DE112010000855T5

DE112010000855T5 - Sendevorrichtung elektrischer Leistung und kontaktfreies Übertragungssystem elektrischer Leistung

Info

Publication number: DE112010000855T5
Application number: DE112010000855T
Authority: DE
Inventors: Naoki Wako; Toshiaki Oka
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2010-01-04
Publication date: 2012-06-21
Also published as: WO2010079768A1; US20110266884A1; KR20110103408A; CN102273046A; JPWO2010079768A1

Abstract

System zumÜbertragen elektrischer Leistung von einer Sendevorrichtung elektrischer Leistung (10) zu einer Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung (50) unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktion zwischen einer Leistungsempfangsspule (60) und einer Leistungssendespule (40). Die Sendevorrichtung elektrischer Leistung enthält ein Schaltglied elektrischer Leistung (14), einen ersten Kondensator (20) und eine Ableitungsschaltung elektrischer Leistung (30). Das Schaltglied elektrischer Leistung (14) enthält ein Schaltelement (16) und einen Ausgabepunkt (P) und schaltet das Schaltelement mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz (f), wodurch bewirkt wird, dass das elektrische Potential an dem Ausgabepunkt (P) einen vorbestimmten Verlauf aufweist, wobei der vorbestimmte Verlauf eineÄnderung des elektrischen Potentials ist, die durch eine Einweggleichrichtung eines sinusförmigen Signalverlaufs mit einer vorbestimmten Amplitude gewonnen werden kann. Der erste Kondensator (20) ist zwischen den Ausgabepunkt (P) und ein erstes konstantes elektrisches Potential (Masse) geschaltet. Die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung (30) enthält die Leistungssendespule (40) und ist so gebildet, dass sie bewirkt, dass ein Wechselstromverlauf des vorbestimmten Verlaufs zwischen den beiden Enden der Leistungssendespule (40) auftritt. Die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung ist zwischen den Ausgabepunkt und ein zweites konstantes elektrisches Potential (Masse) geschaltet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein kontaktfreies Übertragungssystem elektrischer Leistung, das eine Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung mit einer Leistungsempfangsspule und eine Sendevorrichtung elektrischer Leistung mit einer Leistungssendespule enthält. Bei Anordnung der Leistungsempfangsspule der Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung in einer vorbestimmten Position in der Nähe der Leistungssendespule überträgt das kontaktfreie Übertragungssystem elektrischer Leistung eine elektrische Leistung von der Sendevorrichtung elektrischer Leistung zu der Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktion zwischen der Leistungsempfangsspule und der Leistungssendespule. Beispielsweise ist die Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung eine tragbare elektronische Vorrichtung wie z. B. ein Mobiltelefon oder ein tragbarer Musikspieler, während die Sendevorrichtung elektrischer Leistung eine elektrische Aufladestation oder Wiege für die tragbare elektronische Vorrichtung ist.
Technischer Hintergrund
Eine Sendevorrichtung elektrischer Leistung treibt eine Leistungsübertragungsspule unter Verwendung eines Schaltglieds elektrischer Leistung mit einem Schaltelement, so dass eine Übertragung elektrischer Leistung von der Leistungsübertragungsspule unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktion zu einer Leistungsempfangsspule ausgeführt wird. Im Hinblick auf eine jüngere Anwendung wie z. B. eine Übertragung elektrischer Leistung zu einer portablen elektronischen Vorrichtung usw. ist es erforderlich, eine Schaltfrequenz zu erhöhen. Andererseits bewirken einige Schaltungsaufbauten eines Schaltglieds elektrischer Leistung Probleme wie z. B. einen höheren Wärmewert oder einen höheren elektrischen Leistungsverlust, wenn die Schaltfrequenz erhöht wird.
Vor dem oben beschriebenen Hintergrund schlägt das Patentdokument 1 eine Sendevorrichtung elektrischer Leistung vor, die ein Schaltglied elektrischer Leistung enthält und eine hohe Schaltfrequenz aufweist, wobei das Schaltglied elektrischer Leistung wirkungsvoll mit geringer Wärmeerzeugung und geringem Leistungsverlust angeregt werden kann. Das Schaltglied elektrischer Leistung des Patentdokuments 1 basiert auf einer selbsterregten Colpitts-Oszillatorschaltung, wobei seine Leistungssendespule in einer Rückkopplungsschleife zu dem Schaltelement des Schaltglieds elektrischer Leistung angeordnet ist.
Dokumente des Stands der Technik
Patentdokument(e)

