CN103368238A - 非接触供电系统 - Google Patents

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CN103368238A CN2013100312155A CN201310031215A CN103368238A CN 103368238 A CN103368238 A CN 103368238A CN 2013100312155 A CN2013100312155 A CN 2013100312155A CN 201310031215 A CN201310031215 A CN 201310031215A CN 103368238 A CN103368238 A CN 103368238A
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中谷克俊
佐川正宪
小谷一夫
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Abstract

本发明涉及非接触供电系统。本发明要解决的问题是提供能够扩大可以高效率地从送电侧向受电侧传输电力的频带的非接触供电系统。作为解决问题的手段，以非接触的方式从送电侧的交流电源（21）向作为受电侧的负载的蓄电池（220）供电的非接触供电系统（1）具有：供给来自交流电源（21）的交流电的送电侧谐振线圈（41）、以及具有与送电侧谐振线圈（41）电磁耦合的谐振频率的受电侧谐振线圈（42），在送电侧谐振线圈（41）与交流电源（21）之间设置有环形变压器（31），并且在受电侧谐振线圈（42）与蓄电池（220）之间设置有环形变压器（32）。

Description

非接触供电系统
技术领域
本发明涉及利用电磁场谐振方式的非接触供电系统。
背景技术
以往，通过利用电磁场的谐振现象的电磁场谐振方式，从供电侧向受电侧以非接触的方式供电的非接触供电系统是已知的（例如，参见专利文献1）。
专利文献1中记载的车辆用谐振型非接触供电系统具有从电源接受电力供给的送电侧谐振线圈和接受来自送电侧谐振线圈的电力的车辆侧的受电侧谐振线圈而构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-34468号公报
发明内容
本发明要解决的问题
电磁场的谐振现象，在送电侧谐振线圈和受电侧谐振线圈为相同的形状和大小、并且以送电侧和受电侧的谐振线圈的谐振频率传输电力时，效率最高，如果供给到送电侧谐振线圈的交流电的频率偏离该谐振频率的话，电力的传输效率降低。
但是，例如普及该非接触供电系统时，认为可在由不同厂商制造的谐振线圈之间进行电力传输，可能存在如下情况等：由于谐振线圈的形状或大小不同、或者加工误差或组装误差等，导致送电侧谐振线圈的谐振频率与受电侧谐振线圈的谐振频率不同、或者偏离了两谐振线圈的谐振频率的频率的交流电被供给到送电侧谐振线圈。这样的情况下，从送电侧向受电侧的电力传输效率降低。
因此，本发明的目的是提供能够扩大可以高效率地从送电侧向受电侧传输电力的频带的非接触供电系统。
解决问题的手段
本发明的目的是解决上述问题，提供一种非接触供电系统，其特征在于，其为以非接触的方式从送电侧的交流电源向受电侧的负载供电的非接触供电系统，其具有：供给来自所述交流电源的交流电的送电侧谐振线圈、以及具有与所述送电侧谐振线圈电磁耦合的谐振频率的受电侧谐振线圈，在所述送电侧谐振线圈与所述交流电源之间设置有送电侧变压器，并且在所述受电侧谐振线圈与所述负载之间设置有受电侧变压器
另外，所述送电侧变压器中，所述交流电源侧的初级线圈的匝数比所述送电侧谐振线圈侧的次级线圈的匝数少；所述受电侧变压器中，所述受电侧谐振线圈侧的初级线圈的匝数比所述负载侧的次级线圈的匝数多。
另外，所述送电侧变压器中，所述送电侧谐振线圈侧的次级线圈的匝数是所述交流电源侧的初级线圈的匝数的2倍以下；所述受电侧变压器中，所述受电侧谐振线圈侧的初级线圈的匝数是所述负载侧的次级线圈的匝数的2倍以下。
