JP6179375B2 - コイルユニット - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレスにて電力を送電あるいは受電するためのコイルユニットに関するものである。

近年、ケーブル等の機械的接触なしで電力を送電するために、相対させた１次（送電）コイルと２次（受電）コイルの間の電磁誘導作用を利用したワイヤレス電力伝送技術が注目されている。

このワイヤレス電力伝送技術を電気自動車等への電力の給電装置として適用した場合、地面等に設置された送電コイルと電気自動車等に搭載された受電コイルの位置関係は必ずしも一定とはならないことが想定される。このように、送電コイルと受電コイルの位置ずれが生じた場合には、コイル間の磁気的な結合が著しく低下し、その結果、電力伝送効率が低下してしまうことが問題であった。

これに対して、特許文献１では、平面上に間隔を空けて配置された複数個のコアを用いた非接触給電装置の技術が提案されている。特許文献１に記載された非接触給電装置では、複数個のコアが間隙を寸法に含めた、拡大された大きさのコアとして作用することから、位置ずれに対して強くなることが開示されている。

特開２０１０−１７２０８４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、複数個のコアを平面上に間隔を空けて配置しているため、コイルから離れた場所に周回する磁束が発生し易くなることから、位置ずれに対して強くなる反面、コイルから離れた場所に不要な漏洩磁界が形成され易くなることが問題であった。特に、ワイヤレス電力伝送技術を電気自動車等のパワーエレクトロニクス装置における充電装置へ適応した場合においては、大電力伝送が要求されるためにコイルに大電流を流す必要があることから、コイルから離れた場所に形成される漏洩磁界強度も高くなり、周囲の電子機器等に悪影響を及ぼす電磁波障害が生じる虞があった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、コイル間に位置ずれが生じてもコイル間の磁気的結合の低下を抑制しつつ、コイルユニットから離れた場所に形成される不要な漏洩磁界を低減したコイルユニットを提供することを目的とする。

本発明に係るコイルユニットは、送電側から受電側へのワイヤレス電力伝送用に用いられるコイルユニットであって、並置された第１及び第２のコイルと、第１のコイルの背面側に配置された第３のコイルと、第２のコイルの背面側に配置された第４のコイルと、駆動制御部と、を備え、第３及び第４のコイルの軸方向は、第１及び第２のコイルの軸方向と非平行であり、第３及び第４のコイルは、第１及び第２のコイルの並び方向に第１のコイルの中心と第２のコイルの中心を間に介して配置され、駆動制御部は、第１〜第４のコイルの各コイルに流れる電流の向き又は位相を制御することを特徴とする。

本発明によれば、駆動制御部が第１〜第４のコイルの各コイルに流れる電流の向き又は位相を制御している。そのため、コイル間の位置ずれに応じて、電力伝送に寄与する磁束が鎖交するコイルに流れる電流の向きを整合させることができるとともに、電力伝送に寄与する磁束が鎖交しないコイルによって、電力伝送に寄与する磁束と周回方向が逆向きの磁束を発生させることができる。ここで、第３及び第４のコイルは、第１及び第２のコイルの背面側であって、第１及び第２のコイルの並び方向に第１のコイルの中心と第２のコイルの中心を間に介して配置され、第３及び第４のコイルの軸方向は、第１及び第２のコイルの軸方向と非平行である。このような構成により、第３及び第４のコイルに鎖交する磁束は、コイルユニットから離れた場所にまで周回し易くなり、電力伝送に寄与する磁束をよりコイルユニットから離れた場所にまで周回させることができるとともに、漏洩磁界を相殺する磁束もよりコイルユニットから離れた場所にまで周回させることができる。したがって、コイル間に位置ずれが生じてもコイル間の磁気的結合の低下を抑制しつつ、コイルユニットから離れた場所に不要な漏洩磁界を形成する磁束が相殺されることから、コイルユニットから離れた場所に形成される不要な漏洩磁界を低減することができる。

好ましくは、第３のコイルの軸方向は、第１のコイルの軸方向に対して略直交し、第４のコイルの軸方向は、第２のコイルの軸方向に対して略直交するように構成されるとよい。この場合、第３及び第４のコイルにより、コイルユニットから離れた場所にまで大きく周回する磁束をより発生させ易くなる。その結果、コイル間に位置ずれが生じてもコイル間の磁気的結合の低下を抑制しつつ、コイルから離れた場所に形成される不要な漏洩磁界を低減する効果をより一層高くすることができる。

好ましくは、第１〜第４のコイルのそれぞれは、磁性コアをさらに備え、第１のコイルの磁性コアは、第２のコイルの磁性コアに連結され、第３のコイルの磁性コアは、第１のコイルの磁性コアに連結され、第４のコイルの磁性コアは、第２のコイルの磁性コアに連結されているとよい。この場合、第１〜第４のコイルそれぞれの磁性コアが全て連結されることとなるので、電力伝送に寄与する磁束をより効率良く発生させることができるとともに、漏洩磁界を相殺する磁束もより効率良く発生させることができる。その結果、コイル間に位置ずれが生じてもコイル間の磁気的結合の低下を抑制しつつ、コイルから離れた場所に形成される不要な漏洩磁界を低減する効果をより一層高くすることができる。

以上のように、本発明によれば、コイル間に位置ずれが生じてもコイル間の磁気的結合の低下を抑制しつつ、コイルユニットから離れた場所に形成される不要な漏洩磁界を低減したコイルユニットを提供することができる。