Patentdokument 1: JP B 2673876

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Die Anordnung der Leistungssendespule in der Rückkoppelschleife zu dem Schaltelement verhindert jedoch eine Übertragung hoher elektrischer Leistung von der Leistungssendespule zu der Leistungsempfangsspule.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sendevorrichtung elektrischer Leistung bereitzustellen, die die Wirkungen des Patentdokuments 1 aufweist wie z. B. hohe Schaltfrequenz und es zusätzlich möglich macht, im Vergleich zu Patentdokument 1 eine hohe elektrische Leistung zu übertragen.
Mittel zum Lösen des Problems
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Sendevorrichtung elektrischer Leistung mit einer Leistungssendespule bereit, wobei Sendevorrichtung elektrischer Leistung so konfiguriert ist, dass sie bei Anordnung einer Leistungsempfangsspule einer Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung an einer vorbestimmten Position in der Nähe der Leistungssendespule unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktion zwischen der Leistungsempfangsspule und der Leistungssendespule eine elektrische Leistung zu der Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung überträgt. Die Sendevorrichtung elektrischer Leistung enthält ein Schaltglied elektrischer Leistung, einen ersten Kondensator, und eine Ableitungsschaltung elektrischer Leistung. Das Schaltglied elektrischer Leistung enthält ein Schaltelement und einen Ausgabepunkt. Ein Schalten des Schaltelements mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz erzeugt einen vorbestimmten Verlauf eines elektrischen Potentials an dem Ausgabepunkt, wobei der vorbestimmte Verlauf eine Änderung des elektrischen Potentials ist, die durch eine Einweggleichrichtung eines sinusförmigen Signalverlaufs mit einer vorbestimmten Amplitude gewonnen werden kann. Der erste Kondensator ist zwischen den Ausgabepunkt und ein erstes konstantes elektrisches Potential geschaltet. Die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung enthält die Leistungssendespule. Die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung ist zwischen den Ausgabepunkt und ein zweites konstantes elektrisches Potential geschaltet, um zwischen den entgegengesetzten Enden der Leistungssendespule einen Wechselstromverlauf zu erzeugen, der in dem vorbestimmten Verlauf enthalten ist.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Bei der Sendevorrichtung elektrischer Leistung gemäß dem einen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Leistungssendespule nicht innerhalb des Schaltglieds elektrischer Leistung angeordnet, sondern außerhalb des Schaltglieds elektrischer Leistung. Daher ist es möglich, eine höhere elektrische Leistung von der Leistungssendespule zu der Leistungsempfangsspule zu übertragen.
In einem kontaktfreien Übertragungssystem elektrischer Leistung ist die Leistungssendespule/Leistungsempfangsspule gebildet durch Anordnen einer planaren Spule auf einem Substrat, wobei das Substrat aus einem magnetischen Material besteht, das eine Permeabilität von 1000 oder weniger hat, und die Anzahl der Windungen der Spule ist 1 bis 10 Windungen. Diese Bildungsweise verringert die Impedanz der Leistungssendespule/Leistungsempfangsspule. Weiter ist ein Zwischenraum zwischen den gewickelten Drähten der Leistungssendespule/Leistungsempfangsspule gelassen, so dass auch dann, wenn die Positionen der Leistungssendespule und der Leistungsempfangsspule nicht miteinander übereinstimmen, eine starke Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektrischen Leistungsübertragung verringert werden kann. Aufgrund des Obigen ist es möglich, die magnetische Kupplung zwischen der Leistungssendespule und der Leistungsempfangsspule zu stärken, um dadurch den Wirkungsgrad der elektrischen Leistungsübertragung zwischen ihnen zu erhöhen.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das ein kontaktfreies Übertragungssystem elektrischer Leistung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein schematisches Diagramm, das einen Verlauf des elektrischen Potentials (vorbestimmter Verlauf) an einem Punkt ”P” in dem kontaktfreien Übertragungssystem elektrischer Leistung von 1 zeigt.
3 ist ein schematisches Blockdiagramm das ein kontaktfreies Übertragungssystem elektrischer Leistung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel für eine Leistungssendespule/Leistungsempfangsspule zeigt, die in dem kontaktfreien Übertragungssystem elektrischer Leistung von 3 verwendet wird.
5 ist eine schematische Draufsicht, die ein Vergleichsbeispiel der eine Leistungssendespule/Leistungsempfangsspule von 4 zeigt.
6 ist eine Ansicht, die eine Änderung einer elektrischen Leistung bei einer Positionsverschiebung zwischen der Leistungssendespule und der Leistungsempfangsspule zeigt.
Beste Art zum Ausführen der Erfindung
(Erste Ausführungsform)
Mit Bezug auf 1 enthält ein kontaktfreies Übertragungssystem elektrischer Leistung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Sendevorrichtung elektrischer Leistung 10 mit einer Leistungssendespule 40 und eine Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung 50 mit einer Leistungsempfangsspule 60. Die Leistungssendespule 40 und die Leistungsempfangsspule 50 sind nämlich voneinander trennbar.
Das kontaktfreie Übertragungssystem elektrischer Leistung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist so aufgebaut, dass es bei Anordnung der Leistungsempfangsspule 60 der Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung 50 an einer vorbestimmten Position in der Nähe der Leistungssendespule 40 unter Verwendung elektromagnetischer Induktion zwischen der Leistungsempfangsspule 60 und der Leistungssendespule 40 eine elektrische Leistung von der Sendevorrichtung elektrischer Leistung zu der Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung überträgt. Die Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung 50 ist beispielsweise eine tragbare elektronische Vorrichtung. Die Sendevorrichtung elektrischer Leistung 10 ist beispielsweise eine elektrische Wiederaufladestation oder Wiege für die tragbare elektrische Vorrichtung.
