易的无线 供电装置。
[0021] (2)优选在自所述送电线圈或所述受电线圈起相对于所述开关频率fs的倒数即 开关周期Ts[秒]与光速（约30万[km/s])之积的1/5以下的范围内形成所述共振域。通 过该构成，在从各线圈起1/5波长的范围以内形成共振域。
[0022] (3)优选具备：共振装置，其包含配置在所述送电线圈以及所述受电线圈所存在 的近场的空间的至少1个共振线圈；和共振谐振电路，其由所述共振线圈所具有的感性阻 抗、和所述共振线圈的寄生电容或基于外部电容器的谐振电容器的容性阻抗构成，所述共 振线圈通过从所述共振域得到电能来使谐振电流产生，并用该谐振电流形成新的电磁场的 共振域。
[0023] 通过上述构成，能由共振装置形成共振域来扩大共振域，能在大范围从送电装置 向受电装置效率良好地传输电力。
[0024] (4)在自所述共振线圈起相对于所述开关频率fs的倒数即开关周期Ts[秒]与光 速（约30万[km/s])之积的1/5以下的范围内形成所述共振域。
[0025] (5)优选是所述受电负载电路具有整流电路，将直流的电能提供给所述负载的构 成。由此，能向负载提供直流的电能，还能通过并联连接负载向多个负载提供电力。
[0026] (6)优选所述开关控制电路的开关频率fs相对于所述送电谐振电路的谐振频率 fr为fs=fr±30%的关系，所述谐振频率fr是从连接所述送电开关电路的输入看负载侧 整体的等效的输入阻抗的虚部X成为0的谐振频率。由此，以从送电谐振电路的输入看负 载侧整体的等效的输入阻抗的虚部X大致成为0的谐振频率进行开关，从而能形成高能量 的共振域。
[0027] (7)优选所述送电谐振电路和所述共振谐振电路各自独立具有的谐振频率在 ±30%的范围内一致。由此，形成共振域的开关频率的设定变得容易。
[0028] (8)优选所述共振谐振电路和所述受电谐振电路各自独立具有的谐振频率在 ±30 %的范围内一致。由此，共振域的扩大变得容易。
[0029](9)优选所述送电线圈的半径r1、所述共振线圈的半径r2和所述受电线圈的半径 r3有rl=r2 =r3的关系。由此，通过使送电线圈的直径、共振线圈的直径和受电线圈的 直径分别为相同的大小，能在达成线圈外形的小型化的同时效率良好地传输电力。通过使 直径为大致相同的大小，能相对于容许的线圈直径的尺寸得到最大的传输效率。
[0030] (10)优选所述送电线圈的半径rl、所述共振线圈的半径r2和所述受电线圈的半 径r3有rl>r2 >r3的关系。由此维持电力传输效率并谋求受电装置的小型化。
[0031] (11)优选所述送电线圈的半径rl、所述共振线圈的半径r2和所述受电线圈的半 径r3有rl<r2 <r3的关系。由此维持电力传输效率并谋求送电装置的小型化。
[0032] (12)优选所述开关元件是FET，所述送电开关电路包含所述FET的寄生电容、以及 逆并联二极管。由此，能利用FET的寄生电容、逆并联二极管来构成开关电路，能削减部品 数来谋求无线供电装置的高效率化、小型轻量化。
[0033] (13)优选所述开关控制电路使开关频率fs相对于所述送电谐振电路的谐振频率 fr为fs多fr的关系，其中所述谐振频率fr是从连接所述送电开关电路的输入看负载侧整 体的等效的输入阻抗的虚部X成为0的谐振频率，来设定所述虚部X成为X多0的关系的 开关频率fs。由此，能针对负载的变化进行开关元件的ZVS(零电压开关）动作。由此减低 了开关损耗并能谋求高效率化，能谋求无线供电装置的小型轻量化。
[0034] (14)优选所述开关控制电路构成为进行控制，在所述开关元件的两端电压降低到 零电压附近时接通所述开关元件，由此进行零电压开关动作。由此，通过在开关元件的两端 电压降低到零电压附近时进行接通，能更加降低开关损耗，由此能谋求高效率化，能谋求无 线供电装置的小型轻量化。
[0035] (15)优选所述共振装置在所述近场的空间配置多个。由此，通过在送电线圈和受 电线圈所存在的近场的空间配置多个共振装置，有效果地扩大了共振域，能提高送电装置 以及受电装置的位置自由度。
[0036] (16)优选多个所述共振谐振电路分别独立具有的谐振频率在±30%的范围内一 致。由此，共振域的扩大变得容易。
[0037] (17)优选将所述共振线圈配置在该共振线圈的中心不重合在连结所述送电线圈 的中心和所述受电线圈的中心的线段上的位置。由此，能不使送电线圈和受电线圈对置地 传输电力，能提高送电装置以及受电装置的配置的自由度。
[0038] (18)优选所述送电装置配置多个，各个送电装置所具有的开关频率在±30%的 范围内相同。由此，能通过配置多个送电装置来扩大共振域，通过使各个送电装置的开关频 率大致相同，能使共振域的电磁场能较大。
[0039] (19)优选所述受电装置配置多个，各个受电装置所具有的受电谐振电路的谐振频 率在±30%的范围内相同。由此，通过使多个受电装置所具有的谐振电路的谐振频率大致 相同，能收获更大的电能。
[0040] (20)优选构成为所述受电线圈配置多个，将各个受电线圈所受电的电能集中后提 供给负载。由此，能容易地使能提供给负载的电能较大。
[0041] (21)优选所述送电装置配置多个，各个送电装置所具有的开关频率是 ISM(Industry-Science_Medical，工业-科学-医疗频段）频段。由此抑制了向周边设备 的电磁噪声所带来的干扰，能得到电磁兼容性（EMC)。