DE112020001336T5

DE112020001336T5 - Kontaktlose energieversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112020001336T5
Application number: DE112020001336.7T
Authority: DE
Inventors: Goro Nakao
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-11-25
Also published as: JP2020156218A; JP7383890B2; US11955812B2; US20220131414A1; WO2020189351A1

Abstract

Eine Energieempfangsvorrichtung 3 einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Resonanzschaltungen (21-1 bis 21-n), die Energie von einer Energieübertragungsvorrichtung 2 empfangen, und eine Energieempfangsschaltung 24, die die von der Energieübertragungsvorrichtung 2 durch die Vielzahl von Resonanzschaltungen (21-1 bis 21-n) empfangene Energie an eine Lastschaltung ausgibt. Jeder der Vielzahl von Resonanzschaltungen (21-1 bis 21-n) umfasst eine Empfangsspule (22-1 bis 22-n), die Energie von einer Übertragungsspule 12 der Energieübertragungsvorrichtung 2 empfängt, und einen Resonanzkondensator (23-1 bis 23-n), der, zusammen mit der Empfangsspule (22-1 bis 22-n), mit der der Übertragungsspule 12 zugeführten Wechselstromenergie in Resonanz tritt. Die Empfangsspulen (22-1 bis 22-n) der Vielzahl von Resonanzschaltungen (21-1 bis 21-n) sind derart angeordnet, dass sie elektromagnetisch gekoppelt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Es wurden Forschungsarbeiten zu einer so genannten kontaktlosen Energieversorgungstechnologie (auch drahtlose Energieübertragung genannt) durchgeführt, bei der Energie ohne Metallkontakte oder Ähnliches über den Raum übertragen wird.
In einer Energieversorgungsvorrichtung (im Folgenden einfach als kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung bezeichnet), die die kontaktlose Energieversorgungstechnologie verwendet, sind eine primärseitige (stromübertragungsseitige) Spule (im Folgenden als Übertragungsspule oder Primärspule bezeichnet) und eine sekundärseitige (energieempfangsseitige) Spule (im Folgenden als Empfangsspule oder Sekundärspule bezeichnet) elektromagnetisch gekoppelt, um die Übertragung von Energie von einer energieübertragungsseitigen Vorrichtung zu einer energieempfangsseitigen Vorrichtung über die beiden Spulen zu ermöglichen.
Für eine solche kontaktlose Energieversorgungstechnologie wurde zur Verringerung des Aufwands für eine Isolationskonstruktion eine Technologie zur Unterdrückung eines Anstiegs der Spannung an den Anschlüssen einer Primärspule zur Verwendung bei der Energieversorgung einer Sekundärspule vorgeschlagen (siehe beispielsweise Patentdokument 1). Bei dieser Technologie wird die Primärspule in eine Vielzahl von Primärteilspulen unterteilt, ein mit der Primärspule in Reihe geschalteter Reihenkondensator wird in eine Vielzahl von Reihenteilkondensatoren unterteilt, und die Primärteilspulen und die Reihenteilkondensatoren werden abwechselnd in Reihe geschaltet.
Stand der Technik Dokument
Patentdokument
Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnummer 2011-176914
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
In einer Weise, die von einem Kopplungsgrad zwischen der energieübertragungsseitigen Spule und der energieempfangsseitigen Spule, einer an die energieübertragungsseitige Spule angelegten Spannung und der Induktivität der energieempfangsseitigen Spule und der Kapazität eines Resonanzkondensators abhängt, wobei der Resonanzkondensator und die energieempfangsseitige Spule eine Resonanzschaltung bilden, kann eine Spannung an den Anschlüssen des Resonanzkondensators übermäßig ansteigen. Bei der in Patentdokument 1 offenbarten Technik gelingt es jedoch nicht, die Spannung an den Anschlüssen des Resonanzkondensators der energieempfangsseitigen Resonanzschaltung zu senken.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Spannung an den Anschlüssen eines Resonanzkondensators, den eine energieempfangsseitigen Resonanzschaltung umfasst, zu senken.
MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Energieversorgungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Energieübertragungsvorrichtung und eine Energieempfangsvorrichtung umfasst, an die die Energieübertragungsvorrichtung Energie auf kontaktlose Weise überträgt. In dieser kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung umfasst die Energieübertragungsvorrichtung eine Übertragungsspule, die eingerichtet ist, einer Energieempfangsvorrichtung Energie zuzuführen, und eine Energieversorgungsschaltung, die eingerichtet ist, der Übertragungsspule Wechselstromenergie zuzuführen. Die Energieempfangsvorrichtung umfasst eine Vielzahl von Resonanzschaltungen, die eingerichtet sind, Energie von der Übertragungsspule der Energieübertragungsvorrichtung zu empfangen, und eine Energieempfangsschaltung, die eingerichtet ist, die von der Energieübertragungsvorrichtung durch die Vielzahl von Resonanzschaltungen empfangene Energie einer Lastschaltung zuzuführen, wobei jede der Vielzahl von Resonanzschaltungen eine Empfangsspule, die eingerichtet ist, Energie von der Energieübertragungsvorrichtung zu empfangen, und einen Resonanzkondensator umfasst, der eingerichtet ist, zusammen mit der Empfangsspule, mit der der Übertragungsspule zugeführten Wechselstromenergie in Resonanz zu treten, und die Empfangsspulen der Vielzahl von Resonanzschaltungen derart angeordnet sind, dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind.