Die Sendevorrichtung elektrischer Leistung enthält eine Oszillatorschaltung 12, ein Schaltglied elektrischer Leistung 14, einen ersten Kondensator 20 und eine Ableitungsschaltung elektrischer Leistung 30. Die Oszillatorschaltung 12 erzeugt ein Oszillatorsignal mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz f.
Das Schaltglied elektrischer Leistung 14 enthält ein Schaltelement 16, das zwischen einen Ausgabepunkt P und eine Masse (drittes konstantes elektrisches Potential) geschaltet ist, und eine Variationsinduktivität elektrischer Leistung 18, die zwischen den Ausgabepunkt P und eine Leistungsversorgung VDD (viertes konstantes elektrisches Potential) geschaltet ist. Das Schaltelement 16 gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein nMOSFET, wobei sein Drainanschluss mit dem Ausgabepunkt P verbunden ist, während sein Sourceanschluss mit Masse verbunden ist. Mit dem Schaltelement 16, insbesondere einem Gate des nMOSFET, ist die Oszillatorschaltung 12 verbunden. Eine vorbestimmte Schaltfrequenz f wird von der Oszillatorschaltung 12 aus dem Schaltelement 16 eingegeben, so dass das Schaltelement 16 einen Schaltvorgang mit der vorbestimmten Schaltfrequenz f durchführt. Somit bewirkt das Schaltglied elektrischer Leistung 14 eine vorbestimmte Änderung (einen vorbestimmten Verlauf) eines elektrischen Potentials V_P an dem Ausgabepunkt P.
Der vorbestimmte Verlauf ist eine Änderung des elektrischen Potentials, die erzielt werden kann durch Ausführen einer Einweggleichrichtung eines sinusförmigen Signalverlaufs mit einer vorbestimmten Amplitude, wie es in 2 gezeigt ist. Anders ausgedrückt ist der vorbestimmte Verlauf eine Änderung des elektrischen Potentials, die gewonnen werden kann, indem nur die positiven Abschnitte des sinusförmigen Signalverlaufs genommen werden. Der vorbestimmte Verlauf wird eingestellt durch Abgleichen der vorbestimmten Schaltfrequenz f und eines Induktivitätswerts L₁ der Variationsinduktivität elektrischer Leistung. Es sei angemerkt, dass ein in 2 durch V_DC angezeigtes elektrisches Potential ein elektrisches Zeitdurchschnittspotential des elektrischen Potentials V_P an dem Ausgabepunkt P ist. Das elektrische Potential V_DC ist nämlich eine DC-Komponente der vorbestimmten Änderung des elektrischen Potentials V_P.
Der erste Kondensator 20 ist zwischen den Ausgabepunkt P und eine Masse (erstes konstantes elektrisches Potential) geschaltet und hat einen Kapazitätswert C₁. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Kapazitätswert C₁ wie später beschrieben im Hinblick auf eine Ableitungsschaltung elektrischer Leistung bestimmt.
Die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung 30 ist zwischen den Ausgabepunkt P und Masse (zweites konstantes elektrisches Potential) geschaltet. Insbesondere enthält die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung 30 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen zweiten Kondensator 32, der mit dem Ausgabepunkt P und der Leistungssendespule 40 verbunden ist, die zwischen den zweiten Kondensator 32 und Masse (zweites konstantes elektrisches Potential) geschaltet ist. Die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung 30 ist nämlich gebildet durch Schalten des zweiten Kondensators 32 und der Leistungsübertragungsspule 40 in Reihe. Die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung 30 ist eine Schaltung zum Ableiten einer Wechselstrom-Komponente (AC-Komponente V_AC = V_P – V_DC) aus dem Verlauf des elektrischen Potentials V_P an dem Ausgabepunkt P, d. h. dem vorbestimmten Verlauf, unter Verwendung der Leistungssendespule 40. Die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung 30 dient nämlich dazu, zu bewirken, dass der AC-Verlauf des vorbestimmten Verlaufs zwischen beiden Enden der Leistungssendespule 40 auftritt. Der zweite Kondensator 32 dient dazu, die DC-Komponente von dem vorbestimmten Verlauf zu entfernen, und hat einen Kapazitätswert C₂. Die Leistungssendespule 40 hat bei Anordnung der Leistungsempfangsspule 60 an der vorbestimmten Position von dem Ausgabepunkt P aus gesehen einen Induktivitätswert L₂. Anders ausgedrückt besteht der Induktivitätswert L₂ nicht nur aus dem Induktivitätswert der Leistungssendespule 40 allein, sondern ist ein Induktivitätswert der Leistungssendespule 40, die eine Gegeninduktivität aufgrund der Anordnung der Leistungsempfangsspule an der vorbestimmten Position enthält.
Eine erste Resonanzfrequenz f₁ wird durch den folgenden mathematischen Ausdruck (1) ausgedrückt, wobei die erste Resonanzfrequenz f₁ eine Resonanzfrequenz in einem Fall ist, in dem eine Serienresonanzschaltung gebildet wird durch den ersten Kondensator 20 und den zweiten Kondensator 32 und die Leistungsübertragungsspule 40, und die erste Resonanzfrequenz f₁ wird berechnet unter einer Bedingung, in der die Leistungssendespule 40 den Induktivitätswert L₂ hat. [Mathematischer Ausdruck 1]
Ähnlich wird eine zweite Resonanzfrequenz durch den folgenden mathematischen Ausdruck (2) ausgedrückt, wobei die zweite Resonanzfrequenz f₂ eine Resonanzfrequenz in einem Fall ist, in dem ein Serienresonanzkreis gebildet wird durch den zweiten Kondensator 32 und die Leistungsübertragungsspule 40, und die zweite Resonanzfrequenz f₂ wird unter einer Bedingung berechnet, in der die Leistungssendespule 40 den Induktivitätswert L₂ hat.
[Mathematischer Ausdruck 2]

