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JP2009124878A - Power transmitter, and power transmitting device and power receiving device for power transmitter - Google Patents

Power transmitter, and power transmitting device and power receiving device for power transmitter Download PDF

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JP2009124878A
JP2009124878A JP2007296766A JP2007296766A JP2009124878A JP 2009124878 A JP2009124878 A JP 2009124878A JP 2007296766 A JP2007296766 A JP 2007296766A JP 2007296766 A JP2007296766 A JP 2007296766A JP 2009124878 A JP2009124878 A JP 2009124878A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power transmitter that includes a capacitor, having optimal power-factor improving performance at a high frequency, and that has excellent power transmission performance, a power transmitting device for a power transmitter, and a power receiving device for a power transmitter. <P>SOLUTION: The power transmitter 100 is composed of a power transmitting part 30 at least including an AC power supply 30b for converting DC power into AC power and a power transmitting coil 1, and a power receiving part 400 at least including a load RL and a power receiving coil 2. If dielectric absorption of a power-factor improving capacitor C1 is set as K, a capacitor satisfying a condition that K is ≤1% is equipped in series between the power transmitting coil 1 and the AC power supply 30b so as to transmit power at a frequency of ≥10 kHz. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、分離可能な送電部と受電部とから成り、送電部の送電コイルと受電部の受電コイルとの間に生じる相互誘導作用により電力を伝送する電力伝送装置、電力伝送装置の送電装置および受電装置に関する。   The present invention includes a separable power transmission unit and a power reception unit, a power transmission device that transmits power by a mutual induction effect generated between a power transmission coil of the power transmission unit and a power reception coil of the power reception unit, and a power transmission device of the power transmission device And a power receiving apparatus.

送電コイルと、受電コイルとが分離可能な電力伝送装置は、電力伝送を行っていない場合には両コイル間の距離が離れた分離状態にある。例えば、電力伝送時には、図114に示すように、送電コイル1と、受電コイル2とを対向させて構成される。送電制御回路3からキャパシタC1を介して送電コイル1に交流電流を流すと、相互誘導作用により受電コイル2に起電力が誘起され、前記起電力による交流電流が受電制御回路4を通じて負荷RLに流れ、電力伝送が行われる。   The power transmission device in which the power transmission coil and the power reception coil can be separated is in a separated state in which the distance between the coils is separated when power transmission is not performed. For example, at the time of power transmission, as shown in FIG. 114, the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 are configured to face each other. When an alternating current is passed from the power transmission control circuit 3 to the power transmission coil 1 via the capacitor C1, an electromotive force is induced in the power receiving coil 2 by the mutual induction action, and the alternating current due to the electromotive force flows to the load RL through the power reception control circuit 4. Power transmission is performed.

送電コイル1あるいは受電コイル2は、例えば、図115(A)の平面図に示す導体1xを渦巻き状に巻回して構成され、図115(A)の線6B−6Bに沿う図115(B)に示す断面図のように、間隔βを介して対向して配置される。導体1xを渦巻き状に巻回して構成される2個のコイルを図115(B)のように対向させるのは、両コイルを誘導結合させるのと同義であるので、「対向」という表記は、両コイルが誘導結合状態にあることを示しているものとする。   The power transmission coil 1 or the power reception coil 2 is configured by, for example, winding the conductor 1x shown in the plan view of FIG. 115A in a spiral shape, and along the line 6B-6B of FIG. 115A (FIG. 115B). As shown in the cross-sectional view shown in FIG. Since the two coils formed by winding the conductor 1x in a spiral shape are opposed to each other as shown in FIG. 115B, it is synonymous with inductively coupling the two coils. It is assumed that both coils are in an inductively coupled state.

図115(B)では、送電コイル1と受電コイル2に同一のものを用いている。これは、以下に引用する従来例において、誘導結合を示す対向状態が送電コイル1と受電コイル2とに同一のコイルを用いているからである。当然ながら、送電コイル1と受電コイル2とが異なるコイルを用いることもできる。以降、従来例を含め、単に「コイル」と表記されている場合、送電コイル1または受電コイル2、あるいは双方のコイルを指すものとする。また、本願では、引用する文献によって、使用されている用語が異なるため、用語について説明しておく。   In FIG. 115B, the same power transmission coil 1 and power reception coil 2 are used. This is because in the conventional example cited below, the opposing state indicating inductive coupling uses the same coil for the power transmission coil 1 and the power reception coil 2. Naturally, a coil in which the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 are different can be used. Hereinafter, when it is simply indicated as “coil” including the conventional example, it refers to the power transmission coil 1 or the power reception coil 2 or both coils. Moreover, in this application, since the vocabulary used differs with the literature referred, vocabulary is demonstrated.

図114の送電制御回路3、送電コイル1を含む部分を、送電側、1次側、入力側等と表記し、送電コイル1を、送電コイル、送電コイル、1次コイル、1次側コイル等と表記する。また、図114の受電制御回路4、受電コイル2を含む部分を、受電側、2次側、出力側等と表記し、受電コイル2を、受電コイル、受電コイル、2次コイル、2次側コイル等と表記する。次に、コイルやキャパシタの等価回路中に直列に存在する抵抗成分は、通常ESRと表記され、日本語では等価直列抵抗(Equivalent Series Resistance)と呼ばれている。本願では、ESRの周波数特性に言及するので「実効直列抵抗」(Effective Series Resistance)に表記を統一しておく。   A portion including the power transmission control circuit 3 and the power transmission coil 1 in FIG. 114 is denoted as a power transmission side, a primary side, an input side, and the like, and the power transmission coil 1 is represented by a power transmission coil, a power transmission coil, a primary coil, a primary side coil, and the like. Is written. In addition, a part including the power reception control circuit 4 and the power reception coil 2 in FIG. 114 is expressed as a power reception side, a secondary side, an output side, and the like, and the power reception coil 2 is a power reception coil, a power reception coil, a secondary coil, and a secondary side. Indicated as a coil. Next, a resistance component existing in series in an equivalent circuit of a coil or a capacitor is generally expressed as ESR, and is called Equivalent Series Resistance in Japanese. In this application, reference is made to “Effective Series Resistance” because the frequency characteristics of ESR are referred to.

図115のような構成を持つコイルを使用した電力伝送装置が、特開平8−148360号公報(特許文献1)に記載されている。この特許文献1には、比較例1として、ドーナツ状の平面渦巻き型コイルが記載されている。すなわち、このコイルは、直径100μmの絶縁被覆が施された銅線を100本束ねたものを5ターン巻線して、外径30mm、内径15mm、厚さ1.5mmに作成したものであり、磁性材料を装備していない。これらを対向させて電源に接続される方を1次側(入力側)、相互誘導作用により出力が発生する方を2次側(出力側)としている。   A power transmission device using a coil having a configuration as shown in FIG. 115 is described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-148360 (Patent Document 1). This Patent Document 1 describes a donut-shaped planar spiral coil as Comparative Example 1. In other words, this coil was made by winding 5 turns of 100 copper wires with an insulation coating having a diameter of 100 μm, and making them with an outer diameter of 30 mm, an inner diameter of 15 mm, and a thickness of 1.5 mm. Not equipped with magnetic material. The side that is connected to the power supply with these facing each other is the primary side (input side), and the side that generates output by the mutual induction action is the secondary side (output side).

また、特許文献1の実施例には、電力伝送周波数が100kHzでの実測データが記載されており、電力伝送周波数が100kHzに限定されないと記載されている。すなわち、特許文献1の段落番号0040には、電力伝送周波数が任意に選べると記載されている。   Moreover, in the Example of patent document 1, the measurement data in which the power transmission frequency is 100 kHz is described, and it is described that the power transmission frequency is not limited to 100 kHz. That is, paragraph number 0040 of Patent Document 1 describes that the power transmission frequency can be arbitrarily selected.

このような構成を持つコイルの他の例が、特開平4−122007号公報(特許文献2)に記載されている。この特許文献2に、比較例1として、平面渦巻き型コイルであって、直径1mmのエナメル銅線を25ターン巻線し、外径80mm、内径24mmに作成し、磁心部を設けていないコイルが記載されている。これらを対向させて電源に接続される方を1次側(入力側)とし、相互誘導作用により出力が発生する方を2次側(出力側)としている。   Another example of the coil having such a configuration is described in Japanese Patent Laid-Open No. 4-122007 (Patent Document 2). In this Patent Document 2, as a comparative example 1, there is a flat spiral coil, in which an enameled copper wire having a diameter of 1 mm is wound for 25 turns, an outer diameter is 80 mm, an inner diameter is 24 mm, and a magnetic core is not provided. Are listed. The one that is connected to the power supply with these facing each other is the primary side (input side), and the one that generates output by the mutual induction action is the secondary side (output side).

なお、空芯コイルは、金属の近接により、コイルの特性(インダクタンスや実効直列抵抗)が変化する。この影響を防止するため、コイル状アンテナに、磁性材料と金属板を組み合わせて装備する発明は多数出願されている。しかし、コイル状アンテナは、電磁波によりエネルギーを伝達するもので、相互誘導作用を用いるものでは無い。相互誘導作用を用いた電力伝送装置において、特開2006−42519号公報(特許文献3)には、不要輻射の排除を目的とし、平面渦巻き状コイルの対向面と反対側に、磁性材料で形成されるシート、そして、磁性材料のコイルの対向面と反対側に金属板を貼り付ける構成のコイルが記載されている。   In the air-core coil, the coil characteristics (inductance and effective series resistance) change due to the proximity of the metal. In order to prevent this influence, many inventions have been filed in which a coiled antenna is equipped with a combination of a magnetic material and a metal plate. However, the coiled antenna transmits energy by electromagnetic waves and does not use a mutual induction action. In a power transmission device using a mutual induction action, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-42519 (Patent Document 3) is formed of a magnetic material on the opposite side of a plane spiral coil for the purpose of eliminating unnecessary radiation. And a coil having a structure in which a metal plate is attached to the opposite side of the opposing surface of the coil of magnetic material.

さらに、コイルに金属材料が近接したときの影響を排除する金属材料として、反磁性金属を使うことが、特開2002−353050号公報(特許文献4)に記載されている。特許文献4においても、コイルを「磁界型空中線」と記載し、相互誘導作用に用いられるコイルと電磁波を送受信するアンテナを混同している。   Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-353050 (Patent Document 4) describes that a diamagnetic metal is used as a metal material that eliminates the influence of a metal material approaching the coil. Also in patent document 4, a coil is described as "magnetic field type antenna", and the coil used for a mutual induction effect and the antenna which transmits / receives electromagnetic waves are confused.

図116は、図114に示した送電制御回路3から送電コイル1を見たときの簡略化した2端子の等価回路図である。図116において、Leは2端子回路の残留(漏洩)インダクタンスである。残留インダクタンスLe(H)の値は、理論上、送電コイル1単体の自己インダクタンス、受電コイル2単体の自己インダクタンス、送電コイル1と受電コイル2間の結合係数、受電コイル2に接続された負荷抵抗値、後述する受電コイル2の実効直列抵抗値によって決まる。   116 is a simplified two-terminal equivalent circuit diagram when power transmission coil 1 is viewed from power transmission control circuit 3 shown in FIG. In FIG. 116, Le is the residual (leakage) inductance of the two-terminal circuit. The value of the residual inductance Le (H) theoretically includes the self-inductance of the power transmission coil 1 alone, the self-inductance of the power reception coil 2 alone, the coupling coefficient between the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, and the load resistance connected to the power reception coil 2. The value is determined by the effective series resistance value of the power receiving coil 2 described later.

同じく、図116において、Reは2端子回路の純抵抗成分である。純抵抗成分Re(Ω)の値は、理論上、送電コイル1単体の自己インダクタンス、受電コイル2単体の自己インダクタンス、送電コイル1と受電コイル2間の結合係数、受電コイル2に接続された負荷抵抗値、後述する送電コイル1と受電コイル2の実効直列抵抗値によって決まる。   Similarly, in FIG. 116, Re is a pure resistance component of a two-terminal circuit. The value of the pure resistance component Re (Ω) theoretically includes the self-inductance of the power transmission coil 1 alone, the self-inductance of the power reception coil 2 alone, the coupling coefficient between the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, and the load connected to the power reception coil 2. The resistance value is determined by the effective series resistance value of a power transmission coil 1 and a power reception coil 2 described later.

送電コイル1単体の自己インダクタンスL1(H)、受電コイル単体の自己インダクタンスL2(H)は一定値である。後述するが、送電コイル1と受電コイル2間の結合係数の変動、受電コイル2に接続された負荷抵抗値の変動、送電周波数による受電コイル2の実効直列抵抗の変化に伴い、残留インダクタンスLe(H)は変化する。また、コイル構成によっては、送電コイル1に受電コイル2が対向したときの、送電コイル1のインダクタンスと受電コイル2のインダクタンスの変化に伴い、残留インダクタンスLe(H)は変化する。よって、残留インダクタンスLeの値は、L1の値より、大きくも小さくもなる。   The self-inductance L1 (H) of the single power transmission coil 1 and the self-inductance L2 (H) of the single power reception coil are constant values. As will be described later, the residual inductance Le () varies with the variation in the coupling coefficient between the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, the variation in the load resistance value connected to the power reception coil 2, and the change in the effective series resistance of the power reception coil 2 due to the power transmission frequency. H) changes. Further, depending on the coil configuration, the residual inductance Le (H) changes with changes in the inductance of the power transmission coil 1 and the inductance of the power reception coil 2 when the power reception coil 2 faces the power transmission coil 1. Therefore, the value of the residual inductance Le is larger or smaller than the value of L1.

同じく、送電コイル1と受電コイル2間の結合係数の変動、受電コイル2に接続された負荷抵抗値の変動、送電コイル1の実効直列抵抗の変化、受電コイル2の実効直列抵抗の変化に伴い、純抵抗成分Re(Ω)は変化する。送電コイル1単体のインダクタンスL1(H)、受電コイル2単体のインダクタンスL2(H)、送電コイル1と受電コイル2間の結合係数により、純抵抗成分Reの値は、負荷RLの値より、大きくも小さくもなる。   Similarly, with a change in the coupling coefficient between the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, a change in the load resistance value connected to the power reception coil 2, a change in the effective series resistance of the power transmission coil 1, and a change in the effective series resistance of the power reception coil 2 The pure resistance component Re (Ω) changes. Due to the inductance L1 (H) of the power transmission coil 1 alone, the inductance L2 (H) of the power reception coil 2 alone, and the coupling coefficient between the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, the value of the pure resistance component Re is larger than the value of the load RL. Become smaller.

残留インダクタンスLeは、無効電力の原因となり、力率を低下させる。そこで、図116に示すように、キャパシタC1を用いて、残留インダクタンスLeに起因する正の残留リアクタンス成分を打ち消して力率の改善を行なっている場合がある。図116は、送電コイル1のみに直列にキャパシタを接続した場合の2端子等価回路になる。受電コイル2にのみに直列にキャパシタを接続した場合の2端子等価回路、あるいは送電コイル1と受電コイル2の双方に、直列にキャパシタを接続した場合の2端子等価回路については、実施例にて説明する。   The residual inductance Le causes reactive power and reduces the power factor. Therefore, as shown in FIG. 116, the power factor may be improved by canceling the positive residual reactance component caused by the residual inductance Le using the capacitor C1. FIG. 116 is a two-terminal equivalent circuit when a capacitor is connected in series only to the power transmission coil 1. The two-terminal equivalent circuit when a capacitor is connected in series only to the power receiving coil 2 or the two-terminal equivalent circuit when a capacitor is connected in series to both the power transmitting coil 1 and the power receiving coil 2 is described in the embodiment. explain.

特性がよいキャパシタ単体の特許は多数出願されている。しかし、電力伝送装置において、正の残留インダクタンスLeを打ち消して力率の改善のために使用される適切なキャパシタの構成や特性について言及した文献は、殆ど見られない。前述した特許文献4に、電力伝送装置に用いるキャパシタとして、誘電正接の低いフィルムキャパシタ等を使用するというのが記載されている程度である。   Many patents for single capacitors with good characteristics have been filed. However, in the power transmission device, there is hardly any document that mentions the configuration and characteristics of an appropriate capacitor that is used to cancel the positive residual inductance Le and improve the power factor. Patent Document 4 described above only describes that a film capacitor having a low dielectric loss tangent is used as a capacitor used in the power transmission device.

次に、キャパシタに関する用語について説明しておく。容量性素子であるキャパシタは、日本語ではコンデンサと表記される場合が多い。本願では文献を引用する場合を含め、全て「キャパシタ」に表記を統一しておく。また、一般にキャパシタの容量値である静電容量をキャパシタンスと表記する場合が多い。しかし、キャパシタンスの表記は、キャパシタと混同しやすいので、全て「静電容量」に表記を統一しておく。さらに、真空中の誘電率に対する比である比誘電率は、単に「誘電率」と表記されている場合が多い。物理定数である誘電率εoは、真空中の誘電率であり、εo=8.85×10−12(F/m)である。本願では、キャパシタの構成を真空中の誘電率εoを用いて求めている。よって、真空中の誘電率εoに対する比である比誘電率εsは「比誘電率」またはεsに表記を統一しておく。 Next, terms relating to the capacitor will be described. Capacitors that are capacitive elements are often written as capacitors in Japanese. In the present application, including the case of quoting documents, the notation is all unified as “capacitor”. In general, the capacitance that is the capacitance value of the capacitor is often expressed as capacitance. However, since the notation of capacitance is easily confused with a capacitor, the notation of “capacitance” is all unified. Furthermore, the relative dielectric constant, which is the ratio to the dielectric constant in vacuum, is often simply expressed as “dielectric constant”. The dielectric constant εo, which is a physical constant, is a dielectric constant in a vacuum, and εo = 8.85 × 10 −12 (F / m). In the present application, the configuration of the capacitor is obtained using the dielectric constant εo in vacuum. Therefore, the relative dielectric constant εs, which is the ratio to the dielectric constant εo in vacuum, is unified as “relative dielectric constant” or εs.

送電部と受電部が分離可能な電力伝送装置においては、送電コイル1または受電コイル2に、直列または並列にキャパシタを接続できる。したがって、送電部単体あるいは受電部単体では、共振回路が形成される。本技術分野においては、このように送電部と受電部単体の共振周波数に着目している文献が殆どである。特許文献4においても、受電部の共振周波数を送電部の共振周波数よりも低く設定すると記載されている。しかし、特許文献4には、コイルとキャパシタを直列接続した直列回路が、前述した力率改善の作用効果を持つことは全く記載されていない。   In the power transmission device in which the power transmission unit and the power reception unit can be separated, a capacitor can be connected to the power transmission coil 1 or the power reception coil 2 in series or in parallel. Therefore, a resonance circuit is formed by the power transmission unit alone or the power reception unit alone. In this technical field, most of the literature focuses on the resonance frequency of the power transmission unit and the power reception unit alone. Patent Document 4 also describes that the resonance frequency of the power reception unit is set lower than the resonance frequency of the power transmission unit. However, Patent Document 4 does not describe at all that a series circuit in which a coil and a capacitor are connected in series has the above-described effect of power factor improvement.

さらに、特開平4−286438号公報:米国特許5,126,589(特許文献5)にも、送電部単体の共振周波数を受電部単体の共振周波数よりも高く設定すると記載されている。これは、特許文献4の受電部、送電部の各共振周波数の関係と同じである。   Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 4-286438: US Pat. No. 5,126,589 (Patent Document 5) also describes that the resonance frequency of a single power transmission unit is set higher than the resonance frequency of a single power reception unit. This is the same as the relationship between the resonance frequencies of the power reception unit and the power transmission unit in Patent Document 4.

特開平8−340285号公報(特許文献6)には、受電部単体の共振周波数を送電部の電力伝送周波数よりも高く設定すると記載されている。すなわち、上述した特許文献4、特許文献5とは全く逆の記載がされている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-340285 (Patent Document 6) describes that the resonance frequency of a single power reception unit is set higher than the power transmission frequency of the power transmission unit. That is, the description is completely opposite to Patent Document 4 and Patent Document 5 described above.

また、相互誘導作用に基づく電力伝送装置において、送電部コイルに近接した金属体が発熱を防止する手法、送電部と受電部の信号伝送方式を設けて伝送電力を制御する手法が、特開平10−271713号公報:米国特許5,896,278(特許文献7)に記載されている。
特開平8−148360号公報(段落番号0027) 特開平4−122007号公報(第1表、第2表) 特開2006−42519号公報(段落番号0019、0020、請求項1、請求項2、図2、図3) 特開2002−353050号公報(段落番号0007、0015、0017、0018、0019、請求項3、請求項5) 特開平4−286438号公報(段落番号0007、請求項1) 特開平8−340285号公報(段落番号0094、請求項2) 特開平10−271713号公報(段落番号0005、0009等)
Further, in a power transmission device based on a mutual induction action, a method for preventing heat generation by a metal body close to a power transmission unit coil, and a method for controlling transmission power by providing a signal transmission method between a power transmission unit and a power reception unit are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-101. No. -271713: described in US Pat. No. 5,896,278 (Patent Document 7).
JP-A-8-148360 (paragraph number 0027) JP-A-4-122007 (Tables 1 and 2) JP 2006-42519 A (paragraph numbers 0019, 0020, claim 1, claim 2, FIG. 2, FIG. 3) JP 2002-353050 A (paragraph numbers 0007, 0015, 0017, 0018, 0019, claim 3, claim 5) JP-A-4-286438 (paragraph number 0007, claim 1) JP-A-8-340285 (paragraph number 0094, claim 2) JP-A-10-271713 (paragraph numbers 0005, 0009, etc.)

送電部と、受電部とが分離可能な電力伝送装置は、電線や機械的な接点を用いずに電力を機器に送ることができる。電気機器や電子機器が動作するのに必要な電力を、電線や機械的な接点を用いずに送ることができるようになると、様々な応用用途や利点がある。しかし、従来の技術では、相互誘導作用を利用して電力を伝送する電力伝送用コイルの構成と特性、および作用効果が明確にされていない。そこで、送電コイル1と、受電コイルとが分離可能な電力伝送装置、および電力伝送装置のコイルに関する従来例について考察してみる。   A power transmission device in which a power transmission unit and a power reception unit can be separated can transmit power to an apparatus without using an electric wire or a mechanical contact. There are various application uses and advantages when it is possible to send electric power necessary for the operation of electrical equipment and electronic equipment without using electric wires or mechanical contacts. However, in the conventional technology, the configuration and characteristics of the power transmission coil that transmits power using the mutual induction effect, and the function and effect are not clarified. Therefore, a power transmission device in which the power transmission coil 1 and the power reception coil can be separated and a conventional example related to the coil of the power transmission device will be considered.

まず、特許文献1には、電力伝送周波数が任意に選べると記載されている。しかし、電力伝送手段は、変成器(変圧器)である。1次コイルと2次コイルが分離不能ではあるが、50Hz〜60Hzの商用電源用に設計された変圧器が、任意の周波数、例えば、5Hz、あるいは、10kHzで使用できないことは明らかである。すなわち、電力伝送手段である変成器には、使用可能な周波数の下限および上限が存在する。しかし、電力伝送用コイルとして使用可能な周波数範囲について考察した従来技術は存在しない。   First, Patent Document 1 describes that the power transmission frequency can be arbitrarily selected. However, the power transmission means is a transformer. Although the primary and secondary coils are inseparable, it is clear that a transformer designed for a 50 Hz to 60 Hz commercial power supply cannot be used at any frequency, for example, 5 Hz or 10 kHz. That is, the transformer which is a power transmission means has a lower limit and an upper limit of usable frequencies. However, there is no conventional technique that considers a frequency range that can be used as a power transmission coil.

また、1次コイルと2次コイルが分離不能な変圧器では、両コイル間の結合係数がほぼ1の密結合状態である。一方、1次コイルと2次コイルが分離可能な変成器では、両コイル間の結合係数が最大でも0.9程度の疎結合状態である。したがって、特許文献1、特許文献2に実施例として記載されたコイルは、平面渦巻き状に巻回したコイルに磁性材を装備して、両コイル間の結合係数を確保するようにしている。すなわち、特許文献1、特許文献2に記載されているコイルは、どちらも比較例であり、空芯の平面渦巻き型コイルを用いた場合には、磁性材料を装備しないと性能向上が図れない旨の記載が見られる。   Further, in a transformer in which the primary coil and the secondary coil cannot be separated, the coupling coefficient between both the coils is in a tightly coupled state. On the other hand, a transformer capable of separating the primary coil and the secondary coil is in a loosely coupled state in which the coupling coefficient between the two coils is at most about 0.9. Therefore, the coil described as an Example in patent document 1 and patent document 2 equips the coil wound by planar spiral shape with a magnetic material, and is trying to ensure the coupling coefficient between both coils. That is, the coils described in Patent Document 1 and Patent Document 2 are both comparative examples, and when an air-core planar spiral coil is used, performance cannot be improved unless a magnetic material is provided. Can be seen.

しかしながら、平面渦巻き状コイルの利点は、その形状にあり、特に機器側に装備される受電コイルは、薄くないと実装上の問題が発生する。特に、2次電池を内蔵した小型の携帯機器などでは、スペースの制約上、コイル体積をできる限り小さくすることが要求されている。電力伝送性能を向上させるために、例えば特許文献1に記載されているように、磁性材料で構成された板材をコイルの対向面の反対側に装備しないといけないことになる。しかし、この場合は、コイルの体積が増加し、機器に内蔵するのが困難になるという問題がある。   However, the advantage of the planar spiral coil lies in its shape. In particular, if the power receiving coil provided on the device side is not thin, a problem in mounting occurs. In particular, in a small portable device incorporating a secondary battery, the coil volume is required to be as small as possible due to space constraints. In order to improve the power transmission performance, for example, as described in Patent Document 1, a plate material made of a magnetic material must be provided on the opposite side of the opposing surface of the coil. However, in this case, there is a problem that the volume of the coil increases and it is difficult to incorporate the coil into the device.

特許文献1、特許文献2共に、比較例と実施例を対比し、空芯の平面渦巻き状コイルでは効率よく電力が伝送できないことが記載されている。しかし、その理由については明記されていない。   Both Patent Document 1 and Patent Document 2 compare the comparative example and the example, and describe that power cannot be transmitted efficiently with an air-core planar spiral coil. However, the reason is not specified.

そこで、特許文献1において、比較例1として挙げられている空心コイルに関する開示データについて検討してみる。まず、本願発明者は、特許文献1に開示されているコイルと同一のコイルを作成し、前記コイルの特性を計測した。特許文献1に比較例として記載されているコイルは、直径100μmの絶縁被覆銅線を100本束ねた線径が1.5mmの太い導線を5ターン巻線しているだけである。このため、自己インダクタンスが約0.8μHと小さく、コイル形状により相互インダクタンスも小さくなる。そのため、力率が低下し、皮相電力、無効電力が大きくなる。また、線径が太く、ターン数が少ないので、特許文献1の段落番号0051に記載されている周波数100kHzにおいては、コイルの実効直列抵抗が、約17mΩと小さくなりすぎるという問題がある。   Therefore, in Patent Document 1, the disclosure data regarding the air-core coil cited as Comparative Example 1 will be examined. First, the inventor of the present application created the same coil as that disclosed in Patent Document 1, and measured the characteristics of the coil. The coil described as a comparative example in Patent Document 1 is merely winding five turns of a thick conducting wire having a wire diameter of 1.5 mm in which 100 insulation-coated copper wires having a diameter of 100 μm are bundled. For this reason, the self-inductance is as small as about 0.8 μH, and the mutual inductance is also reduced due to the coil shape. Therefore, a power factor falls and apparent power and reactive power become large. Further, since the wire diameter is large and the number of turns is small, there is a problem that the effective series resistance of the coil becomes too small at about 17 mΩ at a frequency of 100 kHz described in paragraph No. 0051 of Patent Document 1.

図117は、特許文献1に記載された比較例1のコイルを送電コイル1と受電コイル2に用いたときの等価回路図である。前記コイルを2個用い、図117に示すように、送電コイル1と受電コイル2とからなる変成器を構成する。その場合、周波数100kHzでは、負荷抵抗RLを10Ωとしたときの、交流電源V側から見た1次側コイルのインピーダンスZは、Z=約0.6Ωと非常に小さい値となっている。本願の図117において、R3で示される交流電源Vの内部抵抗は、通常0.5Ω〜数十Ωである。よって、交流電源Vに、前記1次側コイルが接続されると、交流電源Vは短絡された状態に近くなってしまう。このため、交流電源Vのうち部抵抗R3が相当の電力を消費し、電力を効率よく伝送できなくなってしまう上、伝送可能な電力値も少なくなる。   FIG. 117 is an equivalent circuit diagram when the coil of Comparative Example 1 described in Patent Document 1 is used for the power transmission coil 1 and the power reception coil 2. Two transformers are used to form a transformer composed of a power transmission coil 1 and a power reception coil 2 as shown in FIG. In this case, at a frequency of 100 kHz, the impedance Z of the primary coil viewed from the AC power supply V side when the load resistance RL is 10Ω is a very small value, Z = approximately 0.6Ω. In FIG. 117 of the present application, the internal resistance of the AC power supply V indicated by R3 is usually 0.5Ω to several tens of Ω. Therefore, when the primary side coil is connected to the AC power source V, the AC power source V becomes close to a short-circuited state. For this reason, the resistance R3 of the AC power source V consumes a considerable amount of power, and the power cannot be efficiently transmitted, and the transmittable power value is reduced.

もともと、特許文献1に記載されているコイルは、コイル対向面の反対側に磁性材を装備することにより、自己インダクタンスを確保し、コイルが対向したときに磁束を閉じ込め、結合係数を増加させる意図で作成されている。このため、空芯コイルとして最適化されたものではない。   Originally, the coil described in Patent Document 1 is intended to secure a self-inductance by equipping a magnetic material on the opposite side of the coil facing surface, confine magnetic flux when the coils face each other, and increase the coupling coefficient. Created with. For this reason, it is not optimized as an air-core coil.

次に、特許文献2に開示されている比較例1のコイルにおいて、空芯では性能が劣る理由を説明する。特許文献2に開示されている比較例1のような構成のコイルでは、周波数が上昇すると、表皮効果および渦電流損により、コイルの実効直列抵抗が増加する。この特性は、単導線の線径が太いほど、顕著な影響があることが知られている。本願発明者は、特許文献2に比較例1として記載されているコイルとほぼ同等のコイルを試作して追試を行なってみた。その結果、50kHzになると、コイルの実効直列抵抗は、コイルの直流抵抗約0.08Ωの、約3倍以上の、0.266Ωになることが分かっている。   Next, the reason why the coil of Comparative Example 1 disclosed in Patent Document 2 is inferior in performance with an air core will be described. In the coil configured as in Comparative Example 1 disclosed in Patent Document 2, when the frequency increases, the effective series resistance of the coil increases due to the skin effect and eddy current loss. It is known that this characteristic has a more significant effect as the wire diameter of the single conductor is thicker. The inventor of the present application tried to make a trial of a coil that is almost equivalent to the coil described as Comparative Example 1 in Patent Document 2. As a result, it has been found that at 50 kHz, the effective series resistance of the coil becomes 0.266Ω, which is about three times or more the direct current resistance of the coil of about 0.08Ω.

図114の送電制御回路3は、図117において、交流電源Vで示され、R3は交流電源Vの内部抵抗である。R1は送電コイル1の実効直列抵抗である。R2は受電コイル2の実効直列抵抗である。RLは受電制御回路4に接続される負荷抵抗である。   114 is indicated by an AC power supply V in FIG. 117, and R3 is an internal resistance of the AC power supply V. R 1 is an effective series resistance of the power transmission coil 1. R2 is an effective series resistance of the power receiving coil 2. RL is a load resistor connected to the power reception control circuit 4.

1次側および2次側コイルの双方に、特許文献2の比較例1として記載されたコイルを使うと、図117に示すように、実効直列抵抗R1が交流電源Vに直列に接続される。そして、実効直列抵抗R2が負荷抵抗RLに直列に接続されることにより、少なくともR1、R2の2箇所で電力損失が発生する。これを回避するには、周波数を下げ、前記した表皮効果、渦電流損の影響を低減するしかない。だが、周波数を下げると、コイルのリアクタンスが減少する。その結果、送電コイル1のインピーダンスZが低下し、送電コイル1に過大な皮相電力が投入されてしまう。そして、皮相電力による過大電流が送電コイル1に流れ、実効直列抵抗R1と、交流電源のうち部抵抗R3による電力損失が発生する。そのため、特許文献2の実施例では、コイルのインダクタンスとリアクタンスを確保し、皮相電力を低減するため磁性材を装備している。空芯でコイルを使用するには、リアクタンスを確保できるよう、高い周波数で作動させることが可能なコイルを実現しなければならない。すなわち、高い周波数で実効直列抵抗R1が低いコイルを実現すればよい。   If the coil described as the comparative example 1 of patent document 2 is used for both the primary side and the secondary side coil, as shown in FIG. 117, the effective series resistance R1 is connected in series to the AC power source V. And by connecting the effective series resistance R2 in series with the load resistance RL, power loss occurs at least at two locations R1 and R2. The only way to avoid this is to lower the frequency and reduce the effects of the skin effect and eddy current loss. However, when the frequency is lowered, the reactance of the coil decreases. As a result, the impedance Z of the power transmission coil 1 decreases, and excessive apparent power is input to the power transmission coil 1. Then, an excessive current due to the apparent power flows through the power transmission coil 1, and power loss due to the effective series resistance R1 and the partial resistance R3 of the AC power supply occurs. Therefore, in the Example of patent document 2, the magnetic material is equipped in order to ensure the inductance and reactance of a coil, and to reduce apparent power. In order to use a coil with an air core, a coil that can be operated at a high frequency must be realized so as to ensure reactance. That is, a coil having a high frequency and a low effective series resistance R1 may be realized.

特許文献1とは逆に、特許文献2の比較例1に記載のコイルは、インダクタンスは高いが、コイルの実効直列抵抗も高い。そのため、空芯で使うには適していないのは、上記に説明した通りである。すなわち、特許文献1の比較例に記載のコイルも、特許文献2の比較例1に記載のコイルも、後述するように、高周波数領域でのコイルのQが低い。   Contrary to patent document 1, although the coil of the comparative example 1 of patent document 2 has high inductance, the effective series resistance of a coil is also high. Therefore, it is not suitable for use with an air core as described above. That is, both the coil described in the comparative example of Patent Document 1 and the coil described in Comparative Example 1 of Patent Document 2 have a low Q in the high frequency region, as will be described later.

一方で、コイルの構成は異なるものの、コイルの実効直列抵抗の周波数特性を改善する発明は、多数出願されている。これらは、周波数の上昇による実効直列抵抗の増加を抑え、コイルのリアクタンスが大きくなる高周波数領域で、コイルのQを増加させることを意図している。しかし、特許文献1から特許文献4のいずれにも、コイルの重要な特性であるインダクタンスについての記載が全く見られない。コイルの構成を規定し、実効直列抵抗の増加を抑えても、インダクタンスが減少すれば、場合によってはコイルのQが低下する。Qが低下する構成規定では、性能のよいコイルが実現できたとは言えない。   On the other hand, although the coil configuration is different, many inventions for improving the frequency characteristics of the effective series resistance of the coil have been filed. These are intended to suppress the increase in effective series resistance due to the increase in frequency and increase the Q of the coil in a high frequency region where the reactance of the coil becomes large. However, none of Patent Documents 1 to 4 shows any description about inductance, which is an important characteristic of the coil. Even if the configuration of the coil is defined and the increase in effective series resistance is suppressed, if the inductance decreases, the Q of the coil may decrease in some cases. It cannot be said that a coil with good performance could be realized with the configuration rule in which Q decreases.

特許文献1、特許文献2においては、上述した実効直列抵抗を低減する手法とは逆の手法を採用し、透磁率の高い磁性材料をコイルに装備することにより、周波数の上昇による実効直列抵抗の増加率よりもインダクタンスを増加させて、コイルのQを上げる手法を使っているものと推察される。   In Patent Document 1 and Patent Document 2, the method opposite to the above-described method for reducing the effective series resistance is adopted, and the effective series resistance due to the increase in the frequency is obtained by equipping the coil with a magnetic material having a high magnetic permeability. It is presumed that a method of increasing the Q of the coil by increasing the inductance rather than the increasing rate is used.

すなわち、電力伝送用の性能がよいコイルを実現するには、自己インダクタンス、相互インダクタンス(結合係数)を確保でき、かつ実効直列抵抗による電力損失がもたらすコイルの発熱を回避するために、適切な構成のコイルを選ばねばならない。そして、コイルの特性規定を行ってコイルの作動条件を定めなければならず、単にコイルの実効直列抵抗の周波数特性を改善するだけでは不十分である。   In other words, in order to realize a coil with good power transmission performance, it is possible to secure self-inductance and mutual inductance (coupling coefficient) and to prevent the coil heat generation caused by power loss due to effective series resistance. Coil must be selected. Then, it is necessary to define the coil operating conditions by defining the coil characteristics, and it is not sufficient to simply improve the frequency characteristics of the effective series resistance of the coil.

上記に説明してきたように、平板に導線を単層渦巻き状に巻回した空芯の電力伝送用コイルは、電力伝送性能が悪いというのが従来の定説となっている。そのため、磁性材料等を装備することによって、電力伝送性能の向上が図られている。そして、電力伝送性能を左右する1つの要因である前述した電力伝送用コイルの実効直列抵抗と周波数との関係を、電力伝送用コイルの構成と共に考察した従来技術は存在しない。すなわち、従来の技術では、電力伝送装置に用いるのに適切な渦巻き状に巻回した電力伝送用コイルが実現できていない。また、渦巻き状に巻回した電力伝送用コイルの作動条件が規定されていない。そのために、電力伝送性能のよい電力伝送装置が実現できていない。前述した電力伝送装置に用いる最適な電力伝送用コイルが実現できていないことが、本分野における第1の課題となっている。   As described above, it is a conventional theory that an air-core power transmission coil in which a conducting wire is wound on a flat plate in a single layer spiral shape has poor power transmission performance. Therefore, the power transmission performance is improved by using a magnetic material or the like. There is no prior art that considers the relationship between the effective series resistance and the frequency of the above-described power transmission coil, which is one factor affecting the power transmission performance, together with the configuration of the power transmission coil. In other words, the conventional technology cannot realize a power transmission coil wound in a spiral suitable for use in a power transmission device. Moreover, the operating condition of the coil for electric power transmission wound by the spiral shape is not prescribed | regulated. Therefore, a power transmission device with good power transmission performance cannot be realized. The first problem in this field is that an optimal power transmission coil used in the power transmission device described above cannot be realized.

一方、特許文献3の段落番号0021には、磁性シートが、コイルの発生する「磁界」による不要輻射を排除すると記載されている。そして、金属シートが、コイルの発生する「電界」による不要輻射を排除すると記載されている。   On the other hand, paragraph number 0021 of Patent Document 3 describes that the magnetic sheet eliminates unnecessary radiation due to the “magnetic field” generated by the coil. And it is described that a metal sheet excludes the unnecessary radiation by the "electric field" which a coil generates.

前述したように、相互誘導作用を用いた場合には、エネルギーを伝達するのは電磁波ではなく「磁束」である。すなわち、誘導結合している送電コイル1と受電コイルとは変成器を構成している。変成器は、コアを装備することにより、結合係数をほぼ1にでき、この場合は力率もほぼ1である。一方、送電コイル1と受電コイルが分離可能な電力伝送装置においては、両コイル間の結合係数が最大でも0.9の疎結合状態である。よって、力率も0.2程度まで低下する。結合係数が1よりも小さいことによって、漏洩磁束が発生するが、後述するように、漏洩磁束の存在自体はエネルギーの損失を起さない。しがたって、特許文献3も、相互誘導作用による電力伝送と電磁波による電力伝送を混同している。   As described above, when the mutual induction action is used, energy is transmitted not by electromagnetic waves but by “magnetic flux”. That is, the power transmission coil 1 and the power reception coil that are inductively coupled constitute a transformer. The transformer is equipped with a core, so that the coupling coefficient can be approximately 1, and in this case, the power factor is approximately 1. On the other hand, in the power transmission device in which the power transmission coil 1 and the power reception coil can be separated, the coupling coefficient between the two coils is in a loosely coupled state with a maximum of 0.9. Therefore, the power factor is reduced to about 0.2. When the coupling coefficient is smaller than 1, a leakage magnetic flux is generated. However, as will be described later, the presence of the leakage magnetic flux does not cause a loss of energy. Therefore, Patent Document 3 also confuses power transmission by mutual induction and power transmission by electromagnetic waves.

磁性材料のシートは、変成器のコアと同じく、磁束を閉じ込め、結合係数を上昇させる作用を持つ。そのことは特許文献2の2ページ右下の(作用)にも明記されている。本願発明者が検証した限りにおいて、磁性材板をコイルに装備すると、コイルのインダクタンスが上昇し、実効直列抵抗も上昇するのが確認されている。そして、少なくとも磁性材粉をモールドして構成した磁性材板は、コイルの対向面と反対側に金属材料が近接すると、コイルの特性(インダクタンスや実効直列抵抗)が変化する。すなわち、空芯コイルに金属板が近接したときには、コイルが変成器として作動しようと、アンテナとして作動しようと、コイル特性が変化するという本分野における他の課題となっている。   The sheet of magnetic material, like the transformer core, has the effect of confining the magnetic flux and increasing the coupling coefficient. This is also specified in (Action) at the lower right of page 2 of Patent Document 2. As far as the present inventors have verified, it has been confirmed that when a magnetic material plate is mounted on a coil, the inductance of the coil increases and the effective series resistance also increases. A magnetic material plate formed by molding at least magnetic material powder changes the coil characteristics (inductance and effective series resistance) when a metal material comes close to the opposite surface of the coil. That is, another problem in this field is that when the metal plate comes close to the air-core coil, the coil characteristics change whether the coil operates as a transformer or as an antenna.

しかし、前述した特許文献1や特許文献2のように、磁性材料を装備して電力伝送性能を向上させる試みが多数なされているが、性能の良い電力伝送装置は実現できていない。後述するが、この理由は、特許文献1から特許文献4のように、コイルの特定的構成を規定するだけでは、性能の良い電力伝送装置は実現できないからである。   However, as in Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, many attempts have been made to improve the power transmission performance by using a magnetic material, but a power transmission device with good performance has not been realized. As will be described later, this is because, as in Patent Document 1 to Patent Document 4, a high-performance power transmission device cannot be realized simply by defining a specific configuration of the coil.

さらに、特許文献4の段落番号0019には、1次コイルと2次コイルの間に金属板を配置すると記載されているが、これは、コイル対向面の反対側の誤りと推察される。そして、特許文献4の段落番号0020には、コイル(磁界型空中線)に金属体が近接すると、電力伝送性能に影響が出るという空芯コイルの課題が記載されている。その課題を解決するために使用する金属板の材質として、特許文献4の段落番号0019には、反磁性金属である銅(Cu)、亜鉛(Zn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)が記載されている。しかし、原子番号83の希土類元素で、1つを除く同位体が全て放射性元素であり、通常は使用されることが無いビスマスが記載されているのに、反磁性金属である原子番号57のランタン(La)や、原子番号79の板磁性金属で、一般に知られている貴金属である金(Au)が記載されていない。   Furthermore, paragraph number 0019 of Patent Document 4 describes that a metal plate is disposed between the primary coil and the secondary coil, but this is presumed to be an error on the opposite side of the coil facing surface. Paragraph No. 0020 of Patent Document 4 describes a problem with an air-core coil in which, when a metal body is close to a coil (magnetic field antenna), power transmission performance is affected. As the material of the metal plate used to solve the problem, Paragraph No. 0019 of Patent Literature 4 includes diamagnetic metals such as copper (Cu), zinc (Zn), lead (Pb), and bismuth (Bi). Are listed. However, bismuth of atomic number 57, which is a diamagnetic metal, is described, although bismuth, which is a rare earth element of atomic number 83 and all the isotopes except one are all radioactive elements and is not normally used. There is no description of (La) or gold (Au), which is a plate magnetic metal having an atomic number of 79 and is a commonly known noble metal.

本願発明者が追試したところ、コイル特性に影響を及ぼすのは、強磁性体の金属を除き、金属の磁気的性質では無く、単に金属板の厚さであることが分かっている。その詳細については後述するが、上記のような課題を解決した、性能のよい電力伝送装置は、まだ実現できていない。しかし、これらの課題は、第1の課題である空芯で電力伝送性能のよいコイルが実現できないと解決できない。その意味では、特許文献1、特許文献2に記載の解決手段は、実用的な電力伝送装置を実現するものであるとは言えない。   As a result of a further trial by the inventor of the present application, it has been found that it is not the magnetic properties of the metal, but the thickness of the metal plate, except for the ferromagnetic metal, that affects the coil characteristics. Although details will be described later, a high-performance power transmission device that has solved the above-described problems has not been realized yet. However, these problems cannot be solved unless a coil having a good power transmission performance with an air core, which is the first problem, cannot be realized. In that sense, it cannot be said that the solving means described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 realize a practical power transmission device.

そして、特許文献4の段落番号0017には、送電コイル1の残留リアクタンスLeを打ち消して、力率の改善(特許文献4では共振用と記載されている)を行なうキャパシタとして、誘電正接tanδが小さいキャパシタ、ポリスチレンやポリプロピレンを誘電体とするキャパシタを使用することが記載されている。しかしながら、ポリスチレンやポリプロピレンを誘電体とするキャパシタは、他の誘電体を用いたキャパシタよりいかなる周波数でも誘電正接tanδが小さいとは限らない。   In paragraph No. 0017 of Patent Document 4, the dielectric loss tangent tan δ is small as a capacitor for canceling the residual reactance Le of the power transmission coil 1 and improving the power factor (described as being for resonance in Patent Document 4). It is described that a capacitor and a capacitor having a dielectric material such as polystyrene or polypropylene are used. However, a capacitor using polystyrene or polypropylene as a dielectric does not always have a smaller dielectric loss tangent tan δ at any frequency than a capacitor using other dielectrics.

さらに、本願発明者が追試したところ、一部のポリスチレンキャパシタは発熱のため使用できなかった。また、ポリプロピレンキャパシタは、構成によって電力伝送性能が異なるうえ、静電容量と周波数によっては、電力伝送性能が低下する現象が見られた。   Furthermore, when the inventors of the present application made additional trials, some polystyrene capacitors could not be used due to heat generation. In addition, the polypropylene capacitor has different power transmission performance depending on the configuration, and a phenomenon in which the power transmission performance decreases depending on the capacitance and frequency is observed.

図118は、キャパシタの等価回路を表す図である。図118において、Xcはキャパシタのリアクタンス、Rcはキャパシタの実効直列抵抗、Lcはキャパシタの寄生インダクタンスを表す。誘電正接tanδは、キャパシタのQを使い、tanδ=1/Q(無単位)、と定義されている。キャパシタのQは、キャパシタのQを計測する周波数において、キャパシタのリアクタンスをXc、キャパシタの実効直列抵抗をRc、とすると、Q=Xc/Rc、で表される。JISの規定によると、キャパシタの誘電正接tanδは、静電容量により、1kHzまたは1MHzで計測される。静電容量をC(F)とすると、キャパシタのリアクタンスXc(Ω)は、Xc=1/ωC(Ω)、であり、Xcは、角周波数ω(ω=2πf、fは周波数(Hz))と静電容量Cの積の逆数となっている。   FIG. 118 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a capacitor. In FIG. 118, Xc represents the reactance of the capacitor, Rc represents the effective series resistance of the capacitor, and Lc represents the parasitic inductance of the capacitor. The dielectric loss tangent tan δ is defined as tan δ = 1 / Q (no unit) using the Q of the capacitor. The Q of the capacitor is represented by Q = Xc / Rc, where Xc is the reactance of the capacitor and Rc is the effective series resistance of the capacitor at the frequency at which the Q of the capacitor is measured. According to JIS regulations, the dielectric loss tangent tan δ of a capacitor is measured at 1 kHz or 1 MHz by capacitance. When the capacitance is C (F), the reactance Xc (Ω) of the capacitor is Xc = 1 / ωC (Ω), and Xc is an angular frequency ω (ω = 2πf, f is a frequency (Hz)). And the capacitance C is the inverse of the product.

図118の記号を使うと、キャパシタの誘電正接tanδは、tanδ=ωC・Rc=Rc・Xc、となる。また、キャパシタの静電容量Cは、通常、10−6F以下である。よって、1kHzのような低い周波数においては、ωCの値が、10−6以下と、非常に小さな値となる。一方、キャパシタの実効直列抵抗Rcは、キャパシタの種類や静電容量によっても異なるが、1kHzでは、通常、10Ω以下である。したがって、一般のキャパシタの誘電正接tanδの値は、通常、後述するJISの規定値である、tanδ<0.001、となっている。 When the symbol in FIG. 118 is used, the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is tan δ = ωC · Rc = Rc · Xc. The capacitance C of the capacitor is usually 10 −6 F or less. Therefore, at a low frequency such as 1 kHz, the value of ωC is a very small value of 10 −6 or less. On the other hand, the effective series resistance Rc of the capacitor differs depending on the type of capacitor and the capacitance, but is usually 10Ω or less at 1 kHz. Therefore, the value of the dielectric loss tangent tan δ of a general capacitor is usually tan δ <0.001, which is a JIS prescribed value described later.

一般に、高周波数領域で実効直列抵抗Rc(Ω)が低いキャパシタは、セラミックキャパシタである。したがって、セラミックキャパシタはQが高く、誘電正接tanδも低い。実際に本願発明者が、静電容量0.1μFの積層セラミックキャパシタのQを1MHzにて実測したところ、Q≒18であり、tanδ=1/18≒0.055、正接角δは、δ≒3度であった。   In general, a capacitor having a low effective series resistance Rc (Ω) in a high frequency region is a ceramic capacitor. Therefore, the ceramic capacitor has a high Q and a low dielectric loss tangent tan δ. The inventors of the present invention actually measured the Q of a multilayer ceramic capacitor having a capacitance of 0.1 μF at 1 MHz. It was 3 degrees.

また、後述する電力伝送性能が良いポリプロピレンキャパシタとは異なる構成の、静電容量0.1μFのポリプロピレンキャパシタのQを1MHzにて実測したところ、Q≒5であり、tanδ=1/5≒0.2、正接角δは、δ≒11.3度であった。すなわち、高周波数領域での誘電正接tanδを比較する限りにおいては、セラミックキャパシタの方が、ポリプロピレンキャパシタよりも特性がよい。しかし、本願発明者が実験検証した限りにおいては、積層セラミックキャパシタは、ポリプロピレンキャパシタより電力伝送性能が悪い。   Further, when the Q of a polypropylene capacitor having a capacitance of 0.1 μF, which is different from a polypropylene capacitor having a good power transmission performance described later, was measured at 1 MHz, Q≈5 and tan δ = 1 / 5≈0. 2. The tangent angle δ was δ≈11.3 degrees. That is, as long as the dielectric loss tangent tan δ in the high frequency region is compared, the ceramic capacitor has better characteristics than the polypropylene capacitor. However, as far as the inventor of the present application experimentally verified, the multilayer ceramic capacitor has a lower power transmission performance than the polypropylene capacitor.

特許文献4には、単に「誘電正接が小さい」と記載されているだけである。JISの規定に準ずるとしたなら、前述したように、1kHzにて誘電正接を計測して性能比較をするだけで、電力伝送装置に最適なキャパシタが選べることになる。しかし、後述するが、キャパシタの誘電体や誘電正接のみでは、電力伝送装置に最適なキャパシタは選べない。すなわち、周波数特性を勘案した具体的な誘電正接の値、具体的な静電容量、両者の関係、および誘電正接以外の特性要因を規定する必要がある。   Patent Document 4 simply describes that “dielectric loss tangent is small”. If it conforms to the JIS standard, as described above, an optimum capacitor for the power transmission device can be selected simply by measuring the dielectric loss tangent at 1 kHz and comparing the performance. However, as will be described later, the optimum capacitor for the power transmission device cannot be selected only by the dielectric or tangent of the capacitor. That is, it is necessary to specify a specific value of dielectric loss tangent considering frequency characteristics, a specific capacitance, a relationship between both, and a characteristic factor other than the dielectric loss tangent.

したがって、電力伝送装置の力率改善用に使用するキャパシタの誘電正接tanδは、誘電体(キャパシタの種類)、静電容量、周波数特性等を勘案して誘電正接tanδの値を規定する必要がある。なお、誘電正接tanδの周波数特性については後述する。   Therefore, the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor used for improving the power factor of the power transmission device needs to be determined in consideration of the dielectric (capacitor type), capacitance, frequency characteristics, and the like. . The frequency characteristics of the dielectric loss tangent tan δ will be described later.

また、特許文献4の段落番号0018、請求項3には、コイルの両端に2個のキャパシタを接続する手法が記載されている。これらは、特開2005−6396号公報の図1、特開2005−6459号公報の図1、特開2005−6460号公報の図1などにも記載されている。しかし、この回路構成は、キャパシタの耐電圧を上昇させる作用効果はあるが、この回路構成と電力伝送性能との相関について言及した先行文献は存在しない。   Further, paragraph number 0018 and claim 3 of Patent Document 4 describe a method of connecting two capacitors to both ends of a coil. These are also described in FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-6396, FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-6459, FIG. 1 of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-6460, and the like. However, although this circuit configuration has the effect of increasing the withstand voltage of the capacitor, there is no prior document that mentions the correlation between this circuit configuration and power transmission performance.

すなわち、従来の技術では、電力伝送装置の力率改善用に使用するキャパシタの構成や特性、電力伝送装置の力率改善用キャパシタを使用する回路構成と作用効果が全く明確にされておらず、そのために、電力伝送性能のよい電力伝送装置が実現できていない。換言すれば、高周波電力回路に使用するキャパシタの性能評価方法と使用方法(接続方法)が確立できていない。これが、本分野における第2の課題となっている。   That is, in the conventional technology, the configuration and characteristics of the capacitor used for power factor improvement of the power transmission device, the circuit configuration and the operation effect using the power factor improvement capacitor of the power transmission device are not clarified at all, Therefore, a power transmission device with good power transmission performance cannot be realized. In other words, the performance evaluation method and the usage method (connection method) of the capacitor used in the high frequency power circuit have not been established. This is the second problem in this field.

特許文献4には、受電部単体の共振周波数を送電部単体の共振周波数よりも低く設定すると記載されている。さらに、特許文献5にも、送電部単体の共振周波数を,受電部単体の共振周波数よりも高く設定すると記載されている。特許文献5には、送電コイル1のインダクタンス変化が生じても、受電コイルとの共振結合を保てる旨の記載がある。しかし、特許文献5は、送電コイル1のインダクタンス変化が起こる原因が明確に記載されていない。一方で、特許文献6には、受電部単体の共振周波数を電力伝送周波数よりも高く設定すると記載されており、上述した先行事例とは全く逆の手法が記載されている。   Patent Document 4 describes that the resonance frequency of the power receiving unit alone is set lower than the resonance frequency of the power transmission unit alone. Further, Patent Document 5 also describes that the resonance frequency of the power transmission unit alone is set higher than the resonance frequency of the power reception unit alone. Patent Document 5 describes that even when an inductance change of the power transmission coil 1 occurs, the resonance coupling with the power receiving coil can be maintained. However, Patent Document 5 does not clearly describe the cause of the inductance change of the power transmission coil 1. On the other hand, Patent Document 6 describes that the resonance frequency of a single power receiving unit is set to be higher than the power transmission frequency, and describes a method that is completely opposite to the above-described previous case.

上述した先行事例は、いずれも分離可能な2個の2端子回路により共振回路を構成し、2個の共振周波数の関係を規定している。受電部単体の共振周波数をfk(Hz)、送電部単体の共振周波数をfh(Hz)、としたときに、上述のように、先行事例によっては、fk>fh、他の先行事例では、fh>fk、といった正反対の規定がなされている。これらの差異は、変成器の原理、電力伝送装置の作動原理が、従来技術においては正確に把握できていないのが原因と推察される。   In each of the preceding examples described above, a resonance circuit is constituted by two separable two-terminal circuits, and the relationship between the two resonance frequencies is defined. Assuming that the resonance frequency of the power receiving unit alone is fk (Hz) and the resonance frequency of the power transmission unit alone is fh (Hz), as described above, fk> fh depending on the preceding case, and fh in other preceding cases. The opposite provision is made such that> fk. These differences are presumed to be due to the fact that the principle of the transformer and the operating principle of the power transmission device are not accurately grasped in the prior art.

特に、図116に示す、残留インダクタンスLe(H)は、送電コイル1および受電コイル2の構成(空芯、有芯、形状等)、送電コイル1および受電コイル2のインダクタンス、受電コイルと送電コイル1間の結合係数、受電コイルの実効直列抵抗、受電側の負荷抵抗値等、種々の要因によって変化する。   In particular, the residual inductance Le (H) shown in FIG. 116 is the configuration of the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 (air core, cored, shape, etc.), the inductance of the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, the power reception coil and the power transmission coil. It varies depending on various factors such as the coupling coefficient between 1, the effective series resistance of the power receiving coil, and the load resistance value on the power receiving side.

図116において、送電コイル1単体では、Le=L1(H)である。しかし、後述するが、送電コイル1に受電コイルが対向した場合には、Le>L1、Le<L1、のいずれにもなる。送電側に共振回路を設けた時、送電側単体の共振周波数fh(Hz)と、送電コイル1に受電コイルが対向したときの送電側の共振周波数fe(Hz)は異なってくる。Le>L1、なら、fe<fh、となり、Le<L1、なら、fe>fh、となる。これらについては、実例を挙げて後述する。   In FIG. 116, Le = L1 (H) in the power transmission coil 1 alone. However, as will be described later, when the power receiving coil faces the power transmitting coil 1, both Le> L1 and Le <L1 are satisfied. When a resonance circuit is provided on the power transmission side, the resonance frequency fh (Hz) of the power transmission side alone and the resonance frequency fe (Hz) on the power transmission side when the power reception coil faces the power transmission coil 1 are different. If Le> L1, fe <fh, and if Le <L1, fe> fh. These will be described later with examples.

そのうえ、特許文献4の図2は、電流を流し出すとともに、電流を引き込むという、双方向に電流を流せる回路構成になっていない。そのため、この回路はコイルとキャパシタを直列接続した回路を駆動できないので、特許文献4の図2の回路は動作しない。   In addition, FIG. 2 of Patent Document 4 does not have a circuit configuration that allows a current to flow in both directions, such as flowing out current and drawing in current. Therefore, since this circuit cannot drive a circuit in which a coil and a capacitor are connected in series, the circuit of FIG. 2 of Patent Document 4 does not operate.

本技術分野では、伝送効率の向上と伝送可能電力の向上を目的とし、技術開発が行われている。しかし、前述したように、実際の電力伝送装置では、コイルとキャパシタの実効直列抵抗、交流電源30bの出力インピーダンスZsによる電力損失が発生する。従来の技術では、伝送電力を上げると、前記電力損失により、コイル、キャパシタ、交流電源30bが発熱するので、電力伝送性能が向上できなかった。   In this technical field, technical development has been carried out for the purpose of improving transmission efficiency and transmission power. However, as described above, in an actual power transmission device, power loss occurs due to the effective series resistance of the coil and the capacitor and the output impedance Zs of the AC power supply 30b. In the conventional technique, when the transmission power is increased, the coil, the capacitor, and the AC power supply 30b generate heat due to the power loss, so that the power transmission performance cannot be improved.

上述したように、送電部と受電部が分離可能な電力伝送装置においては、キャパシタを装備することにより、送電部単体、受電部単体にて各々独立した共振回路が形成される。しかし、送電コイルと受電コイルが誘導結合したときの、送電側の等価回路である基本的な回路理論が、本技術分野の先行文献には全く明示されていない。負荷抵抗が接続された正確な変成器の等価回路を記述して回路理論との差異を明確化し、図116から図118のような、2端子の簡略化した変成器の等価回路を検討する必要がある。   As described above, in a power transmission device in which a power transmission unit and a power reception unit are separable, by providing a capacitor, independent resonance circuits are formed by the power transmission unit alone and the power reception unit alone. However, the basic circuit theory that is an equivalent circuit on the power transmission side when the power transmission coil and the power reception coil are inductively coupled is not disclosed at all in the prior art in this technical field. It is necessary to describe an equivalent circuit of an accurate transformer to which a load resistor is connected to clarify the difference from the circuit theory, and to examine an equivalent circuit of a simplified transformer having two terminals as shown in FIGS. There is.

そのうえ、特許文献4の図2は、電流を流し出すとともに、電流を引き込むという、双方向に電流を流せる回路構成になっていない。そのため、この回路はコイルとキャパシタを直列接続した回路を駆動できないので、特許文献4の図2の回路は動作しない。   In addition, FIG. 2 of Patent Document 4 does not have a circuit configuration that allows a current to flow in both directions, such as flowing out current and drawing in current. Therefore, since this circuit cannot drive a circuit in which a coil and a capacitor are connected in series, the circuit of FIG. 2 of Patent Document 4 does not operate.

上述したように、残留インダクタンスLe(H)に起因する正のリアクタンスを打ち消すようにキャパシタを接続する回路構成、2端子回路を駆動する回路の構成、送電回路単体の共振周波数と2端子回路を駆動する周波数の関係、残留インダクタンスLe(H)と送電コイル1単体のインダクタンスL1(H)の関係、コイルとキャパシタの実効直列抵抗および交流電源30bの出力インピーダンスZsに起因する電力損失など、従来例の送電部、受電部単体の共振周波数の規定では解決不能な課題が、本技術分野には数多く残っている。これらの課題の解決法については、以下に詳述する。   As described above, a circuit configuration in which capacitors are connected so as to cancel the positive reactance caused by the residual inductance Le (H), a configuration of a circuit that drives a two-terminal circuit, a resonance frequency of a single power transmission circuit, and a two-terminal circuit are driven Of the conventional example such as the relationship of the frequency to be transmitted, the relationship between the residual inductance Le (H) and the inductance L1 (H) of the power transmission coil 1 alone, the effective series resistance of the coil and the capacitor, and the output impedance Zs of the AC power supply 30b. There remain many problems in this technical field that cannot be solved by specifying the resonance frequency of the power transmission unit and power reception unit alone. The solutions to these problems are described in detail below.

さらに、特許文献5の段落番号0005に記載のように、送電コイル1に交流電流が流れているときに、送電コイル1に金属体が近接すると、特許文献4の段落番号0019に記載された渦電流により、金属体が発熱する。これは電磁調理器と同じ原理である。   Further, as described in paragraph No. 0005 of Patent Document 5, when an alternating current flows through the power transmission coil 1, if a metal body approaches the power transmission coil 1, the vortex described in Paragraph No. 0019 of Patent Document 4 will be described. The metal body generates heat due to the current. This is the same principle as an electromagnetic cooker.

特許文献5では、送電部が待機状態のときには、間欠的に送電コイル1に電力を供給している。送電部に正規の受電部が装着されたときに、受電部からの信号により、送電部は連続的に送電コイル1に電力を供給するようにしている。しかし、特許文献5では、送電コイル1と受電コイルにコアを装備している。後述するように、コアを装備した電力伝送用のコイルでは結合係数が低下する。そのために力率も低下してしまう。平面空芯状のコイルを用いた電力伝送装置において、特許文献5と同一の手法を採用した特許文献も存在はする。また、送電部単体で金属体を検知する手段を備えた特許文献もある。   In Patent Document 5, when the power transmission unit is in a standby state, power is intermittently supplied to the power transmission coil 1. When a regular power receiving unit is attached to the power transmitting unit, the power transmitting unit continuously supplies power to the power transmitting coil 1 by a signal from the power receiving unit. However, in patent document 5, the core is equipped in the power transmission coil 1 and the receiving coil. As will be described later, the coupling coefficient decreases in a power transmission coil equipped with a core. Therefore, a power factor will also fall. There is also a patent document that employs the same technique as Patent Document 5 in a power transmission device using a planar air-core coil. There is also a patent document including means for detecting a metal body by a single power transmission unit.

上記のように、送電コイル1に金属体が近接したときに、過電流損やヒシテリシス損により、金属体が発熱することが、本分野におけるその他の課題となっている。さらに、送電部は、金属体と負荷が接続された正規の受電コイルが対向したときとを判別しなければならず、そのことも、本分野におけるその他の課題となっている。   As described above, another problem in this field is that the metal body generates heat due to overcurrent loss or hysteresis loss when the metal body is close to the power transmission coil 1. Furthermore, the power transmission unit must determine when a normal power receiving coil to which a metal body and a load are connected faces each other, which is another problem in this field.

しかし、根本的な課題は、特許文献1から特許文献4のように、コイルの特定的構成を規定するだけでは、電力伝送性能のよいコイルが実現できないことにある。特許文献1、特許文献2では、コイルの特定的構成を規定した一実施例を示すことにより、効果を主張している。しかし、コイルの特定的構成以外の構成要因が変化したときにまで、同等の効果が得られるとは限らない。すなわち、単にコイルの特定的構成を規定するのみではなく、種々の構成を持つコイルの特性規定を行い、電力伝送性能のよいコイルを選ばない限り、電力伝送性能のよいコイルおよび電力伝送装置を実現することはできない。   However, the fundamental problem is that, as in Patent Documents 1 to 4, a coil having good power transmission performance cannot be realized simply by defining a specific configuration of the coil. In patent document 1 and patent document 2, the effect is claimed by showing an example in which a specific configuration of the coil is defined. However, an equivalent effect is not always obtained until a configuration factor other than the specific configuration of the coil changes. In other words, not only the specific configuration of the coil but also the characteristics of coils with various configurations are defined, and a coil and power transmission device with good power transmission performance are realized unless a coil with good power transmission performance is selected. I can't do it.

例えば、特許文献2に記載の非接触トランスにおいて、特許文献5のような実施例が適用できないことは明白である。すなわち、電力伝送性能のよい電力伝送用コイル、電力伝送性能のよい電力伝送装置、金属体の近接により特性が変動しない電力伝送用コイルが実現できてこそ、特許文献7のような安全対策の意味がある。換言すれば、まず、第1の課題を解決する必要がある。   For example, in the non-contact transformer described in Patent Document 2, it is obvious that the embodiment as in Patent Document 5 cannot be applied. That is, a power transmission coil with good power transmission performance, a power transmission device with good power transmission performance, and a power transmission coil whose characteristics do not vary due to the proximity of a metal body can be realized as in safety measures as in Patent Document 7. There is. In other words, first, it is necessary to solve the first problem.

次に、電力伝送装置の力率改善用に使用するキャパシタの構成や特性、電力伝送装置の力率改善用キャパシタを使用する回路構成と作用効果を明確にし、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現するという第2の課題を解決する必要がある。   Next, clarify the configuration and characteristics of the capacitor used for power factor improvement of the power transmission device, the circuit configuration and operation effect using the power factor improvement capacitor of the power transmission device, and provide a power transmission device with good power transmission performance. It is necessary to solve the second problem of realizing.

そこで、この発明は、キャパシタの誘電吸収を規定することにより、電力伝送性能のよい電力伝送装置を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a power transmission device with good power transmission performance by defining dielectric absorption of a capacitor.

この発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換手段である交流電源と、送電コイルとを少なくとも含む送電部と、負荷と、受電コイルとを少なくとも含む受電部とが分離可能なように構成され、送電コイルと、受電コイルとを対向させて、送電部から受電部に電力を伝送する電力伝送装置において、交流電源と送電コイルとの間、負荷と受電コイルとの間、の少なくとも一方に、送電コイルの残留リアクタンス成分を打ち消して力率を改善するための、少なくとも1個の無極性のキャパシタを直列接続した直列回路を含み、対向するコイルのうち、一方のコイル単体の実効直列抵抗をRw(Ω)、一方のコイルに対向する他方のコイルの両端を短絡したときの、一方のコイルの実効直列抵抗をRs(Ω)、一方のコイルが、Rs>Rw、を満足する最高周波数をf1(Hz)、としたときに、f1(Hz)が100kHz以上となるように、一方のコイルと他方のコイルが選ばれており、一方のコイルを駆動する周波数を、f1(Hz)未満の周波数に設定する。   The present invention is configured such that an AC power source that is power conversion means for converting DC power to AC power, a power transmission unit including at least a power transmission coil, a load, and a power reception unit including at least a power reception coil can be separated. In the power transmission device that transmits power from the power transmission unit to the power reception unit with the power transmission coil and the power reception coil facing each other, at least one of the AC power source and the power transmission coil, and between the load and the power reception coil. Including a series circuit in which at least one nonpolar capacitor is connected in series to cancel the residual reactance component of the power transmission coil and improve the power factor, and the effective series resistance of one of the opposing coils is reduced. Rw (Ω), the effective series resistance of one coil when both ends of the other coil facing one coil are short-circuited is Rs (Ω), and one coil is Rs> Rw, Is set to f1 (Hz), one coil and the other coil are selected so that f1 (Hz) is 100 kHz or more, and the frequency for driving one coil is The frequency is set to less than f1 (Hz).

この発明では交流電源と送電コイルとの間、負荷と受電コイルとの間、の少なくとも一方に、少なくとも1個の無極性のキャパシタを直列接続した直列回路を設けることにより、送電コイルの残留リアクタンス成分を打ち消して力率を改善することができる。   In the present invention, a residual reactance component of the power transmission coil is provided by providing a series circuit in which at least one nonpolar capacitor is connected in series between at least one of the AC power source and the power transmission coil and between the load and the power reception coil. Can be canceled to improve the power factor.

好ましい実施形態では、キャパシタの所定の周波数における誘電正接tanδが1%以下である。   In a preferred embodiment, the dielectric loss tangent tan δ at a predetermined frequency of the capacitor is 1% or less.

この例では、JISの規定による1kHzではなく、誘電正接tanδの周波数特性を勘案し、電力伝送に使われる周波数での誘電正接tanδの数値を規定することにより、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現できる。   In this example, by considering the frequency characteristic of the dielectric tangent tan δ, not 1 kHz as defined by JIS, and defining the numerical value of the dielectric tangent tan δ at the frequency used for power transmission, a power transmission device with good power transmission performance is obtained. realizable.

好ましくは、誘電正接tanδは、200kHzにおける値が1%以下である。   Preferably, the dielectric loss tangent tan δ has a value at 200 kHz of 1% or less.

一般に電力伝送として使用される周波数は、電波障害の関係上、250kHz程度が上限と規定されている。したがって、200kHzにおける誘電正接tanδの値が、1%以下であるキャパシタを選び、電力伝送装置の力率改善用キャパシタとして使用することにより、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現できる。   In general, the upper limit of the frequency used for power transmission is defined as about 250 kHz due to radio interference. Therefore, a power transmission device with good power transmission performance can be realized by selecting a capacitor having a dielectric tangent tan δ value of 1% or less at 200 kHz and using it as a power factor improving capacitor of the power transmission device.

好ましくは、キャパシタの静電容量の温度変化が、0℃から80℃の間で、±5%以内である。   Preferably, the temperature change of the capacitance of the capacitor is within ± 5% between 0 ° C. and 80 ° C.

キャパシタの静電容量が温度により変化すると、正の残留リアクタンスを打ち消す負のリアクタンスが変化する。そのため、LC直列回路のリアクタンスがゼロとならず、正または負のリアクタンスが残る。交流電源の周波数を可変とするような構成の電力伝送装置であれば、LC直列回路のリアクタンスがゼロとなる周波数に調整は可能である。しかし、このような構成の電力伝送装置は、キャパシタの温度検知手段等を装備しなければならず、制御回路が複雑となる。そのため、温度によるキャパシタの静電容量変化は、0℃から80℃の間で、±5%以内である必要がある。キャパシタの静電容量の温度変化は、当然、小さい方が好ましい。   As the capacitance of the capacitor changes with temperature, the negative reactance that cancels the positive residual reactance changes. Therefore, the reactance of the LC series circuit does not become zero, and a positive or negative reactance remains. If the power transmission device has a configuration in which the frequency of the AC power supply is variable, it can be adjusted to a frequency at which the reactance of the LC series circuit becomes zero. However, the power transmission device having such a configuration must be equipped with a capacitor temperature detection means, and the control circuit becomes complicated. Therefore, the change in capacitance of the capacitor due to temperature needs to be within ± 5% between 0 ° C. and 80 ° C. Naturally, it is preferable that the temperature change of the capacitance of the capacitor is small.

好ましくは、キャパシタに交流定電流を流したときに、キャパシタの両端電圧の変動が、電流を流し始めた5秒後以降、±0.1%以下、電流を流し始めた後5分間の計測時間で静電容量の変動率が、1%以下、電流を流し始めた後1分間の計測時間で静電容量の変動率が0.2%以下、のうち、少なくとも1つの条件を満足する。   Preferably, when an AC constant current is passed through the capacitor, the fluctuation of the voltage across the capacitor is less than ± 0.1% after 5 seconds after the current starts flowing, and the measurement time of 5 minutes after the current starts flowing. The capacitance fluctuation rate is 1% or less, and at least one of the following conditions is satisfied: the capacitance fluctuation rate is 0.2% or less in a measurement time of 1 minute after the current starts to flow.

先の例と同じく、キャパシタに交流定電流を流したときに、キャパシタの両端電圧が安定しないのは、時間経過により静電容量が変化することを意味する。交流定電流がキャパシタに流されたときに、キャパシタの両端電圧が安定しないと、時間と共に静電容量が変化する。したがって、後述するキャパシタの実効直列抵抗Rcによる発熱等を考慮すると、キャパシタに交流定電流を流したときに、キャパシタの両端電圧が安定する時間が5秒以下である必要がある。   As in the previous example, when an AC constant current is passed through the capacitor, the voltage across the capacitor is not stable, which means that the capacitance changes over time. When an AC constant current is passed through the capacitor, if the voltage across the capacitor is not stable, the capacitance changes with time. Therefore, in consideration of heat generation due to the effective series resistance Rc of the capacitor, which will be described later, it is necessary that the time during which the voltage across the capacitor stabilizes is 5 seconds or less when an AC constant current is passed through the capacitor.

好ましくは、交流電源の出力電圧は、ゼロ電位と所定の電位の間でレベルが変化する、デューティ50%の方形波であり、キャパシタのリアクタンスXcと、送電コイルのリアクタンスXiが等しくなる周波数をfr、とすると、交流電源の出力周波数はfrに設定されており、出力周波数frにおいて、キャパシタの両端電圧の、ゼロ電位に対する正のピーク値をVp、キャパシタの両端電圧の、ゼロ電位に対する負のピーク値をVn、VpとVnの比を、Vp/Vn、所定係数をB、としたときに、キャパシタが、少なくとも、Vp/Vn≦B、を満足している。   Preferably, the output voltage of the AC power supply is a square wave with a duty of 50% whose level changes between zero potential and a predetermined potential, and the frequency at which the reactance Xc of the capacitor and the reactance Xi of the power transmission coil are equal is fr. , The output frequency of the AC power supply is set to fr. At the output frequency fr, the positive peak value of the voltage across the capacitor with respect to the zero potential is Vp, and the negative peak of the voltage across the capacitor with respect to the zero potential is When the value is Vn, the ratio of Vp and Vn is Vp / Vn, and the predetermined coefficient is B, the capacitor satisfies at least Vp / Vn ≦ B.

この例では、誘電正接tanδの規定では除外できない電力伝送性能の悪いキャパシタを、規定数値外に掃き出すことができる。よって、より正確に電力伝送性能の良いキャパシタを選ぶことができる。その結果、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現できる。   In this example, a capacitor with poor power transmission performance that cannot be excluded by the definition of the dielectric loss tangent tan δ can be swept out of the specified value. Therefore, it is possible to select a capacitor with good power transmission performance more accurately. As a result, a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

好ましくは、交流電源と、基準コイルとにキャパシタを直列に接続した直列共振回路において、交流電源の出力周波数は、基準コイルのインダクタンスとキャパシタの静電容量とで決まる共振周波数に設定されており、直列共振回路のQをQr、直列共振回路に共振電流が流れているときの、交流電源の出力電圧をVt、キャパシタの両端電圧をVc、VtをVcに昇圧する昇圧比をHとし、H=Vc/Vt、とすると、H>0.9×Qr、を満足する。   Preferably, in a series resonance circuit in which a capacitor is connected in series to an AC power source and a reference coil, the output frequency of the AC power source is set to a resonance frequency determined by the inductance of the reference coil and the capacitance of the capacitor, When Q of the series resonance circuit is Qr, when the resonance current is flowing through the series resonance circuit, the output voltage of the AC power supply is Vt, the voltage across the capacitor is Vc, and the step-up ratio for boosting Vt to Vc is H, H = If Vc / Vt, then H> 0.9 × Qr is satisfied.

直列共振回路のQ、Qrは、基準コイルのQをQi、キャパシタのQをQcとすると、1/Qr=1/Qi+1/Qc、なる関係にある。直列共振周波数では、基準コイルとキャパシタのリアクタンスがゼロとなり、基準コイルの両端とキャパシタの両端には、交流電源電圧のQr倍の電圧が発生する。これは、直列共振回路の昇圧効果と呼ばれている。   Q and Qr of the series resonant circuit have a relationship of 1 / Qr = 1 / Qi + 1 / Qc, where Qi of the reference coil is Qi and Q of the capacitor is Qc. At the series resonance frequency, the reactance of the reference coil and the capacitor becomes zero, and a voltage Qr times the AC power supply voltage is generated at both ends of the reference coil and the capacitor. This is called the boosting effect of the series resonance circuit.

