JP2010273441A - 非接触電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振用コンデンサに接続される三次コイルと、負荷に供給する電力を発生させる二次コイルとの構成及び配置を工夫して、給電部と受電部の距離を離し、二次電流としてより大電流を得ることが可能な非接触電力供給装置を提供する。
【解決手段】 固定状態で配置されて高周波電源１５に接続される一次コイル１４を備えた給電部１１と、移動車両１２に搭載されて給電部１１に隙間を有して対向配置され、一次コイル１４に磁気結合する二次コイル１７及び三次コイル１８を有し、二次コイル１７に負荷３７に供給する電力を発生させ、三次コイル１８には共振用のコンデンサ３５が接続された受電部１３とを備える非接触電力供給装置１０であって、二次コイル１７と三次コイル１８を別々に分離して配置し、しかも、三次コイル１８を二次コイル１７より一次コイル１４に近い前側に配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は移動自動車の負荷（例えば、バッテリ、電球、機械装置の電源等）に非接触で電力を供給する非接触電力供給装置に関する。

例えば、工場等で電池で動く車両は、定期的に電池を充電する必要があり、所定の場所において充電器の近くに車両を止めて、接続コードを用いて車両の電池と充電器を接続し、電池への充電が行われていた。ところが、接続コードを用いて電池へ充電する場合、接続コードを電力供給源に接続する等、極めて手間であるので、例えば、特許文献１〜３に示すように、車両に非接触で電力を供給することが行われている。この特許文献１〜３においては、高周波電源に接続された一次コイルと、負荷に接続される二次コイルを有し、一次コイル側又は二次コイル側にＬ（リアクトル）とＣ（キャパシティ）からなる共振回路が設けられている。

特開２００５−９４８６２号公報 特開２００６−３２５３５０号公報 ＷＯ２００６／０２２３６５号公報 特開昭６３−７３８３７号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載のように、一次コイル側又は二次コイル側に共振回路を組み込むと、大きな負荷電流を得にくいという問題が発生した。この理由については、明確ではないが、回路に負荷が接続されているので、回路のキュー（Ｑ）が下がるためであると推定される。

一方、特許文献４の図７には、可飽和鉄心を用い、負荷を接続する二次コイルの他に、共振用のコンデンサ（キャパシター）を負荷とする三次コイルを設けた電力供給装置が提案され、このキャパシター回路と二次コイルは電気的に絶縁状態であることが記載されている。
そこで、本発明者は二次コイルの他に、三次コイルを設け、三次コイルに共振回路を組み込む、即ち、並列に所定量のコンデンサを接続して、二次コイルの近傍に配置すると、共振電流が流れて、二次コイルに十分に負荷電流を流せることを確認したが、二次コイルと三次コイルを絶縁状態で配置しても、二次コイルと三次コイルを同一コアに重ね巻きをすると、三次コイルに大容量の共振電流（例えば、１００Ａを超える）が流れるので、二次コイルが過度に加熱され、高周波電源の周波数を共振周波数からかなりずらして使用する必要があるという問題があることが判った。なお、共振周波数をずらすと、一次コイルから二次コイルへの電力伝搬効率が下がるという問題が発生する。

そこで、二次コイルと三次コイルを分離して非接触電力供給装置を試作してみたが、一次コイル、二次コイル、三次コイルの順番で配列すると、二次コイルが同じく過度（例えば、２００℃以上）に加熱され、高周波電源の周波数を共振周波数からずらさなければ、実用化が困難であるという問題が発生した。ところが、一次コイル、三次コイル、二次コイルの順番に配置すると、理由については明確ではないが、高周波電源の周波数を共振周波数又はその近傍値に合わせても二次コイルの発熱はある程度抑えられるということが判った。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、共振用コンデンサに接続される三次コイルと、負荷に供給する電力を発生させる二次コイルとの構成及び配置を工夫して、給電部と受電部の距離を離し、二次電流としてより大電流を得ることが可能な非接触電力供給装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る非接触電力供給装置は、固定状態で配置されて高周波電源に接続される一次コイルを備えた給電部と、移動車両に搭載されて、該移動車両が所定位置又は所定領域にある場合に、前記給電部に隙間を有して対向配置され、前記一次コイルに磁気結合する二次コイル及び三次コイルを有し、前記二次コイルに負荷に供給する電力を発生させ、前記三次コイルには共振用コンデンサが接続された受電部とを備える非接触電力供給装置であって、
前記二次コイルと前記三次コイルを別々に分離して配置し、しかも、前記三次コイルを前記二次コイルより前記一次コイルに近い前側に配置している。

