JP2012105456A - Non-contact power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は非接触給電システムに関する。 The present invention relates to a non-contact power feeding system.
この発明の背景技術としては、給電ヘッドから受電ヘッドへ非接触で給電する装置において、結合トランスの1次コアと2次コアを個々に分離可能となし、給電ヘッドと受電ヘッドに1次コアと2次コアをそれぞれ設け、1次コアと2次コアはそれぞれに巻回される1次巻線と2次巻線を有し、1次巻線に流れる電流の検出手段と、1次巻線に流れる電流が過電流となったときに1次巻線へ供給する電流を停止する過電流保護回路とを給電ヘッド側に備えた非接触給電装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 As a background art of the present invention, in a device that feeds power from a power feeding head to a power receiving head in a non-contact manner, the primary core and secondary core of the coupling transformer can be individually separated, and the power feeding head and the power receiving head have a primary core. A secondary core is provided, and the primary core and the secondary core each have a primary winding and a secondary winding wound around the primary core and the secondary core, and means for detecting current flowing in the primary winding and the primary winding There is known a non-contact power feeding device that includes an overcurrent protection circuit on the power feeding head side that stops a current supplied to the primary winding when the current flowing through the coil becomes an overcurrent (see, for example, Patent Document 1). ).
また、結合トランスの1次側と2次側を個別に収容して、相互に分離可能に構成してなる1次側ユニットと2次側ユニットを具備し、前記1次側ユニットから2次側ユニットへ電磁誘導作用を利用して非接触で電力を供給する電源装置において、前記2次側ユニットが、前記結合トランスの2次側における電圧および電流に関する信号を外部へ無線送信する送信手段を備え、前記1次側ユニットが、無線送信された前記信号を受信して、この信号を基に1次側ユニットの駆動を制御する受信手段を具備した非接触給電装置も知られている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, the primary side and the secondary side of the coupling transformer are individually accommodated and configured to be separable from each other, and the primary side unit and the secondary side unit are provided. In the power supply apparatus for supplying electric power to the unit in a non-contact manner using electromagnetic induction, the secondary unit includes transmission means for wirelessly transmitting signals relating to the voltage and current on the secondary side of the coupling transformer to the outside. There is also known a non-contact power feeding device including a receiving unit that receives the signal transmitted wirelessly by the primary unit and controls driving of the primary unit based on the signal (for example, Patent Document 2).
しかしながら、1次巻線の電流を検出することによって過電流を保護する回路を給電ヘッド側に備えた前記のような装置では、電力容量の異なる複数種類の受電ヘッドを選択的に接続する場合、過電流保護回路が作動する電流の値を受電ヘッド側の電力容量に対応して設定できないという問題がある。 However, in the above-described device provided with a circuit for protecting the overcurrent by detecting the current of the primary winding on the power feeding head side, when a plurality of types of power receiving heads having different power capacities are selectively connected, There is a problem that the value of the current at which the overcurrent protection circuit is activated cannot be set corresponding to the power capacity on the power receiving head side.
また、2次側ユニット側の電流や電圧を1次側ユニットへ無線送信する前記のような装置では、2次側ユニットに通信手段及び電圧・電流検出手段を設ける必要があり、回路が複雑になる上、2次側ユニットのサイズが大きくなるという問題がある。 In addition, in the above-described device that wirelessly transmits the current and voltage on the secondary unit side to the primary unit, it is necessary to provide communication means and voltage / current detection means on the secondary unit, which complicates the circuit. Moreover, there is a problem that the size of the secondary unit becomes large.
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、回路構成が簡単で、2次側ユニット(受電装置)の電力容量に対応して1次側ユニット(送電装置)への最大1次入力電流が自動的に設定され、その設定値を1次入力電流が超えると2次側ユニットへの給電が停止される非接触給電システムを提供するものである。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, has a simple circuit configuration, and corresponds to the power capacity of the secondary side unit (power receiving device) up to 1 to the primary side unit (power transmission device). A non-contact power supply system is provided in which the secondary input current is automatically set and power supply to the secondary unit is stopped when the primary input current exceeds the set value.
この発明は、1次コイルを有し外部から電力を受電して1次コイルに交流電力を供給する送電装置と、送電装置に離脱可能に結合される受電装置とを備え、受電装置は、送電装置との結合時に1次コイルと電磁結合して誘起された電力を負荷に供給する2次コイルと、送電装置と受電装置との結合時に送電装置に挿入され受電装置の電力容量の大きさに対応する挿入長さを有する突出部とを備え、送電装置は、受電装置との結合時に突出部により圧縮される弾性部材と、弾性部材の圧力を検出する圧力検出器と、外部から送電装置への入力電流を検出する電流検出器と、入力電流が検出圧力に対応する電流しきい値を超えるとき1次コイルへの給電を停止する制御部とを備える非接触給電システムを提供するものである。 The present invention includes a power transmission device that has a primary coil, receives power from the outside, and supplies AC power to the primary coil; and a power reception device that is detachably coupled to the power transmission device. A secondary coil that supplies an electric power induced by electromagnetic coupling with the primary coil when coupled to the device to the load, and a power capacity of the power receiving device that is inserted into the power transmitting device when coupled with the power transmitting device and the power receiving device. A power transmission device including an elastic member that is compressed by the protrusion when coupled to the power receiving device, a pressure detector that detects a pressure of the elastic member, and an external device to the power transmission device. A non-contact power feeding system is provided that includes a current detector that detects the input current and a control unit that stops power feeding to the primary coil when the input current exceeds a current threshold corresponding to the detected pressure. .
