DE102020120987A1

DE102020120987A1 - Vorrichtung zur berührungslosen leistungsversorgung

Info

Publication number: DE102020120987A1
Application number: DE102020120987.8A
Authority: DE
Inventors: Kenichi Tabata
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2020-08-10
Publication date: 2021-04-01
Also published as: US20210099018A1; JP2021057960A; CN112583130A

Abstract

Vorgesehen ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung, die in der Lage ist, eine aufgrund einer Änderung des Positionsverhältnisses zwischen einer Vorrichtung auf der Seite der Leistungsübertragung und einer Vorrichtung auf der Seite des Leistungsempfangs auftretende Variation der Leistungsübertragungseffizienz zu unterdrücken. Eine Leistungsübertragungsvorrichtung 2 einer Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung 1 umfasst eine Sendespule 14, die Wechselstrom berührungslos an eine Leistungsempfangsvorrichtung 3 überträgt, und einen Stromversorgungskreis 10, der Wechselstrom an die Sendespule 14 liefert. Auf der anderen Seite umfasst die Leistungsempfangsvorrichtung 3 eine Empfangsspule 21, die den Wechselstrom von der Sendespule 14 empfängt, wobei die Sendespule 14 und die Empfangsspule 21 derart gebildet sind, dass die Größe einer der Sendespule 14 und Empfangsspule 21 in einer Ebene orthogonal zu deren Wickelachse größer ist als die Größe der anderen der Sendespule 14 und Empfangsspule 15 in einer Ebene orthogonal zu deren Wickelachse.

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2019-177895 , die am 27. September 2019 eingereicht wurde, wobei deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung.
HINTERGRUND
Es wurden Forschungsarbeiten zur so genannten berührungslosen Leistungsversorgung (auch „drahtlose Leistungsversorgung“ genannt) durchgeführt, bei der Leistung über den einer Raum übertragen wird, ohne Metallkontakte oder Ähnliches zu verwenden.
Als eine dieser berührungslosen Leistungsversorgungstechniken ist ein Verfahren bekannt, bei dem die elektrische Leistung von der Primärseite (Leistungsübertragungsseite oder Leistungsversorgungsseite) zur Sekundärseite (Leistungsempfangsseite) mittels Magnetfeldresonanz zwischen der Primärseitenspule und der Sekundärseitenspule übertragen wird. In einem solchen Leistungsübertragungssystem, welches Magnetfeldresonanz verwendet, ist eine Technik bekannt, bei der ein magnetischer Körper auf der Seite gegenüber der Leistungsempfangsspule angeordnet wird, wenn er von der Leistungsübertragungsspule aus betrachtet wird, und bei der ein magnetischer Körper auf der Seite gegenüber der Leistungsübertragungsspule angeordnet wird, wenn er von der Leistungsempfangsspule aus betrachtet wird (siehe z. B. JP 2010 - 239848A ). Bei dieser Technik können das Magnetfeld der Leistungsübertragungsspule und das Magnetfeld der Leistungsempfangsspule durch die Anordnung der magnetischen Körper mit Richtwirkung versehen werden. Dadurch wird der Grad der Kopplung der Magnetfelder zwischen der Leistungsübertragungsspule und der Leistungsempfangsspule erhöht und der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung verbessert.
JP 2010-239848A ist ein Beispiel für Stand der Technik
KURZFASSUNG
Jedoch muss die Positionsbeziehung zwischen der Vorrichtung auf der Leistungsübertragungsseite und der Vorrichtung auf der Leistungsempfangsseite nicht konstant sein. In einem solchen Fall ändert sich auch der Kopplungsgrad zwischen der leitungsübertragungsseitigen und der leistungsempfangsseitigen Spule entsprechend einer Änderung des Positionsverhältnisses zwischen der leitungsübertragungsseitigen und der leistungsempfangsseitigen Vorrichtung. Dadurch ändert sich auch der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung, die in der Lage ist, eine aufgrund Änderungen des Positionsverhältnisses zwischen einer Vorrichtung auf einer Leistungsübertragungsseite und einer Vorrichtung auf einer Leistungsempfangsseite auftretende Variation der Leistungsübertragungseffizienz zu unterdrücken.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung vorgesehen, die eine Leistungsübertragungsvorrichtung und eine Leistungsempfangsvorrichtung umfasst, an die Leistung von der Leistungsübertragungsvorrichtung berührungslos übertragen wird. Bei der Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung umfasst die Leistungsübertragungsvorrichtung eine Sendespule, die ausgebildet ist, um Wechselstrom berührungslos an die Leistungsempfangsvorrichtung zu übertragen, und einen Stromversorgungskreis, der für die Stromversorgung der Sendespule ausgebildet ist. Andererseits umfasst die Leistungsempfangsvorrichtung einen Resonanzkreis, der eine Empfangsspule umfasst, die für den Empfang von Wechselstrom von der Sendespule ausgebildet ist. Die Sendespule und die Empfangsspule sind derart ausgebildet, dass die Größe einer der Sendespule und Empfangsspule in einer Ebene orthogonal zu deren Wickelachse größer ist als die Größe der anderen der Sendespule und Empfangsspule in einer Ebene orthogonal zu deren Wickelachse.
Bei einer solchen Konfiguration kann die Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung eine Variation der Leistungsübertragungseffizienz unterdrücken, die auftritt, wenn sich die Positionsbeziehung zwischen der Vorrichtung auf der Leistungsübertragungsseite und der Vorrichtung auf der Leistungsempfangsseite ändert.
Bei dieser Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung ist es vorteilhaft, wenn die Sendespule und die Empfangsspule derart ausgebildet werden, dass ein Innendurchmesser einer der Sendespule und Empfangsspule in der zur Wickelachse orthogonalen Ebene größer ist als ein Außendurchmesser der anderen der Sendespule und Empfangsspule in der zur Wickelachse orthogonalen Ebene.
Bei dieser Konfiguration kann die Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung eine Änderung des Kopplungsgrads zwischen der Sendespule und der Empfangsspule, die aufgrund einer Änderung des Positionsverhältnisses zwischen der Sendespule und der Empfangsspule auftritt, weiter unterdrücken. Entsprechend kann die Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung eine Variation des Wirkungsgrads der Leistungsübertragung weiter unterdrücken, die aufgrund einer Änderung der Positionsbeziehung zwischen der Vorrichtung auf der Leistungsübertragungsseite und der Vorrichtung auf der Leistungsempfangsseite auftritt.
