CN104247208B - 非接触电力传输装置及方法 - Google Patents

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Abstract

是在供电线圈(L1)与受电线圈(L2)之间以非接触方式传输电力的非接触电力传输装置(1)，其具备：金属部件(M)；向所述供电线圈供给所述电力的供电部(13)；测定所述受电线圈相对于所述供电线圈的相对位置的测定部(14)；以及控制所述供电部的控制部(15)，所述控制部与所述测定部测定到的所述相对位置对应地使所述电力变化，以使流过所述金属部件的感应电流变小。根据本发明，能够提供一种即使供电线圈与受电线圈的相对的位置关系发生变化，也能够限制流过金属部件的感应电流，抑制金属部件的过热的非接触电力传输装置以及方法。

Description

非接触电力传输装置及方法
技术领域
本发明涉及一种以非接触方式进行电力传输的非接触电力传输装置以及方法。
本发明基于2012年3月26日在日本递交的日本专利申请2012-69247号主张其优先权，在此引用其内容。
背景技术
非接触电力传输装置具有不需要用于传输电力的布线(电缆)节省连接劳力，不需要考虑接点的耐久性或接点不良等各种优点。因此，近年来不仅用于传输电力来对设置在家庭电器产品等民用设备中的电池进行充电，还用于传输用于驱动工业机械(例如、平台、机械臂、起重机、机器人)的电力。
在以下的专利文献1中公开了以非接触方式对半导体制造装置中的运送装置传输电力的非接触电力传输装置。具体而言，当运送台停止在在运送台的移动路径即运送路径上设置的停止位置时，通过电磁感应作用从设置在停止位置的电压供给装置对停止状态的运送台供给电力的技术。此外，在以下的专利文献2、3中公开了以非接触方式对移动电话等民用设备或车辆等移动体传输电力的非接触电力传输装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-51137号公报
专利文献2：日本特开2008-236916号公报
专利文献3：日本特开2009-225551号公报
发明内容
发明要解决的课题
在传输用于驱动上述工业机械的电力的用途中，有时在供电对象设备(平台或机械臂等)的可动部进行运动的状态(例如，进行直线运动或旋转运动的状态)下，从非接触电力传输装置向供电对象设备进行电力传输。
此外，大多情况下这样的供电对象设备其一部分具有金属部件。
然而，当对可动部传输电力时，由于可动部进行运动，非接触电力传输装置的供电线圈与设置在可动部的受电线圈的相对位置变化，从供电线圈向受电线圈传输电力的电磁场分布也发生变化。当电磁场的分布靠近金属部件，金属部件周围的电磁场变强时，在金属部件中流过感应电流，不仅非接触电力传输的效率下降，而且金属部件过热，有可能成为安装在金属部件上的装置或部件发生动作不良或故障的原因。
本发明是鉴于上述问题点而提出的，其目的在于提供一种非接触电力传输装置以及方法，即使受电线圈与供电线圈的相对的位置关系发生变化，也能够限制流过金属部件的感应电流，抑制金属部件的过热。
解决课题的手段
为解决上述问题，本发明的非接触电力传输装置的一个方式是一种在供电线圈与受电线圈之间以非接触方式传输电力的非接触电力传输装置，其具备：金属部件；向所述供电线圈供给所述电力的供电部；测定所述受电线圈相对于所述供电线圈的相对位置的测定部；以及控制所述供电部的控制部，所述控制部与所述测定部测定到的所述相对位置对应地使所述电力变化，以使流过所述金属部件的感应电流变小。
本发明的非接触电力传输方法的一个方式是一种在供电线圈与受电线圈之间以非接触方式传输电力的非接触电力传输方法，其具备：向所述供电线圈供给所述电力的第一步骤；测定所述受电线圈相对于所述供电线圈的相对位置的第二步骤；与测定到的所述相对位置对应地使所述电力变化，以使流过金属部件的感应电流变小的第三步骤。
发明效果
根据本发明，控制部与测定部测定到的相对位置对应地使电力变化，以使流过金属部件的感应电流变小。因此，即使受电线圈与供电线圈的相对的位置关系发生变化而靠近金属部件，流过金属部件的感应电流也会变小，因此能够抑制金属部件的过热。
附图说明
图1是表示本发明的非接触电力传输装置的使用方式的图。
图2是表示本发明的非接触电力传输装置的第一实施方式的框图。
图3是表示本发明第一实施方式的供电部的输出波形的图。