本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用されるワイヤレス電力伝送装置を負荷とともに示すシステム構成図である。 本発明の好適な実施形態に係る送電コイルユニットを受電コイルとともに示す断面図である。 図２において、送電コイルユニットと受電コイルに位置ずれが生じていない場合の電力伝送に寄与する磁束を模式的に示した図である。 図２において、送電コイルユニットと受電コイルに位置ずれが生じていない場合のコイルから離れた場所にまで大きく周回する磁束を模式的に示した図である。 図２において、送電コイルユニットと受電コイルに位置ずれが生じた場合の電力伝送に寄与する磁束を模式的に示した図である。 図２において、送電コイルユニットと受電コイルに位置ずれが生じた場合のコイルから離れた場所にまで大きく周回する磁束を模式的に示した図である。 比較例１の送電コイルユニットを受電コイルユニットとともに示す断面図である。 実施例１と比較例１の結合係数の測定結果である。 実施例１と比較例１の漏洩磁界強度の測定結果である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用されるワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の全体構成について説明する。図１は、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットが適用されるワイヤレス電力伝送装置を負荷とともに示すシステム構成図である。なお、本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットは、ワイヤレス送電装置における送電コイルユニットおよびワイヤレス受電装置における受電コイルユニットのいずれにも適用可能であるが、以下の実施形態では本発明の好適な実施形態に係るコイルユニットをワイヤレス送電装置における送電コイルユニットに適用した例について説明する。

ワイヤレス電力伝送装置Ｓ１は、図１に示されるように、ワイヤレス送電装置Ｕｔ１と、ワイヤレス受電装置Ｕｒと、を有する。

ワイヤレス送電装置Ｕｔ１は、電源ＰＷと、インバータＩＮＶと、送電コイルユニットＬｔｕ１と、を有する。ワイヤレス受電装置Ｕｒは、受電コイルＬｒと、整流回路ＤＢと、を有する。

まず、ワイヤレス送電装置Ｕｔ１の構成について説明する。電源ＰＷは、直流電力を後述するインバータＩＮＶに供給する。電源ＰＷとしては、直流電力を出力するものであれば特に制限されず、商用交流電源を整流・平滑した直流電源、二次電池、太陽光発電した直流電源、あるいはスイッチングコンバータ等のスイッチング電源装置などが挙げられる。

インバータＩＮＶは、電源ＰＷから供給される入力直流電力を交流電力に変換する機能を有している。本実施形態では、インバータＩＮＶは、電源ＰＷから供給される入力直流電力を交流電力に変換し、後述する送電コイルユニットＬｔｕ１に供給する。インバータＩＮＶとしては、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。このスイッチング回路を構成するスイッチング素子としては、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＢＧＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの素子が挙げられる。

送電コイルユニットＬｔｕ１は、インバータＩＮＶから供給された交流電力を後述する受電コイルユニットＬｒｕに送電する機能を有する。なお、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、送電コイルユニットＬｔｕ１は、地中または地面近傍に配設されることとなる。

次に、ワイヤレス受電装置Ｕｒの構成について説明する。受電コイルＬｒは、送電コイルユニットＬｔｕ１から送電された交流電力を受電する機能を有する。なお、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、受電コイルＬｒは、車両下部に搭載されることとなる。

整流回路ＤＢは、受電コイルＬｒが受電した交流電力を直流電力に整流する機能を有している。整流回路ＤＢとしては、ダイオードブリッジを用いた全波整流機能と、コンデンサ及び三端子レギュレータを用いた電力平滑化機能を備えた変換回路などが挙げられる。この整流回路ＤＢにより整流された直流電力は、負荷Ｒに出力される。ここで、負荷Ｒとしては、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に適用した場合、車両が有する二次電池や回転機が挙げられる。なお、負荷Ｒが交流回転機の場合、ワイヤレス受電装置Ｕｒの整流回路ＤＢと負荷Ｒとの間にインバータ（図示しない）を付加して交流回転機に交流電力を供給するように構成する必要がある。

続いて、図１及び図２を参照して、本発明の好適な実施形態に係る送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒについて詳細に説明する。図２は、本発明の好適な実施形態に係る送電コイルユニットを受電コイルとともに示す断面図である。

送電コイルユニットＬｔｕ１は、図１及び図２に示されるように、第１〜第４の駆動制御部Ｓａ〜Ｓｄと、第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄと、磁性体Ｆ１と、を有する。本実施形態においては、第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄは、それぞれ第１〜第４の駆動制御部Ｓａ〜Ｓｄを介して、電気的に直列接続されている。

第１〜第４の駆動制御部Ｓａ〜Ｓｄは、それぞれ第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄに流れる電流の向き又は位相を制御する。なお、本実施形態における電流の位相制御は、同位相もしくは逆位相の電流をコイルに供給する制御のことである。したがって、本実施形態における電流の位相制御は、コイルに流れる電流の向きの制御と実質的に同義である。すなわち、第１〜第４の駆動制御部Ｓａ〜Ｓｄは、インバータやサイリスタ等を用いた位相制御でもよいが、機械的スイッチなどを用いて第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄそれぞれに流れる電流の向きを選択する回路を構成すれば、第１〜第４の駆動制御部Ｓａ〜Ｓｄを比較的容易に実現することができる。具体的には、第１の駆動制御部Ｓａが第１のコイルＬｔａに流れる電流の向き（位相）を制御し、第２の駆動制御部Ｓｂが第２のコイルＬｔｂに流れる電流の向き（位相）を制御し、第３の駆動制御部Ｓｃが第３のコイルＬｔｃに流れる電流の向き（位相）を制御し、第４の駆動制御部Ｓｄが第４のコイルＬｔｄに流れる電流の向き（位相）を制御する。