上記の昇圧効果は、基準コイルの実効直列抵抗RiとリアクタンスXi、キャパシタの実効直列抵抗RcとリアクタンスXcのみで決まる。したがって、後述するキャパシタを使用可能な周波数範囲内であれば、任意の周波数で昇圧比Hを計測でき、理論値Qrも計測して計算できる。周波数によって、昇圧比Hと理論値Qrの数値は異なるが、実測値の昇圧比Hと理論値Qrが、H>0.9×Qr、なる関係を満足していれば、キャパシタの電力伝送性能はよい。このような特性を持つキャパシタを装備することにより、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現できる。   The boosting effect is determined only by the effective series resistance Ri and reactance Xi of the reference coil, and the effective series resistance Rc and reactance Xc of the capacitor. Therefore, the step-up ratio H can be measured at an arbitrary frequency and the theoretical value Qr can be measured and calculated as long as it is within a frequency range in which the capacitor described later can be used. The numerical values of the boost ratio H and the theoretical value Qr differ depending on the frequency, but if the measured boost ratio H and the theoretical value Qr satisfy the relationship H> 0.9 × Qr, the power transmission performance of the capacitor Is good. By providing a capacitor having such characteristics, a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

好ましくは、キャパシタの2端子のうち、一方の端子に正の電圧を印加したときの誘電吸収を、Kp、一方の端子に負の電圧を印加したときの誘電吸収を、Kn、Kp>Kn、であるときに、KpとKnの比Krを、Kr=Kp/Kn、とし、Kp<Kn、であるときに、Krを、Kr=Kn/Kp、とすると、キャパシタが、1<Kr<1.5、を満足している。   Preferably, of the two terminals of the capacitor, the dielectric absorption when a positive voltage is applied to one terminal is Kp, and the dielectric absorption when a negative voltage is applied to one terminal is Kn, Kp> Kn, When the ratio Kr of Kp and Kn is Kr = Kp / Kn, and Kp <Kn, and Kr is Kr = Kn / Kp, the capacitor is 1 <Kr <1 .5 is satisfied.

この例では、先の発明における誘電吸収Kの規定よりも、さらに厳密に電力伝送性能のよいキャパシタを選ぶことができる。その結果、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現できる。   In this example, it is possible to select a capacitor having a better power transmission performance than the definition of the dielectric absorption K in the previous invention. As a result, a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

より好ましくは、キャパシタにより積分回路を構成し、積分回路は、所定値の同一値の定電流を正逆双方向に流せる電流源と、キャパシタの両端電圧をゼロする初期化手段と、積分時間を計測するための基準パルスを少なくとも1000カウント以上計測するパルス数計測手段と、を含み、初期化手段により、キャパシタの初期電圧をゼロとしたときに、パルス数計測手段のパルス計測値がゼロに初期化された後、キャパシタに、正方向の定電流Ipを所定時間Tの間流し、所定時間Tの経過後に、キャパシタに、負方向の所定の定電流Inを流し、キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間をTn、とすると、|Ip|=|In|、であって、Tのパルスカウント数をN、Tnのパルスカウント数をNn、としたときに、NnとNとの差の絶対値が、0.004×Nカウント以下のキャパシタを選択する。   More preferably, the integrating circuit is constituted by a capacitor, and the integrating circuit includes a current source that allows a constant current of the same value to flow in both forward and reverse directions, an initialization unit that zeros the voltage across the capacitor, and an integration time. Pulse number measuring means for measuring at least 1000 counts of reference pulses for measurement, and when the initial voltage of the capacitor is set to zero by the initializing means, the pulse measurement value of the pulse number measuring means is initially set to zero Then, a constant current Ip in the positive direction is passed through the capacitor for a predetermined time T, and after a predetermined time T, a predetermined constant current In in the negative direction is passed through the capacitor, and the voltage across the capacitor is zero. If Tn is the time to become, | Ip | = | In |, where N is the pulse count of T and Nn is the pulse count of Tn, Nn and N Absolute value of selects 0.004 × N counts following capacitor.

この例では、例えば、二重積分式A/D変換器を使用し、A/D変換器の基準電圧と入力電圧を同一とする。A/D変換器の出力、例えば表示が、理論値1からの乖離を見ることにより、電力伝送措置に使用され力率キャパシタの性能を判断できる。このA/D変換器は、1000カウント以上の分解能を持つ。カウント数をNとし、0.004×Nカウント以下の偏差(デジット)であれば、キャパシタの力率改善性能はよい。なお、カウント数Nは、例えば10000であればより正確な判断ができる。また、上記の理論値1は、2のn乗のビット数、例えば11ビットなら、2047などであってもよい。   In this example, for example, a double integration type A / D converter is used, and the reference voltage and the input voltage of the A / D converter are made the same. When the output of the A / D converter, for example, the display shows a deviation from the theoretical value 1, the performance of the power factor capacitor used for the power transmission measure can be determined. This A / D converter has a resolution of 1000 counts or more. If the count number is N and the deviation (digit) is 0.004 × N count or less, the power factor improvement performance of the capacitor is good. If the count number N is, for example, 10,000, a more accurate determination can be made. The theoretical value 1 may be 2 n bits, for example, 2047 if it is 11 bits.

さらに、キャパシタに、負方向の定電流Inを所定時間Tの間流し、所定時間Tの経過後に、キャパシタに、正方向の所定の定電流Ipを流し、キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間をTp、とすると、|Ip|=|In|、であって、Tのパルスカウント数をN、Tpのパルスカウント数をNp、としたときに、NpとNとの差の絶対値が0.004×Nカウントのキャパシタを選択する。   Further, a constant current In in the negative direction is passed through the capacitor for a predetermined time T, and after a predetermined time T has elapsed, a predetermined constant current Ip in the positive direction is passed through the capacitor until the voltage across the capacitor becomes zero. If the time is Tp, and | Ip | = | In |, where the pulse count number of T is N and the pulse count number of Tp is Np, the absolute value of the difference between Np and N is Select a capacitor of 0.004 × N counts.

この例では、A/D変換器の基準電圧と入力電圧を同一とする際、入力電圧の極性を反転させる。先に誘電吸収にて述べたように、無極性のキャパシタであっても、正の同一電圧と負の同一電圧をA/D変換器に加えたときに、表示が異なる。上記の方法により、正確にキャパシタの力率改善性能を判断ができる。   In this example, when the reference voltage of the A / D converter is the same as the input voltage, the polarity of the input voltage is inverted. As described above in terms of dielectric absorption, even a nonpolar capacitor has a different display when the same positive voltage and the same negative voltage are applied to the A / D converter. By the above method, the power factor improvement performance of the capacitor can be accurately determined.

好ましくは、キャパシタに、負方向の前記定電流Inを所定時間Tの間流し、所定時間Tの経過後に、キャパシタに、正方向の所定の定電流Ipを流し、キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間をTp、とすると、|Ip|=|In|、であって、所定時間Tのパルスカウント数をN、キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間Tpのパルスカウント数をNn、としたときに、NpとNnの差の絶対値が、0.003×Nカウント以下のキャパシタを選択する。   Preferably, the constant current In in the negative direction is supplied to the capacitor for a predetermined time T, and after the predetermined time T has elapsed, the predetermined constant current Ip in the positive direction is supplied to the capacitor, so that the voltage across the capacitor becomes zero. If the time to Tp is | Ip | = | In |, the pulse count number of the predetermined time T is N, the pulse count number of the time Tp until the voltage across the capacitor becomes zero is Nn, , A capacitor whose absolute value of the difference between Np and Nn is 0.003 × N counts or less is selected.

この例では、A/D変換器の基準電圧と入力電圧を同一とする際、入力電圧の極性を反転させる。先に誘電吸収にて述べたように、無極性のキャパシタであっても、正の同一電圧と負の同一電圧をA/D変換器に加えたときに、表示が異なる。上記の方法により、正確にキャパシタの力率改善性能を判断ができる。   In this example, when the reference voltage of the A / D converter is the same as the input voltage, the polarity of the input voltage is inverted. As described above in terms of dielectric absorption, even a nonpolar capacitor has a different display when the same positive voltage and the same negative voltage are applied to the A / D converter. By the above method, the power factor improvement performance of the capacitor can be accurately determined.

好ましくは、送電コイルの実効直列抵抗をRi、キャパシタの実効直列抵抗をRcとしたときに、送電部は、Ri>Rc、を満足する最低周波数以上で前記電力を伝送する。   Preferably, when the effective series resistance of the power transmission coil is Ri and the effective series resistance of the capacitor is Rc, the power transmission unit transmits the power at a minimum frequency that satisfies Ri> Rc.

最低周波数を規定することにより、上述した各発明によるキャパシタの作動条件を規定できる。その結果、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現できる。   By defining the minimum frequency, it is possible to define the operating conditions of the capacitor according to each of the inventions described above. As a result, a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

好ましくは、一方のコイルを、送電コイルまたは受電コイルの少なくとも一方に使用し、両コイルを分離不能とした。   Preferably, one of the coils is used as at least one of the power transmission coil and the power reception coil, and the two coils cannot be separated.

なお、固定前に送電コイル単体と受電コイル単体の特性を計測し、かつ両コイルを対向させた特性も計測可能である。最初から一体構造で設計された両コイルは、実際に組み立てないと性能を確認できないが、本発明の実施形態では、特性を計測し、実際に電力伝送性能の確認を行ってから、コイルを固定することができる。そして、受電コイルと受電コイルの巻き線比を、任意の比率に設定可能な、軽量、薄型、空芯の、特性がよい変圧器が実現できる。   Note that it is possible to measure the characteristics of the power transmission coil and the power reception coil before fixing, and to measure the characteristics of both coils facing each other. Both coils designed as an integral structure from the beginning cannot be confirmed unless they are actually assembled. However, in the embodiment of the present invention, after measuring the characteristics and actually confirming the power transmission performance, the coils are fixed. can do. In addition, it is possible to realize a transformer that is light, thin, and has an air core and good characteristics, in which the winding ratio of the receiving coil to the receiving coil can be set to an arbitrary ratio.

さらに、好ましくは、直流電力を交流電力に変換する電力変換手段を含み、電力変換手段の出力周波数をfa(Hz)、としたときに、faをf1未満の周波数に設定する。   Further, preferably, it includes power conversion means for converting DC power to AC power, and when the output frequency of the power conversion means is fa (Hz), fa is set to a frequency less than f1.

この発明の電力伝送装置は、送電部と受電部とが分離可能であり、送電部は特定の受電部のみならず、送電部に適合する受電部に電力を伝送できる。   In the power transmission device of the present invention, the power transmission unit and the power reception unit can be separated, and the power transmission unit can transmit power to not only a specific power reception unit but also a power reception unit suitable for the power transmission unit.

さらに、好ましくは、一方のコイルに対向する他方のコイルの両端を開放したときの、一方のコイルの実効直列抵抗をRn(Ω)、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数をf2(Hz)、としたときに、faをf2未満の周波数に設定する。   Further, preferably, when both ends of the other coil facing one coil are opened, the maximum frequency satisfying Rn (Ω) and Rs> Rn ≧ Rw is set to f2 (Hz ), Fa is set to a frequency less than f2.

この例では、電力を伝送する周波数において、Rs>Rn≧Rw、を満足することにより、さらに実効直列抵抗Rw(Ω)の小さいコイルを選別でき、かつ電力伝送に最適な周波数範囲を規定できる。また、電力を伝送する周波数において、Rs>Rn≧Rw、の条件を満足するコイルを使用することにより、コイル単体、コイルを対向させた変成器、のいずれもが理想的な理論上の特性に近づき、電力伝送性能を、従来よりも向上させることが可能となる。   In this example, by satisfying Rs> Rn ≧ Rw at the frequency at which power is transmitted, a coil having a smaller effective series resistance Rw (Ω) can be selected, and an optimum frequency range for power transmission can be defined. In addition, by using a coil that satisfies the condition of Rs> Rn ≧ Rw at the frequency at which power is transmitted, both the single coil and the transformer facing the coil have ideal theoretical characteristics. As a result, it becomes possible to improve the power transmission performance as compared with the prior art.

さらに、好ましくは、一方のコイルの熱抵抗をθi(℃/W)、一方のコイルの許容動作温度をTw(℃)、一方のコイルが設置される場所の周囲温度をTa(℃)、電力を伝送しているときに、一方のコイルに流れる交流電流をIa(A)、としたときに、faにおいて、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)、なる関係を一方のコイルが満足するように、送電部から受電部に電力を伝送する。 Further, preferably, the thermal resistance of one coil is θi (° C./W), the allowable operating temperature of one coil is Tw (° C.), the ambient temperature of the place where one coil is installed is Ta (° C.), and the power When the alternating current flowing through one coil is Ia (A), the relationship of Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi) is established in fa. Power is transmitted from the power transmission unit to the power reception unit.

このように、実効直列抵抗Rw(Ω)と交流電流Ia(A)による熱条件を規定することで、少なくとも一方のコイルの交流電流Iaの上限、あるいは一方のコイルの実効直列抵抗Rwを決めるターン数の上限と、実効直列抵抗Rw(Ω)が小さい周波数領域を規定できる。   In this way, by defining the thermal conditions based on the effective series resistance Rw (Ω) and the alternating current Ia (A), a turn that determines the upper limit of the alternating current Ia of at least one coil or the effective series resistance Rw of one coil. The upper limit of the number and the frequency region where the effective series resistance Rw (Ω) is small can be defined.

この発明の他の局面は、少なくとも送電部の送電コイルにキャパシタが接続された本発明の電力伝送装置の送電部から成る送電装置であって、送電部は、受電部に電力を送電する。   Another aspect of the present invention is a power transmission device including a power transmission unit of the power transmission device of the present invention in which a capacitor is connected to at least a power transmission coil of the power transmission unit, and the power transmission unit transmits power to the power reception unit.

本発明における電力伝送装置は、送電部と受電部が分離可能である。送電部は、特定の受電部のみならず、送電部に適合する受電部に電力を送ることができる。このような電力伝送装置の送電部は、上述したキャパシタを装備している。   In the power transmission device according to the present invention, the power transmission unit and the power reception unit can be separated. The power transmission unit can send power not only to a specific power reception unit but also to a power reception unit suitable for the power transmission unit. The power transmission unit of such a power transmission device is equipped with the capacitor described above.

さらに、受電部の受電コイルにキャパシタを装備することにより、広い周波数範囲で電力伝送性能が確保できる。そして、受電部の受電コイルにキャパシタを装備することにより、電力伝送性能も向上する。   Furthermore, power transmission performance can be secured in a wide frequency range by installing a capacitor in the power receiving coil of the power receiving unit. In addition, power transmission performance is also improved by providing a capacitor in the power receiving coil of the power receiving unit.

この発明の他の局面は、少なくとも送電部の送電コイルに記キャパシタが接続された本発明の電力伝送装置の受電部から成る受電装置であって、受電部は、送電部より電力を受電する。   Another aspect of the present invention is a power reception device including a power reception unit of the power transmission device of the present invention in which a capacitor is connected to at least a power transmission coil of the power transmission unit, and the power reception unit receives power from the power transmission unit.

本発明における電力伝送装置は、送電部と受電部が分離可能である。先の発明と同様に、受電部は、特定の送電部のみならず、受電部に適合する送電部にから電力を受電できる。このような電力伝送装置の送電部は、上述したキャパシタを装備している。   In the power transmission device according to the present invention, the power transmission unit and the power reception unit can be separated. Similar to the previous invention, the power reception unit can receive power from not only a specific power transmission unit but also a power transmission unit suitable for the power reception unit. The power transmission unit of such a power transmission device is equipped with the capacitor described above.

さらに、受電部の受電コイルにキャパシタを装備することにより、広い周波数範囲で電力伝送性能が確保できる。そして、受電部の受電コイルにキャパシタを装備することにより、電力伝送性能も向上する。   Furthermore, power transmission performance can be secured in a wide frequency range by installing a capacitor in the power receiving coil of the power receiving unit. In addition, power transmission performance is also improved by providing a capacitor in the power receiving coil of the power receiving unit.

この発明によれば、交流電源と送電コイルとの間、負荷と受電コイルとの間、の少なくとも一方に、少なくとも1個の無極性のキャパシタを直列接続した直列回路を設けることにより、送電コイルの残留リアクタンス成分を打ち消して力率を改善することができるので、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現できる。   According to the present invention, by providing a series circuit in which at least one nonpolar capacitor is connected in series between at least one of the AC power source and the power transmission coil and between the load and the power reception coil, Since the power factor can be improved by canceling the residual reactance component, a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

(電力伝送装置の説明)
図1はこの発明の一実施形態に係る電力伝送装置100のブロック図である。図1において、電力伝送装置100は、送電装置として作動する送電部30と、受電装置として作動する受電部40とを含む。送電部30は、直流電源12と、送電制御回路30aと、送電コイル1と、送電コイル1に直列接続されるキャパシタC1とを含む。受電装置40は、受電コイル2と、受電制御回路40aと、負荷RLとを含む。送電コイル1と、受電コイル2とは対向して配置される。
(Description of power transmission equipment)
FIG. 1 is a block diagram of a power transmission device 100 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a power transmission device 100 includes a power transmission unit 30 that operates as a power transmission device and a power reception unit 40 that operates as a power reception device. The power transmission unit 30 includes a DC power source 12, a power transmission control circuit 30a, a power transmission coil 1, and a capacitor C1 connected in series to the power transmission coil 1. Power reception device 40 includes power reception coil 2, power reception control circuit 40a, and load RL. The power transmission coil 1 and the power reception coil 2 are disposed to face each other.

なお、送電部30と、受電部40とは分離可能に構成されている。送電部30と、受電部40とが結合されたときには、送電コイル1と受電コイル2とが対向して配置されるので、送電コイル1と受電コイル2とは変成器として作用する。   The power transmission unit 30 and the power reception unit 40 are configured to be separable. When the power transmission unit 30 and the power reception unit 40 are coupled, the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 are arranged to face each other, so that the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 function as a transformer.

送電部30の送電制御回路30aは、直流電源12の直流電圧Vdを交流電力に変換するインバータ回路などの電力変換手段である交流電源30bを少なくとも含む。前記交流電力により送電コイル1とキャパシタC1とが接続された直列回路を、正弦波、あるいは方形波等により後述する所定の周波数未満で駆動して受電部40に電力を伝送する。受電部40は受電コイル2により送電コイル1から送電された電力を受電する。受電制御回路40aは受電した電力を負荷RLに供給する。受電制御回路40aには、交流電力を直流電力に変換する整流回路等が含まれている。負荷RLが白熱電球、LEDなどの交流電力で動作するものは、受電制御回路40aを省略し、負荷RLを受電コイル2に直結することもできる。   The power transmission control circuit 30a of the power transmission unit 30 includes at least an AC power source 30b that is a power conversion unit such as an inverter circuit that converts the DC voltage Vd of the DC power source 12 into AC power. The series circuit in which the power transmission coil 1 and the capacitor C <b> 1 are connected by the AC power is driven by a sine wave, a square wave, or the like below a predetermined frequency to be described later, and power is transmitted to the power receiving unit 40. The power reception unit 40 receives the power transmitted from the power transmission coil 1 by the power reception coil 2. The power reception control circuit 40a supplies the received power to the load RL. The power reception control circuit 40a includes a rectifier circuit that converts AC power into DC power. When the load RL operates with AC power such as an incandescent bulb or LED, the power reception control circuit 40a can be omitted and the load RL can be directly connected to the power receiving coil 2.

なお、ここで交流とは、出力端子に接続されたコイルに、正方向、逆方向に電流が流せるものを言う。以降、直流電源Vdを交流電力に変換する電源変換手段を交流電源30bと表記する。そして、交流電源30bの出力周波数をfa(Hz)と表記する。さらに、送電コイル1が交流電源30bによって駆動される周波数をfd(Hz)と表記する。また、受電コイル2が電力を受電する周波数をfj(Hz)と表記する。この場合、当然、fa=fd=fj(Hz)である。fa、fd、fjは全て電力伝送に使用される周波数である。faとfdは、送電部のパラメータであり、作用効果も駆動部と被駆動部の違いだけである。しかし、fdとfjの作用効果は異なるので、以下に説明しておく。   In addition, alternating current means what can send an electric current through the coil connected to the output terminal to the forward direction and a reverse direction. Hereinafter, the power conversion means for converting the DC power source Vd into AC power is referred to as AC power source 30b. The output frequency of the AC power supply 30b is expressed as fa (Hz). Further, a frequency at which the power transmission coil 1 is driven by the AC power supply 30b is expressed as fd (Hz). The frequency at which the power receiving coil 2 receives power is denoted as fj (Hz). In this case, naturally, fa = fd = fj (Hz). fa, fd, and fj are frequencies used for power transmission. fa and fd are parameters of the power transmission unit, and the effect is only the difference between the drive unit and the driven unit. However, the operational effects of fd and fj are different and will be described below.

(電力伝送装置の動作の説明)
図1に示す対向する送電コイル1および受電コイル2は空芯コイルであり、そのうち、一方のコイル単体の実効直列抵抗をRw(Ω)、とする。一方のコイルに対向する他方のコイルを短絡したときの、一方のコイルの実効直列抵抗をRs(Ω)とする。後述するが、周波数が低い場合、RwとRsの関係は、Rs>Rw、となっている。一方で、周波数が高くなると、RwとRsの関係は、Rs<Rw、となっている。Rs<Rw、となる周波数は、コイルにより異なる。すなわち、Rs>Rw、の関係を満足する周波数には、上限値が存在し、コイルによって上限値は異なる。前述したが、この上限値が、電力伝送性能のよいコイルを選ぶ基準となり、電力伝送装置を構成するコイルを使用可能な周波数範囲を規定でき、電力伝送性能のよい電力伝送装置を実現できるものである。
(Description of operation of power transmission device)
The opposing power transmission coil 1 and power reception coil 2 shown in FIG. 1 are air-core coils, and the effective series resistance of one of the coils alone is Rw (Ω). Let Rs (Ω) be the effective series resistance of one coil when the other coil facing one coil is short-circuited. As will be described later, when the frequency is low, the relationship between Rw and Rs is Rs> Rw. On the other hand, when the frequency increases, the relationship between Rw and Rs is Rs <Rw. The frequency satisfying Rs <Rw varies depending on the coil. That is, there is an upper limit value for the frequency satisfying the relationship of Rs> Rw, and the upper limit value varies depending on the coil. As described above, this upper limit value is a criterion for selecting a coil with good power transmission performance, can define a frequency range in which the coil constituting the power transmission device can be used, and can realize a power transmission device with good power transmission performance. is there.

そこで、この発明の一実施形態に係る電力伝送装置100は、一方のコイルが、Rs>Rw、を満足する最高周波数をf1(Hz)、としたときに、送電部30に含まれる交流電源の出力周波数fa(Hz)をf1(Hz)未満の周波数領域に設定し、受電部40に電力を伝送する。fa(Hz)を上記のように設定すると、送電コイル1である一方のコイルまたは他方のコイルが、周波数fd=fa(Hz)で駆動される。すなわち、送電コイル1は、fd<f1、の条件を満足する。当然のことながら、送電コイル1は、fd(Hz)にて、Rs>Rw、の関係を満足する。また、受電コイル2が電力を受電する周波数fj(Hz)は、f1(Hz)未満であることを条件とする。すなわち、受電コイルは、fj<f1、の条件を満足する。当然のことながら、受電コイル2は、fj(Hz)にて、Rs>Rw、の条件を満足する。   Therefore, in the power transmission device 100 according to the embodiment of the present invention, when one coil has a maximum frequency satisfying Rs> Rw as f1 (Hz), the AC power supply included in the power transmission unit 30 The output frequency fa (Hz) is set to a frequency region less than f1 (Hz), and power is transmitted to the power receiving unit 40. When fa (Hz) is set as described above, one coil or the other coil that is the power transmission coil 1 is driven at the frequency fd = fa (Hz). That is, the power transmission coil 1 satisfies the condition of fd <f1. As a matter of course, the power transmission coil 1 satisfies the relationship of Rs> Rw at fd (Hz). Further, the frequency fj (Hz) at which the power receiving coil 2 receives power is conditional on being less than f1 (Hz). That is, the power receiving coil satisfies the condition of fj <f1. As a matter of course, the power receiving coil 2 satisfies the condition of Rs> Rw at fj (Hz).

前述したように、送電コイルの「駆動周波数fd(Hz)はf1(Hz)未満に設定される」という表記は、送電コイルの駆動周波数fd(Hz)が、「fd<f1、の条件を満足する」のと同義である。「fd<f1、の条件を満足する」という表記は、送電コイルが、「fd(Hz)にて、Rs>Rw、の関係を満足している」という表記と同義である。また、受電コイルが「電力を受電する周波数fj(Hz)は、f1(Hz)未満であることを条件とする」という表記は、受電コイルが電力を受電する周波数fj(Hz)が、「fj<f1、の条件を満足する」という表記と同義である。「fj<f1、の条件を満足する」という表記は、受電コイルが、「fj(Hz)にて、Rs>Rw、の関係を満足している」という表記と同義である。受電部においては、受電電力の周波数を設定できないので、受電コイルが電力を受電する周波数fj(Hz)を定義し、受電コイルと送電コイルとにより決まる受電コイルのf1が、fjを超えていることを条件としている。以降、上記のいずれかの表記により、電力伝送装置が満足すべき条件を規定する。   As described above, the notation that “the driving frequency fd (Hz) is set to less than f1 (Hz)” of the power transmission coil indicates that the driving frequency fd (Hz) of the power transmission coil satisfies the condition “fd <f1”. It is synonymous with “Yes”. The expression “satisfying the condition of fd <f1” is synonymous with the expression “the power transmission coil satisfies the relationship of Rs> Rw at fd (Hz)”. In addition, the notation that the power receiving coil receives the power “frequency fj (Hz) is less than f1 (Hz)” means that the frequency fj (Hz) at which the power receiving coil receives power is “fj”. It is synonymous with the notation <satisfying the condition of f1. The expression “satisfying the condition of fj <f1” is synonymous with the expression “the power receiving coil satisfies the relationship of Rs> Rw at fj (Hz)”. Since the frequency of the received power cannot be set in the power receiving unit, the frequency fj (Hz) at which the power receiving coil receives power is defined, and f1 of the power receiving coil determined by the power receiving coil and the power transmitting coil exceeds fj Is a condition. Hereinafter, the conditions that the power transmission apparatus should satisfy are defined by any of the above-described notations.

さらに、一方のコイルに対向する他方のコイルを開放したときの、一方のコイルの実効直列抵抗をRn(Ω)とする。そして、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数をf2(Hz)とする。後述するが、f2(Hz)は、f1(Hz)よりも低くなる。電力伝送装置100は、送電制御回路30aに含まれる交流電源30bの出力周波数fa(Hz)をf2(Hz)未満の周波数領域に設定し、電力を受電部40に伝送する。fa(Hz)を上記のように設定すると、送電コイル1である一方のコイルまたは他方のコイルが、周波数fd=fa(Hz)で駆動される。   Furthermore, the effective series resistance of one coil when the other coil facing one coil is opened is Rn (Ω). A maximum frequency satisfying Rs> Rn ≧ Rw is defined as f2 (Hz). As will be described later, f2 (Hz) is lower than f1 (Hz). The power transmission device 100 sets the output frequency fa (Hz) of the AC power supply 30b included in the power transmission control circuit 30a to a frequency region less than f2 (Hz), and transmits power to the power receiving unit 40. When fa (Hz) is set as described above, one coil or the other coil that is the power transmission coil 1 is driven at the frequency fd = fa (Hz).

すなわち、送電コイル1は、fd<f2、の条件を満足する。当然のことながら、送電コイル1は、fd(Hz)にて、Rs>Rn≧Rw、の関係を満足する。このときの、受電コイル2である一方のコイルまたは他方のコイルが電力を受電する周波数fj(Hz)は、f2(Hz)未満であることを条件とする。すなわち、受電コイル2は、fj<f1、の条件を満足する。当然のことながら、受電コイル2は、fj(Hz)にて、Rs>Rn≧Rw、の関係を満足する。以下、前述したf1とfdの関係、またはf1とfjの関係と同様にして、いずれかの表記にて、f2とfdの関係、またはf2とfjの関係を規定する。   That is, the power transmission coil 1 satisfies the condition of fd <f2. As a matter of course, the power transmission coil 1 satisfies the relationship Rs> Rn ≧ Rw at fd (Hz). At this time, the frequency fj (Hz) at which one coil or the other coil as the power receiving coil 2 receives power is set to be less than f2 (Hz). That is, the power receiving coil 2 satisfies the condition of fj <f1. As a matter of course, the power receiving coil 2 satisfies the relationship of Rs> Rn ≧ Rw at fj (Hz). Hereinafter, similarly to the relationship between f1 and fd or the relationship between f1 and fj described above, the relationship between f2 and fd or the relationship between f2 and fj is defined by any notation.

(コイルの具体例の説明)
以下、本発明の実施形態における電力伝送装置に使用されるコイルの具体的な構成について説明する。以下に説明する各実施形態のコイルは、電力伝送装置100の送電コイル1または受電コイル2として使われる。
(Description of specific example of coil)
Hereinafter, the specific structure of the coil used for the power transmission device in the embodiment of the present invention will be described. The coil of each embodiment described below is used as the power transmission coil 1 or the power reception coil 2 of the power transmission device 100.

図2は、空芯コイルの一例を示す図であり、図2(A)は平面図を示し、図2(B)は図2(A)の線1B−1Bに沿う断面を拡大して示す。   2A and 2B are diagrams illustrating an example of an air-core coil. FIG. 2A is a plan view, and FIG. 2B is an enlarged view taken along line 1B-1B in FIG. .

この発明の一実施形態のコイル1aは、図2(A)に示すように、導線11を平板で空芯の単層渦巻き状に、隣接する導線11同士が密接するように巻回して構成される。導線11は図2(B)に示すように、断面が円形であり、最大径d1(mm)は特に限定されないが、好ましくは、例えば線径が0.2mm以上の単導線12単体に絶縁被覆13を施して構成されている。絶縁被覆13としては、ホルマル線のように厚みが薄くても強い被膜や、ビニール線のように厚い被膜のいずれであってもよい。   As shown in FIG. 2A, the coil 1a according to an embodiment of the present invention is configured by winding a conductive wire 11 in a flat and air-core single layer spiral shape so that adjacent conductive wires 11 are in close contact with each other. The As shown in FIG. 2 (B), the conductor 11 has a circular cross section, and the maximum diameter d1 (mm) is not particularly limited. Preferably, for example, a single conductor 12 having a wire diameter of 0.2 mm or more is covered with an insulating coating. 13 is applied. The insulation coating 13 may be either a strong coating that is thin like a formal wire or a thick coating such as a vinyl wire.

さらに、コイル1aの自己インダクタンスが少なくとも2μH以上である。さらに、図2(A)に示したコイル1a単体での実効直列抵抗をRw(Ω)とする。コイル1aに対向する他方のコイルを短絡したときの、コイル1aの実効直列抵抗を、Rs(Ω)、とする。このときに、Rs>Rw、を満足する最高周波数をf1(Hz)とする。送電コイル1であるコイル1a、または他方のコイルは、交流電源30bにより、f1(Hz)未満の周波数であるfd(Hz)にて駆動される。交流電源30bの出力周波数であるfa(Hz)は、f1(Hz)未満の周波数に設定される。また、受電コイルであるコイル1a、または他方のコイルが電力を受電する周波数fj(Hz)は、f1(Hz)未満であることを条件とする。好ましくは、コイル1aを一方のコイルと他方のコイルの双方に使用した場合、100kHzにて、Rs>Rw、を満足している。   Furthermore, the self-inductance of the coil 1a is at least 2 μH or more. Furthermore, let Rw (Ω) be the effective series resistance of the coil 1a alone shown in FIG. Let Rs (Ω) be the effective series resistance of the coil 1a when the other coil facing the coil 1a is short-circuited. At this time, the highest frequency satisfying Rs> Rw is defined as f1 (Hz). The coil 1a which is the power transmission coil 1 or the other coil is driven by the AC power supply 30b at fd (Hz) which is a frequency less than f1 (Hz). The output frequency fa (Hz) of the AC power supply 30b is set to a frequency less than f1 (Hz). In addition, the frequency fj (Hz) at which the coil 1a that is the power receiving coil or the other coil receives power is less than f1 (Hz). Preferably, when the coil 1a is used for both one coil and the other coil, Rs> Rw is satisfied at 100 kHz.

コイル外径D(mm)を単導線12の最大径d1(mm)の25倍以上に選んだのは、必要な結合係数を確保するためである。導線11のターン数を8以上になるように選んだのは、2μH以上の自己インダクタンスが得られるようにするためである。なお、この実施形態のみならず、他の実施形態においても共通するが、コイルには、導線が巻かれない所定の内径を設けるのが望ましい。内径は、外径Dの規定を満足していれば、任意の寸法でよい。   The reason why the coil outer diameter D (mm) is selected to be 25 times or more of the maximum diameter d1 (mm) of the single conductor 12 is to ensure a necessary coupling coefficient. The reason why the number of turns of the conducting wire 11 is selected to be 8 or more is to obtain a self-inductance of 2 μH or more. Although not only in this embodiment but also in other embodiments, it is desirable to provide the coil with a predetermined inner diameter on which no conducting wire is wound. The inner diameter may be any dimension as long as the outer diameter D is satisfied.

さらに、対向する他方のコイルを開放したときの、コイル1dの実効直列抵抗を、Rn(Ω)、とする。このときに、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数をf2(Hz)とする。送電コイル1であるコイル1a、または他方のコイルは、交流電源30bにより、f2(Hz)未満の周波数fd(Hz)にて駆動される。交流電源30bの出力周波数であるfa(Hz)は、f2(Hz)未満の周波数に設定される。また、受電コイルであるコイル1a、または他方のコイルが電力を受電する周波数fj(Hz)は、f2(Hz)未満であることを条件とする。   Furthermore, the effective series resistance of the coil 1d when the other opposing coil is opened is Rn (Ω). At this time, the highest frequency satisfying Rs> Rn ≧ Rw is defined as f2 (Hz). The coil 1a that is the power transmission coil 1 or the other coil is driven by the AC power supply 30b at a frequency fd (Hz) less than f2 (Hz). The output frequency fa (Hz) of the AC power supply 30b is set to a frequency less than f2 (Hz). The frequency fj (Hz) at which the coil 1a, which is the power receiving coil, or the other coil receives power is less than f2 (Hz).

さらに、コイル1aの熱抵抗をθi(℃/W)、コイル1aの許容動作温度をTw(℃)、コイル1aが設置される場所の周囲温度をTa(℃)、電力を伝送しているときにコイル1aに流れる交流電流をIa(A)、としたときに、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)なる関係を、コイル1aが、電力を伝送しているときに満足する。 Furthermore, when the thermal resistance of the coil 1a is θi (° C / W), the allowable operating temperature of the coil 1a is Tw (° C), the ambient temperature of the place where the coil 1a is installed is Ta (° C), and power is transmitted When the alternating current flowing in the coil 1a is Ia (A), the relationship Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi) is satisfied when the coil 1a is transmitting power. .

このように構成されたコイル1aは、図1に示した、送電部30と受電部40が分離可能な電力伝送装置の送電コイル1、または受電コイル2として用いることができる。   The coil 1a configured as described above can be used as the power transmission coil 1 or the power reception coil 2 of the power transmission device shown in FIG. 1 in which the power transmission unit 30 and the power reception unit 40 can be separated.

なお、図2(A)の実施形態においては、導線を円形に巻回している。しかし、円形に限らず、図3(A)に示す長円形、図3(B)に示す楕円形、図3(C)に示す正方形、図3(D)に示す長方形、図3(E)に示す六角形などの多角形のように、任意の形状で巻回することができる。これは、後述する他の実施形態でも同様である。ただし、コイルの形状が円形以外の場合、コイル外径Dは、図3(A)〜図3(E)に示すように、コイルの最小外寸D´を規定する。   In addition, in embodiment of FIG. 2 (A), conducting wire is wound circularly. However, the shape is not limited to a circle, but an oval shape shown in FIG. 3A, an oval shape shown in FIG. 3B, a square shape shown in FIG. 3C, a rectangle shape shown in FIG. 3D, and FIG. It can be wound in an arbitrary shape such as a polygon such as a hexagon shown in FIG. The same applies to other embodiments described later. However, when the shape of the coil is other than a circle, the coil outer diameter D defines the minimum outer dimension D ′ of the coil as shown in FIGS. 3 (A) to 3 (E).

次に、前述した関係、Rs>Rw、Rs>Rn≧Rw、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)、について説明する。なお、この説明は、後述する他のコイルの実施形態においても同じ作用効果をもつので、以降に記載の実施形態においては、説明を省略する。 Next, the relationship described above, Rs> Rw, Rs> Rn ≧ Rw, Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi) will be described. In addition, since this description has the same effect also in embodiment of the other coil mentioned later, description is abbreviate | omitted in embodiment described below.

(コイルで構成した変成器の説明)
図4は、変成器の等価回路を表す図であり、図5は、コイル単体の等価回路を示し、図6は従来例で説明した図93のように構成された変成器単体の等価回路を表す図である。図7は、2次側コイルが短絡されたときの変成器の等価回路を表す図であり、図8は、2次側コイルに負荷抵抗RLが接続されたときの変成器の等価回路を表す図である。
(Explanation of transformer made up of coils)
4 shows an equivalent circuit of the transformer, FIG. 5 shows an equivalent circuit of the single coil, and FIG. 6 shows an equivalent circuit of the single transformer configured as shown in FIG. 93 described in the conventional example. FIG. FIG. 7 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the transformer when the secondary coil is short-circuited, and FIG. 8 illustrates an equivalent circuit of the transformer when the load resistor RL is connected to the secondary coil. FIG.

送電コイル1と、受電コイル2とが対向して配置されると、変成器として作用する。ここでは、回路理論を参照するため、送電コイル1を1次側コイル、受電コイル2を2次側コイルと表記する。Rw、Rn、Rsの理論上の関係を求めるため、変成器の1次側のインピーダンスZ1を求めておく。図4において、L1(H)は1次側コイルのインダクタンス、L2(H)は2次側コイルのインダクタンス、M(H)は1次側コイルと2次側コイル間の相互インダクタンス、V1(V)は1次側コイルの両端電圧、V2(V)は2次側コイル(負荷抵抗RL)の両端電圧、I1(A)は1次側コイルに流れる電流、I2(A)は2次側コイルに流れる電流、RLは負荷抵抗(純抵抗)、Z1(Ω)は1次側の入力インピーダンス(複素インピーダンス)を表す。図4において、下記の回路方程式が成立し、下記の連立方程式を解くことにより、Z1の純抵抗成分(実効直列抵抗)と、リアクタンス成分(インダクタンス)を求めることができる。下記に、図4の回路方程式を記す。なお、j=−1、であり、ωは角周波数で、ω=2πf(fは周波数、Hz)である。 When the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 are arranged to face each other, they act as a transformer. Here, in order to refer to circuit theory, the power transmission coil 1 is referred to as a primary coil, and the power reception coil 2 is referred to as a secondary coil. In order to obtain the theoretical relationship between Rw, Rn, and Rs, the impedance Z1 on the primary side of the transformer is obtained in advance. In FIG. 4, L1 (H) is the inductance of the primary side coil, L2 (H) is the inductance of the secondary side coil, M (H) is the mutual inductance between the primary side coil and the secondary side coil, and V1 (V ) Is the voltage across the primary coil, V2 (V) is the voltage across the secondary coil (load resistance RL), I1 (A) is the current flowing through the primary coil, and I2 (A) is the secondary coil. , RL represents a load resistance (pure resistance), and Z1 (Ω) represents a primary side input impedance (complex impedance). In FIG. 4, the following circuit equation is established, and the pure resistance component (effective series resistance) and reactance component (inductance) of Z1 can be obtained by solving the following simultaneous equations. The circuit equation of FIG. 4 is described below. Note that j 2 = −1, ω is an angular frequency, and ω = 2πf (f is a frequency, Hz).

V1=jωL1・I1+jωM・I2…(1)
V2=jωM・I1+jωL2・I2…(2)
V2=−RL・I2…(3)
求めたいのは、Z1=V1/I1、であるので、上記の3つの連立方程式から、V2、I2を消去すればよい。上記の連立方程式の(3)式を(2)式に代入し、V2を消去すると、
0=jωM・I1+(jωL2+RL)I2
となり、上式をI2について解き、上記連立方程式の(1)式に代入し、I2を消去すると、
V1=(jωL1+ω/(jωL2+RL))I1
となり、Z1=V1/I1、であるので、上式より、Z1は、
Z1=jωL1+ω/(jωL2+RL)
となる。実際の変成器は、1次側コイルに実効直列抵抗R1、2次側コイルに実効直列抵抗R2を持つので、図6の回路を考え、RL=R2とすると、
Z1=R1+jωL1+ω/(jωL2+R2)
となる。上式の、ω/(jωL2+R2)に、
(−jωL2+R2)/(−jωL2+R2)=1を掛けると、
Z1=R1+jωL1+ω(−jωL2+R2)/(ωL2+R2
となり、実数項と虚数項を整理すると、
Z1=R1+R2・ω/(ωL2+R2)+jω(L1−L2・ω/(ωL2+R2))
となって、A=ωM2/(ωL2+R2)とすると、Z1は、
Z1=(R1+AR2)+jω(L1−AL2)…(4)
となる。ω>0、M≧0、L2>0、R2>0、であるので、明らかに、A≧0である。すなわち、図6において、1次側コイルの入力インピーダンスZ1は、
Z1=R1+jωL1…(5)
であり、(5)式と(4)式を比較すれば明らかなように、図7のように、変成器の2次側コイルが短絡されたときには、1次側コイルの実効直列抵抗R1が増加し、インダクタンスL1が減少するのが分かる。これらは既知の回路理論である。
V1 = jωL1 · I1 + jωM · I2 (1)
V2 = jωM · I1 + jωL2 · I2 (2)
V2 = −RL · I2 (3)
Since it is desired to obtain Z1 = V1 / I1, V2 and I2 can be eliminated from the above three simultaneous equations. Substituting equation (3) of the above simultaneous equations into equation (2) and eliminating V2,
0 = jωM · I1 + (jωL2 + RL) I2
When the above equation is solved with respect to I2 and substituted into the above equation (1), and I2 is eliminated,
V1 = (jωL1 + ω 2 M 2 / (jωL2 + RL)) I1
Since Z1 = V1 / I1, from the above equation, Z1 is
Z1 = jωL1 + ω 2 M 2 / (jωL2 + RL)
It becomes. Since an actual transformer has an effective series resistance R1 in the primary coil and an effective series resistance R2 in the secondary coil, considering the circuit of FIG. 6 and assuming RL = R2,
Z1 = R1 + jωL1 + ω 2 M 2 / (jωL2 + R2)
It becomes. In the above equation, ω 2 M 2 / (jωL2 + R2),
Multiplying (−jωL2 + R2) / (− jωL2 + R2) = 1,
Z1 = R1 + jωL1 + ω 2 M 2 (−jωL2 + R2) / (ω 2 L2 2 + R2 2 )
Then, when the real and imaginary terms are arranged,
Z1 = R1 + R2 · ω 2 M 2 / (ω 2 L2 2 + R2 2 ) + jω (L1−L2 · ω 2 M 2 / (ω 2 L2 2 + R2 2 ))
Assuming that A 2 = ω 2 M2 2 / (ω 2 L2 2 + R2 2 ), Z1 is
Z1 = (R1 + A 2 R2) + jω (L1−A 2 L2) (4)
It becomes. Since ω 2 > 0, M 2 ≧ 0, L2 2 > 0, and R2 2 > 0, obviously, A 2 ≧ 0. That is, in FIG. 6, the input impedance Z1 of the primary coil is
Z1 = R1 + jωL1 (5)
As can be seen from the comparison between the equations (5) and (4), as shown in FIG. 7, when the secondary coil of the transformer is short-circuited, the effective series resistance R1 of the primary coil is It can be seen that the inductance L1 increases and the inductance L1 decreases. These are known circuit theories.

上記(4)式と(5)式は、Rs>Rw、Rs>Rn≧Rw、の関係を説明するのに引用する基本式である。   The above formulas (4) and (5) are basic formulas cited to explain the relationship of Rs> Rw and Rs> Rn ≧ Rw.

次に、図2(A)に示したコイル1aに関して、具体的な例について説明する。一部重複するが、記号の定義を明確にしておく。Rwは、コイル1a単体の実効直列抵抗(図5のR1)、Rnは、コイル1aに他のコイルが対向し、対向したコイルが開放されているときのコイル1aの実効直列抵抗(図6のR1)、Rsは、コイル1aに他のコイルが対向し、対向したコイルが短絡されているときのコイル1aの実効直列抵抗(図7のR1)、krは、RwとRsより近似的に求めた両コイル間の結合係数である。   Next, a specific example of the coil 1a shown in FIG. There are some overlaps, but the definition of the symbol is clear. Rw is the effective series resistance of the coil 1a alone (R1 in FIG. 5), and Rn is the effective series resistance of the coil 1a when another coil is opposed to the coil 1a and the opposed coil is opened (in FIG. 6). R1) and Rs are the effective series resistance of the coil 1a when the other coil is opposed to the coil 1a and the opposed coil is short-circuited (R1 in FIG. 7), and kr is approximately obtained from Rw and Rs. The coupling coefficient between the two coils.

また、コイル1a単体のインダクタンスをLw、コイル1aに他のコイルが対向し、対向したコイルが短絡されているときのコイル1aのインダクタンスをLsとしたときに、LwとLsから近似的に求められる結合係数をkiと表記する。krと、kiの近似的な求め方については後述する。   Further, when the inductance of the coil 1a alone is Lw, another coil is opposed to the coil 1a, and the inductance of the coil 1a when the opposed coil is short-circuited is Ls, it is approximately obtained from Lw and Ls. The coupling coefficient is expressed as ki. An approximate method for obtaining kr and ki will be described later.

L1がコイル自体を示すときには、L1は記号とし、インダクタンスの数値を示すときは、L1(H)として単位を付記する。これは、R1、Rw等の抵抗についても同様とする。ただし、Rs>Rw、など等号や不等号で記載されている場合、Rw等を数式中に記載したときや計算に用いている旨の記載があるときの前後にRw等が記載してある場合、「Rwは、2Ω」等の具体的な数値と単位がRw等の直後に記載されている場合、特性図の説明等で数値であることが明らかな場合等は、単位の付記を省略している。   When L1 indicates the coil itself, L1 is a symbol, and when L1 is a numerical value of inductance, a unit is added as L1 (H). The same applies to resistors such as R1 and Rw. However, when Rs> Rw, etc. are described with equal signs or inequality signs, when Rw etc. are described before or after when Rw etc. is described in the formula or when there is a description indicating that it is used for calculation , “Rw is 2Ω”, etc. When the unit and the unit are described immediately after Rw, etc., when it is clear that it is a numerical value in the explanation of the characteristic diagram, etc., the unit addition is omitted. ing.

なお、以下の説明では、コイルを対向させた変成器の1次側と2次側を区別しているが、変成器は1次側と2次側を反転させることができるので、図6のR1、L1は、2次側のR2、L2として考えても同様の結果が得られる。すなわち、本発明の実施形態における電力伝送用のコイルは、1次側、2次側の少なくとも一方に装備されていればよい。例えば、2次側(機器側)にコイル1aと同じ構成のものを使用し、1次側(送電側)にソレノイド状のコイルや後述するハネカム状の多層巻コイルを使うこともできる。コイル1a単体の実効直列抵抗をRwとする。コイル1aに短絡したソレノイド状やハネカム状の多層巻コイルが対向したときのコイル1aの実効直列抵抗をRs(Ω)とする。   In the following description, the primary side and the secondary side of the transformer with opposed coils are distinguished, but the transformer can invert the primary side and the secondary side, so that R1 in FIG. , L1 can be obtained as R2 and L2 on the secondary side. That is, the power transmission coil in the embodiment of the present invention may be provided on at least one of the primary side and the secondary side. For example, the same configuration as the coil 1a can be used on the secondary side (device side), and a solenoid-like coil or a honeycomb-shaped multi-layer coil described later can be used on the primary side (power transmission side). Let Rw be the effective series resistance of the coil 1a alone. Let Rs (Ω) be the effective series resistance of the coil 1a when a solenoid-like or honeycomb-like multi-layer wound coil is short-circuited to the coil 1a.

この場合においても、送電コイル1であるソレノイド状やハネカム状の多層巻コイルは、コイル1aが、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)未満の周波数、fd(Hz)にて交流電源30bにより駆動される。交流電源30bの出力周波数であるfa(Hz)は、f1(Hz)未満の周波数に設定される。また、受電コイルにソレノイド状やハネカム状の多層巻コイルを使用し、送電コイルにコイル1aを使用した場合は、受電コイルが電力を受電する周波数fj(Hz)は、f1(Hz)未満であることを条件とする。   Also in this case, the solenoid-type or honeycomb-type multi-layer wound coil as the power transmission coil 1 has an AC power supply at a frequency fd (Hz) less than the maximum frequency f1 (Hz) where the coil 1a satisfies Rs> Rw. It is driven by 30b. The output frequency fa (Hz) of the AC power supply 30b is set to a frequency less than f1 (Hz). Further, when a solenoid coil or honeycomb-shaped multi-layer coil is used as the power receiving coil and the coil 1a is used as the power transmitting coil, the frequency fj (Hz) at which the power receiving coil receives power is less than f1 (Hz). On the condition.

以下、コイル1aの具体的な構成例について説明する。   Hereinafter, a specific configuration example of the coil 1a will be described.

(コイル1aの具体的な構成例1Aの説明)
図9は、銅線径1mmのホルマル線を、外径70mmで25ターン(T)密接巻きしたコイル1AのRw、Rn、Rs、およびコイル1Aに10Ωの負荷抵抗を接続したときの実効電力伝送効率ηと周波数との関係を表す図である。
(Description of specific configuration example 1A of coil 1a)
FIG. 9 shows effective power transmission when a 10 Ω load resistance is connected to Rw, Rn, Rs of coil 1A and a coil 1A in which a formal wire having a copper wire diameter of 1 mm is closely wound for 25 turns (T) with an outer diameter of 70 mm. It is a figure showing the relationship between efficiency (eta) and a frequency.

本願発明者は、図2(A)に示したコイル1aとして、特許文献2に記載されたコイル(以下、従来例と称する。)を参考にして、平板で空芯の単層渦巻き状に、ホルマル線を使い、隣接する導線同士が密接するように巻回してコイル1Aを形成した。その結果、コイル1Aを送電コイル1と受電コイル2の双方に使用すると、所定の電力伝送性能しか達成できないことを見出した。   The inventor of the present application refers to the coil described in Patent Document 2 (hereinafter referred to as a conventional example) as the coil 1a shown in FIG. A formal wire was used, and the coil 1A was formed by winding so that adjacent conducting wires were in close contact with each other. As a result, it has been found that when the coil 1A is used for both the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, only predetermined power transmission performance can be achieved.

そこで、本願発明者は、コイル1Aに比べて、伝送性能を向上させた図10〜図17に示すコイル1B〜コイル1Gを見出した。各コイル1B〜1Gは、図2(A)のコイル1aのように平板で空芯の単層渦巻き状に、ホルマル線を使って構成されている。   Therefore, the inventor of the present application has found coils 1B to 1G shown in FIGS. 10 to 17 that have improved transmission performance as compared with the coil 1A. Each of the coils 1B to 1G is configured by using a formal wire in the form of a flat single-layer spiral with an air core like the coil 1a in FIG.

(コイル1aの具体的な構成例1Bの説明)
図10は、コイル1Bを説明するための特性図である。
(Description of specific configuration example 1B of coil 1a)
FIG. 10 is a characteristic diagram for explaining the coil 1B.

コイル1Bは、銅線径0.6mmのホルマル線を、外径70mmで40ターン密接巻きしたものである。コイル1BのRw、Rn、Rs、kr、kiと周波数との関係が図10に示されている。   The coil 1B is obtained by closely winding a formal wire having a copper wire diameter of 0.6 mm with an outer diameter of 70 mm for 40 turns. FIG. 10 shows the relationship between Rw, Rn, Rs, kr, ki and the frequency of the coil 1B.

(コイル1aの具体的な構成例1Cの説明)
図11は、コイル1Cを説明するための特性図である。
(Description of Specific Configuration Example 1C of Coil 1a)
FIG. 11 is a characteristic diagram for explaining the coil 1 </ b> C.

コイル1Cは、銅線径0.3mmのホルマル線を、直径70mmで70ターン密接巻きしたものである。コイル1CのRw、Rn、Rs、後述する位相角θと周波数との関係が図11に示されている。   The coil 1C is obtained by closely winding a formal wire having a copper wire diameter of 0.3 mm with a diameter of 70 mm for 70 turns. FIG. 11 shows the relationship between Rw, Rn, Rs of the coil 1C, the phase angle θ described later, and the frequency.

(コイル1aの具体的な構成例1Dの説明)
図12は、コイル1Dを説明するための特性図である。
(Description of Specific Configuration Example 1D of Coil 1a)
FIG. 12 is a characteristic diagram for explaining the coil 1D.

コイル1Dは、銅線径0.3mmのホルマル線を、直径30mmで31ターン密接巻きしたものである。コイル1DのRw、Rn、Rsと周波数の関係が図12に示されている。   The coil 1D is obtained by closely winding a formal wire having a copper wire diameter of 0.3 mm for 31 turns with a diameter of 30 mm. FIG. 12 shows the relationship between Rw, Rn, Rs of the coil 1D and the frequency.

(コイル1aの具体的な構成例1Eの説明)
図13は、コイル1Eを説明するための特性図である。
(Description of specific configuration example 1E of coil 1a)
FIG. 13 is a characteristic diagram for explaining the coil 1E.

コイル1Eは、銅線径1mmのホルマル線を、外径70mmに、約1mmの空隙を設けて14ターン疎巻きしたものである。コイル1EのRw、Rn、Rs、krと周波数との関係が図13に示されている。   The coil 1E is formed by sparsely winding a formal wire having a copper wire diameter of 1 mm with an outer diameter of 70 mm and a gap of about 1 mm for 14 turns. The relationship between Rw, Rn, Rs, kr and the frequency of the coil 1E is shown in FIG.

(コイル1aの具体的な構成例1Fの説明)
図14は、コイル1Fを説明するための特性図である。
(Description of Specific Configuration Example 1F of Coil 1a)
FIG. 14 is a characteristic diagram for explaining the coil 1F.

コイル1Fは、銅線径0.05mmのホルマル線を75本束ねた電線(リッツ線)を、外径70mmに30ターン密接巻きしたものである。コイル1FのRw、Rn、Rs、kr、kiと周波数との関係が図14に示されている。   The coil 1F is obtained by closely winding an electric wire (Litz wire) bundled with 75 formal wires having a copper wire diameter of 0.05 mm to an outer diameter of 70 mm for 30 turns. The relationship between Rw, Rn, Rs, kr, ki and frequency of the coil 1F is shown in FIG.

(コイル1aの具体的な構成例1Gの説明)
図15は、コイル1Gを説明するための特性図である。
(Description of Specific Configuration Example 1G of Coil 1a)
FIG. 15 is a characteristic diagram for explaining the coil 1G.

コイル1Gは、銅線径0.05mmのホルマル線を75本束ねた電線(リッツ線)を、外径50mmに20ターン密接巻きしたものである。コイル1GのRw、Rn、Rs、kr、kiと周波数との関係が図15に示されている。   The coil 1G is obtained by closely winding an electric wire (Litz wire) bundled with 75 formal wires having a copper wire diameter of 0.05 mm to an outer diameter of 50 mm for 20 turns. FIG. 15 shows the relationship between Rw, Rn, Rs, kr, ki and the frequency of the coil 1G.

(各コイルについての検討)
なお、図10〜図15に示す特性図は、コイル1B〜コイル1Gに関して、いずれも、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)と、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数をf2(Hz)とが共通的に示されている。ただし、最高周波数f1(Hz)、f2(Hz)は、各コイル1B〜コイル1Gのそれぞれによって異なっている。
(Examination of each coil)
10 to 15 show the maximum frequency f1 (Hz) satisfying Rs> Rw and the maximum frequency satisfying Rs> Rn ≧ Rw for all of the coils 1B to 1G. f2 (Hz) is shown in common. However, the maximum frequencies f1 (Hz) and f2 (Hz) differ depending on each of the coils 1B to 1G.

また、図10〜図15に示す特性図は、全て対向するコイル間の距離をゼロで測定したものである。コイル間の対向距離が離れても、Rs(Ω)、Rn(Ω)は、対向距離がゼロのときよりもわずかに低下するが、対向する距離がコイル外径Dの1/10程度までは殆ど変化しない。実際には、対向距離が増加すると、両コイル間の結合係数が低下し、1次側コイルのリアクタンスが増大して皮相電力が増加するので、力率が低下する。   Moreover, the characteristic diagrams shown in FIGS. 10 to 15 are all measured by measuring the distance between the opposing coils at zero. Even if the facing distance between the coils is separated, Rs (Ω) and Rn (Ω) are slightly lower than when the facing distance is zero, but the facing distance is up to about 1/10 of the coil outer diameter D. Almost no change. Actually, when the facing distance increases, the coupling coefficient between the two coils decreases, the reactance of the primary coil increases, and the apparent power increases, so the power factor decreases.

コイルの実効直列抵抗による電力損失は、後述する、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)の規定で抑えることができ、後述するように、図8における、R1、R2の値が不明な点と、Tw(℃)、Ta(℃)、はコイルの使用条件によって異なるので、本発明の実施形態においては、前述の、Rw、Rs、Rnを、対向距離ゼロか、あるいは実際に使用するコイルの対向距離において計測し、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2(Hz)を求めればよい。 The power loss due to the effective series resistance of the coil can be suppressed by the definition of Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi) described later. As will be described later, the values of R1 and R2 in FIG. Since the unknown point and Tw (° C.) and Ta (° C.) differ depending on the use conditions of the coil, in the embodiment of the present invention, the aforementioned Rw, Rs, and Rn are set to zero or the actual facing distance. What is necessary is just to obtain the maximum frequency f2 (Hz) satisfying Rs> Rn ≧ Rw and the maximum frequency f1 (Hz) satisfying Rs> Rw by measuring at the opposing distance of the coil to be used.

まず、Rs>Rw、を満足している場合と、満足していない場合の違いについて説明する。上記に説明したように、コイル単体の実効直列抵抗Rw(Ω)は、周波数が上昇すると共に増加することが知られており、その原因として、表皮効果や渦電流損などが知られている。   First, the difference between the case where Rs> Rw is satisfied and the case where Rs> Rw is not satisfied will be described. As described above, it is known that the effective series resistance Rw (Ω) of a single coil increases as the frequency increases, and the skin effect and eddy current loss are known as the cause.

さらに、上述の回路理論によると、図7に示すように、2次側コイルを短絡すると、1次側の純抵抗値は、(R1+AR2)Ω、に増加することが知られている。R2を2次側コイルの実効直列抵抗値とし、Mを1次側コイルと2次側コイル間の相互インダクタンスの値、ωを角周波数(ω=2πf、fは周波数、Hz)、L2を2次側コイルの自己インダクタンスの値とすると、A=ω/(ωL2+R2)であり、ω>0、M≧0、L2>0、R2>0、であるので、明らかに、A≧0、である。そして、1次側のインダクタンスについては、L1を1次側コイルの自己インダクタンスの値とすると、図7に示すように、2次側コイルを短絡すると、1次側のインダクタンスは、(L1−AL2)H、に減少することが知られている。 Further, according to the above circuit theory, as shown in FIG. 7, it is known that when the secondary coil is short-circuited, the pure resistance value on the primary side increases to (R1 + A 2 R2) Ω. R2 is an effective series resistance value of the secondary coil, M is a value of mutual inductance between the primary coil and the secondary coil, ω is an angular frequency (ω = 2πf, f is a frequency, Hz), and L2 is 2 When the value of the self-inductance of the secondary coil is A 2 = ω 2 M 2 / (ω 2 L2 2 + R2 2 ), ω 2 > 0, M 2 ≧ 0, L2 2 > 0, R2 2 > 0, Therefore, clearly, A 2 ≧ 0. As for the primary side inductance, if L1 is the value of the self-inductance of the primary side coil, as shown in FIG. 7, when the secondary side coil is short-circuited, the primary side inductance is (L1-A 2 L2) H, is known to decrease.

ところが、図9〜図11を参照すると、周波数が高い領域では、Rs(Ω)がRw(Ω)より小さくなる場合が見られる。Rs<Rw、となる周波数は、比較例としてのコイル1Aでは、約67kHz以上になるのに対して、コイル1Bでは、約208kHz以上になる。コイル1Cでは、約820kHz以上になる。平板渦巻き状に密接してホルマル線を巻いたコイルでは、このように、ホルマル線の線径が太くなるほど、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)は低くなる。また、図12より、コイル1Cと同じ単導線を使い、外径30mmに31ターン巻回したコイル1Dでは、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)は、コイル1Cに比べ高くなっている。   However, referring to FIG. 9 to FIG. 11, it can be seen that Rs (Ω) is smaller than Rw (Ω) in the high frequency region. The frequency at which Rs <Rw is about 67 kHz or more in the coil 1A as a comparative example, whereas it is about 208 kHz or more in the coil 1B. In the coil 1C, it becomes about 820 kHz or more. In a coil in which a formal wire is wound in close contact with a flat plate spiral, the maximum frequency f1 (Hz) that satisfies Rs> Rw decreases as the diameter of the formal wire increases. Further, from FIG. 12, in the coil 1D that uses the same single conductor as the coil 1C and is wound 31 turns with an outer diameter of 30 mm, the maximum frequency f1 (Hz) that satisfies Rs> Rw is higher than that of the coil 1C. Yes.

(線径による周波数特性の変動の説明)
図16は、銅線径、0.2mm、0.4mm、0.8mm、1mmの各ホルマル線を平板状に25ターン密接巻きしたコイルの、周波数と各コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)の関係を示している。
(Explanation of fluctuations in frequency characteristics due to wire diameter)
FIG. 16 shows the frequency and effective series resistance Rw (Ω) of a coil in which each formal wire having a copper wire diameter of 0.2 mm, 0.4 mm, 0.8 mm, and 1 mm is closely wound in a flat plate shape for 25 turns. Showing the relationship.

図9〜図12から明らかなように、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)が低いコイルは、周波数の上昇に伴う実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率も高い。図16より、0.2mm、0.4mm、0.8mm、1.0mmの各異なる線径のホルマル線を、同じ25回のターン数にしたコイル外径の異なるコイルでも、この特性は同じある。すなわち、ホルマル線の線径が太くなるほど、周波数の上昇に伴う実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率も高いことが分かる。また、同一の線径で巻回したコイルでは、巻回数が少なく、外形が小さい方が、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)が高く、周波数の上昇による実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率も小さいのが分かる。   As is apparent from FIGS. 9 to 12, a coil having a low maximum frequency f1 (Hz) that satisfies Rs> Rw has a high increase rate of the effective series resistance Rw (Ω) as the frequency increases. From FIG. 16, this characteristic is the same even with coils having different outer diameters in which formal wires having different wire diameters of 0.2 mm, 0.4 mm, 0.8 mm, and 1.0 mm have the same number of turns of 25 times. . That is, it can be seen that as the diameter of the formal wire increases, the rate of increase in the effective series resistance Rw (Ω) accompanying an increase in frequency increases. Further, in a coil wound with the same wire diameter, the smaller the number of turns and the smaller the outer shape, the higher the maximum frequency f1 (Hz) that satisfies Rs> Rw, and the effective series resistance Rw (Ω) due to the increase in frequency. ) Increase rate is also small.

すなわち、回路理論に従うなら、Rs>Rn=Rw、の関係を満足しないといけないが、コイル1A〜コイル1Dを使用し、図6、図7のように構成された変成器では、周波数が高い領域では、Rs>Rw、の関係を満足していない。例えば、コイル1Bでは、周波数208kHz以上の点で、Rs<Rw、となっているのが、図10より分かる。   That is, if the circuit theory is followed, the relationship of Rs> Rn = Rw must be satisfied. However, in the transformer using coils 1A to 1D and configured as shown in FIGS. Then, the relationship of Rs> Rw is not satisfied. For example, in the coil 1B, it can be seen from FIG. 10 that Rs <Rw at a frequency of 208 kHz or higher.

RwとRsの関係が、Rs<Rw、となるような周波数領域では、正でないとならないAが、負になってしまう。図9〜図12で、Rs<Rw、となるような周波数領域では、図8に示す、実効直列抵抗R1およびR2の実際の値を求めることはできない。その一例を以下に示す。なお、ここでは実効直列抵抗から近似的に結合係数を求めるので、結合係数をkrと表記する。後述するように、インダクタンスから求めた結合係数をkiと表記する。 In a frequency region where the relationship between Rw and Rs is Rs <Rw, A 2 that is not positive becomes negative. 9 to 12, the actual values of the effective series resistances R1 and R2 shown in FIG. 8 cannot be obtained in the frequency region where Rs <Rw. An example is shown below. Here, since the coupling coefficient is approximately obtained from the effective series resistance, the coupling coefficient is expressed as kr. As will be described later, the coupling coefficient obtained from the inductance is expressed as ki.

既知の回路理論によれば、結合係数をkrとすると、相互インダクタンスをM(H)、1次側コイルの自己インダクタンスをL1(H)、2次側コイルの自己インダクタンスをL2(H)、としたときに、M=kr・L1・L2の関係が成り立つ。1次側コイルと2次側コイルに同一のコイルを使うなら、R1=R2=Rw、L1=L2=Lw、となるので、ωL2>>R2、を満足するときには、
=ω/(ωL2+R2)≒ω/(ωL2
=kr・L1・L2/L2=kr・L1/L2、となる。そこで、
(R1+AR2)から、(Rw+krRw)=Rs、となり、
kr≒(Rs−Rw)/Rw、として近似的にkrを求められ、
kr=√((Rs−Rw)/Rw)となる。
According to the known circuit theory, when the coupling coefficient is kr, the mutual inductance is M (H), the self-inductance of the primary side coil is L1 (H), and the self-inductance of the secondary side coil is L2 (H). Then, the relationship of M 2 = kr 2 · L1 · L2 is established. If the same coil is used for the primary side coil and the secondary side coil, R1 = R2 = Rw and L1 = L2 = Lw. Therefore, when ω 2 L2 2 >> R2 2 is satisfied,
A 2 = ω 2 M 2 / (ω 2 L2 2 + R2 2 ) ≈ω 2 M 2 / (ω 2 L2 2 )
= Kr 2 · L1 · L2 / L2 2 = kr 2 · L1 / L2. Therefore,
From (R1 + A 2 R2), (Rw + kr 2 Rw) = Rs,
kr 2 ≒ (Rs-Rw) / Rw, approximately prompted kr 2 as,
kr = √ ((Rs−Rw) / Rw).

なお、両コイルが同一の場合、R1=R2=Rw、L1=L2=Lw、である。したがって、ωL2>>R2を満足しているかは、ωLw/Rw、の値を計算し、この値が50以上の時に求めた結合係数の値は、誤差2%程度以下と判断している。図9〜図15においては、10kHz〜30kHz以上になると、ωLw/Rw>50、となっている。Rs>Rw、を満足する周波数領域では、このようにして、Rw、Rsより結合係数krを近似的に求めることができる。 When both coils are the same, R1 = R2 = Rw and L1 = L2 = Lw. Therefore, whether ω 2 L2 2 >> R2 2 is satisfied is calculated by calculating the value of ω 2 Lw 2 / Rw 2 , and the value of the coupling coefficient obtained when this value is 50 or more has an error of about 2%. Judgment is as follows. 9 to 15, when 10 kHz to 30 kHz or more, ω 2 Lw 2 / Rw 2 > 50. In the frequency region satisfying Rs> Rw, the coupling coefficient kr can be approximately obtained from Rw and Rs in this way.

しかし、Rs<Rw、となるような周波数領域では、正でないとならないAが、負になってしまい、正であるべき結合係数krの二乗であるkrも負になるので、結合係数を実効直列抵抗Rw,Rsより求めることはできず、(4)式から明らかなように、図8において、R1、R2の実際の値を求めることはできなくなる。Rs=Rwの場合なら、結合係数krはゼロとなってしまうし、Rs<Rw、となると、数学的には結合係数krは虚数になる。実際に2個のコイルが対向しており、相互インダクタンスMが、M≠0であるのに、両コイル間の結合係数がゼロになることや、あるいは虚数になることは、理論上あり得ない。 However, in the frequency region where Rs <Rw, A 2 that is not positive becomes negative, and kr 2 that is the square of the coupling coefficient kr that should be positive also becomes negative. It cannot be obtained from the effective series resistances Rw and Rs. As is apparent from the equation (4), the actual values of R1 and R2 cannot be obtained in FIG. When Rs = Rw, the coupling coefficient kr becomes zero, and when Rs <Rw, the coupling coefficient kr is mathematically an imaginary number. Although two coils are actually facing each other and the mutual inductance M is M ≠ 0, it is theoretically impossible that the coupling coefficient between the two coils becomes zero or becomes an imaginary number. .

Rs>Rw、の条件を満足しない周波数領域では、上記のように、図8の実効直列抵抗R1とR2の値が不明になる。さらに、コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)が大きくなり、1次側、2次側のいずれのコイルに電流Iを流しても、R1×I(W)、R2×I(W)、による電力損失が過大となって、コイルが発熱する。その電力損失のため、実効電力伝送効率ηが低下する。なお、同一のコイルを、1次側、2次側ともに使用した場合、2×Rw=Rs(Ω)、となると、結合係数krが1となるので、Rsは、2×Rw(Ω)、に近いほどよい。 In the frequency region where the condition of Rs> Rw is not satisfied, the values of the effective series resistances R1 and R2 in FIG. 8 are unknown as described above. Furthermore, the effective series resistance Rw (Ω) of the coil increases, and even if the current I is passed through either the primary side or the secondary side coil, R1 × I 2 (W), R2 × I 2 (W), The power loss due to is excessive, and the coil generates heat. Due to the power loss, the effective power transmission efficiency η decreases. When the same coil is used on both the primary side and the secondary side, when 2 × Rw = Rs (Ω), the coupling coefficient kr is 1, so that Rs is 2 × Rw (Ω), The closer it is to the better.

(コイル1Aと、コイル1Fとの組合せの説明)
図17は、コイル1Aを一方のコイルとし、後述するコイル1Fを他方のコイルとしたときの、コイル1AのRw、Rn、Rs、およびコイル1Fに10Ωの負荷抵抗を接続したときの実効電力伝送効率と周波数との関係を示す特性図である。
(Description of combination of coil 1A and coil 1F)
FIG. 17 shows effective power transmission when a load resistance of 10Ω is connected to Rw, Rn, Rs of coil 1A and coil 1F when coil 1A is one coil and coil 1F described later is the other coil. It is a characteristic view which shows the relationship between efficiency and a frequency.

図9において、コイル1Aを送電コイル1と受電コイル2の双方に使用すると、所定の電力伝送性能しか達成でききないことを説明したが、これについて説明する。コイル1Aを一方のコイルと他方のコイルの双方に使用すると、図9から、コイル1Aが、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1は、約67kHzとなっている。すなわち、コイル1Aのf1は、100kHz未満となっている。したがって、1mmのホルマル線を使ったコイル1Aを送電コイル1と受電コイル2の双方に使用すると、従来例のコイルと同じ電力伝送性能しか達成できない。   In FIG. 9, it has been explained that when the coil 1 </ b> A is used for both the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, only a predetermined power transmission performance can be achieved. When the coil 1A is used for both one coil and the other coil, the maximum frequency f1 at which the coil 1A satisfies Rs> Rw is about 67 kHz from FIG. That is, f1 of the coil 1A is less than 100 kHz. Therefore, if the coil 1A using a 1 mm formal wire is used for both the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, only the same power transmission performance as that of the conventional coil can be achieved.

図9に示したコイル1Aを、一方のコイルとして使い、他方のコイルとして、図14に示すコイル1Fを使ってみた。すると、コイル1Aは、少なくとも、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1が、67kHzから110kHzに上昇した。その結果、電力伝送性能を向上させることができた。したがって、図9のコイル1Aであっても、対向する他方のコイルを選ぶことにより、磁性材等を使用することなく、空芯のままで電力伝送性能を向上させることができる。   The coil 1A shown in FIG. 9 was used as one coil, and the coil 1F shown in FIG. 14 was used as the other coil. Then, in the coil 1A, the highest frequency f1 satisfying at least Rs> Rw increased from 67 kHz to 110 kHz. As a result, the power transmission performance could be improved. Therefore, even if it is the coil 1A of FIG. 9, by selecting the other coil which opposes, electric power transmission performance can be improved with an air core, without using a magnetic material etc.

実測によると、コイル1Aにつき、Rs>Rw、の条件を満足する最高周波数f1は、対向するコイルが、コイル1Aの場合には、図9より、約67kHz、対向するコイルが、コイル1Fの場合には、図17より、約110kHz、対向するコイルが、コイル1Gの場合には、図示していないが150kHz、となっている。対向する他方のコイルを選ぶことにより、コイル1Aが、Rs>Rw、の条件を満足する最高周波数f1(Hz)を上昇させることができる。なお、コイル1Fにコイル1Aを対向させた場合に、コイル1Fが、Rs>Rw、の条件を満足する最高周波数f1は、約2MHzとなる。このような周波数領域では、コイル1A単体の実効直列抵抗Rwが、10Ω以上と高い数値となるので、後述するRwによる熱条件の規定、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)、により、2次側コイルであるコイル1Aに流すことが可能な電流を規定できる。 According to actual measurements, the maximum frequency f1 satisfying the condition of Rs> Rw per coil 1A is about 67 kHz when the opposing coil is the coil 1A, as shown in FIG. 9, and when the opposing coil is the coil 1F. From FIG. 17, when the opposing coil is the coil 1G, it is 150 kHz although not shown. By selecting the other opposing coil, the coil 1A can increase the maximum frequency f1 (Hz) that satisfies the condition of Rs> Rw. When the coil 1A is opposed to the coil 1F, the maximum frequency f1 that satisfies the condition of Rs> Rw for the coil 1F is about 2 MHz. In such a frequency region, the effective series resistance Rw of the coil 1A alone is a high value of 10Ω or more. Therefore, the thermal condition defined by Rw, which will be described later, Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi), Thus, the current that can be passed through the coil 1A as the secondary coil can be defined.

好ましくは、コイル1Aとコイル1Fを組み合わせて使用する場合は、前述したように、f1=110kHz未満の周波数領域で電力を伝送するために、交流電源の出力周波数fa(Hz)をf1(Hz)未満に設定する。当然、fa(Hz)では、コイル1A、コイル1Fの双方が、Rs>Rw、を満足している。コイル1Aが、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1は、約67kHzである。しかし、コイル1Aとコイル1Fを組み合わせて使用することにより、コイル1Aを、送電コイル1、受電コイル2のいずれに使用しても、67kHz以上で電力を伝送できるようになる。   Preferably, when the coil 1A and the coil 1F are used in combination, as described above, the output frequency fa (Hz) of the AC power supply is set to f1 (Hz) in order to transmit power in the frequency region below f1 = 110 kHz. Set to less than. Naturally, at fa (Hz), both the coil 1A and the coil 1F satisfy Rs> Rw. The maximum frequency f1 at which the coil 1A satisfies Rs> Rw is about 67 kHz. However, by using the coil 1A and the coil 1F in combination, even if the coil 1A is used for either the power transmission coil 1 or the power reception coil 2, power can be transmitted at 67 kHz or higher.

本発明の実施形態においては、一方のコイルのf1(Hz)が低いときに、他方のコイルとして、一方のコイルのf1(Hz)が所定周波数として、図17に示す110kHz、約10%の余裕を見て100kHzよりも高くなるコイルを選ぶ。このようにして選んだ一方のコイルと他方のコイルを組み合わせて電力伝送装置を構成する。このような構成とすることにより、高い周波数でコイルを使用できる。そして、電力伝送装置の電力伝送性能が改善できるようになる。   In the embodiment of the present invention, when f1 (Hz) of one coil is low, f1 (Hz) of one coil is set to a predetermined frequency as the other coil, and the margin of about 10% shown in FIG. And select a coil that is higher than 100 kHz. The power transmission device is configured by combining one coil selected in this way and the other coil. With such a configuration, the coil can be used at a high frequency. Then, the power transmission performance of the power transmission device can be improved.