Eine solche Struktur ermöglicht es der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die Spannung an den Anschlüssen des Resonanzkondensators, der in der empfangsseitigen Resonanzschaltung eingebunden ist, zu senken.
In der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung sind die Empfangsspulen der Vielzahl der Resonanzschaltungen um einen einzigen Kern gewickelt.
Auf diese Weise kann die Energieempfangsvorrichtung der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung die von jeder Resonanzschaltung empfangene Energie über eine Resonanzschaltung oder eine Lastspule, die derart vorgesehen ist, dass sie mit jeder Resonanzschaltung elektromagnetisch gekoppelt ist, effizient aufnehmen.
Ferner sind in der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung die Empfangsspulen der Vielzahl der Resonanzschaltungen vorzugsweise in ihrer Induktivität zueinander identisch.
Damit jede Resonanzschaltung mit der der Übertragungsspule zugeführten Wechselstromenergie in Resonanz treten kann, werden die Resonanzkondensatoren der Resonanzschaltung in ihrer Kapazität annähernd identisch gestaltet, so dass die Energieempfangsvorrichtung der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung die Spannung an den Anschlüssen des in jeder Resonanzschaltung vorgesehenen Resonanzkondensators in gleichem Maße senken kann.
Figurenliste

1 ist eine schematische Konfigurationsansicht einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist eine schematische Querschnittsansicht von Empfangsspulen, die in Resonanzschaltungen einer Energieempfangsvorrichtung vorgesehen sind, entlang einer Ebene, die sich entlang der Mittelachsen der Empfangsspulen erstreckt, und zeigt ein Beispiel für die Anordnung der Empfangsspulen.
2B ist eine schematische Draufsicht auf das Beispiel der Anordnung der Empfangsspulen von einer Übertragungsspule aus gesehen, wobei die Energieübertragung zwischen einer Energieübertragungsvorrichtung und der Energieempfangsvorrichtung aktiviert ist.
3A ist eine schematische Querschnittsansicht der Empfangsspulen, die in den Resonanzschaltungen der Energieempfangsvorrichtung vorgesehen sind, entlang einer Ebene, die sich entlang der Mittelachsen der Empfangsspulen erstreckt, und zeigt ein weiteres Beispiel für die Anordnung der Empfangsspulen.
3B ist eine schematische Draufsicht auf ein weiteres Beispiel für die Anordnung der Empfangsspulen von der Übertragungsspule aus gesehen, wobei die Energieübertragung zwischen der Energieübertragungsvorrichtung und der Energieempfangsvorrichtung aktiviert ist.
4A ist eine schematische Querschnittsansicht der Empfangsspulen, die in den Resonanzschaltungen der Energieempfangsvorrichtung vorgesehen sind, entlang einer Ebene, die sich entlang der Mittelachsen der Empfangsspulen erstreckt, und zeigt ein weiteres Beispiel für die Anordnung der Empfangsspulen.
4B ist eine schematische Querschnittsansicht der Empfangsspulen, die in den Resonanzschaltungen der Energieempfangsvorrichtung vorgesehen sind, entlang einer Ebene, die sich entlang der Mittelachsen der Empfangsspulen erstreckt, und zeigt ein weiteres Beispiel für die Anordnung der Empfangsspulen.
4C ist eine schematische Querschnittsansicht der Empfangsspulen, die in den Resonanzschaltungen der Energieempfangsvorrichtung vorgesehen sind, entlang einer Ebene, die sich entlang der Mittelachsen der Empfangsspulen erstreckt, und zeigt ein weiteres Beispiel für die Anordnung der Empfangsspulen.
4D ist eine schematische Draufsicht auf die Empfangsspulen, die ein weiteres Beispiel für die Anordnung der Empfangsspulen von der Übertragungsspule aus gesehen zeigt, wobei die Energieübertragung zwischen der Energieübertragungsvorrichtung und der Energieempfangsvorrichtung aktiviert ist.

ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In dieser kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung umfasst eine energieempfangsseitige Vorrichtung (im Folgenden zur Vereinfachung als Energieempfangsvorrichtung bezeichnet) eine Vielzahl von Resonanzschaltungen, die mit einem durch eine Übertragungsspule einer energieübertragungsseitigen Vorrichtung (im Folgenden zur Vereinfachung als Energieübertragungsvorrichtung bezeichnet) fließenden Strom schwingen. Die Empfangsspulen der Resonanzschaltungen sind derart angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, und die Energieempfangsvorrichtung gibt von einem der Resonanzschaltungen die von jeder Resonanzschaltung empfangene Energie ab. Eine solche Struktur bewirkt, dass im Vergleich zu einer Struktur, bei der die Energieempfangsvorrichtung eine Resonanzschaltung und eine Empfangsspule umfasst, die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung die Induktivität der Empfangsspule jeder Resonanzschaltung niedriger und die Kapazität eines Resonanzkondensators höher macht, wobei der Resonanzkondensator und die Empfangsspule jede Resonanzschaltung bilden, so dass eine Spannung an den Anschlüssen des Resonanzkondensators, den jede Resonanzschaltung umfasst, niedriger wird. Wenn die Empfangsspulen der Resonanzschaltungen derart angeordnet sind, dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, kann die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung die von den einzelnen Resonanzschaltungen empfangene Energie von einer der Resonanzschaltungen abnehmen, wodurch eine Verringerung des Wirkungsgrads der Energieübertragung unterdrückt werden kann.
1 ist eine schematische Ansicht einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt, umfasst die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 eine Energieübertragungsvorrichtung 2 und eine Energieempfangsvorrichtung 3, an die die Energieübertragungsvorrichtung 2 die Energie kontaktlos über den Raum überträgt. Die Energieübertragungsvorrichtung 2 weist eine Energieversorgungsschaltung 11, eine Übertragungsspule 12 und einen Kondensator 13 auf. Andererseits umfasst die Energieempfangsvorrichtung 3 n Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n (wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist, und in dem in 1 gezeigten Beispiel n gleich 3 ist) und eine Energieempfangsschaltung 24. Gemäß der Ausführungsform ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 von einem Typ, bei dem die Empfangsspule und der Resonanzkondensator auf der Sekundärseite in Reihe schwingen, ohne Resonanz auf der Primärseite zu verwenden (NS-Typ). Es ist zu beachten, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 vom Typ eines primär seriellen, sekundär seriellen Resonanzkondensators (SS-Typ), eines primär seriellen, sekundär parallelen Resonanzkondensators (SP-Typ) oder eines Typs sein kann, bei dem die Empfangsspule und der Resonanzkondensator auf der Sekundärseite parallel schwingen, ohne Resonanz auf der Primärseite zu nutzen (NP-Typ).
Zuerst wird eine Beschreibung der Energieübertragungsvorrichtung 2 gegeben.
Die Energieversorgungsschaltung 11 versorgt die Übertragungsspule 12 mit Wechselstromenergie. Es ist daher erforderlich, dass die Energieversorgungsschaltung 11 beispielsweise eine Gleichstromenergieversorgung, die Gleichstromenergie liefert, eine Wechselrichterschaltung, die die von der Gleichstromenergieversorgung gelieferte Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umwandelt und die Wechselstromenergie an die Übertragungsspule 12 liefert, sowie eine Steuerschaltung, die die Wechselrichterschaltung steuert, umfasst. Die Wechselrichterschaltung kann ein Vollbrückenwechselrichter mit vier Schaltelementen (z. B. MOSFETs) sein, die in einer Vollbrückenkonfiguration verbunden sind, oder ein Halbbrückenwechselrichter mit zwei Schaltelementen, die in einer Halbbrückenkonfiguration verbunden sind. Die Steuerschaltung steuert das Schalten jedes Schaltelements der Wechselrichterschaltung in einen Ein- oder Aus-Zustand, um die Frequenz der an die Übertragungsspule 12 gelieferten Wechselstromenergie einer vorbestimmten Frequenz (z. B. einer Resonanzfrequenz jeder Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung 3) anzugleichen. Die Energieversorgungsschaltung 11 kann ferner zwischen der Gleichstromenergieversorgung und der Wechselrichterschaltung einen Gleichspannungswandler umfassen. Anstelle der Gleichstromenergieversorgung kann die Energieversorgungsschaltung 11 auch eine Gleichrichterschaltung umfassen, die mit einer Wechselstromenergieversorgung verbunden ist und Wechselstromenergie aus der Wechselstromversorgung gleichrichtet, sowie eine Blindleistungskompensationsschaltung, die mit der Gleichrichterschaltung verbunden ist und den pulsierenden Stromausgang der Gleichrichterschaltung in Gleichstromenergie umwandelt. In einer solchen Struktur kann die Steuerschaltung, um die Spannung der von der Energieempfangsvorrichtung 3 an die Lastschaltung abgegebenen Energie konstant zu halten, die Blindleistungskompensationsschaltung steuern, um beispielsweise die Spannung der der Wechselrichterschaltung zugeführten Gleichstromenergie anzupassen.
Die Übertragungsspule 12 ist elektromagnetisch mit der Empfangsspule jeder Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung 3 gekoppelt, um die von der Energieversorgungsschaltung 11 zugeführte Wechselstromenergie an die Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Raum zu übertragen.