(2πf₂)² × L₂·C₂ = 1 (2)

Wenn das Schaltelement 16 ausgeschaltet ist, wird angenommen, dass die Serienresonanzschaltung, die aus dem ersten Kondensator 20 und dem zweiten Kondensator 32 und der Leistungssendespule 40 gebildet wird, bei der ersten Resonanzfrequenz f₁ arbeitet. Wenn das Schaltelement 16 eingeschaltet ist, wird dagegen angenommen, dass die Serienresonanzschaltung, die durch den zweiten Kondensator 32 und die Leistungsübertragungsspule 40 gebildet wird, bei der zweiten Resonanzfrequenz f₂ arbeitet. Um die Ausgabe des Schaltglieds 14 elektrischer Leistung mit hohem Wirkungsgrad zu entnehmen, ist die erste Resonanzfrequenz f₁ vorzugsweise größer als die vorbestimmte Schaltfrequenz f, während die zweite Resonanzfrequenz F₂ kleiner als die vorbestimmte Frequenz f ist. Die erste Resonanzfrequenz f₁, die zweite Resonanzfrequenz f₂ und die vorbestimmte Frequenz f erfüllen nämlich vorzugsweise den folgenden mathematischen Ausdruck (3).
[Mathematischer Ausdruck 3]

f₂ < f < f₁ (3)

Weiter ist im Hinblick auf das Sicherstellen einer zuverlässigen Leistungsfähigkeit vorzuziehen, dass die erste Resonanzfrequenz den folgenden mathematischen Ausdruck (4) erfüllt, und es ist auch vorzuziehen, dass die zweite Resonanzfrequenz f₂ den folgenden mathematischen Ausdruck (5) erfüllt.
[Mathematischer Ausdruck 4]

f < f₁ < 2f (4)

[Mathematischer Ausdruck 5]

0,5f < f₂ < f (5)