すなわち、まず、一方のコイルと、他方のコイルを選ぶ。一方のコイルにおいて、Rw、Rs、Rn、の各周波数特性を計測する。計測データに基づき、一方のコイルが、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)を求める。f1(Hz)の高いコイルの組合せでは、電力伝送性能の周波数特性がよいことが、図9と比較すれば、図17より分かる。そして交流電源30bの出力周波数fa(Hz)をf1(Hz)未満に設定する。このようにして、電力伝送性能のよい電力伝送装置が実現できる。   That is, first, one coil and the other coil are selected. In one coil, each frequency characteristic of Rw, Rs, Rn is measured. Based on the measurement data, one coil obtains the maximum frequency f1 (Hz) that satisfies Rs> Rw. It can be seen from FIG. 17 that the frequency characteristics of the power transmission performance are good in the combination of coils having a high f1 (Hz), compared with FIG. And the output frequency fa (Hz) of AC power supply 30b is set to less than f1 (Hz). In this way, a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

(コイル1B〜コイル1Dの組合せの説明)
単導線を使用したコイル1B〜コイル1Dは、いずれも、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1が100kHzを越えている。コイル1B〜コイル1Dを一方のコイルとし、他方のコイルをコイル1B〜コイル1Dのいずれかとする。一方のコイルにおいて、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)を求める。電力伝送装置に含まれる交流電源30bの出力周波数fa(Hz)をf1(Hz)未満に設定する。このようにして、電力伝送性能がよい電力伝送装置が実現できる。
(Description of combination of coil 1B to coil 1D)
In each of the coils 1B to 1D using the single conducting wire, the maximum frequency f1 satisfying Rs> Rw exceeds 100 kHz. The coils 1B to 1D are set as one coil, and the other coil is set as any one of the coils 1B to 1D. In one coil, a maximum frequency f1 (Hz) satisfying Rs> Rw is obtained. The output frequency fa (Hz) of the AC power supply 30b included in the power transmission device is set to be less than f1 (Hz). In this way, a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

(Rs>Rn≧Rwを満足している場合の説明)
次に、Rs>Rn≧Rw、を満足している場合と、満足していない場合の違いについて説明する。前述したように、コイル単体では、この実効直列抵抗Rwを、計測によって正確に求められるが、図6のように構成された変成器においては、図9〜図13に示すように、単に2次側コイルが対向しただけで、周波数が高い領域では、R1が、RwからRnに上昇する。R1は1次側コイルの実効直列抵抗であるが、図5のR1(Rwと同じ)の周波数特性と、図6のR1(Rnと同じ)の周波数特性とは異なっているのが、図9〜図13にプロットされたRwとRnの周波数特性図にて分かる。
(Explanation when Rs> Rn ≧ Rw is satisfied)
Next, the difference between when Rs> Rn ≧ Rw is satisfied and when it is not satisfied will be described. As described above, in the single coil, this effective series resistance Rw can be obtained accurately by measurement. However, in the transformer configured as shown in FIG. 6, as shown in FIGS. R1 rises from Rw to Rn in the high frequency region just by facing the side coils. R1 is the effective series resistance of the primary coil, but the frequency characteristic of R1 (same as Rw) in FIG. 5 is different from the frequency characteristic of R1 (same as Rn) in FIG. It can be seen from the frequency characteristic chart of Rw and Rn plotted in FIG.

さらに、RwとRsよりAを求め、Aの平方根を取ることにより、近似的に結合係数krを求めることができるのは上述したとおりである。 Furthermore, as described above, the coupling coefficient kr can be obtained approximately by obtaining A 2 from Rw and Rs and taking the square root of A 2 .

図13にはコイル1Eの、図14にはコイル1Fの、RwとRsより求めた結合係数krがプロットしてある。コイル1Eでは、図13のように、周波数の上昇とともにRn(Ω)が増加する割合が低く、約3.7MHzまで、Rs>Rn≧Rw、を満足している。コイル1Fでは、図14に示すように、周波数の上昇とともにRn(Ω)が急激に増加し、780kHz以上の周波数領域になると、Rs<Rn、となっている。   FIG. 13 plots the coupling coefficient kr obtained from Rw and Rs of the coil 1E and FIG. 14 of the coil 1F. In the coil 1E, as shown in FIG. 13, the rate at which Rn (Ω) increases with increasing frequency is low, and Rs> Rn ≧ Rw is satisfied up to about 3.7 MHz. In the coil 1F, as shown in FIG. 14, Rn (Ω) increases rapidly with increasing frequency, and Rs <Rn when the frequency region is 780 kHz or higher.

RwとRsより近似的に求めた両コイル間の結合係数krと周波数の関係を見ると、コイル1Eは、約2MHzまで、結合係数krがほぼ0.8以上の値を保持しているのに対し、コイル1Fでは、結合係数krは、100kHzのときの0.9程度から、周波数が上昇するに従い低下し、1MHzでは0.65程度まで低下しているのが分かる。したがって、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2は、できる限り高い方が好ましい。   Looking at the relationship between the coupling coefficient kr and the frequency between the two coils obtained approximately from Rw and Rs, the coil 1E has a value of the coupling coefficient kr of approximately 0.8 or more up to about 2 MHz. On the other hand, in the coil 1F, it can be seen that the coupling coefficient kr decreases from about 0.9 at 100 kHz as the frequency increases, and decreases to about 0.65 at 1 MHz. Therefore, the highest frequency f2 that satisfies Rs> Rn ≧ Rw is preferably as high as possible.

Rs>Rn≧Rw、の条件を満足する周波数領域でコイルを使用することにより、図5のコイル単体および図6に示すように構成された変成器、のいずれもが理論上の理想的な特性に近づくので、電力伝送性能を、従来よりも向上させることが可能となる。   By using the coil in the frequency region satisfying the condition of Rs> Rn ≧ Rw, both the coil alone of FIG. 5 and the transformer configured as shown in FIG. 6 are theoretically ideal characteristics. Therefore, the power transmission performance can be improved as compared with the conventional case.

(Rs>Rn≧Rwを満足していない場合の説明)
しかしながら、周波数領域によっては、Rn=Rw、は満足せず、Rn>Rw、となり、Rnの影響を受けるので、図8において、R1とR2の値を正確に求めることはできない。また、R1、R2は、図1に示すRLの値によって変動する。すなわち、R1、R2に流れる電流により、R1、R2は変動し、当然、周波数によっても変動するので、図8において、電力伝送時の、R1、R2の実際の正確な値は求められない。
(Explanation when Rs> Rn ≧ Rw is not satisfied)
However, depending on the frequency domain, Rn = Rw is not satisfied and Rn> Rw, and is affected by Rn. Therefore, the values of R1 and R2 cannot be accurately obtained in FIG. R1 and R2 vary depending on the value of RL shown in FIG. That is, R1 and R2 fluctuate due to currents flowing through R1 and R2, and naturally fluctuate depending on the frequency. Therefore, in FIG. 8, the actual accurate values of R1 and R2 at the time of power transmission cannot be obtained.

なお、本実施形態において、Rs>Rw、Rs>Rn≧Rw、の2つの条件を満足するかの測定には、同一のコイルを対向させた場合を記載している。しかし、図17に示すように、構造、構成、外径などが異なる任意のコイル2個を対向させ、1次側コイル、2次側コイルのいずれかで計測してもよく、同一のコイルを対向させて測定しなくてもよい。   In this embodiment, the measurement of whether two conditions of Rs> Rw and Rs> Rn ≧ Rw are satisfied describes the case where the same coil is opposed. However, as shown in FIG. 17, two arbitrary coils having different structures, configurations, outer diameters, and the like may be opposed to each other, and measurement may be performed using either the primary side coil or the secondary side coil. It is not necessary to measure it facing each other.

また、Rs>Rn≧Rw、の関係に関する詳細な作用効果については、コイル1F、コイル1Gを参照し、後述する。   Further, detailed operational effects regarding the relationship of Rs> Rn ≧ Rw will be described later with reference to the coils 1F and 1G.

(熱抵抗θi(℃/W)、温度Tw(℃)、周囲温度Ta(℃)の説明)
次に、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)、の関係について説明する。上述したように、図8にて、実際に負荷抵抗RLに電力を伝送しているときの、コイルの実効直列抵抗R1、R2の値は不明である上、図7において、回路理論上は、R1>Rw、になる。すなわち、最低限、Rwを基準にする以外、コイルの熱条件を規定することができない。したがって、最低限、Rwを基準にしてコイルの熱条件を規定することが必要となる。
(Description of thermal resistance θi (° C / W), temperature Tw (° C), ambient temperature Ta (° C))
Next, the relationship of Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi) will be described. As described above, in FIG. 8, the values of the effective series resistances R1 and R2 of the coil when the power is actually transmitted to the load resistance RL are unknown, and in FIG. R1> Rw. In other words, the thermal condition of the coil cannot be defined except that Rw is used as a reference at the minimum. Therefore, it is necessary to define the thermal conditions of the coil based on Rw as a minimum.

この発明を実施する場合において、コイルの熱抵抗θi(℃/W)は、コイルの構造や設置条件により決まる。例えば、コイルが空芯単体の場合は、θiは高く、コイルが熱抵抗の小さい樹脂内に固定され、かつ水中に設置されるような場合は、θiは低くなる。コイルが動作可能な温度Tw(℃)は、コイルの構造や用途により決まり、断熱性のよいケース内に組み込まれているか、変圧器のように機器内部に組み込まれている場合などでは、例えば50℃〜80℃、人体、動物などが触れるところに設置されているような場合などでは、例えば40℃程度となる。コイルが設置される場所の周囲温度Ta(℃)は、屋外などでは、例えば−20℃〜40℃、室内などでは、例えば15℃〜30℃、機器内部などでは、例えば40℃〜50℃となる。   In implementing this invention, the thermal resistance θi (° C./W) of the coil is determined by the coil structure and installation conditions. For example, when the coil is a single air core, θi is high, and when the coil is fixed in a resin with low thermal resistance and installed in water, θi is low. The temperature Tw (° C.) at which the coil can operate is determined by the structure and application of the coil, and is 50, for example, in a case where it is incorporated in a case with good heat insulation or in a device such as a transformer. In a case where it is installed at a place where a human body, an animal, or the like touches, for example, about 80 ° C. to 80 ° C., the temperature is about 40 ° C. The ambient temperature Ta (° C.) of the place where the coil is installed is, for example, −20 ° C. to 40 ° C. outdoors, for example, 15 ° C. to 30 ° C. indoors, and 40 ° C. to 50 ° C. Become.

通常、物体は、温度が高くなるほど、周囲に多くの熱を放散するため、正確には熱拡散方程式を解く必要がある。しかし、種々の構造を持つコイルについて、比熱等の熱定数を加味して熱拡散方程式を解くのは困難であるので、下記の方法により簡易的に熱抵抗θi(℃/W)を求める。   Normally, the higher the temperature, the more heat is dissipated to the surroundings, so it is necessary to solve the heat diffusion equation accurately. However, since it is difficult to solve the thermal diffusion equation in consideration of thermal constants such as specific heat for coils having various structures, the thermal resistance θi (° C./W) is simply obtained by the following method.

まず、1次側、または2次側コイルが設置される場所にて、初期状態のコイル温度T1(℃)を求めておく。コイルに、直流の定電流Id(A)を流して、コイルの両端電圧Vd(V)を計測し、Pd=Vd×Id(W)として、コイルの消費電力を求める。金属導線は温度が上がると抵抗値が増加し、コイルの両端電圧Vdが上昇するので、Vdはペンレコーダー等で記録して平均値を求めるか、A/D変換器等で逐次Vdをモニターし、平均値を取るのが望ましい。熱平衡に達したら、コイル温度T2(℃)を測定する。熱抵抗θi(℃/W)は、θi=(T2−T1)/Pd(℃/W)として求められる。この測定は、Idの電流値を変えて数回測定し、平均値として求めるのが好ましい。   First, the coil temperature T1 (° C.) in the initial state is obtained at the place where the primary side or secondary side coil is installed. A DC constant current Id (A) is passed through the coil, the voltage Vd (V) across the coil is measured, and the power consumption of the coil is determined as Pd = Vd × Id (W). When the temperature of the metal conductor rises, the resistance value increases and the voltage Vd across the coil rises. Therefore, Vd is recorded with a pen recorder or the like to obtain an average value, or the Vd is monitored successively with an A / D converter or the like. It is desirable to take an average value. When the thermal equilibrium is reached, the coil temperature T2 (° C.) is measured. The thermal resistance θi (° C./W) is obtained as θi = (T2−T1) / Pd (° C./W). This measurement is preferably performed as an average value by measuring several times while changing the current value of Id.

このようにして求められた熱抵抗θi(℃/W)に、実際の使用条件下でのコイルの実効直列抵抗Rw(Ω)とコイルに流れる電流Ia(A)により決まる、実効直列抵抗Rw(Ω)が消費する電力、Rw×Ia(W)を掛けると、実際の使用条件下でのコイルの温度上昇値、Tr(℃)が求められる。Tr=θi×Rw×Ia(℃)となり、コイルが動作可能な温度をTw(℃)、コイルが設置される場所の周囲温度をTa(℃)とすると、Tr=Tw−Taとなり、不等式、(Tw−Ta)≧θi×Rw×Ia(℃)を満足しないと、コイルの使用可能温度を越えるので、本発明の実施が困難になる。 The thus obtained thermal resistance θi (° C./W) is determined by an effective series resistance Rw (determined by an effective series resistance Rw (Ω) of the coil under actual use conditions and a current Ia (A) flowing through the coil. When the power consumed by Ω), Rw × Ia 2 (W), is multiplied, the temperature rise value of the coil under actual use conditions, Tr (° C.), is obtained. Tr = θi × Rw × Ia 2 (° C.) If the temperature at which the coil can be operated is Tw (° C.) and the ambient temperature of the place where the coil is installed is Ta (° C.), Tr = Tw−Ta. If (Tw−Ta) ≧ θi × Rw × Ia 2 (° C.) is not satisfied, the usable temperature of the coil will be exceeded, making it difficult to implement the present invention.

実効直列抵抗Rw(Ω)に関する条件、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)は、前記不等式を変形し、Rw(Ω)またはIa(A)の条件を規定している。電力が伝送される周波数において、実効直列抵抗Rw(Ω)は、1次側または2次側コイル単体で実測して求められる変数、1次側または2次側コイルに流れる電流Ia(A)も実測して求められるか、1次側においては電源条件により決まり、2次側においては負荷条件により決まる変数で、他の、Tw(℃)、Ta(℃)、θi(℃/W)は既知の定数となる。したがって、Rw(Ω)が求められれば、Ia(A)の上限値が規定され、逆にIa(A)が決められれば、Rw(Ω)の上限値が規定される。 The condition relating to the effective series resistance Rw (Ω), Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi), transforms the inequality and defines the condition of Rw (Ω) or Ia (A). At the frequency at which power is transmitted, the effective series resistance Rw (Ω) is a variable obtained by actually measuring the primary side or secondary side coil alone, and the current Ia (A) flowing through the primary side or secondary side coil is also calculated. It is obtained by actual measurement or is determined by the power supply condition on the primary side and is determined by the load condition on the secondary side, and other Tw (° C), Ta (° C), and θi (° C / W) are known. Constant. Therefore, if Rw (Ω) is obtained, the upper limit value of Ia (A) is defined. Conversely, if Ia (A) is determined, the upper limit value of Rw (Ω) is defined.

Rw(Ω)は、直流抵抗Rd(Ω)と交流抵抗Ra(Ω)の和であり、RdとRwは直接実測することが可能なので、Ia(A)を決定することにより、巻き数により増加する、RdとRaの和である実効直列抵抗Rw(Ω)の上限値を規定でき、実効直列抵抗Rw(Ω)と周波数の関係から、電力が伝送可能な周波数範囲を規定することができる。   Rw (Ω) is the sum of DC resistance Rd (Ω) and AC resistance Ra (Ω), and Rd and Rw can be directly measured, so by determining Ia (A), it increases with the number of turns. The upper limit value of the effective series resistance Rw (Ω), which is the sum of Rd and Ra, can be defined, and the frequency range in which power can be transmitted can be defined from the relationship between the effective series resistance Rw (Ω) and the frequency.

1V×10Aと、10V×1Aは、どちらも同じ10Wの電力であるが、コイルの実効直列抵抗による電力損失は、10Aの場合には、1Aの場合の100倍となる。電力ではなく、1次側、2次側を問わず、コイルに流れる電流Ia(A)を考慮し、コイルの実効直列抵抗による電力損失を規定しないと、2個のコイル間での電力伝送性能を改善することはできない。   Both 1V × 10A and 10V × 1A have the same power of 10 W, but the power loss due to the effective series resistance of the coil is 100 times that of 1A in the case of 10A. Power transmission performance between two coils if the power loss due to the effective series resistance of the coil is not specified considering the current Ia (A) flowing through the coil, regardless of the primary side or the secondary side. Cannot be improved.

(Rs>Rn≧Rw、の関係についての説明)
ここで、コイル1F、コイル1Gを参照し、Rs>Rn≧Rw、の関係に関する詳細な作用効果について説明する。リッツ線は、リッツ線を構成する各素線の自己インダクタンスを並列に接続し、各素線の間に相互インダクタンスを有する、図18のような等価回路を持つものと考えられる。リッツ線を平板単層渦巻き状に空隙を設けて巻いても、コイル単体の実効直列抵抗Rw(Ω)の周波数特性は余り改善されず、逆にコイル単体の自己インダクタンスが低下するところから、リッツ線は、各ホルマル線間、および導線間の相互インダクタンスにより、コイルとして形成したときの自己インダクタンスが変化するものと考えられる。すなわち、撚り方や撚りのピッチ、巻き方(密接巻き、疎巻き、多層巻き)、ターン数、外形などにより、コイルとして形成したときの特性が変わってくる。
(Explanation of the relationship of Rs> Rn ≧ Rw)
Here, with reference to the coil 1F and the coil 1G, the detailed effect regarding the relationship of Rs>Rn> = Rw is demonstrated. The Litz wire is considered to have an equivalent circuit as shown in FIG. 18 in which the self-inductances of the respective strands constituting the Litz wire are connected in parallel and the mutual inductance is provided between the respective strands. Even if a litz wire is wound with a flat single-layer spiral, the frequency characteristics of the effective series resistance Rw (Ω) of the coil itself will not be improved, and the self-inductance of the coil itself will decrease. It is considered that the self-inductance when the wire is formed as a coil changes due to the mutual inductance between the formal wires and between the conducting wires. That is, the characteristics when formed as a coil vary depending on the twisting method, twisting pitch, winding method (close winding, loose winding, multilayer winding), number of turns, outer shape, and the like.

図14に示したコイル1Fと、図15に示したコイル1Gに使われている導線は、どちらも同じ、導体外径が0.05mm、絶縁被覆の厚さが5μm、導線外径が0.06mmのホルマル線を75本束ねたリッツ線で、コイル1Fは外形70mmに30回ターン密接巻きされ、コイル1Gは外形50mmに20回密接巻きされている。   The coil 1F shown in FIG. 14 and the conductor used in the coil 1G shown in FIG. 15 are the same, the conductor outer diameter is 0.05 mm, the insulation coating thickness is 5 μm, and the conductor outer diameter is 0.1 mm. A coil 1F is tightly wound 30 turns around an outer shape 70 mm, and the coil 1G is tightly wound 20 times around an outer diameter 50 mm.

コイル1Fと、コイル1Gの、Rw、Rn、Rsの周波数特性を、図14、図15で比較すると、コイル1Fでは、Rs<Rn、となる周波数領域が、780kHz以上に存在するが、コイル1Gでは、約2.1MHzまで、Rs>Rn≧Rw、の条件を満足している。この原因が、撚り方や、撚りのピッチに関係しているのか、あるいはターン数や外径、巻き方に関係するものなのかは断定できない。しかし、少なくともコイルのRw、Rn、Rsの周波数特性を測定すれば、該コイルが電力伝送装置用に適しているかどうかの判断ができる。その具体的な方法を以下に述べる。   When the frequency characteristics of Rw, Rn, and Rs of the coil 1F and the coil 1G are compared in FIG. 14 and FIG. 15, the frequency region in which Rs <Rn exists in the coil 1F exists at 780 kHz or more. Then, the condition of Rs> Rn ≧ Rw is satisfied up to about 2.1 MHz. It cannot be determined whether this cause is related to the twisting method, the twisting pitch, or the number of turns, the outer diameter, and the winding method. However, if at least the frequency characteristics of Rw, Rn, and Rs of the coil are measured, it can be determined whether or not the coil is suitable for the power transmission device. The specific method is described below.

(インダクタンスと結合計数の説明)
表1は、5.0kHzから1.0MHzの各周波数における、コイル1B、コイル1F、コイル1Gの、単体インダクタンスLw(μH)と、短絡した同一のコイルが距離ゼロで対向したときの、インダクタンスLs(μH)の値、および下記に示す計算法により近似的に求めた結合係数kiを記載したものである。この表の各kiが、図10、図14、図15にプロットされたkiである。
(Description of inductance and coupling factor)
Table 1 shows the inductance Ls when the single inductance Lw (μH) of the coil 1B, the coil 1F, and the coil 1G and the same short-circuited coil face each other at a distance of zero at frequencies of 5.0 kHz to 1.0 MHz. The value of (μH) and the coupling coefficient ki approximately obtained by the calculation method shown below are described. Each ki in this table is a ki plotted in FIG. 10, FIG. 14, and FIG.

Figure 2009124878
Figure 2009124878

まず、コイルのインダクタンス変化から結合係数kiを近似的に求める方法を説明する。上述のように、図5のときのコイルの自己インダクタンスをLw(H)、図6のときの1次側コイルのインダクタンスをLn(H)、とすると、図5,図6において、L1=Lw=Ln(H)、の関係が成り立つ。また、図7のように、1次側コイルに対向している2次側コイルが短絡されているときの1次側のインダクタンスをLs(H)、とすると、Ls=(L1−AL2)H、の関係が成り立つ。実効直列抵抗Rw(Ω)やRn(Ω)とは異なり、実測上も、L1=Lw=Ln(H)、となっている。L1、L2、A、については、前述したとおりである。 First, a method for approximately obtaining the coupling coefficient ki from the coil inductance change will be described. As described above, when the self-inductance of the coil in FIG. 5 is Lw (H) and the inductance of the primary coil in FIG. 6 is Ln (H), L1 = Lw in FIGS. = Ln (H). Further, as shown in FIG. 7, when the primary side inductance when the secondary side coil facing the primary side coil is short-circuited is Ls (H), Ls = (L1−A 2 L2 ) The relationship of H holds. Unlike the effective series resistances Rw (Ω) and Rn (Ω), L1 = Lw = Ln (H) in actual measurement. L1, L2, and A 2 are as described above.

1次側と2次側に同一のコイルを使った場合は、L1=L2=Lw、R1=R2=Rwなので、Ls=(Lw−ALw)の関係が成り立つ。前述したが、10kHz〜30kHz以上では、ωL2/R2=ωLw/Rw、の値が50以上なので、A≒ki、とみなせる。したがって、ki=(Lw−Ls)/Lw、ki=√((Lw−Ls)/Lw)として近似的に結合係数kiが求められる。前述したとおり、このようにして、インダクタンスの変化、Lw、Ls、より求めた結合係数をkiと表記している。図14と図15にプロットされたkrとkiを比較すると、図15においては、krとkiが、ほぼ一致しているのが分かる。 When the same coil is used for the primary side and the secondary side, since L1 = L2 = Lw and R1 = R2 = Rw, the relationship of Ls = (Lw−A 2 Lw) is established. As described above, since the value of ω 2 L2 2 / R2 2 = ω 2 Lw 2 / Rw 2 is 50 or more at 10 kHz to 30 kHz or more, it can be regarded that A 2 ≈ki 2 . Therefore, the coupling coefficient ki is approximately obtained as ki 2 = (Lw−Ls) / Lw and ki = √ ((Lw−Ls) / Lw). As described above, the coupling coefficient obtained from the inductance change, Lw, and Ls in this way is expressed as ki. Comparing kr and ki plotted in FIG. 14 and FIG. 15, it can be seen that kr and ki are almost the same in FIG.

しかし、図14においては、krとkiの一致は見られない。さらに、コイル1Bにおいて、図10にkrとkiがプロットしてあるが、図10において、Rn>Rsとなる周波数を境に、krが急激に減少しているのが分かる。実際に、図15に示すコイル1Gを2個使用した場合は、2.1MHzまで、Rs>Rn≧Rw、を満足しており、10MHz以上まで、Rs>Rwを満足しているので、高い周波数、高い力率、高い実効電力効率で電力を伝送でき、電力伝送性能が非常によい。   However, in FIG. 14, kr and ki do not match. Furthermore, in the coil 1B, kr and ki are plotted in FIG. 10, but in FIG. 10, it can be seen that kr sharply decreases at a frequency where Rn> Rs. Actually, when two coils 1G shown in FIG. 15 are used, Rs> Rn ≧ Rw is satisfied up to 2.1 MHz, and Rs> Rw is satisfied up to 10 MHz or higher. It can transmit power with high power factor and high effective power efficiency, and power transmission performance is very good.

すなわち、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2(Hz)が高く、高い周波数で、Rn/Rw、の値が1に近いほど、コイルの性能はよく、周波数の上昇によるRw(Ω)の増加も少ない。このように、周波数と、Rw、Rn、Rsの関係を見ることにより、あるいは、RwとRsより求めた結合係数krの周波数特性と、LwとLsより求めた結合係数kiの周波数特性を比較することにより、コイル単体の実効直列抵抗の周波数特性だけでは判断できない、コイルを対向させた電力伝送手段である変成器としての性能を予測することが可能となる。   That is, the higher the maximum frequency f2 (Hz) that satisfies Rs> Rn ≧ Rw, and the higher the frequency, the closer the value of Rn / Rw is to 1, the better the coil performance, and the higher the frequency, Rw (Ω) There is little increase. As described above, the frequency characteristic of the coupling coefficient kr obtained from Rw and Rs is compared with the frequency characteristic of the coupling coefficient ki obtained from Lw and Ls by observing the relationship between the frequency and Rw, Rn, and Rs. As a result, it is possible to predict the performance as a transformer, which is a power transmission means with the coils facing each other, which cannot be determined only by the frequency characteristics of the effective series resistance of the single coil.

したがって、コイルを構成するリッツ線の適切な撚り方や撚りピッチ、巻き方は、複数のコイルを形成して、コイルのRw、Rn、Rsの周波数特性を測定し、好ましくはLw,Lsの周波数特性も測定して、krとkiの周波数特性を比較すれば、最適なコイルを見つけることが可能になる。この手法は、リッツ線に限らず、単銅線、ビニール線、その他後述する他の実施形態の電線にも適用でき、電力伝送に適したコイルを選ぶことができる。すなわち、線材、線径、寸法、形状、巻き方などを変えることにより、コイル単体の実効直列抵抗の周波数特性だけでは判断できない、コイルを対向させた電力伝送手段である変成器としての性能を判断することが可能となり、従来の技術では実現できなかった電力伝送性能の良いコイルが提供できる。   Therefore, the proper twisting method, twisting pitch, and winding method of the Litz wire constituting the coil are to form a plurality of coils and measure the frequency characteristics of the coils Rw, Rn, Rs, and preferably the frequency of Lw, Ls By measuring the characteristics and comparing the frequency characteristics of kr and ki, it is possible to find the optimum coil. This technique is applicable not only to litz wires but also to copper wires, vinyl wires, and other electric wires of other embodiments described later, and a coil suitable for power transmission can be selected. In other words, by changing the wire material, wire diameter, dimensions, shape, winding method, etc., it is possible to determine the performance as a transformer that is a power transmission means facing the coil, which cannot be determined only by the frequency characteristics of the effective series resistance of the coil alone. Therefore, it is possible to provide a coil with good power transmission performance that could not be realized by the conventional technology.

例えば、1mmの単導線を用い、空隙を設けて巻いたコイル1Eは、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2が、3.7MHzであり、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1が、7.7MHzなので、コイル1Gに比べ、Rs>Rn≧Rw、の規定に関しては余り差がない。しかし、4MHzにおける、コイル1E単体のRwは、0.87Ω、コイル1G単体のRwは、約2Ω、10MHzにおける、コイル1E単体のRwは、2.9Ω、コイル1G単体のRwは、17Ω、となっており、コイル1Eは、コイル1Gよりもコイル単体の実効直列抵抗Rw(Ω)の高周波特性がよくなっている。   For example, a coil 1E wound with a 1 mm single conductor and provided with a gap has a maximum frequency f2 satisfying Rs> Rn ≧ Rw of 3.7 MHz and a maximum frequency f1 satisfying Rs> Rw. , 7.7 MHz, there is not much difference in the definition of Rs> Rn ≧ Rw compared to the coil 1G. However, the Rw of the coil 1E alone at 4 MHz is 0.87Ω, the Rw of the coil 1G alone is about 2Ω, the Rw of the coil 1E alone at 2.9MHz is 2.9Ω, and the Rw of the coil 1G alone is 17Ω. Thus, the coil 1E has better high-frequency characteristics of the effective series resistance Rw (Ω) of the coil alone than the coil 1G.

そのため、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)、の規定により、単導線にて形成したコイル1Eは、リッツ線にて形成したコイル1Gよりも高い周波数で使用可能となる。このように、本発明の実施形態は、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2(Hz)、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)、の各規定により、従来の技術では実現できないコイルを実現したうえで、該コイルを使用するのに最適な周波数領域を規定することにより、従来の技術に比べ、電力伝送性能のよい電力伝送装置が実現できるという、優れた効果を奏するものである。 Therefore, according to the definition of Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi), the coil 1E formed with a single conductor can be used at a higher frequency than the coil 1G formed with a litz wire. Thus, in the embodiment of the present invention, the highest frequency f1 (Hz) satisfying Rs> Rw, the highest frequency f2 (Hz) satisfying Rs> Rn ≧ Rw, and Rw ≦ (Tw−Ta) / ( Ia 2 × θi), by realizing a coil that cannot be realized by the conventional technology, and by specifying an optimum frequency region for using the coil, power transmission performance compared to the conventional technology The present invention has an excellent effect that a good power transmission device can be realized.

前述の引用文献を含む従来技術では、コイルの特定的な構成を規定しているのみである。そして、特定的構成の一実施例のみを示すことにより、着目する特性、例えば、電力伝送性能が改善できていることを主張している。しかし、上述してきたように、外径や内径を同一にしても、線径、ターン数によりコイルの特性は全く異なってくる。また、全く同一の導線を用いても、構成(外径、ターン数等)が異なると、コイルの特性が異なってくる。すなわち、線材や巻き方などの特定的構成を規定しても、実際に作成されるコイルは種々の構成を持ち、それらが同じ効果を奏することは、何ら保証されていない。   In the prior art including the above cited reference, only a specific configuration of the coil is defined. Then, by showing only one embodiment of a specific configuration, it is claimed that the characteristics of interest, for example, power transmission performance can be improved. However, as described above, even if the outer diameter and inner diameter are the same, the coil characteristics are completely different depending on the wire diameter and the number of turns. Even if the same conducting wire is used, if the configuration (outer diameter, number of turns, etc.) is different, the coil characteristics will be different. That is, even if a specific configuration such as a wire rod and a winding method is defined, coils actually produced have various configurations, and it is not guaranteed at all that they have the same effect.

したがって、コイルの特定的構成を規定するのみでは、電力伝送装置のコイルとしての要件を充足するコイルを実現するのは不可能である。現に、従来例に記載されているような、実効電力伝送効率80%で、20Wの電力を伝送可能な電力伝送装置は、今日に至るも実施はされていない。   Therefore, it is impossible to realize a coil that satisfies the requirements as a coil of the power transmission device only by defining a specific configuration of the coil. Actually, a power transmission apparatus capable of transmitting 20 W of power with an effective power transmission efficiency of 80% as described in the prior art has not been implemented to date.

本願のように、コイルの特定的構成以外の構成が変化したときの特性変化までも明確化し、コイルの作動条件を規定しない限り、電力伝送性能のよいコイル、および電力伝送性能のよい電力伝送装置は実現できない。その一方で、本発明の実施形態は、誘導結合可能な種々の構成を持つコイルにおいて、各コイルの作動条件を規定することにより、電力伝送性能のよい電力伝送装置が実現できる。このように、本発明の実施形態は、従来の技術では実現することが不可能であった極めて優れた効果を奏するものである。   As in the present application, a coil having good power transmission performance and a power transmission device having good power transmission performance are defined as long as the characteristics change when the configuration other than the specific configuration of the coil is changed, and the operating conditions of the coil are not defined. Cannot be realized. On the other hand, the embodiment of the present invention can realize a power transmission device with good power transmission performance by defining operating conditions of each coil in coils having various configurations capable of inductive coupling. As described above, the embodiment of the present invention exhibits extremely excellent effects that could not be realized by the conventional technology.

(コイルの力率の説明)
本発明の各実施形態では、磁性材料を装備していないコイルにより、結合係数が0.9程度以下の疎結合状態にて、2個のコイル間で、従来では困難であった大電力を伝送できるコイルを実現するものである。既述したように、力率は0.5以上ではあるが、疎結合状態では、1次側コイルに投入される無効電力が、実効電力を上回る場合もある。
(Explanation of coil power factor)
In each embodiment of the present invention, a coil that is not equipped with a magnetic material transmits a large amount of power, which was conventionally difficult, between two coils in a loosely coupled state with a coupling coefficient of about 0.9 or less. The coil which can be realized is realized. As described above, although the power factor is 0.5 or more, the reactive power input to the primary coil may exceed the effective power in the loosely coupled state.

力率が1から0.5に低下すると、皮相電力により1次側コイルに流れる電流は、√2倍になり、1次側コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)による電力損失は2倍になる。そのうえ、2次側コイルに接続された負荷抵抗に電流が流れると、2次側コイルに流れる電流により発生する磁束が1次側コイルを形成する導線を貫き、渦電流損を発生させ、1次側コイルが発熱する。したがって、前述の不等式、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)は、本発明の実施形態を実施するのに満足するのが好ましく、満足していないと、本発明の実施が困難になる。 When the power factor decreases from 1 to 0.5, the current flowing in the primary coil due to the apparent power is doubled, and the power loss due to the effective series resistance Rw (Ω) of the primary coil is doubled. . In addition, when a current flows through the load resistance connected to the secondary coil, the magnetic flux generated by the current flowing through the secondary coil passes through the conducting wire forming the primary coil, generating eddy current loss and causing the primary The side coil generates heat. Therefore, the above inequality, Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi), is preferably satisfied to implement the embodiment of the present invention, otherwise the implementation of the present invention is difficult. become.

なお、一方のコイルが駆動される周波数fd(Hz)において、Rs>Rn≧Rw、を満足している場合、図117に示す、電源の内部抵抗R3の値が、Rw(Ω)と同等以下の値であれば、負荷抵抗RLから見た2次側コイルは、1次側が短絡されていると見なせるので、R2(Ω)は、Rs(Ω)とほぼ同等の値になる。したがって、2次側コイルにおいては、電力を受電する周波数fj(Hz)において、
Rs≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)、の関係を満足していれば、さらに好ましい。また、図117において、R1の値は不明ではあるが、1次側コイルにおいても、
Rs≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)、の関係を満足していれば、より好ましい。
If the frequency fd (Hz) at which one coil is driven satisfies Rs> Rn ≧ Rw, the value of the internal resistance R3 of the power source shown in FIG. 117 is equal to or less than Rw (Ω). Since the secondary side coil viewed from the load resistance RL can be regarded as the primary side being short-circuited, R2 (Ω) is substantially equal to Rs (Ω). Therefore, in the secondary side coil, at the frequency fj (Hz) for receiving power,
It is more preferable if the relationship of Rs ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi) is satisfied. In addition, in FIG. 117, the value of R1 is unknown, but also in the primary side coil,
It is more preferable if the relationship of Rs ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi) is satisfied.

ただし、一般の変成器において、鎖交磁束Φc、漏洩磁束Φgと、結合係数kの関係は、k=Φc/(Φc+Φg)、1−k=Φg/(Φc+Φg)となっており、既知のとおり、鎖交磁束Φcが実効電力を伝達している。漏洩磁束Φgは、既知のとおり、リアクタンス性素子に印加されている電圧Vと、流れている電流Iの積である無効電力をもたらすものである。 However, in a general transformer, the relationship between the flux linkage Φc, the leakage flux Φg, and the coupling coefficient k is k 2 = Φc / (Φc + Φg), 1-k 2 = Φg / (Φc + Φg), which is known. As shown, the flux linkage Φc transmits effective power. As is known, the leakage magnetic flux Φg provides reactive power that is the product of the voltage V applied to the reactive element and the flowing current I.

コイルにおいては、Iの位相はVの位相よりも90度遅れているため、Vの瞬間値とIの瞬間値を掛けて、1周期積分すれば電力はゼロになるので、リアクタンス性素子であるコイルは電力を消費しない。この分野においては、漏洩磁束がエネルギー損失を起こすと明記し、鎖交磁束比率を上げるためにコイル形状を規定している文献が多数見られるが、上記したように、漏洩磁束は電力を消費しない。   In the coil, since the phase of I is 90 degrees behind the phase of V, multiplying the instantaneous value of V by the instantaneous value of I and integrating for one period makes the power zero, so that it is a reactive element. The coil does not consume power. In this field, there are many documents that specify that the magnetic flux leakage causes energy loss and specify the coil shape to increase the flux linkage ratio, but as mentioned above, the magnetic flux leakage does not consume power. .

したがって、仮に実効直列抵抗Rw(Ω)が無視できるほど小さければ、漏洩磁束の比率には関係なく、大電力を伝送できる。しかしながら、特許文献1に開示されているような構成のコイルでは、実効直列抵抗Rw(Ω)は小さいものの、コイルの自己インダクタンスや結合係数が小さいので、力率が著しく小さい。このため、大きな皮相電力を1次コイルに供給しなければならなくなるので、電力伝送に適したコイルを実現するには、コイルの構成を定め、全てのパラメータを適切に設定し、なおかつ実効直列抵抗Rw(Ω)を可能な限り小さくしなければならない。   Therefore, if the effective series resistance Rw (Ω) is small enough to be ignored, large power can be transmitted regardless of the ratio of leakage magnetic flux. However, although the effective series resistance Rw (Ω) is small in the coil having the configuration disclosed in Patent Document 1, the power factor is remarkably small because the self-inductance and coupling coefficient of the coil are small. For this reason, a large apparent power must be supplied to the primary coil. To realize a coil suitable for power transmission, the coil configuration is determined, all parameters are set appropriately, and the effective series resistance is set. Rw (Ω) must be made as small as possible.

(電力伝送に使用可能な周波数の説明)
なお、本発明の実施形態のコイルを電力伝送に使用可能な周波数の上限は、Rs>Rw、を満足する最高周波数であるf1(Hz)、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数であるf2(Hz)、の規定により求めることができるが、コイルを電力伝送に使用可能な周波数の下限は、コイル単体に印加される電圧Vと、コイル単体に流れる電流Iの位相差を、80度以上と規定することにより求められる。
(Description of frequencies that can be used for power transmission)
The upper limit of the frequency at which the coil of the embodiment of the present invention can be used for power transmission is the highest frequency that satisfies fs (Hz) that satisfies Rs> Rw and Rs> Rn ≧ Rw. The lower limit of the frequency at which the coil can be used for power transmission can be determined by the regulation of f2 (Hz). The phase difference between the voltage V applied to the coil alone and the current I flowing through the coil alone is 80 degrees. It is obtained by defining the above.

なお、図示しないが、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)が低いコイル1Bでは、5kHz未満まで、VとIの位相差が80度以上になっているが、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1が10MHzを超えるコイル1Gでは、20kHz未満になると、VとIの位相差が80度以下となっている。   Although not shown, in the coil 1B having a low maximum frequency f1 (Hz) that satisfies Rs> Rw, the phase difference between V and I is 80 degrees or more up to less than 5 kHz, but Rs> Rw In the coil 1G having a maximum frequency f1 that satisfies 10 MHz exceeding 10 MHz, the phase difference between V and I is 80 degrees or less when it is less than 20 kHz.

前述したように、図10を参照すると、コイル1Bが、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1は、約210kHz、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2は、約75kHzである。Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)、の規定によるコイル1Bを使用可能な周波数領域は5〜210kHz、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2(Hz)、の規定によるコイル1Bを使用可能な周波数領域は5〜75kHzとなる。このようにして、本発明の実施形態におけるコイルを、理論上の理想的な特性に近い周波数領域で使用することが可能となる。図11には、コイル1Cの位相角θがプロットしてある。コイル1Bのf1(Hz)よりも、f1(Hz)が高いコイル1Cでは、位相角θが80度となる周波数は、約8kHzとなっており、5kHzより若干高い。   As described above, referring to FIG. 10, the highest frequency f1 at which the coil 1B satisfies Rs> Rw is about 210 kHz, and the maximum frequency f2 at which Rs> Rn ≧ Rw is about 75 kHz. The frequency range in which the coil 1B according to the definition of the maximum frequency f1 (Hz) satisfying Rs> Rw can be used is 5 to 210 kHz, and the coil according to the specification of the maximum frequency f2 (Hz) satisfying Rs> Rn ≧ Rw. The frequency region where 1B can be used is 5 to 75 kHz. In this manner, the coil according to the embodiment of the present invention can be used in a frequency region that is close to a theoretical ideal characteristic. In FIG. 11, the phase angle θ of the coil 1C is plotted. In the coil 1C having a higher f1 (Hz) than the f1 (Hz) of the coil 1B, the frequency at which the phase angle θ is 80 degrees is about 8 kHz, which is slightly higher than 5 kHz.

上述のごとく、この実施形態によれば、コイル1aの導線11の線径とコイル外径とターン数とを規定することで、必要な自己インダクタンスと結合係数kを確保できる。また、コイル1aの電流値Iaの上限、あるいはコイル1aの実効直列抵抗Rw(Ω)を決めるターン数の上限を規定でき、負荷抵抗を接続したときのリアクタンスXと純抵抗Rの比、X/R、およびコイルに印加される交流電圧とコイルに流れる交流電流の位相差φが極小、力率cosφが極大となり、かつ実効直列抵抗Rw(Ω)が小さい周波数近辺でコイル1aを使用することにより、電力伝送時の無効電力、皮相電力を低減することができる。さらに、実効電力効率を、例えば85%以上に高めることができる。   As described above, according to this embodiment, the necessary self-inductance and coupling coefficient k can be ensured by defining the wire diameter of the conducting wire 11 of the coil 1a, the outer diameter of the coil, and the number of turns. In addition, the upper limit of the current value Ia of the coil 1a or the upper limit of the number of turns that determines the effective series resistance Rw (Ω) of the coil 1a can be defined, and the ratio of the reactance X to the pure resistance R when a load resistance is connected, X / By using the coil 1a in the vicinity of the frequency where R and the phase difference φ between the AC voltage applied to the coil and the AC current flowing through the coil are minimum, the power factor cos φ is maximum, and the effective series resistance Rw (Ω) is small. Reactive power and apparent power during power transmission can be reduced. Furthermore, the effective power efficiency can be increased to, for example, 85% or more.

(コイル1Aと、1Eの周波数特性の比較の説明)
図19は、図9に示した密接巻のコイル1A単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、図13に示した疎巻のコイル1E単体のコイル実効直列抵抗Rw(Ω)の周波数特性を比較した図である。図19に示すように、周波数が上昇したときに、疎巻のコイル1Eの方が密接巻のコイル1Aに比べて、コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)の増加を抑えることができる。また、同一外径のコイルでは、巻線の総延長が短くなるので、直流抵抗を低く抑えることができる。
(Description of comparison of frequency characteristics of coils 1A and 1E)
19 compares the frequency characteristics of the effective series resistance Rw (Ω) of the closely wound coil 1A shown in FIG. 9 and the effective series resistance Rw (Ω) of the loosely wound coil 1E shown in FIG. FIG. As shown in FIG. 19, when the frequency is increased, the loosely wound coil 1E can suppress an increase in the effective series resistance Rw (Ω) of the coil compared to the closely wound coil 1A. Further, in the case of a coil having the same outer diameter, the total extension of the winding is shortened, so that the direct current resistance can be kept low.

(空隙の幅により実効直列抵抗の周波数特性が変化する例の説明)
図20は、0.4mmのホルマル線を25ターン巻いた場合、空隙の幅により、コイルの実効直列抵抗の周波数特性が、どのように変化するかを示す図である。空隙の幅は、0mm、0.2mm、0.4mmに設けてあるが、広い空隙の方が、周波数の上昇に伴う実効直列抵抗の増加が抑制できるのが分かる。なお、ターン数を同一としているので、空隙の幅が広くなるほどコイル外径は大きくなっており、コイルを構成する銅線の総延長が長くなっているので、低い周波数では、空隙を設けない方が、実効直列抵抗は低くなっている。
(Description of an example in which the frequency characteristics of the effective series resistance change depending on the width of the air gap)
FIG. 20 is a diagram showing how the frequency characteristic of the effective series resistance of the coil changes depending on the width of the gap when a 0.4 mm formal wire is wound for 25 turns. The width of the gap is set to 0 mm, 0.2 mm, and 0.4 mm, but it can be seen that a wider gap can suppress an increase in effective series resistance with an increase in frequency. Since the number of turns is the same, the outer diameter of the coil increases as the width of the gap increases, and the total length of the copper wire that constitutes the coil increases. However, the effective series resistance is low.

ただし、渦電流損は、磁束が貫く導体体積に比例するので、単導線の最大径が0.2mm以上でないと、導線間に空隙t(mm)を設けても、周波数の上昇によるコイル単体の実効直列抵抗Rwの増加率はそれほど低下しない。図15の、線径0.2mmの単導線を密接巻きしたコイル単体の周波数と実効直列抵抗Rwの関係から見ても、線径0.2mmでは、周波数の上昇による実効直列抵抗の増加率は少なく、線径0.2mmの単導線では、空隙を設けても、実効直列抵抗Rwの周波数特性は余り改善できないのが分かる。   However, since the eddy current loss is proportional to the volume of the conductor through which the magnetic flux penetrates, if the maximum diameter of the single conductor is not 0.2 mm or more, even if the gap t (mm) is provided between the conductors, The increase rate of the effective series resistance Rw does not decrease so much. In view of the relationship between the frequency of a single coil in which a single conducting wire having a wire diameter of 0.2 mm is closely wound and the effective series resistance Rw in FIG. 15, the increase rate of the effective series resistance due to the increase in the frequency is 0.2 mm. It can be seen that the frequency characteristic of the effective series resistance Rw cannot be improved much even with a single conductor having a wire diameter of 0.2 mm, even if a gap is provided.

図12に示すコイル1Dの自己インダクタンスは、約19μHとなっている。コイル1Dを2層に巻いたコイルの自己インダクタンスは、約76μHとなっており、自己インダクタンスがターン数の2乗に比例するという理論とほぼ同等の結果が得られている。2層に巻いたコイルの実効直列抵抗の周波数特性は単層巻に比べ悪くなっており、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)も低い。しかし、実効直列抵抗が低い低周波数領域においては、リアクタンスを確保できるので、2層巻とし、低周波数で使用する方が有利な場合もある。   The self-inductance of the coil 1D shown in FIG. 12 is about 19 μH. The self-inductance of the coil in which the coil 1D is wound in two layers is about 76 μH, and a result almost equivalent to the theory that the self-inductance is proportional to the square of the number of turns is obtained. The frequency characteristic of the effective series resistance of the coil wound in two layers is worse than that in the single layer winding, and the maximum frequency f1 (Hz) that satisfies Rs> Rw is also low. However, in a low frequency region where the effective series resistance is low, reactance can be ensured, so it may be advantageous to use a two-layer winding and use at a low frequency.

なお、コイル1Dを2層に巻いたコイルを一方のコイルおよび他方のコイルに用いる。コイル1Dを2層に巻いたコイルが、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1は、550kHzであり、コイル1Dを2層に巻いたコイルは、インダクタンスが高いので、250kHz未満の周波数で使用しても、所要のリアクタンスを確保できる。   A coil in which the coil 1D is wound in two layers is used for one coil and the other coil. The maximum frequency f1 in which the coil 1D is wound in two layers satisfies Rs> Rw is 550 kHz, and the coil in which the coil 1D is wound in two layers has a high inductance. However, the required reactance can be secured.

図16において、線径0.2mmの単導線を密接巻きしたときの、5kHzでの実効直列抵抗Rwは、0.83Ωになっている。1MHzでの実効直列抵抗は、2.16Ωとなっており、実効直列抵抗Rwの増加率は、2.16/0.83=2.60で、前述した線径1mmの単導線を、空隙を設けて巻いたコイル1Eの増加率、7.6よりも小さくなっている。ただし、線径0.2mmのコイルでは、Rw(Ω)の絶対値が大きくなり、熱抵抗θi(℃/W)が小さくなるので、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)の関係を満足するように、伝送する電力値に適合する導線径を選択しないとならない。 In FIG. 16, the effective series resistance Rw at 5 kHz when a single conducting wire having a wire diameter of 0.2 mm is closely wound is 0.83Ω. The effective series resistance at 1 MHz is 2.16Ω, and the increase rate of the effective series resistance Rw is 2.16 / 0.83 = 2.60. The increase rate of the coil 1E provided and wound is smaller than 7.6. However, in a coil having a wire diameter of 0.2 mm, the absolute value of Rw (Ω) increases and the thermal resistance θi (° C./W) decreases, so that Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi) In order to satisfy the relationship, it is necessary to select a wire diameter suitable for the power value to be transmitted.

(コイルのターン数と、インダクタンスの説明)
次に、コイルのターン数8回、インダクタンスの最低値2μHにつき説明しておく。従来例のコイルは5回のターン数で、1MHzにおける、コイルのLwは、0.79μH、Lsは、0.45μH、Lw、Lsから近似的に計算した結合係数kiは、0.66となっており、電力伝送性能も著しく悪い。前記コイルと同じ導線を使って同形状に8回巻回したコイルは、Lwが、約2.1μH、Lsが、約0.7μH、近似的に計算した結合係数kiは、約0.83となっている。
(Explanation of coil turns and inductance)
Next, a description will be given of a coil having 8 turns and a minimum inductance value of 2 μH. The coil of the conventional example has 5 turns, and at 1 MHz, the coil Lw is 0.79 μH, Ls is 0.45 μH, Lw, and the coupling coefficient ki approximately calculated from Lw and Ls is 0.66. Power transmission performance is also very bad. A coil wound eight times in the same shape using the same wire as the coil has an Lw of about 2.1 μH, an Ls of about 0.7 μH, and an approximately calculated coupling coefficient ki of about 0.83. It has become.

従来例のコイルの導線を8回巻回したコイルは、前述したように、実際には実効直列抵抗が過小なうえ、Rw(Ω)の周波数特性も悪く、かつ十分なリアクタンスを確保できる高周波数領域で、Rs>Rw、を満足していない。このために、導線の適切な撚り方および巻き方を選ぶ必要があるが、高周波領域で使用する最低のインダクタンスと結合係数が確保できるので、上記の実測結果から最低限8回の巻回数を規定するとともに、インダクタンスの最低値として、2μHを規定している。   As described above, the coil in which the conductive wire of the conventional example is wound eight times is actually a high frequency that has an effective series resistance that is too low, a poor frequency characteristic of Rw (Ω), and a sufficient reactance. In the region, Rs> Rw is not satisfied. For this purpose, it is necessary to select an appropriate twisting and winding method for the conducting wire, but since the minimum inductance and coupling coefficient used in the high frequency region can be secured, a minimum number of windings of 8 is specified from the above measurement results. In addition, 2 μH is defined as the minimum value of inductance.

そして、前述したように、従来例のコイルの導線の直径は1.5mmであり、5回巻回したコイルの最外周部に、さらに導線を3回巻回し、ターン数を8回とすると、外径は、3回×2倍×1.5mm+30mm=39mmとなる。したがって、従来例のコイルの導線を使用して構成したコイルにおいて、インダクタンスの最低値2μHと結合係数を確保するには、コイル外径Dと線径d3の比が、39/1.5=26、となり、コイル外径Dは線径d3の少なくとも25倍は必要となる。   And as mentioned above, the diameter of the conducting wire of the coil of the conventional example is 1.5 mm, and the conducting wire is further wound 3 times on the outermost peripheral part of the coil wound 5 times, and the number of turns is 8 times. The outer diameter is 3 times × 2 × 1.5 mm + 30 mm = 39 mm. Therefore, in a coil configured using the conventional coil conductor, in order to ensure the minimum inductance value of 2 μH and the coupling coefficient, the ratio of the coil outer diameter D to the wire diameter d3 is 39 / 1.5 = 26. The coil outer diameter D is required to be at least 25 times the wire diameter d3.

ただし、前述したように、「Dがd3の少なくとも25倍は必要」、という特定的構成は、線材やターン数という別の構成要因を変えることにより、インダクタンスの最低値2μHと結合係数を確保できなくなることも有り得る。例えば、線材の直径を細くして、線間に空隙を設ける場合などが考えられる。したがって、インダクタンスの最低値2μHを確保するには、8回以上の巻き数が必要となる可能性もある。インダクタンスの最低値2μHを確保するように、使用される線材と巻回数を選び、最終的に構成が一義的に特定されたコイルにおいて、Rw、Rs、Rn、の周波数特性を計測する。構成が一義的に特定されたコイルとは、実際にコイルとして作成されたものを意味するのは言うまでも無い。そこで、実際にコイルとして作成されたものを計測して求められた特性から導かれる前述したコイルの作動条件である交流電源の周波数fa(Hz)を規定する。   However, as described above, the specific configuration that “D is required to be at least 25 times d3” can secure a minimum inductance value of 2 μH and a coupling coefficient by changing another configuration factor such as a wire and the number of turns. It can be lost. For example, it is conceivable that the diameter of the wire is reduced to provide a gap between the wires. Therefore, in order to secure the minimum value of 2 μH of inductance, there is a possibility that the number of turns of 8 times or more is required. The wire used and the number of turns are selected so as to ensure the minimum inductance value of 2 μH, and finally the frequency characteristics of Rw, Rs, and Rn are measured in the coil whose configuration is uniquely specified. It goes without saying that a coil whose configuration is uniquely specified means one actually created as a coil. Therefore, the frequency fa (Hz) of the AC power source, which is the aforementioned operating condition of the coil, derived from the characteristics obtained by measuring what is actually created as a coil is defined.

繰り返しになるが、コイルは、例えば特定的な構成を規定するだけでは、他の構成要因を変化させることにより、実質的には無限の構成を持つ。特定的な構成を規定したコイルが、その他の特定的構成規定を要旨とする発明よりも、常に優れた電力伝送性能を発揮する効果を奏することは証明されていない。また、証明するのは実質的に不可能である。   To reiterate, a coil has a virtually infinite configuration by changing other components, for example, simply by defining a specific configuration. It has not been proved that a coil having a specific configuration exhibits an effect of always exhibiting an excellent power transmission performance as compared with an invention based on other specific configuration rules. It is virtually impossible to prove.

本発明の実施形態によってのみ、上述したインダクタンスの最低値2μHと結合係数を確保するように構成を規定し、それらの特性条件を満足するコイルの中から、電力伝送に適したコイルを選ぶことができるようになる。このように、本発明の実施形態は、従来例のコイルとは異なり、種々の実施形態における実測特性のデータを示している。誘導結合可能な構成を持つコイルは、特定不能なバリエーションを持つ。そのため、任意の構成のコイルにおいて電力伝送性能を確保することは不可能である。また、従来の技術では、構成が一義的に特定されたコイルが、電力伝送性能を確保可能という判断すらできない。   Only by the embodiment of the present invention, the configuration is defined so as to ensure the above-described minimum inductance value of 2 μH and the coupling coefficient, and a coil suitable for power transmission can be selected from the coils satisfying those characteristic conditions. become able to. As described above, the embodiment of the present invention shows measured characteristic data in various embodiments, unlike the conventional coil. A coil having a configuration capable of inductive coupling has a variation that cannot be specified. Therefore, it is impossible to ensure power transmission performance in a coil having an arbitrary configuration. Further, in the conventional technique, it cannot be determined that the coil whose configuration is uniquely specified can ensure the power transmission performance.

前述した方法により選ばれたコイルを、本発明の実施形態の要旨である特性規定による作動条件を規定することによってのみ、種々の構成を持つ電力伝送装置のコイルを使用した性能のよい電力伝送装置が実現できる。この極めて優れた効果は、コイルの特定的構成のみを規定した従来例のコイルでは実現することが不可能であった。   A power transmission device with good performance using the coils of the power transmission device having various configurations only by defining the operating condition based on the characteristic definition which is the gist of the embodiment of the present invention for the coil selected by the above-described method. Can be realized. This extremely excellent effect could not be realized with a conventional coil that defines only a specific configuration of the coil.

また、一方のコイルが、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1は、500kHz以上であることが好ましい。同一のコイルを使用し、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)が高いコイルを、リアクタンスが確保可能な周波数で使用する。例えば、250kHz未満で駆動することにより、電力伝送性能を確保できることが確認できている。あるいは、一方のコイルが、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2が、500kHz以上であるとより好ましい。   Moreover, it is preferable that the maximum frequency f1 with which one coil satisfies Rs> Rw is 500 kHz or more. The same coil is used, and a coil having a high maximum frequency f1 (Hz) satisfying Rs> Rw is used at a frequency at which reactance can be secured. For example, it has been confirmed that power transmission performance can be ensured by driving at less than 250 kHz. Alternatively, it is more preferable that the maximum frequency f2 at which one coil satisfies Rs> Rn ≧ Rw is 500 kHz or more.

(負荷抵抗値と力率に関する説明)
図21、図22は、負荷抵抗RLを変動させたときの力率と周波数との関係を示す図である。なお、前述した図9には、送電コイル1、受電コイル2共に、コイル1Aを用いた場合の実効電力伝送効率ηと周波数との関係も図示してある。また、図17にも、送電コイル1にコイル1A、受電コイル2にコイル1Fを用いた場合の実効電力伝送効率ηと周波数との関係を図示してある。いずれも負荷抵抗RL=10Ωのときの周波数特性である。力率は1次側のインピーダンスを計測して位相角φを求め、cosφから計算してある。cos60度=0.5である。φ<60度となる周波数領域では、力率は50%以上となる。
(Explanation regarding load resistance and power factor)
21 and 22 are diagrams showing the relationship between the power factor and the frequency when the load resistance RL is varied. 9 also illustrates the relationship between the effective power transmission efficiency η and the frequency when the coil 1A is used for both the power transmitting coil 1 and the power receiving coil 2. FIG. 17 also shows the relationship between the effective power transmission efficiency η and the frequency when the coil 1A is used for the power transmission coil 1 and the coil 1F is used for the power reception coil 2. Both are frequency characteristics when the load resistance RL = 10Ω. The power factor is calculated from cos φ by measuring the impedance on the primary side to obtain the phase angle φ. cos 60 degrees = 0.5. In the frequency region where φ <60 degrees, the power factor is 50% or more.

図21、図22から分かるように、負荷抵抗値が低いと力率が最高となる周波数は低い。負荷抵抗値が高いと力率が最高となる周波数は高い。また、負荷抵抗値が低いと力率の極大値は大きい。負荷抵抗値が高いと力率の極大値は小さい。一般に使用される最小の負荷抵抗値である5Ω以下では、力率が最高となる周波数は、一方のコイルのf2(Hz)未満になっている。   As can be seen from FIGS. 21 and 22, when the load resistance value is low, the frequency at which the power factor is highest is low. When the load resistance is high, the frequency at which the power factor is highest is high. Further, when the load resistance value is low, the maximum value of the power factor is large. When the load resistance value is high, the maximum value of the power factor is small. Below 5Ω, which is the minimum load resistance value that is generally used, the frequency at which the power factor is highest is less than f2 (Hz) of one coil.

図21で、コイル1Aを2個使用した場合には、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1=67kHz未満において、力率50%以上を満足する負荷抵抗値は、10Ω以下である。図22で、送電コイル1にコイル1Aを、受電コイル2にコイル1Fを使用すると、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1=110kHz未満において、力率50%以上を満足する負荷抵抗値は、50Ωまで対応している。また、図21と図22とを比較すれば分かるが、図22では、f1(Hz)の上昇と共に、力率の極大値も上昇している。   In FIG. 21, when two coils 1A are used, the load resistance value satisfying a power factor of 50% or more is 10Ω or less at the maximum frequency f1 = 67 kHz that satisfies Rs> Rw. In FIG. 22, when the coil 1A is used for the power transmission coil 1 and the coil 1F is used for the power reception coil 2, the load resistance value satisfying a power factor of 50% or more at the maximum frequency f1 = 110 kHz satisfying Rs> Rw is Supports up to 50Ω. Further, as can be seen from a comparison between FIG. 21 and FIG. 22, in FIG. 22, the maximum value of the power factor increases as f1 (Hz) increases.

図17の電力伝送効率ηと周波数との関係を、図9と比較すると、f1(Hz)が上昇すると共に、電力伝送性能が向上していることが分かる。図9、図17ともに、周波数がf1(Hz)以上となると、電力伝送効率ηが極端に悪化する。したがって、コイル1Aにコイル1Fを対向させることにより、電力伝送性能ηを改善できることが分かる。   Comparing the relationship between the power transmission efficiency η and the frequency in FIG. 17 with FIG. 9, it can be seen that f1 (Hz) increases and the power transmission performance is improved. In both FIG. 9 and FIG. 17, when the frequency is equal to or higher than f1 (Hz), the power transmission efficiency η is extremely deteriorated. Therefore, it can be seen that the power transmission performance η can be improved by making the coil 1F face the coil 1A.

従来例のコイルの特定的構成の一例を記載した電力伝送装置では、特定の周波数100kHzでの実施例を記載しているのみである。そして、周波数は100kHzに限定されないと明記されている。しかし、上記のように、周波数により力率とコイルの実効直列抵抗Rw(Ω)は変化する。負荷抵抗RLの最小値Rm(Ω)における力率最大点に周波数を設定しないと、無効電力により、実効直列抵抗Rw(Ω)による電力損失が発生する。前述したように、Rw、Rs、Rnの周波数特性を計測し、f1(Hz)とf2(Hz)を求める。力率が最高となる周波数fφ(Hz)が、f1(Hz)よりも小さいことが好ましい。しかし、負荷RLの抵抗値が大きくなると、コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)とRL(Ω)の比、Rw/RLが小さくなる。そのため、Rw(Ω)による電力損失が負荷が消費する電力に比べ相対的に小さくなる。したがって、負荷抵抗値が大きい場合でも、力率は小さくなるが、f1(Hz)未満の周波数で電力伝送を行なえる。   In the power transmission device in which an example of the specific configuration of the coil of the conventional example is described, only an example at a specific frequency of 100 kHz is described. And it is specified that the frequency is not limited to 100 kHz. However, as described above, the power factor and the effective series resistance Rw (Ω) of the coil change depending on the frequency. If the frequency is not set at the maximum power factor at the minimum value Rm (Ω) of the load resistance RL, power loss due to the effective series resistance Rw (Ω) occurs due to reactive power. As described above, the frequency characteristics of Rw, Rs, and Rn are measured, and f1 (Hz) and f2 (Hz) are obtained. The frequency fφ (Hz) at which the power factor is maximized is preferably smaller than f1 (Hz). However, as the resistance value of the load RL increases, the ratio of the effective series resistance Rw (Ω) to RL (Ω) of the coil, Rw / RL, decreases. Therefore, the power loss due to Rw (Ω) is relatively small compared to the power consumed by the load. Therefore, even when the load resistance value is large, the power factor is small, but power transmission can be performed at a frequency less than f1 (Hz).

(実効電力伝送効率ηの周波数特性についての説明)
なお、図9、図17における実効電力伝送効率ηの周波数特性について説明しておく。受電コイル2に10Ωの無誘導負荷抵抗を接続し、送電側でインピーダンスを計測する。インピーダンス計測により送電側にて位相角φを求め、各周波数での力率cosφを計算しておく。送電コイル1には0.2Aの一定電流Iaが流れるよう、送電コイル1に印加する電圧V(V)を設定する。送電側の実効電力Prは、Pr=cosφ×V×Ia(W)、として求められる。2次側の実効電力Ps(W)は、10Ωの無誘導負荷抵抗の両端電圧の実効値Veを求め、Ps=Ve/10(W)、として求められる。各周波数における実効電力伝送効率ηは、η=Ps/Pr、として求められる。この計測法は、負荷抵抗値や周波数により力率が変動することを勘案していない従来例とは異なっている。
(Explanation of frequency characteristics of effective power transmission efficiency η)
The frequency characteristics of the effective power transmission efficiency η in FIGS. 9 and 17 will be described. A non-inductive load resistance of 10Ω is connected to the power receiving coil 2 and the impedance is measured on the power transmission side. The phase angle φ is obtained on the power transmission side by impedance measurement, and the power factor cos φ at each frequency is calculated. The voltage V (V) applied to the power transmission coil 1 is set so that a constant current Ia of 0.2 A flows through the power transmission coil 1. The effective power Pr on the power transmission side is obtained as Pr = cos φ × V × Ia (W). The secondary effective power Ps (W) determines the effective value Ve of the voltage across the non-inductive load resistance 10Ω, Ps = Ve 2/10 (W), obtained as. The effective power transmission efficiency η at each frequency is obtained as η = Ps / Pr. This measurement method is different from the conventional example that does not take into consideration that the power factor varies depending on the load resistance value and frequency.

実際の電気機器が必要とする電力から、負荷抵抗値を求めてみる。電気機器が必要とする電力は、電圧Vs=5V、電流Is=0.5A、電力2.5W程度が下限であるため、負荷抵抗値RLの最小値は10Ω程度となる。10W以上の電力を必要とする電気機器では、電圧Vsを上げ、電流Isを下げている。実際の回路電圧は5V程度であっても、降圧式のPWM降圧コンバータを使っている場合が多い。例えば、30W程度の電力を必要とするパソコンなどでは、15V、2Aの電源を使っている。この場合の負荷抵抗値RLの最小値は、15/2=7.5Ω程度になる。さらに、電圧Vsを上げ、電流Isを下げ、30V、1A程度とすると、負荷抵抗値RLの最小値は、30/1=30Ω程度になる。大体の目安として、負荷抵抗RLの最小値は、2〜50Ω程度になる。したがって、コイルの実効直列抵抗による電力損失を受電電力の20%程度以下に抑えるには、負荷RLの最小値をRm(Ω)、とすると、受電コイル2の実効直列抵抗Rwは、Rw×5≦Rm(Ω)、を満足している必要がある。すなわち、交流電源の出力周波数fa(Hz)において、受電コイル2のRwは、0.4〜10Ω以下であることが望ましい。   Find the load resistance value from the power required by the actual electrical equipment. Since the power required by the electrical equipment is at the lower limit of voltage Vs = 5V, current Is = 0.5A, and power 2.5W, the minimum value of the load resistance value RL is about 10Ω. In an electric device that requires electric power of 10 W or more, the voltage Vs is increased and the current Is is decreased. Even if the actual circuit voltage is about 5V, a step-down PWM step-down converter is often used. For example, a personal computer or the like that requires about 30 W of power uses a 15V, 2A power source. In this case, the minimum value of the load resistance value RL is about 15/2 = 7.5Ω. Further, when the voltage Vs is increased and the current Is is decreased to about 30 V and 1 A, the minimum value of the load resistance value RL is about 30/1 = 30Ω. As a rough guide, the minimum value of the load resistance RL is about 2 to 50Ω. Therefore, in order to suppress the power loss due to the effective series resistance of the coil to about 20% or less of the received power, assuming that the minimum value of the load RL is Rm (Ω), the effective series resistance Rw of the receiving coil 2 is Rw × 5. ≦ Rm (Ω) must be satisfied. That is, it is desirable that Rw of the power receiving coil 2 is 0.4 to 10Ω or less at the output frequency fa (Hz) of the AC power supply.

実測によると、送電コイル1側の抵抗成分は、前述した実施形態においては、周波数にもよるが、通常、負荷抵抗値RL以下となる。したがって、負荷RLの最小値をRm(Ω)、とすると、送電コイル1、受電コイル2共に、実効直列抵抗Rwは0.4〜10Ω以下であることが望ましい。   According to actual measurement, the resistance component on the power transmission coil 1 side is usually equal to or less than the load resistance value RL in the above-described embodiment, although it depends on the frequency. Therefore, when the minimum value of the load RL is Rm (Ω), it is desirable that the effective series resistance Rw of the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 is 0.4 to 10Ω or less.

実効直列抵抗Rw(Ω)の上限が決まると、Rs(Ω)、Rn(Ω)は実測して求められる。f1(Hz)において、実効直列抵抗Rwは0.4〜10Ω以下であることが望ましい。したがって、実際にコイルが使用される周波数では、Rs、Rnともに、10Ω以下であることが望ましい。   When the upper limit of the effective series resistance Rw (Ω) is determined, Rs (Ω) and Rn (Ω) are obtained by actual measurement. At f1 (Hz), the effective series resistance Rw is desirably 0.4 to 10Ω or less. Accordingly, it is desirable that both Rs and Rn be 10Ω or less at the frequency at which the coil is actually used.

図2に示し、前述したが、実際に電力伝送を行なうと、送電コイル1と受電コイル2に流れる電流が発生する磁束が他方のコイルを貫通することによる渦電流損による損失が発生し、電力損失は増加する。前述したように、実際に電力伝送を行なっている場合、図8におけるR1、R2の値は不明である。よって、上記に述べた実際の実効直列抵抗値Rw(Ω)は、Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)、の規定と同じように、受電側機器の使用条件によって決定されるものである。 As shown in FIG. 2 and described above, when power is actually transmitted, a loss due to eddy current loss due to the magnetic flux generated by the current flowing in the power transmitting coil 1 and the power receiving coil 2 passing through the other coil occurs. Loss increases. As described above, when power is actually transmitted, the values of R1 and R2 in FIG. 8 are unknown. Therefore, the actual effective series resistance value Rw (Ω) described above is determined by the use condition of the power receiving side device in the same manner as the definition of Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi). Is.

(送電コイル1のインダクタンスの変化についての説明)
また、上述してきたように、本発明の実施形態における電力伝送装置、電力伝送装置の送電装置、電力伝送装置の受電装置は、電力伝送性能が極めてよい。送電コイル1、受電コイル2に流れる電流にもよるが、前述した直径5cmのコイル1Gを、送電コイル1、受電コイル2の双方に使用することにより、最大で40W前後の電力を伝送可能である。このような電力伝送性能が達成されると、送電コイル1は誘導加熱器の過熱コイルと同じく、金属加熱作用を持つ。そこで、特許文献5に記載のように、送電コイル1にクリップなどの金属体が近接したときに、金属体の発熱を防止しなければならなくなる。あるいは、正規の受電部を判別する必要がでてくる。そこで、次に、送電コイル1の2端子網回路について考察しておく。
(Description of change in inductance of power transmission coil 1)
Further, as described above, the power transmission device, the power transmission device of the power transmission device, and the power reception device of the power transmission device in the embodiment of the present invention have extremely good power transmission performance. Although depending on the current flowing through the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, by using the coil 1G having a diameter of 5 cm described above for both the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, it is possible to transmit power of up to about 40 W. . When such power transmission performance is achieved, the power transmission coil 1 has a metal heating action, similar to the overheating coil of the induction heater. Therefore, as described in Patent Document 5, when a metal body such as a clip approaches the power transmission coil 1, heat generation of the metal body must be prevented. Alternatively, it is necessary to determine a proper power receiving unit. Therefore, next, a two-terminal network circuit of the power transmission coil 1 will be considered.

(不要輻射を防止するコイルの構成について)
図23は、不要輻射を防止するコイル1fの構造を示す図である。
(About the coil configuration to prevent unwanted radiation)
FIG. 23 is a diagram illustrating the structure of the coil 1 f that prevents unwanted radiation.

図23において、磁性材板51は、コイル50に対向する一方面側に、少なくとも1枚装備される。このようにコイル50の一方面側に磁性材板51を少なくとも1枚装備することにより、不要輻射を防止するコイル1fが実現できる。従来例では、コイル1fと同等の構成を持つコイルは、電力伝送性能を向上させる作用効果を持つと記載されている。しかし、後述する本発明の実施形態における磁性材板を装備した各種構成の電力伝送装置のコイルは、従来例に比べ、さらに電力伝送性能を向上させると共に、不要輻射を軽減し、磁性材板のコイル装備面の反対面に金属体が近接したときの、コイル特性の変動を防ぐ作用効果を持つ。さらに、後述する本発明の実施形態における各種構成の電力伝送装置のコイルは、導線の種類、外径など他の構成要因が変化しても、同じ作用効果を持つ。   In FIG. 23, at least one magnetic material plate 51 is provided on one side facing the coil 50. Thus, by providing at least one magnetic material plate 51 on one surface side of the coil 50, the coil 1f that prevents unnecessary radiation can be realized. In the conventional example, it is described that a coil having a configuration equivalent to that of the coil 1f has an effect of improving power transmission performance. However, the coil of the power transmission device of various configurations equipped with the magnetic material plate in the embodiment of the present invention to be described later improves the power transmission performance and reduces unnecessary radiation as compared with the conventional example. It has the effect of preventing fluctuations in coil characteristics when a metal body is close to the surface opposite to the coil equipment surface. Furthermore, the coils of the power transmission devices having various configurations according to the embodiments of the present invention to be described later have the same effects even when other structural factors such as the type of the conductive wire and the outer diameter change.

上述したように、コイル1fにおいて、コイル50には、空芯状態での一方のコイル単体の実効直列抵抗をRwa(Ω)、空芯状態での一方のコイルに対向する他方のコイルを短絡したときの、一方のコイルの実効直列抵抗をRsa(Ω)、とすると、100kHz
にて、Rsa>Rwa、を満足する一方のコイルを使用する。例えば、コイル50には、上述してきた本発明の実施形態であるコイル1Bからコイル1Gを使用する。
As described above, in the coil 1f, the coil 50 is short-circuited with the effective series resistance of one coil alone in the air-core state as Rwa (Ω) and the other coil facing the one coil in the air-core state. When the effective series resistance of one coil is Rsa (Ω), 100 kHz
Thus, one coil satisfying Rsa> Rwa is used. For example, as the coil 50, the coils 1B to 1G which are the embodiments of the present invention described above are used.

さらに、図23〜図34に示す磁性材板51または511,512と金属板55を装備したコイル1fからコイル1tを一方のコイルとしたときに、100kHzにてコイル1fからコイル1tが、Rsa>Rwa、を満足しているのが好ましい。   Furthermore, when the coil 1t is formed from the coil 1f equipped with the magnetic material plate 51 or 511, 512 and the metal plate 55 shown in FIGS. 23 to 34 as one coil, the coil 1f to the coil 1t are converted to Rsa> at 100 kHz. It is preferable that Rwa is satisfied.

さらに、磁性材板51を装備したコイル1fを一方のコイルとしたときに、100kHzにて、コイル1fが、Rsa>Rwa、を満足しているのが好ましい。   Furthermore, when the coil 1f equipped with the magnetic material plate 51 is one coil, the coil 1f preferably satisfies Rsa> Rwa at 100 kHz.

コイル1fが、Rsa>Rwa、を満足する最高周波数をf1(Hz)とすると、コイル1fを装備した電力伝送装置100は、f1(Hz)未満の周波数で電力を伝送する。   Assuming that the maximum frequency satisfying Rsa> Rwa of the coil 1f is f1 (Hz), the power transmission device 100 equipped with the coil 1f transmits power at a frequency less than f1 (Hz).

コイル1fが、電力伝送装置100の送電コイル1である場合、コイル1fは、図1に示した交流電源30bにより、f1(Hz)未満の周波数fa(Hz)で駆動される。   When the coil 1f is the power transmission coil 1 of the power transmission device 100, the coil 1f is driven at a frequency fa (Hz) less than f1 (Hz) by the AC power supply 30b shown in FIG.

電力伝送装置100の送電部30が、コイル1fを含む場合、コイル1fを含む送電部30は、本発明の電力伝送装置の送電装置になる。   When the power transmission unit 30 of the power transmission device 100 includes the coil 1f, the power transmission unit 30 including the coil 1f is a power transmission device of the power transmission device of the present invention.

電力伝送装置100の受電部が40、コイル1fを含む場合、コイル1fを含む受電部40は、本発明の電力伝送装置の受電装置になる。   When the power receiving unit of the power transmission device 100 includes 40 and the coil 1f, the power receiving unit 40 including the coil 1f is a power receiving device of the power transmission device of the present invention.

(不要輻射を防止するコイルの他の構成について)
図24は、コイル50と磁性材板51との間に、絶縁板52を設けたコイル1gを示す図である。図24において、絶縁板52は、周波数が高くなったときのコイル1gの実効直列抵抗Rwa(Ω)の増加を抑えることができる。また、周波数が高くなったときのコ
イル1gのQの低下を防止できる。
(Other coil configurations that prevent unwanted radiation)
FIG. 24 is a diagram showing a coil 1 g in which an insulating plate 52 is provided between the coil 50 and the magnetic material plate 51. In FIG. 24, the insulating plate 52 can suppress an increase in the effective series resistance Rwa (Ω) of the coil 1g when the frequency is increased. Further, it is possible to prevent the Q of the coil 1g from being lowered when the frequency is increased.