Der Kondensator 13 ist in Reihe mit der Übertragungsspule 12 zwischen der Übertragungsspule 12 und der Wechselrichterschaltung der Energieversorgungsschaltung 11 geschaltet. Gemäß der Ausführungsform ist der Kondensator 13 vorgesehen, um Gleichstrom abzuschneiden. Daher muss die Kapazität des Kondensators 13 so eingestellt werden, dass verhindert wird, dass eine aus der Übertragungsspule 12 und dem Kondensator 13 gebildete Resonanzschaltung mit der der Übertragungsspule 12 zugeführten Wechselstromenergie in Resonanz tritt, d.h. dass die Frequenz der der Übertragungsspule 12 zugeführten Wechselstromenergie unterschiedlich gemacht wird von der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung. Wenn die Energieversorgungsschaltung 11 einen Vollbrückenwechselrichter umfasst, muss der Kondensator 13 nicht vorgesehen werden.
Wenn es sich bei der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 um einen SS- oder SP-Typ handelt, kann die Kapazität des Kondensators 13 so eingestellt werden, dass die Frequenz der der Übertragungsspule 12 zugeführten Wechselstromenergie gleich der Resonanzfrequenz der die Übertragungsspule 12 und den Kondensator 13 umfassenden Resonanzschaltung ist.
Es ist zu beachten, dass die Energieübertragungsvorrichtung 2 weiterhin einen Kommunikator umfassen kann, der ein Signal empfängt, das einen Energieempfangszustand der Energieempfangsvorrichtung 3 repräsentiert. Dadurch kann die Steuerschaltung der Energieversorgungsschaltung 11 den Zeitpunkt des Umschaltens der einzelnen Schaltelemente der Wechselrichterschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand ändern, um die Frequenz der der Übertragungsspule 12 zugeführten Wechselstromenergie entsprechend dem Energieempfangszustand zu ändern.
Im Folgenden wird eine Beschreibung der Energieempfangsvorrichtung 3 gegeben.
Jede der n Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n umfasst eine Empfangsspule 22-k und einen Resonanzkondensator 23-k (k liegt in einem Bereich von 1 bis n). Gemäß der Ausführungsform sind in der Resonanzschaltung 21-1 die Empfangsspule 22-1 und der Resonanzkondensator 23-1 in Reihe geschaltet. Die Resonanzschaltung 21-1 ist mit der Energieempfangsschaltung 24 verbunden. In den anderen Resonanzschaltungen 21-2 bis 21-n hingegen bilden die Empfangsspule 22-j und der Resonanzkondensator 23-j (j liegt im Bereich von 2 bis n) eine geschlossene Schleife. Die Induktivität der Empfangsspule 22-k und die Kapazität des Resonanzkondensators 23-k jeder Resonanzschaltung werden so eingestellt, dass die Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n eine identische Resonanzfrequenz haben und jede Resonanzschaltung mit dem durch die Übertragungsspule 12 fließenden Strom in Resonanz tritt. Ferner sind die Empfangsspulen 22-k der Resonanzschaltungen derart angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind. Wenn sich die Energieübertragungsvorrichtung 2 und die Energieempfangsvorrichtung 3 in einer Positionsbeziehung befinden, in der die Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung 2 zur Energieempfangsvorrichtung 3 ermöglicht ist, ist jede der Empfangsspulen 22-1 bis 22-n der Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n elektromagnetisch mit der Übertragungsspule 12 gekoppelt, so dass jede Resonanzschaltung Energie von der Übertragungsspule 12 empfangen kann. Da die Empfangsspulen 22-1 bis 22-n der Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n derart angeordnet sind, dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, empfängt die mit der Energieempfangsschaltung 24 verbundene Resonanzschaltung 21-1 darüber hinaus Energie von den anderen Resonanzschaltungen 21-2 bis 21-n. Daher gibt die Resonanzschaltung 21-1 die Summe der direkt von der Energieübertragungsvorrichtung 2 empfangenen Energie und der von der Energieübertragungsvorrichtung 2 durch die anderen Resonanzschaltungen 21-2 bis 21-n empfangenen und an die Resonanzschaltung 21-1 weitergeleiteten Energie an die Energieempfangsschaltung 24 ab.
Es ist zu beachten, dass die Empfangsspulen 22-k der Resonanzschaltungen und die Übertragungsspule 12 die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Windungen aufweisen können. Weiterhin können die Empfangsspulen 22-k der Resonanzschaltungen die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Windungen aufweisen.
Die Energieempfangsschaltung 24 wandelt die Wechselstromenergie der Resonanzschaltung 21-1 in Gleichstromenergie um und gibt die Gleichstromenergie an die mit der Energieempfangsschaltung 24 verbundene Lastschaltung (nicht dargestellt) ab. Es ist daher erforderlich, dass die Energieempfangsschaltung 24 z. B. eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung, die die Wechselstromenergie aus der Resonanzschaltung 21-1 in pulsierende Energie umwandelt, und einen Glättungskondensator umfasst, der die pulsierende Ausgangsenergie aus der Vollwellen-Gleichrichterschaltung glättet und die so geglättete Energie an die Lastschaltung abgibt. Die Energieempfangsschaltung 24 kann ferner ein Voltmeter zur Verwendung bei der Messung einer an die Lastschaltung ausgegebenen Spannung, einen Kommunikator zur Verwendung bei der Übertragung des den Energieempfangszustand darstellenden Signals, wie z. B. einer vom Voltmeter gemessenen Spannung, an die Energieübertragungsvorrichtung 2, ein Schaltelement zur Verwendung beim Umschalten von der Verbindung zur Trennung und umgekehrt zwischen der Lastschaltung und der Energieempfangsschaltung 24, eine Steuerschaltung, die das Umschalten des Schaltelements in den Ein- oder Aus-Zustand steuert, und dergleichen umfassen.