Bei der Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung ist es bevorzugt, dass der Stromversorgungskreis der Leistungsübertragungsvorrichtung eine Wechselrichterschaltung umfasst, die eine Vielzahl von Schaltelementen aufweist, die in einer Vollbrücken- oder Halbbrücken-Konfiguration zwischen einer Gleichstromversorgung und der Sendespule angeschlossen sind, und der Stromversorgungskreis derart ausgebildet ist, dass er den von der Gleichstromversorgung gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, der eine Frequenz aufweist, bei welcher der Resonanzkreis der Leistungsempfangsvorrichtung mitschwingt, indem die Vielzahl von Schaltelementen in dieser Frequenz ein- und ausgeschaltet werden, und die Sendespule mit Wechselstrom versorgt. Dann ist bevorzugt, dass die Leistungsübertragungsvorrichtung ferner eine Phaseneinstellschaltung umfasst, die so konfiguriert ist, dass ein Betrag einer Phasenlaufzeit eines Stroms, der durch die Vielzahl der Schaltelemente der Wechselrichterschaltung fließt, in Bezug auf eine Phase einer Spannung, die an die Vielzahl der Schaltelemente angelegt ist, eingestellt wird.
Bei dieser Konfiguration kann die Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung den Schaltverlust der Schaltelemente der Wechselrichterschaltung unterdrücken und den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung verbessern, ohne die Schaltfrequenz entsprechend einer Änderung des Kopplungsgrades zwischen der Sendespule und der Empfangsspule anzupassen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration der Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Seitenansicht einer Sendespule und einer Empfangsspule, die einen Vergleich der Größe der Sendespule und der Empfangsspule zeigt.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen einer relativen Position der Empfangsspule in Bezug auf die Sendespule und dem Grad der Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule nach einem Vergleichsbeispiel darstellt.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen einer relativen Position einer Empfangsspule in Bezug auf eine Sendespule und dem Grad der Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
5 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Beziehung zwischen einer relativen Position einer Empfangsspule in Bezug auf eine Sendespule und dem Grad der Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen einer relativen Position einer Empfangsspule in Bezug auf eine Sendespule und dem Grad der Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule gemäß einer Abwandlung darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird eine Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Bei der Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung nach der vorliegenden Erfindung, wird die Größe einer der Leistungssendespule (nachfolgend als Sendespule bezeichnet), die in einer Vorrichtung auf einer Leistungsübertragungsseite (nachfolgend einfach als Leistungsübertragungsvorrichtung bezeichnet) enthalten ist, und der Leistungsempfangsspule (nachfolgend als Empfangsspule bezeichnet), die in einer Vorrichtung auf einer Leistungsempfangsseite enthalten ist (im Folgenden als Leistungsempfangsvorrichtung bezeichnet), in einer Ebene orthogonal zu deren Wickelachse größer als die Größe der anderen Spule in einer Ebene orthogonal zu deren Wickelachse gewählt. Bei dieser Konfiguration wird eine Änderung der Menge des Verbindungsflusses unterdrückt, der von der Sendespule ausgestrahlt wird und den die Empfangsspule durchströmt, wenn sich die Positionsbeziehung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule ändert. Da die Menge des Verbindungsflusses den Grad der Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule beeinflusst, wird eine Änderung des Kopplungsgrades zwischen der Sendespule und der Empfangsspule unterdrückt, indem eine Änderung des Verbindungsflusses unterdrückt wird. Dadurch kann die Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung eine Variation des Wirkungsgrades der Leistungsübertragung unterdrücken, die auf eine Änderung der Positionsbeziehung zwischen der Leistungsübertragungsvorrichtung und der Leistungsempfangsvorrichtung zurückzuführen ist.
1 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine Leistungsübertragungsvorrichtung umfasst. Wie in 1 dargestellt, umfasst eine Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung 1 eine Leistungsübertragungsvorrichtung 2 und eine Leistungsempfangsvorrichtung 3, an welche Leistung berührungslos von der Leistungsübertragungsvorrichtung 2 über den Raum übertragen wird. Die Leistungsübertragungsvorrichtung 2 umfasst einen Stromversorgungskreis 10, eine Sendespule 14, eine Phaseneinstellschaltung 15, eine Kommunikationseinrichtung 16 und eine Steuerschaltung 17. Andererseits umfasst die Leistungsempfangsvorrichtung 3 einen Resonanzkreis 20 mit einer Empfangsspule 21 und einem Resonanzkondensator 22, eine Gleichricht- und Glättungsschaltung 23, einen Spannungsdetektionskreis 24 und eine Kommunikationseinrichtung 25. Die Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform verwendet keine Resonanz auf der Leistungsübertragungsseite und überträgt die Leistung nach einem Verfahren (NS-Verfahren), bei dem der Resonanzkreis 20 auf der Leistungsempfangsseite Reihenresonanz in Bezug auf den der Sendespule 14 zugeführten Wechselstrom durchführt. Zu beachten ist, dass die Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung 1 auch Leistung gemäß einem Verfahren (NP-Verfahren) übertragen kann, bei dem der Resonanzkreis 20 auf der Leistungsempfangsseite eine parallele Resonanz in Bezug auf den der Sendespule 14 zugeführten Wechselstrom durchführt, ohne Resonanz auf der Leistungsübertragungsseite zu verwenden.
Zuerst wird die Leistungsübertragungsvorrichtung 2 beschrieben.
Die Energieversorgungsschaltung 10 versorgt die Sendespule 14 mit Wechselstrom. Dazu umfasst der Stromversorgungskreis 10 eine Stromversorgung 11, einen Spannungseinstellkreis 12 und eine Wechselrichterschaltung 13.
Die Stromversorgung 11 stellt Gleichstrom bereit. Dazu wird beispielsweise die Stromversorgung 11 an eine handelsübliche Wechselstromversorgung angeschlossen und umfasst eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten von Wechselstrom, der von der Wechselstromversorgung bereitgestellt wird, sowie einen Glättungskondensator zur Glättung von pulsierender Leistung, der aus der Vollwellen-Gleichrichterschaltung bereitgestellt wird. Dann wandelt die Stromversorgung 11 den von der handelsüblichen Wechselstromversorgung gelieferten Wechselstrom in Gleichstrom um und gibt den umgewandelten Gleichstrom an den Spannungseinstellkreis 12 aus. Zu beachten ist, dass die Stromversorgung 11 auch eine Gleichstromversorgung wie eine Batterie sein kann.
Der Spannungseinstellkreis 12 stellt, während er von der Steuerschaltung 17 gesteuert wird, die Spannung der von der Stromversorgung 11 gelieferten Gleichspannung ein und versorgt die Wechselrichterschaltung 13 mit der eingestellten Gleichspannung. Zu diesem Zweck umfasst der Spannungseinstellkreis 12 beispielsweise einen Abwärtswandler oder Aufwärtswandler (DC-/DC Wandler) und ein Relais auf einer Leitung, die den Wandler überbrückt. Die Steuerschaltung 17 kann die von dem Spannungseinstellkreis 12 bereitgestellte Spannung durch Ein- oder Ausschalten des Relais steuern.