図25は、コイル50の一方面側に2層の磁性材板511と磁性材板512を設けたコイル1hを示す図である。図25において、コイル1hは磁性材板511と磁性材板512とを設けたことによって、コイル1fの構成に比べ、コイルのインダクタンスを高め、コイルのQを高くすることができる。   FIG. 25 is a diagram showing a coil 1 h in which two layers of a magnetic material plate 511 and a magnetic material plate 512 are provided on one side of the coil 50. In FIG. 25, the coil 1h is provided with the magnetic material plate 511 and the magnetic material plate 512, so that the coil inductance can be increased and the coil Q can be increased compared to the configuration of the coil 1f.

図26は、図25に示すコイル1hを構成する2枚の磁性材板511,512の間に、厚みがI(mm)の絶縁板52を設けたコイル1jを示す図である。図26において、絶縁板52は、周波数が高くなったときのコイル1jの実効直列抵抗Rwa(Ω)の増加を抑えることができる。また、周波数が高くなったときのコイル1jのQの低下を防止できる。このような構成は、コイルの厚さが増すが、送電コイルに使うのに適している。特に、送電コイルは、電気エネルギーを磁気エネルギーに変換しており、不要輻射の原因を除去するのには、送電コイルにて対応するのが好ましい。絶縁板52の厚さI(mm)は、磁性材板511または512の厚さの半分以上であるのが好ましい。絶縁板52の作用効果については、前述した通りである。   FIG. 26 is a diagram showing a coil 1j in which an insulating plate 52 having a thickness of I (mm) is provided between two magnetic material plates 511 and 512 constituting the coil 1h shown in FIG. In FIG. 26, the insulating plate 52 can suppress an increase in the effective series resistance Rwa (Ω) of the coil 1j when the frequency is increased. Further, it is possible to prevent the Q of the coil 1j from being lowered when the frequency is increased. Such a configuration increases the thickness of the coil but is suitable for use in a power transmission coil. In particular, the power transmission coil converts electrical energy into magnetic energy, and it is preferable to use a power transmission coil to eliminate the cause of unnecessary radiation. The thickness I (mm) of the insulating plate 52 is preferably at least half of the thickness of the magnetic material plate 511 or 512. The effect of the insulating plate 52 is as described above.

(金属体が近接したときに、コイルの特性変動を防止するコイルの構成について)
図27は、コイルに金属体が近接したときに、コイルの特性変動を防止するコイル1kの構造を示す図である。図27において、金属板55は厚みM(mm)を有し、コイル50の一方面側に絶縁板54を、所定距離G(mm)を介してコイル50に対向して装備される。絶縁板54は図26に示した絶縁板52よりも厚く形成されている。金属板55の寸法は、コイル50の寸法と同等以上で、コイル50の全面に対向するように配置される。コイル50には、例えば、上述してきた本発明の実施形態であるコイル1Bからコイル1Gが使用される。所定距離G(mm)は、絶縁板54の厚みと同じであり、コイル外径Dの10%以上に選ばれている。コイルの50の特性変動が少ないので所定距離G(mm)は長いほど好ましい。一方のコイルに、図27のように金属板55を装備することにより、コイル50に他の金属体が近接したときに、特性変動を防止可能なコイルが実現できる。
(Regarding the coil configuration that prevents fluctuations in coil characteristics when a metal object is in close proximity)
FIG. 27 is a diagram illustrating a structure of a coil 1k that prevents fluctuations in coil characteristics when a metal body is close to the coil. In FIG. 27, a metal plate 55 has a thickness M (mm), and an insulating plate 54 is provided on one side of the coil 50 so as to face the coil 50 via a predetermined distance G (mm). The insulating plate 54 is formed thicker than the insulating plate 52 shown in FIG. The dimension of the metal plate 55 is equal to or greater than the dimension of the coil 50 and is disposed so as to face the entire surface of the coil 50. For the coil 50, for example, the coil 1B to the coil 1G which are the embodiments of the present invention described above are used. The predetermined distance G (mm) is the same as the thickness of the insulating plate 54 and is selected to be 10% or more of the coil outer diameter D. Since the fluctuation of the characteristics of the coil 50 is small, the longer the predetermined distance G (mm) is, the better. When one metal is provided with a metal plate 55 as shown in FIG. 27, a coil capable of preventing characteristic variation when another metal body is close to the coil 50 can be realized.

(金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイルの構成について)
図28は、金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1mの構成を示す図である。図28では、図27において、絶縁板54のコイル50に対向する面の反対側に配置される金属板55との間に設けられる所定距離G(mm)の間隔に代わって、磁性材板51が設けられる。コイル50には、例えば、上述してきた本発明の実施形態であるコイル1Bからコイル1Gが使用される。金属板55は、反磁性または常磁性の磁気的性質を持つ金属または合金であって、厚さが0.1mm以上に選ばれている。金属板55は、磁性材板51と同等の寸法である。特許文献3に記載のように、金属板55を磁性材板51の寸法よりも大きくすると、対向するコイルの導線巻回外径が、コイル1mの導線巻回外径よりも大きい場合に不都合が生じる。対向するコイルの導線巻回外径が、コイル1mの導線巻回外径よりも大きい場合のコイル構成については後述する。
(Concerning the configuration of the coil that prevents both the proximity effect of the metal body and unnecessary radiation)
FIG. 28 is a diagram illustrating a configuration of the coil 1m that prevents both the proximity effect of the metal body and unnecessary radiation. 28, in FIG. 27, the magnetic material plate 51 is replaced with a predetermined distance G (mm) provided between the insulating plate 54 and the metal plate 55 disposed on the opposite side of the surface facing the coil 50. Is provided. For the coil 50, for example, the coil 1B to the coil 1G which are the embodiments of the present invention described above are used. The metal plate 55 is a metal or alloy having diamagnetic or paramagnetic magnetic properties and has a thickness of 0.1 mm or more. The metal plate 55 has the same dimensions as the magnetic material plate 51. As described in Patent Document 3, if the metal plate 55 is made larger than the dimension of the magnetic material plate 51, there is a problem when the wire winding outer diameter of the opposing coil is larger than the wire winding outer diameter of the coil 1 m. Arise. The coil configuration in the case where the outer diameter of the winding of the opposing coil is larger than the outer diameter of the winding of the coil 1m will be described later.

図29は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1nの構成を示す図である。図29においては、絶縁板52が、磁性材板51と金属板55との間に設けられる。絶縁板52の作用効果については、前述した通りである。金属板55は、反磁性または常磁性の磁気的性質を持つ金属または合金であって、厚さが0.1mm以上に選ばれている。   FIG. 29 is a diagram showing a configuration of a coil 1n that prevents both the proximity effect of a metal body and unnecessary radiation according to another embodiment of the present invention. In FIG. 29, the insulating plate 52 is provided between the magnetic material plate 51 and the metal plate 55. The effect of the insulating plate 52 is as described above. The metal plate 55 is a metal or alloy having diamagnetic or paramagnetic magnetic properties and has a thickness of 0.1 mm or more.

図30は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1pの構成を示す図である。図30においては、絶縁板52が、コイル50と磁性材板51との間に設けられる。絶縁板52の作用効果については、前述した通りである。金属板55は、反磁性または常磁性の磁気的性質を持つ金属または合金であって、厚さが0.1mm以上に選ばれている。   FIG. 30 is a diagram showing a configuration of a coil 1p that prevents both the proximity effect of a metal body and unnecessary radiation according to another embodiment of the present invention. In FIG. 30, an insulating plate 52 is provided between the coil 50 and the magnetic material plate 51. The effect of the insulating plate 52 is as described above. The metal plate 55 is a metal or alloy having diamagnetic or paramagnetic magnetic properties and has a thickness of 0.1 mm or more.

図31は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1qの構成を示す図である。図31においては、コイル50の一方面側に、磁性材板511、磁性材板512が設けられる。2枚の磁性材板511,512を設けることにより、コイル50のインダクタンスを高め、コイル50のQを高くできる。また、2枚の磁性材板511,512を設けることにより、磁性材板512側に設ける金属板55の種類や厚さによるコイル特性の変動を軽減できる。そのため、金属板55は、前述してきたコイル1kからコイル1pとは異なり、その磁気的性質や厚さは任意のものが選べる。金属板55に、反磁性または常磁性の磁気的性質を持つ金属または合金であって、厚さが0.01mm以上のものを使用すれば、より好ましい。コイル50には、例えば、上述してきた本発明の実施形態であるコイル1Bからコイル1Gが使用される。   FIG. 31 is a diagram showing a configuration of a coil 1q that prevents both the proximity effect of a metal body and unnecessary radiation according to another embodiment of the present invention. In FIG. 31, a magnetic material plate 511 and a magnetic material plate 512 are provided on one surface side of the coil 50. By providing the two magnetic material plates 511 and 512, the inductance of the coil 50 can be increased and the Q of the coil 50 can be increased. Also, by providing the two magnetic material plates 511 and 512, fluctuations in coil characteristics due to the type and thickness of the metal plate 55 provided on the magnetic material plate 512 side can be reduced. Therefore, unlike the coil 1k to the coil 1p described above, the metal plate 55 can have any magnetic property and thickness. It is more preferable to use a metal or alloy having a diamagnetic or paramagnetic magnetic property and having a thickness of 0.01 mm or more as the metal plate 55. For the coil 50, for example, the coil 1B to the coil 1G which are the embodiments of the present invention described above are used.

図32は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1rの構成を示す図である。図32においては、コイル50の一方側に磁性材板511が設けられる。絶縁板52が、磁性材板511と磁性材板512との間に設けられ、磁性材板512側に金属板55が設けられる。絶縁板52の作用効果については、
前述した通りである。金属板55は、磁性材板511,512と同等の寸法である。絶縁板52の厚さI(mm)は、コイル1jと同様に選ばれる。
FIG. 32 is a diagram showing a configuration of a coil 1r that prevents both the proximity effect of a metal body and unnecessary radiation according to another embodiment of the present invention. In FIG. 32, a magnetic material plate 511 is provided on one side of the coil 50. The insulating plate 52 is provided between the magnetic material plate 511 and the magnetic material plate 512, and the metal plate 55 is provided on the magnetic material plate 512 side. Regarding the function and effect of the insulating plate 52,
As described above. The metal plate 55 has the same dimensions as the magnetic material plates 511 and 512. The thickness I (mm) of the insulating plate 52 is selected similarly to the coil 1j.

図33は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1sの構成を示す図である。図33においては、絶縁板52が、磁性材板512と金属板55との間に設けられる。絶縁板52の作用効果については、前述した通りである。金属板55は、磁性材板512と同等の寸法である。   FIG. 33 is a diagram showing a configuration of a coil 1s that prevents both the proximity effect of a metal body and unnecessary radiation according to another embodiment of the present invention. In FIG. 33, the insulating plate 52 is provided between the magnetic material plate 512 and the metal plate 55. The effect of the insulating plate 52 is as described above. The metal plate 55 has the same dimensions as the magnetic material plate 512.

図34は、本発明のその他の実施形態である金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1tの構成を示す図である。図34においては、絶縁板52が、コイル50の一方面側に設けられる。絶縁板52に磁性材板511,512、金属板55に設けられる。絶縁板52の作用効果については、前述した通りである。金属板55は、磁性材板511,512と同等の寸法である。   FIG. 34 is a diagram showing a configuration of a coil 1t that prevents both the proximity effect of a metal body and unnecessary radiation according to another embodiment of the present invention. In FIG. 34, the insulating plate 52 is provided on one side of the coil 50. The insulating plate 52 is provided with magnetic material plates 511 and 512 and a metal plate 55. The effect of the insulating plate 52 is as described above. The metal plate 55 has the same dimensions as the magnetic material plates 511 and 512.

3枚以上の磁性材板を使用した場合も、絶縁材を装備する場所は、図32に示すように複数の磁性材板511,512の間、コイル50と磁性材板51の間、磁性材板51と金属板55の間など、種々の実施形態がある。絶縁板52の作用効果は、前述した通りである。   Even when three or more magnetic material plates are used, the place where the insulating material is provided is between the plurality of magnetic material plates 511 and 512, between the coil 50 and the magnetic material plate 51, as shown in FIG. There are various embodiments, such as between the plate 51 and the metal plate 55. The effect of the insulating plate 52 is as described above.

上述したように、コイル1gからコイル1tにおいて、コイル50には、空芯状態での一方のコイル単体の実効直列抵抗をRwa(Ω)、空芯状態での一方のコイルに対向する他方のコイルを短絡したときの、一方のコイルの実効直列抵抗をRsa(Ω)、とすると、100kHzにて、Rsa>Rwa、を満足する一方のコイルを使用する。例えば、コイル50には、上述してきた本発明の実施形態であるコイル1Bからコイル1Gを使用する。   As described above, in the coils 1g to 1t, the coil 50 includes the effective series resistance of one coil alone in the air-core state as Rwa (Ω), and the other coil facing the one coil in the air-core state. Assuming that the effective series resistance of one coil when short-circuited is Rsa (Ω), one coil satisfying Rsa> Rwa at 100 kHz is used. For example, as the coil 50, the coils 1B to 1G which are the embodiments of the present invention described above are used.

さらに、磁性材板51または511,512と金属板55を装備したコイル1gからコイル1tを一方のコイルとしたときに、100kHzにてコイル1gからコイル1tが、Rsa>Rwa、を満足しているのが好ましい。   Furthermore, when the coil 1g is equipped with the magnetic material plate 51 or 511, 512 and the metal plate 55, and the coil 1t is one coil, the coil 1g to the coil 1t satisfy Rsa> Rwa at 100 kHz. Is preferred.

コイル1gからコイル1tが、Rsa>Rwa、を満足する最高周波数をf1(Hz)とすると、コイル1gからコイル1tを装備した電力伝送装置100は、f1(Hz)未満の周波数で電力を伝送する。   Assuming that the maximum frequency satisfying Rsa> Rwa from coil 1g to coil 1t is f1 (Hz), power transmission device 100 equipped with coil 1t to coil 1t transmits power at a frequency less than f1 (Hz). .

コイル1gからコイル1tが、電力伝送装置100の送電コイル1である場合、コイル1gからコイル1tは、交流電源30bにより、f1(Hz)未満の周波数fa(Hz)で駆動される。   When the coils 1g to 1t are the power transmission coil 1 of the power transmission device 100, the coils 1g to 1t are driven at a frequency fa (Hz) less than f1 (Hz) by the AC power supply 30b.

電力伝送装置100の送電部30が、コイル1gからコイル1tを含む場合、コイル1gからコイル1tを含む送電部30は、本発明の電力伝送装置の送電装置になる。   When the power transmission unit 30 of the power transmission device 100 includes the coil 1g to the coil 1t, the power transmission unit 30 including the coil 1g to the coil 1t is a power transmission device of the power transmission device of the present invention.

電力伝送装置100の受電部40が、コイル1gからコイル1tを含む場合、コイル1gからコイル1tを含む受電部40は、本発明の電力伝送装置の受電装置になる。   When the power reception unit 40 of the power transmission device 100 includes the coil 1g to the coil 1t, the power reception unit 40 including the coil 1g to the coil 1t is a power reception device of the power transmission device of the present invention.

上述してきた金属板55か、磁性材板51または511,512の少なくとも一方を装備したコイルである、コイル1gからコイル1tの詳細な作用効果については、以降に詳述する。   Detailed actions and effects of the coils 1g to 1t, which are coils equipped with at least one of the metal plate 55 and the magnetic material plates 51, 511, and 512, will be described in detail later.

(対向するコイル外径が異なる場合について)
図35は、対向する双方のコイルを構成する要素の立体図である。図35に示すように
対向するコイル1ma,1mbは、図28に示すコイル1mと同等にして、コイル50a,50bと、磁性材板51a,51bと、金属板55a.55bとで構成されている。
(When the opposing coil outer diameter is different)
FIG. 35 is a three-dimensional view of elements constituting both opposing coils. As shown in FIG. 35, the opposing coils 1ma and 1mb are equivalent to the coil 1m shown in FIG. 28, and the coils 50a and 50b, the magnetic material plates 51a and 51b, and the metal plates 55a. 55b.

図36と図37は、図28に示すコイル1mと同等に構成され、コイル50aとコイル50bとの外径が異なる場合の対向状態を示す図である。導線巻回外径が大きいコイル50bを送電コイル、導線巻回外径が小さいコイル50aを受電コイルとする。   FIG. 36 and FIG. 37 are diagrams showing the opposed state when the outer diameters of the coil 50a and the coil 50b are different from each other and are configured in the same manner as the coil 1m shown in FIG. The coil 50b having a large conductor winding outer diameter is referred to as a power transmission coil, and the coil 50a having a small conductor winding outer diameter is referred to as a power receiving coil.

図36は、対向する送電コイル1mbと受電コイル1maの中心が一致している場合を示す。図36において、一方のコイルを構成する受電コイル導線の巻回面の中心から巻回面の端までの最大距離をDaとし、一方のコイルに対向する他方のコイルを構成する送電コイル導線の巻回面の中心から巻回面の端までの最小距離をDb、とし、Db>Da、のときに、受電コイル導線の巻回面の中心から磁性材板51bの端までの最小距離が、少なくとも、Db+(Db−Da)×2、に設定されている。   FIG. 36 shows a case where the centers of the opposing power transmission coil 1mb and power reception coil 1ma are coincident. In FIG. 36, Da represents the maximum distance from the center of the winding surface of the power receiving coil conducting wire constituting one coil to the end of the winding surface, and the winding of the power transmitting coil conducting wire constituting the other coil facing one coil. The minimum distance from the center of the winding surface to the end of the winding surface is Db, and when Db> Da, the minimum distance from the center of the winding surface of the receiving coil conducting wire to the end of the magnetic material plate 51b is at least , Db + (Db−Da) × 2.

図37は、対向する受電コイル1maの導線巻回面が、点線で示す送電コイル1mbの導線巻回面内にあって、かつ、受電コイル1maの導線巻回面の端と、送電コイル1mbの導線巻回面の端が同じ位置にある状態を示す。対向する送電コイル1mbと受電コイル1aの相対位置は、図37に示すように、受電コイル導線巻回面の端が送電コイル導線巻回面の端内にある場合まで許容できる。特許文献3に記載のように、受電コイル1maの導線巻回面と同等寸法の磁性材板が装備され、磁性材板よりも大きい金属板が装備されているとすると、図37の場合において、送電コイル1mbの導線巻回面に金属板が対向してしまう。送電コイル1mbの導線巻回面に金属板が対向すると、当然、送電コイル1mbの特性は変化する。さらに、導線巻回面と同等の寸法の磁性材板が装備されていても、磁性材板の裏面に金属板が存在する場合、送電コイル1mbと受電コイル1maの相対位置によっては、送電コイル1mbの導線巻回面に金属板が対向してしまう。したがって、導線巻回面に他方のコイルの磁性材が対向するよう、磁性材板の形状、寸法を決めなければならない。   In FIG. 37, the conductive wire winding surface of the opposing power receiving coil 1 ma is in the conductive wire winding surface of the power transmission coil 1 mb indicated by a dotted line, and the end of the conductive wire winding surface of the power receiving coil 1 ma and the power transmission coil 1 mb The state which the end of conducting-wire winding surface exists in the same position is shown. As shown in FIG. 37, the relative positions of the opposing power transmission coil 1mb and power reception coil 1a are permissible until the end of the power reception coil conductor winding surface is within the end of the power transmission coil conductor winding surface. As described in Patent Document 3, if a magnetic material plate having the same dimensions as the conductive wire winding surface of the power receiving coil 1ma is equipped and a metal plate larger than the magnetic material plate is equipped, in the case of FIG. The metal plate faces the conductive wire winding surface of the power transmission coil 1mb. When the metal plate faces the conductive wire winding surface of the power transmission coil 1mb, the characteristics of the power transmission coil 1mb naturally change. Furthermore, even if a magnetic material plate having the same dimensions as the conductive wire winding surface is provided, if a metal plate exists on the back surface of the magnetic material plate, depending on the relative position of the power transmission coil 1mb and the power reception coil 1ma, the power transmission coil 1mb The metal plate faces the conductive wire winding surface. Therefore, the shape and size of the magnetic material plate must be determined so that the magnetic material of the other coil faces the conductive wire winding surface.

図37の場合において、送電コイル1mbの外径をD1、受電コイル1maの外径をD2とすると、受電コイル1maの磁性材板の外径は、Y=D1−D2、とすると、D2+2×Yの寸法が必要となる。または、2(D1―D2)+D2=2×D1−D2の寸法が必要となる。   In the case of FIG. 37, if the outer diameter of the power transmission coil 1mb is D1 and the outer diameter of the power reception coil 1ma is D2, the outer diameter of the magnetic material plate of the power reception coil 1ma is Y2 + D1-D2, and D2 + 2 × Y The dimensions are required. Alternatively, the dimension of 2 (D1-D2) + D2 = 2 × D1-D2 is required.

図38は、送電コイル1mb、受電コイル1ma共に楕円形である場合の、送電コイル1mbと受電コイル1maの相対位置関係を示す図である。図38において、送電コイル1mbの最小外径をD11、送電コイル1mbの最大外形をD12、受電コイル1maの最小外径をD21、受電コイル1maの最大外形をD22、Y1=D11−D22、Y2=D12−D21とすると、コイル50の最小外径よりも最低でも2×Y1は大きい最小外形の磁性板でなければならない。また、コイル50の最大外径より2×Y2以下の最大外径を持つ磁性材板であって、受電コイル1maの導線巻回面が送電コイル1mbの導線巻回面内にあるときに、受電コイル1maに装備された磁性材板51aが、必ず送電コイル1mbの導線巻回面に対向するよう、磁性材板51aの寸法と形状を選ぶ。   FIG. 38 is a diagram illustrating a relative positional relationship between the power transmission coil 1mb and the power reception coil 1ma when both the power transmission coil 1mb and the power reception coil 1ma are elliptical. 38, the minimum outer diameter of the power transmission coil 1mb is D11, the maximum outer diameter of the power transmission coil 1mb is D12, the minimum outer diameter of the power reception coil 1ma is D21, the maximum outer diameter of the power reception coil 1ma is D22, Y1 = D11-D22, Y2 = Assuming D12-D21, the magnetic plate must have a minimum outer shape that is at least 2 × Y1 larger than the minimum outer diameter of the coil 50. The magnetic material plate has a maximum outer diameter of 2 × Y2 or less than the maximum outer diameter of the coil 50, and the power receiving coil 1ma has a conductor winding surface within the conductor winding surface of the power transmission coil 1mb. The size and shape of the magnetic material plate 51a are selected so that the magnetic material plate 51a mounted on the coil 1ma always faces the conductive wire winding surface of the power transmission coil 1mb.

上記は、以下のように一般化できる。「コイル」とは、導線巻回面を指すものとする。対向するコイルの寸法と形状が異なるとき、大きい方のコイルの中心または重心からコイル端面までの最大距離をLa、小さい方のコイルの中心または重心からコイル端面までの最小寸法をLbとする。La、Lbは、前述のD1等の直径に対し、半径に相当する。よって、小さいほうのコイルは、4(La−Lb)+2×Lb=4×La−2×Lb、の寸法以下であって、小さいほうのコイル対向面が大きい方のコイル対向面内に入っているときには、必ず大きい方のコイル対向面に磁性材板が対向するような寸法、形状の磁性材板を小さいほうのコイルが装備しなければならない。   The above can be generalized as follows. The “coil” refers to a conductive wire winding surface. When the size and shape of the opposing coils are different, the maximum distance from the center or center of gravity of the larger coil to the coil end surface is La, and the minimum dimension from the center or center of gravity of the smaller coil to the coil end surface is Lb. La and Lb correspond to radii with respect to the diameters of D1 and the like described above. Therefore, the smaller coil has a dimension of 4 (La−Lb) + 2 × Lb = 4 × La−2 × Lb or less, and the smaller coil facing surface enters the larger coil facing surface. The smaller coil must be equipped with a magnetic material plate having a size and shape so that the magnetic material plate faces the larger coil facing surface.

図39は、コイル対向面が円形以外の場合に、対向する送電コイル1と受電コイル2の一例を示す図である。例えば、図39(A)に示すように、受電コイル2が一辺40mmの正方形であったとする。受電コイル1maは、送電コイル1mbの面内に完全に入っている。この場合、受電コイル1maの最小外径D2は40mm、送電コイル1mbの最大外径D1は57×√2≒80mmとなる。したがって、受電コイル1maに装備される磁性材板51は、図39(A)に示すように、一辺が80mmの正方形であればよい。   FIG. 39 is a diagram illustrating an example of the opposing power transmission coil 1 and power reception coil 2 when the coil facing surface is not circular. For example, as shown in FIG. 39A, it is assumed that the power receiving coil 2 is a square having a side of 40 mm. The power receiving coil 1ma is completely in the plane of the power transmitting coil 1mb. In this case, the minimum outer diameter D2 of the power reception coil 1ma is 40 mm, and the maximum outer diameter D1 of the power transmission coil 1mb is 57 × √2≈80 mm. Therefore, the magnetic material plate 51 provided in the power receiving coil 1ma may be a square having a side of 80 mm as shown in FIG.

前述した図37のYを図39(A)に適用すると、Y=D1−D2=80−40=40mmである。受電コイル1maに、D2+Y×2の外径を持つ磁性材板を装備している。したがって、図37において、受電コイル1maは、対角線が、D2+Y×2=40+40×2=120mm(最大外寸)、一辺が、120/√2≒85mm(最小外寸)である正方形の磁性材板51を少なくとも装備しないとならない。しかし、図39(B)に示すように、受電コイル1maと送電コイル1mbの相対角度を変え、受電コイル1maが送電コイル1mbの面内に完全に入っている場合においても、送電コイル1mbに磁性材板51が完全に対向しているのが分かる。   When Y in FIG. 37 is applied to FIG. 39A, Y = D1−D2 = 80−40 = 40 mm. The power receiving coil 1ma is equipped with a magnetic material plate having an outer diameter of D2 + Y × 2. Accordingly, in FIG. 37, the receiving coil 1ma is a square magnetic material plate whose diagonal is D2 + Y × 2 = 40 + 40 × 2 = 120 mm (maximum outer dimension) and whose one side is 120 / √2≈85 mm (minimum outer dimension). You must equip at least 51. However, as shown in FIG. 39B, even when the relative angle between the power receiving coil 1ma and the power transmitting coil 1mb is changed and the power receiving coil 1ma is completely within the plane of the power transmitting coil 1mb, the power transmitting coil 1mb is magnetically coupled. It can be seen that the material plates 51 are completely opposed.

図36〜図39の説明により、送電コイル1mbの磁性材板51の面積は、コイルの面積と同等またはそれ以上であり、コイルは磁性材板51の面積内にあり、受電コイル1maの磁性材板は、送電コイル1mbの面積内にあり、送電コイル1mb側の磁性材板に関係しない。また、送電コイル1mbと受電コイル1maの外径は、同一ないし受電コイル1maの外径のほうが小さく、受電コイル1maの導線巻回面は、送電コイル1mbの導線巻回面からはみ出ていない、というこれらの条件を満たしていれば、コイル、磁性材板の外径形状は問わない。   36 to 39, the area of the magnetic material plate 51 of the power transmission coil 1mb is equal to or larger than the area of the coil, the coil is within the area of the magnetic material plate 51, and the magnetic material of the power receiving coil 1ma. The plate is within the area of the power transmission coil 1mb and is not related to the magnetic material plate on the power transmission coil 1mb side. Further, the outer diameters of the power transmission coil 1mb and the power reception coil 1ma are the same or the outer diameter of the power reception coil 1ma is smaller, and the conductive wire winding surface of the power reception coil 1ma does not protrude from the conductive wire winding surface of the power transmission coil 1mb. As long as these conditions are satisfied, the outer diameter shape of the coil and the magnetic material plate is not limited.

ただし、小さい方のコイル端が大きい方のコイルの端内に完全に入っているときに、小さい方のコイルに装備する磁性板として、大きい方のコイルに対向するように寸法、形状の磁性板を選び、かつ、小さい方のコイルに装備する磁性板の装備位置が選ばれてなくてはならない。   However, when the smaller coil end is completely within the larger coil end, the magnetic plate is sized and shaped to face the larger coil as the magnetic plate to be equipped on the smaller coil. And the mounting position of the magnetic plate to be mounted on the smaller coil must be selected.

(コイル1fからコイル1tの特性について)
図40は、図38に示すコイル1f、図24に示すコイル1g、図25に示すコイル1h、図26に示すコイル1jとして、それぞれ図15に示したコイル1Gを使用したときの各コイルにおける実効直列抵抗Rw(Ω)の周波数との関係を示す図である。
(Characteristics of coil 1f to coil 1t)
FIG. 40 shows the effective in each coil when the coil 1G shown in FIG. 15 is used as the coil 1f shown in FIG. 38, the coil 1g shown in FIG. 24, the coil 1h shown in FIG. 25, and the coil 1j shown in FIG. It is a figure which shows the relationship with the frequency of series resistance Rw ((ohm)).

図41は、コイル1f,1g,1h,1jとして、それぞれコイル1Gを使用したときにおける各コイルのQの周波数との関係を示す図である。   FIG. 41 is a diagram illustrating a relationship between the Q frequency of each coil when the coil 1G is used as each of the coils 1f, 1g, 1h, and 1j.

図40より明らかなように、コイル50に絶縁板52と磁性材板51を装備したコイル1gとコイル1fを比較すれば、例えば、1MHzにおける実効直列抵抗Rw(Ω)は、コイル1gの方が低い。このように、絶縁板52をコイル50に装備することにより、高周波数領域でのコイルの実効直列抵抗Rw(Ω)を低くすることができる。この傾向は、コイル50に磁性材板511,絶縁板53、磁性材板512を装備したコイル1jと、コイル50に磁性材板511,512を装備したコイル1hとを比較しても同じである。   As is apparent from FIG. 40, when comparing the coil 1g and the coil 1f, in which the coil 50 is provided with the insulating plate 52 and the magnetic material plate 51, for example, the effective series resistance Rw (Ω) at 1 MHz is greater for the coil 1g. Low. As described above, by providing the coil 50 with the insulating plate 52, the effective series resistance Rw (Ω) of the coil in the high frequency region can be lowered. This tendency is the same even when the coil 1j in which the coil 50 is equipped with the magnetic material plate 511, the insulating plate 53, and the magnetic material plate 512 is compared with the coil 1h in which the coil 50 is equipped with the magnetic material plates 511 and 512. .

また、図41より明らかなように、コイル50に絶縁板52を装備したコイル1gは、例えば、1MHzにおけるコイルのQが、磁性材板51のみを装備したコイル1fよりも高い。図40、図41から明らかなように、絶縁板52をコイル50に装備しても、100kHzの周波数では、実効直列抵抗Rw(Ω)やQの差異は殆ど無い。このように、絶縁板52をコイル50に装備することにより、高周波数領域でのコイルのQを高くすることができる。この絶縁板の作用効果は、前述した磁性材板51または511,512を装備しているコイル1mからコイル1tにおいても同様である。よって、コイル1mからコイル1tについては、絶縁板に関する説明を省略する。   As is clear from FIG. 41, the coil 1g equipped with the insulating plate 52 in the coil 50 has a higher Q at 1 MHz than the coil 1f equipped with only the magnetic material plate 51, for example. As is apparent from FIGS. 40 and 41, even if the insulating plate 52 is provided in the coil 50, there is almost no difference in effective series resistance Rw (Ω) and Q at a frequency of 100 kHz. Thus, by providing the coil 50 with the insulating plate 52, the Q of the coil in the high frequency region can be increased. The effect of this insulating plate is the same in the coils 1m to 1t equipped with the magnetic material plates 51, 511, and 512 described above. Therefore, the description regarding an insulating board is abbreviate | omitted about the coil 1m to the coil 1t.

(各種金属板がコイルに対向したときの説明)
図42は、コイル1Gを使用して各種の金属板を近接対向させたときの、コイル1G単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル1G単体のインダクタンスLw(μH)を示す特性図である。
(Explanation when various metal plates face the coil)
FIG. 42 is a characteristic diagram showing the effective series resistance Rw (Ω) of the single coil 1G and the inductance Lw (μH) of the single coil 1G when various metal plates are brought close to each other using the coil 1G. .

図42に表記してあるが、構成(1)のコイルは、コイル1G単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、インダクタンスLw(μH)を表している。構成(2)のコイルは、後述する磁性材板を装備した場合に使用するので空欄としている。構成(3)のコイルは、コイル1Gに厚さ12μmのアルミ(Al)ホイルを近接させた状態である。構成(4)のコイルは、コイル1Gに厚さ0.1mmのアルミ板を近接させた状態である。構成(5)のコイルは、コイル1Gに厚さ0.5mmのアルミ板を近接させた状態である。構成(6)のコイルは、コイル1Gに厚さ3mmのアルミ板を近接させた状態である。構成(7)のコイルは、コイル1Gに厚さ35μmの銅箔(Cu)を近接させた状態である。構成(8)のコイルは、コイル1Gに厚さ0.1mmの銅板を近接させた状態である。構成(9)のコイルは、コイル1Gに厚さ0.5mmの銅板を近接させた状態である。構成(10)のコイルは、コイル1Gに厚さ0.5mmの鉄板(Fe)を近接させた状態である。図42には、構成(1)のコイル1G単体の特性と比較するため、構成(3)から構成(10)のコイルの、100kHzにおける実効直列抵抗Rw(Ω)と、インダクタンスLw(μH)が棒グラフで示してある。   Although shown in FIG. 42, the coil of the configuration (1) represents the effective series resistance Rw (Ω) and the inductance Lw (μH) of the coil 1G alone. The coil of the configuration (2) is left blank because it is used when a magnetic material plate described later is provided. The coil of the configuration (3) is in a state where an aluminum (Al) foil having a thickness of 12 μm is brought close to the coil 1G. The coil of the configuration (4) is in a state where an aluminum plate having a thickness of 0.1 mm is brought close to the coil 1G. The coil of the configuration (5) is in a state in which an aluminum plate having a thickness of 0.5 mm is brought close to the coil 1G. The coil of the configuration (6) is in a state in which an aluminum plate having a thickness of 3 mm is brought close to the coil 1G. The coil of the configuration (7) is in a state in which a copper foil (Cu) having a thickness of 35 μm is brought close to the coil 1G. The coil of the configuration (8) is in a state in which a copper plate having a thickness of 0.1 mm is brought close to the coil 1G. The coil of the configuration (9) is in a state in which a copper plate having a thickness of 0.5 mm is brought close to the coil 1G. The coil of the configuration (10) is in a state in which an iron plate (Fe) having a thickness of 0.5 mm is brought close to the coil 1G. In FIG. 42, the effective series resistance Rw (Ω) and the inductance Lw (μH) at 100 kHz of the coils of the configurations (3) to (10) are compared with the characteristics of the coil 1G alone of the configuration (1). It is shown as a bar graph.

(金属板近接影響を排除したコイルの構成と特性について)
図43は、コイル1Gに10mmの間隔を設けて各種の金属板を近接させたときの、コイル1Ga単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル1Ga単体のインダクタンスLw(μH)を示す特性図である。その他の構成で、コイル1Gaに装備する金属板は、前述したものと同じである。コイル1Gaは、図25に示すコイル1kの一実施形態である。
(Construction and characteristics of the coil excluding the influence of proximity to the metal plate)
FIG. 43 is a characteristic diagram showing the effective series resistance Rw (Ω) of the single coil 1Ga and the inductance Lw (μH) of the single coil 1Ga when various metal plates are brought close to the coil 1G with a distance of 10 mm. It is. In other configurations, the metal plate provided in the coil 1Ga is the same as described above. Coil 1Ga is an embodiment of coil 1k shown in FIG.

図44は、1枚の磁性材板51を設けたコイル1Gに各種の金属板を近接させたときの、コイル1Gb単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル1Gb単体のインダクタンスLw(μH)を示す特性図である。構成(2)のコイルは、コイル1Gbに磁性材板51を1枚装備し、金属板を近接させていない状態である。その他の構成で、コイル1Gに装備する金属板は、前述したものと同じである。コイル1Gbは、図38に示すコイル1fの一実施形態である。   44 shows the effective series resistance Rw (Ω) of the coil 1Gb alone and the inductance Lw (μH) of the coil 1Gb alone when various metal plates are brought close to the coil 1G having the single magnetic material plate 51. FIG. The coil of the configuration (2) is in a state where the coil 1Gb is equipped with one magnetic material plate 51 and no metal plate is brought close to the coil 1Gb. In other configurations, the metal plate provided in the coil 1G is the same as described above. Coil 1Gb is an embodiment of coil 1f shown in FIG.

図45は、コイル1Gに2枚の磁性材板511,512を設けたコイル1Gcに各種の金属板を近接させたときの、コイル1Gc単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル1G単体のインダクタンスLw(μH)を示す特性図である。構成(2)のコイルは、コイル1Gcに2枚の磁性材板511,512を装備し、金属板を近接させていない状態である。その他の構成で、コイル1Gcに装備する金属板は、前述したものと同じである。コイル1Gcは、図31に示すコイル1qの一実施形態である。   FIG. 45 shows the effective series resistance Rw (Ω) of the coil 1Gc alone and the coil 1G alone when various metal plates are brought close to the coil 1Gc provided with the two magnetic material plates 511 and 512 in the coil 1G. It is a characteristic view which shows inductance Lw ((micro | micron | mu) H). The coil of the configuration (2) is in a state where the coil 1Gc is equipped with the two magnetic material plates 511 and 512 and the metal plates are not brought close to each other. In other configurations, the metal plate provided in the coil 1Gc is the same as described above. Coil 1Gc is an embodiment of coil 1q shown in FIG.

図46は、前述したコイル1Ga、コイル1Gb、コイル1Gcの、100kHzにおける各コイルのQを示す特性図である。   FIG. 46 is a characteristic diagram showing the Q of each coil at 100 kHz of the coil 1Ga, the coil 1Gb, and the coil 1Gc described above.

図42から図46は、図15に示すコイル1G単体の実効直列抵抗Rw(Ω)の周波数特性を参考にし、実効直列抵抗Rw(Ω)がコイル1Gの直流抵抗とほぼ等しい100k
Hzを選んで計測してある。
42 to 46 refer to the frequency characteristics of the effective series resistance Rw (Ω) of the coil 1G alone shown in FIG. 15, and the effective series resistance Rw (Ω) is substantially equal to the DC resistance of the coil 1G.
It is measured by selecting Hz.

まず、図42に示す特性図を検討する。コイル1G単体の構成では、実効直列抵抗Rwは約0.2Ω、インダクタンスLwは約14μHであることが、図42より分かる。12μmのアルミホイルを近接対向させた構成(3)のコイル1Gでは、実効直列抵抗Rwが3Ω以上となり、インダクタンスLwは約5.5μHに減少している。常磁性金属である各種の厚さのアルミニウム板をコイル1Gに対向させた、構成(4)から構成(6)の特性図を見ると、アルミニウムの厚さが0.1mm以上では、厚さが増加するに従い、コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)は減少し、インダクタンスLw(μH)が増加しているのが分かる。この傾向は、反磁性金属である銅をコイル1Gに対向させた、構成(8)、構成(9)のコイルでも同じである。銅板の厚さが薄いと、コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)は減少し、インダクタンスLw(μH)も低下する。銅板の厚さが0.5mm程度になると、コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)は構成(5)の0.5mmのアルミ板と大差ない特性になっている。強磁性金属である0.5mmの鉄板をコイル1Gに近接対向させた場合は、構成(3)のアルミホイルを近接対向させたときと同じく、空芯状態に比べ、実効直列抵抗Rw(Ω)が10倍以上となり、インダクタンスLwは約8.5μHに減少している。すなわち、特許文献4に記載のような金属の磁気的な性質により、コイル特性が変動するのではなく、平面空芯渦巻状に巻回されたコイルに近接対向する金属板の厚さによって、コイル特性が変動する。   First, the characteristic diagram shown in FIG. 42 will be examined. 42 that the effective series resistance Rw is about 0.2Ω and the inductance Lw is about 14 μH in the configuration of the coil 1G alone. In the coil 1G having the configuration (3) in which 12 μm aluminum foils are closely opposed to each other, the effective series resistance Rw is 3Ω or more, and the inductance Lw is reduced to about 5.5 μH. Looking at the characteristic diagrams of configurations (4) to (6) in which an aluminum plate of various thicknesses, which is a paramagnetic metal, is opposed to the coil 1G, when the aluminum thickness is 0.1 mm or more, the thickness is As the value increases, the effective series resistance Rw (Ω) of the coil decreases and the inductance Lw (μH) increases. This tendency is the same in the coils of configurations (8) and (9) in which copper, which is a diamagnetic metal, is opposed to the coil 1G. When the copper plate is thin, the effective series resistance Rw (Ω) of the coil decreases and the inductance Lw (μH) also decreases. When the thickness of the copper plate is about 0.5 mm, the effective series resistance Rw (Ω) of the coil has characteristics that are not significantly different from the 0.5 mm aluminum plate of the configuration (5). When a 0.5 mm iron plate, which is a ferromagnetic metal, is placed close to and opposed to the coil 1G, the effective series resistance Rw (Ω) is the same as when the aluminum foil in the configuration (3) is placed close to the coil 1G. Is 10 times or more, and the inductance Lw is reduced to about 8.5 μH. That is, the coil characteristics do not fluctuate due to the magnetic properties of the metal as described in Patent Document 4, but the coil thickness depends on the thickness of the metal plate that is in close proximity to the coil wound in a planar air-core spiral shape. Characteristics vary.

図42に示す構成(3)から構成(10)の各コイルは、空芯状態と比べ、実効直列抵抗Rw(Ω)が過大となり、インダクタンスLw(μH)は過小となる。したがって、図42に示す構成(3)から構成(10)の各コイルは、実際には電力伝送装置のコイルとしては使用できない。図42は、以降に示す図43から図46と比較するデータである。なお、厚さが12μmのアルミホイルでは、インダクタンスの減少率は少ないものの、実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率は、コイル1G単体の15倍以上になっている。構成(4)のアルミ板の厚さが0.1mmになると、インダクタンスが増加しているところから見て、10μmと100μm(0.1mm)の間に、何らかの遷移点が存在するものと推察できる。   Each coil of configurations (3) to (10) shown in FIG. 42 has an effective series resistance Rw (Ω) that is excessive and an inductance Lw (μH) that is excessive compared to the air-core state. Therefore, the coils of configurations (3) to (10) shown in FIG. 42 cannot actually be used as coils of the power transmission device. FIG. 42 shows data to be compared with FIGS. 43 to 46 shown below. Incidentally, in the aluminum foil having a thickness of 12 μm, although the decrease rate of the inductance is small, the increase rate of the effective series resistance Rw (Ω) is 15 times or more that of the coil 1G alone. When the thickness of the aluminum plate of the configuration (4) is 0.1 mm, it can be inferred that some transition point exists between 10 μm and 100 μm (0.1 mm) when the inductance increases. .

構成(7)から構成(9)の銅板のデータを見ると、構成(4)から構成(6)とほぼ同等の傾向が見られる。銅は反磁性金属なので、断定はできないが、30μm前後の厚さを境にして、それよりも薄い金属板は、インダクタンスLw(μH)の減少率は少なくなり、実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率が急上昇するものと推察される。これは、構成(4)と構成(8)の0.1mmの厚さのアルミ板と銅板、構成(5)と構成(9)の0.5mmの厚さのアルミ板と銅板が、共に近い特性を示していることからも推察できる。構成(7)の35μm厚の銅箔の実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率が、構成(3)の厚さが12μmのアルミホイルの実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率よりも少ないのは、厚さが原因と推察される。   Looking at the data of the copper plates of the configuration (7) to the configuration (9), a tendency almost the same as that of the configuration (4) to the configuration (6) can be seen. Since copper is a diamagnetic metal, it cannot be determined, but with a thickness of about 30 μm as a boundary, a metal plate thinner than that has a reduced rate of decrease in inductance Lw (μH) and has an effective series resistance Rw (Ω). It is estimated that the rate of increase will rise rapidly. This is because the 0.1 mm thick aluminum plate and the copper plate in the configuration (4) and the configuration (8) are both close to the 0.5 mm thick aluminum plate and the copper plate in the configuration (5) and the configuration (9). It can be inferred from the fact that the characteristics are shown. The increase rate of the effective series resistance Rw (Ω) of the 35 μm-thick copper foil of the configuration (7) is smaller than the increase rate of the effective series resistance Rw (Ω) of the aluminum foil of the configuration (3) of 12 μm. Is presumed to be due to the thickness.

図43は、図27に示すコイル1kとして、コイル1Gに10mmの絶縁物を介して、図42に示した各種の金属板を対向させた前述のコイル1Gaの特性である。図42と比較しても明らかなように、図43では、実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率、インダクタンスLw(μH)の減少率も少ない。コイル1Gaの特性は、10mmの絶縁物を介することにより、大きく改善されているのが分かる。特にインダクタンスLwの値は、空芯状態の約13.7μHに比べ、約11.7μHにまでしか低下していない。Lw(μH)の値は、各構成ともにほぼ同一となっており、電力伝送装置に使用可能である。しかし、構成(3)の12μm厚のアルミホイルや、構成(7)の35μm厚の銅箔、構成(10)の強磁性体である0.5mmの鉄板がコイル1Gに対向したときには、コイル1Gの実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率が大きく、Rw(Ω)による電力損失が発生するので、このような構成は、電力伝送装置に使用するのに適していない。   FIG. 43 shows the characteristics of the coil 1Ga shown in FIG. 27 in which the various metal plates shown in FIG. 42 are opposed to the coil 1G via an insulator of 10 mm. As is apparent from comparison with FIG. 42, in FIG. 43, the increase rate of the effective series resistance Rw (Ω) and the decrease rate of the inductance Lw (μH) are also small. It can be seen that the characteristics of the coil 1Ga are greatly improved by using an insulator of 10 mm. In particular, the value of the inductance Lw has decreased only to about 11.7 μH compared to about 13.7 μH in the air-core state. The value of Lw (μH) is almost the same in each configuration, and can be used for a power transmission device. However, when the 12 μm thick aluminum foil of the configuration (3), the 35 μm thick copper foil of the configuration (7), and the 0.5 mm iron plate as the ferromagnetic material of the configuration (10) face the coil 1G, the coil 1G Since the increase rate of the effective series resistance Rw (Ω) is large and power loss due to Rw (Ω) occurs, such a configuration is not suitable for use in a power transmission device.

すなわち、図43を参照すると、コイルと金属間に一定の所定距離G(mm)を設ける手段を装備し、金属板として、0.1mm以上の、反磁性または常磁性の磁気的性質を持つ金属または合金を使用することにより、空芯コイルに近接する金属体の影響を排除できる。なお、図43に示す構成(1)および構成(2)以外の構成において、金属板のコイル対向面と反対側に、鉄などの強磁性金属を含む各種金属を近接させたが、インダクタンスLw(μH)の変化も、実効直列抵抗Rw(Ω)の変化も全く観測されていない。また、電力伝送性能に変化も無い。   That is, referring to FIG. 43, a means for providing a predetermined distance G (mm) between the coil and the metal is provided, and a metal having a diamagnetic or paramagnetic magnetic property of 0.1 mm or more as a metal plate. Alternatively, the use of an alloy can eliminate the influence of a metal body close to the air-core coil. In the configurations other than the configurations (1) and (2) shown in FIG. 43, various metals including a ferromagnetic metal such as iron are brought close to the opposite side of the metal plate to the coil facing surface. Neither change in μH) nor change in effective series resistance Rw (Ω) is observed. In addition, there is no change in power transmission performance.

特許文献4の段落番号0022には、磁界型空中線(コイル)よりも寸法が小さい金属板を使用してもよいと記載されている。しかし、導線を平面渦巻状に巻回して構成されるコイルの金属体近接影響を排除するには、前述した所定距離G(mm)を設け、強磁性体以外であって、厚さが0.1mm以上であるコイルの寸法と同等の寸法の金属または合金の板材を装備しなければならない。   In paragraph No. 0022 of Patent Document 4, it is described that a metal plate having a size smaller than that of the magnetic field type antenna (coil) may be used. However, in order to eliminate the influence of the proximity of the metal body of the coil formed by winding the conducting wire in a plane spiral shape, the above-mentioned predetermined distance G (mm) is provided, and the thickness is 0. It must be equipped with a metal or alloy plate of the same size as the coil that is 1 mm or more.

なお、特許文献4の段落番号0022には金属板を分割する旨の記載がある。本願発明者が、コイル1Gaを使用した構成(8)のコイルにて、0.1mmの銅箔を分割して特性を計測したところ、Lw=12.3μH、Rw=0.29Ωであった。この構成は、銅板を分割しないときの、Lw=11.7μH、Rw=0.23Ωに比べると特性はよい。これは、前述したが、金属体の体積に比例して増加する渦電流損が減少するためと推察される。そのことは、特許文献4の段落番号0022にも記載されている。   Note that paragraph number 0022 of Patent Document 4 describes that the metal plate is divided. The inventor of the present application measured the characteristics by dividing a 0.1 mm copper foil with the coil of the configuration (8) using the coil 1Ga, and Lw = 12.3 μH and Rw = 0.29Ω. This configuration has better characteristics than Lw = 11.7 μH and Rw = 0.23Ω when the copper plate is not divided. As described above, this is presumably because the eddy current loss that increases in proportion to the volume of the metal body decreases. This is also described in paragraph No. 0022 of Patent Document 4.

しかし、前記の0.1mmの銅箔を分割して装備した構成では、銅板のコイルの反対面に0.5mm厚の鉄板を近接させると、Lwが12.3μHに減少し、Rwが0.38Ωに増加した。銅板を分割しないと、銅板を分割した場合に比べ、インダクタンスLw(μH)の値は小さいが、実効直列抵抗Rw(Ω)の値が小さく、銅板のコイルの反対面に0.5mm厚の鉄板を近接させても、Lw(μH)、Rw(Ω)共に全く変化はなかった。したがって、特許文献4の段落番号0022に記載されている金属板を分割するような実施形態、金属板の寸法をコイルの寸法よりも小さくする実施形態では、特許文献4の段落番号0022に記載されているコイルに金属体が近接したときのコイル特性の変動を排除するという作用効果は期待できない。   However, in the configuration in which the 0.1 mm copper foil is divided and installed, when a 0.5 mm thick iron plate is brought close to the opposite surface of the copper plate coil, the Lw decreases to 12.3 μH and the Rw becomes 0.1. Increased to 38Ω. If the copper plate is not divided, the inductance Lw (μH) is smaller than the divided copper plate, but the effective series resistance Rw (Ω) is small. There was no change in both Lw (μH) and Rw (Ω) even when they were close to each other. Therefore, in an embodiment in which the metal plate described in paragraph No. 0022 of Patent Document 4 is divided, and in an embodiment in which the size of the metal plate is made smaller than that of the coil, it is described in Paragraph No. 0022 of Patent Document 4. The effect of eliminating the fluctuation of the coil characteristics when the metal body is close to the coil being coiled cannot be expected.

以上のように、図27に示すコイル1kの実施形態では、コイルと金属板の間に、コイルと金属板の距離を一定とする手段を備えることにより、金属板の裏面に他の金属体が近接しても、コイル1kのインダクタンスLw、実効直列抵抗Rwの変動を排除できる。図27に示すコイル1kは、コイルの裏面に一定間隔で金属板を設置できる送電部に適している。送電部がスチール製机上に置かれたときに、コイル1kのインダクタンスLw、実効直列抵抗Rwの変動を排除し、所定の電力伝送性能を維持できる。所定距離Gは、コイル1Gにおいては、10mmで良好な結果が得られている。しかし、所定距離G(mm)は、コイルの外径Dにより異なってくる。コイル1Gの外径Dは50mmなので、余裕を見て、例えば、G≧D/10=5mm、として所定距離G(mm)を決める。   As described above, in the embodiment of the coil 1k shown in FIG. 27, by providing means for making the distance between the coil and the metal plate constant between the coil and the metal plate, another metal body comes close to the back surface of the metal plate. However, fluctuations in the inductance Lw and effective series resistance Rw of the coil 1k can be eliminated. A coil 1k illustrated in FIG. 27 is suitable for a power transmission unit in which metal plates can be installed at regular intervals on the back surface of the coil. When the power transmission unit is placed on a steel desk, fluctuations in the inductance Lw and effective series resistance Rw of the coil 1k can be eliminated, and predetermined power transmission performance can be maintained. The predetermined distance G is 10 mm in the coil 1G, and good results are obtained. However, the predetermined distance G (mm) varies depending on the outer diameter D of the coil. Since the outer diameter D of the coil 1G is 50 mm, a predetermined distance G (mm) is determined by considering a margin, for example, G ≧ D / 10 = 5 mm.

次に、図28に示すコイル1mの実施形態の特性図である図44について考察する。図44の構成(2)は、コイル1Gに0.3mm厚の磁性材板を取り付けたコイル1Gb単体の実効直列抵抗Rw(Ω)とインダクタンスLw(μH)を示している。コイル1Gb単体では、空芯状態のコイル1G単体に比べ、インダクタンスLw(μH)が増加しており、実効直列抵抗Rw(Ω)は殆ど変化していない。コイル1Gbのコイルの反対面に図42、図43と同等の金属板を装備した構成(3)から構成(10)の各コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)とインダクタンスLw(μH)が図示されている。構成(3)から構成(10)において、インダクタンスLwの値はほぼ同一となっている。しかし、図44を見れば明らかなように、図43と同等にして、12μmの厚さのアルミホイルを装備した構成(3)、35μmの厚さの銅箔を装備した構成(7)、0.5mmの厚さの鉄板を装
備した構成(10)のコイルは、実効直列抵抗Rw(Ω)が高くなっている。
Next, consider FIG. 44, which is a characteristic diagram of the embodiment of the coil 1m shown in FIG. The configuration (2) in FIG. 44 shows the effective series resistance Rw (Ω) and the inductance Lw (μH) of the coil 1Gb alone in which a magnetic material plate having a thickness of 0.3 mm is attached to the coil 1G. In the coil 1Gb alone, the inductance Lw (μH) is increased and the effective series resistance Rw (Ω) is hardly changed compared to the coil 1G alone in the air-core state. The effective series resistance Rw (Ω) and inductance Lw (μH) of each of the coils in the configurations (3) to (10) in which the same metal plate as that shown in FIGS. 42 and 43 is provided on the opposite surface of the coil 1Gb are shown. ing. In the configurations (3) to (10), the value of the inductance Lw is almost the same. However, as is apparent from FIG. 44, as in FIG. 43, a configuration (3) equipped with an aluminum foil having a thickness of 12 μm, a configuration (7) equipped with a copper foil having a thickness of 35 μm, 0 The coil of the configuration (10) equipped with a steel plate having a thickness of 0.5 mm has a high effective series resistance Rw (Ω).

さらに、本発明のその他の実施形態である図31に示す構成のコイル1qの各構成の特性を、図45を参照して検討してみる。図31に示す構成のコイル1qには、2枚の磁性材板511,512が装備されている。2枚の磁性材板511,512は、絶縁層を設けて重ねるのが好ましい。図45を参照すると、コイル1Gに磁性材板2枚を装備したコイル1Gc単体の特性は、構成(2)で示され、インダクタンスLwは、約22.5μHと、空芯状態の約14μHに比べ、約1.6倍になっている。   Furthermore, the characteristics of each component of the coil 1q having the configuration shown in FIG. 31, which is another embodiment of the present invention, will be examined with reference to FIG. The coil 1q having the configuration shown in FIG. 31 is equipped with two magnetic material plates 511 and 512. The two magnetic material plates 511 and 512 are preferably stacked with an insulating layer. Referring to FIG. 45, the characteristics of a single coil 1Gc equipped with two magnetic material plates in the coil 1G are shown in the configuration (2), and the inductance Lw is about 22.5 μH, which is about 14 μH in an air-core state. , About 1.6 times.

図44と比較すると、構成(3)から構成(10)の全てにおいて、インダクタンスLwは20μHを越えている。さらに、構成(3)から構成(10)の全てにおいて、インダクタンスLw(μH)の値は、ほぼ同一である。そして、図44と比較すると、構成(3)の12μm厚のアルミホイルや、構成(7)の35μm厚の銅箔、構成(10)の強磁性体である0.5mmの鉄板がコイル1Gcに対向しても、実効直列抵抗Rw(Ω)の変化が殆ど無いという特徴が見られる。すなわち、磁性材板を2枚重ねて装備することにより、コイルは、磁性材板のコイル対向面の反対側に装備する金属の磁気的性質や厚さの影響を受けなくなる。図31に示す構成のコイル1qのような構成とすることにより、アルミ箔のような薄い金属で、前述した金属体の近接影響を排除できる。   Compared to FIG. 44, in all of the configurations (3) to (10), the inductance Lw exceeds 20 μH. Further, in all of the configurations (3) to (10), the value of the inductance Lw (μH) is substantially the same. Compared with FIG. 44, the 12 μm-thick aluminum foil of the configuration (3), the 35 μm-thick copper foil of the configuration (7), and the 0.5 mm iron plate as the ferromagnetic material of the configuration (10) are used as the coil 1Gc. Even when facing each other, there is a feature that there is almost no change in the effective series resistance Rw (Ω). That is, by mounting two magnetic material plates in an overlapping manner, the coil is not affected by the magnetic properties or thickness of the metal provided on the opposite side of the coil facing surface of the magnetic material plate. By adopting a configuration like the coil 1q having the configuration shown in FIG. 31, the above-described proximity effect of the metal body can be eliminated with a thin metal such as an aluminum foil.

なお、磁性材板としては、厚さが0.01mmから1.5mm、構成としては、磁性材粉をバインダーで固めたもの、アモルファス系、フェライト系等、種々のものを試験した。金属板の違いによる特性は、前述した図43から図45と同一であった。また、コイル1f、コイル1qの構成で、インダクタンスの増加が大きいものは、実効直列抵抗の増加も大きかった。100kHzにおいて、いずれの磁性材板でも、インダクタンスの増加率と実効直列抵抗の増加率は、ほぼ同等であった。後述するように、これらの実測結果は、この構成規定が、一般性を持つことを示している。   In addition, as the magnetic material plate, a thickness of 0.01 mm to 1.5 mm and various configurations such as a magnetic material powder solidified with a binder, an amorphous type, and a ferrite type were tested. The characteristics due to the difference in the metal plates were the same as those shown in FIGS. Further, in the configuration of the coil 1f and the coil 1q, the increase in effective series resistance was large when the increase in inductance was large. At 100 kHz, the increase rate of the inductance and the increase rate of the effective series resistance were almost equal for any magnetic material plate. As will be described later, these actual measurement results indicate that this configuration rule has generality.

以上の結果は、図46にまとめてある。まず、コイル1kの一例であるコイル1Ga、コイル1fの一例であるコイル1Gbの、構成(5)と構成(9)を比較してみる。0.5mmの厚さの常磁性金属であるアルミニウム板がコイル1Gaに装備された場合と、反磁性金属である銅板がコイル1Gaに装備された場合のQの値は、殆ど変わらない。コイル1Gbにおいても、0.5mmの厚さの常磁性金属であるアルミニウム板がコイル1Gbに装備された場合と、反磁性金属である銅板がコイル1Gbに装備された場合のQの値は、殆ど変わらない。すなわち、特許文献4に記載のように、反磁性金属が、コイルに近接する金属体によるコイル特性の影響排除に適しているのではない。コイルに装備される金属で、コイル特性を劣化させるのは、強磁性金属と、強磁性以外の金属では、金属板の厚さのみであることが、図46より分かる。さらに、磁性材板を2枚以上装備したコイル1qの構成のコイル1Gcでは、金属の磁気的性質、金属板の厚さに関係なく、コイルの対向面の反対側に近接する金属体によるコイル特性の変動を防止できるのが分かる。   The above results are summarized in FIG. First, the configurations (5) and (9) of the coil 1Ga that is an example of the coil 1k and the coil 1Gb that is an example of the coil 1f will be compared. The value of Q is almost the same when the coil 1Ga is equipped with a 0.5 mm-thick paramagnetic metal aluminum plate and when the coil 1Ga is equipped with a diamagnetic metal copper plate. Also in the coil 1Gb, when the coil 1Gb is equipped with a 0.5 mm-thick paramagnetic metal aluminum plate and when the coil 1Gb is equipped with a diamagnetic metal copper plate, the Q value is almost does not change. That is, as described in Patent Document 4, the diamagnetic metal is not suitable for eliminating the influence of the coil characteristics due to the metal body close to the coil. It can be seen from FIG. 46 that the metal mounted on the coil deteriorates the coil characteristics only in the thickness of the metal plate in the case of the ferromagnetic metal and the metal other than the ferromagnetic metal. Furthermore, in the coil 1Gc having the configuration of the coil 1q equipped with two or more magnetic material plates, the coil characteristics due to the metal body close to the opposite side of the opposing surface of the coil regardless of the magnetic properties of the metal and the thickness of the metal plate. It can be seen that the fluctuation of the can be prevented.

なお、図46に図示してあるが、構成(1)のコイル1G空芯単体のQは、約42.5である。図46に記載の各構成のコイルで、電力伝送用コイルとして適していないのは、コイル1k、コイル1mであって、構成(3)、構成(7)、構成(10)になる。この規定は、コイル1G空芯単体のQ、約42.5の70%であるQ=30を基準とし、基準値以上のQを持つコイルを選んでいる。図46に図示してあるQ=30の線以上のQを持つコイルならよい。ただし、図46は、各構成のコイルのQを比較するものである。実際には、図43から図45に示す、実効直列抵抗Rw(Ω)の周波数特性を計測し、実効直列抵抗Rw(Ω)の過大なコイル、実効直列抵抗Rw(Ω)の周波数特性が悪いコイルは除外しないとならない。コイルのQと実効直列抵抗Rw(Ω)の双方から判断するのが好ましい。基準値Q=30は、実際に空芯のコイル1Gを使用して電力伝送を行なったときと比較し、90%以上の電力伝送性能を持つ条件として規定している。   In addition, although illustrated in FIG. 46, Q of the coil 1G single core of the configuration (1) is about 42.5. The coils having the respective configurations shown in FIG. 46 that are not suitable as the power transmission coil are the coil 1k and the coil 1m, which are the configuration (3), the configuration (7), and the configuration (10). This rule is based on the Q of the coil 1G air core alone, which is 70% of about 42.5, Q = 30, and a coil having a Q higher than the reference value is selected. Any coil having a Q higher than the line Q = 30 shown in FIG. However, FIG. 46 compares the Qs of the coils of each configuration. Actually, the frequency characteristic of the effective series resistance Rw (Ω) shown in FIGS. 43 to 45 is measured, and the frequency characteristic of the effective series resistance Rw (Ω) is poor because the coil has an excessive effective series resistance Rw (Ω). The coil must be excluded. It is preferable to judge from both the Q of the coil and the effective series resistance Rw (Ω). The reference value Q = 30 is defined as a condition having a power transmission performance of 90% or more compared to the case where power transmission is actually performed using the air-core coil 1G.

(電力伝送用コイルの構成規定が一般性を持つことについての説明)
前述したように、コイルの特定的構成を規定するだけでは、性能のよいコイルを実現できない。しかし、本実施形態におけるコイルの特定的構成は、コイルの線種、巻き方、外径などにかかわらず、同じ作用効果を呈する。すなわち、本実施形態におけるコイルの特定的構成は、コイルの線種、巻き方、外径などにかかわらず、コイル裏面に金属体が近接したときの、コイル特性の変動を抑える効果がある。その例を以下に示す。
(Explanation that the power transmission coil configuration rules are general)
As described above, a coil with good performance cannot be realized simply by defining a specific configuration of the coil. However, the specific configuration of the coil in the present embodiment exhibits the same effects regardless of the coil type, winding method, outer diameter, and the like. That is, the specific configuration of the coil in the present embodiment has an effect of suppressing fluctuations in coil characteristics when a metal body is close to the back surface of the coil regardless of the wire type, winding method, outer diameter, and the like of the coil. An example is shown below.

図47は、図12に示したコイル1Dを、図27に示すコイル1kと同等の構成において、図43と同じく、実効直列抵抗Rw(Ω)とインダクタンスLw(μH)を計測した特性図である。図47においては、コイル1Dと金属板間の距離は5mmに設定して計測してある。   47 is a characteristic diagram obtained by measuring the effective series resistance Rw (Ω) and the inductance Lw (μH) of the coil 1D shown in FIG. 12 in the same configuration as the coil 1k shown in FIG. . In FIG. 47, the distance between the coil 1D and the metal plate is set to 5 mm and measured.

図48は、図13に示したコイル1Eを、図27に示すコイル1kと同等の構成において、図47と同じく、実効直列抵抗Rw(Ω)とインダクタンスLw(μH)を計測した特性図である。図48においては、コイル1Eと金属板間の距離は10mmに設定して計測してある。   FIG. 48 is a characteristic diagram in which the effective series resistance Rw (Ω) and the inductance Lw (μH) are measured for the coil 1E shown in FIG. 13 in the same configuration as the coil 1k shown in FIG. . In FIG. 48, the distance between the coil 1E and the metal plate is set to 10 mm and measured.

図43、図47、図48を比較すると、図27に示す構成のコイル1kにおいて、金属板55として、アルミホイルを用いて構成した例(3)、銅箔を用いて構成して例(7)、鉄板を用いて構成した例(10)のコイルでは、いずれも実効直列抵抗Rw(Ω)が、他の構成のコイルよりも増加しているのが分かる。   43, 47, and 48 are compared. In the coil 1k having the configuration shown in FIG. 27, the metal plate 55 is configured using an aluminum foil as an example (3), and is configured using a copper foil as an example (7). ), It can be seen that the effective series resistance Rw (Ω) of each of the coils of the example (10) configured using the iron plate is increased as compared with the coils of other configurations.

この傾向は、コイル1D、コイル1E共に、図28に示すコイル1mの構成、図31に示すコイル1qの構成においても同様である。すなわち、コイルと金属板の間に所定距離G(mm)のみを設けた場合、コイル50と金属板55の間に磁性材板を1枚設けた場合では、金属板55としてアルミホイルを用いて構成した例(3)、銅箔を用いて構成した例(7)、鉄板を用いて構成した例(10)のコイルでは、いずれも実効直列抵抗Rw(Ω)が、他の構成のコイルよりも増加する。コイル50と金属板55の間に磁性板を2枚以上設けた場合は、金属板55の種類や厚さにより、実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率が図45のように殆ど無い。   This tendency is the same for both the coil 1D and the coil 1E in the configuration of the coil 1m shown in FIG. 28 and the configuration of the coil 1q shown in FIG. That is, when only a predetermined distance G (mm) is provided between the coil and the metal plate, or when one magnetic material plate is provided between the coil 50 and the metal plate 55, the metal plate 55 is configured using aluminum foil. In the coil of the example (3), the example (7) configured using the copper foil, and the example (10) configured using the iron plate, the effective series resistance Rw (Ω) is increased more than the coils of the other configurations. To do. When two or more magnetic plates are provided between the coil 50 and the metal plate 55, there is almost no increase in effective series resistance Rw (Ω) as shown in FIG. 45 depending on the type and thickness of the metal plate 55.

図27に示す構成のコイル1kの作用効果は、特許文献4に記載のように、コイルの対向面と反対側に金属体が近接したときに、コイル特性の変動を防ぐものである。図28に示す構成のコイル1m、図31に示す構成のコイル1qの作用効果も、コイルの対向面と反対側に金属体が近接したときの、コイル特性の変動を防ぐものである。図28に示す構成のコイル1m、図31に示す構成のコイル1qの他の作用効果として、不要輻射の防止がある。不要輻射防止のためには、図31に示すコイル1qの構成が好ましい。前述したように、コイル1qは、金属板の材質や厚さの影響を殆ど受けない。したがって、図38に示すコイル1hであっても、金属体の近接影響を排除可能である。   The effect of the coil 1k having the configuration shown in FIG. 27 is to prevent fluctuations in coil characteristics when a metal body is close to the opposite side of the coil facing surface, as described in Patent Document 4. The operational effects of the coil 1m having the configuration shown in FIG. 28 and the coil 1q having the configuration shown in FIG. 31 also prevent fluctuations in coil characteristics when a metal body is close to the opposite side of the opposing surface of the coil. Another effect of the coil 1m having the configuration shown in FIG. 28 and the coil 1q having the configuration shown in FIG. 31 is prevention of unnecessary radiation. In order to prevent unnecessary radiation, the configuration of the coil 1q shown in FIG. 31 is preferable. As described above, the coil 1q is hardly affected by the material and thickness of the metal plate. Therefore, even if it is the coil 1h shown in FIG. 38, the proximity | contact effect of a metal body can be excluded.

図43から図45においては、金属板と磁性材板、および絶縁板から構成されるコイル1n、コイル1p、コイル1r、コイル1s、コイル1tのデータは省略してある。これは、図43から図45に示すのと同様に、金属板55の作用効果が同一だからである。このような構成のコイルは、図40、図41に示すように、高周波数領域での実効直列抵抗Rw(Ω)の増加を抑え、Qを高める作用効果がある。実測上も、高周波数領域になると、前述した各コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)が、コイル1n、コイル1qに比べ、低下し、各コイルのQが、コイル1n、コイル1qに比べ、上昇するのが確認されている。   In FIG. 43 to FIG. 45, the data of the coil 1n, the coil 1p, the coil 1r, the coil 1s, and the coil 1t that are constituted by the metal plate, the magnetic material plate, and the insulating plate are omitted. This is because the effect of the metal plate 55 is the same as shown in FIGS. As shown in FIGS. 40 and 41, the coil having such a configuration has an effect of suppressing an increase in effective series resistance Rw (Ω) in a high frequency region and increasing Q. In actual measurement, in the high frequency region, the effective series resistance Rw (Ω) of each coil described above decreases compared to the coils 1n and 1q, and the Q of each coil increases compared to the coils 1n and 1q. Has been confirmed to do.

なお、前述したように、コイル1G2組のRw、Rs、Rnの周波数特性は極めてよい
。図15によると、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1は、10MHz以上、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2は、約2.2MHzとなっている。しかし、前述した構成のコイル1mとコイル1qは、特にf2(Hz)が低下する。この点について、以下に考察してみる。
As described above, the frequency characteristics of Rw, Rs, and Rn of the coil 1G2 set are extremely good. According to FIG. 15, the maximum frequency f1 satisfying Rs> Rw is 10 MHz or more, and the maximum frequency f2 satisfying Rs> Rn ≧ Rw is about 2.2 MHz. However, especially in the coil 1m and the coil 1q having the above-described configuration, f2 (Hz) is lowered. Consider this point below.

(磁性材板を装備したコイルの説明)
図49は、コア53に導線56を巻回したコイル1Hの一例を示す図である。図49(A)はコイル1Hの単体の構成図、図49(B)は2個のコイル1Ha、1Hbが誘導結合している状態を表す図である。
(Description of coil equipped with magnetic material plate)
FIG. 49 is a diagram illustrating an example of a coil 1 </ b> H in which a conducting wire 56 is wound around a core 53. FIG. 49A is a configuration diagram of a single coil 1H, and FIG. 49B is a diagram illustrating a state in which two coils 1Ha and 1Hb are inductively coupled.

図49(B)においては、2個のコイル1Ha,1Hbのコア53a,53bを直接接触させず、図示しない両面テープなどを介して接着する。   In FIG. 49 (B), the cores 53a and 53b of the two coils 1Ha and 1Hb are not directly contacted but bonded via a double-sided tape (not shown).

図50は、図49の構成を持つコイル1Hのコイル単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、2個のコイル1Ha,1Hbを誘導結合させ、他方のコイルの両端を短絡したときの、一方のコイルの実効直列抵抗Rs(Ω)、他方のコイルの両端を開放したときの、一方のコイルの実効直列抵抗をRn(Ω)、としたときの、Rw、Rs、Rnと周波数との関係を示す図である。   FIG. 50 shows the effective series resistance Rw (Ω) of the single coil of the coil 1H having the configuration of FIG. 49 and the two coils 1Ha and 1Hb inductively coupled and short-circuiting both ends of the other coil. The relationship between Rw, Rs, Rn and frequency when the effective series resistance Rs (Ω) of the coil and the effective series resistance of one coil when the both ends of the other coil are opened are Rn (Ω). FIG.

図51は、コイル1H単体のインダクタンスLw(μH)と、2個のコイル1Ha,1Hbを誘導結合させ、他方のコイルを短絡したときの一方のコイルのインダクタンスLs(μH)、他方のコイルを開放したときの一方のコイルのインダクタンスをLn(μH)、としたときの、Lw、Ls、Lnと周波数との関係を示す図である。   In FIG. 51, the inductance Lw (μH) of the coil 1H alone and the two coils 1Ha and 1Hb are inductively coupled, and the other coil is opened when the other coil is short-circuited. It is a figure which shows the relationship between Lw, Ls, Ln, and a frequency when the inductance of one coil at this time is set to Ln (microH).

図50を参照する限りにおいて、コイル1Hは、Rw(Ω)とRs(Ω)の乖離が小さい。これは、両コイル間の結合係数が、約0.3程度と小さいからである。前述した方法で近似的に求めた結合係数krも、約0.3程度になっている。さらに、図51を参照すると、1kHzから10MHzまでの周波数領域で、Ln>Ls>Lw、となっている。   As far as FIG. 50 is referred to, the coil 1H has a small difference between Rw (Ω) and Rs (Ω). This is because the coupling coefficient between both coils is as small as about 0.3. The coupling coefficient kr approximately obtained by the method described above is also about 0.3. Further, referring to FIG. 51, Ln> Ls> Lw in the frequency region from 1 kHz to 10 MHz.

前述した(4)式は、Z=(R1+AR2)+jω(L1−AL2)、
前述した(5)式は、Z=R1+jωL1、かつ、A2≧0であるので、一方のコイルと誘導結合している他方のコイルが短絡されると、一方のコイルのインダクタンスは減少しなければならない。すなわち、Lw=Ln>Ls、の関係を満足しないといけない。
The above-described equation (4) is expressed by Z = (R1 + A 2 R2) + jω (L1-A 2 L2),
In the above formula (5), Z = R1 + jωL1 and A2 ≧ 0. Therefore, when the other coil inductively coupled with one coil is short-circuited, the inductance of one coil must be reduced. . That is, the relationship Lw = Ln> Ls must be satisfied.

図52は、コイル1Gが空芯状態のときに計測した、Lw、Ls、Ln、およびLwとLsより近似的求められる結合係数kiと周波数との関係を示す図である。   FIG. 52 is a diagram illustrating the relationship between Lw, Ls, Ln, and the coupling coefficient ki approximately obtained from Lw and Ls and the frequency, measured when the coil 1G is in the air-core state.

図52においては、前述したように、コイル1Gに印加される電圧Vとコイル1Gに流れる電流Iの位相差φが、80度以下となる20kHz以下の周波数を除き、20kHz以上の周波数では、Lw=Ln>Ls、なる回路理論上の関係を、少なくとも4MHzまで満足しているのが分かる。図51と図52の差異は、以下のように推測される。図51においては、図49(A)のようなコイル単体のときに比べ、図49(B)のように同一の2個のコイルが誘導結合すると、双方のコイルに比透磁率の高いコア53a,53bが磁気的に結合されるので、Ln(μH)が上昇する。しかし、他方のコイルを短絡すると、Ls(μH)は、Ln(μH)よりも低くなる。この場合、Ls>Lw、となるのは、コアの材質、コアの比透磁率、導線の線材や線径、コイルの構成によって決まるものと思われる。本願発明者が、図49(B)のような構成を持つ種々のコイルについて、Lw、Ls、Lnを計測してみたところ、Ls<Lw、となるコイルは存在した。しかし、Ln=Lw、となるコイルは存在せず、必ず、Ln>Ls、となっていた。前述した変成器の構成と回路理論から、図49(A)のような構成を持つコイルを、図49(B)のように誘導結合させると、両コイルが分離不能な変成器と同じ状態であると考えられる。   In FIG. 52, as described above, Lw at a frequency of 20 kHz or more except for a frequency of 20 kHz or less where the phase difference φ between the voltage V applied to the coil 1G and the current I flowing through the coil 1G is 80 degrees or less. It can be seen that the circuit theoretical relationship of = Ln> Ls is satisfied up to at least 4 MHz. The difference between FIG. 51 and FIG. 52 is estimated as follows. In FIG. 51, when the same two coils are inductively coupled as shown in FIG. 49B, compared with the case of a single coil as shown in FIG. 49A, the core 53a having a high relative permeability in both coils. , 53b are magnetically coupled, so that Ln (μH) rises. However, when the other coil is short-circuited, Ls (μH) becomes lower than Ln (μH). In this case, it is considered that Ls> Lw is determined by the core material, the relative magnetic permeability of the core, the wire and diameter of the conductive wire, and the coil configuration. When the inventor of the present application measured Lw, Ls, and Ln for various coils having the configuration shown in FIG. 49B, there was a coil satisfying Ls <Lw. However, there is no coil that satisfies Ln = Lw, and Ln> Ls. From the configuration of the transformer and the circuit theory described above, when the coil having the configuration shown in FIG. 49A is inductively coupled as shown in FIG. 49B, both coils are in the same state as the transformer that cannot be separated. It is believed that there is.