图4是表示占空比表的一例的图。
图5是表示本发明的非接触电力传输装置的第二实施方式的框图。
图6是表示本发明的非接触电力传输装置的第三实施方式的框图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。另外，在各图中对共通的部分赋予相同的符号，并省略重复的说明。
图1是表示本发明的非接触电力传输装置1的使用方式的图。
在该图中，非接触电力传输装置1具备供电线圈L1和受电线圈L2，从供电线圈L1对受电线圈L2以非接触方式传输电力。
图1所示的供电线圈L1以及受电线圈L2是平面视图形状(在Z方向上观察到的形状)都为长方形形状的线圈，通过将这些线圈配置成接近的状态来形成电磁耦合电路。该电磁耦合电路表示供电线圈L1与受电线圈L2电磁耦合，从供电线圈L1向受电线圈L2以非接触方式进行供电的电路。即，电磁耦合电路可以是通过“电磁感应方式”进行供电的电路和通过“电磁场共振方式”进行供电的电路中的任一个电路。
将供电线圈L1设置在位置以及姿势被固定的固定部P1上，将受电线圈L2设置在位置以及姿势可变的可动部P2上。因此，由于可动部P2的位置以及姿势变化，固定部P1的供电线圈L1和可动部P2的受电线圈L2的相对位置以及姿势变化。为了防止电力传输效率的过度降低，将固定部P1的供电线圈L1安装在在可动部P2的可动范围内大致与受电线圈L2正对的位置上。
在此，在本说明书中“位置”是指图1中所示的XYZ正交坐标系中的X方向、Y方向、Z方向的位置，“姿势”是指围绕X轴、Y轴、Z轴的旋转。此外，“相对位置”是指“相对的位置以及姿势的位移”。
此外，在本实施方式中，为了使说明变得简单，可动部P2具有在XY平面内并行移动(2自由度)和绕Z轴的旋转(1自由度)的3自由度。作为具备这样的固定部P1以及可动部P2的装置，例如可以举出在装载了物体的状态下进行移动的平台装置。即，在装载了物体的状态下能够移动的平台为可动部P2，使平台在XY平面内并行移动，并且围绕Z轴旋转的平台驱动装置为固定部P1。
此外，在图1中，M是金属部件。金属部件M是金属制造的结构物或部件，被设置在固定部P1或可动部P2一方或双方上。
图2是表示本发明的非接触电力传输装置1的第一实施方式的框图。
如该图所示，非接触电力传输装置1大致分为设置在固定部P1侧(供电侧)的结构和设置在可动部P2侧(受电侧)的结构。供电侧的结构由以下构成：除了上述的供电线圈L1外，还有外部电源11、整流电路12、供电部13、测定部14以及控制部15等。与此相对，受电侧的结构由以下构成：除了上述的受电线圈L2外，还有受电电路21等。另外，设置在受电侧的负载22是被供给以非接触方式传输的电力的负载，例如是在可动部P2上搭载的设备中内置的电动机等。
外部电源11供给电力，该电力是用于产生应当向可动部P2传输的电力所需要的电力，例如供给电压为200[V]的三相交流电力。该外部电源11并不局限于三相交流电源，也可以供给例如商用交流电源的单相交流电力。
整流电路12是对从外部电源11供给的交流电力进行整流，变换成直流电力的电路，例如，如图2所示，通过三相全波整流电路(桥式整流电路)来实现。
作为外部电源11，能够利用燃料电池或太阳能电池等直流电源。此时，可以省略整流电路12。
供电部13经由通过供电线圈L1和设置在可动部P2的受电线圈L2形成的电磁耦合电路，以非接触方式将从整流电路12供给的电力提供给可动部P2。具体而言，供电部13在控制部15的控制下，通过将来自整流电路12的直流电力变换成交流电力后提供给供电线圈L1，来实现对可动部P2的非接触供电。
即，供电部13是通过控制部15的控制，将来自整流电路12的直流电力变换成交流电力的电力变换电路。该供电部13例如如图2所示，通过将开关支路13a、13b(由串联连接的两个晶体管和分别与这些两个晶体管并联连接的二极管构成的电路)并联连接的电路来实现。在此，以晶体管为代表，但也可以是功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor绝缘栅双极晶体管)等电力控制半导体元件。
在供电部13与供电线圈L1之间设置两个电容器C1。该电容器C1与供电线圈L1一起形成串联共振电路。供电线圈L1的一端经由一方的电容器C1与供电部13的开关支路13a连接，供电线圈L1的另一端经由另一方的电容器C1与供电部13的开关支路13b连接。