第１のコイルＬｔａは、磁性コアＣｔａと巻線Ｗｔａを備えている。第１のコイルＬｔａは、略方形を呈した平面状のスパイラル構造のコイルであり、磁性コアＣｔａに銅やアルミニウム等のリッツ線から構成される巻線Ｗｔａを巻回して形成されている。第１のコイルＬｔａの軸方向は、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂと後述する受電コイルＬｒとの対向方向に対して平行となっている。第１のコイルＬｔａの巻数は、後述する受電コイルＬｒとの間の離間距離や、所望の電力伝送効率などに基づいて適宜設定される。

第２のコイルＬｔｂは、磁性コアＣｔｂと巻線Ｗｔｂを備えている。第２のコイルＬｔｂは、略方形を呈した平面状のスパイラル構造のコイルであり、磁性コアＣｔｂに銅やアルミニウム等のリッツ線から構成される巻線Ｗｔｂを巻回して形成されている。第２のコイルＬｔｂの軸方向は、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂと後述する受電コイルＬｒとの対向方向に対して平行となっている。第２のコイルＬｔｂは、第１のコイルＬｔａと同一平面上に並置されており、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの配置間隔や第２のコイルＬｔｂの巻数は、後述する受電コイルＬｒとの間の離間距離や所望の電力伝送効率などに基づいて適宜設定される。

第３のコイルＬｔｃは、磁性コアＣｔｃと巻線Ｗｔｃを備えている。第３のコイルＬｔｃは、螺旋状に巻回されるソレノイドコイルであり、板状または棒状の磁性コアＣｔｃに銅やアルミニウム等のリッツ線から構成される巻線Ｗｔｃを巻回して形成されている。第３のコイルＬｔｃの軸方向は、第１のコイルＬｔａの軸方向に対して非平行となっている。このような構成により、第３のコイルＬｔｃが発生する磁束は、第３のコイルＬｔｃから離れた場所にまで周回し易くなる。本実施形態においては、第３のコイルＬｔｃの軸方向は、第１のコイルＬｔａの軸方向に対して直交している。この場合、第３のコイルＬｔｃにより、第３のコイルＬｔｃから離れた場所にまで周回する磁束をより発生させ易くなる。また、第３のコイルＬｔｃは、第１のコイルＬｔａの背面側に配置される。すなわち、第３のコイルＬｔｃは、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの後述する受電コイルＬｒと対向する側とは反対側に配置される。より具体的には、第３のコイルＬｔｃは、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂと後述する受電コイルＬｒとの対向方向から見て、第１のコイルＬｔａと重なり合うように配置されている。

第４のコイルＬｔｄは、磁性コアＣｔｄと巻線Ｗｔｄを備えている。第４のコイルＬｔｄは、螺旋状に巻回されるソレノイドコイルであり、板状または棒状の磁性コアＣｔｄに銅やアルミニウム等のリッツ線から構成される巻線Ｗｔｄを巻回して形成されている。第４のコイルＬｔｄの軸方向は、第２のコイルＬｔｂの軸方向に対して非平行となっている。このような構成により、第４のコイルＬｔｄが発生する磁束は、第４のコイルＬｔｄから離れた場所にまで周回し易くなる。本実施形態においては、第４のコイルＬｔｄの軸方向は、第２のコイルＬｔｂの軸方向に対して直交している。この場合、第４のコイルＬｔｄにより、第４のコイルＬｔｄから離れた場所にまで周回する磁束をより発生させ易くなる。また、第４のコイルＬｔｄは、第２のコイルＬｔｂの背面側に配置される。すなわち、第４のコイルＬｔｄは、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの後述する受電コイルＬｒと対向する側とは反対側に配置されている。より具体的には、第４のコイルＬｔｄは、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂと後述する受電コイルＬｒとの対向方向から見て、第２のコイルＬｔｂと重なり合うように配置されている。

第３及び第４のコイルＬｔｃ，Ｌｔｄは、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの並び方向に第１のコイルＬｔａの中心と第２のコイルＬｔｂの中心を間に介して配置される。すなわち、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの並置方向において、第３のコイルＬｔｃと第４のコイルＬｔｄが第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの中心部の両外側に位置するように配置される。この場合、第３及び第４のコイルＬｔｃ，Ｌｔｄによって、送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所にまで周回する磁束をより発生し易くなる。

磁性体Ｆ１は、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの後述する受電コイルＬｒと対向する側とは反対側の面に沿って延びている。本実施形態においては、磁性体Ｆ１は、図２に示すように、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂと後述する受電コイルＬｒとの対向方向における後述する受電コイルＬｒ側の面（図示上面）の両端付近で、それぞれ第１のコイルＬｔａの磁性コアＣｔａと第２のコイルＬｔｂの磁性コアＣｔｂに接続されている。また、磁性体Ｆ１は、図２に示すように、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの並置方向における両側面（図示左側面及び右側面）において、それぞれ第３のコイルＬｔｃの磁性コアＣｔｃと第４のコイルＬｔｄの磁性コアＣｔｄに接続されている。このような構成により、第１のコイルＬｔａの磁性コアＣｔａは、第２のコイルＬｔｂの磁性コアＣｔｂに連結され、第３のコイルＬｔｃの磁性コアＣｔｃは、第１のコイルＬｔａの磁性コアＣｔａに連結され、第４のコイルＬｔｄの磁性コアＣｔｄは、第２のコイルＬｔｂの磁性コアＣｔｂに連結されることなる。すなわち、第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄそれぞれの磁性コアＣｔａ〜Ｃｔｄが全て連結されることとなるので、電力伝送に寄与する磁束をより効率良く発生させることができるとともに、漏洩磁界を相殺する磁束もより効率良く発生させることができる。その結果、コイル間に位置ずれが生じてもコイル間の磁気的結合の低下を抑制しつつ、コイルから離れた場所に形成される不要な漏洩磁界を低減する効果がより一層高くなる。