図53は、トロイダルコア73に1次コイル71と2次コイル72とを巻回した1次コイルと2次コイルが分離不能な変成器70の構成を示す図である。   FIG. 53 is a diagram showing a configuration of a transformer 70 in which a primary coil and a secondary coil in which a primary coil 71 and a secondary coil 72 are wound around a toroidal core 73 cannot be separated.

本願発明者は、確認のため、図53に示す構成の変成器70を用いて、Rn(変成器は両コイルが分離不能のため、Rw、Lwは計測できない)、Rs、Ln、Lsを周波数100kHzにて計測してみた。Ln=2.83mH、Ls=23.4μH、Rn=603Ω、Rs=0.56Ω、となった。比透磁率の高いコアを装備した変成器においても、やはり、Rn>Rs、という回路理論に反する計測結果が得られている。上記のLn、Lsから、近似的に結合係数kiを求めると、ki=√((Ln−Ls)/Ln)、であるので、ki=√((2830−0.0234)/2830)=√(0.99999)
=0.999995≒1
となり、ほぼ密結合状態であった。このように、図53の変成器おいては、LnとLsから近似的に結合係数kiを求めればよい。したがって、前述した図28のコイル1m、図31のコイル1qにおいては、低い周波数においても、Ln>Lw、となることが想定される。また、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2(Hz)も低下することが想定される。
For confirmation, the inventor of the present invention uses a transformer 70 having the configuration shown in FIG. 53 to measure Rn (the transformer cannot measure Rw and Lw because both coils cannot be separated), Rs, Ln, and Ls. I measured at 100 kHz. Ln = 2.83 mH, Ls = 23.4 μH, Rn = 603Ω, Rs = 0.56Ω. Even in a transformer equipped with a core having a high relative permeability, a measurement result contrary to the circuit theory that Rn> Rs is obtained. When the coupling coefficient ki is approximately calculated from the above Ln and Ls, ki = √ ((Ln−Ls) / Ln), so ki = √ ((2830−0.0234) / 2830) = √ (0.99999)
= 0.999995 ≒ 1
It was almost tightly coupled. Thus, in the transformer of FIG. 53, the coupling coefficient ki may be obtained approximately from Ln and Ls. Therefore, in the coil 1m of FIG. 28 and the coil 1q of FIG. 31 described above, it is assumed that Ln> Lw even at a low frequency. It is also assumed that the maximum frequency f1 (Hz) satisfying Rs> Rw and the maximum frequency f2 (Hz) satisfying Rs> Rn ≧ Rw are also decreased.

図54は、図38に示すコイル1fであるコイル1Gbにおいて、コイル1Gbを2個使用したときの、Lw、Ls、Ln、ki、ki2と周波数との関係を示す図である。   FIG. 54 is a diagram showing a relationship between Lw, Ls, Ln, ki, ki2 and frequency when two coils 1Gb are used in the coil 1Gb which is the coil 1f shown in FIG.

図54において、ki2は、LwとLsではなく、LnとLsから求めてある。   In FIG. 54, ki2 is obtained from Ln and Ls instead of Lw and Ls.

ki2=√((Ln−Ls)/Ln)である。これは、前述した図53に示す変成器と同じ結合係数kiの近似的な求め方である。前述したLwとLsより近似的に求めた結合係数kiとki2の双方がプロットされている。Ln(μH)はLw(μH)の倍近くになっているが、平方根を取るので、kiとki2には余り差が無く、いずれも0.9以上になっている。これは、図15にプロットされたkr、kiの値、約0.84に比して、いずれも大きい値となっている。このように、磁性材板は、両コイル間の結合係数を上昇させる作用を持っている。   ki2 = √ ((Ln−Ls) / Ln). This is an approximate method for obtaining the same coupling coefficient ki as that of the transformer shown in FIG. Both the coupling coefficients ki and ki2 approximately obtained from the aforementioned Lw and Ls are plotted. Ln (μH) is close to twice Lw (μH), but since it takes a square root, there is no significant difference between ki and ki2, and both are 0.9 or more. This is a large value compared to the values of kr and ki plotted in FIG. Thus, the magnetic material plate has an effect of increasing the coupling coefficient between the two coils.

図54では、図51の、Ln>Ls>Lw、とは異なり、Ln>Lw>Ls、の関係となっている。本願では、誘導結合可能な構成のコイルについて電力伝送性能のよいコイルに着目して種々のコイル特性や構成を規定してきた。しかし、図49に示すように、同一のコイル2個間で誘導結合が可能な構成を持つコイルであって、Rs>Rw、の関係を、100kHzにて満足しているコイルであるならば、電力伝送装置のみならず、受動部品であるコイルとしての性能がよい。さらに、Lw>Ls、の関係を、100kHzにて満足しているコイルであるならば、受動部品であるコイルとしての性能がよい。そして、図49に示す構成のコイルは、コアを装備しているので、金属体の近接影響は無いものと従来では考えられていた。   54, unlike Ln> Ls> Lw in FIG. 51, the relationship is Ln> Lw> Ls. In the present application, various coil characteristics and configurations have been defined for coils having a configuration capable of inductive coupling, focusing on coils having good power transmission performance. However, as shown in FIG. 49, if the coil has a configuration capable of inductive coupling between two identical coils and satisfies the relationship of Rs> Rw at 100 kHz, Not only the power transmission device but also the performance as a coil which is a passive component is good. Furthermore, if the coil satisfies the relationship of Lw> Ls at 100 kHz, the performance as a coil that is a passive component is good. And since the coil of the structure shown in FIG. 49 is equipped with the core, it was conventionally considered that there is no proximity effect of a metal body.

図55は、図49の構成を持つコイルであって、図50、図51の特性を持つコイル1Hに、図44のように、各種の金属板を図49(A)のA面に近接させたときの、100kHzにおける実効直列抵抗Rw(Ω)と、インダクタンスLw(μH)を示す特性図である。   FIG. 55 shows a coil having the configuration shown in FIG. 49. Various types of metal plates are placed close to the A surface of FIG. 49A in the coil 1H having the characteristics shown in FIGS. 50 and 51, as shown in FIG. FIG. 6 is a characteristic diagram showing an effective series resistance Rw (Ω) at 100 kHz and an inductance Lw (μH).

図55を図44と比べて見ると、インダクタンスLw(μH)の減少率は小さいものの、実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率とともに、図44とほぼ同一の傾向にある。すなわち、以上に説明してきたように、誘導結合が可能な構成のコイルは、金属体の近接影響を受け、実効直列抵抗Rw(Ω)が上昇する。12μmの厚さのアルミホイルが近接した構成(3)、35μmの厚さの銅箔が近接した構成(7)、0.5mmの厚さの鉄板が近接した構成(10)のコイルは、実効直列抵抗Rw(Ω)が、図44と同様に高くなっている。また、図44と同様の構成により、インダクタンスLw(μH)が減少している。あるいは、誘導結合が可能な構成のコイル1Hを2個使用し、両コイルを誘導結合させると、Ln>Lw、となる。コイル全体の構成によっては、Ln>Lw>Ls、という回路理論に反するものも有る。   When FIG. 55 is compared with FIG. 44, the decrease rate of the inductance Lw (μH) is small, but the increase rate of the effective series resistance Rw (Ω) tends to be almost the same as that of FIG. That is, as described above, the coil having a configuration capable of inductive coupling is affected by the proximity of the metal body, and the effective series resistance Rw (Ω) increases. The coil of the configuration in which the aluminum foil having a thickness of 12 μm is close (3), the configuration in which the copper foil having a thickness of 35 μm is close (7), and the configuration in which the iron plate having a thickness of 0.5 mm is close (10) is effective. The series resistance Rw (Ω) is high as in FIG. Further, the inductance Lw (μH) is reduced by the same configuration as that of FIG. Alternatively, when two coils 1H configured to be inductively coupled are used and both coils are inductively coupled, Ln> Lw. Some configurations of the coil are contrary to the circuit theory of Ln> Lw> Ls.

図56は、コイル1Gに図23に示すコイル1fのように磁性材板を備えたコイル1Gbにおいて、コイル1Gbを2個使用したときの、Rw、Rs、Rnと周波数との関係を示す図である。   FIG. 56 is a diagram showing the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency when two coils 1Gb are used in the coil 1Gb in which the coil 1G is provided with a magnetic material plate like the coil 1f shown in FIG. is there.

図56に示す、Rw、Rs、Rnの周波数特性を見ると、図15に示す、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1>10MHzが、f1=1.35MHzにまで低下してきているのが分かる。さらに、図15に示す、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2は、2.15MHzから、150kHzにまで低下しているのが分かる。   Looking at the frequency characteristics of Rw, Rs, and Rn shown in FIG. 56, it can be seen that the maximum frequency f1> 10 MHz that satisfies Rs> Rw shown in FIG. 15 has decreased to f1 = 1.35 MHz. . Furthermore, it can be seen that the maximum frequency f2 satisfying Rs> Rn ≧ Rw shown in FIG. 15 is reduced from 2.15 MHz to 150 kHz.

一方で、コイル1Hは、図50に示すように、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2は1.3MHzと高い。これは、コイル1H2個間の結合係数が0.3程度と低く、コイル1Gb2個間の結合係数が0.9以上と高いためと考えられる。そこで、100kHzにおける両コイル間の結合係数をkとし、コイル1Gb2個が、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2である、150kHzを基準とする。そして、150kHzを、kで割る。ki=0.27のコイル1Hの場合、f2(Hz)の規定値を計算すると、f2=150/0.27≒2.05MHzとなる。図50より、コイル1Hの前記f2は、約1.3Mzであり、f2≧2.05MHzを満足していない。 On the other hand, as shown in FIG. 50, the maximum frequency f2 of the coil 1H that satisfies Rs> Rn ≧ Rw is as high as 1.3 MHz. This is considered because the coupling coefficient between the two coils 1H is as low as about 0.3 and the coupling coefficient between the two coils 1Gb is as high as 0.9 or more. Therefore, the coupling coefficient between the two coils at 100 kHz is k, and the reference is 150 kHz, which is the highest frequency f2 in which two coils 1Gb satisfy Rs> Rn ≧ Rw. Then, the 150kHz, divided by k 2. In the case of the coil 1H with ki = 0.27, when the prescribed value of f2 (Hz) is calculated, f2 = 150 / 0.27 2 ≈2.05 MHz. From FIG. 50, the f2 of the coil 1H is about 1.3 Mz and does not satisfy f2 ≧ 2.05 MHz.

また、コイル1Hは、Ln>Lw>Ls、という回路理論に反する特性を持ち、図51に示すように、Ln>Lw>Ls、の関係も満足していない。さらに、図55を参照すると、コイル1Hは、図49(A)に示すA面に、任意の金属体が近接したときに、インダクタンスLw(μH)の低下が、15%を越えている。換言すれば、Lw(μH)の低下率が85%以下である。また、同一条件で、実効直列抵抗Rw(Ω)の増加が、単体時よりも5倍以上となっている構成がある。   Further, the coil 1H has characteristics contrary to the circuit theory that Ln> Lw> Ls, and as shown in FIG. 51, the relationship of Ln> Lw> Ls is not satisfied. Further, referring to FIG. 55, in the coil 1H, when an arbitrary metal body is close to the A surface shown in FIG. 49 (A), the decrease in the inductance Lw (μH) exceeds 15%. In other words, the decrease rate of Lw (μH) is 85% or less. Further, under the same conditions, there is a configuration in which the increase in effective series resistance Rw (Ω) is five times or more that of a single unit.

しかし、コイル1Hと同じく、図49に示すように、同一のコイル2個間で誘導結合が可能な構成を持つコイルであっても、コイル1Hとは異なった特性を持つものもある。すなわち、コイル1Hよりも上述してきた特性のよいコイルもある。そのようなコイルの一例であるコイル1Jを参照し、コイル1Jの特性について以下に説明する。   However, as with the coil 1H, as shown in FIG. 49, even a coil having a configuration capable of inductive coupling between two identical coils may have characteristics different from those of the coil 1H. That is, there is a coil with the above-mentioned characteristics better than the coil 1H. The characteristics of the coil 1J will be described below with reference to the coil 1J which is an example of such a coil.

図57は、図49と同様に構成したコイル1Jにおいて、コイル単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、2個のコイル1Ja,1Jbを誘導結合させ、他方のコイルを短絡したときの、一方のコイルの実効直列抵抗Rs(Ω)、他方のコイルを開放したときの、一方のコイルの実効直列抵抗をRn(Ω)、としたときの、Rw、Rs、Rnと周波数との関係を示す図である。   FIG. 57 shows an effective series resistance Rw (Ω) of a single coil and two coils 1Ja and 1Jb inductively coupled with each other in the coil 1J configured in the same manner as FIG. 49, and the other coil is short-circuited. The figure which shows the relationship between Rw, Rs, Rn, and a frequency when the effective series resistance of one coil is set to Rn (Ω) when the effective series resistance of the coil is Rs (Ω) and the other coil is opened. It is.

図58は、コイル1J単体のインダクタンスLw(μH)と、コイル1J2個を誘導結合させ、他方のコイルを短絡したときの一方のコイルのインダクタンスLs(μH)、他方のコイルを開放したときの一方のコイルのインダクタンスをLn(μH)、としたときの、Lw、Ls、Lnと周波数との関係を示す図である。   FIG. 58 shows the inductance Lw (μH) of the coil 1J alone, the inductance Ls (μH) of one coil when the two coils 1J are inductively coupled and the other coil is short-circuited, and one when the other coil is opened. It is a figure which shows the relationship between Lw, Ls, Ln, and a frequency when the inductance of the coil of this is set to Ln (microH).

図59は、コイル1Jに、図42のように、各種の金属板を図49(A)のA面に近接させたときの、100kHzにおける実効直列抵抗Rw(Ω)と、インダクタンスLw(μH)を示す特性図である。   FIG. 59 shows an effective series resistance Rw (Ω) at 100 kHz and an inductance Lw (μH) when various metal plates are brought close to the A surface of FIG. 49A as shown in FIG. FIG.

図57を参照すると、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2は、2MHz以上である。100kHzにおける両コイル間の結合係数kは、ki=0.37、である。し
たがって、150/ki=150/0.3722=1095kHzとなる。よって、コイル1Jは、f2>1095kHz、を満足する。そして、図58を参照すると、Ln>Lw>Ls、となっており、Lw>Ls、の関係も満足している。さらに、図59を参照すると、コイル1Jは、100kHzにおいて、厚さ12μmのアルミホイル、あるいは厚さ0.5mm(この場合厚さは問わない)の鉄板が近接したときの、実効直列抵抗Rw(Ω)の増加率が5倍以下である。また、コイル1Jは、100kHzにおいて、任意の金属体が近接したときに、インダクタンスLw(μH)の減少率が85%以上でもある。図2、図23から図34に示すような構成を持つコイルの他に、同一のコイル2個間で誘導結合可能な構成のコイルであれば、上記の計測を行い、特性規定を行なうことにより、性能の良いコイルを特定でき、性能の良いコイルを実現できる。
Referring to FIG. 57, the maximum frequency f2 that satisfies Rs> Rn ≧ Rw is 2 MHz or more. The coupling coefficient k between the two coils at 100 kHz is ki = 0.37. Therefore, 150 / ki 2 = 150 / 0.3722 = 1095 kHz. Therefore, the coil 1J satisfies f2> 1095 kHz. Referring to FIG. 58, Ln>Lw> Ls, and the relationship Lw> Ls is also satisfied. Further, referring to FIG. 59, the coil 1J has an effective series resistance Rw (when an aluminum foil having a thickness of 12 μm or an iron plate having a thickness of 0.5 mm (in this case, any thickness) is brought close at 100 kHz. Ω) increase rate is 5 times or less. In addition, the coil 1J has an inductance Lw (μH) reduction rate of 85% or more when an arbitrary metal body approaches at 100 kHz. In addition to the coil having the configuration shown in FIGS. 2 and 23 to 34, if the coil has a configuration that can be inductively coupled between two identical coils, the above measurement is performed and the characteristics are defined. A coil with good performance can be specified, and a coil with good performance can be realized.

(コイルの対向距離と、結合係数、f1(Hz)、f2(Hz)の関係の説明)
上述した実験結果から、コイル1Jは、コイルとしての性能は良いものの、結合係数が低く、力率が低下する。また、図55より、実効直列抵抗Rw(Ω)が高周波数領域になると高くなる。一方で、コイル1Jが、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2は、2MHz以上となっており、コイル1Gbが、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2である150kHzよりも遥かに高い。そこで、結合係数を下げるため、コイル1Gb2個間の距離を3mm取って、Rw、Rs、Rnの周波数特性を計測してみた。
(Explanation of relationship between coil facing distance and coupling coefficient, f1 (Hz), f2 (Hz))
From the experimental results described above, the coil 1J has a good performance as a coil, but has a low coupling coefficient and a low power factor. In addition, as shown in FIG. 55, the effective series resistance Rw (Ω) increases when the high frequency region is reached. On the other hand, the maximum frequency f2 at which the coil 1J satisfies Rs> Rn ≧ Rw is 2 MHz or more, and the coil 1Gb is far from 150 kHz, which is the maximum frequency f2 at which Rs> Rn ≧ Rw. Very expensive. Therefore, in order to lower the coupling coefficient, the distance between the two coils 1Gb was 3 mm, and the frequency characteristics of Rw, Rs, and Rn were measured.

図60は、コイル1Gb2個間の対向距離TKを3mmとしたときの、Rw、Rs、Rnと周波数との関係を示す図である。   FIG. 60 is a diagram showing the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency when the facing distance TK between the two coils 1Gb is 3 mm.

図60と、図56とを比較すれば分かるように、コイル1Gbが、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2は、約500KHzに上昇している。コイル1Gbを2個使い、対向距離TKを3mmとしたときに、100kHzにおいて、RsとRwより近似的に計算した結合係数krは、0.89、LnとLsより近似的に計算した結合係数kiは、0.91となっている。このように、コイル1Gb2個間の対向距離をゼロとした場合も、コイル1Gb2個間の距離を3mmとした場合も、結合係数に関しては大差無い。しかし、前記f2は、500kHzに大きく上昇している。   As can be seen by comparing FIG. 60 with FIG. 56, the maximum frequency f2 at which the coil 1Gb satisfies Rs> Rn ≧ Rw has increased to about 500 KHz. When two coils 1Gb are used and the facing distance TK is 3 mm, the coupling coefficient kr approximately calculated from Rs and Rw at 100 kHz is 0.89, and the coupling coefficient ki approximately calculated from Ln and Ls. Is 0.91. Thus, there is no significant difference in the coupling coefficient both when the opposing distance between the two coils 1Gb is zero and when the distance between the two coils 1Gb is 3 mm. However, the f2 is greatly increased to 500 kHz.

図61は、コイル1Gbに、さらに、0.5mm厚のアルミニウム金属板を装備したコイル1Gdを2個使い、対向距離TKをゼロとした場合の、Rw、Rs、Rnと周波数との関係を示す図である。   FIG. 61 shows the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency when two coils 1Gd equipped with a 0.5 mm-thick aluminum metal plate are used for the coil 1Gb and the opposing distance TK is zero. FIG.

コイル1Gdが、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2は、約80kHzにまで低下している。   The maximum frequency f2 at which the coil 1Gd satisfies Rs> Rn ≧ Rw is reduced to about 80 kHz.

図62は、コイル1Gdを2個使い、対向距離TKを3mmとした場合の、Rw、Rs、Rnと周波数との関係を示す図である。   FIG. 62 is a diagram showing the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency when two coils 1Gd are used and the facing distance TK is 3 mm.

図60と図62を比較すると分かるが、コイル1Gdが、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2は、約500kHzにまで上昇している。金属板を装備していないコイル1Gbを2個使い、対向距離TKを3mmとした場合も、コイル1Gdを2個使い、対向距離TKを3mmとした場合も、両コイルのf2は同等である。   As can be seen by comparing FIG. 60 and FIG. 62, the maximum frequency f2 at which the coil 1Gd satisfies Rs> Rn ≧ Rw has increased to about 500 kHz. When two coils 1Gb not equipped with a metal plate are used and the opposing distance TK is set to 3 mm, or when two coils 1Gd are used and the opposing distance TK is set to 3 mm, f2 of both coils is the same.

上述のコイル1Aからコイル1Gまでの実施形態では、コイル間の対向距離TKが変化しても、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2(Hz)に余り変化が無いことは既述した。しかし、コイル1Gb、コイル1Gdは、対向距離TKによって、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2(Hz)が著しく変化する。コイル1Gb、コイル1Gc、コイル1Gdを例にすれば、両コイル間に少なくとも2mmの対向距離を設けるのが好ましい。対向距離はコイル外径Dの関数となるので、コイル外径をDとし、対向距離TKは、TK≧D/50、であれば好ましい。なお、対向距離TKは、図36から図38に図示してあるもので、導線端間の距離である。   In the above-described embodiments from the coil 1A to the coil 1G, even if the facing distance TK between the coils changes, the highest frequency satisfying Rs> Rw and the highest frequency satisfying Rs> Rn ≧ Rw. As described above, there is not much change in f2 (Hz). However, in the coil 1Gb and the coil 1Gd, the maximum frequency f1 (Hz) satisfying Rs> Rw and the maximum frequency f2 (Hz) satisfying Rs> Rn ≧ Rw significantly change depending on the facing distance TK. Taking the coil 1Gb, the coil 1Gc, and the coil 1Gd as an example, it is preferable to provide a facing distance of at least 2 mm between the coils. Since the facing distance is a function of the coil outer diameter D, it is preferable that the coil outer diameter is D and the facing distance TK is TK ≧ D / 50. The facing distance TK is shown in FIGS. 36 to 38 and is the distance between the conductor ends.

これは、図31に示す2枚の磁性材板511,512を重ねてコイル50に装備し、磁性材板512側に金属板55を備えたコイル1qにおいても同様である。さらに、図31に示コイル1qにおいて、対向距離TKがゼロとなるときに、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2(Hz)が高い磁性材板を選ぶ。特にコイル1qでは、2枚の磁性材板511,512を、厚さや材質が異なる構成とし、比透磁率が異なる磁性材板を使い、できる限りf2(Hz)を高くするように構成するのが好ましい。磁性材板511,512は、実際には磁性材粉をバインダーで固めたシートであるので、比透磁率を実際に計測することは困難である。メーカーの資料を参照する限りにおいて、コイル50に近い磁性材板511の比透磁率を低くし、コイル50から離れた磁性材板512の比透磁率を高くした方が、f2(Hz)の低下率は少ないようである。ただし、磁性材板511,512については、絶縁物52の比誘電率のような、確立された基準が無く、あくまで参考である。本発明の実施形態にて述べた構成規定を優先すべきである。   The same applies to the coil 1q shown in FIG. 31 in which the two magnetic material plates 511 and 512 are mounted on the coil 50 and the metal plate 55 is provided on the magnetic material plate 512 side. Further, in the coil 1q shown in FIG. 31, when the opposing distance TK becomes zero, a magnetic material plate having a high maximum frequency f2 (Hz) that satisfies Rs> Rn ≧ Rw is selected. In particular, in the coil 1q, the two magnetic material plates 511 and 512 are configured to have different thicknesses and materials, and magnetic material plates having different relative permeability are used so that f2 (Hz) is as high as possible. preferable. Since the magnetic material plates 511 and 512 are actually sheets obtained by solidifying magnetic material powder with a binder, it is difficult to actually measure the relative permeability. As long as the manufacturer's materials are referred to, f2 (Hz) decreases when the relative permeability of the magnetic material plate 511 near the coil 50 is lowered and the relative permeability of the magnetic material plate 512 away from the coil 50 is increased. The rate seems to be small. However, the magnetic material plates 511 and 512 have no established standards such as the relative dielectric constant of the insulator 52, and are only for reference. The configuration rules described in the embodiments of the present invention should be prioritized.

通常、導線を巻回して構成する電力伝送装置のコイルは、双方のコイルの対向距離TKがゼロで使用されることは無く、所定距離、例えば上述したように、3mmなどの間隔を必要とする。上述してきたように、図38に示すコイル1fから図34に示すコイル1tは、対向距離TKを設けても、結合係数が低下しない。したがって、高い力率を維持でき、電力伝送性能がよい電力伝送用コイルが実現できる。この電力伝送用コイルを使用し、電力伝送性能がよい電力伝送装置を実現することができる。このように、図38に示すコイル1fから図34に示すコイル1tは、金属体の近接による特性変動を回避できる。また、不要輻射を低減できる。さらに、両コイル間に対向距離TKを設けても、結合係数が低下しないという極めて優れた効果を奏するものである。   Normally, a coil of a power transmission device configured by winding a conducting wire is not used when the opposing distance TK of both coils is zero, and requires a predetermined distance, for example, an interval of 3 mm as described above. . As described above, the coupling coefficient of the coil 1f shown in FIG. 38 to the coil 1t shown in FIG. 34 does not decrease even when the facing distance TK is provided. Therefore, it is possible to realize a power transmission coil that can maintain a high power factor and has good power transmission performance. By using this power transmission coil, a power transmission device with good power transmission performance can be realized. As described above, the coil 1f shown in FIG. 38 to the coil 1t shown in FIG. 34 can avoid characteristic fluctuation due to the proximity of the metal body. Moreover, unnecessary radiation can be reduced. Furthermore, even if the opposing distance TK is provided between the two coils, there is an extremely excellent effect that the coupling coefficient does not decrease.

なお、図27に示すコイル1kの一例であるコイル1Gaは、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1は、10MHz以上、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2は、2MHz以上であり、磁性板の影響が無く、金属体近接によるコイル特性の変化防止以外の作用効果は、コイル1Aからコイル1Gと全く同じなので、対向するコイルの対向距離TKに関する説明を省略する。   Note that the coil 1Ga, which is an example of the coil 1k shown in FIG. 27, has a maximum frequency f1 satisfying Rs> Rw of 10 MHz or more and a maximum frequency f2 satisfying Rs> Rn ≧ Rw of 2 MHz or more. Since there is no influence of the magnetic plate and the effects other than the prevention of the change of the coil characteristics due to the proximity of the metal body are the same as those of the coils 1A to 1G, the description on the opposing distance TK of the opposing coils is omitted.

なお、言うまでもないが、コイル1fからコイル1tのコイル50には、空芯状態での一方のコイル単体の実効直列抵抗をRw(Ω)、空芯状態での一方のコイルに対向する他方のコイルを短絡したときの、一方のコイルの実効直列抵抗をRs(Ω)、とすると、100kHzにて、Rs>Rw、を満足する一方のコイルを使用する。例えば、コイル50には、上述してきた本発明の実施形態であるコイル1Bからコイル1Gを使用する。   Needless to say, the coil 50 from the coil 1f to the coil 1t has an effective series resistance of one coil alone in the air-core state as Rw (Ω), and the other coil facing the one coil in the air-core state. Assuming that the effective series resistance of one coil when short-circuited is Rs (Ω), one coil that satisfies Rs> Rw at 100 kHz is used. For example, as the coil 50, the coils 1B to 1G which are the embodiments of the present invention described above are used.

さらに、磁性材板51または511,512を装備したコイル1fからコイル1tを一方のコイルとしたときに、100kHzにてコイル1fからコイル1tが、Rs>Rw、を満足しているのが好ましい。   Further, when the coil 1f to the coil 1t equipped with the magnetic material plate 51 or 511, 512 are used as one coil, it is preferable that the coil 1f to the coil 1t satisfy Rs> Rw at 100 kHz.

コイル1fからコイル1tが、Rs>Rw、を満足する最高周波数をf1(Hz)とすると、コイル1fからコイル1tを装備した電力伝送装置100は、f1(Hz)未満の周波数で電力を伝送する。   Assuming that the highest frequency satisfying Rs> Rw from the coil 1f to the coil 1t is f1 (Hz), the power transmission device 100 equipped with the coil 1t to the coil 1t transmits power at a frequency less than f1 (Hz). .

コイル1fからコイル1tが、電力伝送装置100の送電コイル1である場合、コイル1fからコイル1tは交流電源30bにより、f1(Hz)未満の周波数であるfd(H
z)で駆動される。
When the coil 1f to the coil 1t are the power transmission coil 1 of the power transmission device 100, the coil 1f to the coil 1t are fd (H) having a frequency less than f1 (Hz) by the AC power supply 30b.
z).

さらに、前述してきた実施形態のコイル1m、コイル1qを一方のコイルとし、同一のコイルを他方のコイルとして、一方のコイル単体のインダクタンスをLwa(H)、両コイルを誘導結合させたときに、他方のコイルが短絡されているときの、一方のコイルのインダクタンスをLsa(H)、とすると、コイル1m、コイル1qが、100kHzにて、Lwa>Lsa、を満足しており、かつ、f1(Hz)未満の周波数領域であって、電力伝送に使用される周波数にて、Lwa>Lsa、を満足しているのが好ましい。   Furthermore, when the coil 1m and the coil 1q of the above-described embodiment are one coil, the same coil is the other coil, the inductance of one coil is Lwa (H), and both coils are inductively coupled. If the inductance of one coil when the other coil is short-circuited is Lsa (H), the coil 1m and the coil 1q satisfy Lwa> Lsa at 100 kHz, and f1 ( It is preferable that Lwa> Lsa is satisfied in a frequency region less than (Hz) and a frequency used for power transmission.

前述してきたコイル1fからコイル1tを一方のコイルとし、対向している他方のコイルを開放したときの各コイルの実効直列抵抗をRna(Ω)、Rsa>Rna≧Rwa、を満足する最高周波数f2a(Hz)とすると、一方のコイルは、f2a(Hz)未満の周波数領域で使用されるのが好ましい。   The maximum frequency f2a satisfying Rna (Ω) and Rsa> Rna ≧ Rwa as the effective series resistance of each coil when the coil 1t to the coil 1t described above are used as one coil and the other opposing coil is opened. Assuming (Hz), one coil is preferably used in a frequency region below f2a (Hz).

そして、前述してきたコイル1m、コイル1qを一方のコイルとし、対向している他方のコイルを開放したときの一方コイルのインダクタンスをLn、とすると、少なくとも、Ln>Lw>Ls、の関係を100kHzにて満足し、f1(Hz)未満の周波数領域であって、電力伝送に使用される周波数fa(Hz)にて、コイル1m、コイル1qが、Ln>Lw>Ls、の関係を満足しているのが好ましい。   When the coil 1m and the coil 1q described above are set as one coil and the other coil facing each other is opened, the inductance of one coil is Ln, and at least the relationship of Ln> Lw> Ls is 100 kHz. In the frequency region below f1 (Hz), the coil 1m and the coil 1q satisfy the relationship Ln> Lw> Ls at the frequency fa (Hz) used for power transmission. It is preferable.

より好ましくは、コイル1fからコイル1tが、Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数f2(Hz)とすると、コイル1fからコイル1tは、f2(Hz)未満の周波数領域で使用され、f2(Hz)未満の周波数領域において、Ln>Lw>Ls、の関係を満足している。   More preferably, assuming that the maximum frequency f2 (Hz) satisfying Rs> Rn ≧ Rw from the coil 1f to the coil 1t, the coil 1f to the coil 1t are used in a frequency region less than f2 (Hz), and f2 ( In the frequency region below (Hz), the relationship of Ln> Lw> Ls is satisfied.

なお、前述した熱条件の規定は、前述した方法と同様の手法にて熱抵抗θiを求めることにより満足できる。   The above-mentioned definition of the thermal condition can be satisfied by obtaining the thermal resistance θi by the same method as that described above.

電力伝送装置100の送電部30が、コイル1fからコイル1tを含む場合、コイル1fからコイル1tを含む送電部30は、本発明の電力伝送装置の送電装置になる。   When the power transmission unit 30 of the power transmission device 100 includes the coil 1f to the coil 1t, the power transmission unit 30 including the coil 1f to the coil 1t is a power transmission device of the power transmission device of the present invention.

電力伝送装置100の受電部40が、コイル1fからコイル1tを含む場合、コイル1fからコイル1tを含む受電部40は、本発明の電力伝送装置の受電装置になる。   When the power reception unit 40 of the power transmission device 100 includes the coil 1f to the coil 1t, the power reception unit 40 including the coil 1f to the coil 1t is a power reception device of the power transmission device of the present invention.

(金属板をコイル中心の線に接続する場合の説明)
図63は、図27に示すコイル1kから図34に示すコイル1tにおいて、コイル内周部から取り出す線を、コイルに装備された金属板を使用する図である。
(Explanation when connecting the metal plate to the coil center wire)
FIG. 63 is a diagram in which a metal plate mounted on a coil is used as a wire to be taken out from the inner circumference of the coil 1k shown in FIG. 27 to the coil 1t shown in FIG.

コイル1aの構成のコイル50では、コイル50の中心から外へ取り出す導線は、導線の太さ分厚くなる。図63においては、図27に示すコイル1kの絶縁板54の中心に、導線貫通穴を設け、コイル内周部の導線501を金属板55に接続してある。コイル50の外周部の端部552を一方の端子とし、金属板55の端部551を他方の端子とする。導線501と金属板55との接続方法は、半田付け、溶接など種々の手法が使用できる。この構成は、絶縁板のみならず、磁性材板にも適用可能である。   In the coil 50 having the configuration of the coil 1a, the conducting wire taken out from the center of the coil 50 is thicker by the thickness of the conducting wire. In FIG. 63, a conductive wire through hole is provided at the center of the insulating plate 54 of the coil 1k shown in FIG. 27, and the conductive wire 501 at the inner periphery of the coil is connected to the metal plate 55. The end portion 552 of the outer peripheral portion of the coil 50 is used as one terminal, and the end portion 551 of the metal plate 55 is used as the other terminal. Various methods such as soldering and welding can be used as a method of connecting the conductive wire 501 and the metal plate 55. This configuration is applicable not only to an insulating plate but also to a magnetic material plate.

(コイルに結合線を設ける実施例)
図64は、図23から図34に示す各構成のコイルに使用される導線に、リッツ線を用い、リッツ線の一端は全ての素線を接続し、リッツ線の他端から、リッツ線を構成する素線の内、少なくとも一本を結合線10aとして取り出した場合の等価回路図である。
(Example in which a coupling wire is provided in a coil)
In FIG. 64, a litz wire is used for the conductive wires used in the coils having the configurations shown in FIGS. 23 to 34, one end of the litz wire is connected to all the strands, and the other end of the litz wire is connected to the litz wire. FIG. 5 is an equivalent circuit diagram when at least one of the constituent wires is taken out as a coupling line 10a.

図64に示す、結合線10aは、コイルの作動状態を検知するのに用いることができる。あるいは、信号伝送用に使用することができる。また、反転アンプを使用して正帰還をかけることにより、自励発振を行なうことができる。   The coupling wire 10a shown in FIG. 64 can be used to detect the operating state of the coil. Alternatively, it can be used for signal transmission. In addition, self-excited oscillation can be performed by applying positive feedback using an inverting amplifier.

結合線10aは、送電コイル1または受電コイル2とほぼ密結合状態にある。また巻線比は1:1である。よって、結合線10aには、送電コイル1または受電コイル2と同一の振幅、位相の交流電圧が現れる。この結合線10aは、送電部30と受電部40間の信号伝送機能、送電コイル1に金属体が近接したときの検知、負荷が接続された受電コイルが近接したときの判別に利用できる。   The coupling line 10a is in a substantially tightly coupled state with the power transmission coil 1 or the power reception coil 2. The winding ratio is 1: 1. Therefore, an AC voltage having the same amplitude and phase as that of the power transmission coil 1 or the power reception coil 2 appears in the coupling line 10a. The coupling line 10a can be used for a signal transmission function between the power transmission unit 30 and the power reception unit 40, detection when a metal body is close to the power transmission coil 1, and determination when a power reception coil to which a load is connected is close.

前述した図63の実施形態をリッツ線に適用する場合には、内周部の導線を全ての素線をまとめて金属板55に接続し、外周部から取り出す素線の内、少なくとも一本を結合線10aにする。結合線10aは、共通線と接続せずに素線として取り出し、4端子構成のコイルとしてもよい。この場合、送電コイルと結合線が絶縁されているので、信号検知、自励発振などに用いる場合、回路構成の自由度が増す。   When the embodiment of FIG. 63 described above is applied to a litz wire, all the wires of the inner periphery are connected to the metal plate 55 and at least one of the wires taken out from the outer periphery is removed. The connecting line 10a is used. The coupling wire 10a may be taken out as a strand without being connected to the common line, and may be a four-terminal coil. In this case, since the power transmission coil and the coupling line are insulated, the degree of freedom in circuit configuration increases when used for signal detection, self-excited oscillation, and the like.

(電力伝送用コイルの実施例)
図24に示すコイル1gから図34に示すコイル1tは、前述した電力伝送装置に使用される電力伝送用コイルの実施例でもある。
(Example of coil for power transmission)
A coil 1g shown in FIG. 24 to a coil 1t shown in FIG. 34 are also examples of the power transmission coil used in the power transmission device described above.

(電力伝送用コイルの駆動条件)
空芯コイルであっても、磁性材板を装備していても、上述したf1(Hz)、f2(Hz)が高くなるようにして、f1(Hz)またはf2(Hz)未満で送電コイルを駆動するコイルの駆動条件を規定しないと、性能のよい電力伝送装置は実現できない。
(Power transmission coil drive conditions)
Whether it is an air-core coil or a magnetic material plate, the above-described f1 (Hz) and f2 (Hz) are increased so that the power transmission coil is less than f1 (Hz) or f2 (Hz). A power transmission device with good performance cannot be realized unless the driving conditions of the coil to be driven are defined.

(コイル単体の実施例)
さらに、上記に説明してきた、特性規定が行なわれた本発明の実施形態の電力伝送装置に使用されるコイルは、同一の2個のコイル間で誘導結合可能な構成を持つコイルの発明でもある。
(Example of a single coil)
Furthermore, the coil used in the power transmission device according to the embodiment of the present invention in which the characteristic is defined as described above is also an invention of a coil having a configuration capable of inductively coupling between the same two coils. .

(本発明に用いる金属に関する説明)
なお、空芯コイルに金属体が近接した場合、コイルの性能が劣化することは上述した通りである。また、空芯コイルに磁性材を近接させた場合も、磁性材がコイルの電力伝送性能を劣化させるときがある。例えば、図31(A)の実施形態において、ボビン状の内径空洞内に、透磁率の低い磁性材料を装備する場合などである。このように、前述してきた本発明の各実施形態以外の構成規定や特性規定によらず、磁性材をコイルに装備しても、本発明におけるコイルの性能を改善できるものではない。
(Explanation regarding metals used in the present invention)
As described above, when a metal body is close to the air-core coil, the performance of the coil is deteriorated. Further, even when a magnetic material is brought close to the air-core coil, the magnetic material sometimes deteriorates the power transmission performance of the coil. For example, in the embodiment of FIG. 31A, there is a case where a magnetic material having a low magnetic permeability is provided in a bobbin-shaped inner diameter cavity. As described above, even if the coil is equipped with a magnetic material, the performance of the coil in the present invention cannot be improved regardless of the configuration regulations and characteristic regulations other than the embodiments of the present invention described above.

コイルに磁性材を装備する場合においても、まず本発明の空芯コイルで特性のよいものを選ばねばならない。上述した実施形態では最も性能の良い空芯コイルであるコイル1Gを選んで、磁性材板を装備した。しかし、上述したように、コイル1Gの電力伝送性能を維持したまま、金属体近接影響の排除を実現するのが簡単ではないことを説明してきた。特許文献2の実施例に示されているコイルでは、金属体近接影響の排除できず、高周波数での動作も難しい。不要輻射の関係上、250kHz以上の周波数を使用するのは困難である。しかし、最低でも、100kHzでの動作を実現しなければならない。そのためには、上述してきた規定に基づき、できる限り性能のよい空芯コイルを選ぶ必要がある。   Even when the coil is equipped with a magnetic material, the air core coil of the present invention must first be selected. In the embodiment described above, the coil 1G, which is the air core coil having the best performance, is selected and the magnetic material plate is provided. However, as described above, it has been explained that it is not easy to eliminate the proximity effect of the metal body while maintaining the power transmission performance of the coil 1G. In the coil shown in the example of Patent Document 2, the influence of proximity to the metal body cannot be eliminated, and operation at a high frequency is difficult. Due to unnecessary radiation, it is difficult to use a frequency of 250 kHz or higher. However, at a minimum, operation at 100 kHz must be realized. For this purpose, it is necessary to select an air-core coil with the best possible performance based on the above-mentioned regulations.

この発明の実施形態において、導線を形成する導体の材質は特に限定されないが、本実施形態にて述べている各コイルは、全て導体に銅を用いている。導体として比抵抗が小さい銅を使うのが好ましいが、比抵抗が小さい他の金属、あるいは合金を導体として使うこ
ともできる。
In the embodiment of the present invention, the material of the conductor forming the conducting wire is not particularly limited, but all the coils described in this embodiment use copper as the conductor. Although copper having a small specific resistance is preferably used as the conductor, other metals or alloys having a small specific resistance can also be used as the conductor.

また、金属の磁気的性質には、反磁性、常磁性、強磁性以外にも、反強磁性などがある。しかし、本願において着目しているのは、コイルの実効直列抵抗Rw(Ω)を増加させる磁気的性質である。コイルに装備する金属板は、単に永久磁石に吸着する金属または合金以外のものであればよい。   In addition to diamagnetism, paramagnetism, and ferromagnetism, the magnetic properties of metals include antiferromagnetism. However, attention is focused on the magnetic property that increases the effective series resistance Rw (Ω) of the coil. The metal plate mounted on the coil may be anything other than a metal or alloy that is simply attracted to the permanent magnet.

本願発明者は、チタン、真鍮、ステンレスなどの各種金属を使用して実測を行なった。0.1mmの厚さのチタン板は、0.1mm厚のアルミ板と同じ特性変動を示した。0.5mmの厚さの真鍮板は、0.5mm厚の銅板と同じ特性変動を示した。0.5mmの厚さの永久磁石に吸着するステンレス板は、0.5mm厚の鉄板よりも特性劣化を起した。このように、永久磁石に吸着するか、吸着しないかで金属板を選べばよい。   The inventor of the present application made measurements using various metals such as titanium, brass, and stainless steel. The 0.1 mm thick titanium plate showed the same characteristic variation as the 0.1 mm thick aluminum plate. A brass plate with a thickness of 0.5 mm showed the same characteristic variation as a copper plate with a thickness of 0.5 mm. The stainless steel plate adsorbed on the 0.5 mm thick permanent magnet caused characteristic deterioration more than the 0.5 mm thick iron plate. Thus, the metal plate may be selected depending on whether it is attracted to the permanent magnet or not.

(コイルの特性計測に用いた計測器)
なお、上記に説明した各コイルの実効直列抵抗やインダクタンスの測定には、1MHzまでは、アジレント社のLCRメータ、4284A、1〜10MHzの測定には、ヒューレットパッカード社のLCRメータ、4275Aを使用した。なお、1〜10MHzの計測は、1、2、4、10MHzの各点でしか計測できないので、例えば、4MHzにて、Rs>Rwを満足し、10MHzにて、Rs>Rw、を満足しない場合は、補間により、Rs>Rw、を満足する最高周波数f1(Hz)を推定している。
(Measurement device used for measuring coil characteristics)
The effective series resistance and inductance of each coil described above were measured up to 1 MHz using an Agilent LCR meter, 4284A, and 1-10 MHz using a Hewlett Packard LCR meter, 4275A. . In addition, since measurement of 1 to 10 MHz can be performed only at each point of 1, 2, 4, and 10 MHz, for example, when Rs> Rw is satisfied at 4 MHz and Rs> Rw is not satisfied at 10 MHz. Estimates the maximum frequency f1 (Hz) satisfying Rs> Rw by interpolation.

(電力伝送装置の電力伝送特性)
図65は、密結合状態に構成された通常の変圧器(変成器)における2次側巻線の負荷電流と2次側巻線の両端電圧の関係、本発明の実施形態における電力伝送装置100の受電コイル2の負荷電流と受電コイルの両端電圧の関係を示す特性図である。図65において、一般の変成器の特性は実線で示してあり、本発明の実施形態における電力伝送装置の特性は破線で示してある。
(Power transmission characteristics of power transmission equipment)
FIG. 65 shows the relationship between the load current of the secondary winding and the voltage at both ends of the secondary winding in a normal transformer (transformer) configured in a tightly coupled state, and the power transmission device 100 according to the embodiment of the present invention. It is a characteristic view which shows the relationship between the load current of the receiving coil 2 of this, and the both-ends voltage of a receiving coil. In FIG. 65, the characteristic of a general transformer is indicated by a solid line, and the characteristic of the power transmission device in the embodiment of the present invention is indicated by a broken line.

密結合状態に構成された通常の変圧器では、2次側巻線の負荷電流値が変圧器の定格値Im(A)以下なら、2次側巻線の両端電圧は、ほぼ一定である。一般の電気機器、電子機器は、定電圧で動作する。そのため、図65に示す変圧器の定格値Im(A)以下の定電圧領域で使用する。しかし、商用電源に用いられているような変圧器とは異なり、一般の電気機器、電子機器に用いられる変圧器は、機器が消費する最大電流よりも前記定格値Im(A)が、若干高いものが使われる。これは、過剰な余裕を持たせると、変圧器の体積が大きくなり、コストも高くなってしまうからである。   In a normal transformer configured in a tightly coupled state, if the load current value of the secondary winding is equal to or less than the rated value Im (A) of the transformer, the voltage across the secondary winding is substantially constant. General electric devices and electronic devices operate at a constant voltage. Therefore, it is used in a constant voltage region below the rated value Im (A) of the transformer shown in FIG. However, unlike a transformer used for a commercial power source, a transformer used for a general electric device or electronic device has a slightly higher rated value Im (A) than the maximum current consumed by the device. Things are used. This is because if an excessive margin is provided, the volume of the transformer increases and the cost also increases.

一方、本発明の実施形態における電力伝送装置の受電コイルの負荷電流と2次側巻線の両端電圧の関係を見ると、負荷電流の増加に従い、2次側巻線の両端電圧が降下しているのが分かる。この特性図は、特許文献2の第8図から数値を読み取って計算し、若干の補正をして正規化したものである。本願発明者の追試では、負荷電流の増加による2次側巻線の両端電圧降下率は、特許文献2よりもさらに大きくなっている。   On the other hand, when looking at the relationship between the load current of the receiving coil of the power transmission device and the voltage across the secondary winding in the embodiment of the present invention, the voltage across the secondary winding drops as the load current increases. I can see that This characteristic diagram is calculated by reading numerical values from FIG. 8 of Patent Document 2 and performing normalization after slight correction. In the follow-up test by the inventor of the present application, the voltage drop rate across the secondary winding due to the increase in the load current is larger than that of Patent Document 2.

このような特性を持つ本発明の実施形態における電力伝送装置において、機器が必要とする最大電流に負荷を設定すると、電源電圧が低下する。機器が消費する電流が低下すると、電源電圧が上昇する。さらに、前述した図36から図39のように、送電コイルと受電コイルの寸法、形状が異なる場合や、使用状況によりコイル間の対向距離TKが異なる場合がある。このような場合に、図37の状態で、最大のコイル間の対向距離TKにて受電部の負荷電流を確保するように調整をしたとする。前述した(4)式で説明するまでもなく、コイルの相対位置が図36のようになるか、コイル間の対向距離TKが短くなった場合には、受電側の電圧が上昇するのは容易に推察できる。すなわち、本発明の電力伝送装置は、受電コイル出力が定電圧特性ではない。受電側の電圧が上昇すると、受電部40が含まれる機器本体が破損する可能性がある。また、受電部に過大電流が流れる可能性もある。負荷抵抗値は異なるが、負荷電流を2Aから1Aに低下させると、負荷電圧は約1.6倍になるのが、図65より分かる。少なくとも、これらの過大電圧、過大電流対策も考慮しておかないとならない。   In the power transmission device according to the embodiment of the present invention having such characteristics, when the load is set to the maximum current required by the device, the power supply voltage decreases. When the current consumed by the device decreases, the power supply voltage increases. Furthermore, as shown in FIGS. 36 to 39 described above, the dimensions and shape of the power transmission coil and the power reception coil may be different, or the facing distance TK between the coils may be different depending on the use situation. In such a case, it is assumed that adjustment is performed so as to ensure the load current of the power receiving unit at the maximum facing distance TK between the coils in the state of FIG. Needless to say with the above-mentioned equation (4), when the relative position of the coil is as shown in FIG. 36 or the facing distance TK between the coils is shortened, it is easy for the voltage on the power receiving side to rise. Can be guessed. That is, in the power transmission device of the present invention, the receiving coil output does not have a constant voltage characteristic. When the voltage on the power receiving side increases, the device main body including the power receiving unit 40 may be damaged. In addition, an excessive current may flow through the power receiving unit. Although the load resistance values are different, it can be seen from FIG. 65 that when the load current is reduced from 2 A to 1 A, the load voltage becomes about 1.6 times. At least these countermeasures against excessive voltage and excessive current must be taken into consideration.

また、上述してきたように、本発明の実施形態における電力伝送装置、電力伝送装置の送電装置、電力伝送装置の受電装置は、電力伝送性能が極めてよい。送電コイル1、受電コイル2に流れる電流にもよるが、前述した直径5cmのコイル1Gを、送電コイル1、受電コイル2の双方に使用することにより、最大で40W前後の電力を伝送可能である。このような電力伝送性能が達成されると、送電コイル1は誘導加熱器の過熱コイルと同じく、金属加熱作用を持つ。そこで、特許文献5に記載のように、送電コイルにクリップなどの金属体が近接したときに、金属体の発熱を防止しなければならなくなる。あるいは、正規の受電部を判別する必要がでてくる。そこで、これらの課題を解決する具体例を以下に説明してゆく。   Further, as described above, the power transmission device, the power transmission device of the power transmission device, and the power reception device of the power transmission device in the embodiment of the present invention have extremely good power transmission performance. Although depending on the current flowing through the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, by using the coil 1G having a diameter of 5 cm described above for both the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, it is possible to transmit power of up to about 40 W. . When such power transmission performance is achieved, the power transmission coil 1 has a metal heating action, similar to the overheating coil of the induction heater. Therefore, as described in Patent Document 5, when a metal body such as a clip approaches the power transmission coil, heat generation of the metal body must be prevented. Alternatively, it is necessary to determine a proper power receiving unit. Therefore, specific examples for solving these problems will be described below.

(送電コイル1のインダクタンスと負荷抵抗値の関係の説明)
次に、キャパシタを使い、図116に示す2端子回路にて力率改善を行なう場合の、送電コイル1のインダクタンスについて説明しておく。
(Description of the relationship between the inductance of the power transmission coil 1 and the load resistance value)
Next, the inductance of the power transmission coil 1 in the case where the power factor is improved using the two-terminal circuit shown in FIG. 116 using a capacitor will be described.

図66は、送電コイル1および受電コイル2が誘導結合しており、両コイルが変成器を構成している場合の等価回路図である。負荷抵抗RLは変化可能となっている。   FIG. 66 is an equivalent circuit diagram in the case where the power transmitting coil 1 and the power receiving coil 2 are inductively coupled, and both coils constitute a transformer. The load resistance RL can be changed.

図67は、図66に示す等価回路において、送電コイル1および受電コイル2に空芯コイルを使った場合の、1次側(送電側)のインダクタンスの変化を示す図であり、X軸は負荷抵抗値(相対値)、Y軸はインダクタンス(相対値)を表す。   FIG. 67 is a diagram showing a change in inductance on the primary side (power transmission side) when an air-core coil is used for the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 in the equivalent circuit shown in FIG. The resistance value (relative value) and the Y axis represent inductance (relative value).

図67において、Lwは、100kHzにおける送電コイル1単体のインダクタンスを表す。すなわち、Lwは、送電コイル1と受電コイル2とが分離されているときの送電コイル1のインダクタンスである。Lsは、コイル両端を短絡した受電コイル2が送電コイル1と誘導結合したときの100kHzにおける送電コイル1のインダクタンスを表す。Lnは、コイル両端を開放した受電コイル2が送電コイル1と誘導結合したときの100kHzにおける送電コイル1のインダクタンスを表す。Lxは、100kHzにおける受電コイル2に接続された負荷抵抗値の値に対応する送電コイル1のインダクタンスを表す。以降、他のコイルの特性図においても、Lw、Ls、Ln、Lxは同様の定義とする。   In FIG. 67, Lw represents the inductance of the power transmission coil 1 alone at 100 kHz. That is, Lw is the inductance of the power transmission coil 1 when the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 are separated. Ls represents the inductance of the power transmission coil 1 at 100 kHz when the power reception coil 2 whose both ends are short-circuited is inductively coupled to the power transmission coil 1. Ln represents the inductance of the power transmission coil 1 at 100 kHz when the power receiving coil 2 having both ends opened is inductively coupled to the power transmission coil 1. Lx represents the inductance of the power transmission coil 1 corresponding to the value of the load resistance value connected to the power reception coil 2 at 100 kHz. Hereinafter, Lw, Ls, Ln, and Lx are defined similarly in the characteristic diagrams of other coils.

図68は、図66に示す等価回路において、送電コイル1または受電コイル2の少なくとも一方に磁性材を装備したコイルを使った場合の、送電コイル1のインダクタンスの変化の一例を示す図であり、X軸は負荷抵抗値(相対値)、Y軸はインダクタンス(相対値)を表している。   FIG. 68 is a diagram showing an example of a change in inductance of the power transmission coil 1 when a coil equipped with a magnetic material is used for at least one of the power transmission coil 1 or the power reception coil 2 in the equivalent circuit shown in FIG. The X axis represents the load resistance value (relative value), and the Y axis represents the inductance (relative value).

図69は、図66に示す等価回路において、送電コイル1または受電コイル2の少なくとも一方に磁性材を装備したコイルを使った場合の、送電コイル1のインダクタンスの変化の他の例を示す図であり、X軸は負荷抵抗値(相対値)、Y軸はインダクタンス(相対値)を表している。   FIG. 69 is a diagram showing another example of a change in inductance of the power transmission coil 1 when a coil equipped with a magnetic material is used in at least one of the power transmission coil 1 or the power reception coil 2 in the equivalent circuit shown in FIG. Yes, the X axis represents the load resistance value (relative value), and the Y axis represents the inductance (relative value).

図67では、インダクタンスLw,Ls、Ln、Lxの関係は、Ln=Lw>Ls、となっている。図68では、Ln>Lw>Ls、となっている。図69では、Ln>Ls>Lw、となっている。   In FIG. 67, the relationship between the inductances Lw, Ls, Ln, and Lx is Ln = Lw> Ls. In FIG. 68, Ln> Lw> Ls. In FIG. 69, Ln> Ls> Lw.

図66から図69は、100kHzにおいて、インダクタンスLw、Ls、Lnを実測して初期条件を求め、コンピュータシミュレーションにより負荷抵抗RLの数値を変化させてインダクタンスLxを求めたものである。インダクタンスLxは、送電コイル1と受電コイル2間の結合係数kの関数でもある。すなわち、インダクタンスLxは、Lx=f(RL,k)、で表される、独立変数が少なくとも2つある関数となる。よって、まず、Lx=f(RL,k)、を元に、偏微分方程式を立て、方程式に解が存在することを確認する。その後にインダクタンスLw、Ls、Lnを実測し、初期条件(積分定数)を求めてシミュレーションしたもので、複雑な計算を行なっている。そのため、図66から図69に関するシミュレーションの詳細については説明を省略する。しかし、インダクタンスLsとLnは実測可能であり、Lsは、RL≒0Ω、Lnは、RLが無限大(受電コイル2が開放状態)、のときの、送電コイル1のインダクタンス値である。したがって、インダクタンスLxは、LsからLnの間にしか存在しないことは自明である。   66 to 69 show the initial values obtained by actually measuring the inductances Lw, Ls, and Ln at 100 kHz, and the inductance Lx is obtained by changing the numerical value of the load resistance RL by computer simulation. The inductance Lx is also a function of the coupling coefficient k between the power transmission coil 1 and the power reception coil 2. That is, the inductance Lx is a function having at least two independent variables represented by Lx = f (RL, k). Therefore, first, a partial differential equation is established based on Lx = f (RL, k), and it is confirmed that a solution exists in the equation. Thereafter, inductances Lw, Ls, and Ln are actually measured, and an initial condition (integral constant) is obtained and simulated, and complicated calculations are performed. Therefore, description of the details of the simulation related to FIGS. 66 to 69 is omitted. However, the inductances Ls and Ln can be measured, and Ls is an inductance value of the power transmission coil 1 when RL≈0Ω and Ln is infinite (the power receiving coil 2 is in an open state). Therefore, it is obvious that the inductance Lx exists only between Ls and Ln.

前述したが、送電部と受電部が分離可能な電力伝送装置では、力率改善用のキャパシタを装備することにより、送電部単体、受電部単体で共振回路が形成される。特許文献4から特許文献6、その他多くの先行文献において、送電部単体の共振周波数fh(Hz)と、受電部単体の共振周波数fk(Hz)の関係を規定している。しかし、送電部と受電部が分離可能な電力伝送装置は、電力を伝送しているときの送電コイル1の残留リアクタンスLe(H)を打ち消して力率を改善しなくてはならない。   As described above, in a power transmission device in which a power transmission unit and a power reception unit are separable, a resonance circuit is formed by the power transmission unit alone and the power reception unit alone by providing a power factor improving capacitor. In Patent Document 4 to Patent Document 6 and many other prior documents, the relationship between the resonance frequency fh (Hz) of the power transmission unit alone and the resonance frequency fk (Hz) of the power reception unit alone is defined. However, the power transmission device in which the power transmission unit and the power reception unit can be separated must cancel the residual reactance Le (H) of the power transmission coil 1 when transmitting power to improve the power factor.

図66から図69を参照すると、図66において、送電コイル1のインダクタンスは、負荷抵抗RLの値により変化するのが分かる。特許文献4から特許文献6、その他の先行文献において、共振周波数fhとfkの関係を、fh>fk、と規定しているものと、fh<fk、と規定しているものがあるのは、図66から図69の関係が分かっていなかったからと推察される。   66 to 69, in FIG. 66, it can be seen that the inductance of the power transmission coil 1 changes depending on the value of the load resistance RL. In Patent Document 4 to Patent Document 6 and other prior documents, there are some that define the relationship between the resonance frequencies fh and fk as fh> fk, and some that specify fh <fk. It is guessed that the relationship between FIG. 66 and FIG. 69 was not known.

力率改善用キャパシタを使用した実際に電力伝送装置を実用化するに当り、問題となるのは、図66の回路構成で、図67において、Lx=Lwとなる場合である。このような場合に力率改善用キャパシタを使うと、送電コイル1単体でリアクタンスがゼロになる周波数fh(Hz)と、電力伝送時の周波数fd(Hz)が等しくなる。したがって、送電部30に受電部40が装着されていない場合、送電コイル1は単純な直列共振回路となる。そして、交流電源30bの出力電圧をVt(V)、送電コイル1と力率改善用キャパシタC1の実効直列抵抗の和をRm(Ω)、とすると、Vt/Rm(A)の過大電流が送電コイル1と力率改善用キャパシタC1に流れ、送電コイル1が発熱を起こし破損に至る。このような状態は、送電コイル1と受電コイル2の相対位置を変更し、両コイル間の結合係数を変更してやることにより回避可能ではある。しかし、負荷RLの値が変動し、Lx=Lw、となる領域が存在する場合には、送電部30で送電電力を低減するか、交流電源30bの出力周波数fa(Hz)を変更してやらねばならない。力率改善用キャパシタを使用する場合は、上記の関係に注意する必要がある。   In practical use of the power transmission device using the power factor improving capacitor, a problem arises in the circuit configuration of FIG. 66 when Lx = Lw in FIG. If the power factor improving capacitor is used in such a case, the frequency fh (Hz) at which the reactance is zero in the power transmission coil 1 alone and the frequency fd (Hz) during power transmission are equal. Therefore, when the power reception unit 40 is not attached to the power transmission unit 30, the power transmission coil 1 is a simple series resonance circuit. When the output voltage of the AC power supply 30b is Vt (V) and the sum of the effective series resistances of the power transmission coil 1 and the power factor improving capacitor C1 is Rm (Ω), an excessive current of Vt / Rm (A) is transmitted. The current flows through the coil 1 and the power factor improving capacitor C1, and the power transmission coil 1 generates heat and is damaged. Such a state can be avoided by changing the relative position of the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 and changing the coupling coefficient between the two coils. However, when the value of the load RL fluctuates and there is a region where Lx = Lw, the transmission power must be reduced by the power transmission unit 30 or the output frequency fa (Hz) of the AC power supply 30b must be changed. . When using a power factor improving capacitor, it is necessary to pay attention to the above relationship.

図70は、図1に示す送電制御回路11に含まれる交流電源30bの一例を示す図である。図70において、交流電源30bは、制御回路30cと、スイッチング素子Q1、Q2とを含む。制御回路30cには、直流電源12から直流電圧Vd(V)が供給されており、制御回路30cは、スイッチング素子Q1、Q2の各ゲートに制御信号を交互に与える。スイッチング素子Q1のドレインには直流電圧Vd(V)が供給されており、スイッチング素子Q1のソースとスイッチング素子Q2のドレインは、キャパシタC1の一方の電極に共通接続されている。スイッチング素子Q2のソースはGND(接地)に接続されている。   70 is a diagram illustrating an example of the AC power supply 30b included in the power transmission control circuit 11 illustrated in FIG. In FIG. 70, AC power supply 30b includes a control circuit 30c and switching elements Q1 and Q2. The control circuit 30c is supplied with a DC voltage Vd (V) from the DC power supply 12, and the control circuit 30c alternately applies control signals to the gates of the switching elements Q1 and Q2. A DC voltage Vd (V) is supplied to the drain of the switching element Q1, and the source of the switching element Q1 and the drain of the switching element Q2 are commonly connected to one electrode of the capacitor C1. The source of the switching element Q2 is connected to GND (ground).

制御回路30cは、スイッチング素子Q1、Q2を交互に導通させて、キャパシタC1を介して送電コイル1に非正弦波である方形波を供給する。この方形波は、Vd(V)とGNDとの間でレベルが変化する、デューティ50%、振幅Vd(V)の波形である。キャパシタC1と送電コイル1は、図1に図示していない受電部を含め、図116の等価回路のようなLC直列共振回路を構成しているので、方形波信号に基づいて共振する。そして、振幅がVL(V)の正弦波交流が送電コイル1から図1に示した受電コイル2に伝送されて負荷RLに供給される。後述するが、振幅VL(V)は振幅Vd(V)よりも数倍から数十倍に昇圧される。   The control circuit 30c alternately turns on the switching elements Q1 and Q2, and supplies a square wave that is a non-sinusoidal wave to the power transmission coil 1 via the capacitor C1. This square wave is a waveform having a duty of 50% and an amplitude Vd (V), the level of which changes between Vd (V) and GND. Since the capacitor C1 and the power transmission coil 1 constitute an LC series resonance circuit such as the equivalent circuit of FIG. 116 including the power reception unit not shown in FIG. 1, the capacitor C1 and the power transmission coil 1 resonate based on the square wave signal. Then, a sine wave alternating current with an amplitude of VL (V) is transmitted from the power transmission coil 1 to the power reception coil 2 shown in FIG. 1 and supplied to the load RL. As will be described later, the amplitude VL (V) is boosted several to several tens of times higher than the amplitude Vd (V).

(LC直列共振回路の説明)
図71は、LC直列共振回路の特性を計測する回路図である。図71において、交流電源30bの交流電力出力端とGNDとの間には、基準コイルLsと、計測用キャパシタCxと、抵抗R2とが接続される。計測用キャパシタCxの両端には、オシロスコープ80が接続され、キャパシタCxの両端電圧が計測される。R2は0.1Ω程度の抵抗で、R2の両端電圧を計測することにより、LC直列共振回路に流れる交流電流を計測する、交流電源30bは、評価しようとするキャパシタCxのリアクタンスXcと、基準コイルLs単体のリアクタンスXiが等しくなるように、出力周波数が設定される。
(Description of LC series resonance circuit)
FIG. 71 is a circuit diagram for measuring the characteristics of the LC series resonance circuit. In FIG. 71, a reference coil Ls, a measurement capacitor Cx, and a resistor R2 are connected between the AC power output terminal of the AC power supply 30b and GND. An oscilloscope 80 is connected to both ends of the measurement capacitor Cx, and the voltage across the capacitor Cx is measured. R2 is a resistance of about 0.1Ω and measures the AC current flowing through the LC series resonance circuit by measuring the voltage across R2, and the AC power supply 30b has a reactance Xc of the capacitor Cx to be evaluated and a reference coil The output frequency is set so that reactance Xi of Ls alone is equal.

図72は、図71のLC直列共振回路の特性を計測する回路を構成する各素子の純抵抗成分(実効直列抵抗)を含む等価回路図である。図72において、Rc(Ω)はキャパシタCの実効直列抵抗、Riは送電コイル1の実効直列抵抗、Rm(Ω)は、コイル1の実効直列抵抗Riと、キャパシタCの実効直列抵抗Rcとの加算値(Ri+Rc)(Ω)であり、出力インピーダンスZs(Ω)は交流電源30bの出力インピーダンスを示す。   72 is an equivalent circuit diagram including the pure resistance component (effective series resistance) of each element constituting the circuit for measuring the characteristics of the LC series resonance circuit of FIG. 72, Rc (Ω) is the effective series resistance of the capacitor C, Ri is the effective series resistance of the power transmission coil 1, and Rm (Ω) is the effective series resistance Ri of the coil 1 and the effective series resistance Rc of the capacitor C. The added value (Ri + Rc) (Ω), and the output impedance Zs (Ω) indicates the output impedance of the AC power supply 30b.

(キャパシタの説明)
まず、本願発明者は、図1の回路にて、キャパシタ以外の構成要素である交流電源30bと、送電コイル1、受電コイル2、負荷RLに全て同一のものを使い、周波数を同一として電力伝送試験を行なってみた。その結果、静電容量が同一のキャパシタを用いても、キャパシタの誘電体や構成が異なることによって、電力伝送性能が異なるのを見出した。また、同一の誘電体により構成されたキャパシタであっても、キャパシタの構成によって、電力伝送性能が異なるのを見出した。さらに、送電コイル1を変え、キャパシタの誘電体と構成が全く同一であっても、静電容量によって電力伝送性能が異なるのを見出した。
(Description of capacitor)
First, the inventor of the present application uses the same AC power source 30b, which is a component other than the capacitor, and the power transmission coil 1, the power reception coil 2, and the load RL in the circuit of FIG. I tried the test. As a result, it has been found that even when capacitors having the same capacitance are used, the power transmission performance differs depending on the capacitor dielectric and configuration. Moreover, even if it was the capacitor comprised by the same dielectric material, it discovered that electric power transmission performance differed with the structure of a capacitor. Furthermore, even if the power transmission coil 1 is changed and the configuration is exactly the same as the dielectric of the capacitor, it has been found that the power transmission performance varies depending on the capacitance.

そこで、本願発明者は、0.01μFの17種のキャパシタC1a〜C1sを用意し、まずLCRメータにて、キャパシタの特性を計測した。C1a,C1bはポリスチレン(PS)、C1c,C1gはポリプロピレン(PP)、C1dはポリカーボネート(PC)、C1e,C1fはポリフェニレンスルフィド(PPS)、C1j,C1qはポリエチレン(PE),C1h,C1m,C1r,C1sはセラミック(CE)、C1i,C1k、C1n,C1pはポリエチレンテレフタレート(PET)、をそれぞれ誘電体としている。   Therefore, the present inventor prepared 17 types of capacitors C1a to C1s of 0.01 μF, and first measured the characteristics of the capacitors with an LCR meter. C1a and C1b are polystyrene (PS), C1c and C1g are polypropylene (PP), C1d is polycarbonate (PC), C1e and C1f are polyphenylene sulfide (PPS), C1j and C1q are polyethylene (PE), C1h, C1m, C1r, C1s is made of ceramic (CE), C1i, C1k, C1n, and C1p are made of polyethylene terephthalate (PET) as dielectrics.

これらのキャパシタの特性を、100kHzにおいて実効直列抵抗Rcの低い順に並べ替えたものが表2になる。なお、表2に示す各キャパシタは、各5個程度を実測し、平均値を求め、平均値に近いキャパシタの特性値を記載したものである。ただし、特性が計測不能なキャパシタ、計測値に再現性が無いキャパシタ、電力伝送性能が著しく悪いキャパシタなど、基礎データとならないキャパシタは、表2から除外してある。また、前述した発熱のために使用できないポリスチレンキャパシタ、電力伝送性能の著しく悪いポリプロピレンキャパシタなども表2から除外してある。   Table 2 shows the characteristics of these capacitors rearranged in descending order of the effective series resistance Rc at 100 kHz. In addition, about each capacitor shown in Table 2, about 5 each is measured, an average value is calculated | required, and the characteristic value of the capacitor close | similar to an average value is described. However, capacitors that do not serve as basic data, such as capacitors whose characteristics cannot be measured, capacitors whose measurement values are not reproducible, and capacitors whose power transmission performance is extremely poor, are excluded from Table 2. Further, the above-described polystyrene capacitors that cannot be used due to heat generation and polypropylene capacitors that have extremely poor power transmission performance are also excluded from Table 2.

Figure 2009124878
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表2で、Cはキャパシタの静電容量を表し、単位はμFである。Rcは各周波数におけるキャパシタの実効直列抵抗を表し、Xcは各周波数におけるキャパシタのリアクタンスを表し、単位はΩである。Qは各周波数におけるキャパシタのQを表し、無単位である。tanδは各周波数におけるキャパシタの誘電正接を表し、無単位である。   In Table 2, C represents the capacitance of the capacitor, and its unit is μF. Rc represents the effective series resistance of the capacitor at each frequency, Xc represents the reactance of the capacitor at each frequency, and the unit is Ω. Q represents the Q of the capacitor at each frequency and is unitless. tan δ represents the dielectric loss tangent of the capacitor at each frequency and is unitless.

なお、表2には記載していないが、ポリエチレンナフタレート(PEN)を誘電体とするキャパシタについても、電力伝送性能を計測してある。ポリエチレンナフタレートキャパシタの電力伝送性能については、後述する。   In addition, although not described in Table 2, the power transmission performance is also measured for a capacitor using polyethylene naphthalate (PEN) as a dielectric. The power transmission performance of the polyethylene naphthalate capacitor will be described later.

特許文献1の段落番号0013には、電力伝送用周波数として50kHzから500kHzが好ましいと記載されているが、キャパシタの高周波数領域における特性は、キャパシタによっても異なる。さらに、全く同一の誘電体を使い、全く同一の構成のキャパシタであっても、静電容量によって、電力伝送性能が異なってくる。   In paragraph No. 0013 of Patent Document 1, it is described that 50 kHz to 500 kHz is preferable as the frequency for power transmission. However, the characteristics of the capacitor in the high frequency region vary depending on the capacitor. Furthermore, even if the capacitor has exactly the same configuration using the same dielectric, the power transmission performance varies depending on the capacitance.

これらのキャパシタの周波数特性については、使用可能な周波数領域を、実例を挙げて後述する。表2を基礎データとし、キャパシタの特性につき考察する。最初に、JISに規定されている本発明の実施形態に関連するキャパシタの特性を表3に記載しておく。   Regarding the frequency characteristics of these capacitors, usable frequency regions will be described later with examples. Using Table 2 as basic data, the characteristics of the capacitor will be discussed. First, the characteristics of the capacitor related to the embodiment of the present invention defined in JIS are listed in Table 3.

Figure 2009124878
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(キャパシタの特性計測の原理)
まず、キャパシタの特性を計測する原理について説明しておく。図73は、キャパシタの静電容量を計測する計測回路の原理回路図の一例で、LCRメータにおける静電容量の計測方法の一例を示す原理図である。
(Principle of capacitor characteristic measurement)
First, the principle of measuring capacitor characteristics will be described. FIG. 73 is an example of a principle circuit diagram of a measurement circuit that measures the capacitance of a capacitor, and is a principle diagram showing an example of a capacitance measurement method in an LCR meter.

図73の回路構成のLCRメータは、交流定電流源41と交流電圧計42とを含む。図73においてRzはプローブなどをキャパシタCの端子に電気的に接触させたときの接触抵抗である。交流定電流源41から交流定電流I(A)をキャパシタCに流し、キャパシタCの両端電圧V(V)を交流電圧計42で計測することにより、キャパシタCの静電容量を計測する。キャパシタCの両端電圧V(V)を正確に計測できるよう、いわゆる4端子計測法という手法が使われている。これは、微小電流や微小電圧を計測するときに、図73に示す接触抵抗Rz(Ω)などの影響を排除するためである。   The LCR meter having the circuit configuration of FIG. 73 includes an AC constant current source 41 and an AC voltmeter 42. In FIG. 73, Rz is a contact resistance when a probe or the like is brought into electrical contact with the terminal of the capacitor C. The capacitance of the capacitor C is measured by flowing an AC constant current I (A) from the AC constant current source 41 to the capacitor C and measuring the voltage V (V) across the capacitor C with the AC voltmeter 42. A so-called four-terminal measurement method is used so that the voltage V (V) across the capacitor C can be accurately measured. This is to eliminate the influence of the contact resistance Rz (Ω) shown in FIG. 73 when measuring a minute current or minute voltage.

なお、図示していないが、図73に示すLCRメータは、交流定電流源41の位相と交流電圧計42にて計測した電圧位相との位相差θを検知する手段を備えている。よって、図73に示すLCRメータは、複素インピーダンスを計測できる。   Although not shown, the LCR meter shown in FIG. 73 includes means for detecting a phase difference θ between the phase of the AC constant current source 41 and the voltage phase measured by the AC voltmeter 42. Therefore, the LCR meter shown in FIG. 73 can measure complex impedance.

キャパシタのリアクタンスXc(Ω)は、インピーダンスZ(Ω)であるので、
Xc(Ω)=Z(Ω)=V(V)/I(A)、として求められる。キャパシタCの静電容量C(F)を計測する角周波数をωとすると、C(F)=Xc(Ω)/ω、として静電容量C(F)が求められる。実際には、Zは複素インピーダンスであり、電流I(A)の位相は電圧V(V)の位相よりもθ(0度≦θ≦90度)進んでいる。したがって、キャパシタのリアクタンスXc(Ω)は、Xc(Ω)=Z・sinθ(Ω)、として求められる。また、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)は、Rc(Ω)=Z・cosθ(Ω)、として求められる。よって、C(F)=Xc(Ω)/ω=Z(Ω)・sinθ/ωとなる。上式より明らかなように、キャパシタのQは、Q=Xc(Ω)/Rc(Ω)、であるので、Q=(Z・sinθ/Z・cosθ)=tanθ、となる。Qは、電圧Vと電流Iの数値には関係なく、電流Iと電圧Vの位相差、θだけの関数となっている。位相差θは、θ=tan−1(Q)、として求められる。
Since the reactance Xc (Ω) of the capacitor is impedance Z (Ω),
Xc (Ω) = Z (Ω) = V (V) / I (A). When the angular frequency for measuring the capacitance C (F) of the capacitor C is ω, the capacitance C (F) is obtained as C (F) = Xc (Ω) / ω. Actually, Z is a complex impedance, and the phase of the current I (A) is advanced by θ (0 ° ≦ θ ≦ 90 °) from the phase of the voltage V (V). Therefore, the reactance Xc (Ω) of the capacitor is obtained as Xc (Ω) = Z · sin θ (Ω). The effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor is obtained as Rc (Ω) = Z · cos θ (Ω). Therefore, C (F) = Xc (Ω) / ω = Z (Ω) · sin θ / ω. As apparent from the above equation, the Q of the capacitor is Q = Xc (Ω) / Rc (Ω), so that Q = (Z · sin θ / Z · cos θ) = tan θ. Q is a function of only the phase difference, θ, between the current I and the voltage V, regardless of the numerical values of the voltage V and the current I. The phase difference θ is obtained as θ = tan−1 (Q).

(静電容量の時間変化の説明)
図74は、図73に示したLCRメータにて、電力伝送性能が悪いポリエチレンテレフタレートキャパシタC1n、セラミックキャパシタC1rの静電容量を計測したときの、計測開始時間から5分間の静電容量の変動を示すグラフである。
(Explanation of time change of capacitance)
FIG. 74 shows the fluctuation of the capacitance for 5 minutes from the measurement start time when the capacitance of the polyethylene terephthalate capacitor C1n and the ceramic capacitor C1r having poor power transmission performance is measured with the LCR meter shown in FIG. It is a graph to show.