Auch wenn das Schaltelement 16 bei der oben beschriebenen Ausführungsform ein nMOSFET ist, können andere Elemente verwendet werden. Auch wenn das erste konstante elektrische Potential, das zweite konstante elektrische Potential und das dritte konstante elektrische Potential jeweils die Masse ist, können sie andere elektrische Potentiale außer Masse sein, vorausgesetzt, dass sie konstante elektrische Potentiale sind.
Die Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung 50 enthält eine Empfangsschaltung elektrischer Leistung 52, die mit der Leistungsempfangsspule 60 verbunden ist, eine Last 54, die mit der Leistungsempfangsschaltung 52 verbunden ist, einen Batterielader 56, der mit der Leistungsempfangsspule 60 verbunden ist, und eine Speicherbatterie 58, die mit dem Batterielader 56 verbunden ist. Die elektrische Leistung, die wie oben beschrieben von der Leistungssendespule 40 der Sendevorrichtung elektrischer Leistung 10 zu der Empfangsspule 60 der Sendevorrichtung elektrischer Leistung 50 übertragen wird, wird über den Batterielader 56 in der Speicherbatterie 58 gespeichert, während sie über die Empfangsschaltung elektrischer Leistung 52 der Last 54 zugeführt wird. Während die Leistungsempfangsspule 60 keine elektrische Leistung empfängt (d. h. die Leistungsempfangsspule 60 nicht in der vorbestimmten Position angeordnet ist), entlädt die Speicherbatterie 58 Elektrizität, um eine elektrische Leistung für die Last 54 über den Batterielader 56 und die Empfangsschaltung 52 elektrischer Leistung zu liefern.
Da die Leistungssendespule 40 wie oben beschrieben außerhalb des Schaltglieds elektrischer Leistung 14 angeordnet ist, entfallen die Beschränkungen der Größe der übertragbaren elektrischen Leistung. Da die Beziehung zwischen der Schaltfrequenz und allen Elementen so eingestellt ist, dass sie die oben genannten mathematischen Ausdrucke (1)–(3) erfüllt, kann eine Erhöhung der Schaltfrequenz auf 1 MHz oder mehr und ein hoher Wirkungsgrad der Übertragung elektrischer Leistung (niedriger Verlust elektrischer Leistung) erzielt werden, während erzeugte Hitze auf einen geringen Wert verringert werden kann. In Kürze kann die vorliegende Erfindung eine Verkleinerung der Abmessung und eine Profilerniedrigung der Sendevorrichtung 10 elektrischer Leistung ohne Probleme bei ihren Eigenschaften erzielen. Zusätzlich ist ein Schaltungsaufbau der Sendevorrichtung elektrischer Leistung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sehr einfach, wie aus 1 hervorgeht.
(Zweite Ausführungsform)
Mit Bezug auf 3 ist ein kontaktfreies Übertragungssystem elektrischer Leistung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Abwandlung des oben beschriebenen kontaktfreien Übertragungssystems elektrischer Leistung gemäß der ersten Ausführungsform und hat denselben Aufbau wie das kontaktfreie Übertragungssystem elektrischer Leistung gemäß der ersten Ausführungsform außer einem unterschiedlichen Aufbau einer Ableitungsschaltung elektrischer Leistung 30a einer Sendevorrichtung elektrischer Leistung 10a. Daher ist die folgende Erklärung auf den unterschiedlichen Aufbau der Ableitungsschaltung elektrischer Leistung 30a gerichtet, während die Erklärungen der anderen Komponenten unterbleiben.
Die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung 30a gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält die Leistungssendespule 40, die mit dem Ausgabepunkt P verbunden ist, und den zweiten Kondensator 32, der zwischen die Leistungssendespule 40 und Masse (zweites konstantes elektrisches Potential) geschaltet ist. Anders ausgedrückt ist auch die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung 30a gebildet durch Schalten des zweiten Kondensators 32 und der Leistungssendespule 40 in Serie, und sie ist eine Schaltung zum Ableiten einer Wechselstrom-Komponente (AC-Komponente V_AC = V_P – V_DC) des Verlaufs des elektrischen Potentials V an dem Ausgabepunkt P, d. h. des vorbestimmten Verlaufs, unter Verwendung der Leistungssendespule 40.
Das kontaktfreie Übertragungssystem elektrischer Leistung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist auch so gebildet, dass es die oben beschriebenen mathematischen Ausdrücke (1)–(5) erfüllt. Wie sich daraus ergibt, kann entweder der zweite Kondensator 32 oder die Leistungsübertragungsspule 40 mit dem Ausgabepunkt P verbunden sein, vorausgesetzt, dass die mathematischen Ausdrücke (1)–(3) erfüllt sind. Der zweite Kondensator 32 kann in zwei Kondensatoren aufgeteilt sein, zwischen die die Leistungssendespule 40 eingefügt ist, so dass die zwei Kondensatoren und die Leistungssendespule 40 in Reihe geschaltet sind, um die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung 30a zu bilden. Beliebige Abwandlungen können ähnliche Wirkungen wie die oben beschriebene erste Ausführungsform erzielen, vorausgesetzt, dass die oben genannten mathematischen Ausdrücke (1)–(3), vorzugsweise die mathematischen Ausdrücke (1)–(5).