2A ist eine schematische Querschnittsansicht jeder der Empfangsspulen 22-1 bis 22-n (in diesem Beispiel ist n gleich 3), die die Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n der Energieempfangsvorrichtung 3 umfassen, geschnitten entlang einer Ebene, die sich entlang der Mittelachsen der Empfangsspulen 22-1 bis 22-n erstreckt, und zeigt ein Beispiel für die Anordnung der Empfangsspulen 22-1 bis 22-n. 2B ist eine schematische Draufsicht des Beispiels der Anordnung der Empfangsspulen gesehen von der Übertragungsspule 12 aus, wobei die Energieübertragung zwischen der Energieübertragungsvorrichtung 2 und der Energieempfangsvorrichtung 3 ermöglicht ist.
Wie in 2A gezeigt, sind gemäß der Ausführungsform die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 der Resonanzschaltungen um einen einzelnen Kern 31 gewickelt, so dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind. Insbesondere sind gemäß der Ausführungsform die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 so gewickelt, dass sie auf einem Magnetkern 31a des Kerns 31 geschichtet sind. In dem in gezeigten Beispiel sind die Empfangsspulen in der Reihenfolge der Empfangsspule 22-3, der Empfangsspule 22-2 und der Empfangsspule 22-1 von einer von der Übertragungsspule 12 abgewandten Seite aus geschichtet. Es ist zu beachten, dass die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 in beliebiger Reihenfolge geschichtet werden können. Dies erlaubt, dass, wenn die Übertragungsspule 12 so angeordnet ist, dass sie der Seite des Kerns 31, um die die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 gewickelt sind, zugewandt ist, jede der Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 elektromagnetisch mit der Übertragungsspule 12 gekoppelt ist. Da die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 um einen einzelnen Kern 31 gewickelt sind, kann der Grad der Kopplung zwischen den Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 erhöht werden. Dies erlaubt, dass die Resonanzschaltung 21-1 die Energie von der Energieübertragungsvorrichtung 2 über die anderen Resonanzschaltungen 21-2 bis 21-3 mit hoher Effizienz empfängt.
3A ist eine schematische Querschnittsansicht jeder der Empfangsspulen 22-1 bis 22-n (in diesem Beispiel ist n gleich 3), die die Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n der Energieempfangsvorrichtung 3 umfassen, geschnitten entlang einer Ebene, die sich entlang der Mittelachsen der Empfangsspulen 22-1 bis 22-n erstreckt, und zeigt ein anderes Beispiel für die Anordnung der Empfangsspulen 22-1 bis 22-n. 3B ist eine schematische Draufsicht des anderen Beispiels der Anordnung der Empfangsspulen gesehen von der Übertragungsspule 12 aus, wobei die Energieübertragung zwischen der Energieübertragungsvorrichtung 2 und der Energieempfangsvorrichtung 3 ermöglicht ist.
Auch in diesem Beispiel sind die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 der Resonanzschaltungen um den einzelnen Kern 31 gewickelt, wie in 3A gezeigt. In diesem Beispiel sind die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 jedoch konzentrisch um den Magnetkern 31a des Kerns 31 gewickelt. In dem in 3A gezeigten Beispiel sind die Empfangsspulen um den Magnetkern 31a von der Innenseite ausgehend in der Reihenfolge Empfangsspule 22-3, Empfangsspule 22-2 und Empfangsspule 22-1 gewickelt. Es ist zu beachten, dass die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 in beliebiger Reihenfolge um den Magnetkern 31a gewickelt werden können. Dieses Beispiel kann einen Unterschied im Kopplungsgrad zwischen jeder der Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 und der Übertragungsspule 12 verringern.
4A ist eine schematische Querschnittsansicht jeder der Empfangsspulen 22-1 bis 22-n (in diesem Beispiel ist n gleich 3), die die Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n der Energieempfangsvorrichtung 3 umfassen, geschnitten entlang einer Ebene, die sich entlang der Mittelachsen der Empfangsspulen 22-1 bis 22-n erstreckt, und zeigt ein anderes Beispiel für die Anordnung der Empfangsspulen 22-1 bis 22-n. 4D ist eine schematische Draufsicht des anderen Beispiels der Anordnung der Empfangsspulen gesehen von der Übertragungsspule 12 aus, wobei die Energieübertragung zwischen der Energieübertragungsvorrichtung 2 und der Energieempfangsvorrichtung 3 ermöglicht ist.