本願発明者が図73のLCRメータにて、電力伝送性能が悪いキャパシタの静電容量を計測したところ、静電容量の表示が安定せず、一定表示となるまでに数分の時間を要した。図70,図71のLC直列回路においても、キャパシタには交流電流Ic(A)が流れている。したがって、Icが流れた瞬間からキャパシタの静電容量が安定するまでに相当の時間がかかる。これは、図70,図71の回路において、リアクタンスがゼロとなる周波数が時間と共に変動することを示している。すなわち、図70,図71の回路に表2に示したポリエチレンテレフタレートキャパシタC1n、セラミックキャパシタC1rを使うと、電流Ic(A)が変動したときに安定して動作させることができない。これは、実際に図70,図71の回路で確認するまでもなく、数桁の分解能がある一般のLCRメータで静電容量を計測し、静電容量値が安定するまでの時間を見れば簡単に分かることである。   When the inventor of the present application measured the capacitance of a capacitor with poor power transmission performance with the LCR meter of FIG. 73, the capacitance display was not stable, and it took several minutes for the display to be constant. . Also in the LC series circuits of FIGS. 70 and 71, an alternating current Ic (A) flows through the capacitor. Accordingly, it takes a considerable time from the moment when Ic flows until the capacitance of the capacitor is stabilized. This indicates that in the circuits of FIGS. 70 and 71, the frequency at which the reactance becomes zero varies with time. That is, when the polyethylene terephthalate capacitor C1n and the ceramic capacitor C1r shown in Table 2 are used in the circuits of FIGS. 70 and 71, the circuit cannot be stably operated when the current Ic (A) fluctuates. This can be confirmed by measuring the capacitance with a general LCR meter having several digits of resolution and seeing the time until the capacitance value is stabilized, without actually confirming with the circuits of FIGS. It is easy to understand.

実測結果から見ると、5秒程度以下で安定しないキャパシタは電力伝送性能が悪い。すなわち、計測開始から5秒後以降の計測数値が±0.1%以上変動しない必要がある。あるいは、5分間の計測時間で静電容量の変動率が、1%以下、計測開始から1分間の計測時間で静電容量の変動率が0.2%以下である必要がある。   From the actual measurement results, a capacitor that is not stable in about 5 seconds or less has poor power transmission performance. That is, it is necessary that the measured numerical value after 5 seconds from the start of measurement does not vary by ± 0.1% or more. Alternatively, it is necessary that the variation rate of capacitance is 1% or less in a measurement time of 5 minutes, and the variation rate of capacitance is 0.2% or less in a measurement time of 1 minute from the start of measurement.

図73の回路構成のLCRメータにおいては、前述したように、いわゆる4端子計測法という手法が使われている。このような微小電流や微小電圧を用いて静電容量を計測しても、静電容量を安定して計測できない。したがって、図74のように、計測した静電容量が安定していないキャパシタは、図70,図71の回路においても静電容量が安定せず、電力伝送性能が悪く、かつ電力伝送性能が変動する。   In the LCR meter having the circuit configuration of FIG. 73, as described above, a so-called four-terminal measurement method is used. Even if the capacitance is measured using such a minute current or minute voltage, the capacitance cannot be measured stably. Therefore, as shown in FIG. 74, a capacitor whose measured capacitance is not stable is not stable even in the circuits of FIGS. 70 and 71, power transmission performance is poor, and power transmission performance varies. To do.

強誘電体、例えば一部のセラミックキャパシタの温度特性は非常に悪く、70℃程度になると、静電容量が半分程度になる場合もあることが一般に知られている。このような、静電容量が温度により大きく変動する特性を持つキャパシタも、当然のことながら、本発明には使用できない。ただし、セラミックを誘電体とするキャパシタであっても、静電容量の温度特性がよいものもある。目安として、25℃のときの静電容量を基準とし、0℃から85℃の間で、静電容量の温度変化が、±5%以下であるのが、最低限満足しないとならない条件となる。   It is generally known that the temperature characteristics of a ferroelectric substance, for example, some ceramic capacitors, are very poor, and if the temperature is about 70 ° C., the capacitance may be about half. Such a capacitor having the characteristic that the capacitance greatly varies depending on the temperature cannot be used in the present invention. However, even a capacitor using ceramic as a dielectric has a good capacitance temperature characteristic. As a guide, the capacitance at 25 ° C. is used as a reference, and the temperature change of the capacitance between 0 ° C. and 85 ° C. is ± 5% or less. .

(昇圧比の説明)
次に、図72に示した直列共振回路を構成する基本回路の動作を説明する。図72において、ωL(Ω)=(1/ωC)(Ω)、となる周波数ωで、回路に流れる電流I(A)は最大値Ir(A)となる。これは、図116で、キャパシタC1と残留インダクタンスLeが共に短絡された状態である。
(Explanation of boost ratio)
Next, the operation of the basic circuit constituting the series resonant circuit shown in FIG. 72 will be described. In FIG. 72, the current I (A) flowing through the circuit becomes the maximum value Ir (A) at the frequency ω where ωL (Ω) = (1 / ωC) (Ω). This is a state where the capacitor C1 and the residual inductance Le are both short-circuited in FIG.

以降、共振周波数、または共振点と表記する場合、ωL(Ω)=(1/ωC)(Ω)、となる周波数を指すものとする。すなわち、直列共振回路において、コイルのリアクタンスXi(Ω)とキャパシタのリアクタンスXc(Ω)が、Xi(Ω)=Xc(Ω)、となる周波数frである。本願発明者は、交流電源30bと、送電コイル1に同一のものを使い、キャパシタを種々用意して、最大値Ir(A)を計測した。図72において、送電コイル1は、平面空芯状に構成されたものが使用されている。200kHzにおける交流電源30bの出力インピーダンスZsは、0.2Ωである。交流電源30bの開放出力電圧Vo(V)は実効値、1V(2Vp−p)に固定してある。交流電源30bの出力インピーダンスZs(Ω)は、交流電源30bの開放出力電圧のピーク値をVo(V)、交流電源30bの出力に2Ωの無誘導抵抗を接続したときの交流電源30bの出力電圧のピーク値をVt(V)とし、Zs(Ω)=2(Ω)×(Vo−Vt)(V)/Vo(V)、として求めてある。   Henceforth, when expressing with a resonance frequency or a resonance point, it shall refer to the frequency used as (omega) L (ohm) = (1 / omegaC) (ohm). That is, in the series resonance circuit, the reactance Xi (Ω) of the coil and the reactance Xc (Ω) of the capacitor are frequencies fr where Xi (Ω) = Xc (Ω). The inventor of the present application used the same AC power source 30b and the power transmission coil 1, prepared various capacitors, and measured the maximum value Ir (A). In FIG. 72, a power transmission coil 1 configured in a plane air-core shape is used. The output impedance Zs of the AC power supply 30b at 200 kHz is 0.2Ω. The open output voltage Vo (V) of the AC power supply 30b is fixed at an effective value of 1 V (2 Vp-p). The output impedance Zs (Ω) of the AC power supply 30b is the output voltage of the AC power supply 30b when the peak value of the open output voltage of the AC power supply 30b is Vo (V) and a non-inductive resistance of 2Ω is connected to the output of the AC power supply 30b. The peak value of V is determined as Vt (V), and Zs (Ω) = 2 (Ω) × (Vo−Vt) (V) / Vo (V).

同じく、200kHzにおける送電コイル1単体の実効直列抵抗Riは1.35Ω、インダクタンスは約60μH、リアクタンスXiは80Ωである。したがって、キャパシタの実効直列抵抗をRc(Ω)とすると、回路に流れる電流I(A)の最大値Ir(A)は、
Ir(A)=Vo(V)/(Zs(Ω)+Rw(Ω)+Rc(Ω))、となる。そして、送電コイル1の両端電圧Vi(V)は、Vi(V)=Xi(Ω)×Ir(A)、となる。すなわち、交流電源30bの出力インピーダンスZs(Ω)が十分に低く、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)が、Rc(Ω)<<Ri(Ω)、を満足しているならば、送電コイル1単体のQをQiとすると、送電コイル1の両端には、
Vi(V)=Vo(V)×Qi、の電圧が発生する。このQiを昇圧比Hと呼ぶ。実際には、キャパシタのQ、Qcを勘案し、直列共振回路のQ、Qrは、
1/Qr=1/Qc+1/Qi、なる関係にある。Qc>>Qi、が成立しない場合、昇圧比Hは、H=Qr、となる。上述したが、ωL1(Ω)=1/ωC1(Ω)、となる周波数では、コイルのリアクタンスXi(Ω)とキャパシタCのリアクタンスXc(Ω)が等しくなる。よって、キャパシタの両端電圧Vc(V)は、Vi(V)と等しくなる。本願発明者は、表1に示す、公称値0.01μFの各種キャパシタを使い、キャパシタの両端電圧Vc(V)、および前述した昇圧比H、H=Vc(V)/Vo(V)、をオシロスコープ70にて計測してみた。
Similarly, the effective series resistance Ri of the power transmission coil 1 alone at 200 kHz is 1.35Ω, the inductance is about 60 μH, and the reactance Xi is 80Ω. Therefore, when the effective series resistance of the capacitor is Rc (Ω), the maximum value Ir (A) of the current I (A) flowing through the circuit is
Ir (A) = Vo (V) / (Zs (Ω) + Rw (Ω) + Rc (Ω)). And the both-ends voltage Vi (V) of the power transmission coil 1 becomes Vi (V) = Xi (Ω) × Ir (A). That is, if the output impedance Zs (Ω) of the AC power supply 30b is sufficiently low and the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor satisfies Rc (Ω) << Ri (Ω), the power transmission coil 1 If the single Q is Qi, both ends of the power transmission coil 1 are
A voltage of Vi (V) = Vo (V) × Qi is generated. This Qi is called a boost ratio H. Actually, considering the Q and Qc of the capacitor, the Q and Qr of the series resonant circuit are
1 / Qr = 1 / Qc + 1 / Qi. When Qc >> Qi is not established, the step-up ratio H is H = Qr. As described above, at the frequency where ωL1 (Ω) = 1 / ωC1 (Ω), the reactance Xi (Ω) of the coil and the reactance Xc (Ω) of the capacitor C are equal. Therefore, the voltage Vc (V) across the capacitor becomes equal to Vi (V). The inventor of the present application uses various capacitors having a nominal value of 0.01 μF shown in Table 1, and calculates the voltage Vc (V) across the capacitor and the step-up ratio H, H = Vc (V) / Vo (V) described above. I measured it with an oscilloscope 70.

図75は、表2に示した200kHzにおける各キャパシタの実効直列抵抗RcをX軸とし、昇圧比Hと駆動回路電流Id(mA)をY軸としたグラフである。図75に示す特性上の黒点は各キャパシタにおける昇圧比の実測値H,駆動回路電流IDを示している。図75において、Htは、Qrより計算した昇圧比の理論値である。なお、黒点は各キャパシタの計測値であり、中間点は、グラフにより補間している。   FIG. 75 is a graph with the effective series resistance Rc of each capacitor at 200 kHz shown in Table 2 as the X axis and the step-up ratio H and the drive circuit current Id (mA) as the Y axis. The black dots on the characteristics shown in FIG. 75 indicate the actual measurement value H of the boost ratio and the drive circuit current ID in each capacitor. In FIG. 75, Ht is a theoretical value of the step-up ratio calculated from Qr. In addition, a black point is a measured value of each capacitor, and an intermediate point is interpolated by a graph.

図76は、図72の回路に直列に抵抗R3を付加した回路図である。図76に示すR3の作用については後述する。交流電源30bの出力インピーダンスZs(Ω)は、0.2Ωと極めて低い。しかし、本実施形態においては、コイルの実効直列抵抗Ri(Ω)、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)、が2Ω以下であり、Zsを無視できない。そこで、Zsを考慮しなくて済むよう、LC直列回路に接続される交流電源の出力電圧をVt(V)とする。Vt(V)は前記Vo(V)よりも小さくなるが、Vt(V)を計測すれば、LC直列回路に流れる電流を、Zs(Ω)に関係なく計算することができる。以下、Vt(V)とVo(V)を、実施形態によって使い分けることにする。   FIG. 76 is a circuit diagram in which a resistor R3 is added in series to the circuit of FIG. The action of R3 shown in FIG. 76 will be described later. The output impedance Zs (Ω) of the AC power supply 30b is as extremely low as 0.2Ω. However, in this embodiment, the effective series resistance Ri (Ω) of the coil and the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor are 2Ω or less, and Zs cannot be ignored. Therefore, the output voltage of the AC power source connected to the LC series circuit is set to Vt (V) so that Zs need not be considered. Vt (V) is smaller than Vo (V), but if Vt (V) is measured, the current flowing through the LC series circuit can be calculated regardless of Zs (Ω). Hereinafter, Vt (V) and Vo (V) will be properly used according to the embodiment.

図75より、キャパシタにより昇圧比Hが異なることが分かる。直列共振点では、リアクタンス成分がゼロとなり、純抵抗成分である実効直列抵抗Rm(Ω)のみとなる。そのため、Ir(A)=Vt(V)/Rm(Ω)、なる電流Ir(A)が回路に流れる。   From FIG. 75, it can be seen that the boost ratio H differs depending on the capacitor. At the series resonance point, the reactance component becomes zero and only the effective series resistance Rm (Ω) which is a pure resistance component. Therefore, a current Ir (A) of Ir (A) = Vt (V) / Rm (Ω) flows through the circuit.

よって、コイルの両端に発生する電圧Vi(V)は、
Vi(V)=Ir(A)×Xi(Ω)、となる。
Therefore, the voltage Vi (V) generated at both ends of the coil is
Vi (V) = Ir (A) × Xi (Ω).

キャパシタの両端に発生する電圧Vc(V)は、
Vc(V)=Ir(A)×Xc(Ω)、となる。
The voltage Vc (V) generated across the capacitor is
Vc (V) = Ir (A) × Xc (Ω).

直列共振点では、Xi(Ω)=Xc(Ω)であるので、Vi(V)=Vc(V)、である。Vi(V)とVc(V)は、共に位相が180度ずれており、かつ、振幅が等しいので、図76のA点とB点間の電圧は、理論上ゼロとなる。すなわち、A点とB点間は短絡と同じ状態になる。実際には、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)とコイルの実効直列抵抗Ri(Ω)が存在するので、A点とB点間には正弦波の残留電圧が発生する。   Since Xi (Ω) = Xc (Ω) at the series resonance point, Vi (V) = Vc (V). Since Vi (V) and Vc (V) are both 180 degrees out of phase and have the same amplitude, the voltage between point A and point B in FIG. 76 is theoretically zero. That is, the point A and the point B are in the same state as a short circuit. Actually, since there is an effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor and an effective series resistance Ri (Ω) of the coil, a sine wave residual voltage is generated between the points A and B.

電流Ir(A)=Vo(V)/(Zs(Ω)+Ri(Ω)+Rc(Ω))、に、
Zs=0.2Ω、Ri=1.35Ω、を代入すると、
Zs+Ri+Rc=Rc+1.55Ω、となり、Rc≒0Ω、なら、共振周波数における回路電流Ir(A)は、理論上、Ir=1V/1.55Ω=666mA、となる。
Current Ir (A) = Vo (V) / (Zs (Ω) + Ri (Ω) + Rc (Ω)),
Substituting Zs = 0.2Ω and Ri = 1.35Ω,
Zs + Ri + Rc = Rc + 1.55Ω, and if Rc≈0Ω, the circuit current Ir (A) at the resonance frequency is theoretically Ir = 1V / 1.55Ω = 666 mA.

図71の回路において、R2を0.1Ωの交流電流計測用抵抗とし、表2の実効直列抵抗Rc(Ω)が0.01ΩのポリスチレンキャパシタC1aを使い、図71に示すように、オシロスコープ80で、R2の両端電圧の極大値を計測すると83mVであった。よって、図71の回路には、尖頭値、83mV/0.1Ω=830mA、の電流が流れていることになる。すなわち、830/√2=586mAの実効電流が流れていることになり、ほぼ理論通りの結果が得られた。理論値666mAと、実測値586mAの差異は、交流電流計測用抵抗R2が回路に直列に付加されたからと推察される。   In the circuit of FIG. 71, R2 is a resistance for AC current measurement of 0.1Ω, and a polystyrene capacitor C1a having an effective series resistance Rc (Ω) of Table 2 of 0.01Ω is used, and an oscilloscope 80 is used as shown in FIG. The maximum value of the voltage across R2 was 83 mV. Therefore, the peak value, 83 mV / 0.1Ω = 830 mA, flows through the circuit of FIG. That is, an effective current of 830 / √2 = 586 mA is flowing, and a result almost as expected is obtained. The difference between the theoretical value 666 mA and the actually measured value 586 mA is presumed to be because the AC current measuring resistor R2 is added in series to the circuit.

図72の回路中の実効直列抵抗Rm(Ω)は、Rm=Ri+Rc=1.55Ωである。共振点にて、実効直列抵抗Rmが消費する電力Prは、
Pr=0.586(A)×1.55(Ω)=0.52W、になる。直流電源12の出力電圧は2V、出力電流は0.26Aで、出力電力は、2V×0.26A=0.52W、となり、ほぼ理論と合致する結果が得られている。
The effective series resistance Rm (Ω) in the circuit of FIG. 72 is Rm = Ri + Rc = 1.55Ω. At the resonance point, the power Pr consumed by the effective series resistance Rm is
Pr = 0.586 (A) 2 × 1.55 (Ω) = 0.52 W. The output voltage of the DC power supply 12 is 2 V, the output current is 0.26 A, and the output power is 2 V × 0.26 A = 0.52 W, which is a result that almost agrees with the theory.

しかしながら、表2の一部のキャパシタは、
Ir(A)=Vo(V)/(Zs(Ω)+Ri(Ω)+Rc(Ω))、の関係、および、
Ir(A)=Vt(V)/(Ri(Ω)+Rc(Ω))=Vt(V)/(Rm(Ω))、の関係、を満足していない。また、昇圧比Hについても、直列共振回路のQをQrとしたときに、1/Qr=1/Qc+1/Qi、の関係から求められる昇圧比Hの理論値を満足していない。すなわち、H≠Qr、となっている。
However, some capacitors in Table 2
Ir (A) = Vo (V) / (Zs (Ω) + Ri (Ω) + Rc (Ω)), and
The relationship Ir (A) = Vt (V) / (Ri (Ω) + Rc (Ω)) = Vt (V) / (Rm (Ω)) is not satisfied. Further, the boost ratio H does not satisfy the theoretical value of the boost ratio H obtained from the relationship 1 / Qr = 1 / Qc + 1 / Qi, where Q is Q of the series resonance circuit. That is, H ≠ Qr.

実例を示すと、例えば表2のセラミックキャパシタC1rは、200kHzにおける実効直列抵抗Rcが1.57Ωとなっている。したがって、Zs+Rw+Rcは、
Zs+Rw+Rc=0.2+1.35+1.57=3.12Ω、となる。
For example, the ceramic capacitor C1r in Table 2 has an effective series resistance Rc of 1.57Ω at 200 kHz. Therefore, Zs + Rw + Rc is
Zs + Rw + Rc = 0.2 + 1.35 + 1.57 = 3.12Ω.

図72において、理論上の共振点における回路電流Itは、実効値で、
It=1V/3.12Ω=320mAとなる。
In FIG. 72, the circuit current It at the theoretical resonance point is an effective value,
It = 1V / 3.12Ω = 320 mA.

よって、図72の理論上の消費電力Pt、Pt=I2R(W)、は、
Pt=IR=0.32A×0.32A×3.12Ω=0.32W、となる。
Therefore, the theoretical power consumption Pt, Pt = I2R (W) in FIG.
Pt = I 2 R = 0.32A × 0.32A × 3.12Ω = 0.32W.

一方、図70の駆動回路の実測電流は、63mAであり、図72の回路に投入される電力は、
2V×0.063A=0.126W、となる。すなわち、理論上は、0.32Wを消費するべき図71の回路が、実測上は、0.126Wしか消費していない。
On the other hand, the actual measurement current of the drive circuit of FIG. 70 is 63 mA, and the power input to the circuit of FIG.
2V × 0.063A = 0.126W. That is, in theory, the circuit of FIG. 71 that should consume 0.32 W consumes only 0.126 W in actual measurement.

また、この電力から図71の回路電流Iを逆算すると、
I=√(P/R)=√(0.126W/3.12Ω)=200mAとなる。
Further, when the circuit current I in FIG.
I = √ (P / R) = √ (0.126 W / 3.12Ω) = 200 mA.

理論値Itは320mAであるが、実測値Iは、200mAとなっている。   The theoretical value It is 320 mA, but the actual measurement value I is 200 mA.

理論値から計算したキャパシタの両端電圧Vcは、実効値で、
Vc=72.4Ω×0.32A=23.17V、となる。
The voltage Vc across the capacitor calculated from the theoretical value is an effective value,
Vc = 72.4Ω × 0.32A = 23.17V.

理論上の昇圧比Htは、Ht=23.17/1=23.17となるが、実測した昇圧比Hは10.8程度しかない。昇圧比Ht、Hを、キャパシタ電圧を示すものとする。   The theoretical boost ratio Ht is Ht = 23.17 / 1 = 23.17, but the actually measured boost ratio H is only about 10.8. The step-up ratios Ht and H represent the capacitor voltage.

以上の結果をまとめると、理論値と実測値の比は、
電流では、200mA/320mA=0.625
電圧では、10.8/23.17=0.466
電力では、126mW/320mW=0.394
となる。いずれも理論値よりも小さい値となっている。しかし、後述するが、理論値よりも大きくなる場合もある。これは、キャパシタの静電容量が、0.01μFではなく、表1より、最大で、±10%程度の偏差があり、共振周波数が200kHzよりずれているからと推察される。図71の直列共振回路を利用し、このようにしてキャパシタの性能を判断することができる。
Summarizing the above results, the ratio between theoretical and measured values is
In current, 200 mA / 320 mA = 0.625
In voltage, 10.8 / 23.17 = 0.466
In power, 126mW / 320mW = 0.394
It becomes. Both values are smaller than the theoretical values. However, as will be described later, it may be larger than the theoretical value. This is presumably because the capacitance of the capacitor is not 0.01 μF, and from Table 1, there is a maximum deviation of about ± 10%, and the resonance frequency is shifted from 200 kHz. Using the series resonant circuit of FIG. 71, the performance of the capacitor can be determined in this way.

図75には、理論上の昇圧比Ht、Ht=Qrがプロットされている。なお、図75で、セラミックキャパシタC1hは、実効直列抵抗Rcから計算した理論値とずれている。これは、セラミックキャパシタC1rを参照し前述した理論値と合致しないキャパシタで、以下の規定を満足していない。これについては後述する。   In FIG. 75, theoretical boost ratios Ht and Ht = Qr are plotted. In FIG. 75, the ceramic capacitor C1h deviates from the theoretical value calculated from the effective series resistance Rc. This is a capacitor that does not match the theoretical value described above with reference to the ceramic capacitor C1r, and does not satisfy the following rules. This will be described later.

以上の実験結果より、理論上の昇圧比Htと、実測した昇圧比Hの比、H/Htが、
H/Ht>0.9、の条件を満足すれば、後述する所定の電力伝送性能を確保できる。
From the above experimental results, the theoretical step-up ratio Ht and the ratio of the actually measured step-up ratio H, H / Ht,
If the condition of H / Ht> 0.9 is satisfied, predetermined power transmission performance described later can be ensured.

図75を参照すると、H/Ht>1、となるキャパシタも存在する。前述したように、それらのキャパシタの静電容量が0.01μFよりも小さく、共振周波数が高くなる。コイルは同一であるため、コイルのリアクタンスXi(Ω)が大きくなる。その結果、キャパシタのリアクタンスXi(Ω)も大きくなる。共振点での駆動回路電流IDr(A)は、コイルの実効直列抵抗Ri(Ω)と、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)のみで決まる。よって、駆動回路電流IDr(A)は同一なので、キャパシタの両端電圧、
Vc(V)=Xc(Ω)×IDr(A)、が大きくなるからと推察される。
Referring to FIG. 75, there is a capacitor where H / Ht> 1. As described above, the capacitance of these capacitors is smaller than 0.01 μF, and the resonance frequency is increased. Since the coils are the same, the reactance Xi (Ω) of the coils is increased. As a result, the reactance Xi (Ω) of the capacitor also increases. The drive circuit current IDr (A) at the resonance point is determined only by the effective series resistance Ri (Ω) of the coil and the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor. Therefore, since the drive circuit current IDr (A) is the same, the voltage across the capacitor,
It is assumed that Vc (V) = Xc (Ω) × IDr (A) increases.

ここで、It(A)=Vt(V)/(Ri(Ω)+Rc(Ω))、とすると、上記の実験結果から、理論上の回路電流Itと実測した回路電流Irの比、Ir/Itが、
Ir(A)/It(A)>0.9、の条件を満足すれば、後述する所定の電力伝送性能を確保できる。これは、直列共振点において、交流電源30bの出力電圧をVt(V)、キャパシタの両端電圧をVc(V)、とすると、Vc(V)/Vt(V)>0.9、の条件を満足するのと等価である。前述したが、H=Vc(V)/Vt(V)である。よって、Vc(V)/Vt(V)>0.9、の条件は、実測した昇圧比をHとし、LC直列回路のQ、Qrとすると、H>0.9×Qr、と等価である。共振周波数の差異によっては、H>Ht、となることがある。しかし、通常はHt>H、であるので、特にHの上限を規定する必要はない。図75の実測結果からは、H>Ht、となる場合、Hは、Htの1.2倍程度であった。なお、昇圧比Hのシンボルを定義した関係上、Htを定義しているが、Ht=Qrである。これは、前述した理論の通りである。
Here, if It (A) = Vt (V) / (Ri (Ω) + Rc (Ω)), the ratio of the theoretical circuit current It to the actually measured circuit current Ir, Ir / It is
If the condition of Ir (A) / It (A)> 0.9 is satisfied, predetermined power transmission performance described later can be ensured. This is because, at the series resonance point, when the output voltage of the AC power supply 30b is Vt (V) and the voltage across the capacitor is Vc (V), the condition of Vc (V) / Vt (V)> 0.9 is satisfied. It is equivalent to being satisfied. As described above, H = Vc (V) / Vt (V). Therefore, the condition of Vc (V) / Vt (V)> 0.9 is equivalent to H> 0.9 × Qr, where H is the actually measured boost ratio and Q and Qr of the LC series circuit. . Depending on the difference in resonance frequency, H> Ht may be satisfied. However, since normally Ht> H, it is not necessary to specify the upper limit of H in particular. From the actual measurement result of FIG. 75, when H> Ht, H was about 1.2 times Ht. Note that Ht is defined because the symbol of the boost ratio H is defined, but Ht = Qr. This is the same as the theory described above.

そして、理論上の回路電力Ptと実測した回路電力Pの比、P/Ptが、
0.8<P/Pt、の条件を満足すれば、後述する所定の電力伝送性能を確保できる。
The ratio of theoretical circuit power Pt to measured circuit power P, P / Pt,
If the condition of 0.8 <P / Pt is satisfied, predetermined power transmission performance described later can be ensured.

上述した、H/Ht、I/It、P/Pt、と電力伝送性能の相関については、実例を挙げて後述する。次に、1/Qr=1/Qc+1/Qi、を計算してみる。   The above-described correlation between H / Ht, I / It, P / Pt, and power transmission performance will be described later with examples. Next, 1 / Qr = 1 / Qc + 1 / Qi is calculated.

表2より、セラミックキャパシタC1rの200kHzにおける、Xc=72.4Ω、共振点では、Xc(Ω)=Xi(Ω)、であるから、
Qi=Xi/Ri=72.4Ω/1.35Ω=53.62、
Qc=Xc/Rc=72.4Ω/1.57Ω=46.11
1/Qi+1/Qc=1/53.62+1/46.11=0.04
Qr=1/0.041=24.8、となり、
上記に求めた理論上の昇圧比Ht=23.17との若干の差異が出るが、上記に求めた理論上の昇圧比Htは、交流電源の出力インピーダンスZsを加味しており、出力インピーダンスZsを除外して計算すると、Ri+Rc=1.35Ω+1.57Ω=2.92Ω、Ir=Vt(V)/(Ri(Ω)+Rc(Ω))=1V/2.92Ω=0.342A、
Vc=72.4Ω×0.342A=24.8V、となり、Ht=Qr、となる。上述したように、実際の昇圧比Hは、10.8であり、キャパシタC1rは、理論上の相関、
1/Qr=1/Qc+1/Qi、の関係を満足していない。
From Table 2, Xc = 72.4Ω at 200 kHz of the ceramic capacitor C1r, and Xc (Ω) = Xi (Ω) at the resonance point.
Qi = Xi / Ri = 72.4Ω / 1.35Ω = 53.62
Qc = Xc / Rc = 72.4Ω / 1.57Ω = 46.11
1 / Qi + 1 / Qc = 1 / 53.62 + 1 / 46.11 = 0.04
Qr = 1 / 0.041 = 24.8.
Although there is a slight difference from the theoretical boost ratio Ht = 23.17 obtained above, the theoretical boost ratio Ht obtained above takes into account the output impedance Zs of the AC power supply, and the output impedance Zs. , Ri + Rc = 1.35Ω + 1.57Ω = 2.92Ω, Ir = Vt (V) / (Ri (Ω) + Rc (Ω)) = 1V / 2.92Ω = 0.342A,
Vc = 72.4Ω × 0.342A = 24.8V, and Ht = Qr. As described above, the actual boost ratio H is 10.8, and the capacitor C1r has a theoretical correlation,
The relationship 1 / Qr = 1 / Qc + 1 / Qi is not satisfied.

上記に述べてきたように、キャパシタ自体に交流電流が流れるような、図1、図70の回路構成に使われるキャパシタの特性については、従来、理論値と実験値の差異などが全く検討されておらず、先行文献も存在していない。   As described above, regarding the characteristics of the capacitor used in the circuit configuration of FIGS. 1 and 70, in which an alternating current flows in the capacitor itself, the difference between the theoretical value and the experimental value has been completely studied. There is no prior literature.

図75と計算より、昇圧比Hが理論値と合致するキャパシタもあれば、キャパシタによっては、昇圧比Hが理論値Htと異なることが分かった。そこで、本願発明者は、図71において、キャパシタの両端電圧を、再度オシロスコープにて計測してみた。   From the calculation in FIG. 75, it was found that there is a capacitor whose boost ratio H matches the theoretical value, and that depending on the capacitor, the boost ratio H is different from the theoretical value Ht. Therefore, the inventor of the present application again measured the voltage across the capacitor with an oscilloscope in FIG.

(キャパシタの性能評価方法、性能評価装置の実施例の説明)
図77は、図71の共振点における、表2のポリプロピレンキャパシタC1c両端の交流電圧波形である。図78は、表2に示すセラミックキャパシタC1r両端の交流電圧波形である。図79は、図76の回路において、R3を30Ω程度としたときのセラミックキャパシタC1r両端の交流電圧波形である。
(Explanation of Examples of Capacitor Performance Evaluation Method and Performance Evaluation Device)
77 is an AC voltage waveform across the polypropylene capacitor C1c of Table 2 at the resonance point of FIG. 78 is an AC voltage waveform across the ceramic capacitor C1r shown in Table 2. FIG. FIG. 79 is an AC voltage waveform across the ceramic capacitor C1r when R3 is about 30Ω in the circuit of FIG.

図77,図78は、図71におけるR2を取り除き、図71のGNDを基準として各キャパシタの両端電圧を計測したものである。なお、オシロスコープ80のGNDは、図71のように、交流電源30bのGNDと接続しなければならない。これは、後述するGNDに対する正のピーク値Vp、負のピーク値Vnを計測し、VpとVnの比、Vp/Vn、を求めたときに、Vp/Vn>1、となるようにするためである。逆接続すると、Vp/Vn<1、となり、数値規定から外れてしまう。また、オシロスコープ80のGNDは、低インピーダンス点に接続しないと、観測波形が不安定になるからでもある。   77 and 78 are obtained by measuring the voltage across each capacitor with reference to GND in FIG. 71, with R2 in FIG. 71 removed. Note that the GND of the oscilloscope 80 must be connected to the GND of the AC power supply 30b as shown in FIG. This is because when a positive peak value Vp and a negative peak value Vn with respect to GND, which will be described later, are measured and a ratio of Vp and Vn, Vp / Vn, is obtained, Vp / Vn> 1. It is. When reverse connection is established, Vp / Vn <1, which is not within the numerical value specification. Also, if the GND of the oscilloscope 80 is not connected to a low impedance point, the observation waveform becomes unstable.

図77と図78を比較すれば分かるように、図77では、ポリプロピレンキャパシタC1cの両端電圧波形がゼロ点(図71のGND)に対し、正負ともにほぼ対称である。一方、図79では、セラミックキャパシタC1rの両端電圧波形が、ゼロ点に対しプラス方向にシフトしており、正負非対称の波形になっている。すなわち、セラミックキャパシタC1rの両端電圧波形には、正の直流成分が含まれている。このような現象は、前述した図76の回路において、30Ω程度の無誘導抵抗R3を直列に挿入するとさらに顕著となる。この、ゼロ点に対し大きくプラス方向にシフトしている波形が、図79である。ポリプロピレンキャパシタC1cの両端電圧を、図79と同一の条件で計測した場合、正方向へのシフトは、非常に少ないのが、実験上確認されている。   As can be seen from a comparison between FIG. 77 and FIG. 78, in FIG. 77, the voltage waveform across the polypropylene capacitor C1c is almost symmetrical with respect to the zero point (GND in FIG. 71). On the other hand, in FIG. 79, the voltage waveform at both ends of the ceramic capacitor C1r is shifted in the positive direction with respect to the zero point, and has a positive and negative asymmetric waveform. That is, a positive DC component is included in the voltage waveform across the ceramic capacitor C1r. Such a phenomenon becomes more prominent when a non-inductive resistor R3 of about 30Ω is inserted in series in the circuit shown in FIG. FIG. 79 shows a waveform that is largely shifted in the positive direction with respect to the zero point. It has been experimentally confirmed that when the voltage across the polypropylene capacitor C1c is measured under the same conditions as in FIG. 79, there is very little shift in the positive direction.

図80は、表2に示す各キャパシタの、200kHzにおける実効直列抵抗RcをX軸とし、正弦波からのシフト比SをY軸としたグラフである。図80を見ると、黒点に示す各キャパシタの実効直列抵抗Rcと、正弦波からのシフト比Sとに相関は見られない。   FIG. 80 is a graph with the effective series resistance Rc at 200 kHz as the X axis and the shift ratio S from the sine wave as the Y axis for each capacitor shown in Table 2. As shown in FIG. 80, there is no correlation between the effective series resistance Rc of each capacitor indicated by a black dot and the shift ratio S from the sine wave.

図81は、表2に示す各キャパシタの、ゼロ点からのシフト比をX軸とし、Y軸を電力伝送性能としたグラフである。図82は、表2に示す各キャパシタの、200kHzにおける実効直列抵抗RcをX軸とし、Y軸を電力伝送性能としたグラフである。図83は、表2に示す各キャパシタの、誘電正接tanδをX軸とし、Y軸を電力伝送性能としたグラフである。   FIG. 81 is a graph in which the shift ratio from the zero point of each capacitor shown in Table 2 is taken as the X axis and the Y axis is taken as the power transmission performance. 82 is a graph in which the effective series resistance Rc at 200 kHz of each capacitor shown in Table 2 is taken as the X axis and the Y axis as the power transmission performance. FIG. 83 is a graph of each capacitor shown in Table 2 with the dielectric loss tangent tan δ as the X axis and the Y axis as the power transmission performance.

図81から図83において、電力伝送性能は、2次側電力P2(W)と、伝送効率ηで示される。2次側電力P2は、1次側の交流電圧を一定とし、送電コイル1、受電コイル2、両コイルの相対位置、負荷抵抗値を同一とし、2次側に伝送可能な最大電力P2(W)を示す。伝送効率ηは、送電側に投入される直流電力Pd(W)と負荷抵抗の両端をオシロスコープ80によりモニターし、負荷抵抗の両端のp−p電圧Vp(V)から求めた交流電圧の実効値Ve(V)、Ve=Vp/2√2(V)、より計算した負荷電力Ps(W)の比η、η=PsW/PdW、である。また、2次側電力P2は3.25W以上、電力伝送効率ηは80%以上を基準とし、この基準を満足するX軸の条件を規定している。以下の説明で、電力伝送性能は、2次側電力P2と、伝送効率ηとを意味するものとする。   81 to 83, the power transmission performance is indicated by secondary side power P2 (W) and transmission efficiency η. The secondary-side power P2 has a constant primary-side AC voltage, the same relative positions and load resistance values of the power transmission coil 1, the power reception coil 2, and both coils, and the maximum power P2 (W ). The transmission efficiency η is an effective value of the AC voltage obtained by monitoring both ends of the DC power Pd (W) input to the power transmission side and the load resistance with an oscilloscope 80, and calculating from the pp voltage Vp (V) at both ends of the load resistance. Ve (V), Ve = Vp / 2√2 (V), the ratio η of the load power Ps (W) calculated from the above, η = PsW / PdW. The secondary power P2 is 3.25 W or more and the power transmission efficiency η is 80% or more as a reference, and the X-axis condition that satisfies this criterion is defined. In the following description, power transmission performance means secondary power P2 and transmission efficiency η.

上記の基準は、電力伝送装置の電力損失が、図72のZs、Rc、Riに起因して発生し、4W前後の電力伝送では、1Wの電力損失が実用化の上限だからである。この条件から計算すると、電力伝送効率は75%となる。また、コイルの大きさは異なるが、誘導加熱器(電磁調理器)の電気−熱エネルギー変換効率は85%程度である。したがって、75%と85%の中間値として、80%の伝送効率を規定している。2次側に伝送可能な最大電力は、約4.1Wである。よって、伝送効率が80%より、4.1×0.8≒3.25W、として2次側の電力下限を規定している。   The above criterion is because the power loss of the power transmission device occurs due to Zs, Rc, Ri in FIG. 72, and the power loss of 1 W is the upper limit for practical use in power transmission around 4 W. When calculated from this condition, the power transmission efficiency is 75%. Moreover, although the magnitude | sizes of a coil differ, the electric-thermal energy conversion efficiency of an induction heater (electromagnetic cooker) is about 85%. Therefore, 80% transmission efficiency is defined as an intermediate value between 75% and 85%. The maximum power that can be transmitted to the secondary side is about 4.1 W. Therefore, from the 80% transmission efficiency, the secondary power lower limit is defined as 4.1 × 0.8≈3.25 W.

ゼロ電位とプラス電位の方形波としたような、交流電源30bの出力の電圧の時間平均値がゼロではなく、直流成分が含まれている場合、図71、図76の回路において、キャパシタの両端電圧Vc(V)はゼロ電位に対し、プラス側にシフトした正弦波となる。さらに、図76の回路において、R3を、Xc=80Ωよりも大きい値、例えば、100Ω程度とすると、直列共振回路のQが低下し、波形が三角波に近づくとともに、キャパシタの両端電圧波形の極小値がゼロ電位よりも高くなる。   When the time average value of the output voltage of the AC power supply 30b is not zero and a DC component is included, such as a square wave of zero potential and plus potential, in the circuits of FIGS. 71 and 76, both ends of the capacitor The voltage Vc (V) is a sine wave shifted to the plus side with respect to the zero potential. Further, in the circuit of FIG. 76, when R3 is set to a value larger than Xc = 80Ω, for example, about 100Ω, the Q of the series resonance circuit decreases, the waveform approaches a triangular wave, and the minimum value of the voltage waveform at both ends of the capacitor Becomes higher than zero potential.

実際には、図71において、コイル1の実効直列抵抗Ri(Ω)、および交流電源の出力インピーダンスZs(Ω)をゼロにすることは困難である。よって、キャパシタのリアクタンスXc(Ω)、またはコイル1のリアクタンスXi(Ω)と、コイル1の実効直列抵抗Ri(Ω)、交流電源の出力インピーダンスZs(Ω)を計測しておき、キャパシタ両端の波形を観測する。   In practice, in FIG. 71, it is difficult to make the effective series resistance Ri (Ω) of the coil 1 and the output impedance Zs (Ω) of the AC power supply zero. Therefore, the reactance Xc (Ω) of the capacitor or the reactance Xi (Ω) of the coil 1, the effective series resistance Ri (Ω) of the coil 1, and the output impedance Zs (Ω) of the AC power source are measured in advance. Observe the waveform.

キャパシタに印加される電圧Vc(V)に比べ、キャパシタに流れる電流Ic(A)は90度進んでいる。Vc(V)とIc(A)の瞬時値を掛けて、一周期積分すればVcとIcの積はゼロとなる。すなわち、リアクタンス性素子であるキャパシタは、交流電力を消費しない。キャパシタに印加される電流に、図79のような直流電圧Vjが重畳されているとする。この場合において、VcとIcの瞬時値を掛けて、一周期積分してみる。   Compared with the voltage Vc (V) applied to the capacitor, the current Ic (A) flowing through the capacitor is advanced by 90 degrees. Multiplying the instantaneous values of Vc (V) and Ic (A) and integrating for one period, the product of Vc and Ic becomes zero. That is, the capacitor which is a reactive element does not consume AC power. It is assumed that a DC voltage Vj as shown in FIG. 79 is superimposed on the current applied to the capacitor. In this case, multiply the instantaneous value of Vc and Ic and integrate for one period.

Vc=Vj+Vm・sinφ(V)、Ic=cosφ(A)、として、
Vc×Ic=(Vj+Vm・sinφ)×cosφ(W)
=Vj・cosφ+Vm・sinφ・cosφ(W)
=Vj・cosφ+Vm・(1/2)sin2φ(W)
となり、φを独立変数として、Vj・cosφ、と、Vm・sin2φ、を0から2πまで定積分すれば、いずれもゼロになるのは、数学上自明である。すなわち、キャパシタに印加される交流電圧に直流成分が重畳されていても、キャパシタは電力を消費しない。これが、キャパシタが直流電流を遮断し、交流電流のみを通過させる作用である。
Vc = Vj + Vm · sinφ (V), Ic = cosφ (A),
Vc × Ic = (Vj + Vm · sinφ) × cosφ (W)
= Vj · cos φ + Vm · sin φ · cos φ (W)
= Vj · cosφ + Vm · (1/2) sin2φ (W)
Mathematically, if φ is an independent variable and Vj · cos φ and Vm · sin 2φ are definitely integrated from 0 to 2π, both become zero. That is, even if a DC component is superimposed on an AC voltage applied to the capacitor, the capacitor does not consume power. This is the effect that the capacitor blocks the direct current and allows only the alternating current to pass.

したがって、図76において、直流電流が流れる抵抗R3の両端電圧および送電コイル1の両端電圧は、ゼロ点(図71のGND)に対しほぼ対称である。一方、キャパシタCの両端電圧は、図78,図79に示すように、ゼロ点に対しシフトしている。   Therefore, in FIG. 76, the both-ends voltage of the resistor R3 through which the direct current flows and the both-ends voltage of the power transmission coil 1 are substantially symmetrical with respect to the zero point (GND in FIG. 71). On the other hand, the voltage across the capacitor C is shifted with respect to the zero point as shown in FIGS.

上記の回路理論を前提とすると、キャパシタ両端の交流電圧波形Vcがゼロ点に対してシフトする比率Sは、以下のようにして求められる。まず、直列回路中の全ての実効直列抵抗の和をRr、共振周波数におけるキャパシタのリアクタンスをXcr(Ω)、位相角をθ(度)、キャパシタの両端電圧のp−p値をVp(V)、ゼロ点よりのシフト値をVm(V)とすると、前述したように、
tan−1(Xcr/Rr)=θ(度)、
Vm=Vcp×(1/2)cosθ(V)、となる。
Assuming the above circuit theory, the ratio S at which the AC voltage waveform Vc across the capacitor shifts with respect to the zero point is obtained as follows. First, the sum of all effective series resistances in the series circuit is Rr, the reactance of the capacitor at the resonance frequency is Xcr (Ω), the phase angle is θ (degrees), and the pp value of the voltage across the capacitor is Vp (V). Assuming that the shift value from the zero point is Vm (V), as described above,
tan −1 (Xcr / Rr) = θ (degrees),
Vm = Vcp × (½) cos θ (V).

上式に、前述した200kHzにおけるリアクタンス、Xc=Xi=80Ω、実効直列抵抗、Ri=1.35Ω、交流電源の出力インピーダンス、Zs=0.2Ω、直列回路中の全ての実効直列抵抗の和、Rr=1.55Ωを代入してみると、
tan−1(Xcr/Rr)=tan−1(80/1.55)=88.89度
Vm=Vcp×(1/2)cos88.89度=(Vcp/2)・0.0193
Vm=Vcp×0.00968、となる。
In the above equation, reactance at 200 kHz, Xc = Xi = 80Ω, effective series resistance, Ri = 1.35Ω, output impedance of AC power supply, Zs = 0.2Ω, sum of all effective series resistances in the series circuit, Substituting Rr = 1.55Ω,
tan −1 (Xcr / Rr) = tan −1 (80 / 1.55) = 88.89 degrees Vm = Vcp × (½) cos 88.89 degrees = (Vcp / 2) · 0.0193
Vm = Vcp × 0.00968.

したがって、理想的なキャパシタを使用した場合には、キャパシタの正のピーク値の絶対値をVp、負のピーク値の絶対値をVn、とすると、
Vp=(Vp−Vn)×1.00968(V)
Vn=(Vp−Vn)×0.9903(V)
が理論上の値となる。VpとVnの比、Vp/Vnは、
Vp/Vn=1.00968/0.9903=1.0195、となる。
Therefore, when an ideal capacitor is used, assuming that the absolute value of the positive peak value of the capacitor is Vp and the absolute value of the negative peak value is Vn,
Vp = (Vp−Vn) × 1.000968 (V)
Vn = (Vp−Vn) × 0.9903 (V)
Is the theoretical value. The ratio of Vp and Vn, Vp / Vn is
Vp / Vn = 1.00968 / 0.9903 = 1.0195.

念のため、上記のシフト値をp−pではなく、実効値で計算してみる。   As a precaution, the above shift value is calculated using an effective value instead of pp.

Vp=((Vp−Vn)/2√2)×1.00968(V)
Vn=((Vp−Vn)/2√2)×0.9903(V)
となり、((Vp−Vn)/2√2)は定数となる。よって、Vp(V)とVn(V)の比、Vp/Vn(無単位)は、Vp/Vn=1.0195、と変わらない。
Vp = ((Vp−Vn) / 2√2) × 1.000968 (V)
Vn = ((Vp−Vn) / 2√2) × 0.9903 (V)
((Vp−Vn) / 2√2) is a constant. Therefore, the ratio of Vp (V) to Vn (V), Vp / Vn (no unit), remains the same as Vp / Vn = 1.0195.

キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)が、Rc<<Rr、を満足する場合は、有効数字と計測誤差を勘案し、前記のVpとVnの比、Vp/Vn、が、Vp/Vn<1.02、を満足していればよい。前述した表1においては、C1c、C1f、など、一部のキャパシタのみが、Vp/Vn<1.02、を満足しているにすぎない。   When the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor satisfies Rc << Rr, the ratio of Vp to Vn, Vp / Vn, is Vp / Vn <1, taking into account significant figures and measurement errors. .02 should be satisfied. In Table 1 described above, only some capacitors such as C1c and C1f satisfy Vp / Vn <1.02.

一方、Rc>0.1Ω、程度になると、Rcの影響が出てくるので、表2のデータから、Rcの平均値として若干の余裕を見て、Rc=1.5Ω、Rr=3Ω、として上式にて再計算してみると、
tan−1(80/3)=87.85度
Vcp×(1/2)cos87.85=Vcp・0.0187
Vp=(Vp−(Vn))×1.0187(V)
Vn=(Vp−(Vn))×0.9812(V)
VpとVnの比、Vp/Vnは、
Vp/Vn=1.0187/0.9812=1.0381、となる。
On the other hand, when Rc> 0.1Ω, the effect of Rc comes out, so from the data in Table 2, looking at a slight margin as the average value of Rc, Rc = 1.5Ω, Rr = 3Ω Recalculating with the above formula,
tan −1 (80/3) = 87.85 degrees Vcp × (1/2) cos 87.85 = Vcp · 0.0187
Vp = (Vp− (Vn)) × 1.0187 (V)
Vn = (Vp− (Vn)) × 0.9812 (V)
The ratio of Vp and Vn, Vp / Vn is
Vp / Vn = 1.0187 / 0.9812 = 1.0381.

このように、キャパシタの実効抵抗を考慮し、前述した表2において、有効数字と計測誤差を勘案すると、1<Vp/Vn<1.04、となるが、この条件を満足するキャパシタも、C1e、C1a、C1bしかない。すなわち、単にキャパシタの実効直列抵抗Rcのみが原因となって、このようなゼロ電位に対する非対称性が起こっているとは思えない。ゼロ電位に対する波形の非対称性が起こっているのは、Rc以外の要因によるものと考えざるを得ない。例えば、図118に示すLcなどが考えられる。したがって、図71においては、シフト比Sが、S<1.06、の条件から、P2>3.25W,η>80%、であるという電力伝送性能の規定を満足しているキャパシタを選ばざるを得ない。   In this way, in consideration of the effective resistance of the capacitor and taking into account significant figures and measurement errors in Table 2 described above, 1 <Vp / Vn <1.04. However, a capacitor that satisfies this condition is also C1e. , C1a and C1b only. That is, it cannot be considered that this asymmetry with respect to the zero potential is caused only by the effective series resistance Rc of the capacitor. It must be considered that the waveform asymmetry with respect to zero potential is caused by factors other than Rc. For example, Lc shown in FIG. 118 can be considered. Therefore, in FIG. 71, a capacitor that satisfies the power transmission performance requirement that P2> 3.25 W and η> 80% from the condition that the shift ratio S is S <1.06 is selected. I do not get.

なお、図71に示したキャパシタCxの両端に積分回路Giを接続すると、積分回路Giの出力電圧Vgは、Vg=Vp−Vn、となって、シフト比Sに比例する。オシロスコープ80により、シフト比Sを計測するには、計測精度に限界がある。しかし、キャパシタの電圧波形の振幅値Vp(V)、Vn(V)は、オシロスコープでほぼ正確に計測できる。シフト比Sを、S=Vg/Vn+1=(Vp−Vn+Vn)/Vn=Vp/Vn、とすると、より正確なシフト比Sが求められる。あるいは、キャパシタの両端に正負のピークホールド回路を設けてVp,Vnを求めるようにしてもよい。   When the integration circuit Gi is connected to both ends of the capacitor Cx shown in FIG. 71, the output voltage Vg of the integration circuit Gi is Vg = Vp−Vn and is proportional to the shift ratio S. In order to measure the shift ratio S with the oscilloscope 80, there is a limit to the measurement accuracy. However, the amplitude values Vp (V) and Vn (V) of the voltage waveform of the capacitor can be measured almost accurately with an oscilloscope. If the shift ratio S is S = Vg / Vn + 1 = (Vp−Vn + Vn) / Vn = Vp / Vn, a more accurate shift ratio S is obtained. Alternatively, positive and negative peak hold circuits may be provided at both ends of the capacitor to obtain Vp and Vn.

また、図71に示したオシロスコープ80は、正のピーク値Vpと、負のピーク値Vnとを計測する手段を構成している。すなわち、上述した各計測手段は、本発明の高周波電力回路用キャパシタの評価装置について説明しているものである。   The oscilloscope 80 shown in FIG. 71 constitutes means for measuring the positive peak value Vp and the negative peak value Vn. That is, each measuring means described above describes the evaluation apparatus for a capacitor for a high-frequency power circuit according to the present invention.

上記の規定にかかわらず、2次側電力は高いほど良く、伝送効率も高いほど良いのは言うまでもない。ポリプロピレンキャパシタC1cを使用した場合、図72の1次側電力は、4.5W、2次側交流電力は、4.1Wである。出力インピーダンスZsとコイルの実効直列抵抗Riの和は1.55Ω、1次側電圧は実効値1Vである。よって、出力インピーダンスZsとコイルの実効直列抵抗Riにより、P=1V2/1.55Ω=0.65W、のジュール損が発生している。すなわち、計算上の伝送効率は100%以上となっている。0.25Wの余剰が出るのは、2次側の波形が完全な正弦波になっておらず、p−pの電圧値を2√2で割っても、正確な実効値にならないからと推察される。すなわち、ポリプロピレンキャパシタC1cを使用した場合、電力伝送系(送受電コイル2間)の伝送効率は、交流電源30bの出力インピーダンスZsとキャパシタの実効直列抵抗Rcによる電力損失を除くと、100%に極めて近いものと思われる。   It goes without saying that the higher the secondary power, the better the transmission efficiency, regardless of the above rules. When the polypropylene capacitor C1c is used, the primary power in FIG. 72 is 4.5 W, and the secondary AC power is 4.1 W. The sum of the output impedance Zs and the effective series resistance Ri of the coil is 1.55Ω, and the primary side voltage is an effective value of 1V. Therefore, the Joule loss of P = 1V2 / 1.55Ω = 0.65W is generated by the output impedance Zs and the effective series resistance Ri of the coil. That is, the calculated transmission efficiency is 100% or more. The surplus of 0.25 W appears because the waveform on the secondary side is not a perfect sine wave, and the pp voltage value divided by 2√2 does not give an accurate effective value. Is done. That is, when the polypropylene capacitor C1c is used, the transmission efficiency of the power transmission system (between the power transmitting and receiving coil 2) is extremely 100% excluding the power loss due to the output impedance Zs of the AC power supply 30b and the effective series resistance Rc of the capacitor. It seems close.

図81から明らかなように、図78に示すような、ゼロ電位に対し、正負が非対称なキャパシタ、すなわち、Vp/Vn、が1よりも大きくなるにつれて、電力伝送性能は悪くなる。一方、Vp/Vn、が1に近いキャパシタは、電力伝送性能がよい。   As is apparent from FIG. 81, as the capacitor having asymmetrical positive and negative values, that is, Vp / Vn, as shown in FIG. On the other hand, a capacitor with Vp / Vn close to 1 has good power transmission performance.

そして、図81においては、Vp/Vn、が1よりも大きくなるのに従い、電力伝送特性のカーブが単調減少しているのが分かる。図81を参照するならば、ゼロ電位と正電位の方形波で、図71の回路を駆動したときの、キャパシタの正弦波電圧波形が、ゼロ点からシフト比Sが、1.06以下であることが必要となる。しかし、規定値、1.06は、前述したように、0.01μFのキャパシタを使用し、200kHzで計測したものである。この条件では、キャパシタC1cと基準コイルを使ったときの、Vp/Vn、の値は1.02である。しかし、静電容量が0.47μFのキャパシタC1cと同一のキャパシタと、別の基準コイルを使い、50kHzにて計測したところ、Vp=22.8V、Vn=20.7V、Vp/Vn=1.1、となった。   In FIG. 81, it can be seen that as Vp / Vn becomes larger than 1, the curve of the power transmission characteristic monotonously decreases. Referring to FIG. 81, when the circuit of FIG. 71 is driven by a square wave of zero potential and positive potential, the sine wave voltage waveform of the capacitor has a shift ratio S of 1.06 or less from the zero point. It will be necessary. However, the specified value, 1.06, was measured at 200 kHz using a 0.01 μF capacitor as described above. Under this condition, the value of Vp / Vn when using the capacitor C1c and the reference coil is 1.02. However, when the same capacitance as the capacitor C1c having a capacitance of 0.47 μF and another reference coil were used and measured at 50 kHz, Vp = 22.8V, Vn = 20.7V, Vp / Vn = 1. 1

基準コイルと周波数にもよるが、本願発明者が種々の実験を行なったところ、静電容量をC(μF)、とし、係数γを、γ=log(C/0.001)、とすると、規定値は、1+0.06×γ、として、近似可能なことが分かった。一例を示すと、0.47μFでは、γ=log(0.47/0.001)=log(470)=2.67、となる。規定値は、1+0.06×γ=1+0.162=1.162、となる。   Although it depends on the reference coil and frequency, the inventor of the present application conducted various experiments. Assuming that the capacitance is C (μF) and the coefficient γ is γ = log (C / 0.001), It was found that the specified value can be approximated as 1 + 0.06 × γ. As an example, at 0.47 μF, γ = log (0.47 / 0.001) = log (470) = 2.67. The specified value is 1 + 0.06 × γ = 1 + 0.162 = 1.162.

100kHzで、0.1μFのキャパシタC1iと同じポリエチレンテレフタレートキャパシタを使った場合、Vp=16.5V、Vn=15.1V、Vp/Vn=1.09、である。γは、γ=log(0.1/0.001)=log(100)=2、となる。よって、規定値は、1+0.06×α=1+0.12=1.12、となる。静電容量が、0.01μFでは、γ=log(0.01/0.001)=log(10)=1、となる。したがって、規定値は、1+0.06×γ=1+0.06=1.06、となる。静電容量が、0.01μF以下のときは、規定値を1.06とする。   When the same polyethylene terephthalate capacitor as the 0.1 μF capacitor C1i is used at 100 kHz, Vp = 16.5V, Vn = 15.1V, and Vp / Vn = 1.09. γ becomes γ = log (0.1 / 0.001) = log (100) = 2. Therefore, the specified value is 1 + 0.06 × α = 1 + 0.12 = 1.12. When the capacitance is 0.01 μF, γ = log (0.01 / 0.001) = log (10) = 1. Therefore, the specified value is 1 + 0.06 × γ = 1 + 0.06 = 1.06. When the capacitance is 0.01 μF or less, the specified value is 1.06.

したがって、所定係数をBとし、キャパシタの静電容量をC(μF)、としたときに、C(μF)<0.01、のときには、B=1.06、となる。C(μF)>0.01、のときには、所定係数Bは、B=1+0.06×log(C/0.001)、となる。   Therefore, when the predetermined coefficient is B and the capacitance of the capacitor is C (μF), when C (μF) <0.01, B = 1.06. When C (μF)> 0.01, the predetermined coefficient B is B = 1 + 0.06 × log (C / 0.001).

また、基準コイルや電力伝送の周波数によっても、前記した、Vp/Vn、の値は異なってくる。したがって、キャパシタの静電容量から、前述してきた計算式により、所定係数Bを求める。そして、実際に使用する送電コイル1単体を使い、電力伝送に使用する周波数において、キャパシタの両端電圧のVp、Vnを計測する。この条件において、所定計数をBとしたとき、キャパシタが、Vp/Vn≦B、の条件を満足していればよい。   The value of Vp / Vn described above also varies depending on the reference coil and the frequency of power transmission. Therefore, the predetermined coefficient B is obtained from the capacitance of the capacitor by the above-described calculation formula. Then, using the power transmission coil 1 that is actually used, Vp and Vn of the voltage across the capacitor are measured at the frequency used for power transmission. Under this condition, when the predetermined count is B, the capacitor only needs to satisfy the condition of Vp / Vn ≦ B.

一方、図82においては、前述したように、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)の増加に従い、電力伝送特性のカーブが減少した後、実行直列抵抗Rcが1.4Ω付近で上昇して下降するような単調特異点が見られる。図83においても、キャパシタの誘電正接tanδの増加に従い、電力伝送特性のカーブが単調減少しておらず、特異点が見られる。
しかし、図82、図83共に、キャパシタとしての特性と電力伝送性能の相関から、特性規定を行なうことは可能である。図82においては、キャパシタの実効直列抵抗Rcが、1.55Ω以下であれば、前述の電力伝送性能基準を満足している。上記の、1.55Ωは、送電コイル1単体の実効直列抵抗Ri=1.35Ω、と、交流電源30bの出力インピーダンスZs=0.2Ωを足したものとなる。
On the other hand, in FIG. 82, as described above, as the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor increases, the power transmission characteristic curve decreases, and then the effective series resistance Rc increases and decreases around 1.4Ω. Such monotonic singularities are seen. Also in FIG. 83, as the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor increases, the curve of the power transmission characteristic does not monotonously decrease and a singular point is seen.
However, in both FIG. 82 and FIG. 83, it is possible to define the characteristics from the correlation between the characteristics as a capacitor and the power transmission performance. In FIG. 82, when the effective series resistance Rc of the capacitor is 1.55Ω or less, the above-described power transmission performance standard is satisfied. The above 1.55Ω is the sum of the effective series resistance Ri = 1.35Ω of the power transmission coil 1 alone and the output impedance Zs = 0.2Ω of the AC power supply 30b.

ただし、図82は、静電容量0.01μF、周波数200kHzでのデータである。よって、周波数と静電容量を勘案したリアクタンスが式中にある誘電正接tanδにより規定するのが好ましい。図83を参照する限りにおいて、電力伝送性能と誘電正接の関係は、図81のグラフのように、X値の増加と共に、電力伝送性能が単調減少しておらず、特異点が見られるが、所定の最低周波数、例えば、100kHz、200kHzなどにおいて、キャパシタの誘電正接tanδが2%以下であることは、最低限満足すべき条件となる。しかし、キャパシタの誘電正接tanδが2%以下の領域に、2次側電力3.25W以上、伝送効率80%以上という前述した基準値を満足しない特異点が存在する。よって、キャパシタの誘電正接tanδが1%または0.5%以下であればより好ましい。   However, FIG. 82 shows data at a capacitance of 0.01 μF and a frequency of 200 kHz. Therefore, it is preferable that the reactance considering the frequency and the capacitance is defined by the dielectric loss tangent tan δ in the equation. As long as FIG. 83 is referred to, the relationship between the power transmission performance and the dielectric loss tangent is not monotonously decreased as the X value increases as shown in the graph of FIG. At a predetermined minimum frequency, for example, 100 kHz, 200 kHz, etc., the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is 2% or less, which is a minimum satisfactory condition. However, there is a singular point that does not satisfy the above-described reference values, such as a secondary power of 3.25 W or more and a transmission efficiency of 80% or more in a region where the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is 2% or less. Therefore, the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is more preferably 1% or 0.5% or less.

図84は、電力伝送性能が悪いセラミックキャパシタC1rと同じ種類のキャパシタで、静電容量が異なるキャパシタの実効直列抵抗Rcの周波数特性を示すグラフである。   FIG. 84 is a graph showing the frequency characteristics of the effective series resistance Rc of a capacitor of the same type as the ceramic capacitor C1r having poor power transmission performance but having a different capacitance.

図85は、電力伝送性能が悪いセラミックキャパシタC1rと同じ種類のキャパシタで、静電容量が異なるキャパシタの誘電正接tanδの周波数特性を示すグラフである。   FIG. 85 is a graph showing the frequency characteristic of the dielectric loss tangent tan δ of a capacitor of the same type as the ceramic capacitor C1r having poor power transmission performance but having a different capacitance.

図86は、電力伝送性能がよいポリプロピレンキャパシタC1cと同じ種類のキャパシタで、静電容量が異なるキャパシタの実効直列抵抗Rcの周波数特性を示すグラフである。   FIG. 86 is a graph showing the frequency characteristics of the effective series resistance Rc of a capacitor of the same type as the polypropylene capacitor C1c having good power transmission performance but having a different capacitance.

図87は、電力伝送性能がよいポリプロピレンキャパシタC1cと同じ種類のキャパシタで、静電容量が異なるキャパシタの誘電正接tanδの周波数特性を示すグラフである。   FIG. 87 is a graph showing the frequency characteristic of the dielectric loss tangent tan δ of a capacitor of the same type as the polypropylene capacitor C1c having good power transmission performance and having a different capacitance.

図85、図87を参照する限りにおいて、キャパシタの誘電体と静電容量により、誘電正接tanδの周波数特性が異なるのが分かる。比誘電率の高い誘電体を使ったセラミックキャパシタC1rは、図85に示すように低周波数領域では、静電容量の大きいキャパシタの誘電正接tanδが小さい。しかし、高周波数領域になると、静電容量の大きいキャパシタの誘電正接tanδは大きくなっている。すなわち、高誘電体を使ったキャパシタでは、静電容量が小さいほど、周波数の上昇に伴う誘電正接tanδの増加率が小さい。一方、図87を参照すると、比誘電率の低い誘電体を使ったポリプロピレンキャパシタC1cは、ほぼ全ての周波数領域で、静電容量の大きいキャパシタの誘電正接tanδが大きい。図85、図87は前述した実測結果と一致している。すなわち、静電容量や電力伝送装置の作動周波数によって、キャパシタの種類を選ぶ必要がある。   As long as FIG. 85 and FIG. 87 are referred to, it can be seen that the frequency characteristics of the dielectric loss tangent tan δ differ depending on the capacitor dielectric and capacitance. As shown in FIG. 85, the ceramic capacitor C1r using a dielectric having a high relative dielectric constant has a small dielectric loss tangent tan δ of a capacitor having a large capacitance in the low frequency region. However, in the high frequency region, the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor having a large capacitance is large. That is, in a capacitor using a high dielectric, the increase rate of the dielectric loss tangent tan δ accompanying the increase in frequency is smaller as the capacitance is smaller. On the other hand, referring to FIG. 87, the polypropylene capacitor C1c using a dielectric having a low relative dielectric constant has a large dielectric loss tangent tan δ of a capacitor having a large capacitance in almost all frequency regions. 85 and 87 agree with the above-described actual measurement results. That is, it is necessary to select the type of capacitor according to the capacitance and the operating frequency of the power transmission device.

図85を参照すると、比誘電率の高い誘電体で構成されたセラミックキャパシタC1rでは、200kHzにおいて、静電容量が、0.47μFのキャパシタのみが、誘電正接tanδが1%以下である。その一方で、図87を参照すると、比誘電率の低い誘電体で構成されたポリプロピレンキャパシタC1cでは、200kHzにおいて、0.01μFから0.47μFの静電容量で、誘電正接tanδが1%以下になっている。   Referring to FIG. 85, in the ceramic capacitor C1r made of a dielectric material having a high relative dielectric constant, only a capacitor having a capacitance of 0.47 μF at 200 kHz has a dielectric loss tangent tan δ of 1% or less. On the other hand, referring to FIG. 87, the polypropylene capacitor C1c composed of a dielectric material having a low relative dielectric constant has a capacitance of 0.01 μF to 0.47 μF and a dielectric loss tangent tan δ of 1% or less at 200 kHz. It has become.

最初に述べたが、力率を改善するとは、正のリアクタンスを打ち消すことである。そして、LC直列回路は、方形波、三角波、鋸波などの非正弦波波形を正弦波に戻す作用を持つ。それには、LC回路のQが高くないとならず、目安として、キャパシタは少なくとも
10以上のQが必要となる。表2に示すように、100kHzにおいて、Qが1000や10000を越えるキャパシタならともかく、Qが数十のキャパシタは、上述してきたような、特性を満足するようなものを選ぶ必要がある。
As mentioned at the outset, to improve the power factor is to cancel the positive reactance. The LC series circuit has a function of returning a non-sinusoidal waveform such as a square wave, a triangular wave, and a sawtooth wave to a sine wave. For that purpose, the Q of the LC circuit must be high, and as a rule, the capacitor needs a Q of at least 10 or more. As shown in Table 2, it is necessary to select a capacitor satisfying the characteristics as described above for a capacitor having a Q of several tens, regardless of a capacitor having a Q exceeding 1000 or 10,000 at 100 kHz.

前述したキャパシタの実効直列抵抗RcをX軸、電力伝送性能をY軸とした図82、キャパシタの誘電正接tanδをX軸、電力伝送性能をY軸とした図83においては、キャパシタC1hが規定領域内に入っている。一方、図81のグラフでは、キャパシタC1hが全て規定領域外となっている。このように、本発明においては、キャパシタの実効直列抵抗Rc、キャパシタの誘電正接tanδのみでは規定できない電力伝送性能が悪いキャパシタを除外できる。このような規定により、電力伝送性能が良いキャパシタを選んで、電力伝送装置を構成する。その結果、電力伝送性能が良い電力伝送装置が実現できるという、極めて優れた効果を奏する。   In FIG. 82 in which the effective series resistance Rc of the capacitor is the X axis and the power transmission performance is the Y axis, and in FIG. 83 where the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is the X axis and the power transmission performance is the Y axis, the capacitor C1h Inside. On the other hand, in the graph of FIG. 81, all of the capacitors C1h are outside the specified region. Thus, in the present invention, it is possible to exclude capacitors having poor power transmission performance that cannot be defined only by the effective series resistance Rc of the capacitor and the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor. According to such a rule, a capacitor having good power transmission performance is selected to configure the power transmission device. As a result, there is an extremely excellent effect that a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

また、図86より、周波数が20kHz程度の低周波数領域になると、キャパシタの実効直列抵抗Rcは、数Ω〜数十Ωとなり、実効直列抵抗Rcによる電力損失が増大する。よって、静電容量が0.01μFのキャパシタを電力伝送に使用可能な周波数は、20kHz程度を下限とするのが好ましい。ただし、静電容量が0.1μF以上のキャパシタになると、10kHzでも実効直列抵抗Rcがほぼ電力損失を起さない程度の値まで低下する。しかし、実効直列抵抗Rc(Ω)の存在は、電力伝送性能を劣化させる。よって、送電コイル1の実効直列抵抗をRi(Ω)とすると、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)が少なくとも、Ri(Ω)>Rc(Ω)、を満足する最低周波数以上で電力伝送を行なうのが好ましい。前述した、キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)は、キャパシタを使用可能な最低周波数の規定に関するものである。キャパシタを使用可能な最高周波数については、キャパシタのインピーダンスの周波数特性を示して後述する。   From FIG. 86, when the frequency is in a low frequency region of about 20 kHz, the effective series resistance Rc of the capacitor is several Ω to several tens Ω, and the power loss due to the effective series resistance Rc increases. Therefore, it is preferable that the lower limit of the frequency at which a capacitor having a capacitance of 0.01 μF can be used for power transmission is about 20 kHz. However, when the capacitor has a capacitance of 0.1 μF or more, the effective series resistance Rc is reduced to a value that causes almost no power loss even at 10 kHz. However, the presence of the effective series resistance Rc (Ω) deteriorates the power transmission performance. Therefore, if the effective series resistance of the power transmission coil 1 is Ri (Ω), power transmission is performed at a minimum frequency that satisfies at least Ri (Ω)> Rc (Ω) as the effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor. Is preferred. The effective series resistance Rc (Ω) of the capacitor described above relates to the definition of the lowest frequency at which the capacitor can be used. The maximum frequency at which the capacitor can be used will be described later by showing the frequency characteristics of the capacitor impedance.

(誘電吸収の説明)
次に、電力伝送性能と相関を持つ要因の1つとして、キャパシタの誘電吸収が考えられる。誘電吸収は、キャパシタの直流特性である。誘電吸収の原因には種々の説があるが、一説として、キャパシタの両端子に長時間、直流電圧Vw(V)が印加されている間に、誘電体の分極が起こると考えられている。キャパシタに直流電圧が印加されなくなり、キャパシタの両端子を短絡してキャパシタに蓄積された電荷を放電する。放電後にキャパシタを開放すると、キャパシタの両端に開放電圧Vb(V)が発生する。Vw(V)とキャパシタのVb(V)の比を誘電吸収Kとし、K=Vb(V)/Vw(V)、とする。Kが小さいほど、キャパシタの特性はよい。なお、誘電吸収Kは常に1より小さい正の値であり、無単位の数値である。
(Explanation of dielectric absorption)
Next, as one of the factors having a correlation with the power transmission performance, the dielectric absorption of the capacitor can be considered. Dielectric absorption is a direct current characteristic of the capacitor. There are various theories about the cause of the dielectric absorption. As one theory, it is considered that the dielectric polarization occurs while the DC voltage Vw (V) is applied to both terminals of the capacitor for a long time. A DC voltage is no longer applied to the capacitor, and both terminals of the capacitor are short-circuited to discharge the charge accumulated in the capacitor. When the capacitor is opened after discharging, an open circuit voltage Vb (V) is generated across the capacitor. The ratio of Vw (V) to the capacitor Vb (V) is the dielectric absorption K, and K = Vb (V) / Vw (V). The smaller the K, the better the capacitor characteristics. The dielectric absorption K is always a positive value smaller than 1 and is a unitless numerical value.

(コイルの両端にキャパシタを各1個装備した場合の説明)
なお、特許文献4の段落0018には、共振周波数に必用な2倍の静電容量を持つキャパシタを、コイルの両端に各1個装備することが記載されている。前述したが、その他の特許文献にも同様の記載がある。先の発明で、基準コイルを使い、キャパシタの両端電圧Vp、Vnを計測したときに、Vp、Vnがゼロ点からシフトする比率Sにより、キャパシタの性能判断ができることを既述した。本願発明者は、この点に着目し、基準コイルに1個キャパシタを装備した場合と、基準コイルの両端に2個のキャパシタを装備した場合の双方において、Vp、Vn、S=Vp/Vn、および電力伝送性能を計測してみた。
(Explanation when one capacitor is installed at each end of the coil)
In paragraph 0018 of Patent Document 4, it is described that a capacitor having twice the capacitance necessary for the resonance frequency is provided at each end of the coil. As described above, other patent documents have similar descriptions. In the previous invention, it has been described that the performance of a capacitor can be judged by the ratio S at which Vp and Vn shift from the zero point when the voltage Vp and Vn across the capacitor are measured using a reference coil. The inventor of the present application pays attention to this point, and Vp, Vn, S = Vp / Vn, both when the reference coil is equipped with one capacitor and when two capacitors are provided at both ends of the reference coil. And I measured the power transmission performance.

図71では、スイッチング素子Q2のソース(Vdの−端子)をオシロスコープ80のGNDに接続し、基準コイルLsとキャパシタCxの接続点をオシロスコープ70の信号入力端子に接続した。前述したが、Vp、Vnを計測するときには、R2を短絡してある。このように接続することにより、Vp>Vn、となり、S=Vp/Vn>1、となる。   In FIG. 71, the source (Vd-terminal) of the switching element Q2 is connected to the GND of the oscilloscope 80, and the connection point between the reference coil Ls and the capacitor Cx is connected to the signal input terminal of the oscilloscope 70. As described above, when measuring Vp and Vn, R2 is short-circuited. By connecting in this way, Vp> Vn and S = Vp / Vn> 1.

図88は、キャパシタをVOUTH側に接続した場合の、キャパシタ両端電圧をオシロスコープで計測する場合の接続図である。図89は、キャパシタを送電コイル1の両端に各1個接続した場合の、各キャパシタ両端電圧をオシロスコープで計測する場合の接続図である。   FIG. 88 is a connection diagram when the voltage across the capacitor is measured with an oscilloscope when the capacitor is connected to the VOUTH side. FIG. 89 is a connection diagram for measuring the voltage across each capacitor with an oscilloscope when one capacitor is connected to each end of the power transmission coil 1.

図88および図89に示した交流電源30bの出力は、インピーダンスの低い端子VOUTHおよびVOUTLで示している。図88に示す交流電源30bの端子VOUTHおよびVOUTLには、キャパシタCxと送電コイル1の直列回路が接続されている。オシロスコープ80のGNDは、交流電源30bのVOUTHまたはVOUTLに接続される。オシロスコープ80の電圧入力INは、キャパシタCxと送電コイル1との接続点に接続される。   The output of the AC power supply 30b shown in FIGS. 88 and 89 is indicated by terminals VOUTH and VOUTL having low impedance. A series circuit of the capacitor Cx and the power transmission coil 1 is connected to the terminals VOUTH and VOUTL of the AC power supply 30b shown in FIG. The GND of the oscilloscope 80 is connected to VOUTH or VOUTL of the AC power supply 30b. A voltage input IN of the oscilloscope 80 is connected to a connection point between the capacitor Cx and the power transmission coil 1.

図89においては、交流電源30bの端子VOUTHおよびVOUTLには、キャパシタCx1と送電コイル1とキャパシタCx2の直列回路が接続されている。同一のオシロスコープ80a,80bで同時に2個のキャパシタCx1,Cx2のキャパシタ電圧を計測すると、交流電源30bの出力OUTHとOUTLがオシロスコープ80a,80bのGNDを介して短絡されるので、各キャパシタCx1,Cx2のVp、Vnを個別に計測する必要がある。   In FIG. 89, a series circuit of a capacitor Cx1, a power transmission coil 1, and a capacitor Cx2 is connected to terminals VOUTH and VOUTL of the AC power supply 30b. When the capacitor voltages of the two capacitors Cx1 and Cx2 are simultaneously measured with the same oscilloscopes 80a and 80b, the outputs OUTH and OUTL of the AC power supply 30b are short-circuited via the GND of the oscilloscopes 80a and 80b. It is necessary to measure Vp and Vn separately.

キャパシタCxの両端電圧を計測するには、オシロスコープ80a,80bのGNDを基準電圧点に接続する必要がある。図71で、キャパシタCxとコイルLsを入れ替えて、キャパシタCxの一方の端子をスイッチング素子Q1のドレイン(Vdの+端子)に接続する。基準コイルLsの一方の端子は、スイッチング素子Q2のソース(Vdの−端子)に接続する。キャパシタCxの他方の端子とコイルLsの他方の端子を接続して、LC直列共振回路を構成する。スイッチング素子Q1のドレイン(Vdの+端子)をオシロスコープ80のGNDに接続し、基準コイルLsとキャパシタCxの接続点をオシロスコープ80の信号入力端子に接続する。このようにオシロスコープ80を、図71で、キャパシタCxとコイルLsを入れ替えたLC直列共振回路のCxの両端電圧を計測すると、Vn>VP、となる。そこで、シフト比をS1とし、S1=Vn/Vp>1とする。   In order to measure the voltage across the capacitor Cx, it is necessary to connect the GND of the oscilloscopes 80a and 80b to the reference voltage point. In FIG. 71, the capacitor Cx and the coil Ls are interchanged, and one terminal of the capacitor Cx is connected to the drain of the switching element Q1 (the + terminal of Vd). One terminal of the reference coil Ls is connected to the source of the switching element Q2 (the negative terminal of Vd). An LC series resonance circuit is configured by connecting the other terminal of the capacitor Cx and the other terminal of the coil Ls. The drain of the switching element Q1 (+ terminal of Vd) is connected to the GND of the oscilloscope 80, and the connection point between the reference coil Ls and the capacitor Cx is connected to the signal input terminal of the oscilloscope 80. In this way, when the oscilloscope 80 measures the voltage across Cx of the LC series resonance circuit in which the capacitor Cx and the coil Ls are interchanged in FIG. 71, Vn> VP. Therefore, the shift ratio is S1, and S1 = Vn / Vp> 1.