第２の発明に係る非接触電力供給装置は、第１の発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次コイルと、該一次コイルと距離Ｌだけ離して配置される前記三次コイルと、該三次コイルの直後に配置される前記二次コイルと、前記共振用コンデンサとを有して形成される共振回路の共振周波数を、前記高周波電源の周波数に一致させ、前記一次コイルと前記三次コイルが距離Ｌより近づくと、前記共振回路の共振周波数が、前記高周波電源の周波数からずれるようにしている。

第３の発明に係る非接触電力供給装置は、第２の発明に係る非接触電力供給装置において、前記距離Ｌは１５〜５０ｍｍの範囲にある。

第４の発明に係る非接触電力供給装置は、第１〜第３の発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次コイルは巻線が空心でかつ渦巻き平面状となって、前記一次コイルの背部に、該一次コイルを背部から覆うフェライトコアからなる磁気シールド板が配置され、前記三次コイル及び前記二次コイルはフェライトコアを用いて形成されるＥ形コアの中央磁極部に分けて巻回されている。なお、このフェライトコアの代わりに、鉄損が２０ｗ／ｋｇ以下の高周波特性のよい磁性材料からなる磁気シールド板でもよい。

そして、第５の発明に係る非接触電力供給装置は、第１〜第４の発明に係る非接触電力供給装置において、前記負荷は前記移動車両の電源となるバッテリである。この場合、当然のことながら、二次コイルには整流回路を含むバッテリの充電回路が設けられている。

請求項１〜５記載の非接触電力供給装置は、二次コイルと三次コイルを別々に分離して配置しているので、大電流が流れる三次コイルからの熱伝導も減少し、しかも、三次コイルを二次コイルより一次コイルに近い前側に配置しているので、二次コイルが過度に加熱されない。このことは実験結果から明らかであるが、１）三次コイルによって発生する磁束は、電力が供給される一次コイル側の方が二次コイル側より大きいことと、２）三次コイルを二次コイルの後側に配置すると、三次コイルの磁束（漏洩磁束が主体）によって二次コイルが誘導加熱されることが原因と解される。

特に、請求項２記載の非接触電力供給装置においては、一次コイルと、この一次コイルと距離Ｌだけ離して配置される三次コイルと、該三次コイルの直後に配置される二次コイルと、共振用コンデンサとを有して形成される共振回路の共振周波数を、高周波電源の周波数に一致させ、一次コイルと三次コイルが距離Ｌより近づくと、共振回路の共振周波数が、高周波電源の周波数からずれるようにしているので、受電部を給電部に近づけすぎても、過大な電力が受電部に供給されることがなく、従って、安全に操業できる。

請求項３記載の非接触電力供給装置は、距離Ｌを１５〜５０ｍｍの範囲にしている。これによって、給電部から受電部への送電を効率よく行うことができる。

請求項４記載の非接触電力供給装置は、一次コイルは巻線が空心でかつ渦巻き平面状となって、一次コイルの背部に、一次コイルを背部から覆うフェライトコアからなる磁気シールド板が配置されているので、磁気シールド材がコアの役目をすると共に、背部に発生する磁束によって、機器が誘導加熱されるのを防止できる。また、三次コイル及び二次コイルはフェライトコアを用いて形成されるＥ形コアの中央磁極部に分けて巻回されているので、磁気効率を高めると共に、共振回路を構成する三次コイルによって発生する大きな磁束を外部に漏らすのを防止できる。
更に、一次コイルを巻線が空心かつ渦巻き平面状としているので、給電部を薄く形成できる。

そして、請求項５記載の非接触電力供給装置は、負荷は移動車両の電源となるバッテリであるので、受電部と給電部を非接触の状態で、移動車両のバッテリの充電ができることになる。

本発明の一実施の形態に係る非接触電力供給装置の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は同非接触電力供給装置に使用する一次コイルの概略構成を示す正面図及び断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は同非接触電力供給装置に使用する受電部の主要部の概略構成を示す正面図及び断面図である。 本発明の非接触電力供給装置の動作を説明するためのグラフである。 本発明の他の実施の形態に係る非接触電力供給装置の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１〜図３に示すように、本発明の一実施の形態に係る非接触電力供給装置１０は、側壁、床部又は天井部に配置された給電部１１と、移動車両１２に設けられた受電部１３とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。

給電部１１には空心で渦巻き平面状に巻かれた一次コイル１４が固定状態で配置され、この一次コイル１４には高周波電源１５が接続されている。この高周波電源１５は交流電源の整流回路と、整流回路からの直流を２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ（この実施の形態では、２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ）の高周波に変換するインバータ回路とを有している。