测定部14具备三个位移测定器14a～14c，用于测定受电线圈L2相对于供电线圈L1的相对位置(相对的位置以及姿势的位移)。位移测定器14a测定上述位移中的X方向上的位置的位移(Xm)。位移测定器14b测定上述位移中的Y方向上的位置的位移(Ym)。位移测定器14c测定上述位移中的围绕Z轴的旋转方向上的旋转角的位移(θm)。作为位移测定器14a、14b，例如能够应用磁致伸缩式直线传感器、磁栅尺、使用光的干涉图形的长度测量器。此外，作为位移测定器14c可以使用旋转编码器或旋转变压器等。
控制部15具备传输电力选择器15a、振荡电路15b、驱动时钟生成电路15c以及驱动控制电路15d，与测定部14测定到的所述相对位置对应地使所述电力变化，以使流过金属部件M的感应电流变小。
在该例子中，控制部15根据占空比表T(后述)，与测定部14测定到的所述相对位置对应地使供电线圈L1与受电线圈L2之间的电力的占空比D变化。
另外，“占空比D”是指相对于从供电线圈L1向受电线圈L2能够传输的最大电力的实际的传输比率(％)。
传输电力选择器15a具有占空比表T，该占空比表T存储为了流过金属部件M的感应电流变小与所述相对位置对应的电力的占空比D。传输电力选择器15a根据分别从测定部14的位移测定器14a～14c输出的位移(Xm，Ym，θm)的组合，确定受电线圈L2针对供电线圈L1的相对位置，求出并输出该相对位置的电力的占空比D。
具体而言，传输电力选择器15a使用占空比表T求出上述占空比D。例如，通过具有CPU(中央处理装置)以及存储器等的微处理器与用于实现传输电力选择器15a的功能的程序的协同合作，来实现传输电力选择器15a。
受电电路21对从受电线圈L2供给的交流电力进行整流变换为直流电力，例如图2所示，通过三相全波整流电路(桥式整流电路)来实现。此外，在受电线圈L2与受电电路21的之间，与受电线圈L2并联连接电容器C2。
图3是表示本发明的第一实施方式的供电部13的输出波形的图。
在该图中，(A)表示占空比D为100％时的开关支路13a的波形，(B)表示占空比D为50％时的开关支路13a的波形，(C)表示占空比D为25％时的开关支路13a的波形。开关支路13b成为上下反转的波形。
在各图中，中心的水平线是上下的晶体管双方都是非导通的状态，上侧的水平线是上方的晶体管导通的状态，下侧的水平线是下方的晶体管导通的状态。
在图3的(A)(B)(C)中，各波形的周期相同，(A)上下的晶体管无论哪一个都始终导通，(B)50％导通，(C)25％导通。
另外，在该例子中，占空比D是开关支路13a、13b的晶体管导通的时间相对于全体时间的比率，频率没有发生变化。但是，可以与占空比D并用使频率发生变化。
通过从供电线圈L1输出上述供电部13的输出波形，能够控制供电线圈L1与受电线圈L2之间的传输电力。
图4是表示占空比表T的一例的图。
如该图所示，占空比表T表示可动部P2相对于固定部P1的相对位置以及姿势的位移(Xm，Ym，θm)与占空比D的关系。根据预先进行的实验或仿真结果，与在供电线圈L1与受电线圈L2之间产生的电磁场与金属部件M的相对距离对应地预先设定该占空比表T。
图4所示的占空比表T是可动部P2相对于固定部P1的相对的位置以及姿势的位移的可取值对于X方向是0～100mm，对于Y方向是0～50mm，对于围绕Z轴的旋转方向是0～359°时的表。如该图所示，在占空比表T中，对位移(Xm，Ym，θm)的每个组合规定了占空比D。例如，当位移(Xm，Ym，θm)为(11mm，12mm，6°)时，规定了50％的占空比D。
在此，图4所示的占空比表T，关于位移Xm、Ym规定单位为1mm，关于位移θm规定单位为1°，因此这些位移(Xm，Ym，θm)的组合数变得庞大，制作占空比表T需要花费劳力。为了减轻这样的劳力，位移(Xm，Ym，θm)的刻度变粗，能够制作并使用离散地规定位移(Xm，Ym，θm)与占空比D的关系的表。例如，能够使用关于位移Xm、Ym规定单位为10mm，关于位移θm规定单位为10°的占空比表。此时，对于10mm以及10°的刻度的中间位置，通过线性插补等对规定为单位10mm以及单位10°的值进行插补来求出占空比D。
当使用图4所示的占空比表T时，传输电力选择器15a参照占空比表T求出与分别从位移测定器14a～14c输出的位移(Xm，Ym，θm)的组合对应的占空比D。即，传输电力选择器15a仅通过检索占空比表T，求出占空比D。