Konkrete Beispiele für Induktivitäts- und Kapazitätswerte aller Elemente in den vorliegenden Ausführungsformen werden hier beschrieben. Für den Induktivitätswert L₂ der Leistungssendespule 40 gesehen von dem Ausgabepunkt P aus bei Anordnung der Leistungsempfangsspule 60 an der vorbestimmten Position ist L₂ = 2,64 μH. Für den Induktivitätswert L₁ der Variationsinduktivität elektrischer Leistung 18 ist L₁ = 14,57 μH. Für den Kapazitätswert C₁ des ersten Kondensators 20 ist C₁ = 75,67 pF. Für den Kapazitätswert C₂ des zweiten Kondensators 32 ist C₂ = 61,04 pF. Die vorbestimmte Schaltfrequenz f ist 13,56 MHz. Diese Werte werden in dem mathematischen Ausdruck (1) eingesetzt, um ihn zu berechnen, und das folgende Ergebnis wird gewonnen. f = 0,6474·f₁ (6)
In ähnlicher Weise werden diese Werte in dem mathematischen Ausdruck (2) eingesetzt, um ihn zu berechnen, und das folgende Ergebnis wird erzielt. f = 1,170·f₂ (7)
Wenn die Induktivitätswerte, die Kapazitätswerte und die vorbestimmte Schaltfrequenz auf die oben genannten Werte eingestellt werden, ist ihr Ergebnis nämlich f₂ < f < f₁, was den mathematischen Ausdruck (3) erfüllt.
Die Sendevorrichtung elektrische Leistung 10 wurde tatsächlich so gebildet, dass sie die Bedingungen der Induktivitätswerte, Kapazitätswerte und der vorbestimmten Schaltfrequenz erfüllt, und elektrische Leistung wurde zwischen der Sendevorrichtung elektrischer Leistung 10 und der Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung 50 übertragen. Bei der Übertragung wurde die Eingangsimpedanz der Leistungssendespule 40 gemessen. Wenn eine Realkomponente (R) der Impedanz 28,5 Ω war, war die Menge der übertragenen elektrischen Leistung 2,9 W. Wenn eine Menge der übertragenen elektrischen Leistung und Eigenschaften der Leistungssendespule 40 und/oder der Leistungsempfangsspule 60 geändert werden, müssen die Einstellwerte von L₁, L₂, C₁ und C₂ geändert werden. Auch in einem solchen Fall kann ein hoher Wirkungsgrad der Übertragung elektrischer Leistung erzielt werden, wenn die Werte aller Elemente und die Schaltfrequenz so eingestellt sind, dass sie die Bedingung des mathematischen Ausdrucks (3) erfüllen, d. h. f₂ < f < f₁.
4 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für einen Aufbau der Leistungssendespule zeigt, die in dem kontaktfreien Übertragungssystem elektrischer Leistung der vorliegenden Ausführungsformen verwendet wurde. Die Leistungsempfangsspule ist so entworfen, dass sie einen ähnlichen Aufbau hat wie die Leistungssendespule 40. Die Leistungssendespule 40 ist gebildet durch Wickeln von Drähten, wobei ein Zwischenraum zwischen den gewickelten Drähten verbleibt. Im Detail ist die Leistungssendespule 40 gebildet durch Anordnen einer planaren Spule 44 von vier Windungen auf einem magnetischen Substrat, das eine Permeabilität von 10 oder weniger hat; die Leistungssendespule 40 hat eine kleine Impedanz.
Die planare Spule 44 kann auf einer Leiterplatte unter Verwendung deren Leitmuster gebildet sein. In diesem Fall wird sie auf einer geformten Leiterplatte gebildet durch einen Prozess des Strukturierens, Plattierens, Ätzens, usw. für das Spulenmuster. Die planare Spule 44 kann unter Verwendung eines einzelnen Drahts, wie z. B. eines Polyurethan-beschichteten Kupferdrahts, eines Polyester-beschichtetenen Kupferdrahts, eines Lack-beschichteten Kupfers oder eines Strangs von zwei oder mehr der oben genannten Einzeldrähte oder einem Bündel der oben genannten Einzeldrähte gebildet sein. Die planare Spule 44 kann gebildet sein unter Verwendung eines Aufschmelzkupfers, das gebildet wird durch Backen einer Aufschmelzbeschichtung wie z. B. eines thermoplastischen Harzes oder eines wärmeaushärtenden Harzes auf einen oben genannten Einzeldraht. Die planare Spule 44 kann gebildet sein unter Verwendung eines mehrfach parallelen Drahtes, der gebildet wird durch Anordnen von zwei oder mehr der oben genannten Einzeldrähte parallel gefolgt durch ihre Verbindung. Die Form der planaren Spule 44 kann entworfen sein, um für eine Form eines Gehäuses geeignet zu sein, in dem sie angebracht ist.
Das magnetische Substrat 42 kann gebildet sein unter Verwendung eines auf Nickel basierenden Ferrits, das eine Dicke von 1 mm oder weniger und eine Permeabilität von 1.000 oder weniger hat. Die Form des magnetischen Substrats 42 kann so entworfen sein, dass sie für eine Form eines Gehäuses geeignet ist, in dem es angebracht wird.
Das magnetische Substrat 42 kann gebildet sein unter Verwendung eines anderen magnetischen Materials als des oben genannten auf Nickel basierenden Ferrits, wie z. B. eines auf Mangan basierenden Ferrits, einer amorphen magnetischen Legierung, Permalloy einer Fe-Ni-basierenden Legierung, nanokristallines magnetisches Material. Das Magnetmaterial kann eine blattartige Form haben. Es kann eine magnetische Beschichtung sein. Ein magnetischer Füllstoff oder magnetisches Pulver aus dem o. g. Material kann in Harz gemischt sein.