In jedem der in den 4A bis 4C dargestellten Beispielen sind die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 um einen einzigen Kern 32 gewickelt. In dem in gezeigten Beispiel hat der Kern 32 keinen Magnetkern. In dem in gezeigten Beispiel ist der Kern 33 ein Kern mit einem Vorsprung, aber ohne eine Abdeckung, die jede Empfangsspule umgibt. In dem in gezeigten Beispiel ist der Kern 34 ein Flachkern.
Wie in 4D gezeigt, können die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 um einen Kern 35 gewickelt sein, der eine annähernd rechteckige Außenform aufweist. Es ist zu beachten, dass der Kern 35 ein Topfkern, ein Kern mit einem Vorsprung oder ein flacher Kern sein kann. Es ist zu beachten, dass in den in den 4A bis 4D gezeigten Beispielen die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 wie in dem in 2A gezeigten Beispiel geschichtet sind, aber die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 können auch konzentrisch um dieselbe Mittelachse angeordnet sein wie in dem in 3A gezeigten Beispiel.
Im Folgenden wird eine Verringerung der Spannung an den Anschlüssen des Resonanzkondensators, den jede Resonanzschaltung umfasst, aufgrund des Vorhandenseins einer Vielzahl von Resonanzschaltungen in der Energieempfangsvorrichtung 3 gemäß der Ausführungsform beschrieben.
Die Spannung an den Anschlüssen eines Resonanzkondensators einer RLC-Reihenresonanzschaltung, die mit Vpp bezeichnet wird, ist durch die folgende Gleichung gegeben.
[Math. 1] $V p p = 2 \sqrt{2} \frac{I_{C S}}{2 π ƒ C_{s}}$
Dabei bezeichnet Ics den Wert des Effektivstroms, der durch den Resonanzkondensator fließt, und Cs die Kapazität des Resonanzkondensators. Ferner bezeichnet f die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung. Wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, ist die Spannung Vpp an den Anschlüssen des Resonanzkondensators umso kleiner, je größer die Kapazität Cs des Resonanzkondensators ist.
Wird dagegen die Resonanzfrequenz f der Resonanzschaltung konstant gehalten, ist die Kapazität Cs des Resonanzkondensators umso größer, je kleiner die Induktivität L der Empfangsspule ist.
Ferner ist die Induktivität L der Spule proportional zum Quadrat der Anzahl der Windungen N der Spule. Beim Vergleich einer Struktur, bei der die Energieempfangsvorrichtung eine einzige Resonanzschaltung umfasst, mit einer Struktur, bei der die in der einzigen Resonanzschaltung vorgesehene Empfangsspule in eine Vielzahl von Teilspulen unterteilt ist, um eine Vielzahl von Resonanzschaltungen zu bilden, die jeweils eine entsprechende der Teilspulen umfassen, ist die Kapazität des Resonanzkondensators jeder Resonanzschaltung, die die Teilspule umfasst, größer als die Kapazität des Resonanzkondensators der ursprünglichen einzigen Resonanzschaltung. Da die Empfangsspulen der Resonanzschaltungen mit einem vorgegebenen Kopplungsgrad elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, ist die Resonanzfrequenz jeder Resonanzschaltung in der Struktur, in der mehrere Resonanzschaltungen vorgesehen sind, von der Frequenz der Resonanzschaltung in der Struktur, in der eine einzelne Resonanzschaltung vorgesehen ist, verschieden, um die Ausgangsspannung identisch zu machen. Wenn beispielsweise die Energieempfangsvorrichtung 3 drei Resonanzschaltungen umfasst und die jeweiligen Empfangsspulen die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen, beträgt die Induktivität der Empfangsspule jeder Resonanzschaltung ein Neuntel der Induktivität der Empfangsspule der ursprünglichen Einzelresonanzschaltung, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform. Um die gleiche Ausgangsspannung zu erhalten wie die Ausgangsspannung in der Struktur, in der die Einzelresonanzschaltung vorgesehen ist, wird daher die Kapazität des Resonanzkondensators jeder Resonanzschaltung, die die Teilspule umfasst, größer als die Kapazität des Resonanzkondensators der ursprünglichen Einzelresonanzschaltung, und die Gleichung (1) zeigt, dass die Spannung Vpp an den Anschlüssen des Resonanzkondensators niedriger wird.
Ferner können die Empfangsspulen 22-1 bis 22-n der Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n, die die Energieempfangsvorrichtung 3 umfasst, eine unterschiedliche Induktivität aufweisen, sind aber vorzugsweise in ihrer Induktivität identisch zueinander. Um die Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n in ihrer Resonanzfrequenz identisch zu machen, sind die Resonanzkondensatoren 23-1 bis 23-n der Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n auch in ihrer Kapazität identisch, wodurch die Energieempfangsvorrichtung 3 die Spannung an den Anschlüssen des Resonanzkondensators in jeder Resonanzschaltung in gleichem Maße senken kann.