Zu beachten ist, dass die Stromversorgung 11 und der Spannungseinstellkreis 12 auch als ein einzelnes Netzteil mit variabler Spannung ausgebildet sein können. In diesem Fall kann das Netzteil mit variabler Spannung beispielsweise auch einen Leistungsfaktorverbesserungsschaltkreis zur Verbesserung des Leistungsfaktors des von der Wechselstromversorgung bereitgestellten Wechselstroms und einem DC/DC-Wandler zur Umwandlung der Gleichstromspannung, die aus dem Leistungsfaktorverbesserungsschaltkreis ausgegeben wird, umfassen. Die Steuerschaltung 17 kann die von dem Spannungseinstellkreis 12 bereitgestellte Spannung steuern, indem der Grad der Verbesserung des Leistungsfaktors durch den Leistungsfaktorverbesserungsschaltkreis gesteuert wird.
Die Wechselrichterschaltung 13 wandelt den von dem Spannungseinstellkreis 12 gelieferte Gleichstrom in Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz um und liefert den umgewandelten Wechselstrom an die Sendespule 14. Die vorbestimmte Frequenz kann eine Frequenz sein, bei der der Resonanzkreis 20 der Leistungsempfangsvorrichtung 3 bei einem angenommenen Kopplungsgrad zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 mitschwingt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Wechselrichterschaltung 13 ein Vollbrücken-Wechselrichter, bei dem vier Schaltelemente 13a bis 13d in einer Vollbrückenkonfiguration verbunden sind. Jedes Schaltelement kann beispielsweise ein n-Kanal-MOSFET sein.
Das heißt, das Schaltelement 13a und das Schaltelement 13b der vier Schaltelemente 13a bis 13d sind in Reihe zwischen der Klemme der positiven Elektrodenseite und der Klemme der negativen Elektrodenseite des Spannungseinstellkreises 12 geschaltet. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Schaltelement 13a an die Seite der positiven Elektrode des Spannungseinstellkreises 12 angeschlossen und das Schaltelement 13b ist an die Seite der negativen Elektrode des Spannungseinstellkreises 12 angeschlossen. Ebenso sind das Schaltelement 13c und das Schaltelement 13d der vier Schaltelemente 13a bis 13d parallel zum Schaltelement 13a und dem Schaltelement 13b und in Reihe zwischen der Klemme der positiven Elektrodenseite und der Klemme der negativen Elektrodenseite des Spannungseinstellkreises 12 geschaltet. Außerdem ist das Schaltelement 13c mit der positiven Elektrodenseite des Spannungseinstellkreises 12 und das Schaltelement 13d mit der negativen Elektrodenseite des Spannungseinstellkreises 12 verbunden. Ein Ende der Sendespule 14 ist mit dem Knoten zwischen dem Schaltelement 13a und dem Schaltelement 13b verbunden und das andere Ende der Sendespule 14 ist mit dem Schaltelement 13c und dem Schaltelement 13d verbunden.
Zu beachten ist, dass die Wechselrichterschaltung 13 auch ein Halbbrücken-Wechselrichter sein kann, bei dem zwei Schaltelemente in einer Halbbrücke an den Spannungseinstellkreis 12 angeschlossen sind.
Die Sendespule 14 überträgt die Wechselstromleistung, welche von dem Stromversorgungskreis 10 zugeführt wird, an die Empfangsspule 21 der Leistungsempfangsvorrichtung 3 durch den Raum. Zu beachten ist, dass die Leistungsübertragungsvorrichtung 2 auch einen Kondensator umfassen kann, der in Reihe mit der Sendespule 14 geschaltet ist und die Gleichstromversorgung zwischen der Sendespule 14 und der Wechselrichterschaltung 13 des Stromversorgungskreises 10 unterbricht.
Die Phaseneinstellschaltung 15 reduziert einen Schaltverlust, der durch die Schaltelemente der Wechselrichterschaltung 13 verursacht wird, indem eine Betrag einer Phasenlaufzeit eines Stroms, der durch die Schaltelemente fließt, in Bezug auf eine Phase einer Spannung, die an die Schaltelemente angelegt ist, auf einen angebrachten Betrag eingestellt wird. Auf diese Weise kann die Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung verbessern, selbst wenn die Steuerschaltung 17 die Frequenz, mit der jedes Schaltelement ein- und ausgeschaltet wird, das heißt, die Frequenz des Wechselstroms, der der Sendespule 14 zugeführt wird, nicht entsprechend einer Änderung des Kopplungsgrades zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 anpasst.
Die Phaseneinstellschaltung 15 umfasst beispielsweise eine Hilfsspule, die angeordnet ist, um elektromagnetisch an die Sendespule 14 gekoppelt zu sein, und einen Kondensator, der zusammen mit der Hilfsspule einen Schwingkreis bildet. In diesem Fall wird die Hilfsspule beispielsweise um den gleichen Magnetkern gewickelt wie die Sendespule 14. Die Anzahl der Windungen der Hilfsspule kann auch gleich oder anders sein als die Anzahl der Windungen der Sendespule 14.
In diesem Fall kann sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises, bestehend aus der Hilfsspule und dem Kondensator, auch von der Frequenz des Wechselstroms der Sendespule 14 unterscheiden. Das heißt, der Schwingkreis, der aus der Hilfsspule und dem Kondensator besteht, muss nicht mit dem Wechselstrom, der durch die Sendespule 14 fließt, in Resonanz sein.
Ist der Kopplungsgrad zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 niedrig, wenn beispielsweise die Leistungsempfangsvorrichtung 3 derart weit von der Leistungsübertragungsvorrichtung 2 entfernt ist, dass keine Leistung empfangen werden kann, wird die Phase des Stroms, der durch die Sendespule 14 fließt, gegenüber der Phase der Spannung verzögert, die an die Schaltelemente der Wechselrichterschaltung 13 des Stromversorgungskreises 10 angelegt wird. Das gleiche gilt für einen Fall, in dem der Strom, der durch den Lastkreis fließt, der an die Leistungsempfangsvorrichtung 3 angeschlossen ist, klein ist. Dementsprechend werden die Induktivität der Hilfsspule und die Kapazität des Kondensators vorzugsweise so eingestellt, dass die Phase des Stromes, der durch den von der Hilfsspule und dem Kondensator gebildeten Schwingkreis fließt, der Phase der an die Schaltelemente der Wechselrichterschaltung 13 angelegten Spannung vorauseilt. Zu diesem Zweck werden die Induktivität der Hilfsspule und die Kapazität des Kondensators vorzugsweise so eingestellt, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises höher ist als die Frequenz des der Sendespule 14 zugeführten Wechselstroms.