基準コイルLsの両端に2個のキャパシタCx1,Cx2を装備した場合に、Vp、Vnを計測するには、オシロスコープ80の接続法を前述したように変更すればよい。基準コイルLsの両端に2個のキャパシタCx1,Cx2を装備し、オシロスコープ80の接続法を前述したように変更した場合においては、Vp<Vnとなるので、Sn=Vn/Vp>1、としてSnを定義する。基準コイルの両端に2個のキャパシタを装備した場合であって、図71と同じオシロスコープ80の接続法とした場合、Sp=Vp/Vn、とする。S=Vp/Vn、S1=Vn/Vpは、基準コイルにキャパシタを1個装備した場合のシフト比とする。   In order to measure Vp and Vn when two capacitors Cx1 and Cx2 are provided at both ends of the reference coil Ls, the connection method of the oscilloscope 80 may be changed as described above. When two capacitors Cx1 and Cx2 are provided at both ends of the reference coil Ls and the connection method of the oscilloscope 80 is changed as described above, Vp <Vn, so that Sn = Vn / Vp> 1 and Sn Define When two capacitors are provided at both ends of the reference coil and the connection method of the oscilloscope 80 is the same as in FIG. 71, Sp = Vp / Vn. S = Vp / Vn and S1 = Vn / Vp are the shift ratios when one capacitor is installed in the reference coil.

本願発明者は、表2に記載のキャパシタを2個並列接続し、静電容量が0.02μFの合成キャパシタを2個作成した。この合成キャパシタを直列接続した静電容量が0.01μFの合成キャパシタ1個を使用した場合と、静電容量が0.02μFの合成キャパシタを基準コイルの両端に接続した場合の、Vp、Vn、S、S1、Sp、Snを計測した。表2に記載の各キャパシタの実効直列抵抗Rc(Ω)は、静電容量が0.01μFの合成キャパシタでは、Rc(Ω)の半分になる。しかし、静電容量が0.02μFの合成キャパシタを2個直列接続した静電容量が0.01μFの合成キャパシタでは、Rc(Ω)は表2に記載のRc(Ω)と等しくなる。このような条件で、Vp、Vn、S、Sp、Snを計測すると、単体キャパシタ1個を使用した場合と同じ条件となる。   The inventor of the present application connected two capacitors shown in Table 2 in parallel to create two composite capacitors having a capacitance of 0.02 μF. Vp, Vn, when using one synthetic capacitor having a capacitance of 0.01 μF with this synthetic capacitor connected in series and when connecting a synthetic capacitor with a capacitance of 0.02 μF to both ends of the reference coil S, S1, Sp, and Sn were measured. The effective series resistance Rc (Ω) of each capacitor described in Table 2 is half of Rc (Ω) in a synthetic capacitor having a capacitance of 0.01 μF. However, Rc (Ω) is equal to Rc (Ω) described in Table 2 in the case of a synthetic capacitor having a capacitance of 0.01 μF in which two synthetic capacitors having a capacitance of 0.02 μF are connected in series. When Vp, Vn, S, Sp, and Sn are measured under such conditions, the conditions are the same as when one single capacitor is used.

計測の結果、いずれのキャパシタでも、SpとSnはほぼ等しかった。また、SとS1もほぼ等しかった。しかし、Spは、Sに比べ小さい場合が多かった。概略の実験結果として(Sp−1)/(S−1)の値が0.75以下であれば、キャパシタの電力伝送性能はコイルにキャパシタを1個装備した場合より、コイル両端に各1個を装備した方がよかった。例えば、S=1.08で、Sp=1.05なら、
(Sp−1)/(S−1)=0.05/0.08=0.625<0.75、となり、条件を満足する。
As a result of measurement, Sp and Sn were almost equal in any capacitor. Also, S and S1 were almost equal. However, Sp was often smaller than S. As a general experimental result, if the value of (Sp-1) / (S-1) is 0.75 or less, the power transmission performance of the capacitor is one at each end of the coil than when one capacitor is installed in the coil. It was better to equip. For example, if S = 1.08 and Sp = 1.05,
(Sp-1) / (S-1) = 0.05 / 0.08 = 0.625 <0.75, which satisfies the conditions.

S=1.1、Sp=1.08なら、
(Sp−1)/(S−1)=0.08/0.1=0.8>0.75、となり、条件を満足しない。(Sp−1)/(S−1)=Faとすると、
Fb=(Sp−1)/(S1−1)
Fc=(Sn−1)/(S−1)
Fd=(Sn−1)/(S1−1)
と規定しても同等の結果が得られる。FaからFdのいずれかが0.75以下であればよい。この選別方法は、単にS=Vp/Vn、の値を計測し、所定数値B以下であるという選別方法に比べ、基準コイル、静電容量、周波数などに依存しない選別方法となる。
If S = 1.1 and Sp = 1.08,
(Sp-1) / (S-1) = 0.08 / 0.1 = 0.8> 0.75, which does not satisfy the condition. If (Sp-1) / (S-1) = Fa,
Fb = (Sp-1) / (S1-1)
Fc = (Sn-1) / (S-1)
Fd = (Sn-1) / (S1-1)
The equivalent result can be obtained. Any of Fa to Fd may be 0.75 or less. This sorting method is a sorting method that does not depend on the reference coil, capacitance, frequency, or the like as compared with the sorting method in which the value of S = Vp / Vn is simply measured and is equal to or less than the predetermined numerical value B.

コイルの両端に各1個のキャパシタを接続するのは、Vp/Vn、の値が1に近くなるという作用効果によるものと推察される。この原因として、図116の等価回路において、キャパシタC1に流れる交流電流値により、実効直列抵抗Re(Ω)が変動している可能性が考えられる。あるいは、前述したように、キャパシタの等価直列インダクタンスLcの影響による可能性も考えられる。しかし、キャパシタ両端電圧の基準電圧よりのシフト比Sが1に近いほど電力伝送性能がよいという相関は、図示するまでもなく、図81より明らかである。送電コイル1の両端にキャパシタを各1個接続することにより、シフト比Sが低下し、1に近づいている上記の実験結果から、送電コイル1の両端にキャパシタを各1個接続することにより、電力伝送性能を向上できると言える。従来例においては、これらの作用効果が全く明確にされていない。   It is presumed that the connection of one capacitor to each end of the coil is due to the effect that the value of Vp / Vn is close to 1. As a cause of this, in the equivalent circuit of FIG. 116, there is a possibility that the effective series resistance Re (Ω) varies depending on the value of the alternating current flowing through the capacitor C1. Or as mentioned above, the possibility of the influence of the equivalent series inductance Lc of a capacitor is also considered. However, the correlation that the power transmission performance is better as the shift ratio S from the reference voltage of the voltage across the capacitor is closer to 1 is clear from FIG. By connecting one capacitor to each end of the power transmission coil 1, the shift ratio S is reduced, and from the above experimental results approaching 1, by connecting one capacitor to each end of the power transmission coil 1, It can be said that the power transmission performance can be improved. In the conventional example, these effects are not clarified at all.

なお、0.02μFのキャパシタを2個使用し、2個のキャパシタをコイルの両端に接続した場合と、0.01μFのキャパシタを1個使用した場合とも比較してある。キャパシタを2個使用した場合、Vp/Vnの値が1に近づき、電力伝送性能が向上した。コイル、キャパシタともに、実効直列抵抗を持ち、VpとVnの対称性と電力伝送性能に相関が見られるところから、図89のような接続法は、VpとVnの「対称性」を改善している可能性があるものと思われる。   In addition, the case where two capacitors of 0.02 μF are used and the two capacitors are connected to both ends of the coil is compared with the case where one capacitor of 0.01 μF is used. When two capacitors were used, the value of Vp / Vn approached 1 and the power transmission performance was improved. Since both the coil and the capacitor have effective series resistance and there is a correlation between the symmetry of Vp and Vn and the power transmission performance, the connection method as shown in FIG. 89 improves the “symmetry” of Vp and Vn. There seems to be a possibility.

図90は、キャパシタの誘電吸収を計測する回路図である。   FIG. 90 is a circuit diagram for measuring dielectric absorption of a capacitor.

図90には、オペアンプによるインピーダンス変換回路が示してある。本願発明者は、図90のような、入力インピーダンスが、1010Ω以上のインピーダンス変換回路を作成し、一般に使用されているディジタルテスターで誘電吸収が計測できるようにした。図90において、インピーダンス変換回路として作動するオペアンプ61の反転入力端子と出力端子とが接続されており、オペアンプ61の出力端子とGND間に直流電圧計62が接続されている。オペアンプ61と直流電圧計62は入力インピーダンスが、1012Ω以上の電子式直流電圧計として作動する。一般に使用されているディジタルテスターなどは、入力インピーダンスが数MΩであり、誘電吸収の正確な計測ができない。   FIG. 90 shows an impedance conversion circuit using an operational amplifier. The inventor of the present application created an impedance conversion circuit having an input impedance of 1010Ω or more as shown in FIG. 90, and made it possible to measure dielectric absorption with a commonly used digital tester. In FIG. 90, an inverting input terminal and an output terminal of an operational amplifier 61 operating as an impedance conversion circuit are connected, and a DC voltmeter 62 is connected between the output terminal of the operational amplifier 61 and GND. The operational amplifier 61 and the DC voltmeter 62 operate as an electronic DC voltmeter having an input impedance of 1012Ω or more. Generally used digital testers and the like have an input impedance of several MΩ and cannot accurately measure dielectric absorption.

スイッチ63は、計測用のキャパシタCに電荷を蓄積する直流電圧Vw=V1(V)を印加するために設けられており、スイッチ64は5Ω±10%の精度を有する抵抗R4を介してキャパシタCに蓄積された電荷を放電するために設けられており、スイッチ65はキャパシタCに蓄積した電荷をオペアンプ61の非反転入力端子に与えて誘電吸収Kを測定するために設けられている。オペアンプ61は非反転入力端子のバイアス電流が1pA程度で、入力インピーダンスが1012Ω程度のハイインピーダンスのものが使用される。 The switch 63 is provided to apply a DC voltage Vw = V1 (V) for accumulating electric charge to the measurement capacitor C. The switch 64 is connected to the capacitor C via a resistor R4 having an accuracy of 5Ω ± 10%. The switch 65 is provided for measuring the dielectric absorption K by applying the charge accumulated in the capacitor C to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 61. The operational amplifier 61 has a high impedance with a non-inverting input terminal bias current of about 1 pA and an input impedance of about 10 12 Ω.

図90に示す計測回路で誘電吸収を計測する手順は、JISに規定されているが、以下に説明する。まず、スイッチ63を閉じてキャパシタCの定格電圧の±10%の電圧、Vw=V1(V)、をキャパシタCに1時間印加する。その後、スイッチ63を開いて、スイッチ64を閉じ、抵抗R4を10秒間キャパシタCの両端に接続してキャパシタCに蓄えられている電荷を放電する。10秒間の放電後、スイッチ64を開いてキャパシタCを開放し、スイッチ65を閉じてキャパシタCの両端電圧Vb(V)をオペアンプ61に与え、電圧計62で15分間計測する。15分間の計測時間でのキャパシタの両端電圧の最大値をVb(V)とする。誘電吸収Kは、K=Vb/Vw、として求められる。   The procedure for measuring dielectric absorption with the measuring circuit shown in FIG. 90 is defined in JIS, but will be described below. First, the switch 63 is closed and a voltage of ± 10% of the rated voltage of the capacitor C, Vw = V1 (V), is applied to the capacitor C for 1 hour. Thereafter, the switch 63 is opened, the switch 64 is closed, and the resistor R4 is connected to both ends of the capacitor C for 10 seconds to discharge the charge stored in the capacitor C. After discharging for 10 seconds, the switch 64 is opened to open the capacitor C, the switch 65 is closed to apply the voltage Vb (V) across the capacitor C to the operational amplifier 61, and the voltmeter 62 measures it for 15 minutes. The maximum value of the voltage across the capacitor in the measurement time of 15 minutes is defined as Vb (V). The dielectric absorption K is obtained as K = Vb / Vw.

本願発明者は、無極性であるキャパシタの一方の端子に正の電圧を印加し、誘電吸収Kを計測した。その後、一方の端子に負の電圧を印加し、誘電吸収Kを計測したところ、一方の端子に正の電圧を印加して誘電吸収Kを計測した場合とは異なる結果が得られた。後述するが、誘電吸収の非対称性は、電力伝送性能と相関がある。以降、一方の端子、例えば、図90に示すキャパシタCのAの端子に正の電圧を印加して計測した誘電吸収をKpと表記する。そして、一方の端子に負の電圧を印加して計測した誘電吸収をKnと表記する。例えば、図90に示すキャパシタCのBの端子に正の電圧を印加して計測した誘電吸収をKnと表記する。   The inventor of the present application measured a dielectric absorption K by applying a positive voltage to one terminal of a nonpolar capacitor. After that, when a negative voltage was applied to one terminal and the dielectric absorption K was measured, a result different from the case where the dielectric absorption K was measured by applying a positive voltage to one terminal was obtained. As will be described later, the asymmetry of dielectric absorption correlates with the power transmission performance. Hereinafter, dielectric absorption measured by applying a positive voltage to one terminal, for example, the terminal A of the capacitor C shown in FIG. 90, is denoted as Kp. The dielectric absorption measured by applying a negative voltage to one terminal is expressed as Kn. For example, dielectric absorption measured by applying a positive voltage to the B terminal of the capacitor C shown in FIG. 90 is expressed as Kn.

表3に示すように、JISでは、誘電吸収は無極性の直流用キャパシタのみに規定があり、その規定値は0.1%である。しかし、本発明の実施形態においては、無極性のキャパシタに交流電圧を印加し、交流電流を流す。誘電吸収は直流特性であり、直流ではキャパシタのインピーダンスは理論上無限大になる。図90に示すオペアンプ61の入力端子には、微小ではあるが、バイアス電流が流れる。JISの規定によると、キャパシタの絶縁抵抗は、1GΩ〜30GΩとなっている。バイアス電流値が1pA程度のオペアンプを使用しても、前記バイアス電流によりキャパシタが蓄電され、オペアンプの出力端子電圧の絶対値は、時間と共に上昇する。そのため、図90のオペアンプ61の非反転入力端子には200MΩの高抵抗RhをGND間に取り付けている。   As shown in Table 3, in JIS, dielectric absorption is specified only for nonpolar DC capacitors, and the specified value is 0.1%. However, in the embodiment of the present invention, an AC voltage is applied to a nonpolar capacitor to pass an AC current. Dielectric absorption is a direct current characteristic, and the impedance of a capacitor is theoretically infinite at direct current. A bias current flows through the input terminal of the operational amplifier 61 shown in FIG. According to JIS regulations, the insulation resistance of the capacitor is 1 GΩ to 30 GΩ. Even if an operational amplifier having a bias current value of about 1 pA is used, the capacitor is charged by the bias current, and the absolute value of the output terminal voltage of the operational amplifier increases with time. Therefore, a high resistance Rh of 200 MΩ is attached between GND at the non-inverting input terminal of the operational amplifier 61 in FIG.

また、キャパシタの定格電圧が100V程度になると、実測が危険となる。よって、キャパシタCの定格電圧にかかわらず、20Vの電圧をキャパシタCに印加した。キャパシタCに印加する電圧が高いと、誘電体内の電界強度が高くなり、誘電体分極を起しやすくなる。そのため、実測値は0.25%以下に収まっているが、5倍程度の余裕をみておく必要がある。したがって、電力伝送装置のキャパシタCとしては、誘電吸収Kが、少なくとも1%以下でないとならない。実際に、本願発明者が、空中配線で回路を構成して、回路全体の絶縁抵抗を、1012Ω以上にし、キャパシタC1mに、定格電圧100Vを印加して誘電吸収を計測したら、約0.93%であった。これは、図91に示す実測値である0.18%の5倍に相当している。 Further, when the rated voltage of the capacitor is about 100V, actual measurement becomes dangerous. Therefore, a voltage of 20 V was applied to the capacitor C regardless of the rated voltage of the capacitor C. When the voltage applied to the capacitor C is high, the electric field strength in the dielectric increases and dielectric polarization is likely to occur. Therefore, the actual measurement value is within 0.25%, but it is necessary to allow a margin of about 5 times. Therefore, as the capacitor C of the power transmission device, the dielectric absorption K must be at least 1% or less. Actually, when the inventor of the present application forms a circuit with aerial wiring, the insulation resistance of the entire circuit is set to 10 12 Ω or more, the rated voltage of 100 V is applied to the capacitor C1m, and the dielectric absorption is measured. 93%. This corresponds to five times the actual measurement value shown in FIG.

図91より明らかなように、誘電吸収Kpが小さいキャパシタは電力伝送性がよく、誘電吸収Kpが大きいキャパシタは電力伝送性が悪いことが分かる。さらに、本願発明者は、前述したように、図90の回路において、正の電圧が印加されているキャパシタCの端子Aと、負の電圧が印加されているキャパシタCの端子Bとを入れ替えてみた。   As can be seen from FIG. 91, a capacitor having a small dielectric absorption Kp has good power transmission, and a capacitor having a large dielectric absorption Kp has poor power transmission. Furthermore, as described above, the inventor of the present application interchanges the terminal A of the capacitor C to which a positive voltage is applied and the terminal B of the capacitor C to which a negative voltage is applied in the circuit of FIG. saw.

図92は、図90において、キャパシタの端子Aと端子Bを入れ替えて誘電吸収Knを計測し、KnをX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。図93は、表2に示す各キャパシタの前記誘電吸収KpとKnの比KrをX軸とし、電力伝送性能をY軸とし
たグラフである。比Krは、Kp>Kn、のときは、Kr=Kp/Kn、Kn>Kp、のときは、Kr=Kn/Kp、とし、Kr>1、となるように規定してある。
FIG. 92 is a graph in which the dielectric absorption Kn is measured by switching the terminal A and the terminal B of the capacitor in FIG. 90, Kn is the X axis, and the power transmission performance is the Y axis. FIG. 93 is a graph with the ratio Kr of the dielectric absorption Kp and Kn of each capacitor shown in Table 2 as the X axis and the power transmission performance as the Y axis. The ratio Kr is defined such that when Kp> Kn, Kr = Kp / Kn, and when Kn> Kp, Kr = Kn / Kp, and Kr> 1.

図93によれば、誘電吸収の非対称性が明らかに見られる。電力伝送性能のよいキャパシタは、誘電吸収の非対称性が小さい。換言すれば、比Krの値が1に近い。電力伝送性能の悪いキャパシタは、誘電吸収の非対称性が大きい。換言すれば、比Krの値が1より大きい。このようにして、電力伝送性能がよいキャパシタを選ぶことができる。   According to FIG. 93, the asymmetry of dielectric absorption is clearly seen. A capacitor with good power transmission performance has low dielectric absorption asymmetry. In other words, the value of the ratio Kr is close to 1. A capacitor having poor power transmission performance has a large asymmetry of dielectric absorption. In other words, the value of the ratio Kr is greater than 1. In this way, a capacitor with good power transmission performance can be selected.

すなわち、図90に示すキャパシタの一方の端子Aと他方の端子Bを入れ替えると、誘電吸収KpとKnとが、異なる値となる結果が得られている。これは、昇圧比が最も小さいセラミックキャパシタC1r、において顕著である。また、図93より明らかなように、比Krが1に近いキャパシタは電力伝送性がよく、比Krが1より大きいキャパシタは電力伝送性が悪いことが分かる。図93のKrと電力伝送性能との相関から見ると、前記Kpと前記Knの比であるKr、Kr=Kp/Kn、は、1<Kp/Kn<1.5、の範囲内に入っていないといけないのが分かる。   That is, when one terminal A and the other terminal B of the capacitor shown in FIG. 90 are interchanged, a result is obtained in which the dielectric absorption Kp and Kn have different values. This is remarkable in the ceramic capacitor C1r having the smallest step-up ratio. As is clear from FIG. 93, it can be seen that a capacitor with a ratio Kr close to 1 has good power transmission, and a capacitor with a ratio Kr larger than 1 has poor power transmission. From the correlation between Kr and power transmission performance in FIG. 93, the ratio of Kp and Kn, Kr, Kr = Kp / Kn, is in the range of 1 <Kp / Kn <1.5. I understand that it is necessary.

(キャパシタの温度上昇に関する実施例の説明)
図94は、キャパシタCの性能を判断する回路構成図である。図94の交流電源72は、周波数を可変でき、交流電流計73で出力電流Iaを計測でき、交流電圧計74で出力電圧Vt(V)が計測できるように構成されている。キャパシCに交流電圧Vt(V)を印加すると、キャパシタに無効電力による電流Ia(A)、が流れる。Ia(A)=Vt(V)/Xc(Ω)、である。図95は、前述した図71に示したLCRの直列共振回路を構成することにより、キャパシタCxに電流を流す回路図である。
(Explanation of the embodiment regarding the temperature rise of the capacitor)
FIG. 94 is a circuit configuration diagram for determining the performance of the capacitor C. The AC power source 72 of FIG. 94 is configured such that the frequency can be varied, the output current Ia can be measured by the AC ammeter 73, and the output voltage Vt (V) can be measured by the AC voltmeter 74. When an AC voltage Vt (V) is applied to the capacitor C, a current Ia (A) due to reactive power flows through the capacitor. Ia (A) = Vt (V) / Xc (Ω). FIG. 95 is a circuit diagram for causing a current to flow through the capacitor Cx by configuring the LCR series resonant circuit shown in FIG. 71 described above.

図96は、図94、図95の回路において、周波数200kHz、実効値0.5Aの交流電流をキャパシタに流したときの、キャパシタの上昇温度をX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。正確な温度を計測するため、キャパシタの温度は、赤外線式の非接触型温度計で計測してある。   FIG. 96 is a graph in which, in the circuits of FIGS. 94 and 95, when an alternating current having a frequency of 200 kHz and an effective value of 0.5 A is passed through the capacitor, the rising temperature of the capacitor is taken as the X axis and the power transmission performance is taken as the Y axis. It is. In order to measure an accurate temperature, the temperature of the capacitor is measured with an infrared non-contact type thermometer.

図96から明らかなように、キャパシタCの温度が高くなると、電力伝送性能が悪くなる。キャパシタの温度上昇が10℃以下であれば所定の電力伝送性能が得られるのが分かる。キャパシタの温度上昇が5℃以下であれば、より好ましい。   As is apparent from FIG. 96, when the temperature of the capacitor C increases, the power transmission performance deteriorates. It can be seen that a predetermined power transmission performance can be obtained if the temperature rise of the capacitor is 10 ° C. or less. It is more preferable if the temperature rise of the capacitor is 5 ° C. or less.

(性能評価方法、性能評価装置の説明)
図97(A)は、キャパシタの性能を計測する例を示すブロック図であり、図97(B)は、図97(A)に示す二重積分式のA/D変換器75に含まれる積分回路78を示す図である。
(Description of performance evaluation method and performance evaluation device)
97A is a block diagram showing an example of measuring the performance of a capacitor, and FIG. 97B is an integration included in the double integration type A / D converter 75 shown in FIG. 97A. FIG.

パルス数計測手段およびAD変換手段として作動するA/D変換器75には、図97(B)に示す積分回路が含まれている。オペアンプ78の反転入力端子bと出力端子aとの間に積分キャパシタCxが接続されており、積分キャパシタCxは抵抗Rtの一端とオペアンプ78の反転入力端子に接続され、抵抗Rtの他端は入力端VINに接続されている。オペアンプ78の非反転入力端子はGNDに接続されている。   The A / D converter 75 that operates as the pulse number measuring means and the AD converting means includes an integrating circuit shown in FIG. An integrating capacitor Cx is connected between the inverting input terminal b and the output terminal a of the operational amplifier 78. The integrating capacitor Cx is connected to one end of the resistor Rt and the inverting input terminal of the operational amplifier 78, and the other end of the resistor Rt is input. It is connected to the end VIN. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 78 is connected to GND.

基準電圧Vrefは、A/D変換器75の基準電圧入力REF_HIとREF_LOに接続されている。A/D変換器75には表示器76が接続されている。測定電圧入力端子IN_HIとIN_LOにはスイッチ77が接続されている。スイッチ77は測定電圧入力端子IN_HIとIN_LOに、基準電圧Vref,反転基準電圧−Vrefを与えるかあるいは短絡状態にするかを切換える。短絡状態に切換えたとき、スイッチ77は積分
キャパシタの両端電圧をゼロにする初期化手段として作動する。
The reference voltage Vref is connected to the reference voltage inputs REF_HI and REF_LO of the A / D converter 75. A display 76 is connected to the A / D converter 75. A switch 77 is connected to the measurement voltage input terminals IN_HI and IN_LO. The switch 77 switches whether the reference voltage Vref and the inverted reference voltage −Vref are applied to the measurement voltage input terminals IN_HI and IN_LO, or the short circuit state. When switched to the short circuit state, the switch 77 operates as an initialization means for setting the voltage across the integrating capacitor to zero.

この実施形態では、A/D変換器75は、積分キャパシタCxが初期化された後、積分キャパシタCxに正方向の定電流Ipを所定の時間Tの間に流し、所定の時間T経過後に積分キャパシタCxに負方向の所定の定電流Inを流し、積分キャパシタCxの両端電圧がゼロになるまでの時間をTnとすると、Ip=Inのときの所定時間Tのパルス数をカウントする。そして、所定時間Tのパルスカウント数をN、積分キャパシタCxの両端電圧がゼロとなるまでの時間Tnのパルスカウント数をNn、としたときに、NnとNとの差の絶対値が、0.004×Nカウント以下のキャパシタを選択する。   In this embodiment, the A / D converter 75 causes the constant current Ip in the positive direction to flow through the integration capacitor Cx for a predetermined time T after the integration capacitor Cx is initialized, and integrates after the predetermined time T has elapsed. When a predetermined constant current In in the negative direction is passed through the capacitor Cx and the time until the voltage across the integrating capacitor Cx becomes zero is Tn, the number of pulses at the predetermined time T when Ip = In is counted. When the pulse count for the predetermined time T is N and the pulse count for the time Tn until the voltage across the integration capacitor Cx becomes zero is Nn, the absolute value of the difference between Nn and N is 0. Select a capacitor of .004 × N count or less.

A/D変換器75として、二重積分式A/D変換器を使用し、A/D変換器75の基準電圧と入力電圧を同一とする。A/D変換器75の出力、例えば表示が、理論値1からの乖離を見ることにより、電力伝送措置に使用され力率キャパシタの性能を判断できる。このA/D変換器75は、1000カウント以上の分解能を持つ。この分解能1000は前記理論値1に対する分解能である。すなわち、カウント数が999ならば、理論値1との乖離は、0.001になる。したがって、カウント数をNとし、0.004×Nカウント以下の偏差(デジット)であれば、キャパシタの力率改善性能はよい。なお、カウント数Nは、例えば10000であればより正確な判断ができる。また、上記の理論値1は、2のn乗のビット数、例えば11ビットなら、2047などであってもよい。   A double integration A / D converter is used as the A / D converter 75, and the reference voltage and the input voltage of the A / D converter 75 are the same. When the output, for example, the display of the A / D converter 75 shows a deviation from the theoretical value 1, the performance of the power factor capacitor used for the power transmission measure can be determined. The A / D converter 75 has a resolution of 1000 counts or more. This resolution 1000 is the resolution for the theoretical value 1. That is, if the count number is 999, the deviation from the theoretical value 1 is 0.001. Therefore, if the count number is N and the deviation (digit) is 0.004 × N count or less, the power factor improvement performance of the capacitor is good. If the count number N is, for example, 10,000, a more accurate determination can be made. The theoretical value 1 may be 2 n bits, for example, 2047 if it is 11 bits.

さらに、キャパシタに、負方向の定電流Inを所定時間Tの間流し、所定時間Tの経過後に、キャパシタに、正方向の所定の定電流Ipを流し、キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間をTp、とすると、|Ip|=|In|、であって、Tのパルスカウント数をN、Tpのパルスカウント数をNp、としたときに、NpとNとの差の絶対値が0.004×Nカウント以下のキャパシタを選ぶ。   Further, a constant current In in the negative direction is passed through the capacitor for a predetermined time T, and after a predetermined time T has elapsed, a predetermined constant current Ip in the positive direction is passed through the capacitor until the voltage across the capacitor becomes zero. If the time is Tp, and | Ip | = | In |, where the pulse count number of T is N and the pulse count number of Tp is Np, the absolute value of the difference between Np and N is Select a capacitor of 0.004 x N counts or less.

この例では、A/D変換器の基準電圧と入力電圧を同一とする際、入力電圧の極性を反転させる。先に誘電吸収にて述べたように、無極性のキャパシタであっても、正の同一電圧と負の同一電圧をA/D変換器に加えたときに、表示が異なる。上記の方法により、正確にキャパシタの力率改善性能を判断ができる。   In this example, when the reference voltage of the A / D converter is the same as the input voltage, the polarity of the input voltage is inverted. As described above in terms of dielectric absorption, even a nonpolar capacitor has a different display when the same positive voltage and the same negative voltage are applied to the A / D converter. By the above method, the power factor improvement performance of the capacitor can be accurately determined.

さらに、NpとNnの差の絶対値が、0.003×Nカウント以下であれば、キャパシタの力率改善性能はよい。   Furthermore, if the absolute value of the difference between Np and Nn is 0.003 × N counts or less, the power factor improvement performance of the capacitor is good.

この例では、NpとNnの差の絶対値を比較することにより、さらに正確にキャパシタの力率改善性能の判断ができる。   In this example, the power factor improvement performance of the capacitor can be determined more accurately by comparing the absolute values of the differences between Np and Nn.

図98は、A/D変換器75の積分回路出力Voを示す波形である。   FIG. 98 is a waveform showing the integration circuit output Vo of the A / D converter 75.

図97(B)に示すA/D変換器75において、差動入力である測定電圧入力端子IN_HIとIN_LO間の電圧をVmとすると、積分電流Ii(A)は、
Ii(A)=Vm(V)/Rt(Ω)、となる。A/D変換器75の出力は表示器76に表示される。入力信号積分の時間は、1000カウントの固定値になっている。したがって、図98に示すピーク電圧Vpeak(V)は、Vm(V)に比例して高くなる。積分キャパシタCxとVpeakの関係は、Vpeak(V)=Ii(A)/Cx(F)、となる。これは、入力信号積分の時間が一定であるからである。1000カウントの入力信号積分後、A/D変換器75内部で逆積分に切換えられる。電流源として作動する基準電圧Vrefにより生成される電流Iref(A)、Iref(A)=Vref(V)/Rt(Ω)により、一定の負の傾きにより、Vpeakから逆積分を行なう。逆積分の時間をカウントし、積分回路の出力がゼロとなったときのカウント値を、4桁のディジタル値として表示する。
In the A / D converter 75 shown in FIG. 97 (B), when the voltage between the measurement voltage input terminals IN_HI and IN_LO, which are differential inputs, is Vm, the integrated current Ii (A) is
Ii (A) = Vm (V) / Rt (Ω). The output of the A / D converter 75 is displayed on the display 76. The input signal integration time is a fixed value of 1000 counts. Therefore, the peak voltage Vpeak (V) shown in FIG. 98 increases in proportion to Vm (V). The relationship between the integration capacitor Cx and Vpeak is Vpeak (V) = Ii (A) / Cx (F). This is because the input signal integration time is constant. After 1000 counts of the input signal integration, the A / D converter 75 is switched to inverse integration. The reverse integration is performed from Vpeak with a constant negative slope by the currents Iref (A) and Iref (A) = Vref (V) / Rt (Ω) generated by the reference voltage Vref operating as a current source. The counter integration time is counted, and the count value when the output of the integration circuit becomes zero is displayed as a 4-digit digital value.

図97(A),(B)に示すキャパシタCxとして理想的なものを使用したものとし、A/D変換器75の測定電圧入力端子IN_NIとIN_LOに入力される電圧をVinとすると、A/D変換器75出力の表示器76に表示される表示Dは、D=1000×(Vin/Vref)となる。この場合において、Vin=Vref、であるので、表示Dは常に1000となる。すなわち、理想的なキャパシタでは、図98に示す入力電圧積分波形と、基準電圧逆積分波形とはピーク電圧Vpeakを境にして対称になるはずである。しかし、電力伝送性能の悪いキャパシタでは、入力電圧積分波形と、基準電圧逆積分波形とはピーク電圧Vpeakを境にして対称にならず、積分時間のカウント数に偏差を生じる。この偏差が所定値以内であるか否かを判別すれば、キャパシタの電力伝送性能の良し悪しを区別できる。以下、具体的に説明する。   Assuming that an ideal capacitor Cx shown in FIGS. 97A and 97B is used, and assuming that the voltage input to the measurement voltage input terminals IN_NI and IN_LO of the A / D converter 75 is Vin, A / The display D displayed on the display 76 of the D converter 75 output is D = 1000 × (Vin / Vref). In this case, since Vin = Vref, the display D is always 1000. That is, in an ideal capacitor, the input voltage integrated waveform shown in FIG. 98 and the reference voltage inverse integrated waveform should be symmetric with respect to the peak voltage Vpeak. However, in a capacitor with poor power transmission performance, the input voltage integration waveform and the reference voltage inverse integration waveform are not symmetrical with respect to the peak voltage Vpeak, and a deviation occurs in the count number of integration time. If it is determined whether or not the deviation is within a predetermined value, it is possible to distinguish whether the power transmission performance of the capacitor is good or bad. This will be specifically described below.

図97(A)に示すように、スイッチ77がA側に切替えられているときには、入力Vinには基準電圧Vrefが入力される。このとき、表示器77の表示Dpは、1000となる。スイッチ77がB側に切替えられているときには、A/D変換器75の入力は短絡される。このとき、表示器76の表示Dzは、±0となる。スイッチ77がC側に切替えられているときには、入力Vinには基準電圧−Vrefが入力される。このとき、表示器76の表示Dnは、−1000となる。このような機能を持つ二重積分式A/D変換器75の一例として、インターシル社のICL7106などがある。本実施形態では、ICL7106の改良版であるICL7136を使用した。さらに精密な計測を行ないたい場合は、±19999の分解能を持つICL7135、表示器ではなく、データをコンピュータに取り込んで計測させるには、±12Bitの分解能を持つ、ICL7109などがある。いずれも二重積分式のA/D変換器であり、二重積分式以外のA/D変換器は本発明には使用できない。なお、上述した二重積分式のA/D変換器以外であっても、動作原理が同等のものは、本発明に使用可能である。   As shown in FIG. 97A, when the switch 77 is switched to the A side, the reference voltage Vref is input to the input Vin. At this time, the display Dp of the display 77 is 1000. When the switch 77 is switched to the B side, the input of the A / D converter 75 is short-circuited. At this time, the display Dz of the display 76 becomes ± 0. When the switch 77 is switched to the C side, the reference voltage −Vref is input to the input Vin. At this time, the display Dn of the display 76 is −1000. An example of the double integral A / D converter 75 having such a function is ICL7106 manufactured by Intersil Corporation. In this embodiment, ICL7136, which is an improved version of ICL7106, is used. In order to perform more precise measurement, there are ICL7135 having a resolution of ± 19999, ICL7109 having a resolution of ± 12 bits in order to take data into a computer instead of a display and measure it. Both are double integration type A / D converters, and A / D converters other than the double integration type cannot be used in the present invention. It should be noted that, other than the double integration type A / D converter described above, those having the same operation principle can be used in the present invention.

図97(A)のように回路を構成することにより、基準電源Vrefが変動しても、上述した理論値が常に表示される。したがって、この理論値からの乖離を見ることにより、キャパシタの性能を判断できる。図97(A),(B)には図示していないが、二重積分型A/D変換器75は、積分回路を構成するオペアンプ78のオフセット電圧をキャンセルする回路(オートゼロ回路)が付加されている。このオートゼロ回路は、通常、積分回路のオフセット電圧を50μV以下に自動調整する。したがって、Vrefが100mV以上なら、スイッチ77がBの点にあるときは、表示は必ずゼロとなる。なお、Vrefは200mVに設定して計測した。ただし、二重積分式のA/D変換器は、ノイズの影響を受けやすいため、配線や金属ケースによるシールド等、実装に十分気をつけないと、表示が安定せず、正確な計測が難しくなるので注意を要する。   By configuring the circuit as shown in FIG. 97A, the above-described theoretical value is always displayed even if the reference power supply Vref varies. Therefore, the performance of the capacitor can be determined by seeing the deviation from this theoretical value. Although not shown in FIGS. 97A and 97B, the double integration type A / D converter 75 is provided with a circuit (auto zero circuit) for canceling the offset voltage of the operational amplifier 78 constituting the integration circuit. ing. This auto-zero circuit usually automatically adjusts the offset voltage of the integrating circuit to 50 μV or less. Therefore, if Vref is 100 mV or more, the display is always zero when the switch 77 is at the point B. In addition, Vref was set to 200 mV and measured. However, double-integration A / D converters are easily affected by noise, so the display will not be stable and accurate measurement will be difficult unless you pay sufficient attention to mounting, such as shielding by wiring and metal cases. So be careful.

図99は、表2に示す各キャパシタをA/D変換器75に接続し、スイッチ77をB点としたときの、各キャパシタのゼロ点からのずれの絶対値(単位デジット)をX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。図99では、0デジットと1デジット表示を繰り返しているときは、0デジットとし、1デジットの表示のときを1デジットとしてある。後述するDp、Dnを計測する際には、ゼロ点からのずれを補正してある。図99にプロットされている表2に示す各キャパシタの電力伝送性能と、デジット値を比較すると、キャパシタの違いによる入力短絡時の表示値と電力伝送性能の間に、特に関係は無いものと思われる。   In FIG. 99, each capacitor shown in Table 2 is connected to the A / D converter 75, and when the switch 77 is point B, the absolute value (unit digit) of deviation from the zero point of each capacitor is taken as the X axis. It is the graph which made electric power transmission performance Y-axis. In FIG. 99, when 0 digit and 1 digit display are repeated, 0 digit is set, and when 1 digit is displayed, 1 digit is set. When measuring Dp and Dn, which will be described later, the deviation from the zero point is corrected. When comparing the power transmission performance of each capacitor shown in Table 2 plotted in FIG. 99 and the digit value, there is no particular relationship between the displayed value and the power transmission performance when the input is shorted due to the difference in the capacitor. It is.

まず、図97(A)に示すスイッチ77をB側に切替えられているものとし、A/D変換器75の入力電圧をゼロとする。このときの表示を補正値としてDzとする。0表示と1表示を均等に繰り返しているときは、Dz=+0.5とする。−0表示と−1表示を均等に繰り返しているときは、Dz=−0.5とする。このDzを、Dp、Dnを計測するときに差引いて補正する。なお、Dp、Dnの計測においても、0999表示と1000表示を均等に繰り返しているときは、999.5を計測値としている。   First, it is assumed that the switch 77 shown in FIG. 97A is switched to the B side, and the input voltage of the A / D converter 75 is set to zero. The display at this time is Dz as a correction value. When 0 display and 1 display are repeated equally, Dz = + 0.5. When −0 display and −1 display are repeated equally, Dz = −0.5. This Dz is corrected by subtracting when measuring Dp and Dn. In the measurement of Dp and Dn, 999.5 is used as the measurement value when 0999 display and 1000 display are repeated equally.

図100は、図97に示すスイッチ77がA側に切替えられているものとし、入力電圧=基準電圧Vrefとしたときの、理論上の表示1000と、実際の表示Dpの第1の偏差(デジット)の絶対値をX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。図101は、図97において、スイッチ77をCの位置にし、入力電圧=−基準電圧としたときの、理論上の表示−1000と、実際の表示Dnの第2の偏差(デジット)の絶対値をX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。図102は、実際の表示DpとDnの表示の絶対値の差(デジット)の絶対値をX軸とし、電力伝送性能をY軸としたグラフである。   In FIG. 100, it is assumed that the switch 77 shown in FIG. 97 has been switched to the A side, and the first deviation (digit) of the theoretical display 1000 and the actual display Dp when the input voltage = the reference voltage Vref is set. ) On the X axis, and the power transmission performance on the Y axis. FIG. 101 shows the absolute value of the second deviation (digit) of the theoretical display −1000 and the actual display Dn when the switch 77 is set to the position C in FIG. 97 and the input voltage = −reference voltage. Is a graph with X-axis and power transmission performance as Y-axis. FIG. 102 is a graph in which the absolute value of the difference (digit) between the absolute values of the actual display Dp and Dn is the X axis, and the power transmission performance is the Y axis.

表2に示すキャパシタをA/D変換器75に接続する。A/D変換器75の表示の絶対値が、正、負共に、0996から1002の間であれば、該キャパシタは性能がよいと判断できる。図99、図100において、最大4デジットの幅を設けたのは、通常、A/D変換器75は、±1デジットの基本誤差を持つからである。また、2次側電力3.25W、伝送効率η80%以上の規定を満足する値(デジット)でもある。   The capacitors shown in Table 2 are connected to the A / D converter 75. If the absolute value of the display of the A / D converter 75 is between 0996 and 1002, both positive and negative, it can be determined that the capacitor has good performance. In FIGS. 99 and 100, the reason why the maximum width of 4 digits is provided is that the A / D converter 75 normally has a basic error of ± 1 digit. It is also a value (digit) that satisfies the requirements of secondary power 3.25 W and transmission efficiency η 80% or more.

実際の表示Dp、Dnの双方が計測できれば、図100より、A/D変換器75の表示において、実際の表示DpとDnの差の絶対値が、3デジット以内であれば、所定の電力伝送性能が得られるのが分かる。例えば、実際Dpの表示が1001であったならば、Dnの表示値は、0998<Dn<1004、を満足していればよい。あるいは、基準電源Vrefとは別の精密電源を使い、A/D変換器75の表示が、1990になるように、入力電圧を設定してもよい。この場合、実際の表示DpとDnの差が、6デジット以内であれば、所定の電力伝送性能が得られる。この6デジットは、
3×(1990/1000)≒6デジットとして規定されているものである。
If both the actual displays Dp and Dn can be measured, as shown in FIG. 100, if the absolute value of the difference between the actual displays Dp and Dn is within 3 digits in the display of the A / D converter 75, the predetermined power transmission You can see the performance. For example, if the display of Dp is actually 1001, the display value of Dn only needs to satisfy 0998 <Dn <1004. Alternatively, a precision power supply different from the reference power supply Vref may be used, and the input voltage may be set so that the display of the A / D converter 75 becomes 1990. In this case, if the difference between the actual displays Dp and Dn is within 6 digits, a predetermined power transmission performance can be obtained. These 6 digits are
It is specified as 3 × (1990/1000) ≈6 digits.

前述の式は、最大カウント値、19999カウントのA/D変換器を使用した場合について説明しているが、例えば、最大カウント値、19999カウントのA/D変換器を使用した場合で、図90の回路構成の場合、3×(10000/1000)≒30デジットが規定値となる。これは、前述したDp、Dnの場合も同様であり、19999カウントのA/D変換器を使用した場合、規定値は40デジット以下になる。   The above formula describes the case where an A / D converter having a maximum count value and 19999 counts is used. For example, in the case where an A / D converter having a maximum count value and 19999 counts is used, FIG. In the case of this circuit configuration, 3 × (10000/1000) ≈30 digits is the specified value. This is the same for Dp and Dn described above. When an A / D converter with 19999 counts is used, the specified value is 40 digits or less.

誘電吸収を計測する場合に比べ、2重積分式のA/D変換器を用いることにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断が、短時間で行なえる。上記に説明してきたように、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能は、キャパシタの直流特性でも判断できる。2重積分式のA/D変換器以外にも、V/Fコンバータ(電圧周波数変換器)、F/Vコンバータ(周波数電圧変換器)、VCO(電圧制御発振器)、サンプル・ホールドアンプ(瞬間電圧値保持回路)、RMS/DC変換器(交流実効値‐直流変換器)、タイマーなどのアナログ回路、アナログIC等、キャパシタを使用する回路を使い、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断が可能である。   Compared with the case where dielectric absorption is measured, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged in a short time by using a double integration type A / D converter. As described above, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can also be determined from the DC characteristics of the capacitor. In addition to the double integration type A / D converter, V / F converter (voltage frequency converter), F / V converter (frequency voltage converter), VCO (voltage controlled oscillator), sample hold amplifier (instantaneous voltage) Value holding circuit), RMS / DC converter (AC RMS-DC converter), analog circuits such as timers, analog ICs, etc., and circuits that use capacitors, judge the performance of power factor improvement capacitors for power transmission devices Is possible.

V/Fコンバータでは、例えば、入力電圧と出力周波数の直線性を見ることにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、アナログデバイセズ(Analog Devices)社のAD654などがある。   In the V / F converter, for example, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged by looking at the linearity of the input voltage and the output frequency. An example of such an IC is AD654 from Analog Devices.

F/Vコンバータでは、例えば、入力周波数と出力電圧の直線性を見ることにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、ナショナルセミコンダクター(National Semiconductor)社のLM2907などがある。   In the F / V converter, for example, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged by looking at the linearity of the input frequency and the output voltage. An example of such an IC is LM2907 from National Semiconductor.

VCOでも、例えば、入力電圧と出力周波数の直線性を見ることにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、C−MOS4046(各社製)などがある。   Even in a VCO, for example, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged by looking at the linearity of the input voltage and the output frequency. An example of such an IC is C-MOS 4046 (manufactured by each company).

サンプル・ホールドアンプでは、例えば、一定の直流電圧を入力し、出力電圧と入力電圧の差を見ることにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、アナログデバイセズ社のAD585などがある。   In the sample and hold amplifier, for example, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged by inputting a constant DC voltage and looking at the difference between the output voltage and the input voltage. An example of such an IC is Analog Devices' AD585.

RMS/DC変換器では、例えば、交流電力を熱変換して、正確な交流電力を計測し、RMS/DC変換器の出力と比較することにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、アナログデバイセズ社のAD637などがある。   In the RMS / DC converter, for example, the AC power is thermally converted, the accurate AC power is measured, and compared with the output of the RMS / DC converter, thereby determining the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device. Can do. An example of such an IC is AD637 from Analog Devices.

タイマーでは、例えば、各種のキャパシタを装備させ、出力を周波数カウンタで計測して比較することにより、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。このようなICの一例として、タイマーIC555(各社製)などがある。   In the timer, for example, it is possible to judge the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device by installing various capacitors and measuring and comparing the output with a frequency counter. An example of such an IC is a timer IC 555 (manufactured by each company).

上記に述べたようなアナログICにおいて、キャパシタはいずれも各ICの精度や機能に影響するものである。したがって、上記のようなICにて複数のキャパシタで精度や機能を比較すれば、二重積分式A/D変換器と同様にして、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断ができる。なお、上記に述べたアナログICは一例であり、その他にも、キャパシタの性能を判断できるアナログICは多種存在する。   In the analog IC as described above, any capacitor affects the accuracy and function of each IC. Therefore, if the accuracy and function of a plurality of capacitors are compared in the IC as described above, the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device can be judged in the same manner as the double integration type A / D converter. The analog IC described above is an example, and there are many other analog ICs that can determine the performance of the capacitor.

このように、所定周波数における誘電正接、ゼロ電位に対する対称性、昇圧比H、キャパシタに交流電流が流れたときの静電容量の安定性、誘電吸収、誘電吸収の対称性、二重積分式A/D変換器75の実際の表示Dp、Dnの理論値からのずれ、DpとDnの表示差を規定することにより、電力伝送装置の力率改善用に最適なキャパシタを選ぶことができるようになる。このようなキャパシタを電力伝送装置の力率改善に用いることにより、従来の技術では実現が困難であった電力伝送性能がよい電力伝送装置が実現可能となる。   Thus, dielectric loss tangent at a predetermined frequency, symmetry with respect to zero potential, step-up ratio H, stability of capacitance when an alternating current flows through the capacitor, dielectric absorption, symmetry of dielectric absorption, double integral formula A By defining the actual display Dp of D / D converter 75, the deviation from the theoretical value of Dn, and the display difference between Dp and Dn, an optimum capacitor can be selected for improving the power factor of the power transmission device. Become. By using such a capacitor to improve the power factor of the power transmission device, it is possible to realize a power transmission device with good power transmission performance that was difficult to realize with the conventional technology.

次に、全く同一の誘電体を使用し、全く同一の構成のキャパシタについて、静電容量の違いによる電力伝送性能の違いについて検討してみる。   Next, the difference in power transmission performance due to the difference in capacitance will be examined for capacitors having exactly the same configuration using the same dielectric.

図103は、電力伝送特性の最も良いポリプロピレンキャパシタC1cと誘電体と構成が同一で静電容量が異なるキャパシタにおける、各キャパシタの複素インピーダンスの絶対値|Z|の周波数特性を示す図である。図104は、電力伝送特性の最も悪いセラミックキャパシタC1rと誘電体と構成が同一で静電容量が異なるキャパシタにおける、各キャパシタの複素インピーダンスの絶対値|Z|の周波数特性を示す図である。   FIG. 103 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the absolute value | Z | of the complex impedance of each capacitor in a capacitor having the same configuration and different capacitance from the polypropylene capacitor C1c having the best power transmission characteristics. FIG. 104 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the absolute value | Z | of the complex impedance of each capacitor in a capacitor having the same configuration and different capacitance from the ceramic capacitor C1r having the worst power transmission characteristics.

キャパシタの複素インピーダンスZを、Z=Rc+jωC=Rc+Xc、とすると、
|Z|は、|Z|=√(Rc2+Xc2)(Ω)、で表される。
If the complex impedance Z of the capacitor is Z = Rc + jωC = Rc + Xc,
| Z | is represented by | Z | = √ (Rc2 + Xc2) (Ω).

図103、図104を参照すると、周波数が上昇するにつれ、|Z|が減少してゆくのが分かる。静電容量の大きいキャパシタでは、1MHz〜2MHz近辺で|Z|が極小値Zb(Ω)となっている。それ以上の周波数では|Z|が増加しているのが分かる。図103、図104には、0.47μFのキャパシタの位相角θがプロットされている。|Z|が極小値Zb(Ω)となる周波数fb(Hz)以上では、位相角θが180度移動しており、キャパシタはインダクタとして動作するのが分かる。したがって、|Z|が極小値となる周波数fb(Hz)が、該キャパシタを使用可能な最高周波数となる。周波数fbは、図116の等価回路において、キャパシタの静電容量Cと等価直列インダクタンスLeとで決まる直列共振点になる。後述するが、キャパシタを並列接続すると、実効直列抵抗Rc、等価直列インダクタンスLeの双方が低下する。そのため、キャパシタに大電流を流すことができ、発熱も抑えられる。   Referring to FIGS. 103 and 104, it can be seen that | Z | decreases as the frequency increases. In a capacitor having a large capacitance, | Z | is a minimum value Zb (Ω) in the vicinity of 1 MHz to 2 MHz. It can be seen that | Z | increases at higher frequencies. 103 and 104, the phase angle θ of the 0.47 μF capacitor is plotted. At a frequency fb (Hz) or more at which | Z | is the minimum value Zb (Ω), the phase angle θ is shifted by 180 degrees, and it can be seen that the capacitor operates as an inductor. Therefore, the frequency fb (Hz) at which | Z | becomes the minimum value is the highest frequency at which the capacitor can be used. The frequency fb is a series resonance point determined by the capacitance C of the capacitor and the equivalent series inductance Le in the equivalent circuit of FIG. As will be described later, when the capacitors are connected in parallel, both the effective series resistance Rc and the equivalent series inductance Le decrease. Therefore, a large current can flow through the capacitor and heat generation can be suppressed.

図103、図104を参照すると、誘電体、構造、特性が異なるポリプロピレンキャパシタC1cとセラミックキャパシタC1rは、同一の静電容量であれば、|Z|(Ω)が極小値となる周波数がほぼ等しくなっているのが分かる。このように、キャパシタのインピーダンス|Z|(Ω)の周波数特性を見ることにより、該キャパシタを使用可能な最高周波数が分かる。またはキャパシタに流れる電流とキャパシタの両端電圧の位相差θの周波数特性を見ることにより、該キャパシタを使用可能な最高周波数fb(Hz)が分かる。   103 and 104, the polypropylene capacitor C1c and the ceramic capacitor C1r having different dielectrics, structures, and characteristics have substantially the same frequency at which | Z | (Ω) becomes the minimum value if they have the same capacitance. You can see that Thus, by looking at the frequency characteristic of the impedance | Z | (Ω) of the capacitor, the maximum frequency at which the capacitor can be used is known. Alternatively, by looking at the frequency characteristic of the phase difference θ between the current flowing through the capacitor and the voltage across the capacitor, the maximum frequency fb (Hz) at which the capacitor can be used can be found.

なお、電力伝送に使用される周波数は、最高周波数fb(Hz)以下であるなら、任意の周波数でよい。しかし、任意の周波数でキャパシタの特性規定はできない。よって、静電容量Ca(F)が決まったキャパシタにて、最高周波数fb(Hz)を求める。最高周波数fb(Hz)の最も低い値を基準とし、fb/2(Hz)以下の周波数において、上述したキャパシタの特性を計測し、前述した規定を満足しているかを確認すればよい。あるいは、200kHz、500kHzなどの、最高周波数fb以下の同一周波数を計測用周波数とし、異なるキャパシタの性能比較をしてもよい。このようにして、キャパシタ以外の構成要素、電力伝送周波数が変わったときでも、電力伝送性能を確保できる。上記の実測結果より、単体キャパシタとして使用可能なのは、0.47μF程度が上限と考えられる。後述するが、0.47μF以上の静電容量が必用な場合は、0.47μF以下の静電容量を持つキャパシタを並列接続するのが好ましい。   The frequency used for power transmission may be any frequency as long as it is equal to or lower than the maximum frequency fb (Hz). However, capacitor characteristics cannot be defined at any frequency. Therefore, the maximum frequency fb (Hz) is obtained with a capacitor having a predetermined capacitance Ca (F). The characteristic of the capacitor described above may be measured at a frequency equal to or lower than fb / 2 (Hz) with the lowest value of the highest frequency fb (Hz) as a reference, and it may be confirmed whether or not the above-mentioned regulation is satisfied. Alternatively, the same frequency, such as 200 kHz or 500 kHz, that is equal to or lower than the maximum frequency fb may be used as a measurement frequency, and performance comparison of different capacitors may be performed. In this way, even when the components other than the capacitor and the power transmission frequency are changed, the power transmission performance can be ensured. From the above measurement results, the upper limit is about 0.47 μF that can be used as a single capacitor. As will be described later, when a capacitance of 0.47 μF or more is necessary, it is preferable to connect capacitors having a capacitance of 0.47 μF or less in parallel.

一般に実効直列抵抗Rcの最小値は、図103、図104における、インピーダンスの極小値と捉えられている。しかし、図84、図86と比較する限りにおいて、図103、図104との一致は見られない。しかし、これらは、定義と計測法の差異だけである。本発明は、キャパシタの実効直列抵抗や誘電正接tanδだけでは規定できない電力伝送装置の力率改善用に適したキャパシタを選び、電力伝送性能の良い電力伝送装置を実現するものである。前述したように、キャパシタ両端の正弦波電圧のゼロ点からのシフト比S、誘電正接の具体的数値、誘電吸収、二重積分型A/D変換器などによるキャパシタ特性の計測は、電力伝送周波数に関係なく、性能のよいキャパシタを選べる。その後に、図84、図85、図86、図87、図103、図104の周波数特性を計測し、キャパシタを使用可能な周波数の目安とするのが好ましい。   In general, the minimum value of the effective series resistance Rc is regarded as the minimum value of impedance in FIGS. 103 and 104. However, as long as it is compared with FIGS. 84 and 86, the coincidence with FIGS. 103 and 104 is not seen. However, these are only differences between the definition and the measurement method. The present invention realizes a power transmission device with good power transmission performance by selecting a capacitor suitable for power factor improvement of a power transmission device that cannot be defined only by the effective series resistance of the capacitor or the dielectric loss tangent tan δ. As described above, the measurement of the capacitor characteristics using the shift ratio S from the zero point of the sine wave voltage across the capacitor, the specific value of the dielectric tangent, the dielectric absorption, the double integral type A / D converter, etc. Capacitors with good performance can be selected regardless of After that, it is preferable to measure the frequency characteristics of FIGS. 84, 85, 86, 87, 103, and 104 and use the capacitor as a guideline of the usable frequency.

(キャパシタの構成の説明)
図105、図106は本発明の実施形態である具体的なキャパシタの構成を示す図である。電力伝送装置の回路構成図である、図1の、キャパシタC1は、図105(A),(B)、図106(A),(B)に示すように、誘電材料86と金属箔85を巻回されて構成されるか、あるいは誘電材料86と金属箔85とを交互に積層して構成されており、誘電材料と金属箔からなる単層1cm当りの静電容量が1000pF以下のものを使用するのが好ましい。なお、図105において、金属箔の代わりに、誘電体フィルムに金属を蒸着させて電極を形成した構成のものであってもよい。このような構成のキャパシタは、メタライズドキャパシタと呼ばれ、誘電体フィルムにピンホールが生じても、ピンホールの周囲にある金属蒸着層が蒸発して正規の特性に戻る。この機能は、自己回復作用、または自己回復機能と呼ばれている。
(Description of capacitor configuration)
105 and 106 are diagrams showing specific capacitor configurations according to embodiments of the present invention. As shown in FIGS. 105A, 105B, 106A, and 106B, the capacitor C1 in FIG. 1, which is a circuit configuration diagram of the power transmission device, includes a dielectric material 86 and a metal foil 85. Constructed by being wound, or by alternately laminating dielectric material 86 and metal foil 85, and having a capacitance of 1000 pF or less per 1 cm 2 of single layer made of dielectric material and metal foil Is preferably used. In FIG. 105, instead of the metal foil, the electrode may be formed by depositing metal on a dielectric film. A capacitor having such a configuration is called a metallized capacitor, and even if a pinhole is generated in the dielectric film, the metal vapor deposition layer around the pinhole is evaporated to return to a normal characteristic. This function is called self-healing action or self-healing function.

本発明の実施形態においては、絶縁抵抗が高く、耐電圧の高い誘電体を導箔間に設置したキャパシタが使用され、導箔2枚と誘電材料で構成される1cm当りの静電容量が、1000pF以下に選ばれている。誘電体を用いたキャパシタでは、静電容量値によりキャパシタの構造により特性が異なってくる。空気は、絶縁破壊が起こる電圧が、1000V/mm程度と低い。そのため、絶縁破壊が起こる電圧が高い誘電体を用いたキャパシタを使用せざるを得ない。例えば、フィルムキャパシタに用いるプラスチックフィルムの絶縁破壊電圧は、1000V/μm程度と、空気の約1000倍になっている。 In the embodiment of the present invention, a capacitor in which a dielectric having a high insulation resistance and a high withstand voltage is installed between conductive foils is used, and a capacitance per 1 cm 2 constituted by two conductive foils and a dielectric material is used. , 1000 pF or less. A capacitor using a dielectric has different characteristics depending on the structure of the capacitor depending on the capacitance value. The voltage at which dielectric breakdown occurs is as low as about 1000 V / mm. Therefore, a capacitor using a dielectric having a high voltage that causes dielectric breakdown must be used. For example, the dielectric breakdown voltage of a plastic film used for a film capacitor is about 1000 V / μm, which is about 1000 times that of air.

また、本願発明者が、本発明の実施形態の交流電源とコイルを使い、種々のキャパシタを使って実験を行ったところ、誘電体がプラスチックフィルムであって、かつ図105や図106の構成のキャパシタは、電力伝送性能がよかった。しかし、数百〜千V以上の動作可能電圧を持つ、例えばチタン酸バリウムを誘電体とするキャパシタC1zなどは、プラスチックフィルムを誘電体とするキャパシタよりも電力伝送性能がよい場合もあった。前記C1zは直径数cm以上の円板状で、誘電材料が厚く、形状が大きくはなるが、静電容量値と円板面積から逆算すると、単層1cm当りの静電容量は200pF程度以下となっており、前記の規定、単層1cm当りの静電容量1000pF以下という条件を満足していた。したがって、電力伝送装置に使用するキャパシタとしては、単位面積当りの静電容量を規定することが重要となる。後述するが、単位面積あたりの静電容量を規定するのは、極板間隔、誘電体の比誘電率の一方が決まれば、他方を決定する条件になる。 In addition, when the inventors of the present invention conducted experiments using the AC power supply and coil of the embodiment of the present invention and various capacitors, the dielectric was a plastic film, and the structure shown in FIGS. 105 and 106 was used. The capacitor had good power transmission performance. However, a capacitor C1z having an operable voltage of several hundred to 1,000 V or more, for example, using barium titanate as a dielectric, may have better power transmission performance than a capacitor using a plastic film as a dielectric. The C1z is a disk having a diameter of several centimeters or more, and the dielectric material is thick and the shape is large. However, when calculated backward from the capacitance value and the disk area, the capacitance per 1 cm 2 of the single layer is about 200 pF or less. Thus, the above-mentioned condition of the electrostatic capacity of 1000 pF or less per 1 cm 2 of the single layer was satisfied. Therefore, it is important to define the capacitance per unit area as a capacitor used in the power transmission device. As will be described later, the electrostatic capacity per unit area is defined as a condition for determining the other when one of the electrode plate interval and the relative dielectric constant of the dielectric is determined.

本願発明者が、実際に図105(B)の箔状導体とフィルムを巻回した構成で、表1の中で最も電力伝送性能がよいポリプロピレンキャパシタC1cと誘電体が同一の、静電容量が0.47μFのキャパシタを分解し、表面積と公称容量から逆算したところ、単層面積1cm当りの静電容量が、約1000pF以下であった。以下に実測結果を示す。 The inventor of the present application actually wound the foil-like conductor and film of FIG. 105 (B), and has the same dielectric capacity as that of the polypropylene capacitor C1c having the best power transmission performance in Table 1. When a 0.47 μF capacitor was disassembled and back-calculated from the surface area and nominal capacity, the capacitance per 1 cm 2 of single layer area was about 1000 pF or less. The actual measurement results are shown below.

0.47μFの、キャパシタC1cと同じ構成のポリプロピレンキャパシタを分解し、極板寸法を測ったら、約2cm×250cm、であった。   When a polypropylene capacitor having the same configuration as the capacitor C1c of 0.47 μF was disassembled and the electrode plate dimensions were measured, it was about 2 cm × 250 cm.

極板面積Scは、Sc=2cm×250cm=500cm、になる。 The electrode plate area Sc is Sc = 2 cm × 250 cm = 500 cm 2 .

静電容量は、0.47μF=470000pFなので、1cm当りの静電容量は、
470000pF/500cm=940pF/cm2になる。
Since the capacitance is 0.47 μF = 470000 pF, the capacitance per 1 cm 2 is
470000 pF / 500 cm 2 = 940 pF / cm 2 .

静電容量Cは、C=εo・εs・S/d、表される。ここで、εoは真空中の誘電率で、εo=8.85×10−12(F/m)の物理定数である。εsは比誘電率(無単位)、Sは極板の面積(m2)、dは極板間の距離(m)を表す。上式を変形し、
d=εo・εs・S/C、として、上記の定数、実測値を代入すると、
d=8.85×10−12(F/m)・εs・10−4/(940×10−12F)
d=(8.85/940)・εs・10−4m=εs・9.41×10−7m、
寸法測定誤差等を勘案し、9.41×10−7mを、1×10−6mとすると、
d=εs・1×10−6m=εs・μm、となる、資料によると、キャパシタC1cと同じ誘電体フィルムの比誘電率εsは、1.5〜4となっており、極板間の距離dは、最低でも1.5μmは必要となる。本願発明者が実験した限りにおいて、最も電力伝送性能のよいポリプロピレンキャパシタC1cは、同一の静電容量においては、体積が大きい部類に入る。すなわち、キャパシタの電力伝送性能は、体積に比例してよくなる傾向を持つ。よって、極板面積Sを小さくできる比誘電率は、上限を4とするのが好ましい。
The capacitance C is expressed as C = εo · εs · S / d. Here, εo is a dielectric constant in vacuum, and is a physical constant of εo = 8.85 × 10 −12 (F / m). εs is a relative dielectric constant (no unit), S is an area (m2) of the electrode plates, and d is a distance (m) between the electrode plates. Transform the above formula,
Substituting the above constants and measured values as d = εo · εs · S / C,
d = 8.85 × 10 −12 (F / m) · εs · 10 −4 m 2 / (940 × 10 −12 F)
d = (8.85 / 940) · εs · 10 −4 m = εs · 9.41 × 10 −7 m
Considering dimensional measurement error etc., if 9.41 × 10 −7 m is 1 × 10 −6 m,
According to the data, d = εs · 1 × 10 −6 m = εs · μm, the relative dielectric constant εs of the same dielectric film as that of the capacitor C1c is 1.5 to 4, and between the electrode plates The distance d is required to be at least 1.5 μm. As far as the inventors of the present application have experimented, the polypropylene capacitor C1c having the best power transmission performance falls into a category with a large volume for the same capacitance. That is, the power transmission performance of the capacitor tends to improve in proportion to the volume. Therefore, it is preferable that the upper limit of the relative dielectric constant capable of reducing the electrode plate area S is 4.

なお、マイクロメーターで実測した前記誘電体フィルムの厚さは、約3μmであった。したがって、前記の誘導式、d=εs・μm、より、前記誘電体フィルムの比誘電率εsは約3と推定され、資料の数値と一致している。   The thickness of the dielectric film measured with a micrometer was about 3 μm. Therefore, the dielectric constant εs of the dielectric film is estimated to be about 3 from the above-described induction formula, d = εs · μm, which is consistent with the numerical value of the material.

(キャパシタの誘電体の説明)
キャパシタの誘電体は、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレートの各ポリマー、一般式が、CRCQ、で表されるオレフィン系のモノマーであって、CRCQ、中のR、Qは、Hを含む官能基からなるモノマーの付加重合体であるポリマー、あるいは上記に記載の各ポリマーのうち、少なくとも2つの混合物から構成されている。
(Description of capacitor dielectric)
The capacitor dielectric is a polymer of polyimide, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polysulfone, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalate, an olefin monomer represented by a general formula CR 2 CQ 2 , and CR 2 CQ 2 , R and Q are composed of a polymer which is an addition polymer of a monomer having a functional group containing H, or a mixture of at least two of the above-described polymers.

ここで、R、Qは、H(水素)を含む官能基、例えば、Cl(塩素)、のような単原子、CH3(メチル基)、のような官能基、C(フェニル基)、のような官能基などを指す。例えば、CRCQ、中のR、Q全てがHの場合、モノマーはエチレン、ポリマーはポリエチレンとなる。CRCQ、中のR、Q全てがFの場合、モノマーはテトラフルオロエチレン、ポリマーはポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標))となる。CRCQ、中のRの1つがフェニル基、他のRとQ全てがHの場合、モノマーはスチレン、ポリマーはポリスチレンとなる。CRCQ、中のR全てがH、Q全てがFの場合、モノマーはフッ化ビニリデン、ポリマーはポリフッ化ビニリデンとなる。CRCQ、中のR、Qの内1つがCH、残りのQとRが全てHの場合、モノマーはプロピレン、ポリマーはポリプロピレンとなる。このような誘電材料を選び、キャパシタを適切に構成することにより、前述した電力伝送装置の力率改善に適切な特性を持つキャパシタが得られる。例えば、誘電吸収特性および誘電吸収特性の対称性がよいキャパシタが得られる。 Here, R and Q are functional groups containing H (hydrogen), for example, a single atom such as Cl (chlorine), a functional group such as CH3 (methyl group), or C 6 H 5 (phenyl group). , And the like. For example, when all of R 2 and Q in CR 2 CQ 2 are H, the monomer is ethylene and the polymer is polyethylene. When all of R and Q in CR 2 CQ 2 are F, the monomer is tetrafluoroethylene, and the polymer is polytetrafluoroethylene (Teflon (registered trademark)). When one of R in CR 2 CQ 2 is a phenyl group and the other R and Q are all H, the monomer is styrene and the polymer is polystyrene. When all of R in CR 2 CQ 2 are H and all of Q are F, the monomer is vinylidene fluoride and the polymer is polyvinylidene fluoride. In CR 2 CQ 2 , when one of R and Q in CH 2 is CH 3 and the remaining Q and R are all H, the monomer is propylene and the polymer is polypropylene. By selecting such a dielectric material and appropriately configuring the capacitor, a capacitor having characteristics suitable for improving the power factor of the power transmission device described above can be obtained. For example, a capacitor having good dielectric absorption characteristics and good symmetry of dielectric absorption characteristics can be obtained.

なお、上記の表記は、IUPAC(国際純正・応用化学連合)により定められている正式な化合物命名法ではない。上記の表記は、一般に使用されている化合物名である。   The above notation is not an official compound nomenclature established by IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). The above notation is a commonly used compound name.

本願発明者が実験した限りにおいて、静電容量が0.01μF、上述した電力伝送回路条件で、伝送電力が4W程度では、ポリプロピレン(PP)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリスチレン(PS)、ポリカーボネート(PC)のフィルムを誘電体とするキャパシタの順に、電力伝送性能がよかった。ただし、ポリプロピレン(PP)を誘電体とする構成が異なるキャパシタは、ポリエチレンナフタレート(PEN)のフィルムを誘電体とするキャパシタよりも、電力伝送性能が劣るものもある。次に、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレン(PE)を誘電体とするキャパシタが、電力伝送性能がよかった。ポリエチレンテレフタレート(PET)を誘電体とするキャパシタは、前述したポリエチレン(PE)を誘電体とするキャパシタよりは性能が劣る。   As far as the inventors of the present application have experimented, if the capacitance is 0.01 μF and the transmission power is about 4 W under the above-mentioned power transmission circuit conditions, polypropylene (PP), polyphenylene sulfide (PPS), polystyrene (PS), polycarbonate ( The power transmission performance was good in the order of the capacitor using the PC) film as a dielectric. However, a capacitor having a different configuration using polypropylene (PP) as a dielectric has a lower power transmission performance than a capacitor using a polyethylene naphthalate (PEN) film as a dielectric. Next, a capacitor using polyethylene naphthalate (PEN) or polyethylene (PE) as a dielectric had good power transmission performance. A capacitor using polyethylene terephthalate (PET) as a dielectric is inferior in performance to a capacitor using polyethylene (PE) as a dielectric.

ただし、前述したように、ポリスチレンキャパシタは、構成によっては、発熱が起こり、本発明に使用できない場合もある。このようなポリスチレンキャパシタは、実効直列抵抗Rc、誘電正接tanδの特性は、最高性能に近かった。しかし、前述した、ゼロ点からのシフト値S、Vp(V)/Vn(V)、の値が、ポリエチレンキャパシタよりも大きかった。したがって、上記のキャパシタの誘電体による電力伝送性能はあくまで実験結果であり、上述した特性規定に従い、キャパシタを選ぶことが重要になる。   However, as described above, the polystyrene capacitor may generate heat depending on the configuration and may not be used in the present invention. In such a polystyrene capacitor, the characteristics of the effective series resistance Rc and the dielectric loss tangent tan δ are close to the maximum performance. However, the shift values S and Vp (V) / Vn (V) from the zero point described above were larger than the polyethylene capacitor. Therefore, the power transmission performance by the dielectric of the capacitor is only an experimental result, and it is important to select the capacitor in accordance with the above-mentioned characteristic definition.

なお、前述したように、強誘電体を誘電体とする、例えばセラミックキャパシタなどは、誘電正接、静電容量の安定性、静電容量の温度特性、誘電吸収など、本発明における電力伝送装置の電力伝送性能を左右するキャパシタとしての性能がいずれも悪く、電力伝送装置の力率改善用キャパシタには適していない。ただし、前述したように、静電容量が増加すると、比誘電率が小さい誘電体を用いたキャパシタと大差ない電力伝送性能が得られる。全く同一の誘電体を使い、全く同一の構造のキャパシタであっても、静電容量によって、電力伝送性能が異なってくる。また、前記キャパシタの静電容量により、使用可能な周波数の上限が存在するのは前述したとおりである。周波数にもよるが、目安としては、0.1μF程度以上の静電容量になると、フィルムキャパシタとセラミックキャパシタとの電力伝送性能に、著しい差異が見られなくなるようである。   Note that, as described above, a ferroelectric capacitor as a dielectric, for example, a ceramic capacitor, has a dielectric loss tangent, capacitance stability, capacitance temperature characteristics, dielectric absorption, etc. The performance as a capacitor that affects the power transmission performance is poor, and it is not suitable for a power factor improving capacitor of a power transmission device. However, as described above, when the capacitance increases, power transmission performance that is not significantly different from a capacitor using a dielectric having a small relative dielectric constant can be obtained. Even if the capacitors have exactly the same structure using the same dielectric, the power transmission performance differs depending on the capacitance. Further, as described above, there is an upper limit of the usable frequency due to the capacitance of the capacitor. Although it depends on the frequency, as a guideline, when the capacitance is about 0.1 μF or more, it seems that no significant difference is seen in the power transmission performance between the film capacitor and the ceramic capacitor.

なお、表2を参照すると、200kHzにおける実効直列抵抗Rcの値は、ポリスチレンキャパシタC1aで0.01Ω、ポリプロピレンキャパシタC1cで0.03Ωとなっている。すなわち、実効直列抵抗Rcの値で比較する限りにおいては、ポリスチレンキャパシタC1aの方が性能がよい。同じく、誘電正接tanδ、Q、の値で比較する限りにおいては、ポリスチレンキャパシタC1aの方が性能がよい。しかし、前述したVp/Vnの値、誘電吸収K、誘電吸収Kp、Kpの対称性Kr、実際の電力伝送性能などは、ポリプロピレンキャパシタC1cの方がよい。したがって、単に誘電正接tanδやQのみでは、電力伝送装置の力率改善用キャパシタの性能判断はできない。前述した、所定周波数において、キャパシタの誘電正接tanδが所定数値以下であるのは、必要条件に過ぎない。図81〜図83、図91〜図93、図100〜図103等のY軸に示すキャパシタ特性の数値が大きい(グラフの上側に位置する)キャパシタを選ぶ必要がある。   Referring to Table 2, the effective series resistance Rc at 200 kHz is 0.01Ω for the polystyrene capacitor C1a and 0.03Ω for the polypropylene capacitor C1c. That is, as long as the comparison is made with the value of the effective series resistance Rc, the performance of the polystyrene capacitor C1a is better. Similarly, as long as the values of the dielectric loss tangent tan δ, Q are compared, the performance of the polystyrene capacitor C1a is better. However, the value of Vp / Vn, the dielectric absorption K, the dielectric absorption Kp, the symmetry Kr of Kp, the actual power transmission performance, etc. are better for the polypropylene capacitor C1c. Therefore, it is not possible to judge the performance of the power factor improving capacitor of the power transmission device only by the dielectric loss tangent tan δ or Q. It is only a necessary condition that the dielectric loss tangent tan δ of the capacitor is equal to or less than a predetermined value at the predetermined frequency. 81 to 83, 91 to 93, 100 to 103, etc., it is necessary to select a capacitor with a large numerical value of the capacitor characteristic shown on the Y axis (located on the upper side of the graph).