受電コイルＬｒは、図２に示されるように、磁性コアＣｒと巻線Ｗｒを備えている。受電コイルＬｒは、螺旋状に巻回されるソレノイドコイルであり、板状または棒状の磁性コアＣｒに巻線Ｗｒを巻回して形成されている。

続いて、図３及び図４を参照して、コイル間の位置に応じた第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄが発生する磁束の相対的な関係と不要な漏洩磁界の低減作用について詳細に説明する。図３ａは、図２において、送電コイルユニットと受電コイルに位置ずれが生じていない場合の電力伝送に寄与する磁束を模式的に示した図である。図３ｂは、図２において、送電コイルユニットと受電コイルに位置ずれが生じていない場合のコイルから離れた場所にまで大きく周回する磁束を模式的に示した図である。図４ａは、図２において、送電コイルユニットと受電コイルに位置ずれが生じた場合の電力伝送に寄与する磁束を模式的に示した図である。図４ｂは、図２において、送電コイルユニットと受電コイルに位置ずれが生じた場合のコイルから離れた場所にまで大きく周回する磁束を模式的に示した図である。なお、図３及び図４に示される磁束は、それぞれの磁束の向きのみを模式的に示したものであって、磁束密度を示すものではない。また、図３及び図４では、第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄの磁性コアＣｔａ〜Ｃｔｄと、磁性体Ｆ１と、受電コイルＬｒの磁性コアＣｒの中における磁束の図示は省略している。

まず、図３を参照して、送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの間に位置ずれが生じていない場合の第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄが発生する磁束の相対的な関係と不要な漏洩磁界の低減作用について詳細に説明する。なお、本例において、位置ずれが生じていない状態とは、送電コイルユニットＬｔｕ１の中心点と受電コイルの中心点を結ぶ仮想線が第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの軸方向と平行となる状態を指す。

送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの間に位置ずれが生じていない場合、図３ａに示されるように、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂによって電力伝送に寄与する磁束Ｂｔ１を発生させる。具体的には、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂが発生する磁束Ｂｔ１は、第１のコイルＬｔａを、第１のコイルＬｔａから受電コイルＬｒに向かう方向（図示上向き）に鎖交するとき、第２のコイルＬｔｂを、受電コイルＬｒから第２のコイルＬｔｂに向かう方向（図示下向き）に鎖交する。つまり、磁束Ｂｔ１は、第１のコイルＬｔａに鎖交する向きと第２のコイルＬｔｂに鎖交する向きが互いに逆向きとなっている。このような磁束Ｂｔ１を発生させるには、第１のコイルＬｔａが発生する磁界の方向と第２のコイルＬｔｂが発生する磁界の方向が互いに逆向きとなるようにすればよい。例えば、第１のコイルＬｔａと第２のコイルＬｔｂの巻回方向が互いに同じ向きの場合は、第１のコイルＬｔａに供給される電流の位相と第２のコイルＬｔｂに供給される電流の位相とが逆位相となるように、第１の駆動制御部Ｓａと第２の駆動制御部ＳｂがそれぞれインバータＩＮＶから第１のコイルＬｔａ及び第２のコイルＬｔｂに供給される電流の位相を制御すればよく、第１のコイルＬｔａと第２のコイルＬｔｂの巻回方向が互いに逆向きの場合は、第１のコイルＬｔａに供給される電流の位相と第２のコイルＬｔｂに供給される電流の位相とが同位相となるように、第１の駆動制御部Ｓａと第２の駆動制御部ＳｂがそれぞれインバータＩＮＶから第１のコイルＬｔａ及び第２のコイルＬｔｂに供給される電流の位相を制御すればよい。この磁束Ｂｔ１が受電コイルＬｒに鎖交することで、受電コイルＬｒの巻線Ｗｒに起電力が生じる。そして、受電コイルＬｒに生じた電力は、整流回路ＤＢによって整流され、負荷Ｒに出力される。

また、このとき第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂは、図３ｂに示されるように、磁束Ｂｔ１以外に第１のコイルＬｔａを、第１のコイルＬｔａから受電コイルＬｒへ向かう方向（図示上向き）に鎖交し、かつ、第２のコイルＬｔｂを、受電コイルＬｒから第２のコイルＬｔｂへ向かう方向（図示下向き）に鎖交しつつ、コイルから離れた場所にまで大きく周回する（図示時計回り）磁束Ｂｎ１を発生する。さらに、このとき第３のコイルＬｔｃは、図３ｂに示されるように、第１のコイルＬｔａを、第１のコイルＬｔａから受電コイルＬｒに向かう方向（図示上向き）に鎖交し、第３のコイルＬｔｃを、第３のコイルＬｔｃから第１のコイルＬｔａに向かう方向（図示右向き）に鎖交しつつ、コイルから離れた場所にまで大きく周回する（図示反時計回り）磁束Ｂｃ１ａを発生する。同様に、第４のコイルＬｔｄは、図３ｂに示されるように、第４のコイルＬｔｄを、第２のコイルＬｔｂから第４のコイルＬｔｄに向かう方向（図示右向き）に鎖交し、第２のコイルＬｔｂを、受電コイルＬｒから第２のコイルＬｔｂに向かう方向（図示下向き）に鎖交しつつ、コイルから離れた場所にまで大きく周回する（図示反時計回り）磁束Ｂｃ１ｂを発生する。