In einer Abwandlung kann die Phaseneinstellschaltung 15 auch ein Reihenschwingkreis sein, der parallel zur Sendespule 14 geschaltet ist und aus einer Spule und einem Kondensator, der in Reihe mit der Spule geschaltet ist, besteht. Auch in diesem Fall werden die Induktivität der Spule und die Kapazität des in dem Reihenschwingkreis enthaltenen Kondensators vorzugsweise so eingestellt, dass die Phase des durch den Reihenschwingkreis fließenden Stroms der Phase der an die Schaltelemente der Wechselrichterschaltung 13 angelegten Spannung vorauseilt. Dementsprechend werden die Induktivität der Spule und die Kapazität des Kondensators vorzugsweise so eingestellt, dass die Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises höher ist als die Schaltfrequenz des an die Sendespule 14 angelegten Wechselstroms.
Jedes Mal, wenn die Kommunikationseinrichtung 16 ein Funksignal von der Kommunikationseinrichtung 25 der Leistungsempfangsvorrichtung 3 empfängt, extrahiert die Kommunikationseinrichtung 16 Spannungsinformationen, die einen Messwert der Ausgangsspannung anzeigen, aus dem Funksignal und gibt die Spannungsinformationen an die Steuerschaltung 17 aus. Zu diesem Zweck umfasst die Kommunikationseinrichtung 16 beispielsweise eine Antenne, die ein Funksignal gemäß einem vorgegebenen Funkübertragungsstandard empfängt, und eine Kommunikationsschaltung, die das Funksignal demoduliert. Der vorbestimmte Drahtloskommunikationsstandard kann zum Beispiel ISO/IEC 15693, ZigBee (eingetragene Marke) oder Bluetooth (eingetragene Marke) sein.
die Steuerschaltung 17 umfasst beispielsweise eine nichtflüchtige Speicherschaltung und eine flüchtige Speicherschaltung, eine arithmetische Schaltung, eine Schnittstellenschaltung zum Anschluss an eine andere Schaltung und eine Ansteuerschaltung zur Ausgabe von Steuersignalen an den Spannungseinstellkreis 12 des Stromversorgungskreises 10 und die Schaltelemente 13a bis 13d der Wechselrichterschaltung 13. Die Steuerschaltung 17 steuert die Schaltelemente 13a bis 13d der Wechselrichterschaltung 13 so, dass die Frequenz der Wechselstroms, die vom Stromversorgungskreis 10 zur Sendespule 14 geliefert wird, eine vorgegebene Frequenz wird. Wie oben beschrieben, kann die voreingestellte Frequenz eine Frequenz sein, bei der der Resonanzkreis 20 der Leistungsempfangsvorrichtung 3 mit einem angenommenen Kopplungsgrad zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 mitschwingt.
in der vorliegenden Ausführungsform schaltet die Steuerschaltung 17 abwechselnd das Paar bestehend aus dem Schaltelement 13a und dem Schaltelement 13d und das Paar bestehend aus dem Schaltelement 13b und dem Schaltelement 13c ein. Außerdem gleicht die Steuerschaltung 17 eine Periode, in der das Paar bestehend aus dem Schaltelement 13a und dem Schaltelement 13d eingeschaltet wird, und eine Periode, in der das Paar bestehend aus dem Schaltelement 13b und dem Schaltelement 13c eingeschaltet wird, in einem Zyklus aus, der der Frequenz des der Sendespule 14 zugeführten Wechselstroms entspricht. Die Steuerschaltung 17 verhindert vorzugsweise einen Kurzschluss der Stromversorgung 11, der dadurch hervorgerufen wird, dass das Paar bestehend aus dem Schaltelement 13a und dem Schaltelement 13d und das Paar bestehend aus dem Schaltelement 13b und dem Schaltelement 13c gleichzeitig eingeschaltet werden. In diesem Fall kann, wenn die Steuerschaltung 17 das Paar bestehend aus dem Schaltelement 13a und dem Schaltelement 13d und das Paar bestehend aus dem Schaltelement 13b und dem Schaltelement 13c ein-/ausschaltet, auch eine Totzeit vorgesehen werden, in der beide Paare der Schaltelemente ausgeschaltet sind. Ist die Wechselrichterschaltung 13 ein Halbbrücken-Wechselrichter, kann der Steuerkreis 17 zwei Schaltelemente mit der Frequenz der Wechselstromversorgung der Sendespule 14 abwechselnd einschalten.
Darüber hinaus steuert die Steuerschaltung 17 den Spannungseinstellkreis 12 so, dass sich die Ausgangsspannung der Leistungsempfangsvorrichtung 3 auf der Grundlage des in der Spannungsinformation angegebenen Messwertes der Ausgangsspannung der Zielspannung annähert. Das heißt, wenn der Messwert der Ausgangsspannung höher als die Zielspannung ist, steuert die Steuerschaltung 17 den Spannungseinstellkreis 12, um die aus dem Spannungseinstellkreis 12 ausgegebene Spannung zu verringern, und wenn andererseits der Messwert der Ausgangsspannung niedriger als die Zielspannung ist, steuert die Steuerschaltung 17 den Spannungseinstellkreis 12, um die aus dem Spannungseinstellkreis 12 ausgegebene Spannung zu erhöhen. Wenn der Absolutwert der Differenz zwischen dem gemessenen Wert der Ausgangsspannung und der Zielspannung innerhalb eines vorgegebenen zulässigen Abweichungsbereichs liegt, kann die Steuerschaltung 17 auch den Spannungseinstellkreis 12 so steuern, dass die von dem Spannungseinstellkreis 12 ausgegebene Spannung unverändert bleibt.
Als Nächstes wird die Leistungsempfangsvorrichtung 3 beschrieben.
Die Empfangsspule 21 bildet zusammen mit einem Resonanzkondensator 22 einen Resonanzkreis 20 und erhält Leistung von der Sendespule 14 durch Resonanz mit einem Wechselstrom, der durch die Sendespule 14 der Leistungsübertragungsvorrichtung 2 fließt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Resonanzkondensator 22 in Reihe mit der Empfangsspule 21 geschaltet, der Resonanzkondensator 22 kann aber auch parallel zur Empfangsspule 21 geschaltet sein. Der Resonanzkreis 20 kann auch mit einer Spule versehen werden, die in Reihe mit der Empfangsspule 21 zwischen der Empfangsspule 21 und der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 geschaltet ist. Der Wechselstrom, der vom Resonanzkreis 20 ausgegeben wird, wird durch die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 in Gleichstrom umgewandelt und dann in einen Lastkreis (nicht abgebildet) ausgegeben, der an die Leistungsempfangsvorrichtung 3 angeschlossen ist. Die Windungszahl der Empfangsspule 21 und die Windungszahl der Sendespule 14 können ebenfalls gleich sein oder voneinander verschieden sein.