预先设定上述的占空比表T的占空比D，以使流过金属部件M的感应电流变小。即，对于可动部P2的可动范围内的位置，与在供电线圈L1和受电线圈L2之间进行非接触电力传输的电磁场是否接近金属部件M对应地预先制作占空比表T。
例如，在图1中，当在图中可动部P2靠左时，从供电线圈L1向受电线圈L2进行非接触电力传输的电磁场接近金属部件M。因此，为了使非接触电力传输的电力大幅度下降，例如使开关支路13a、13b的输出的占空比D为25％。
此外，当可动部P2位于左右的中间时，从供电线圈L1向受电线圈L2进行非接触电力传输的电磁场稍微接近金属部件M。因此，稍微降低非接触电力传输的电力，例如使开关支路13a、13b的输出的占空比D为50％。
并且，当可动部P2靠右时，从供电线圈L1向受电线圈L2进行非接触电力传输的电磁场远离金属部件M。因此，不需要降低非接触电力传输的电力，例如使开关支路13a、13b的输出的占空比D为100％。
电力下降时的占空比D值(25％、50％)是一例，只要能够防止金属部件M的过热，可以是不同的值。
通过测定部14测定受电线圈L2相对于供电线圈L1的相对位置，如果在该相对位置的电磁场靠近金属部件M，则根据占空比表T使非接触电力传输的电力的占空比D下降。
因此，通过该结构，能够抑制金属部件M的过热，防止安装在金属部件M上的装置或部件的动作不良或故障，并且降低能源的浪费。
图5是表示本发明的非接触电力传输装置1的第二实施方式的框图。
在该例子中，本发明的非接触电力传输装置1具备供电电力测定电路26和受电电力测定电路30。
供电电力测定电路26具有：测定供电侧母线间的电压V1(t)的电压测定器27、测定供电侧母线的电流I1(t)的电流检测器28以及根据电压V1(t)和电流I1(t)运算供电侧的电力p1(＝V1(t)×I1(t))的电力量运算器29。供电电力检测电路26测定从供电线圈L1供电的供电电力p1。
受电电力检测电路30具有：测定受电侧母线间的电压V2(t)的电压测定器31、测定受电侧母线的电流I2(t)的电流测定器32以及根据电压V2(t)和电流I2(t)运算受电侧的电力p2(＝V2(t)×I2(t))的电力量运算器33。受电电力测定电路30测定从受电线圈L2接收的受电电力p2。
可以经由未图示的无线通信装置向供电侧发送受电电力p2。
与受电线圈L2相对于供电线圈L1的相对位置的电力的传输效率对应地设定占空比表T。
由于电磁场无法用肉眼看到，因此难以在可动部P2的各个位置判断电磁场是否靠近金属部件M。
因此，在该实施方式中，通过供电电力测定电路26和受电电力测定电路30测定受电电力p2相对于供电电力p1的传输功率(p2/p1)，同时使可动部P2在可移动的全体范围内运动。在受电线圈L2相对于供电线圈L1的各个相对位置计算传输效率，将传输效率低的位置作为使电力的占空比D下降的位置存储到占空比表T中。
在图5所示的第二实施方式中，使可动部P2的位置在X、Y、θ方向上每次进行一定的移动，在各个位置实测传输效率，如下那样决定各个位置的占空比D。
传输效率80％以上(相当于远离金属部件M的情况)：占空比D＝100％
传输效率不到80％且在60％以上(相当于某种程度靠近金属部件M的情况)：占空比D＝50％
传输效率不到60％(靠近金属部件M)：占空比D＝25％
在可移动的范围内，按照一定间隔(与占空比表T的网格相同的间隔)使X、Y、θ移动，来填充占空比表T的内容，然后存储在占空比表T中。
另外，以上的数值为一例，只要能够得到本发明的效果，也可以是其他的数值。
另外，如果设备的尺寸、结构、配置没有发生变化，则不需要改变占空比表T的内容，因此供电电力测定电路26和受电电力测定电路30在制作占空比表T的内容后可以取下。
此外，保持图5的结构，在设备的尺寸、结构、配置发生了变化时，可以通过相同的操作再次更新占空比表T的内容。
通过上述的结构，不需要通过仿真等正确地求出电磁场分布或者通过测定器测定电磁场分布，能够得到与第一实施方式相同的效果。
图6是表示本发明的非接触电力传输装置1的第三实施方式的框图。
在该例子中，在受电侧具备电力积蓄要素34。
当在使传输电力下降的位置(占空比D小的位置)向负载22的电力供给有可能不足的情况下，在受电侧附加电力积蓄要素34(锂离子电池或镍氢电池等二次电池、双电层电容器、电解电容器等)，在不使传输电力下降的位置(占空比D大的位置)在电力积蓄要素34中积蓄电力，从而在使传输电力下降的位置从电力积蓄要素34放电补充对负载22的电力供给。