このような磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂを発生させるには、例えば、第３のコイルＬｔｃの巻線Ｗｔｃにおける第１のコイルＬｔａの巻線Ｗｔａと最も近接する部分（図示第３のコイルＬｔｃの巻線Ｗｔｃの上面部分）を通過する電流の向きが、第１のコイルＬｔａの巻線Ｗｔａにおける第３のコイルＬｔｃの巻線Ｗｔｃと最も近接する部分（図示第１のコイルＬｔａの巻線Ｗｔａの左側部分）を通過する電流の向きと同じとなるように、第３の駆動制御部ＳｃがインバータＩＮＶから第３のコイルＬｔｃに供給される電流の位相を制御すればよい。同様に、第４のコイルＬｔｄの巻線Ｗｔｄにおける第２のコイルＬｔｂの巻線Ｗｔｂと最も近接する部分（図示第４のコイルＬｔｄの巻線Ｗｔｄの上面部分）を通過する電流の向きが、第２のコイルＬｔｂの巻線Ｗｔｂにおける第４のコイルＬｔｄの巻線Ｗｔｄと最も近接する部分（図示第２のコイルＬｔｂの巻線Ｗｔｂの右側部分）を通過する電流の向きと同じとなるように、第４の駆動制御部ＳｄがインバータＩＮＶから第４のコイルＬｔｄに供給される電流の位相を制御すればよい。

ここで、磁束Ｂｎ１は、受電コイルＬｒに鎖交しないため、電力伝送には寄与せず、コイルの周辺に不要な漏洩磁界を形成する磁束となる。上述したように、第３のコイルＬｔｃが発生する磁束Ｂｃ１ａと第４のコイルＬｔｄが発生する磁束Ｂｃ１ｂもコイルから離れた場所を周回しており、この磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂの周回方向（図示反時計回り）は第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂが発生する磁束Ｂｎ１の周回方向（図示時計回り）とは逆向きである。つまり、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂが発生する磁束Ｂｎ１と、第３及び第４のコイルＬｔｃ，Ｌｔｄが発生する磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂは、送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所において、互いに打消し合うこととなる。したがって、送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所の磁束密度は低下し、その結果、不要な漏洩磁界が低減される。

続いて、図４を参照して、送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの間に位置ずれが生じた場合の第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄが発生する磁束の相対的な関係と不要な漏洩磁界の低減作用について詳細に説明する。図４に示す例においては、受電コイルＬｒが第３のコイルＬｔｃ側に位置ずれした状態を示している。

送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの間に位置ずれが生じた場合、図４ａに示されるように、第１及び第３のコイルＬｔａ，Ｌｔｃによって電力伝送に寄与する磁束Ｂｔ２を発生させる。具体的には、電力伝送に寄与する磁束Ｂｔ２は、第１のコイルＬｔａを、受電コイルＬｒから第１のコイルＬｔａに向かう方向（図示下向き）に鎖交するとき、第３のコイルＬｔｃを、第１のコイルＬｔａから第３のコイルＬｔｃに向かう方向（図示左向き）に鎖交する。このような磁束Ｂｔ２を発生させるには、例えば、第３のコイルＬｔｃの巻線Ｗｔｃにおける第１のコイルＬｔａの巻線Ｗｔａと最も近接する部分（図示第３のコイルＬｔｃの巻線Ｗｔｃの上面部分）を通過する電流の向きが、第１のコイルＬｔａの巻線Ｗｔａにおける第３のコイルＬｔｃの巻線Ｗｔｃと最も近接する部分（図示第１のコイルＬｔａの巻線Ｗｔａの左側部分）を通過する電流の向きと同じとなるように、第１及び第３の駆動制御部Ｓａ，ＳｃがそれぞれインバータＩＮＶから第１及び第３のコイルＬｔａ，Ｌｔｃに供給される電流の位相を制御すればよい。この磁束Ｂｔ２が受電コイルＬｒに鎖交することで、受電コイルＬｒの巻線Ｗｒに起電力が生じる。そして、受電コイルＬｒに生じた電力は、整流回路ＤＢによって整流され、負荷Ｒに出力される。なお、本実施形態においては、第３のコイルＬｔｃの軸方向が第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの軸方向と直交していることから、第１及び第３のコイルＬｔａ，Ｌｔｃが発生する磁束Ｂｔ２は、送電コイルユニットＬｔｕ１の外側に大きく周回し易くなる。つまり、送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの間に位置ずれが生じた場合であっても、受電コイルＬｒに鎖交する磁束Ｂｔ２を発生させ易くなる。

また、このとき第１及び第３のコイルＬｔａ，Ｌｔｃは、図４ｂに示されるように、磁束Ｂｔ２以外に第１のコイルＬｔａを、受電コイルＬｒから第１のコイルＬｔａに向かう方向（図示下向き）に鎖交し、第３のコイルＬｔｃを、第１のコイルＬｔａから第３のコイルＬｔｃに向かう方向（図示左向き）に鎖交しつつ、コイルから離れた場所にまで大きく周回する（図示時計回り）磁束Ｂｎ２を発生する。さらに、このとき第２及び第４のコイルＬｔｂ，Ｌｔｄは、図４ｂに示されるように、第２のコイルＬｔｂを、受電コイルＬｒから第２のコイルＬｔｂに向かう方向（図示下向き）に鎖交し、第４のコイルＬｔｄを、第２のコイルＬｔｂから第４のコイルＬｔｄに向かう方向（図示右向き）に鎖交しつつ、コイルから離れた場所にまで大きく周回する（図示反時計回り）磁束Ｂｃ２を発生する。