Die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 ist ein Beispiel für eine Gleichrichterschaltung und umfasst zum Beispiel eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung mit vier über eine Brücke verbundenen Dioden und einen Glättungskondensator, und gleicht und glättet den von der Resonanzschaltung 20 ausgegeben Strom, um den Strom in Gleichstrom umzuwandeln. Anschließend gibt die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 den Gleichstrom an den Lastkreis aus.
Der Spannungsdetektionskreis 24 misst eine Ausgangsspannung zwischen den beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23. Da die Ausgangsspannung zwischen den beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 direkt der Ausgangsspannung des Resonanzkreises 20 entspricht, ist der Messwert der Ausgangsspannung zwischen den beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 indirekt der Messwert der Ausgangsspannung des Resonanzkreises 20. Der Spannungsdetektionskreis 29 kann zum Beispiel eine beliebige von verschiedenen bekannten Spannungserfassungsschaltungen, welche Gleichspannung erfassen können, sein. Dann gibt der Spannungsdetektionskreis 24 eine Spannungsinformation, die den gemessenen Wert der Ausgangsspannung anzeigt, an die Kommunikationseinrichtung 25 aus.
Die Kommunikationseinrichtung 25 erzeugt für jeden vorbestimmten Übertragungszyklus ein Funksignal, das die von dem Spannungsdetektionskreis 24 empfangene Spannungsinformation enthält, und überträgt das Funksignal an die Kommunikationseinrichtung 16 der Leistungsübertragungsvorrichtung 2. Zu diesem Zweck enthält die Kommunikationseinrichtung 25 z.B. eine Kommunikationsschaltung, die ein Funksignal gemäß einem vorgegebenen Funkübertragungsstandard erzeugt, und eine Antenne, die das Funksignal abgibt. Der vorbestimmte Funkübertragungsstandard kann beispielsweise ISO/IEC 15693, ZigBee (eingetragene Marke) oder Bluetooth (eingetragene Marke) sein, ähnlich dem vorbestimmten Funkübertragungsstandard der Kommunikationseinrichtung 16.
Im Folgenden wird die Beziehung zwischen der Größe der Sendespule 14 der Leistungsübertragungsvorrichtung 2, der Größe der Empfangsspule 21 der Leistungsempfangsvorrichtung 3 und dem Kopplungsgrad zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 beschrieben.
2 ist eine schematische Seitenansicht der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21, die einen Vergleich der Größe der Sendespule 14 und der Größe der Empfangsspule 21 zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Sendespule 14 und die Empfangsspule 21 derart geformt, dass die Größe der Sendespule 14 (d.h. der Außendurchmesser der Sendespule 14, der durch den Pfeil 201 angegeben ist) in einer senkrecht zu einer Wickelachse 14a der Sendespule 14 orthogonalen Ebene größer ist als die Größe der Empfangsspule 21 (d.h. der Außendurchmesser der Empfangsspule 21, der durch den Pfeil 202 angezeigt wird) in einer senkrecht zu einer Wickelachse 21a der Empfangsspule 21 orthogonalen Ebene. Bei dieser Konfiguration wird, wenn sich das Positionsverhältnis zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 ändert, eine Änderung des von der Sendespule 14 abgegebenen und durch die Empfangsspule 21 gehenden Verbindungsflusses unterdrückt und damit auch eine Änderung des Kopplungsgrades zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 unterdrückt.
In der vorliegenden Ausführung ist der Wicklungsdraht der Sendespule 14 um einen Kern mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Magnetkern gewickelt, der auf dessen Wickelachse zentriert ist, und die Sendespule 14 ist im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet. Ebenso wird der Wicklungsdraht der Empfangsspule 21 um einen Kern gewickelt, der einen im Wesentlichen röhrenförmigen Magnetkern mittig auf der Wickelachse aufweist, und die Empfangsspule 21 wird in einer im Wesentlichen röhrenförmigen Form gebildet. Die Form der Sendespule 14 und die Form der Empfangsspule 21 sind jedoch nicht auf die oben genannten Beispiele beschränkt. Auch der Wicklungsdraht der Sendespule 14 kann beispielsweise um einen Kern gewickelt werden, der einen im Wesentlichen rechteckigen Magnetkern mittig auf der Wickelachse aufweist, und die Sendespule 14 kann ebenfalls in einer im Wesentlichen viereckigen Prismenform geformt werden. Ebenso kann der Wicklungsdraht der Empfangsspule 21 auch um einen Kern gewickelt werden, der einen im Wesentlichen rechteckigen Magnetkern mittig auf der Wickelachse aufweist, und die Empfangsspule 21 kann auch in einer im Wesentlichen viereckigen Prismenform geformt werden. Außerdem können sich der Außendurchmesser der Sendespule 14 und der Außendurchmesser der Empfangsspule 21 auch voneinander unterscheiden. Die Sendespule 14 kann auch in einer im Wesentlichen röhrenförmigen Form gebildet werden, während die Empfangsspule 21 beispielsweise auch in einer im Wesentlichen viereckigen Prismenform gebildet werden kann. Darüber hinaus kann der Kern, um den der Wicklungsdraht der Sendespule 14 gewickelt ist, und der Kern, um den der Wicklungsdraht der Empfangsspule 21 gewickelt ist, auch ein Kern sein, der keinen magnetischen Kern hat. Alternativ kann auch der Magnetkern, um den der Wicklungsdraht der Sendespule 14 gewickelt ist, und der Magnetkern, um den der Wicklungsdraht der Empfangsspule 21 gewickelt ist, hohl ausgebildet werden. Außerdem kann der Kern, um den der Wicklungsdraht der Sendespule 14 gewickelt ist, und der Kern, um den der Wicklungsdraht der Empfangsspule 21 gewickelt ist, keine äußere Hülle haben, die den Wicklungsdraht abdeckt.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen einer relativen Position der Empfangsspule 32 in Bezug auf die Sendespule 31 und dem Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 nach einem Vergleichsbeispiel darstellt. In diesem Vergleichsbeispiel sind der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der Sendespule 31 in der Ebene orthogonal zur Wickelachse der Sendespule 31 jeweils gleich dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der Empfangsspule 32 in der Ebene orthogonal zur Wickelachse der Empfangsspule 32. Das heißt, der Innendurchmesser der Sendespule 31 und der Innendurchmesser der Empfangsspule 32 betragen beide 25mm, und der Außendurchmesser der Sendespule 31 und der Außendurchmesser der Empfangsspule 32 betragen beide 50mm. Die Sendespule 31 und die Empfangsspule 32 sind derart angeordnet, dass die Wickelachse der Sendespule 31 und die Wickelachse der Empfangsspule 32 parallel zueinander verlaufen. Der Einfachheit halber wird eine Achse in einer Richtung, die parallel zur Wickelachse der Sendespule 31 verläuft, als z-Achse definiert, und eine Achse in einer beliebigen Richtung in einer zur z-Achse orthogonalen Ebene als x-Achse.