其他的结构与第一实施方式相同。
根据上述的本发明的装置和方法，控制部15与测定部14测定到的相对位置对应地使电力变化，以使流过金属部件M的感应电流变小。因此，即使供电线圈L1与受电线圈L2的相对位置关系发生变化而靠近金属部件M，流过金属部件M的感应电流也会变小，因此能够抑制金属部件M的过热。
另外，在上述的实施方式中所示的各结构部件的各种形状或组合等是一个例子，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行结构的附加、省略、置换以及其他变更。本发明并不限定于上述的说明，仅通过权利要求来进行限定。
例如，在上述的实施方式中，使供电线圈L1以及受电线圈L2的平面视图形状都为长方形形状，但是只要能够实现非接触电力传输，线圈的形状可以是圆形、椭圆形状等任意的形状。供电线圈L1与受电线圈L2的形状可以不同。
工业上的应用
根据本发明，控制部与测定部测定到的相对位置对应地使电力变化，以使流过金属部件的感应电流变小。因此，即使受电线圈与供电线圈的相对位置关系发生变化而靠近金属部件，流过金属部件的感应电流也会变小，因此能够抑制金属部件的过热。
符号说明
1 非接触电力传输装置
11 外部电源
12 整流电路
13 供电部
13a、13b 开关支路
14 测定部
14a～14c 位移测定器
15 控制部
15a 传输电力选择器
15b 振荡电路
15c 驱动时钟生成电路
15d 驱动控制电路
21 受电电路
22 负载
26 供电电力测定电路
27 电压测定器
28 电流测定器
29 电力量运算器
30 受电电力测定电路
31 电压测定器
32 电流测定器
33 电力量运算器
34 电力积蓄要素
L1 供电线圈
L2 受电线圈
P1 固定部
P2 可动部
M 金属部件
D 占空比
T 占空比表

Claims (6)

1.一种非接触电力传输装置，其在设在固定部的供电线圈与设在可动部的受电线圈之间以非接触方式传输电力，其特征在于，具备：
将直流电力变换成交流电力，并向所述供电线圈供给所述交流电力的电力变换电路；
以及
控制所述电力变换电路的控制部，
所述控制部与所述受电线圈相对于所述供电线圈的相对位置对应地使所述电力变换电路的占空比变化，以防止安装于具有所述受电线圈的供电对象设备的金属部件的过热，
通过所述可动部的移动，所述金属部件与所述受电线圈的距离变化。
2.根据权利要求1所述的非接触电力传输装置，其特征在于，
还具备：
测定位移的测定部，
所述金属部件预先安装于所述供电对象设备的预定位置，
所述控制部具有占空比表，根据所述占空比表，与所述测定部测定到的所述相对位置对应地，不停止电力传输而使所述占空比变化，所述占空比表存储为了防止所述金属部件的过热而与所述相对位置对应的所述占空比。
3.根据权利要求2所述的非接触电力传输装置，其特征在于，
与在所述供电线圈和所述受电线圈之间产生的电磁场与所述金属部件的相对距离对应地，预先设定所述占空比表。
4.根据权利要求1所述的非接触电力传输装置，其特征在于，
还具备：
测定从所述供电线圈供给的供电电力的供电电力测定电路；以及
测定从所述受电线圈接收的受电电力的受电电力测定电路，
所述控制部具有占空比表，根据所述占空比表，与所述受电电力相对于所述供电电力的传输效率对应地使所述占空比变化，所述占空比表存储为了防止所述金属部件的过热而与所述传输效率对应地设定的所述占空比。
5.一种非接触电力传输方法，其在设在固定部的供电线圈与设在可动部的受电线圈之间以非接触方式传输电力，其特征在于，具备：
电力变换电路将直流电力变换成交流电力，并向所述供电线圈供给所述交流电力的第一步骤；
测定所述受电线圈相对于所述供电线圈的相对位置的第二步骤；以及
与测定到的所述相对位置对应地使所述电力变换电路的占空比变化，以防止安装于具有所述受电线圈的供电对象设备的金属部件的过热的第三步骤，通过所述可动部的移动，所述金属部件与所述受电线圈的距离变化。
6.根据权利要求5所述的非接触电力传输方法，其特征在于，
在所述第三步骤中，根据占空比表，与测定到的所述相对位置对应地使所述占空比变化，所述占空比表存储为了防止所述金属部件的过热而与所述相对位置对应地设定的所述占空比。
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