このような磁束Ｂｃ２を発生させるには、まず第２のコイルＬｔｂが発生する磁界の方向が、第１のコイルＬｔａが発生する磁界の方向と同じ向きとなるようにすればよい。例えば、第１のコイルＬｔａと第２のコイルＬｔｂの巻回方向が互いに同じ向きの場合は、第２のコイルＬｔｂに供給される電流の位相が第１のコイルＬｔａに供給される電流の位相と同位相となるように、第２の駆動制御部ＳｂがインバータＩＮＶから第２のコイルＬｔｂに供給される電流の位相を制御すればよく、第１のコイルＬｔａと第２のコイルＬｔｂの巻回方向が互いに逆向きの場合は、第２のコイルＬｔｂに供給される電流の位相が第１のコイルＬｔａに供給される電流の位相と逆位相となるように、第２の駆動制御部ＳｂがインバータＩＮＶから第２のコイルＬｔｂに供給される電流の位相を制御すればよい。また、第４のコイルＬｔｄの巻線Ｗｔｄにおける第２のコイルＬｔｂの巻線Ｗｔｂと最も近接する部分（図示第４のコイルＬｔｄの巻線Ｗｔｄの上面部分）を通過する電流の向きが、第２のコイルＬｔｂの巻線Ｗｔｂにおける第４のコイルＬｔｄの巻線Ｗｔｄと最も近接する部分（図示第２のコイルＬｔｂの巻線Ｗｔｂの右側部分）を通過する電流の向きと同じとなるように、第４の駆動制御部ＳｄがインバータＩＮＶから第４のコイルＬｔｄに供給される電流の位相を制御すればよい。

ここで、磁束Ｂｎ２は、受電コイルＬｒに鎖交しないため、電力伝送には寄与せず、コイルの周辺に不要な漏洩磁界を形成する磁束となる。上述したように、第２及び第４のコイルＬｔｂ，Ｌｔｄが発生する磁束Ｂｃ２もコイルから離れた場所を周回しており、この磁束Ｂｃ２の周回方向（図示反時計回り）は、第１及び第３のコイルＬｔａ，Ｌｔｃが発生する磁束Ｂｎ２の周回方向（図示時計回り）とは逆向きである。つまり、第１及び第３のコイルＬｔａ，Ｌｔｃが発生する磁束Ｂｎ２と第２及び第４のコイルＬｔｂ，Ｌｔｄが発生する磁束Ｂｃ２は、送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所において、互いに打消し合うこととなる。したがって、送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所の磁束密度は低下し、その結果、不要な漏洩磁界が低減される。

このように、第１〜第４の駆動制御部Ｓａ〜Ｓｄによって、第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｂに流れる電流の向きを制御することにより、送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの間に位置ずれが生じていない場合と送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの間に位置ずれが生じた場合のいずれであっても、電力伝送に寄与する磁束Ｂｔ１，Ｂｔ２を発生させることができるとともに、送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所において不要な漏洩磁界を形成する磁束Ｂｎ１，Ｂｎ２を相殺する磁束Ｂｃ１ａ，Ｂｃ１ｂ，Ｂｃ２も同時に発生させることができる。したがって、コイル間に位置ずれが生じてもコイル間の磁気的結合の低下を抑制しつつ、コイルから離れた場所に形成される不要な漏洩磁界を低減することができる。なお、本例においては、受電コイルＬｒが第３のコイルＬｔｃ側に位置ずれした状態について説明したが、受電コイルＬｒが第４のコイルＬｔｄ側に位置ずれした状態についても同様である。

以上のように、本発明に係る送電コイルユニットＬｔｕ１は、第１〜第４の駆動制御部Ｓａ〜Ｓｄが第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄの各コイルに流れる電流の向き又は位相を制御している。そのため、コイル間の位置ずれに応じて、電力伝送に寄与する磁束が鎖交するコイルに流れる電流の向きを整合させることができるとともに、電力伝送に寄与する磁束が鎖交しないコイルによって、電力伝送に寄与する磁束と周回方向が逆向きの磁束を発生させることができる。ここで、第３及び第４のコイルＬｔｃ，Ｌｔｄは、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの背面側であって、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの並び方向に第１のコイルＬｔａの中心と第２のコイルＬｔｂの中心を間に介して配置され、第３及び第４のコイルＬｔｃ，Ｌｔｄの軸方向は、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの軸方向と非平行である。このような構成により、第３及び第４のコイルＬｔｃ，Ｌｔｄに鎖交する磁束は、送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所にまで周回し易くなり、電力伝送に寄与する磁束をより送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所にまで周回させることができるとともに、漏洩磁界を相殺する磁束もより送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所にまで周回させることができる。したがって、コイル間に位置ずれが生じてもコイル間の磁気的結合の低下を抑制しつつ、送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所に不要な漏洩磁界を形成する磁束が相殺されることから、送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所に形成される不要な漏洩磁界を低減することができる。

以下、本実施形態によって、送電コイルユニットから離れた場所に形成される不要な漏洩磁界を低減しつつ、電力伝送効率の低下を抑制できることを実施例１と比較例１とによって具体的に示す。

実施例１として、上述した好適な実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１を用いた。比較例１として、実施例１と特性を比較するために、好適な実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１において、第３及び第４のコイルＬｔｃ、Ｌｔｄと第１〜第４の駆動制御部Ｓａ〜Ｓｄを取り除いたワイヤレス電力伝送装置を用いた。