In 3 stellt das Verteilungsdiagramm 300 den Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 in Bezug auf die relative Position der Empfangsspule 32 und der Sendespule 31 dar, die durch Simulation ermittelt wurde. Im Verteilungsdiagramm 300 stellt die horizontale Achse den Abweichungsbetrag zwischen der Wickelachse der Sendespule 31 und der Wickelachse der Empfangsspule 32 in X-Achsenrichtung dar und die vertikale Achse stellt den Abstand zwischen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 in Richtung der z-Achse dar. Zusätzlich stellen die in den einzelnen Spalten des Verteilungsdiagramms 300 dargestellten Zahlenwerte den Kopplungsgrad zwischen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 in Bezug auf die Kombination des Abweichungsbetrags zwischen den Wickelachsen in der entsprechenden x-Achsenrichtung und mit dem Abstand zwischen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 in der entsprechenden z-Achsenrichtung dar. In dieser Simulation wurde der Abstand zwischen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 entlang der z-Achsenrichtung in Schritten von 10 mm über einen Bereich von 10 mm bis 40 mm geändert und der Abstand zwischen der Wickelachse der Sendespule 31 und der Wickelachse der Empfangsspule 32 entlang der x-Achsenrichtung in 10mm-Schritten über einen Bereich von 0mm bis 30mm verändert.
Wenn in dieser Simulation der Abstand zwischen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 entlang der z-Achse 40 mm beträgt und der Abstand zwischen den Wickelachsen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 entlang der x-Achse 0 mm beträgt, ist der Kopplungsgrad k zwischen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 beim Minimum (0.080). Wenn hingegen der Abstand zwischen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 entlang der z-Achse 10 mm beträgt und der Abstand zwischen den Wickelachsen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 entlang der x-Achse 0 mm beträgt, ist der Kopplungsgrad k zwischen der Sendespule 31 und der Empfangsspule 32 beim Maximum (0.333). Daher variiert der Grad der Kopplung k höchstens um den Faktor 4.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen einer relativen Position der Empfangsspule 21 in Bezug auf die Sendespule 14 und dem Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel darstellt. In diesem Beispiel sind der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der Sendespule 14 jeweils 70mm und 110mm, und der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der Empfangsspule 21 sind jeweils 25mm und 50mm. Das heißt, der Außendurchmesser der Empfangsspule 21 ist kleiner als der Innendurchmesser der Sendespule 14. In dieser Simulation wird der Wicklungsdraht der Sendespule 14 um einen Kern gewickelt, der von der Empfangsspule 21 aus gesehen eine vertiefte Mitte umfasst. Die Induktivität der Sendespule 14 war die gleiche wie die Induktivität der Sendespule 31 in der in 3 gezeigten Simulation. Die Induktivität der Empfangsspule 21 war die gleiche wie die Induktivität der Empfangsspule 32 in der in 3 gezeigten Simulation. Auch in dieser Simulation sind die Sendespule 14 und die Empfangsspule 21 derart angeordnet, dass die Wickelachse der Sendespule 14 und die Wickelachse der Empfangsspule 21 parallel zueinander verlaufen. Darüber hinaus wird, ähnlich wie in 3, die Achse in der Richtung parallel zur Wickelachse der Sendespule 14 als z-Achse und die Achse in einer beliebigen Richtung in einer zur z-Achse senkrechten Ebene als x-Achse definiert.
In 4 stellt das Verteilungsdiagramm 400 den Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in Bezug auf die relative Position der Empfangsspule 21 und der Sendespule 14 dar, die durch Simulation ermittelt wurde. Im Verteilungsdiagramm 400 stellt die horizontale Achse den Abweichungsbetrag zwischen der Wickelachse der Sendespule 14 und der Wickelachse der Empfangsspule 21 in x-Achsenrichtung dar und die vertikale Achse stellt den Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in Richtung der z-Achse dar. Zusätzlich stellen die in den einzelnen Spalten des Verteilungsdiagramms 400 dargestellten Zahlenwerte den Kopplungsgrad zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in Bezug auf die Kombination des Abweichungsbetrags zwischen den Wickelachsen in der entsprechenden x-Achsenrichtung und mit dem Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in der entsprechenden z-Achsenrichtung dar. Auch in dieser Simulation wurde der Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der z-Achsenrichtung in Schritten von 10 mm über einen Bereich von 10 mm bis 40 mm geändert und der Abstand zwischen der Wickelachse der Sendespule 14 und der Wickelachse der Empfangsspule 21 entlang der x-Achsenrichtung in 10mm-Schritten über einen Bereich von 0mm bis 30mm verändert.
Wenn in dieser Simulation der Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der z-Achse 40 mm beträgt und der Abstand zwischen den Wickelachsen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der x-Achse 0 mm beträgt, ist der Kopplungsgrad k zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 beim Minimum (0.107). Wenn hingegen der Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der z-Achse 10 mm beträgt und der Abstand zwischen den Wickelachsen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der x-Achse 0 mm beträgt, ist der Kopplungsgrad k zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 beim Maximum (0.303). Daher ist zu sehen, dass der Kopplungsgrad k höchstens etwa um das 3-fache variiert und der Variationsbereich des Kopplungsgrades wird im Vergleich zum Vergleichsbeispiel auf etwa 3/4 reduziert.
5 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für die Beziehung zwischen einer relativen Position der Empfangsspule 21 in Bezug auf die Sendespule 14 und dem Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel darstellt. In diesem Beispiel sind der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der Sendespule 14 jeweils 110mm und 150mm, und der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der Empfangsspule 21 sind jeweils 25mm und 50mm. Das heißt, der Außendurchmesser der Empfangsspule 21 beträgt weniger als die Hälfte des Innendurchmessers der Sendespule 14. Auch in dieser Simulation wird der Wicklungsdraht der Sendespule 14 um einen Kern gewickelt, der von der Empfangsspule 21 aus gesehen eine vertiefte Mitte umfasst. Die Induktivität der Sendespule 14 war die gleiche wie die Induktivität der Sendespule 14 in der in 4 gezeigten Simulation. Die Induktivität der Empfangsspule 21 war die gleiche wie die Induktivität der Empfangsspule 21 in der in 4 gezeigten Simulation. Auch in dieser Simulation sind die Sendespule 14 und die Empfangsspule 21 derart angeordnet, dass die Wickelachse der Sendespule 14 und die Wickelachse der Empfangsspule 21 parallel zueinander verlaufen. Darüber hinaus wird, ähnlich wie in 3 und 4, die Achse in der Richtung parallel zur Wickelachse der Sendespule 14 als z-Achse und die Achse in einer beliebigen Richtung in einer zur z-Achse senkrechten Ebene als x-Achse definiert.