发明的效果
通过本发明的非接触供电系统，能够扩大可以高效率地从送电侧向受电侧传输电力的频带。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的非接触供电系统的概略结构的结构图。
图2是详细表示环形变压器的结构的外观图。
图3详细表示送电侧谐振线圈和受电侧谐振线圈，（a）是从连接器侧看的立体图，（b）是从其相反侧看的立体图。
图4（a）是显示改变环形变压器的初级线圈和次级线圈的匝数时的电力传输损失与交流电频率的关系的图表，（b）是（a）的A部放大图。
图5（a）是显示，作为比较例，在送电装置中不设置环形变压器时，改变受电装置的环形变压器的匝数时的电力传输损失与交流电频率的关系的图表，（b）是（a）的B部放大图。
图6（a）是显示，作为比较例，在受电装置中不设置环形变压器时，改变送电装置的环形变压器的匝数时的电力传输损失与交流电频率的关系的图表，（b）是（a）的C部放大图。
符号说明
1：非接触供电系统、11：送电装置、12：受电装置、21：交流电源、31：环形变压器（送电侧变压器）、32：环形变压器（受电侧变压器）、41：送电侧谐振线圈、41a：馈电点、42：受电侧谐振线圈、42a：输出点、220：蓄电池、221：整流器、310：磁芯、311：初级线圈、312：次级线圈、320：磁芯、321：初级线圈、322：次级线圈、410，420：圆筒部件、411，421：绕组、411a，421a：第1绕组、411a1，421a1：一端、411a2，421a2：另一端、411b，421b：第2绕组、411b1，421b1：一端、411b2，421b2：另一端、412，422：连接器、412a，422a：第1接点、412b，422b：第2接点
具体实施方式
[实施方式]
图1是表示本实施方式的非接触供电系统的概略结构的结构图。
该非接触供电系统1是以非接触的方式从送电装置11向受电装置12供应电力的系统，受电装置12例如是具有电动机作为行驶用驱动源的车辆、或者手机等便携式信息终端。
送电装置11具有交流电源21、作为送电侧变压器的环形变压器31和送电侧谐振线圈41。受电装置12具有作为负载的蓄电池220、整流器221、作为受电侧变压器的环形变压器32和受电侧谐振线圈42。并且，非接触供电系统1通过送电侧谐振线圈4和受电侧谐振线圈42的电磁场谐振现象，以非接触的方式从送电侧的交流电源21向受电侧的蓄电池220供电。
交流电源21例如通过晶体管等开关元件而输出规定频率的交流电。
环形变压器31设置在交流电源21与送电侧谐振线圈41之间，具有：环状的由磁性体形成的磁芯310、在磁芯310上卷绕的交流电源21侧的初级线圈311以及在相同的磁芯310上卷绕的送电侧谐振线圈41侧的次级线圈312。
送电侧谐振线圈41中，绕组411以螺旋状卷绕而形成环状，从交流电源21输出的交流电通过环形变压器31被供给到连接有连接器412的馈电点41a。绕组411例如是对铜等良导电性的金属导体进行搪瓷包覆而成的漆包线。该送电侧谐振线圈41具有与从交流电源21输出的交流电的频率对应的谐振频率。
受电侧谐振线圈42形成为与送电侧谐振线圈41相同的形状和大小，且具有与送电侧谐振线圈41的谐振频率相同的谐振频率。即，受电侧谐振线圈42具有与送电侧谐振线圈41电磁耦合的谐振频率。另外，受电侧谐振线圈42中，绕组421以螺旋状卷绕而形成环状，环形变压器32与连接有连接器422的输出点42a连接。本实施方式中，送电侧谐振线圈41的绕组411和受电侧谐振线圈42的绕组421分别卷绕了5次。
环形变压器32设置在受电侧谐振线圈41与整流器221之间、即受电侧谐振线圈42与蓄电池220之间，具有：环状的由磁性体形成的磁芯320、在磁芯320上卷绕的受电侧谐振线圈42侧的初级线圈321以及在相同的磁芯320上卷绕的整流器221侧的次级线圈322。
整流器221对环形变压器32的次级线圈322中产生的交流电进行整流，并转换为直流电而供给至蓄电池220。该整流器221例如具有二极管电桥电路和平滑电路而构成。