Da die Empfangsspulen 22-1 bis 22-n der Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n in der Energieempfangsvorrichtung 3 gemäß der Ausführungsform so vorgesehen sind, dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, kann die mit der Energieempfangsschaltung 24 verbundene Resonanzschaltung 21-1 unter den Resonanzschaltungen nicht nur direkt von der Energieübertragungsvorrichtung 2 empfangene Energie aufnehmen, sondern auch Energie, die von der Energieübertragungsvorrichtung 2 durch die anderen Resonanzschaltungen 21-2 bis 21-n empfangen wird.
Im Folgenden wird ein Beispiel für die Berechnung der Spannung an den beiden Anschlüssen des Resonanzkondensators der Resonanzschaltung für die Energieempfangsvorrichtung mit einer einzelnen Resonanzschaltung, die ein Vergleichsbeispiel darstellt, und die Energieempfangsvorrichtung 3 gemäß der Ausführungsform beschrieben. Es wird davon ausgegangen, dass die Energieempfangsvorrichtung 3 drei Resonanzschaltungen umfasst.
In dem Vergleichsbeispiel wird angenommen, dass die Spannung Vin der an die Übertragungsspule 12 angelegten Wechselspannung 270 V, die Frequenz f der Wechselspannung 85 kHz, die Induktivität L1 der Übertragungsspule 12 216 µH und die Kapazität des Kondensators 13 1,7 µF beträgt. Es wird ferner angenommen, dass die Induktivität L2 der Empfangsspule der Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung 216 µH beträgt, die Kapazität Cs des mit der Empfangsspule in Reihe geschalteten Resonanzkondensators 16,5 nF beträgt, der Kopplungsgrad k zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule 0,15 beträgt, der Widerstandswert RI der Resonanzschaltung, die die Übertragungsspule 12 und den Kondensator 13 der Energieübertragungsvorrichtung umfasst, 0,12 Ω beträgt, der Widerstandswert Ro der Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung 0,12 Ω beträgt, der Widerstandswert der Lastschaltung 6,5 Ω beträgt und die an die Lastschaltung abgegebene Spannung Vo 40 V beträgt. In diesem Fall wird die Spannung Vpp an den Anschlüssen des Resonanzkondensators gemäß Gleichung (1) gleich 1780 V. Andererseits wird davon ausgegangen, dass die drei Spulen, die sich aus der gleichmäßigen Teilung der Empfangsspule des Vergleichsbeispiels ergeben, die Empfangsspulen 22-1 bis 22-3 sind, die die Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-3 der Energieempfangsvorrichtung 3 der Ausführungsform umfassen. Weiterhin wird die Induktivität L2 der Empfangsspule jeder Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung 3 auf 24 µH und die Kapazität des Resonanzkondensators auf 56 nF eingestellt, so dass die Resonanzschaltungen der Energieempfangsvorrichtung 3 mit der gleichen Frequenz schwingen und die Ausgangsspannung Vo gleich der Ausgangsspannung des Vergleichsbeispiels ist. Wenn angenommen wird, dass der Kopplungsgrad zwischen den Empfangsspulen der Resonanzschaltungen der Energieempfangsvorrichtung 0,83 beträgt und die anderen Parameterwerte die gleichen sind wie die Parameterwerte des oben beschriebenen Vergleichsbeispiels, wird die Spannung Vpp an den Anschlüssen des Resonanzkondensators gemäß Gleichung (1) gleich 521,5 V. Wie oben beschrieben, wird die Spannung an den Anschlüssen des Resonanzkondensators der Resonanzschaltungen bei der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform niedriger.
Wie oben beschrieben, umfasst die Energieempfangsvorrichtung der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung eine Vielzahl von Resonanzschaltungen, die mit dem durch die Übertragungsspule der Energieübertragungsvorrichtung fließenden Strom in Resonanz treten können, und die Empfangsspulen der Vielzahl von Resonanzschaltungen sind derart angeordnet, dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind. Dies ermöglicht es der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, die Induktivität der Empfangsspule jeder Resonanzschaltung im Vergleich zu der Struktur, bei der die Energieempfangsvorrichtung eine einzige Resonanzschaltung umfasst, niedrig zu halten, so dass die Kapazität des Resonanzkondensators jeder Resonanzschaltung vergrößert werden kann, um die Spannung an den Anschlüssen des Resonanzkondensators, den jede Resonanzschaltung umfasst, zu verringern. Da die Empfangsspulen, die die Vielzahl von Resonanzschaltungen umfasst, so angeordnet sind, dass sie elektromagnetisch miteinander gekoppelt sind, ist es in der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung möglich, dass eine der Vielzahl von Resonanzschaltungen die von jeder der Resonanzschaltungen empfangene Energie aufnimmt. Auf diese Weise kann die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung eine Verringerung des Wirkungsgrads der Energieübertragung unterdrücken, während die Spannung an den Anschlüssen des Resonanzkondensators, den jede der Resonanzschaltungen der Energieempfangsvorrichtung umfasst, niedriger wird.