In 5 stellt das Verteilungsdiagramm 500 den Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in Bezug auf die relative Position der Empfangsspule 21 und der Sendespule 14 dar, die durch Simulation ermittelt wurde. Im Verteilungsdiagramm 500 stellt die horizontale Achse den Abweichungsbetrag zwischen der Wickelachse der Sendespule 14 und der Wickelachse der Empfangsspule 21 in x-Achsenrichtung dar und die vertikale Achse stellt den Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in Richtung der z-Achse dar. Zusätzlich stellen die in den einzelnen Spalten des Verteilungsdiagramms 500 dargestellten Zahlenwerte den Kopplungsgrad zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in Bezug auf die Kombination des Abweichungsbetrags zwischen den Wickelachsen in der entsprechenden x-Achsenrichtung und mit dem Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in der entsprechenden z-Achsenrichtung dar. Auch in dieser Simulation wurde der Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der z-Achsenrichtung in Schritten von 10 mm über einen Bereich von 10 mm bis 40 mm geändert und der Abstand zwischen der Wickelachse der Sendespule 14 und der Wickelachse der Empfangsspule 21 entlang der x-Achsenrichtung in lOmm-Schritten über einen Bereich von 0mm bis 30mm verändert.
Wenn in dieser Simulation der Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der z-Achse 40 mm beträgt und der Abstand zwischen den Wickelachsen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der x-Achse 0 mm beträgt, ist der Kopplungsgrad k zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 beim Minimum (0.100). Wenn hingegen der Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der z-Achse 10 mm beträgt und der Abstand zwischen den Wickelachsen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der x-Achse 30 mm beträgt, ist der Kopplungsgrad k zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 beim Maximum (0.204). Daher ist zu sehen, dass der Kopplungsgrad k höchstens etwa um das doppelte variiert und der Variationsbereich des Kopplungsgrades wird im Vergleich zum Vergleichsbeispiel auf etwa die Hälfte reduziert. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Variationsbreite des Kopplungsgrades k gegenüber der Kombination aus Außendurchmesser und Innendurchmesser der Sendespule 14 und dem Außendurchmesser und Innendurchmesser der Empfangsspule 21 in der in 4 gezeigten Simulation auf etwa 2/3 reduziert ist. Daher ist zu sehen, dass die Variation des Kopplungsgrades k weiter unterdrückt wird, indem der Außendurchmesser der Empfangsspule 21 kleiner gewählt wird als der Innendurchmesser der Sendespule 14. Wenn in dieser Simulation der Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in der z-Achse 10 mm beträgt, ist der Kopplungsgrad k höher, wenn der Abstand zwischen der Wickelachse der Sendespule 14 und der Wickelachse der Empfangsspule 21 entlang der x-Achse 30 mm beträgt als bei einem Abstand der Achsen von 0 mm. Der Grund dafür ist, dass die Empfangsspule 21 näher am Wicklungsdraht der Sendespule 14 liegt, die den magnetischen Fluss erzeugt und der Verbindungsfluss steigt, wenn der Abstand zwischen den Wickelachsen 30 mm beträgt, als wenn der Abstand zwischen den Wickelachsen 0 mm beträgt.
Wie oben beschrieben, kann man sehen, dass eine Änderung des Kopplungsgrades zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 aufgrund einer Änderung der Position zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 unterdrückt wird, indem die Größe der Sendespule 14 in der Ebene senkrecht zur Wickelachse der Sendespule 14 größer gemacht wird als die Größe der Empfangsspule 21 in der Ebene senkrecht zur Wickelachse der Empfangsspule 21. Darüber hinaus lässt sich die Größe der gesamten Leistungsempfangsvorrichtung 3 leicht reduzieren, indem die Empfangsspule 21 kleiner als die Sendespule 14 ausgebildet wird.
Wie oben beschrieben, sind in der Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung die Sendespule und die Empfangsspule so ausgebildet, dass die Größe der Sendespule in der Ebene orthogonal zur Wickelachse der Sendespule größer ist als die Größe der Empfangsspule in der Ebene orthogonal zur Wickelachse der Empfangsspule. Aus diesem Grund wird in der Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung eine Änderung der Menge des Verbindungsflusses aufgrund einer Änderung des relativen Positionsverhältnisses zwischen der Sendespule und der Empfangsspule unterdrückt. Dadurch wird auch die Variation des Kopplungsgrades zwischen der Sendespule und der Empfangsspule aufgrund einer Änderung des relativen Positionsverhältnisses zwischen der Sendespule und der Empfangsspule unterdrückt und somit auch die Variation des Wirkungsgrads der Leistungsübertragung unterdrückt. Da zudem die Variation des Wirkungsgrads der Leistungsübertragung unterdrückt wird, wird auch die Variation der Ausgangsspannung der Leistungsempfangsvorrichtung im Variationsbereich des angenommenen Positionsverhältnisses zwischen der Leistungsübertragungsvorrichtung und der Leistungsempfangsvorrichtung unterdrückt. Entsprechend kann die Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung den Einstellbereich der Spannung des an die Sendespule gelieferten Wechselstroms eingrenzen. Daher ist es in der Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung einfach, die Konfiguration der Leistungsübertragungsvorrichtung zu vereinfachen, um die Ausgangsspannung konstant zu halten.
In einer Abwandlung können die Sendespule 14 und die Empfangsspule 21 auch so geformt sein, dass die Größe der Empfangsspule 21 in der Ebene orthogonal zur Wickelachse der Empfangsspule 21 größer ist als die Größe der Sendespule 14 in der Ebene orthogonal zur Wickelachse der Sendespule 14. Außerdem, in ähnlicher Weise wie bei der obigen Ausführungsform, ist es vorzuziehen, dass der Innendurchmesser der Empfangsspule 21 in der Ebene orthogonal zur Wickelachse der Empfangsspule 21 größer ist als der Außendurchmesser der Sendespule 14 in der Ebene orthogonal zur Wickelachse der Sendespule 14. Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass der Außendurchmesser der Sendespule 14 in der Ebene orthogonal zur Wickelachse der Sendespule 14 gleich oder kleiner als die Hälfte des Innendurchmessers der Empfangsspule 21 in der Ebene orthogonal zur Wickelachse der Empfangsspule 21 ist.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Beziehung zwischen einer relativen Position der Empfangsspule 21 in Bezug auf die Sendespule 14 und dem Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entsprechend der Abwandlung darstellt. In diesem Beispiel sind der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der Sendespule 14 jeweils 25mm und 50mm, und der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der Empfangsspule 21 sind jeweils 110mm und 150mm. Das heißt, der Außendurchmesser der Sendespule 14 beträgt weniger als die Hälfte des Innendurchmessers der Empfangsspule 21. Auch in dieser Simulation wird der Wicklungsdraht der Empfangsspule 21 um einen Kern gewickelt, der von der Seite der Sendespule 14 aus gesehen eine vertiefte Mitte aufweist. Die Induktivität der Sendespule 14 war dieselbe wie die Induktivität der Sendespule 14 in den in den 4 und 5 gezeigten Simulationen. Die Induktivität der Empfangsspule 21 war dieselbe wie die Induktivität der 21 in den in den 4 und 5 gezeigten Simulationen. Auch in dieser Simulation sind die Sendespule 14 und die Empfangsspule 21 derart angeordnet, dass die Wickelachse der Sendespule 14 und die Wickelachse der Empfangsspule 21 parallel zueinander verlaufen. Darüber hinaus wird, ähnlich wie in den 3 bis 5, die Achse in der Richtung parallel zur Wickelachse der Sendespule 14 als z-Achse und die Achse in einer beliebigen Richtung in einer zur z-Achse senkrechten Ebene als x-Achse definiert.