まず、図５を参照して、比較例１のワイヤレス電力伝送装置における送電コイルユニットＬｔｕ１０と受電コイルＬｒ１０の構成を説明する。図５は、比較例１の送電コイルユニットを受電コイルとともに示す断面図である。送電コイルユニットＬｔｕ１０は、磁性体Ｆ１０と、第１及び第２のコイルＬｔ１０ａ，Ｌｔ１０ｂと、を備える。第１及び第２のコイルＬｔ１０ａ，Ｌｔ１０ｂは、それぞれ略方形を呈した平面状のスパイラル構造のコイルであり、第１のコイルＬｔ１０ａは、磁性コアＣｔ１０ａに巻線Ｗｔ１０ａが巻回されて形成されており、第２のコイルＬｔ１０ｂは、磁性コアＣｔ１０ｂに巻線Ｗｔ１０ｂが巻回されて形成されている。なお、第１のコイルＬｔ１０ａと第２のコイルＬｔ１０ｂの巻回方向は互いに逆向きであり、第１のコイルＬｔ１０ａと第２のコイルＬｔ１０ｂは、インバータＩＮＶに直列接続されている。磁性コアＣｔ１０ａ，Ｃｔ１０ｂは磁性体Ｆ１０を介して接続されている。すなわち、比較例１の送電コイルユニットＬｔｕ１０は、実施例１のワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の送電コイルユニットＬｔｕ１から、第３のコイルＬｔｃと第４のコイルＬｔｄと第１〜第４の駆動制御部Ｓａ〜Ｓｄを取り除いた形態である。また、受電コイルＬｒ１０は、螺旋状に巻回されるソレノイドコイルであり、板状または棒状の磁性コアＣｒ１０に巻線Ｗｒ１０を巻回して形成されている。なお、比較例１の受電コイルＬｒ１０は、実施例１のワイヤレス電力伝送装置Ｓ１における受電コイルＬｒと同様である。

ここで、実施例１、比較例１における、第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄ，Ｌｔ１０ａ，Ｌｔ１０ｂの巻線Ｗｔａ〜Ｗｔｄ，Ｗｔ１０ａ，Ｗｔ１０ｂ、及び受電コイルＬｒ，Ｌｒ１０の巻線Ｗｒ，Ｗｒ１０には、ポリイミドで被覆した直径０．０５ｍｍの銅線を４０００本程度撚り合わせた直径約６ｍｍのリッツ線を用いた。また、第１〜第４のコイルＬｔａ〜Ｌｔｄ，Ｌｔ１０ａ，Ｌｔ１０ｂの磁性コアＣｔａ〜Ｃｔｄ，Ｃｔ１０ａ，Ｃｔ１０ｂ、磁性体Ｆ１，Ｆ１０、及び受電コイルＬｒ，Ｌｒ１０の磁性コアＣｒ，Ｃｒ１０には、同じ材質のフェライト（比透磁率３０００程度）を用いた。

さらに、実施例１の送電コイルユニットＬｔｕ１においては、長さ３００ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ１５ｍｍの磁性体Ｆ１と、長さ１００ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ２４ｍｍの第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂの磁性コアＣｔａ，Ｃｔｂと、長さ４０ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ１５ｍｍの第３及び第４のコイルＬｃａ，Ｌｃｂの磁性コアＣｃａ，Ｃｃｂと、長さ３００ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの受電コイルＬｒの磁性コアＣｒを用いた。比較例１の送電コイルユニットＬｔｕ１０においては、長さ３００ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ１５ｍｍの磁性体Ｆ１０と、長さ１００ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ２４ｍｍの第１及び第２のコイルＬｔ１０ａ，Ｌｔ１０ｂの磁性コアＣｔ１０ａ，Ｃｔ１０ｂと、長さ３００ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍの受電コイルＬｒ１０の磁性コアＣｒ１０を用いた。

またさらには、実施例１の送電コイルユニットＬｔｕ１及び比較例１の送電コイルユニットにおいては、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂ，Ｌｔ１０ａ，Ｌｔ１０ｂの巻数は各１０ターンとし、受電コイルＬｒ，Ｌｒ１０の巻数は１０ターンとした。さらに、実施例１の送電コイルユニットＬｔｕ１においては、第３及び第４のコイルＬｔｃ，Ｌｔｄの巻き数は５ターンとした。

なお、実施例１及び比較例１において、それぞれのコイルユニットと受電コイルの間の距離は１５０ｍｍに設定した。

続いて、実施例１及び比較例１において、送電コイルユニットと受電コイルの磁気的な結合係数と不要な漏洩磁界を測定した。このとき、受電コイルは、位置ずれが生じていない状態、すなわち、送電コイルユニットと受電コイルの間の距離を１５０ｍｍに保ちつつ、受電コイルの中心と送電コイルユニットの中心を結ぶ仮想線における送電コイルユニットと受電コイルの間の距離も１５０ｍｍとなる状態を基点として、受電コイルを、受電コイルの軸方向に移動させながら、後述する結合係数が０．０５以下となるまで測定を繰り返した。なお、受電コイルの、基点からの移動量を位置ずれと定義し、第１のコイル側に移動させる方向を正方向と定義した。

ここで、実施例１においては、送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒの位置ずれ量が±１００ｍｍ程度以内の範囲では、第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂが双方のコイルを鎖交する磁束を発生し、第３及び第４のコイルＬｔｃ，Ｌｔｄが第１及び第２のコイルＬｔａ，Ｌｔｂが発生する磁束と周回方向が逆向きの磁束を発生するように、インバータＩＮＶから各コイルに供給される電流の位相を第１〜第４の駆動制御部Ｓａ〜Ｓｄによって制御し、送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒの位置ずれ量が±１００ｍｍ程度より大きい範囲では、第１及び第３のコイルＬｔａ，Ｌｔｃが発生する磁束の周回方向と第２及び第４のコイルが発生する磁束の周回方向が互いに逆向きとなるように、インバータＩＮＶから各コイルに供給される電流の位相を第１〜第４の駆動制御部Ｓａ〜Ｓｄによって制御した。