図1に示す回路構成の電力伝送装置では、ポリプロピレンキャパシタC1cのように電力伝送性能がよいキャパシタを使用しても、送電制御回路11、送電コイル1、受電コイル2、両コイルの相対位置、負荷抵抗値などの構成要素を適切に選ばないと、図81等に示すような、電力伝送性能は得られない。実際に、図81では、キャパシタ以外の構成要素を全く同一にしてあるが、キャパシタにより電力伝送性能は異なっている。したがって、キャパシタ以外の構成要素が変わったときに、電力伝送性能を維持するには、本発明の力率改善用キャパシタを電力伝送装置に装備する必要がある。キャパシタ以外の構成要素、特にコイルと二次側の負荷抵抗値は、電力伝送性能に大きな影響を与える。しかし、本発明の実施形態においては、静電容量が決まれば、電力伝送性能のよいキャパシタを上述の規定に基づき、一義的に選ぶことができる。特に、正弦波のゼロ点からのシフト値S、誘電吸収K、誘電吸収の対称性Krにより選ばれたキャパシタは、キャパシタ以外の構成要素が変化しても、常に他のキャパシタよりも優れた電力伝送性能を維持できる。このようなキャパシタを装備することにより、電力伝送性能がよい電力伝送装置が実現できる。   In the power transmission device having the circuit configuration shown in FIG. 1, even if a capacitor having good power transmission performance such as a polypropylene capacitor C1c is used, the power transmission control circuit 11, the power transmission coil 1, the power reception coil 2, the relative position of both coils, the load Unless components such as a resistance value are appropriately selected, power transmission performance as shown in FIG. 81 or the like cannot be obtained. Actually, in FIG. 81, the components other than the capacitor are exactly the same, but the power transmission performance differs depending on the capacitor. Therefore, in order to maintain the power transmission performance when the components other than the capacitor are changed, it is necessary to equip the power transmission device with the power factor improving capacitor of the present invention. Components other than the capacitor, particularly the coil and the load resistance value on the secondary side, have a great influence on the power transmission performance. However, in the embodiment of the present invention, if the capacitance is determined, a capacitor with good power transmission performance can be uniquely selected based on the above-mentioned rules. In particular, the capacitor selected by the shift value S from the zero point of the sine wave, the dielectric absorption K, and the symmetry Kr of dielectric absorption is always superior to other capacitors even if the components other than the capacitor change. Transmission performance can be maintained. By installing such a capacitor, a power transmission device with good power transmission performance can be realized.

なお、前述した図102、図103に示す計測により、キャパシタを使用可能な上限が規定できる。そして、図81〜図83、図91〜図93、図96、図99〜図102などのY軸に示す特性がよい(グラフの上側に位置する)キャパシタを選ぶ。同一の誘電体を用いたキャパシタであっても、電力伝送性能が異なることは上述した通りである。当然、キャパシタの誘電体、構成により、電力伝送性能は異なる。しかし、実装上、常に最高性能のキャパシタが使えるとは限らない。表面実装構造のキャパシタは、実装時の耐熱性が要求される。誘電体が誘電体の融点(正確にはガラス転移点であり、軟化点と表記される場合もあるが、融点と表記しておく)を越える温度下にさらされると、変形が起こり、静電容量が変動してしまう。   In addition, the upper limit which can use a capacitor can be prescribed | regulated by the measurement shown to FIG. 102, FIG. 103 mentioned above. Then, capacitors having good characteristics shown on the Y axis (located on the upper side of the graph) such as those shown in FIGS. 81 to 83, 91 to 93, 96, and 99 to 102 are selected. As described above, the capacitors using the same dielectric have different power transmission performance. Naturally, the power transmission performance varies depending on the dielectric and configuration of the capacitor. However, it is not always possible to use the highest performance capacitor for mounting. Surface mount capacitors require heat resistance during mounting. When a dielectric is exposed to a temperature that exceeds the melting point of the dielectric (exactly the glass transition point, sometimes expressed as the softening point, it is expressed as the melting point), deformation occurs and electrostatic Capacity will fluctuate.

このような用途には、若干電力伝送性能は劣るが、融点の高いポリフェニレンスルフィドキャパシタを選ぶ。あるいは、キャパシタの物理的な寸法が大きいために実装が困難な場合がある。このような場合は、物理的な寸法が大きいポリスチレンキャパシタやポリカーボネートキャパシタの代わりに、物理的な寸法が小さいポリエチレンナフタレートキャパシタを選ぶ。後述するが、交流電流が流れることによりキャパシタが発熱する。このような場合、キャパシタを並列接続してキャパシタの通過可能電流を確保する。並列接続したキャパシタは、単体キャパシタよりも特性がよくなるので、前述したキャパシタの特性は並列接続した合成キャパシタにて計測する。これは、キャパシタを並列接続することにより、少なくとも実効直列抵抗Rcを低下させることができるからである。   For such applications, a polyphenylene sulfide capacitor having a high melting point is selected although the power transmission performance is slightly inferior. Alternatively, the mounting may be difficult due to the large physical dimensions of the capacitor. In such a case, a polyethylene naphthalate capacitor having a small physical dimension is selected instead of a polystyrene capacitor or a polycarbonate capacitor having a large physical dimension. As will be described later, the capacitor generates heat when an alternating current flows. In such a case, the capacitors are connected in parallel to ensure a current that can be passed through the capacitor. Since the capacitor connected in parallel has better characteristics than the single capacitor, the characteristics of the capacitor described above are measured by a composite capacitor connected in parallel. This is because at least the effective series resistance Rc can be reduced by connecting capacitors in parallel.

また、セラミックキャパシタは、耐熱性がよく、静電容量が0.1μF以上になると、フィルムキャパシタとそれほど差異のない電力伝送性能を持つ。したがって、静電容量が0.1μF以上のセラミックキャパシタを直列、並列、直並列に接続することにより、耐熱性と寸法小型化の双方を満足できる。さらに、動作可能電圧、通過可能電流を増加させることができる。ただし、セラミックキャパシタも、上述してきたような規定を満足する必要がある。ただし、前述した規定を満足していれば、静電容量が0.1μF以下であってもよい。一般的には、リード形状のセラミックキャパシタよりも、チップ形状(表面実装用)のセラミックキャパシタの方が、前述してきた特性がよい。チップ型形状のキャパシタの方が性能はよいのは、フィルムキャパシタにおいても見られる。   Moreover, the ceramic capacitor has good heat resistance, and has a power transmission performance that is not so different from that of a film capacitor when the capacitance is 0.1 μF or more. Therefore, by connecting ceramic capacitors having an electrostatic capacity of 0.1 μF or more in series, parallel, and series-parallel, both heat resistance and size reduction can be satisfied. Furthermore, the operable voltage and the passable current can be increased. However, the ceramic capacitor needs to satisfy the above-mentioned regulations. However, the capacitance may be 0.1 μF or less as long as the above-described regulations are satisfied. In general, a chip-shaped (for surface mounting) ceramic capacitor has better characteristics as described above than a lead-shaped ceramic capacitor. The performance of the chip-shaped capacitor is better for the film capacitor.

上記に述べたようなキャパシタの使用法を採用することにより、各種仕様に応じた、電力伝送性能のよい電力伝送装置が実現できる。そして、キャパシタに流れる電流に応じ、キャパシタを選ぶ。前述してきた電力伝送性能の良いキャパシタは、一般に高価である。前述した方法でキャパシタを選ぶことにより、電力伝送措置が必要とする性能に応じ、安価なキャパシタを用いることもできる。上記に述べてきた本発明の実施例は、単に誘電正接や誘電体を記載している特許文献4では、規定すらできないものである。   By adopting the method of using the capacitor as described above, it is possible to realize a power transmission device with good power transmission performance according to various specifications. A capacitor is selected according to the current flowing through the capacitor. The above-described capacitor having good power transmission performance is generally expensive. By selecting a capacitor by the above-described method, an inexpensive capacitor can be used according to the performance required by the power transmission measure. The embodiment of the present invention described above cannot be defined even in Patent Document 4 which simply describes a dielectric loss tangent or a dielectric.

(回路構成の実施例)
図107は、本発明の電力伝送装置の他の実施形態を示す図であり、送電コイル1には、直流電源13とスイッチング素子Q3が直列接続されており、スイッチング素子Q3は、制御回路201の制御により、図108(A)のような駆動波形VGにて送電コイル1に単方向のパルス電流を流すと、送電コイル1の両端には図108(B)に示す電圧波形VL(V)が現れる。
(Example of circuit configuration)
FIG. 107 is a diagram showing another embodiment of the power transmission device of the present invention. A DC power source 13 and a switching element Q3 are connected in series to the power transmission coil 1, and the switching element Q3 is connected to the control circuit 201. When a unidirectional pulse current is passed through the power transmission coil 1 with the drive waveform VG as shown in FIG. 108 (A) under control, the voltage waveform VL (V) shown in FIG. appear.

図107において、送電コイル1に並列にキャパシタC3を接続し、無負荷時の回路電流を減少させるとともに、送電コイル1の電圧、電流波形を正弦波に近づけるのが好ましい。駆動波形VGにて、スイッチング素子Q3を駆動する。駆動波形の周期(周波数)は一定で、スイッチング素子Q3をONにする時間のみを変化可能としている。このような構成とすることにより、送電コイル1に流れる電流が飽和するのを防止し、送電コイル1による電力損失を防いでいる。   In FIG. 107, it is preferable to connect a capacitor C3 in parallel to the power transmission coil 1 to reduce the circuit current when there is no load and to bring the voltage and current waveform of the power transmission coil 1 closer to a sine wave. The switching element Q3 is driven with the drive waveform VG. The period (frequency) of the drive waveform is constant, and only the time for turning on the switching element Q3 can be changed. By setting it as such a structure, it is prevented that the electric current which flows into the power transmission coil 1 is saturated, and the power loss by the power transmission coil 1 is prevented.

また、送電コイル1に並列にキャパシタC3を装備することにより、送電コイル1の電圧波形、電流波形を正弦波に近づけ、送電コイル1による電力損失を防止できる。送電コイル1に並列に装備するキャパシタC3は、前述したような実施形態に規定の特性を持つものに限定されないが、前述したような特性を持つものを使うとより好ましい。あるいは、図107に示すスイッチング素子Q3がOFFとなったときに、図108(B)に示す電圧波形VLに示されている逆起電力による負のスパイク電圧を防止するためにも、送電コイル1に並列にキャパシタC3を接続するのが好ましい。   In addition, by installing the capacitor C3 in parallel with the power transmission coil 1, the voltage waveform and current waveform of the power transmission coil 1 can be brought close to a sine wave, and power loss due to the power transmission coil 1 can be prevented. The capacitor C3 provided in parallel with the power transmission coil 1 is not limited to the capacitor having the characteristics specified in the embodiment as described above, but it is more preferable to use a capacitor having the characteristics as described above. Alternatively, in order to prevent the negative spike voltage due to the counter electromotive force shown in the voltage waveform VL shown in FIG. 108B when the switching element Q3 shown in FIG. It is preferable to connect a capacitor C3 in parallel.

なお、図107に示す実施形態では、必ず受電コイル2にキャパシタC2を装備しなければならない。ただし、受電コイル2にキャパシタC2を装備していれば、送電コイル1の送電制御回路11(駆動回路)は、図107に示すものに限られない。図70に示す実施形態のもの、正弦波出力など、種々のものが適用できる。図70に示す実施形態の交流電源30bを使用する場合、デューティが50%に固定されておらず、デューティが可変可能なものを使うのが好ましい。また、正弦波で送電コイル1を駆動すると、受電コイル2が送電コイル1と誘導結合していないときに、送電コイル1は全く実効電力を消費しない。これは、送電コイル1に供給される電力が全て無効電力になるからである。よって、電力を伝送していない場合であって、送電コイル1単体に交流電力が供給されていても、送電コイル1は全く発熱しない利点がある。   In the embodiment shown in FIG. 107, the power receiving coil 2 must be equipped with the capacitor C2. However, if the power receiving coil 2 is equipped with the capacitor C2, the power transmission control circuit 11 (drive circuit) of the power transmission coil 1 is not limited to that shown in FIG. Various things such as the embodiment shown in FIG. 70 and a sine wave output can be applied. When the AC power supply 30b of the embodiment shown in FIG. 70 is used, it is preferable to use a power supply whose duty is not fixed at 50% and whose duty is variable. Further, when the power transmission coil 1 is driven by a sine wave, the power transmission coil 1 does not consume any effective power when the power reception coil 2 is not inductively coupled to the power transmission coil 1. This is because all the power supplied to the power transmission coil 1 becomes reactive power. Therefore, there is an advantage that the power transmission coil 1 does not generate any heat even when AC power is supplied to the power transmission coil 1 alone even when power is not transmitted.

図109は、本発明のその他の実施形態を示す図であり、回路構成は図1と同一で、受電コイル2と負荷RLとの間に直列にキャパシタC2が装備されている。図109のような回路構成とすると、負荷抵抗値RLの変動による送電側のインピーダンス変動を、図1の回路構成に比べて小さくすることができる。図109のC1、C2は、いずれも本発明の実施形態におけるキャパシタが使用される。ただし、図109のC2は、主として受電機器など実装スペースが小さいところに装備される。また、図109の回路構成では、前述したように所定の電力を伝送可能な周波数範囲が広いので、通過可能電流を満足していれば、キャパシタC2は、必ずしも上記実施形態に記載したキャパシタを使用しなくともよい。   FIG. 109 is a diagram showing another embodiment of the present invention. The circuit configuration is the same as that in FIG. 1, and a capacitor C2 is provided in series between the power receiving coil 2 and the load RL. With the circuit configuration as shown in FIG. 109, the impedance variation on the power transmission side due to the variation in the load resistance value RL can be reduced as compared with the circuit configuration in FIG. The capacitors in the embodiment of the present invention are used for C1 and C2 in FIG. However, C2 in FIG. 109 is mainly installed in a place with a small mounting space such as a power receiving device. In the circuit configuration of FIG. 109, since the frequency range in which predetermined power can be transmitted is wide as described above, the capacitor described in the above embodiment is not necessarily used as the capacitor C2 as long as the passable current is satisfied. You don't have to.

(キャパシタを装備する箇所による2端子等価回路の説明)
図110は、送電コイル1にキャパシタを直列に装備した場合の等価回路および簡略化した2端子の等価回路図である。
(Explanation of two-terminal equivalent circuit depending on where the capacitor is equipped)
FIG. 110 is an equivalent circuit diagram in the case where the power transmission coil 1 is equipped with a capacitor in series and a simplified two-terminal equivalent circuit diagram.

図111は、受電コイル2にキャパシタを直列に装備した場合の等価回路および簡略化した2端子の等価回路図である。   FIG. 111 is an equivalent circuit when the receiving coil 2 is equipped with a capacitor in series and a simplified two-terminal equivalent circuit diagram.

図112は、送電コイル1と受電コイル2の双方にキャパシタを直列に装備した場合の等価回路および簡略化した2端子の等価回路図である。   FIG. 112 is an equivalent circuit and a simplified two-terminal equivalent circuit diagram when capacitors are provided in series in both the power transmission coil 1 and the power reception coil 2.

(送電側にキャパシタを装備した場合の説明)
送電コイル1にキャパシタC1を直列接続した等価回路は、図110(A)に示され、簡略化した2端子の等価回路は、図110(B)に示すようにキャパシタC1と、残留インダクタンスLeと、抵抗Rxの直列回路でされる。送電コイル1のインダクタンスはL1、受電コイル2のインダクタンスはL2で示される。これは図116と同じである。
(Explanation when a capacitor is installed on the power transmission side)
An equivalent circuit in which the capacitor C1 is connected in series to the power transmission coil 1 is shown in FIG. 110 (A), and a simplified two-terminal equivalent circuit is shown in FIG. 110 (B), with the capacitor C1, the residual inductance Le, and , A series circuit of resistors Rx. The inductance of the power transmission coil 1 is indicated by L1, and the inductance of the power reception coil 2 is indicated by L2. This is the same as FIG.

図110(B)に示すように、電流経路I1による直列回路のリアクタンスがゼロとなる周波数にてI1は極大値となり、理論上の力率は1となる。残留インダクタンスLeの値は、負荷抵抗RLの値、両コイル間の結合係数、コイルの構成(空芯または有芯)によって決まる。送電コイル1または受電コイル2に磁性材が装備されている場合、Le>L1、あるいはLe=L1、となる場合があり、実用上の問題が発生する。すなわち、送電コイル1単体の共振周波数fh(Hz)が、送電コイル1の駆動周波数fd(Hz)と等しくなってしまい、電力伝送を行なっていないときに、送電コイル1に過大電流が流れてしまう。この問題と、残留インダクタンスLeの値とL1の値の関係については後述する。   As shown in FIG. 110 (B), I1 has a maximum value at a frequency at which the reactance of the series circuit by the current path I1 becomes zero, and the theoretical power factor is 1. The value of the residual inductance Le is determined by the value of the load resistance RL, the coupling coefficient between both coils, and the coil configuration (air core or core). When the power transmitting coil 1 or the power receiving coil 2 is equipped with a magnetic material, Le> L1 or Le = L1 may be satisfied, which causes a practical problem. That is, the resonance frequency fh (Hz) of the power transmission coil 1 alone becomes equal to the drive frequency fd (Hz) of the power transmission coil 1, and an excessive current flows through the power transmission coil 1 when power transmission is not performed. . This problem and the relationship between the value of the residual inductance Le and the value of L1 will be described later.

(受電側にキャパシタを装備した場合の説明)
受電コイル2にキャパシタC2を直列接続した等価回路は、図111(A)に示され、簡略化した2端子の等価回路は、図111(B)に示すように残留インダクタンスLeと、インダクタンスL2およびキャパシタC2の並列回路と、抵抗Rxの直列回路でされる。図111においては、電流経路I1による直列回路のリアクタンスがゼロとなる周波数fr1(Hz)にてI1は極大値となり、理論上の力率は1となる。電流経路I2による直列回路のリアクタンスがゼロとなる周波数fr2(Hz)においては、L2とC2とで決まる並列共振点となり、I1はゼロとなる。送電コイル1と受電コイル2間の結合係数をk(k>0)とすると、Le=L2(1−k)であることが知られており、
fr1=1/√(L2(1−k)C2)
fr2=1/√(L2・C2)
であるので、図111(B)においては、fr1>fr2、となる。したがって、図111(B)の回路構成では、図110(B)の回路構成のように、Le>L1、となることによる問題は発生しない。上記は、図111(B)において、Le>L1、となることによる問題は発生しないのを示すだけであるので、Le=L2(1−k)、となることを導くのは省略しておく。また、仮に問題があったとしても、送電コイル1が正弦波で駆動されている場合は、送電コイル1単体では、前述したように送電コイル1は電力を消費しない。
(Explanation when a capacitor is installed on the power receiving side)
An equivalent circuit in which the capacitor C2 is connected in series to the power receiving coil 2 is shown in FIG. 111 (A), and a simplified two-terminal equivalent circuit is shown in FIG. 111 (B) as a residual inductance Le, an inductance L2, and A parallel circuit of the capacitor C2 and a series circuit of the resistor Rx are used. In FIG. 111, I1 has a maximum value at a frequency fr1 (Hz) at which the reactance of the series circuit by the current path I1 becomes zero, and the theoretical power factor is 1. At a frequency fr2 (Hz) at which the reactance of the series circuit by the current path I2 becomes zero, a parallel resonance point determined by L2 and C2 is obtained, and I1 becomes zero. If the coupling coefficient between the power transmission coil 1 and the power reception coil 2 is k (k> 0), it is known that Le = L2 (1-k 2 ),
fr1 = 1 / √ (L2 (1-k 2 ) C2)
fr2 = 1 / √ (L2 · C2)
Therefore, in FIG. 111 (B), fr1> fr2. Therefore, in the circuit configuration in FIG. 111B, there is no problem due to Le> L1, unlike the circuit configuration in FIG. 110B. The above only shows that the problem due to Le> L1 does not occur in FIG. 111B, so that it is omitted to introduce that Le = L2 (1-k 2 ). deep. Even if there is a problem, if the power transmission coil 1 is driven by a sine wave, the power transmission coil 1 alone does not consume power as described above.

(送電側、受電側の双方にキャパシタを装備した場合の説明)
送電コイル1にキャパシタC1を直列接続し、受電コイル2にキャパシタC1を直列接続した等価回路は、図112(A)に示される。簡易化した2端子の等価回路は、図112(B)に示すように、キャパシタC1と、残留インダクタンスLeと、インダクタンスL2およびキャパシタC2の並列回路と、抵抗Rxの直列回路でされる。受電側単体の電流経路I1では、直列回路のリアクタンスがゼロとなる周波数fr1(Hz)にてI1は極大値となり、理論上の力率は1となる。並列回路の電流経路I2では、直列回路のリアクタンスがゼロとなる周波数fr2(Hz)においては、L2とC2とで決まる並列共振点となり、I1はゼロとなる。さらに、送電側から見た正規の直列回路の電流経路I3では、直列回路のリアクタンスがゼロとなる周波数fr3(Hz)にてI3は極大値となり、理論上の力率は1となる。C1とC2を直列接続したキャパシタの静電容量をC12(F)、とすると、図112(B)において、
fr1=1/√((Le+L2)C2)
fr3=1/√(Le・C12)
Le+L2>Le、C2>C12、であるので、fr3>fr1、である。さらに、
fr2=1/√(L2・C2)
の並列共振点fr2は、直列共振点fr1(Hz)とfr3(Hz)の間にあることが知られている。よって、fr1<fr2<fr3、の関係となる。
(Explanation when capacitors are installed on both the power transmission side and the power reception side)
An equivalent circuit in which the capacitor C1 is connected in series to the power transmission coil 1 and the capacitor C1 is connected in series to the power reception coil 2 is shown in FIG. As shown in FIG. 112B, a simplified two-terminal equivalent circuit is a series circuit of a capacitor C1, a residual inductance Le, a parallel circuit of an inductance L2 and a capacitor C2, and a resistor Rx. In the current path I1 on the power receiving side alone, I1 becomes a maximum value at a frequency fr1 (Hz) at which the reactance of the series circuit becomes zero, and the theoretical power factor becomes 1. In the current path I2 of the parallel circuit, at the frequency fr2 (Hz) at which the reactance of the series circuit becomes zero, the parallel resonance point determined by L2 and C2 is obtained, and I1 becomes zero. Further, in the current path I3 of the regular series circuit as viewed from the power transmission side, I3 becomes a maximum value at a frequency fr3 (Hz) at which the reactance of the series circuit becomes zero, and the theoretical power factor becomes 1. When the capacitance of a capacitor in which C1 and C2 are connected in series is C12 (F), in FIG.
fr1 = 1 / √ ((Le + L2) C2)
fr3 = 1 / √ (Le · C12)
Since Le + L2> Le and C2> C12, fr3> fr1. further,
fr2 = 1 / √ (L2 · C2)
It is known that the parallel resonance point fr2 is between the series resonance points fr1 (Hz) and fr3 (Hz). Therefore, the relationship is fr1 <fr2 <fr3.

ここで、Le・C12≠L2・C2、すなわち、fr2≠fr3、とならないようにするには、送電側単体の共振周波数fh(Hz)と受電側単体の共振周波数fk(Hz)を等しく設定しておけばよい。この場合、必ず、fr3>fr2、となる。   Here, in order not to satisfy Le · C12 ≠ L2 · C2, that is, fr2 ≠ fr3, the resonance frequency fh (Hz) of the single power transmission side and the resonance frequency fk (Hz) of the single power reception side are set equal. Just keep it. In this case, fr3> fr2 is always satisfied.

上記を示してみる。図112(B)の等価回路で、並列共振周波数fr2(Hz)は、
fr2=1/2π√(L2・C2)
であり、送電コイル1側から見た直列共振周波数fr3(Hz)は、
fr3=1/2π√(Le・C12)となる。
Let's show the above. In the equivalent circuit of FIG. 112 (B), the parallel resonance frequency fr2 (Hz) is
fr2 = 1 / 2π√ (L2 · C2)
The series resonance frequency fr3 (Hz) seen from the power transmission coil 1 side is
fr3 = 1 / 2π√ (Le · C12).

送電側単体の直列共振周波数fhは、受電側単体の直列共振周波数fkに等しいから、
送電側の直列共振条件である、ω=1/(L1・C1)、
受電側の並列共振条件である、ω=1/(L2・C2)、の二式より、
1/(L1・C1)=1/(L2・C2)、が成立する。前式を変形すると、
C1=C2(L2/L1)となる。
Since the series resonance frequency fh of the single power transmission side is equal to the series resonance frequency fk of the single power reception side,
Ω 2 = 1 / (L1 · C1), which is the series resonance condition on the power transmission side,
From the two equations ω 2 = 1 / (L2 · C2), which is the parallel resonance condition on the power receiving side,
1 / (L1 · C1) = 1 / (L2 · C2) is established. Transforming the previous equation,
C1 = C2 (L2 / L1).

C1=C2(L2/L1)、を、C1・C2/(C1+C2)に代入してみると、
C2(L2/L1)/(C2(L2/L1)+C2)=C2・L2/(L1+L2)、となる。Lbを、Lb=L1・L2/(L1+L2)、とすると、送電コイル1側から見た直列共振周波数fr3(Hz)は、
fr3=1/2π√(C2・Lb)、となる。
Substituting C1 = C2 (L2 / L1) into C1 · C2 / (C1 + C2),
C2 2 (L2 / L1) / (C2 (L2 / L1) + C2) = C2 / L2 / (L1 + L2). When Lb is Lb = L1 · L2 / (L1 + L2), the series resonance frequency fr3 (Hz) viewed from the power transmission coil 1 side is
fr3 = 1 / 2π√ (C2 · Lb).

L2−L1・L2/(L1+L2)=L2/(L1+L2)>0、となり、
L2>L1・L2/(L1+L2)となる。よって、Lb<L2、であるので、
fr3=1/2π√(Lb・C2)、において、Lb・C2<L2・C2、となり、
fr2=1/2π√(L2・C2)、であるので、fr3>fr2、となる。すなわち、送電コイル1側から見た直列共振周波数fr3(Hz)は、送電コイル1側から見た並列共振周波数fr2(Hz)より必ず高くなる。従来例は、図66から図68の特性も示さず、単に送電側単体の共振周波数fh(Hz)と受電側単体の共振周波数fk(Hz)の大小関係を規定している。しかし、上記に計算式で示したように、fh=fk、に設定し、送電コイルの駆動周波数fd(Hz)を、fd>fh、と設定すればよい。
L2−L1 · L2 / (L1 + L2) = L2 2 / (L1 + L2)> 0,
L2> L1 · L2 / (L1 + L2). Therefore, since Lb <L2,
In fr3 = 1 / 2π√ (Lb · C2), Lb · C2 <L2 · C2, and
Since fr2 = 1 / 2π√ (L2 · C2), fr3> fr2. That is, the series resonance frequency fr3 (Hz) viewed from the power transmission coil 1 side is necessarily higher than the parallel resonance frequency fr2 (Hz) viewed from the power transmission coil 1 side. The conventional example does not show the characteristics shown in FIGS. 66 to 68, and simply defines the magnitude relationship between the resonance frequency fh (Hz) of the single power transmission side and the resonance frequency fk (Hz) of the single power reception side. However, as shown in the above calculation formula, fh = fk is set, and the drive frequency fd (Hz) of the power transmission coil may be set as fd> fh.

(キャパシタ複数接続の実施例)
なお、前述したが、図116に示す直列回路では、キャパシタの両端に電源電圧Vt以上の電圧が発生する昇圧効果が起こる。図116の等価回路と同じ、図1、図107、図109、の回路構成において、本発明の実施形態に述べたキャパシタの動作可能電圧が低い場合、キャパシタの動作可能電圧を確保するため、同種または異種の複数のキャパシタを直列に接続してもよい。また、本発明の実施形態に述べたキャパシタの通過可能電流が低い場合、キャパシタの通過可能電流を確保するため、同種または異種の複数のキャパシタを並列に接続してもよい。あるいは、キャパシタの動作可能電圧、通過可能電流の双方を確保するため、同種または異種の複数のキャパシタを直並列に接続してもよい。なお、前述したが、キャパシタを並列に接続するのは、キャパシタの通過可能電流を確保して、キャパシタの発熱を、5℃〜10℃以下に抑えるためである。
(Example of connecting multiple capacitors)
As described above, in the series circuit shown in FIG. 116, a boosting effect that a voltage higher than the power supply voltage Vt occurs at both ends of the capacitor occurs. In the circuit configurations of FIGS. 1, 107, and 109, which are the same as the equivalent circuit of FIG. 116, when the operable voltage of the capacitor described in the embodiment of the present invention is low, the same type is used to ensure the operable voltage of the capacitor. Alternatively, a plurality of different types of capacitors may be connected in series. In addition, when the passable current of the capacitor described in the embodiment of the present invention is low, a plurality of same or different types of capacitors may be connected in parallel in order to secure the passable current of the capacitor. Alternatively, in order to secure both the operable voltage and the passable current of the capacitor, a plurality of capacitors of the same type or different types may be connected in series and parallel. As described above, the capacitors are connected in parallel in order to secure a current that can be passed through the capacitor and to suppress the heat generation of the capacitor to 5 ° C. to 10 ° C. or less.

好ましくは、キャパシタを直並列に接続する場合、直列接続するキャパシタの数と、並列に接続するキャパシタの数を同一にする。図113は、キャパシタを直並列に接続する場合の接続図である。図113(A)、図113(B)、図113(C)は、直列接続するキャパシタの数を3、並列に接続するキャパシタの数を2とした場合の接続例である。   Preferably, when capacitors are connected in series and parallel, the number of capacitors connected in series is the same as the number of capacitors connected in parallel. FIG. 113 is a connection diagram when capacitors are connected in series and parallel. 113 (A), 113 (B), and 113 (C) are connection examples when the number of capacitors connected in series is three and the number of capacitors connected in parallel is two.

そして、直列、並列に接続するキャパシタCdの値を±20%以内にするのは、各キャパシタCdに印加される電圧、各キャパシタCdに流れる電流をできる限り均一に近づけるためである。1%以下の精度を持つキャパシタも存在するが、これらは高価である。一般のキャパシタに表記されている静電容量は、5〜10%程度の偏差を持つため、キャパシタCdの公称値は、約±20%以内に選べばよい。例えば、0.01μFを基準とすると、上限は0.012μF、下限は、0.0082μFとなる。同一の公称値を持つキャパシタをCd全てに使用すれば、より好ましい。なお、同一の種類、公称値のキャパシタを直並列に接続する場合、図113(D)のような接続をすると、キャパシタCd1に過大電圧が印加されるので、このような接続法を使用しないよう、キャパシタを直並列に接続する場合、直列接続するキャパシタの数と、並列に接続するキャパシタの数を同一とする規定を設けてある。   The reason why the value of the capacitor Cd connected in series and in parallel is within ± 20% is to make the voltage applied to each capacitor Cd and the current flowing through each capacitor Cd as close as possible. There are capacitors with an accuracy of 1% or less, but these are expensive. Since the capacitance described in a general capacitor has a deviation of about 5 to 10%, the nominal value of the capacitor Cd may be selected within about ± 20%. For example, on the basis of 0.01 μF, the upper limit is 0.012 μF, and the lower limit is 0.0082 μF. More preferably, capacitors having the same nominal value are used for all Cd. When connecting capacitors of the same type and nominal value in series and parallel, an excessive voltage is applied to the capacitor Cd1 when the connection is made as shown in FIG. 113D, so that such a connection method is not used. When capacitors are connected in series and parallel, there is provided a rule that the number of capacitors connected in series is the same as the number of capacitors connected in parallel.

さらに精密な調整が必要な場合は、図113(E)に示すようにキャパシタCcを用いて行なう。キャパシタの静電容量を微調整するために、単体キャパシタCd、合成キャパシタCp、または合成キャパシタCpを構成するCdに並列に接続するキャパシタCcは、この発明の実施形態の特性規定を必ずしも満足する必要はないが、満足しているのが好ましい。ただし、並列に接続するキャパシタCcも、交流電源の出力周波数が、前記LpとCとで決まる、リアクタンスがゼロとなる点に設定されているときの、並列に接続するキャパシタCcに印加される交流電圧Vc(V)より高い動作可能電圧性能をCcが有しており、かつ、並列に接続するキャパシタCcに流れる交流電流Ia(A)より高い通過可能電流性能を並列に接続するキャパシタCcが有していることを条件としている。なお、合成キャパシタCpは、図113の各図に示す左右端双方の端子から成るものを指す。   If more precise adjustment is required, the capacitor Cc is used as shown in FIG. In order to finely adjust the capacitance of the capacitor, the single capacitor Cd, the composite capacitor Cp, or the capacitor Cc connected in parallel to the Cd constituting the composite capacitor Cp must always satisfy the characteristic definition of the embodiment of the present invention. No, but preferably satisfied. However, the capacitor Cc connected in parallel is also connected to the capacitor Cc connected in parallel when the output frequency of the AC power supply is set to a point where the reactance is zero determined by Lp and C. Cc has an operable voltage performance higher than the voltage Vc (V), and a capacitor Cc connected in parallel with a passable current performance higher than the AC current Ia (A) flowing in the capacitor Cc connected in parallel. It is a condition that it is doing. Note that the composite capacitor Cp is composed of terminals on both the left and right ends shown in each drawing of FIG.

コイルとキャパシタの直列回路のリアクタンスがゼロとなる点では、共振作用により、キャパシタに、Ia(A)なる電流が流れ、Vr(V)=Vs(V)×Qr、なる電圧が印加されるので、キャパシタの実効直列抵抗Rcは十分に低いものを選び、熱条件を満足する周波数を電力伝送に選ぶことが重要である。   At the point where the reactance of the series circuit of the coil and the capacitor becomes zero, the current Ia (A) flows through the capacitor due to the resonance action, and the voltage Vr (V) = Vs (V) × Qr is applied. It is important that the effective series resistance Rc of the capacitor is selected to be sufficiently low, and the frequency satisfying the thermal condition is selected for power transmission.

なお、キャパシタの両端電圧Vc(V)は、図1の回路において、最大電力を伝送しているときに実測すればよい。実測後、両端電圧Vc(V)がキャパシタの動作可能電圧を越えているときには、前述したように、キャパシタを直列に接続する。同じく、キャパシタに流れる電流は、図1の回路において、最大電力を伝送しているときに実測する。キャパシタが通過可能な交流電流は、リップル電流として規定されている場合もある。しかし、規定が無い場合には、前述したように、キャパシタの温度上昇を計測する。温度上昇が10℃を越えているときは、キャパシタを並列接続する。キャパシタの動作可能電圧、通過可能電流の双方を越えているときには、キャパシタを直並列に接続する。キャパシタを直列、並列、直並列に接続する場合、合成キャパシタの静電容量が所定値となるよう、合成キャパシタを構成するCdの値を選ぶ。そして、上述した特性規定は、前記合成キャパシタにて計測する。   The voltage Vc (V) across the capacitor may be measured when the maximum power is transmitted in the circuit of FIG. After the actual measurement, when the voltage Vc (V) at both ends exceeds the operable voltage of the capacitor, the capacitors are connected in series as described above. Similarly, the current flowing in the capacitor is measured when the maximum power is transmitted in the circuit of FIG. The alternating current that can be passed through the capacitor may be defined as a ripple current. However, if there is no regulation, the temperature rise of the capacitor is measured as described above. When the temperature rise exceeds 10 ° C., capacitors are connected in parallel. When both the operable voltage and the passable current of the capacitor are exceeded, the capacitors are connected in series and parallel. When the capacitors are connected in series, parallel, and series-parallel, the value of Cd constituting the composite capacitor is selected so that the capacitance of the composite capacitor becomes a predetermined value. And the above-mentioned characteristic definition is measured by the synthetic capacitor.

また、上記に説明した各キャパシタの実効抵抗やインダクタンスの測定には、ヒューレットパッカード社のLCRメータ、4275Aを使用した。なお、計測は、1、2、4、10の各点でしか計測できないので、中間点は、グラフにより補間している。交流波形計測には、ケンウッドのオシロスコープ、CS−5370を使用した。交流波の図には、ピーク値をカーソルで計測後にグラフに数値として記入してある。CS−5370は、電力伝送性能の計測にも使用している。例えば、受電コイル2に接続された無誘導負荷抵抗の両端電圧を計測し、無誘導負荷抵抗に伝達されている実効電力を求めている。   Further, an LCR meter 4275A manufactured by Hewlett-Packard Company was used for measuring the effective resistance and inductance of each capacitor described above. In addition, since measurement can be performed only at each point of 1, 2, 4, and 10, intermediate points are interpolated by a graph. A Kenwood oscilloscope, CS-5370, was used for AC waveform measurement. In the AC wave diagram, the peak value is measured with the cursor and entered as a numerical value on the graph. CS-5370 is also used for measuring power transmission performance. For example, the voltage across the non-inductive load resistor connected to the power receiving coil 2 is measured, and the effective power transmitted to the non-inductive load resistor is obtained.

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, this invention is not limited to the thing of embodiment shown in figure. Various modifications and variations can be made to the illustrated embodiment within the same range or equivalent range as the present invention.

この発明の電力伝送装置、電力伝送装置の送電装置および受電装置は、送電部から受電部に、電線や機械的接点を用いずに電力を伝送するのに利用できる。   The power transmission device, the power transmission device of the power transmission device, and the power reception device of the present invention can be used to transmit power from the power transmission unit to the power reception unit without using electric wires or mechanical contacts.

この発明の一実施形態に係る電力伝送装置のブロック図である。1 is a block diagram of a power transmission device according to an embodiment of the present invention. 図1に示した電力伝送装置の送電コイル1または受電コイル2として使用されるコイルを示す図である。It is a figure which shows the coil used as the power transmission coil 1 or the receiving coil 2 of the electric power transmission apparatus shown in FIG. 図2に示したコイルの外形形状の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the external shape of the coil shown in FIG. 変成器の入力インピーダンスを求める等価回路である。It is an equivalent circuit for obtaining the input impedance of the transformer. この発明の一実施形態における電力伝送装置のコイルにおけるコイル単体の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the coil single-piece | unit in the coil of the electric power transmission apparatus in one Embodiment of this invention. 従来例で説明した図114のように構成された電力伝送装置の変成器部分の等価回路を表す図である。It is a figure showing the equivalent circuit of the transformer part of the electric power transmission apparatus comprised like FIG. 114 demonstrated in the prior art example. 2次側コイルを短絡したときの変成器の等価回路を表す図である。It is a figure showing the equivalent circuit of a transformer when a secondary side coil is short-circuited. 2次側コイルに負荷抵抗RLが接続されたときの変成器の等価回路を表す図である。It is a figure showing the equivalent circuit of a transformer when load resistance RL is connected to the secondary side coil. 線径1mmの単導線を、外径70mmで25ターン密接巻きしたコイル1Aの、Rw、Rn、Rs、および負荷抵抗値RL=10Ωとしたときの実効電力伝送効率ηと周波数の関係を示す図である。The figure which shows the relationship between effective electric power transmission efficiency (eta) and frequency when it is set as Rw, Rn, Rs, and load resistance value RL = 10 (ohm) of the coil 1A which wound the winding of 1 turn of single conductor of wire diameter 1mm by 25 turns. It is. 線径0.6mmの単導線を、外径70mmで40ターン密接巻きしたコイル1Bの、Rw、Rn、Rs、kr、kiと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rn, Rs, kr, ki, and a frequency of the coil 1B which closely wound 40 turns of the single conductor wire with a wire diameter of 0.6 mm with an outer diameter of 70 mm. 線径0.3mmの単導線を、直径70mmで70ターン密接巻きしたコイル1Cの、Rw、Rn、Rs、コイル1C単体の位相角と周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the phase angle of the coil 1C which wound the single conducting wire of wire diameter 0.3mm closely by 70 turns with a diameter of 70 mm, and the phase angle and frequency of the coil 1C single-piece | unit. 線径0.3mmの単導線を、直径30mmで31ターン密接巻きしたコイル1Dの、Rw、Rn、Rsと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rn, Rs, and frequency of the coil 1D which wound the single conducting wire of wire diameter 0.3mm closely by 31 turns with a diameter of 30 mm. 線径1mmの単導線を、外径70mmで空隙を設けて14ターン巻いたコイル1Eの、Rw、Rn、Rs、krと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rn, Rs, kr, and the frequency of the coil 1E which wound the 14-turn coil which provided the space | gap with the outer diameter of 70 mm with the wire diameter of 1 mm. 銅線径0.05mmのホルマル単導線を75本束ねたリッツ線を、外径70mmで30ターン密接巻きしたコイル1Fの、Rw、Rn、Rs、kr、kiと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rn, Rs, kr, ki, and the frequency of the coil 1F which wound the Litz wire which bundled 75 formal single conductor wires with a copper wire diameter of 0.05 mm closely with an outer diameter of 70 mm for 30 turns. . 銅線径0.05mmのホルマル単導線を75本束ねたリッツ線を、外径50mmで20ターン密接巻きしたコイル1GのRw、Rn、Rs、kr、kiと周波数の関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between Rw, Rn, Rs, kr, ki and the frequency of the coil 1G which closely wound 20 turns of the Litz wire which bundled 75 formal single conductor wires with a copper wire diameter of 0.05 mm with an outer diameter of 50 mm. 0.2mm、0.4mm、0.8mm、1mmのホルマル単導線を平板状に25回巻いたコイルの周波数と、各コイルの実効抵抗Rwの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the frequency of the coil which wound the formal single conducting wire of 0.2 mm, 0.4 mm, 0.8 mm, and 1 mm 25 times in the shape of a plate, and the effective resistance Rw of each coil. 図9に示したコイル1Aに、コイル1Fを対向させたときのRw、Rn、Rs、および負荷抵抗値RL=10Ωとしたときの実効電力伝送効率ηと周波数との関係を表す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between effective power transmission efficiency η and frequency when Rw, Rn, Rs, and load resistance value RL = 10Ω when the coil 1F is opposed to the coil 1A illustrated in FIG. 9. リッツ線の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a litz wire. 図9に示した密接巻のコイル1Aと、図13に示した疎巻のコイル1Eとのコイル実効直列抵抗Rwが増加する状態を比較して示した図である。FIG. 14 is a diagram showing a comparison of states in which the coil effective series resistance Rw of the closely wound coil 1A shown in FIG. 9 and the loosely wound coil 1E shown in FIG. 13 increases. 線径0.4mmのホルマル線を、0、0.2mm、0.4mmの空隙幅を設けて25ターン巻いた各コイルのRwと周波数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw and the frequency of each coil which provided the gap | interval width of 0, 0.2 mm, and 0.4 mm, and wound 25 turns for the formal wire of wire diameter 0.4mm. コイル1Aを送電コイル1、受電コイル2に使用し、負荷抵抗値RLを変化させたときの、各抵抗値と力率の周波数特性を示す実測図である。It is an actual measurement figure which shows the frequency characteristic of each resistance value and power factor when coil 1A is used for the power transmission coil 1 and the receiving coil 2, and load resistance value RL is changed. コイル1Aを送電コイル1、コイル1Fを受電コイル2に使用し、負荷抵抗値RLを変化させたときの、各抵抗値と力率の周波数特性を示す実測図である。It is an actual measurement figure which shows frequency characteristics of each resistance value and power factor when coil 1A is used for power transmission coil 1, coil 1F is used for power reception coil 2, and load resistance value RL is changed. 要輻射を防止するコイル1fの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 1f which prevents radiation required. コイルと磁性材板との間に、絶縁板を設けたコイル1gを示す図である。It is a figure which shows the coil 1g which provided the insulating board between the coil and the magnetic material board. コイルの一方面側に磁性材板と磁性材板の2層の磁性材板を設けたコイル1hを示す図である。It is a figure which shows the coil 1h which provided the magnetic material board of 2 layers of the magnetic material board and the magnetic material board in the one surface side of the coil. 図25に示すコイル1hを構成する2枚の磁性材板の間に、厚みがIの絶縁板を設けたコイル1jを示す図である。It is a figure which shows the coil 1j which provided the insulating board with thickness I between the two magnetic material boards which comprise the coil 1h shown in FIG. コイルに金属体が近接したときに、コイルの特性変動を防止するコイル1kの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 1k which prevents the characteristic fluctuation | variation of a coil when a metal body adjoins to a coil. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1mの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 1m which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1nの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 1n which prevents both the proximity | contact effect of a metal body and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1pの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 1p which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1qの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 1q which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1rの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 1r which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1sの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 1s which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 金属体の近接影響と、不要輻射の双方を防止するコイル1tの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil 1t which prevents both the proximity | contact effect of a metal body, and unnecessary radiation. 対向する双方のコイルを構成する要素の立体図である。It is a three-dimensional view of the elements that constitute both opposing coils. 2つのコイルの外径が異なる場合にそれぞれの中心が一致して対向している状態を示す図である。It is a figure which shows the state which each center corresponds and opposes, when the outer diameters of two coils differ. 2つのコイルの外径が異なる場合にそれぞれの中心がずれて対向している状態を示す図である。It is a figure which shows the state which each center has shifted | deviated and opposed when the outer diameters of two coils differ. 送電コイル、受電コイル共に楕円形である場合の、送電コイルと受電コイルの相対位置関係を示す図である。It is a figure which shows the relative positional relationship of a power transmission coil and a receiving coil in case a power transmission coil and a receiving coil are both elliptical. コイル対向面が円形以外の場合に、対向する送電コイル1と受電コイル2の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the power transmission coil 1 and the receiving coil 2 which oppose when a coil opposing surface is other than circular. 図23〜図26に示す各コイルの実効直列抵抗Rwと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the effective series resistance Rw of each coil shown in FIGS. 23-26, and a frequency. 図23〜図26に示す各コイルのQと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Q of each coil shown in FIGS. 23-26, and a frequency. コイル1G単体の実効直列抵抗Rwと、コイル1G単体のインダクタンスLwを示す特性図である。It is a characteristic view which shows the effective series resistance Rw of the coil 1G single-piece | unit, and the inductance Lw of the coil 1G single-piece | unit. コイル1Gに10mmの絶縁物を介して、各種の金属板を対向させたコイル1Gaの特性である。This is a characteristic of the coil 1Ga in which various metal plates are opposed to the coil 1G via a 10 mm insulator. コイル1Gに1枚の磁性材板を設けたコイル1Gbに各種の金属板を近接させたときの、実効直列抵抗Rwと、インダクタンスLwを示す特性図であるFIG. 6 is a characteristic diagram showing an effective series resistance Rw and an inductance Lw when various metal plates are brought close to a coil 1Gb in which one magnetic material plate is provided on the coil 1G. コイル1Gに2枚の磁性材板を設けたコイル1Gcに各種の金属板を近接させたときの、実効直列抵抗Rwと、インダクタンスLwを示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing an effective series resistance Rw and an inductance Lw when various metal plates are brought close to a coil 1Gc in which two magnetic material plates are provided on the coil 1G. 各コイルの構成とQの関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the structure of each coil, and the relationship of Q. 図12に示したコイル1Dを、図27に示すコイル1kと同等の構成において、実効直列抵抗RwとインダクタンスLwを計測した特性図である。FIG. 28 is a characteristic diagram in which the effective series resistance Rw and the inductance Lw are measured with the coil 1D shown in FIG. 12 having the same configuration as that of the coil 1k shown in FIG. 図13に示したコイル1Eを、図27に示すコイル1kと同等の構成において、実効直列抵抗RwとインダクタンスLwを計測した特性図である。FIG. 28 is a characteristic diagram obtained by measuring an effective series resistance Rw and an inductance Lw of the coil 1E shown in FIG. 13 in a configuration equivalent to the coil 1k shown in FIG. コアを装備している同一のコイル2個間で誘導結合が可能なコイルの構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the coil which can be inductively coupled between the same two coils equipped with the core. 図49の構成を持つコイル1Hのコイル単体のRw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rs, Rn of a coil single-piece | unit of the coil 1H which has the structure of FIG. 49, and a frequency. コイル1H、2個のコイル1Ha,1Hbの、Lw、Ls、Lnと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Lw, Ls, Ln, and a frequency of the coil 1H and the two coils 1Ha and 1Hb. コイル1Gが空芯状態のときに計測した、Lw、Ls、Lnと、LwとLsより近似的求められる結合係数kiと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Lw, Ls, Ln, the coupling coefficient ki calculated | required approximately from Lw and Ls, and frequency measured when the coil 1G is an air-core state. トロイダルコアに1次コイルと2次コイルとを巻回した分離不能な変成器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the inseparable transformer which wound the primary coil and the secondary coil around the toroidal core. コイル1Gbにおいて、コイル1Gbを2個使用したときの、Lw、Ls、Ln、ki、ki2と周波数の関係を示す図である。In coil 1Gb, it is a figure which shows the relationship between Lw, Ls, Ln, ki, ki2, and a frequency when two coils 1Gb are used. コイル1Hに、各種の金属板を近接させたときの、100kHzにおける実効直列抵抗Rwと、インダクタンスLwを示す特性図である。It is a characteristic view which shows the effective series resistance Rw and the inductance Lw in 100 kHz when various metal plates are made to adjoin to the coil 1H. コイル1Gに磁性材板を備えたコイル1Gdにおいて、コイル1Gdを2個使用したときの、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency when two coils 1Gd are used in the coil 1Gd provided with a magnetic material plate in the coil 1G. コイル1Hのコイル単体の実効直列抵抗Rw(Ω)と、コイル1H2個を誘導結合させ、他方のコイルを短絡したときの、一方のコイルの実効直列抵抗Rs(Ω)、他方のコイルを開放したときの、一方のコイルの実効直列抵抗をRn(Ω)、としたときの、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。The effective series resistance Rw (Ω) of a single coil of coil 1H and two coils 1H are inductively coupled, and when the other coil is short-circuited, the effective series resistance Rs (Ω) of one coil is opened and the other coil is opened. It is a figure which shows the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency when the effective series resistance of one coil is Rn (Ω). コイル1H単体のインダクタンスLw(μH)と、コイル1H2個を誘導結合させ、他方のコイルを短絡したときの一方のコイルのインダクタンスLs(μH)、他方のコイルを開放したときの一方のコイルのインダクタンスをLn(μH)、としたときの、Lw、Ls、Lnと周波数の関係を示す図である。The inductance Lw (μH) of the single coil 1H, the inductance Ls (μH) of one coil when the two coils 1H are inductively coupled and the other coil is short-circuited, and the inductance of one coil when the other coil is opened It is a figure which shows the relationship between Lw, Ls, and Ln and frequency when letting be Ln (μH). コイル1Hに、各種の金属板を近接させたときの、100kHzにおける実効直列抵抗Rwと、インダクタンスLwを示す特性図である。It is a characteristic view which shows the effective series resistance Rw and the inductance Lw in 100 kHz when various metal plates are made to adjoin to the coil 1H. コイル1Gbを2個使い、対向距離Zを3mmとした場合の、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rs, Rn, and a frequency when two coils 1Gb are used and the opposing distance Z is 3 mm. コイル1Gbに、さらに、0.5mm厚のアルミニウム金属板を装備したコイル1Gdを2個使い、対向距離をゼロとした場合の、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rs, Rn and frequency when two coils 1Gd equipped with 0.5 mm-thick aluminum metal plate are used for the coil 1Gb and the opposing distance is zero. コイル1Gdを2個使い、対向距離を3mmとした場合の、Rw、Rs、Rnと周波数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Rw, Rs, Rn and a frequency when two coils 1Gd are used and the facing distance is 3 mm. 図27に示すコイル1kから図34に示すコイル1tにおいて、コイル内周部から取り出す線として、コイルに装備された金属板を使用する図である。It is a figure which uses the metal plate with which the coil was equipped as a wire taken out from a coil inner peripheral part in the coil 1t shown in FIG. 34 from the coil 1k shown in FIG. 図23から図34に示す各構成のコイルに使用される導線に、リッツ線を用い、リッツ線の一端は全ての素線を接続し、リッツ線の他端から、リッツ線を構成する素線の内、少なくとも一本を共通線として取り出した場合の等価回路図である。The lead wire used for the coil of each structure shown in FIGS. 23 to 34 is a litz wire, one end of the litz wire is connected to all the strands, and the other end of the litz wire is a strand constituting the litz wire. It is an equivalent circuit diagram when at least one is taken out as a common line. 密結合状態に構成された通常の変圧器(変成器)における2次側巻線の負荷電流と2次側巻線の両端電圧の関係、本発明の実施形態における電力伝送装置の受電コイルの負荷電流と2次側巻線の両端電圧の関係を示す特性図である。Relationship between load current of secondary winding and voltage at both ends of secondary winding in normal transformer (transformer) configured in tight coupling state, load of receiving coil of power transmission device in embodiment of the present invention It is a characteristic view which shows the relationship between an electric current and the both-ends voltage of a secondary side winding. 送電コイル1および受電コイル2が誘導結合しており、両コイルが変成器を構成している場合の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram in case the power transmission coil 1 and the power receiving coil 2 are inductively coupled, and both coils constitute a transformer. 図66に示す等価回路において、送電コイル1および受電コイル2に空芯コイルを使った場合の、1次側(送電側)のインダクタンスの変化を示す図である。In the equivalent circuit shown in FIG. 66, it is a figure which shows the change of the inductance of the primary side (power transmission side) at the time of using an air core coil for the power transmission coil 1 and the receiving coil 2. FIG. 図66に示す等価回路において、送電コイル1または受電コイル2の少なくとも一方に磁性材を装備したコイルを使った場合の、送電コイル1のインダクタンスの変化の他の例を示す図である。In the equivalent circuit shown in FIG. 66, it is a figure which shows the other example of the change of the inductance of the power transmission coil 1 at the time of using the coil equipped with the magnetic material for at least one of the power transmission coil 1 or the power receiving coil 2. FIG. 図66に示す等価回路において、送電コイル1または受電コイル2の少なくとも一方に磁性材を装備したコイルを使った場合の、送電コイル1のインダクタンスの変化の他の例を示す図である。In the equivalent circuit shown in FIG. 66, it is a figure which shows the other example of the change of the inductance of the power transmission coil 1 at the time of using the coil equipped with the magnetic material for at least one of the power transmission coil 1 or the power receiving coil 2. FIG. 図1の送電制御回路に含まれる直流−交流変換回路の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a DC-AC conversion circuit included in the power transmission control circuit of FIG. 1. 図1の送電部を構成する回路図である。It is a circuit diagram which comprises the power transmission part of FIG. 図71の回路中に存在する抵抗成分を含めた等価回路図である。FIG. 72 is an equivalent circuit diagram including a resistance component existing in the circuit of FIG. 71. インピーダンスを計測する原理を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the principle which measures an impedance. キャパシタの静電容量の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the electrostatic capacitance of a capacitor. キャパシタの実効直列抵抗Rcと昇圧比Hの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the effective series resistance Rc of a capacitor, and the step-up ratio H. 図71の回路に、抵抗R3を直列に装備した回路図である。FIG. 72 is a circuit diagram in which a resistor R3 is provided in series with the circuit of FIG. 71. ポリプロピレンキャパシタC1cを図71の回路に装備したときの、ポリプロピレンキャパシタC1cの電圧波形である。71 is a voltage waveform of the polypropylene capacitor C1c when the polypropylene capacitor C1c is installed in the circuit of FIG. セラミックキャパシタC1rを図71の回路に装備したときの、セラミックキャパシタC1rの電圧波形である。71 is a voltage waveform of the ceramic capacitor C1r when the ceramic capacitor C1r is installed in the circuit of FIG. 図76の回路における、キャパシタ両端の電圧波形である。76 is a voltage waveform across a capacitor in the circuit of FIG. 76. キャパシタの実効直列抵抗Rcと、キャパシタ両端の正弦波電圧波形のゼロ点からのシフト比Sとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the effective series resistance Rc of a capacitor, and the shift ratio S from the zero point of the sine wave voltage waveform of both ends of a capacitor. キャパシタ両端の正弦波電圧波形のゼロ点からのシフト比Sと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the shift ratio S from the zero point of the sine wave voltage waveform of a capacitor both ends, and electric power transmission performance. キャパシタの実効直列抵抗Rcと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the effective series resistance Rc of a capacitor, and electric power transmission performance. キャパシタの誘電正接tanδと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the dielectric loss tangent tan-delta of a capacitor, and electric power transmission performance. セラミックキャパシタC1rの実効直列抵抗Rcの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the effective series resistance Rc of the ceramic capacitor C1r. セラミックキャパシタC1rの実効直列抵抗Rcの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the effective series resistance Rc of the ceramic capacitor C1r. ポリプロピレンキャパシタC1cの誘電正接tanδの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the dielectric loss tangent tan-delta of the polypropylene capacitor C1c. ポリプロピレンキャパシタC1cの誘電正接tanδの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the dielectric loss tangent tan-delta of the polypropylene capacitor C1c. キャパシタをVOUTH側に接続した場合の、キャパシタ両端電圧をオシロスコープで計測する場合の接続図である。It is a connection diagram in the case of measuring the voltage across the capacitor with an oscilloscope when the capacitor is connected to the VOUTH side. キャパシタを送電コイル1の両端に各1個接続した場合の、各キャパシタ両端電圧をオシロスコープで計測する場合の接続図である。It is a connection diagram in the case of measuring the voltage across each capacitor with an oscilloscope when one capacitor is connected to each end of the power transmission coil. キャパシタの誘電吸収特性を計測する回路図である。It is a circuit diagram which measures the dielectric absorption characteristic of a capacitor. キャパシタの誘電吸収Kpと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the dielectric absorption Kp of a capacitor, and electric power transmission performance. キャパシタの誘電吸収Knと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the dielectric absorption Kn of a capacitor, and electric power transmission performance. キャパシタの誘電吸収Kp、Knの比であるKrと、電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between Kr which is the ratio of dielectric absorption Kp and Kn of a capacitor, and electric power transmission performance. キャパシタに流れる電流により、キャパシタの実効直列抵抗Rcによる発熱を計測する回路の一例である。It is an example of the circuit which measures the heat_generation | fever by the effective series resistance Rc of a capacitor with the electric current which flows into a capacitor. キャパシタに流れる電流によって、キャパシタの実効直列抵抗Rcによるキャパシタの発熱を計測する回路のその他の例である。It is another example of the circuit which measures the heat_generation | fever of a capacitor by the effective series resistance Rc of a capacitor with the electric current which flows into a capacitor. キャパシタの温度上昇と電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature rise of a capacitor, and the relationship between electric power transmission performance. キャパシタの性能を計測するその他の実施形態を表すブロック図である。It is a block diagram showing other embodiment which measures the performance of a capacitor. 図97における積分回路の出力の電圧波形を示す図である。FIG. 98 is a diagram illustrating a voltage waveform of an output of the integrating circuit in FIG. 97. A/D変換器の表示Dzと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the display Dz of A / D converter, and electric power transmission performance. A/D変換器の表示Dpと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the display Dp of an A / D converter, and electric power transmission performance. A/D変換器の表示Dnと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the display Dn of an A / D converter, and electric power transmission performance. A/D変換器の表示DpとDnの差Ddと電力伝送性能の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the difference Dd of the display Dp and Dn of an A / D converter, and electric power transmission performance. ポリプロピレンキャパシタC1cのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the impedance of polypropylene capacitor C1c. セラミックキャパシタC1rのインピーダンスの周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the frequency characteristic of the impedance of ceramic capacitor C1r. 本発明の実施形態におけるキャパシタの構成を示す一例である。It is an example which shows the structure of the capacitor in embodiment of this invention. 本発明の実施形態におけるキャパシタの構成を示す他の例である。It is another example which shows the structure of the capacitor in embodiment of this invention. 本発明の電力伝送装置の他の実施形態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows other embodiment of the power transmission apparatus of this invention. 図107における、コイルの両端波形を示す図である。It is a figure which shows the both-ends waveform of the coil in FIG. 本発明の電力伝送装置のその他の実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows other embodiment of the power transmission apparatus of this invention. 送電コイル1にキャパシタを直列に装備した場合の等価回路および簡略化した2端子の等価回路図である。It is the equivalent circuit at the time of equip | installing the capacitor | condenser with the power transmission coil 1 in series, and the simplified equivalent circuit diagram of 2 terminals. 受電コイル2にキャパシタを直列に装備した場合の等価回路および簡略化した2端子の等価回路図である。It is the equivalent circuit at the time of equip | installing the capacitor | condenser with the receiving coil 2 in series, and the simplified equivalent circuit diagram of 2 terminals. 送電コイル1と受電コイル2の双方にキャパシタを直列に装備した場合の等価回路および簡略化した2端子の等価回路図である。It is an equivalent circuit when a capacitor is provided in series in both the power transmission coil 1 and the power reception coil 2, and a simplified equivalent circuit diagram of two terminals. 複数のキャパシタを接続する回路図である。It is a circuit diagram which connects a some capacitor. 電力伝送装置の構成を示す従来例である。It is a prior art example which shows the structure of an electric power transmission apparatus. 送電コイルまたは受電コイルの平面図および断面図である。It is the top view and sectional drawing of a power transmission coil or a receiving coil. 図114において、送電部から送電コイル1を見たときの簡略化した等価回路である。114 is a simplified equivalent circuit when the power transmission coil 1 is viewed from the power transmission unit. 図114に示した1次側コイルと2次側コイルとが分離可能な電力伝送装置の等価回路である。114 is an equivalent circuit of the power transmission device in which the primary side coil and the secondary side coil shown in FIG. 114 are separable. キャパシタの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a capacitor.

符号の説明Explanation of symbols

1 送電コイル、1a コイル、2 受電コイル、12 直流電源、13,72 交流電源、30c, 制御回路、30 送電部、30a,201 送電制御回路、40a 受電制御回路、41 交流定電流源、42 交流電圧計、61 オペアンプ、62 直流電圧計、63,64,65 スイッチ、70 変成器、73 トロイダルコア、71 1次コイル、72 2次コイル、75 A/D変換器、76 表示器、77 スイッチ、78 オペアンプ、80,80a,80b オシロスコープ、81,82,83,84,キャパシタ、85 箔状金属、86 箔状誘電材料、100 電力伝送装置、Q1,Q2,Q3 スイッチング素子、C,C1〜C3,Cc,Cd、Cp キャパシタ、C1c ポリプロピレンキャパシタ、C1h,C1r セラミックキャパシタ、Le 残留インダクタンス、Ls 基準インダクタンス、Rc,Ri 実効直列抵抗、R1〜R4,Rh 抵抗、Zs 交流電源の内部インピーダンス。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power transmission coil, 1a coil, 2 Power reception coil, 12 DC power supply, 13, 72 AC power supply, 30c, Control circuit, 30 Power transmission part, 30a, 201 Power transmission control circuit, 40a Power reception control circuit, 41 AC constant current source, 42 AC Voltmeter, 61 operational amplifier, 62 DC voltmeter, 63, 64, 65 switch, 70 transformer, 73 toroidal core, 71 primary coil, 72 secondary coil, 75 A / D converter, 76 display, 77 switch, 78 Operational amplifier, 80, 80a, 80b Oscilloscope, 81, 82, 83, 84, Capacitor, 85 Foil-shaped metal, 86 Foil-shaped dielectric material, 100 Power transmission device, Q1, Q2, Q3 Switching element, C, C1-C3, Cc , Cd, Cp capacitor, C1c polypropylene capacitor, C1h, C1r ceramic Yapashita, Le residual inductance, Ls reference inductance, Rc, Ri effective series resistance, R1 to R4, Rh resistance, the internal impedance of Zs AC power source.

Claims (18)

直流電力を交流電力に変換する電力変換手段である交流電源と、送電コイルとを少なくとも含む送電部と、
負荷と、受電コイルとを少なくとも含む受電部とが分離可能なように構成され、
前記送電コイルと、前記受電コイルとを対向させて、前記送電部から前記受電部に電力を伝送する電力伝送装置において、
前記交流電源と前記送電コイルとの間、
前記負荷と前記受電コイルとの間、
の少なくとも一方に、前記送電コイルの残留リアクタンス成分を打ち消して力率を改善するための、少なくとも1個の無極性のキャパシタを直列接続した直列回路を含み、
前記対向するコイルのうち、一方のコイル単体の実効直列抵抗をRw(Ω)、
前記一方のコイルに対向する他方のコイルの両端を短絡したときの、前記一方のコイルの実効直列抵抗をRs(Ω)、
前記一方のコイルが、Rs>Rw、を満足する最高周波数をf1(Hz)、としたときに、
前記f1(Hz)が100kHz以上となるように、前記一方のコイルと前記他方のコイルが選ばれており、
一方のコイルを駆動する周波数を、前記f1(Hz)未満の周波数に設定したことを特徴とする、電力伝送装置。
An AC power source which is a power conversion means for converting DC power into AC power, and a power transmission unit including at least a power transmission coil,
The power receiving unit including at least the load and the power receiving coil is configured to be separable,
In the power transmission device that transmits the power from the power transmission unit to the power reception unit by facing the power transmission coil and the power reception coil,
Between the AC power source and the power transmission coil,
Between the load and the power receiving coil,
A series circuit in which at least one nonpolar capacitor is connected in series to cancel the residual reactance component of the power transmission coil and improve the power factor,
Of the opposing coils, the effective series resistance of one of the single coils is Rw (Ω),
The effective series resistance of the one coil when both ends of the other coil facing the one coil are short-circuited is Rs (Ω),
When the maximum frequency satisfying Rs> Rw of the one coil is f1 (Hz),
The one coil and the other coil are selected so that the f1 (Hz) is 100 kHz or more,
The power transmission device, wherein a frequency for driving one of the coils is set to a frequency less than the f1 (Hz).
前記キャパシタの所定の周波数における誘電正接tanδが1%以下である、請求項1に記載の電力伝送装置。   The power transmission device according to claim 1, wherein a dielectric loss tangent tan δ at a predetermined frequency of the capacitor is 1% or less. 前記誘電正接tanδは、200kHzにおける値が1%以下である、請求項2に記載の電力伝送装置。   The power transmission device according to claim 2, wherein the dielectric loss tangent tan δ has a value at 200 kHz of 1% or less. 0℃から80℃の間で、前記キャパシタの静電容量の温度変化が±5%以下である、請求項1から3のいずれかに記載の電力伝送装置。   4. The power transmission device according to claim 1, wherein a temperature change of the capacitance of the capacitor is ± 5% or less between 0 ° C. and 80 ° C. 5. 前記キャパシタに交流定電流を流したときに、
前記キャパシタの両端電圧の変動が、
電流を流し始めた5秒後以降、±0.1%、
電流を流し始めた後5分間の計測時間で静電容量の変動率が、1%以下、
電流を流し始めた後1分間の計測時間で静電容量の変動率が0.2%以下、
のうち、少なくとも1つの条件を満足する、請求項1から4のいずれかに記載の電力伝送装置。
When an AC constant current is passed through the capacitor,
The fluctuation of the voltage across the capacitor is
± 0.1% after 5 seconds from the start of current flow,
The fluctuation rate of the capacitance is 1% or less in a measurement time of 5 minutes after starting to flow current.
The capacitance variation rate is 0.2% or less in a measurement time of 1 minute after starting to flow current,
5. The power transmission device according to claim 1, wherein at least one condition is satisfied.
前記交流電源の出力電圧は、ゼロ電位と所定の電位の間でレベルが変化する、デューティ50%の方形波であり、
前記キャパシタのリアクタンスXcと、前記送電コイルのリアクタンスXiが等しくなる周波数をfr、とすると、
前記交流電源の出力周波数はfrに設定されており、
前記出力周波数frにおいて、
前記キャパシタの両端電圧の、前記ゼロ電位に対する正のピーク値をVp、
前記キャパシタの両端電圧の、前記ゼロ電位に対する負のピーク値をVn、
VpとVnの比を、Vp/Vn、
所定係数をB、としたときに、
前記キャパシタが、少なくとも、Vp/Vn≦B、を満足している、請求項1に記載の電力伝送装置。
The output voltage of the AC power supply is a square wave with a duty of 50%, the level of which changes between a zero potential and a predetermined potential.
If the frequency at which the reactance Xc of the capacitor is equal to the reactance Xi of the power transmission coil is fr,
The output frequency of the AC power supply is set to fr,
At the output frequency fr,
The positive peak value of the voltage across the capacitor with respect to the zero potential is Vp,
The negative peak value of the voltage across the capacitor with respect to the zero potential is Vn,
The ratio of Vp and Vn is Vp / Vn,
When the predetermined coefficient is B,
The power transmission device according to claim 1, wherein the capacitor satisfies at least Vp / Vn ≦ B.
交流電源と、基準コイルとに前記キャパシタを直列に接続した直列共振回路において、
前記交流電源の出力周波数は、前記基準コイルのインダクタンスと前記キャパシタの静電容量とで決まる共振周波数に設定されており、
前記直列共振回路のQをQr、
前記直列共振回路に共振電流が流れているときの、前記交流電源の出力電圧をVt、
前記キャパシタの両端電圧をVc、
前記Vtを前記Vcに昇圧する昇圧比をHとし、H=Vc/Vt、とすると、
H>0.9×Qr、を満足する、請求項1に記載の電力伝送装置。
In a series resonant circuit in which the capacitor is connected in series to an AC power source and a reference coil,
The output frequency of the AC power supply is set to a resonance frequency determined by the inductance of the reference coil and the capacitance of the capacitor,
Q of the series resonant circuit is Qr,
When the resonance current flows through the series resonance circuit, the output voltage of the AC power supply is Vt,
The voltage across the capacitor is Vc,
If the boost ratio for boosting Vt to Vc is H, and H = Vc / Vt,
The power transmission device according to claim 1, wherein H> 0.9 × Qr is satisfied.
前記キャパシタの2端子のうち、一方の端子に正の電圧を印加したときの誘電吸収を、Kp、
前記一方の端子に負の電圧を印加したときの誘電吸収を、Kn、
Kp>Kn、であるときに、
前記Kpと前記Knの比Krを、Kr=Kp/Kn、
Kp<Kn、であるときに、
前記Krを、Kr=Kn/Kp、とし、
前記キャパシタが、1<Kr<1.5、を満足している、請求項1に記載の電力伝送装置。
Dielectric absorption when a positive voltage is applied to one of the two terminals of the capacitor is represented by Kp,
Dielectric absorption when a negative voltage is applied to the one terminal is Kn,
When Kp> Kn,
The ratio Kr between Kp and Kn is Kr = Kp / Kn,
When Kp <Kn,
The Kr is Kr = Kn / Kp,
The power transmission device according to claim 1, wherein the capacitor satisfies 1 <Kr <1.5.
前記キャパシタにより積分回路を構成し、
前記積分回路は、
所定値の同一値の定電流を正逆双方向に流せる電流源と、
前記キャパシタの両端電圧をゼロにする初期化手段と、
前記積分時間を計測するための基準パルスを少なくとも1000カウント以上計測するパルス数計測手段と、を含み、
前記初期化手段により、前記キャパシタの初期電圧をゼロとしたときに、前記パルス数計測手段のパルス計測値がゼロに初期化された後、
前記キャパシタに、正方向の前記定電流Ipを所定時間Tの間流し、
前記所定時間Tの経過後に、前記キャパシタに、負方向の所定の定電流Inを流し、
前記キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間をTn、とすると、
|Ip|=|In|、であって、
前記所定時間Tのパルスカウント数をN、
前記キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間Tnのパルスカウント数をNn、としたときに、
前記NnとNとの差の絶対値が、0.004×Nカウント以下のキャパシタを選択する、請求項1に記載の電力伝送装置。
An integration circuit is constituted by the capacitor,
The integration circuit includes:
A current source that allows a constant current of the same value of a predetermined value to flow in both forward and reverse directions;
Initialization means for zeroing the voltage across the capacitor;
Pulse number measuring means for measuring at least 1000 counts of a reference pulse for measuring the integration time,
When the initial voltage of the capacitor is set to zero by the initialization unit, the pulse measurement value of the pulse number measurement unit is initialized to zero,
The constant current Ip in the positive direction is passed through the capacitor for a predetermined time T,
After the elapse of the predetermined time T, a predetermined constant current In in the negative direction is passed through the capacitor,
If the time until the voltage across the capacitor becomes zero is Tn,
| Ip | = | In |
The pulse count number of the predetermined time T is N,
When the pulse count number of the time Tn until the voltage across the capacitor becomes zero is Nn,
The power transmission device according to claim 1, wherein a capacitor having an absolute value of a difference between Nn and N of 0.004 × N counts or less is selected.
前記キャパシタに、負方向の前記定電流Inを所定時間Tの間流し、
前記所定時間Tの経過後に、前記キャパシタに、正方向の所定の定電流Ipを流し、前記キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間をTp、とすると、
|Ip|=|In|、であって、
前記所定時間Tのパルスカウント数をN、
前記キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間Tpのパルスカウント数をNp、としたときに、
前記パルスカウント数NpとNとの差の絶対値が、0.004×Nカウント以下のキャパシタを選択する、請求項9に記載の電力伝送装置。
The constant current In in the negative direction is passed through the capacitor for a predetermined time T,
When a predetermined constant current Ip in the positive direction is passed through the capacitor after the predetermined time T has elapsed, and the time until the voltage across the capacitor becomes zero is Tp,
| Ip | = | In |
The pulse count number of the predetermined time T is N,
When the pulse count of time Tp until the voltage across the capacitor becomes zero is Np,
The power transmission device according to claim 9, wherein a capacitor having an absolute value of a difference between the pulse count numbers Np and N of 0.004 × N counts or less is selected.
前記キャパシタに、負方向の前記定電流Inを所定時間Tの間流し、
前記所定時間Tの経過後に、前記キャパシタに、正方向の所定の定電流Ipを流し、前記キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間をTp、とすると、
|Ip|=|In|、であって、
前記所定時間Tのパルスカウント数をN、
前記キャパシタの両端電圧がゼロとなるまでの時間Tpのパルスカウント数をNn、としたときに、
前記Npと前記Nnの差の絶対値が、0.003×Nカウント以下のキャパシタを選択する、請求項9に記載の電力伝送装置。
The constant current In in the negative direction is passed through the capacitor for a predetermined time T,
When a predetermined constant current Ip in the positive direction is passed through the capacitor after the predetermined time T has elapsed, and the time until the voltage across the capacitor becomes zero is Tp,
| Ip | = | In |
The pulse count number of the predetermined time T is N,
When the pulse count number of time Tp until the voltage across the capacitor becomes zero is Nn,
The power transmission device according to claim 9, wherein a capacitor having an absolute value of a difference between Np and Nn of 0.003 × N counts or less is selected.
前記送電コイルの実効直列抵抗をRi、前記キャパシタの実効直列抵抗をRcとしたときに、
前記送電部は、Ri>Rc、を満足する最低周波数以上で前記電力を伝送する、請求項1から11のいずれかに記載の電力伝送装置。
When the effective series resistance of the power transmission coil is Ri and the effective series resistance of the capacitor is Rc,
The power transmission device according to any one of claims 1 to 11, wherein the power transmission unit transmits the power at a minimum frequency that satisfies Ri> Rc.
前記一方のコイルを、前記送電コイルまたは前記受電コイルの少なくとも一方に使用し、両コイルを分離不能とした、請求項1から12のいずれかに記載の電力伝送装置。   The power transmission device according to any one of claims 1 to 12, wherein the one coil is used for at least one of the power transmission coil or the power reception coil, and the two coils cannot be separated. さらに、直流電力を交流電力に変換する電力変換手段を含み、
前記電力変換手段の出力周波数をfa(Hz)、としたときに、
前記faを前記f1未満の周波数に設定した、請求項1に記載の電力伝送装置。
Furthermore, it includes power conversion means for converting DC power into AC power,
When the output frequency of the power conversion means is fa (Hz),
The power transmission device according to claim 1, wherein the fa is set to a frequency less than the f1.
さらに、前記一方のコイルに対向する他方のコイルの両端を開放したときの、前記一方のコイルの実効直列抵抗をRn(Ω)、
Rs>Rn≧Rw、を満足する最高周波数をf2(Hz)、としたときに、
前記faを前記f2未満の周波数に設定した、請求項2に記載の電力伝送装置。
Furthermore, the effective series resistance of the one coil when both ends of the other coil facing the one coil are opened is Rn (Ω),
When the highest frequency satisfying Rs> Rn ≧ Rw is f2 (Hz),
The power transmission device according to claim 2, wherein the fa is set to a frequency lower than the f2.
さらに、前記一方のコイルの熱抵抗をθi(℃/W)、
前記一方のコイルの許容動作温度をTw(℃)、
前記一方のコイルが設置される場所の周囲温度をTa(℃)、
電力を伝送しているときに、前記一方のコイルに流れる交流電流をIa(A)、としたときに、
前記faにおいて、
Rw≦(Tw−Ta)/(Ia×θi)、
なる関係を前記一方のコイルが満足するように、前記送電部から前記受電部に電力を伝送する、請求項2に記載の電力伝送装置。
Furthermore, the thermal resistance of the one coil is θi (° C./W),
The allowable operating temperature of the one coil is Tw (° C.),
The ambient temperature of the place where the one coil is installed is Ta (° C.),
When the alternating current flowing through the one coil when transmitting electric power is Ia (A),
In the fa,
Rw ≦ (Tw−Ta) / (Ia 2 × θi),
The power transmission device according to claim 2, wherein power is transmitted from the power transmission unit to the power reception unit so that the one coil satisfies the following relationship.
少なくとも前記送電部の前記送電コイルに前記キャパシタが接続された請求項1に記載の電力伝送装置の送電部から成る送電装置であって、
前記送電部は、前記受電部に電力を送電する、電力伝送装置の送電装置。
The power transmission device comprising the power transmission unit of the power transmission device according to claim 1, wherein the capacitor is connected to at least the power transmission coil of the power transmission unit,
The power transmission unit is a power transmission device of a power transmission device that transmits power to the power reception unit.
少なくとも前記送電部の前記送電コイルに前記キャパシタが接続された請求項1に記載の電力伝送装置の受電部から成る受電装置であって、
前記受電部は、前記送電部より電力を受電する、電力伝送装置の受電装置。
The power receiving device comprising a power receiving unit of the power transmission device according to claim 1, wherein the capacitor is connected to at least the power transmission coil of the power transmission unit,
The power reception unit is a power reception device of a power transmission device that receives power from the power transmission unit.
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