In 6 stellt das Verteilungsdiagramm 600 den Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in Bezug auf die relative Position der Empfangsspule 21 und der Sendespule 14 dar, die durch Simulation ermittelt wurde. Im Verteilungsdiagramm 600 stellt die horizontale Achse den Abweichungsbetrag zwischen der Wickelachse der Sendespule 14 und der Wickelachse der Empfangsspule 21 in x-Achsenrichtung dar und die vertikale Achse stellt den Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in Richtung der z-Achse dar. Zusätzlich stellen die in den einzelnen Spalten des Verteilungsdiagramms 600 dargestellten Zahlenwerte den Kopplungsgrad zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in Bezug auf die Kombination des Abweichungsbetrags zwischen den Wickelachsen in der entsprechenden x-Achsenrichtung und mit dem Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in der entsprechenden z-Achsenrichtung dar. Auch in dieser Simulation wurde der Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der z-Achsenrichtung in Schritten von 10 mm über einen Bereich von 10 mm bis 40 mm geändert und der Abstand zwischen der Wickelachse der Sendespule 14 und der Wickelachse der Empfangsspule 21 entlang der x-Achsenrichtung in 10mm-Schritten über einen Bereich von Omm bis 30mm verändert.
Wenn in dieser Simulation der Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der z-Achse 40 mm beträgt und der Abstand zwischen den Wickelachsen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der x-Achse 0 mm beträgt, ist der Kopplungsgrad k zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 beim Minimum (0.099). Wenn hingegen der Abstand zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der z-Achse 10 mm beträgt und der Abstand zwischen den Wickelachsen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 entlang der x-Achse 30 mm beträgt, ist der Kopplungsgrad k zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 beim Maximum (0.198). Daher ist zu sehen, dass der Kopplungsgrad k höchstens etwa um das doppelte variiert und der Variationsbereich des Kopplungsgrades wird im Vergleich zum obigen Vergleichsbeispiel auf etwa die Hälfte reduziert.
Da die Empfangsspule 21 relativ groß ist, lässt sich in dieser Abwandlung leicht die Induktivität der Empfangsspule 21 größer machen als die Induktivität der Sendespule 14. Wenn dann die Induktivität der Empfangsspule 21 zunimmt, konzentriert sich der magnetische Fluss während der Leistungsübertragung in der Nähe der Empfangsspule 21. In einem solchen Fall, auch wenn die Phaseneinstellschaltung 15 der Leistungsübertragungsvorrichtung 2 nicht vorgesehen ist, wird die Verzögerung einer Phase eines Stroms, der durch die Schaltelemente fließt, in Bezug auf eine Phase einer Spannung, die an die Schaltelemente der Wechselrichterschaltung 13 des Stromversorgungskreises 10 der Leistungsübertragungsvorrichtung 2 angelegt ist, unterdrückt. Daher kann bei dieser Abwandlung auch die Phaseneinstellschaltung 15 entfallen.
Auch in der obigen Ausführungsform kann, wenn die Induktivität der Empfangsspule 21 relativ groß ist, auch die Phaseneinstellschaltung 15 weggelassen werden.
Wie oben beschrieben, kann der Fachmann verschiedene Abwandlungen entsprechend den Ausführungsformen im Rahmen der vorliegenden Erfindung vornehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2019177895 [0001]
JP 2010 [0004]
JP 239848 A [0004]
JP 2010239848 A [0005]

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung, umfassend: eine Leistungsübertragungsvorrichtung; und eine Leistungsempfangsvorrichtung, zu welcher die Leistung berührungslos von der Leistungsübertragungsvorrichtung übertragen wird, wobei die Leistungsübertragungsvorrichtung umfasst: eine Sendespule, die ausgebildet ist, um der Leistungsempfangsvorrichtung Wechselstrom zu zu führen; und ein Stromversorgungskreis, der ausgebildet ist, um die Sendespule mit Wechselstrom zu versorgen, und wobei die Leistungsempfangsvorrichtung umfasst: eine Resonanzschaltung mit einer Empfangsspule, die ausgebildet ist, um Wechselstrom von der Sendespule zu erhalten, und wobei die Sendespule und die Empfangsspule derart gebildet sind, dass die Größe einer der Sendespule und Empfangsspule in einer Ebene orthogonal zu deren Wickelachse größer ist als die Größe der anderen der Sendespule und Empfangsspule in einer Ebene orthogonal zu deren Wickelachse.
Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung nach Anspruch 1, wobei die Sendespule und die Empfangsspule derart gebildet sind, dass ein Innendurchmesser der einen Spule in der zur Wickelachse orthogonalen Ebene größer ist als ein Außendurchmesser der anderen Spule in der zur Wickelachse orthogonalen Ebene.
Vorrichtung zur berührungslosen Leistungsversorgung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromversorgungskreis der Leistungsübertragungsvorrichtung eine Wechselrichterschaltung umfasst, die eine Vielzahl von Schaltelementen aufweist, die in einer Vollbrückenkonfiguration oder einer Halbbrückenkonfiguration zwischen einer Gleichstromversorgung und der Sendespule angeschlossen sind, und der Stromversorgungskreis derart ausgebildet ist, dass er den von der Gleichstromversorgung gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, der eine Frequenz aufweist, bei welcher der Resonanzkreis der Leistungsempfangsvorrichtung mitschwingt, indem die Vielzahl von Schaltelementen in dieser Frequenz ein- und ausgeschaltet werden, und die Sendespule mit Wechselstrom versorgt, und die Leistungsübertragungsvorrichtung umfasst ferner eine Phaseneinstellschaltung, die so konfiguriert ist, dass ein Betrag einer Phasenlaufzeit eines Stroms, der durch die Vielzahl der Schaltelemente der Wechselrichterschaltung fließt, in Bezug auf eine Phase einer Spannung, die an die Vielzahl der Schaltelemente angelegt ist, eingestellt wird.