送電コイルユニットと受電コイルの磁気的な結合係数は、インピーダンスアナライザを用いて測定した送電コイルユニットと受電コイルのインダクタンスから算出した。具体的には、送電コイルユニットと受電コイルの相互インダクタンスの２乗を送電コイルユニットの自己インダクタンスと受電コイルの自己インダクタンスで除して平方根をとったものを結合係数として算出した。

不要な漏洩磁界は、送電コイルユニットの中心から１０ｍ離れた位置の磁界強度を指標とした。送電コイルユニットの中心から、受電コイルの軸方向に１０ｍ離れた位置にループアンテナを設置して磁界強度を測定した。ここで、ループアンテナでは、直交する３方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）の磁界強度を測定し、これらを合成することで漏洩磁界強度を算出した。なお、送電コイルユニットは床面から４００ｍｍの高さに電力を伝送する面を上に向けて設置しており、受電コイルは、コイルユニットの上に１５０ｍｍの間隔を空けて設置した。また、ループアンテナは中心が電波暗室の床から１．５ｍの高さとなるように設置した。なお、このとき電源ＰＷの供給電力は、負荷Ｒに供給される電力が３ｋＷとなるように調節した。

結合係数の測定結果を図６に示す。図６に示されるように、実施例１は、比較例１に比べて、位置ずれ０ｍｍでの結合係数は低いが、位置ずれ量が±１００から±２００の範囲における結合係数は顕著に高い。すなわち、実施例１では、送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの間に位置ずれが生じた場合のコイル間の磁気的結合の低下が抑制されていることが確認できた。

漏洩磁界強度の測定結果を図７に示す。図７中、（ａ）は、実施例１において位置ずれ量が０ｍｍにおける漏洩磁界強度を示し、（ｂ）は、実施例１おいて位置ずれ量が２００ｍｍにおける漏洩磁界強度を示し、（ｃ）は、比較例１において位置ずれ量が０ｍｍにおける漏洩磁界強度を示している。図７に示されるように、実施例１の漏洩磁界強度は、（ａ）及び（ｂ）のいずれの場合であっても、（ｃ）の場合に比べて、漏洩磁界強度が顕著に低い。すなわち、実施例１では、送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所に形成される不要な漏洩磁界が低減されている。このように、実施例１の送電コイルユニットＬｔｕ１は、送電コイルユニットＬｔｕ１と受電コイルＬｒとの間に位置ずれが生じた場合であっても、送電コイルユニットＬｔｕ１から離れた場所に形成される不要な漏洩磁界を低減できていることが確認できた。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

Ｓ１…ワイヤレス電力伝送装置、Ｕｔ１…ワイヤレス送電装置、ＰＷ…電源、ＩＮＶ…インバータ、Ｕｒ…ワイヤレス受電装置、Ｌｔｕ１，Ｌｔｕ１０…送電コイルユニット、Ｓａ…第１の駆動制御部、Ｓｂ…第２の駆動制御部、Ｓｃ…第３の駆動制御部、Ｓｄ…第４の駆動制御部、Ｌｔａ，Ｌｔ１０ａ…第１のコイル、Ｌｔｂ，Ｌｔ１０ｂ…第２のコイル、Ｌｔｃ…第３のコイル、Ｌｔｄ…第４のコイル、Ｃｔａ，Ｃｔ１０ａ…第１のコイルの磁性コア、Ｃｔｂ，Ｃｔ１０ｂ…第２のコイルの磁性コア、Ｃｔｃ…第３のコイルの磁性コア、Ｃｔｄ…第４のコイルの磁性コア、Ｗｔａ、Ｗｔ１０ａ…第１のコイルの巻線、Ｗｔｂ、Ｗｔ１０ｂ…第２のコイルの巻線、Ｗｔｃ…第３のコイルの巻線、Ｗｔｄ…第４のコイルの巻線、Ｆ１，Ｆ１０…磁性体、Ｌｒｕ…受電コイルユニット、Ｌｒ、Ｌｒ１０…受電コイル、Ｃｒ、Ｃｒ１０…受電コイルユニットの磁性コア、Ｗｒ、Ｗｒ１０…受電コイルユニットの巻線、ＤＢ…整流回路、Ｒ…負荷。

Claims (3)

1. 送電側から受電側へのワイヤレス電力伝送用に用いられるコイルユニットであって、
   並置された第１及び第２のコイルと、
   前記第１のコイルの背面側に配置された第３のコイルと、
   前記第２のコイルの背面側に配置された第４のコイルと、
   駆動制御部と、を備え、
   前記第３及び第４のコイルの軸方向は、前記第１及び第２のコイルの軸方向と非平行であり、
   前記第３及び第４のコイルは、前記第１及び第２のコイルの並び方向に前記第１のコイルの中心と前記第２のコイルの中心を間に介して配置され、
   前記駆動制御部は、前記第１〜第４のコイルの各コイルに流れる電流の向き又は位相を制御することを特徴とするコイルユニット。
2. 前記第３のコイルの軸方向は、前記第１のコイルの軸方向に対して略直交し、
   前記第４のコイルの軸方向は、前記第２のコイルの軸方向に対して略直交することを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記第１〜第４のコイルは、それぞれ磁性コアをさらに備え、
   前記第１のコイルの磁性コアは、前記第２のコイルの磁性コアに連結され、
   前記第３のコイルの磁性コアは、前記第１のコイルの磁性コアに連結され、
   前記第４のコイルの磁性コアは、前記第２のコイルの磁性コアに連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のコイルユニット。

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