蓄电池220例如是包括离子电池、镍氢电池的二次电池。蓄电池220中储存的电力例如供于电动机的驱动、具有CPU（中央处理单元，Central ProcessingUnit）等的电路的工作。
图2是更详细地显示环形变压器31、32的外观图。由于环形变压器31、32具有相同的结构，因此图2中，将环形变压器31的构成要素的符号与环形变压器32的构成要素的符号一并记载。
环形变压器31是在环状的磁芯310上卷绕初级线圈311和次级线圈312而成的。图2所示的例子中，初级线圈311的匝数是7，次级线圈312的匝数是10。初级线圈311和次级线圈312分别按照绕磁芯310一周的方式来卷绕。
另外，同样地，环形变压器32是在环状的磁芯320上卷绕初级线圈321和次级线圈322而成的。图2所示的例子中，初级线圈321的匝数是10，次级线圈322的匝数是7。初级线圈321和次级线圈322分别按照绕磁芯320一周的方式来卷绕。
如此，本实施方式中，环形变压器31的初级线圈311的匝数与环形变压器32的次级线圈322的匝数相同，环形变压器31的次级线圈312的匝数与环形变压器32的初级线圈321的匝数相同。环形变压器31中，初级线圈311的匝数比次级线圈312的匝数少，环形变压器32中，初级线圈321的匝数比次级线圈322的匝数多。
图3更详细地表示送电侧谐振线圈41和受电侧谐振线圈42，（a）是从连接器412、422侧看的立体图，（b）是从其相反侧看的立体图。由于送电侧谐振线圈41和受电侧谐振线圈42具有相同的结构，因此在图3中，将送电侧谐振线圈41的构成要素的符号和受电侧谐振线圈42的构成要素的符号一并记载。
送电侧谐振线圈41在由树脂形成的圆筒部件410的外周以螺旋状卷绕有绕组411。绕组411包含：从连接有连接器412的馈电点41a朝向圆筒部件410的轴方向的一方而以螺旋状卷绕的第1绕组411a、和从馈电点41a朝向圆筒部件410的轴方向的另一方而以螺旋状卷绕的第2绕组411b。
连接器412具有针状的第1接点412a和以包围第1接点412a的方式设置的筒状的第2接点412b。第1接点412a上连接有第1绕组411a的一端411a1，第2接点412b上连接有第2绕组411b的一端411b1。第1绕组411a的另一端411a2和第2绕组411b的另一端411b2是开放的。
如此构成的非接触供电系统1中，由交流电源21输出的交流电通过环形变压器31而升压，并被供给至送电侧谐振线圈41。由此，送电侧谐振线圈41振荡，送电侧谐振线圈41和受电侧谐振线圈41谐振而发生电磁耦合。由此，以非接触的方式将电力从送电侧谐振线圈41传输至受电侧谐振线圈42。
被传输到受电侧谐振线圈42的电力通过环形变压器32而降压，通过整流器221而进行整流，并被供给至蓄电池220。蓄电池220通过化学反应而将供给的电力储存。
图4（a）是与不设置环形变压器31、32的情况进行比较，显示在本实施方式的非接触供电系统1中改变环形变压器31和环形变压器32的初级线圈311、321和次级线圈312、322的匝数时的电力传输损失与交流电源21输出的交流电频率的关系的图表，图4（b）是图4（a）的A部放大图。
该实验中，使环形变压器31的初级线圈311的匝数和环形变压器32的次级线圈322的匝数均为7，将环形变压器31的次级线圈312的匝数和环形变压器32的初级线圈321的匝数变更为7、10、14三种，测定传输损失。以下，环形变压器31的初级线圈311的匝数和环形变压器32的次级线圈322的匝数用记号N1表示，环形变压器31的次级线圈312的匝数和环形变压器32的初级线圈321的匝数用N2表示。
该图表中，粗实线和用“■”表示的曲线表示不设置环形变压器31、32时的特性，细实线和用“◆”表示的曲线表示N1=7、N2=10时的特性，虚线和用“○”表示的曲线表示N1=7、N2=7时的特性，点划线和用“▲”表示的曲线表示N1=7、N2=14时的特性.