Gemäß einer Modifikation können von den Resonanzschaltungen 21-1 bis 21-n, die die Energieempfangsvorrichtung 3 umfasst, in der Resonanzschaltung 21-1, die mit der Energieempfangsschaltung 24 verbunden ist, die Empfangsspule 22-1 und der Resonanzkondensator 23-1 parallelgeschaltet sein. Je geringer die Induktivität der Empfangsspule 22-1 in einer Parallelresonanzschaltung ist, desto höher ist der Q-Faktor, der die Schärfe der Resonanz darstellt. Wenn die Resonanzschaltung 21-1 eine Parallelresonanzschaltung ist, kann die Energieempfangsvorrichtung 3 daher leicht eine hohe Spannung an die Lastschaltung abgeben, verglichen mit der Struktur, bei der die Resonanzschaltung 21-1 eine Reihenresonanzschaltung ist.
Gemäß einer weiteren Modifikation kann die Energieempfangsvorrichtung ferner eine Lastspule umfassen, die so vorgesehen ist, dass sie mit jeder der Empfangsspulen der Vielzahl von Resonanzschaltungen elektromagnetisch gekoppelt ist, und die Lastspule kann mit der Energieempfangsschaltung verbunden werden. Bei diesem Aufbau kann die Lastspule zusammen mit der Empfangsspule einer jeden Resonanzschaltung um einen einzigen Kern gewickelt werden. Die Lastspule kann z. B. zusammen mit der Empfangsspule jeder Resonanzschaltung um den Magnetkern des in den und gezeigten Kerns 31 gewickelt werden. Zu diesem Zeitpunkt kann die Empfangsspule jeder Resonanzschaltung konzentrisch um den Magnetkern gewickelt sein, während die Lastspule relativ zur Empfangsspule jeder Resonanzschaltung entfernt von der Übertragungsspule angeordnet sein kann, d.h. auf einer Oberseite jeder Empfangsspule in 3A angeordnet sein kann, wenn die Energieübertragungsvorrichtung und die Energieempfangsvorrichtung so angeordnet sind, dass eine Energieübertragung möglich ist. Dadurch wird verhindert, dass der Kopplungsgrad zwischen jeder Empfangsspule und der Übertragungsspule durch das Vorhandensein der Lastspule abnimmt.
In diesem Fall wird die von jeder Resonanzschaltung empfangene Energie von der Lastspule über die Energieempfangsschaltung 24 an die Lastschaltung abgegeben. Auf diese Weise kann die Energieempfangsvorrichtung, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, eine Verringerung des Wirkungsgrads der Energieübertragung unterdrücken, während die Spannung an den Anschlüssen des Resonanzkondensators, den jede Resonanzschaltung umfasst, niedriger wird.
Wie oben beschrieben, kann der Fachmann verschiedene Modifikationen entsprechend der Ausführungsform im Rahmen der vorliegenden Erfindung vornehmen.
Bezugszeichenliste

1: kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung
2: Energieübertragungsvorrichtung
11: Energieversorgungsschaltung
12: Übertragungspule
13: Kondensator
3: Energieempfangsvorrichtung
21-1 bis 21-n: Resonanzschaltung
22-1 bis 22-n: Empfangsspule
23-1 bis 23-n: Resonanzkondensator
24: Energieempfangsschaltung
31 bis 35: Kern

Claims

Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, umfassend: eine Energieübertragungsvorrichtung; und eine Energieempfangsvorrichtung, an welche die Energieübertragungsvorrichtung Energie auf kontaktlose Weise überträgt, wobei die Energieübertragungsvorrichtung umfasst: eine Übertragungsspule, die eingerichtet ist, der Energieempfangsvorrichtung Energie zuzuführen; und eine Energieversorgungsschaltung, die eingerichtet ist, die Übertragungsspule mit Wechselstromenergie zu versorgen, die Energieempfangsvorrichtung umfasst: eine Vielzahl von Resonanzschaltungen, die eingerichtet sind, Energie von der Übertragungsspule der Energieübertragungsvorrichtung zu empfangen, und eine Energieempfangsschaltung, die eingerichtet ist, die von der Energieübertragungsvorrichtung durch die Vielzahl von Resonanzschaltungen empfangene Energie an eine Lastschaltung auszugeben, wobei jede der Vielzahl von Resonanzschaltungen eine Empfangsspule, die eingerichtet ist, Energie von der Energieübertragungsvorrichtung zu empfangen, und einen Resonanzkondensator, der eingerichtet ist, zusammen mit der Empfangsspule, mit der der Übertragungsspule zugeführten Wechselstromenergie in Resonanz zu treten, umfasst und die Empfangsspulen der Vielzahl von Resonanzschaltungen derart angeordnet sind, dass sie elektromagnetisch gekoppelt sind.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Empfangsspulen der Vielzahl von Resonanzschaltungen um einen einzigen Kern gewickelt sind.
Die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Empfangsspulen der Vielzahl von Resonanzschaltungen in ihrer Induktivität identisch zueinander sind.