図３に示すように、受電部１３には分離状態で配置された二次コイル１７と三次コイル１８を有し、これらの二次コイル１７と三次コイル１８は、それぞれＥ形コア２０の中央磁極部２１に巻かれている。三次コイル１８の巻数は１２回、二次コイル１７の巻数は２回プラス２回の計４回で、中点を出力している。図３（Ａ）において、２２、２３は三次コイル１８の接続用リード線で、２４〜２７はそれぞれ２回巻の二次コイル１７の接続用リード線となっている。なお、受電部１３は移動車両１２が所定位置又は所定領域にある場合に、給電部１１に隙間を有して対向配置されて、一次コイル１４に二次コイル１７及び三次コイル１８が磁気結合する。

Ｅ形コア２０は、Ｅ形に形成した４枚の平面視してＥ形に成形されたフェライトコア板を重ね合わせて形成され、中央磁極部２１の両側に端側磁極部２８、２９を有して、全体として、通過する磁束によって飽和しないような断面積を有している。このＥ形コア２０の奥側に二次コイル１７が手前側に三次コイル１８が配置されている。即ち、三次コイル１８は二次コイル１７より一次コイル１４に近い側に配置されている。これらの二次コイル１７及び三次コイル１８は樹脂封止することもできるが、この実施の形態では空冷環境を保つため、樹脂封止はされていない。

一方、給電部１１は高周波電源１５に接続される一次コイル１４を有している。一次コイル１４は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、空心で角部が丸くなった角形（円形、楕円形であってもよい）で、かつ渦巻き平面状に銅線を８〜１０回巻いて構成されている。なお、この一次コイル１４の縦寸法及び横寸法は、三次コイル１８（なお、この実施の形態では二次コイル１７の寸法も同じ）の縦寸法及び横寸法と同一となっている。なお、図２において、３１、３２は接続用リード線を示す。

平面状となったこの一次コイル１４の背部には、高周波磁気特性のよいフェライトコアからなるシールド板（磁気シールド板）３３が配置されている。このシールド板３３の平面視した寸法は、図３に示すように正面視したＥ形コア２０の縦寸法ａ及び横寸法ｂと同一か、多少広くなっている。シールド板３３の厚みは発生する磁束によって飽和しないような断面積を有する厚みとなっている。

図１に示すように、三次コイル１８には共振用のコンデンサ３５が接続されている。このコンデンサ３５は高周波使用時に十分内部抵抗の小さい（即ち、tanδの小さい)、複数のコンデンサを並列に接続して構成される。一方、二次コイル１７には、整流回路を含む充電回路３６が接続され、負荷である電池（バッテリ）３７に直流電力を供給するようになっている。なお、この移動車両１２には、この電池３７を電源とするモータ及び制御装置が設けられ、車輪を駆動している。

この非接触電力供給装置１０においては、高周波電源１５側からみたインダクタンス（即ち、一次コイル１４、二次コイル１７、三次コイル１８）と、コンデンサ３５によって形成される共振回路Ｚの共振周波数ｆは、給電部１１と受電部１２を距離Ｌ、即ち一次コイル１４と三次コイル１８を距離Ｌ（この実施の形態では１５〜５０ｍｍ、より好ましくは、１５〜２５ｍｍの範囲にある）に配置した場合に、高周波電源１５の発振周波数に一致するように、コンデンサ３５の値を決定している。

これによって、給電部１１と受電部１２の距離が、Ｌより小さくなって０ｍｍに近づくと、共振回路Ｚの共振周波数ｆが大きくなって、高周波電源１５の発振周波数からずれる。一方、給電部１１と受電部１２の距離が小さくなると、一次コイル１４と二次コイル１７の結合が密になって、同一負荷の場合、電流が増加するが、共振回路Ｚの共振周波数ｆが、高周波電源１５の発振周波数よりずれることによる負荷電流の減少の方が著しく、結果として、図４に示すように、距離Ｌから小さくなると負荷電流は減少する。

なお、本願発明のように、三次コイル１８にコンデンサ３５を直接接続した共振回路を形成した場合は、共振回路のＱが大きくなると思われ、共振時の負荷電流が大きくなり、共振状態から外れると、負荷電流が小さくなることが確認されている。一方、三次コイルを設けず、共振回路に負荷が接続されている場合には、共振回路のＱが小さくなって、給電部と受電部の間の距離の相違による電流の増減が小さく、図４に示すような効果は顕著にはでないものと思慮される。