Die oben beschriebene Leistungssendespule 40 und eine Spule 40' eines in 5 gezeigten Vergleichsbeispiels wurden gebildet und ausgewertet. Die Spule 40' wurde gebildet durch Wickeln von Draht, ohne dass ein Zwischenraum zwischen den gewickelten Drähten gelassen wurde, und war ansonsten dieselbe wie die in 4 gezeigte Leistungssendespule 40.
Insbesondere wurde als Beispiel einer Leistungssendespule 40 (Leistungsempfangsspule 60 von 4) die planare Spule 44 gebildet und hatte einen Außendurchmesser φ von 29 mm, einen Drahtdurchmesser von 0,5 mm, vier Windungen und einen Zwischenraum von 2 mm, der zwischen den gewickelten Drähten gelassen wurde, während das magnetische Substrat 42 unter Verwendung eines auf Nickel basierenden Ferrits gebildet wurde, und eine Diskform hatte, die einen Außendurchmesser φ von 30 mm und eine Dicke von 0,2 mm hatte. Das magnetische Substrat 42 hatte eine Permeabilität von 800. Mit der so gebildeten Spule konnte eine elektrische Leistung von 6 Watt bei der vorbestimmten Schaltfrequenz f = 13,56 MHz über die elektrische Leistungsübertragung übertragen werden.
Andererseits wurde als Beispiel für eine Leistungssendespule 40' (Leistungsempfangsspule 60) von 5 die planare Spule 44' gebildet und hatte einen Außendurchmesser φ von 25 mm, einen Drahtdurchmesser von 0,5 mm, vier Windungen und keinen Zwischenraum, der zwischen den gewickelten Drähten gelassen wurde, während das magnetische Substrat 42 gebildet wurde unter Verwendung eines auf Nickel basierenden Ferrits und eine Diskform hatte, die einen Außendurchmesser φ von 30 mm und eine Dicke von 0,2 mm hatte. Das magnetische Substrat 42 hatte eine Permeabilität von 800. Mit der so gebildeten Spule konnte eine elektrische Leistung von 4,5 Watt bei der vorbestimmten Schaltfrequenz f = 13,56 MHz über die elektrische Leistungsübertragung übertragen werden.
Änderungen des Wirkungsgrads aufgrund einer Positionsverschiebung zwischen der Leistungssendespule und der Leistungsempfangsspule wurden ausgewertet. Insbesondere wurde eine Spule, die den in 5 gezeigten Aufbau hatte, als Leistungsempfangsspule verwendet. Andererseits wurde eine Spule mit dem Aufbau von 4 (dem Aufbau, bei dem ein Zwischenraum zwischen den gewickelten Drähten gelassen wird) als Leistungssendespule verwendet, und eine weitere Spule mit dem Aufbau von 5 (dem Aufbau, bei dem kein Zwischenraum zwischen den gewickelten Drähten gelassen wird) wurde gebildet. Änderungen der elektrischen Ausgangsleistung wurden für Fälle einer Positionsverschiebung zwischen der Leistungsempfangsspule und der jeweiligen Leistungssendespule gemessen. Die Auswertungsergebnisse sind in 6 gezeigt. Wie aus 6 ersichtlich, sind im Fall der Verwendung der planaren Spule 44, bei der ein Zwischenraum zwischen den gewickelten Drähten gelassen ist, Änderungen der elektrischen Ausgangsleistung auch bei einer Positionsverschiebung gering; wenn die Positionsverschiebung in einen Bereich von ±5 mm fällt, kann eine Ausgabe von 5 V oder mehr erzielt werden.
Geeignete Werte der Anzahl von Windungen und Impedanzen der planaren Spulen für die Leistungssendespule und die Leistungsempfangsspule unterscheiden sich abhängig von der Verwendung des kontaktfreien Übertragungssystems elektrischer Leistung, dem Grad der Erfordernis seiner Größenverringerung, der gewünschten elektrischen Leistungsversorgung, usw. Wenn jedoch die Anzahl von Windungen 1–10 beträgt, ist sie für zahlreiche verschiedene Anwendungen anwendbar. Wenn der Zwischenraum zwischen den gewickelten Drähten der Spule 0,1 mm oder mehr ist, kann die Redundanz für die Positionsverschiebung zwischen der Leistungssendespule und der Leistungsempfangsspule verglichen mit einem Fall des Aufbaus mit einem Zwischenraum von fast 0 wie im Stand der Technik verbessert werden.
Es ist klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt ist. Abwandlungen des Materials oder des Aufbaus können damit gemacht werden, ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen. Es ist beispielsweise im Allgemeinen erwartet, dass die Last 9 der Empfangsschaltung 50 elektrischer Leistung einen Widerstand als Äquivalenzschaltbild hat. Es kann jedoch eine Last verwendet werden, die eine Kapazitätskomponente in Reihe oder parallel aufweist oder auch eine Last, die eine Induktivitätskomponente aufweist; auch in diesem Fall kann die Wirkung der vorliegenden Wirkungen erzielt werden. Zu der Sendevorrichtung elektrischer Leistungen 10 können elektrische Teile oder eine andere Schaltung als die gezeigten Elemente hinzugefügt werden. Ein anderes Schaltelement als ein FET kann als spannungsgesteuertes Schaltelement verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10, 10a: Sendevorrichtung elektrischer Leistung
12: Oszillatorschaltung
14: Schaltglied elektrischer Leistung
16: Schaltelement
18: Variationsinduktivität elektrischer Leistung
20: erster Kondensator
30, 30a: Ableitungsschaltung elektrischer Leistung
40: Leistungssendespule
42: magnetisches Substrat
44: planare Spule
50: Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung
52: Empfangsschaltung elektrischer Leistung
54: Last
56: Batterielader
58: Speicherbatterie
60: Leistungsempfangsspule