如该图表所示，不设置环形变压器21、32时，以16MHz为中心，其两侧的频带中出现急剧上升的部分。这种情况下，例如，如果要将传输损失抑制在3dB以下，则必须使交流电源21输出的交流电的频率符合14.7MHz附近和17.8MHz附近的狭窄频带。
另一方面，N1=7、N2=10时，在约13.7MHz至约17.4MHz的较宽的频带中，传输损失被抑制在3dB以下。另外，N1=7、N2=14时，尽管与N1=7、N2=10时相比频带宽度变窄，但在约14.1MHz至约17MHz的频带中，传输损失仍被抑制在3dB以下。N1=7、N2=7时，在约15.5MHz附近，传输损失变大，在其两侧的频带中出现传输损失变小的急剧上升部。但是，即使这种情况下，传输损失达到3dB以下的频带宽度也比不设置环形变压器31、32时要宽。
如此，设置环形变压器31、32，且使初级线圈和次级线圈311、312、321、322的匝数满足N1≤N2≤2N1的关系，即，使环形变压器31的次级线圈312的匝数（N2）为初级线圈311的匝数（N1）的2倍以下，并且使环形变压器32的初级线圈321的匝数（N2）为次级线圈322的匝数（N1）的2倍以下时，与不设置环形变压器31、32的情况相比，可以在宽频带中使传输损失为3dB以下。
（比较例1）
图5（a）是，作为比较例，与不设置环形变压器31、32的情况进行比较，显示在受电装置12中设置环形变压器32、在送电装置11中不设置环形变压器31、将交流电源21和送电侧谐振线圈41直接连接的情况下，使环形变压器32的次级线圈322的匝数为7，将初级线圈321的匝数变为7、10、14三种时的电力传输损失与交流电源21输出的交流电频率的关系的图表，图5（b）是图5（a）的B部放大图。
如图5（a）和（b）所示，送电装置11中不设置环形变压器31时，即使改变初级线圈321的匝数，与不设置环形变压器31、32的情况相比，传输损失也增大。结果，传输损失达到3dB以下的频带宽度不存在，或者，与不设置环形变压器31、32时相比传输损失达到3dB以下的频带宽度变窄。
（比较例2）
图6（a）是，作为比较例，与不设置环形变压器31、32的情况进行比较，显示在送电装置11中设置环形变压器31、在受电装置12中不设置环形变压器32、将受电侧谐振线圈42和整流器221直接连接的情况下，使环形变压器31的初级线圈311的匝数为7，使次级线圈312的匝数变为7、10、14三种时的电力传输损失与交流电源21输出的交流电频率的关系的图表，图6（b）是图6（a）的C部放大图。
如图6（a）和（b）所示，受电装置12中不设置环形变压器32的情况下，次级线圈312的匝数为14时，在比不设置环形变压器31、32时更宽的频带宽度中传输损失达到3dB以下，但次级线圈312的匝数为7或10时，与不设置环形变压器31、32的情况相比，传输损失达到3dB以下的频带宽度变窄。
（实施方式的效果）
根据以上说明的本实施方式，能够扩大可以高效率（传输损失为3dB以下）地从送电装置11向受电装置12传输电力的频带。
以上说明了本发明的实施方式，但上述记载的实施方式不限制权利要求的范围。另外，应该注意，实施方式中说明的特征的全部组合并不是解决本发明课题的手段所必须的。
另外，在不脱离本发明宗旨的范围内，本发明可以进行各种变形来实施。例如，送电装置11和受电装置12中也可以附加图1等所示结构以外的结构。或者，也可以省略图1等所示结构的一部分要素（整流器221等）。另外，上述实施方式中，对使用环形变压器作为变压器的情况进行了说明，但变压器的形式不限于环形变压器，可以使用各种形式的变压器。另外，对送电侧谐振线圈41和受电侧谐振线圈42的形状等也没有特别限制。

Claims (3)

1.一种非接触供电系统，其特征在于，其为以非接触的方式从送电侧的交流电源向受电侧的负载供电的非接触供电系统，其具有：供给来自所述交流电源的交流电的送电侧谐振线圈、以及具有与所述送电侧谐振线圈电磁耦合的谐振频率的受电侧谐振线圈，在所述送电侧谐振线圈与所述交流电源之间设置有送电侧变压器，并且在所述受电侧谐振线圈与所述负载之间设置有受电侧变压器。
2.根据权利要求1所述的非接触供电系统，其特征在于，所述送电侧变压器中，所述交流电源侧的初级线圈的匝数比所述送电侧谐振线圈侧的次级线圈的匝数少，
所述受电侧变压器中，所述受电侧谐振线圈侧的初级线圈的匝数比所述负载侧的次级线圈的匝数多。
3.根据权利要求2所述的非接触供电系统，其特征在于，所述送电侧变压器中，所述送电侧谐振线圈侧的次级线圈的匝数是所述交流电源侧的初级线圈的匝数的2倍以下，
所述受电侧变压器中，所述受电侧谐振线圈侧的初级线圈的匝数是所述负载侧的次级线圈的匝数的2倍以下。
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