また、共振回路Ｚの共振周波数ｆは、一次コイル１４、二次コイル１７、三次コイル１８の巻数、形状、相互の間隔と、コンデンサ３５の値によって形成される。従って、一次コイル１４、二次コイル１７、三次コイル１８を予めセットしておき、給電部１１と受電部１３の距離（間隔）Ｌを所定値に決めた後、高周波電源の発振周波数を調整して、共振回路Ｚの共振周波数ｆに、高周波電源１５の発振周波数を合わせるのがよい。
この非接触電力供給装置１０を用いて実験すると、給電部１１と受電部１３を離し、供給されるＡＣ電源の電圧は２００Ｖ、１０Ａで、出力は５０Ｖ、２０Ａで蓄電池３７を充電することができた。

前記実施の形態においては、受電部にＥ形コアを使用し、中央磁極部に二次コイル、及び三次コイルを分離して巻回したが、図５に示すように、一次コイル４０、二次コイル４１及び三次コイル４２を空心で渦巻き平面状とし、受電部４６には、一次コイル４０に近い側に三次コイル４２を、その直後に二次コイル４１を、そして二次コイル４１の直後にフェライトコアからなるシールド板４３を配置することもできる。この場合、一次コイル４０の背部にもフェライトコアからなるシールド板４４を配置することになる。一次コイル４０、二次コイル４１及び三次コイル４２の平面視した形状は、円形、矩形（角を丸くする場合も含む）、楕円、等とすることもできる。

また、シールド板４３の形状は二次コイル４１より大きく、シールド板４４の形状は一次コイル４０より大きくして、それぞれ背部にある機器への加熱を防止し、更に各コイル４０、４１の磁路抵抗を小さくしている。高周波電源１５の周波数の調整、充電回路３６、電池３７の構成は非接触電力供給装置１０と同一である。図５において、４５は給電部、Ｌは給電部４５と受電部４６の間隔（距離）を示す。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、形状、寸法、巻数などは変更できる。
また、移動車両には自動車を含む。
更には、分離して配置される一次コイル、二次コイル、三次コイルの巻形状は任意であり、平面渦巻き状に巻く場合の他、有心又は無心に関わらず、これらの一部のコイル又は全部を分離状態で筒状巻、重ね巻する場合も本発明は適用される。

１０：非接触電力供給装置、１１：給電部、１２：移動車両、１３：受電部、１４：一次コイル、１５：高周波電源、１７：二次コイル、１８：三次コイル、２０：Ｅ形コア、２１：中央磁極部、２２〜２７：接続用リード線、２８、２９：端側磁極部、３１、３２：接続用リード線、３３：シールド板、３５：コンデンサ、３６：充電回路、３７：電池、４０：一次コイル、４１：二次コイル、４２：三次コイル、４３、４４：シールド板、４５：給電部、４６：受電部

Claims (5)

1. 固定状態で配置されて高周波電源に接続される一次コイルを備えた給電部と、移動車両に搭載されて、該移動車両が所定位置又は所定領域にある場合に、前記給電部に隙間を有して対向配置され、前記一次コイルに磁気結合する二次コイル及び三次コイルを有し、前記二次コイルに負荷に供給する電力を発生させ、前記三次コイルには共振用コンデンサが接続された受電部とを備える非接触電力供給装置であって、
   前記二次コイルと前記三次コイルを別々に分離して配置し、しかも、前記三次コイルを前記二次コイルより前記一次コイルに近い前側に配置したことを特徴とする非接触電力供給装置。
2. 請求項１記載の非接触電力供給装置において、前記一次コイルと、該一次コイルと距離Ｌだけ離して配置される前記三次コイルと、該三次コイルの直後に配置される前記二次コイルと、前記共振用コンデンサとを有して形成される共振回路の共振周波数を、前記高周波電源の周波数に一致させ、前記一次コイルと前記三次コイルが距離Ｌより近づくと、前記共振回路の共振周波数が、前記高周波電源の周波数からずれることを特徴とする非接触電力供給装置。
3. 請求項２記載の非接触電力供給装置において、前記距離Ｌは１５〜５０ｍｍの範囲にあることを特徴とする非接触電力供給装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１記載の非接触電力供給装置において、前記一次コイルは巻線が空心でかつ渦巻き平面状となって、前記一次コイルの背部に、該一次コイルを背部から覆うフェライトコアからなる磁気シールド板が配置され、前記三次コイル及び前記二次コイルはフェライトコアを用いて形成されるＥ形コアの中央磁極部に分けて巻回されていることを特徴とする非接触電力供給装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１記載の非接触電力供給装置において、前記負荷は前記移動車両の電源となるバッテリであることを特徴とする非接触電力供給装置。

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