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2673876 B [0003]

Claims

Sendevorrichtung elektrischer Leistung mit einer Leistungssendespule, wobei Sendevorrichtung elektrischer Leistung so konfiguriert ist, dass sie bei Anordnung einer Leistungsempfangsspule einer Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung an einer vorbestimmten Position in der Nähe der Leistungssendespule unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktion zwischen der Leistungsempfangsspule und der Leistungssendespule eine elektrische Leistung zu der Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung überträgt, wobei Sendevorrichtung elektrischer Leistung enthält: ein Schaltglied elektrischer Leistung, das ein Schaltelement und einen Ausgabepunkt enthält, wobei ein Schalten des Schaltelements mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz einen vorbestimmten Verlauf eines elektrischen Potentials an dem Ausgabepunkt erzeugt, wobei der vorbestimmte Verlauf eine Änderung des elektrischen Potentials ist, die durch eine Einweggleichrichtung eines sinusförmigen Signalverlaufs mit einer vorbestimmten Amplitude gewonnen werden kann, einen ersten Kondensator, der zwischen den Ausgabepunkt und ein erstes konstantes elektrisches Potential geschaltet ist, und eine Ableitungsschaltung elektrischer Leistung, die die Leistungssendespule enthält, wobei die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung zwischen den Ausgabepunkt und ein zweites konstantes elektrisches Potential geschaltet ist, um zwischen den entgegengesetzten Enden der Leistungssendespule einen Wechselstromverlauf zu erzeugen, der in dem vorbestimmten Verlauf enthalten ist.
Sendevorrichtung elektrischer Leistung gemäß Anspruch 1, bei der das Schaltelement zwischen ein drittes konstantes elektrisches Potential und den Ausgabepunkt geschaltet ist, das Schaltglied elektrischer Leistung weiter eine Variationsinduktivität elektrischer Leistung enthält, die zwischen ein viertes konstantes elektrisches Potential und den Ausgabepunkt geschaltet ist, und der vorbestimmte Verlauf bestimmt wird durch die vorbestimmte Schaltfrequenz f und den Induktivitätswert der Variationsinduktivität elektrischer Leistung.
Sendevorrichtung elektrischer Leistung gemäß Anspruch 2, bei der das dritte konstante elektrisches Potential Masse ist.
Sendevorrichtung elektrischer Leistung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der die Ableitungsschaltung elektrischer Leistung die Leistungssendespule und einen zweiten Kondensator enthält, der direkt mit der Leistungssendespule verbunden ist, und eine zweite Resonanzfrequenz f₂ niedriger als die vorbestimmte Schaltfrequenz f ist, wobei die zweite Resonanzfrequenz f₂ eine Resonanzfrequenz in einem Fall ist, in dem ein Serienresonanzkreis durch die Leistungssendespule und den zweiten Kondensator gebildet ist, und die zweite Resonanzfrequenz f₂ berechnet wird unter Verwendung des Induktivitätswerts der Leistungssendespule in einem Fall, in dem die Leistungssendespule von dem Ausgabepunkt aus gesehen wird, wenn die Leitungsempfangsspule in dem vorbestimmten Bereich angeordnet ist.
Sendevorrichtung elektrischer Leistung gemäß Anspruch 4, bei der die zweite Resonanzfrequenz f₂ die folgende Bedingung für die vorbestimmte Schaltfrequenz erfüllt: 0,5f < f₂ < f.
Sendevorrichtung elektrischer Leistung gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der eine erste Resonanzfrequenz f₁ höher als die vorbestimmte Schaltfrequenz f ist, wobei die erste Resonanzfrequenz f₁ eine Resonanzfrequenz in einem Fall ist, in dem ein Serienresonanzkreis durch die Leistungssendespule und den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator gebildet ist, und die erste Resonanzfrequenz f₁ berechnet wird unter Verwendung des Induktivitätswerts der Leistungssendespule in einem Fall, in dem die Leistungssendespule von dem Ausgabepunkt aus gesehen wird, wenn die Leitungsempfangsspule in dem vorbestimmten Bereich angeordnet ist.
Sendevorrichtung elektrischer Leistung gemäß Anspruch 6, bei der die erste Resonanzfrequenz f₁ die folgende Bedingung für die vorbestimmte Schaltfrequenz erfüllt: f < f₁ < 2f.
Sendevorrichtung elektrischer Leistung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die vorbestimmte Schaltfrequenz so entworfen ist, dass sie 1 MHz oder mehr ist.
Sendevorrichtung elektrischer Leistung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das erste konstante elektrische Potential und das zweite konstante elektrische Potential Masse sind.
Kontaktfreies Übertragungssystem elektrischer Leistung mit einer Sendevorrichtung elektrischer Leistung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 und einer Empfangsvorrichtung elektrischer Leistung, die die Leistungsempfangsspule enthält.
Kontaktfreies Übertragungssystem elektrischer Leistung gemäß Anspruch 10, bei dem die Leistungssendespule und die Leistungsempfangsspule gebildet sind durch Anordnen einer planaren Spule auf einem Substrat, das Substrat aus einem magnetischen Material besteht, das eine Permeabilität von 1000 oder weniger hat, und die Anzahl der Windungen der planaren Spule 1 bis 10 Windungen ist.
Kontaktfreies Übertragungssystem elektrischer Leistung gemäß Anspruch 11, bei dem die planare Spule gebildet ist durch Wickeln von Drähten, wobei ein Zwischenraum von 0,1 mm oder mehr zwischen den gewickelten Drähten gelassen ist.