この発明によれば、受電装置の電力容量が、突出部の長さに対応する弾性部材の圧縮圧力として圧力検出器により検出され、送電装置への入力電流が受電装置の電力容量に対応する電流しきい値を超えるとき、1次コイルへの給電が停止されるので、簡単な構成で、受電装置はその電力容量に応じた電力を安全に受電することができる。 According to the present invention, the power capacity of the power receiving device is detected by the pressure detector as the compression pressure of the elastic member corresponding to the length of the protruding portion, and the input current to the power transmitting device corresponds to the current corresponding to the power capacity of the power receiving device. Since power supply to the primary coil is stopped when the threshold value is exceeded, the power receiving device can safely receive power corresponding to the power capacity with a simple configuration.
この発明の非接触給電システムは、1次コイルを有し外部から電力を受電して1次コイルに交流電力を供給する送電装置と、送電装置に離脱可能に結合される受電装置とを備え、受電装置は送電装置との結合時に1次コイルと電磁結合して誘起された電力を負荷に供給する2次コイルと、送電装置と受電装置との結合時に送電装置に挿入され受電装置の電力容量の大きさに対応する挿入長さを有する突出部を備え、送電装置は、受電装置との結合時に突出部により圧縮される弾性部材と、弾性部材の圧縮圧力を検出する圧力検出器と、外部から送電装置への入力電流を検出する電流検出器と、入力電流が検出圧力に対応する電流しきい値を超えるとき1次コイルへの給電を停止する制御部とからなることを特徴とする。 A non-contact power feeding system of the present invention includes a power transmission device that has a primary coil, receives power from the outside, and supplies AC power to the primary coil, and a power reception device that is detachably coupled to the power transmission device, The power reception device is inserted into the power transmission device when the power transmission device and the power reception device are coupled, and the secondary coil that supplies the load with the secondary coil that is electromagnetically coupled with the primary coil when the power reception device is coupled. The power transmission device includes an elastic member that is compressed by the protrusion when coupled to the power receiving device, a pressure detector that detects the compression pressure of the elastic member, and an external device. A current detector that detects an input current to the power transmission device, and a control unit that stops power supply to the primary coil when the input current exceeds a current threshold value corresponding to the detected pressure.
送電装置は外部から受電した電力を交流電力に変換して1次コイルに供給する発振回路を備え、制御部は、前記電流しきい値を記憶する記憶部と、記憶部から電流しきい値を読み出して電流検出器の検出電流が電流しきい値を超えた時に発振回路の出力を停止させる制御回路とを備えてもよい。 The power transmission device includes an oscillation circuit that converts electric power received from the outside into AC power and supplies it to the primary coil, and the control unit stores the current threshold value, and stores the current threshold value from the storage unit. And a control circuit that stops the output of the oscillation circuit when the current detected by the current detector exceeds the current threshold value.
前記記憶部は異なる検出圧力に対する電流しきい値を表すテーブルを備え、前記制御回路は圧力検出器の検出圧力に基づいてそのテーブルから電流しきい値を読み出すようにしてもよい。 The storage unit may include a table representing current threshold values for different detected pressures, and the control circuit may read the current threshold values from the table based on the detected pressure of the pressure detector.
受電装置は2次コイルを巻回するボビンを備え、そのボビンが前記突出部を形成することが好ましいが、他の部材で前記突出部を構成してもよい。 The power receiving device includes a bobbin that winds the secondary coil, and the bobbin preferably forms the protruding portion. However, the protruding portion may be configured by another member.
制御回路は、圧力検出器が何らかの圧力を検出したときに発振回路を出力させる機能を備えてもよい。 The control circuit may have a function of outputting an oscillation circuit when the pressure detector detects some pressure.
送電装置が第1コアを有し、受電装置が第2コアを有し、送電装置と受電装置との結合時に、第1コアと第2コアによって変圧器用コアが形成され、かつ、変圧器用コアに1次および2次コイルが巻回された変圧器が構成されてもよい。
送電装置は受電装置との対向面にロック部材係止孔を備え、受電装置はそれぞれ対応する位置にロック部材を備えてもよい。更に、受電装置が送電装置に完全に結合(ロック)された状態以外では弾性部材の反発力により受電装置を送電装置から排出するように弾性部材を備えてもよい。この場合、受電装置と送電装置の結合が不十分な状態での給電を防止することができる。
The power transmission device has a first core, the power reception device has a second core, and when the power transmission device and the power reception device are coupled, a transformer core is formed by the first core and the second core, and the transformer core A transformer in which a primary coil and a secondary coil are wound around each other may be configured.
The power transmission device may include a lock member locking hole on a surface facing the power reception device, and the power reception device may include a lock member at a corresponding position. Further, an elastic member may be provided so that the power receiving device is discharged from the power transmitting device by the repulsive force of the elastic member except when the power receiving device is completely coupled (locked) to the power transmitting device. In this case, power feeding in a state where the power receiving device and the power transmitting device are not sufficiently coupled can be prevented.
以下、図面に示す実施形態を用いて、この発明を詳述する。
図1はこの発明の非接触給電システムの電気回路図である。
図1に示すように、この発明の非接触給電システムは、送電装置1と受電装置2とを備える。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 is an electric circuit diagram of the contactless power feeding system of the present invention.
As shown in FIG. 1, the non-contact power feeding system of the present invention includes a power transmitting
送電装置1は、直流電源16からの直流電圧を交流電圧に変換する発振回路(DC/ACコンバータ)11と、変換された交流電圧が印加される1次コイル10と、1次コイル10が巻回される送電側コア(鉄心)18と、発振回路11を制御する制御回路12と、送電装置1に受電装置2が挿入(結合)された際に押圧される弾性部材(後述)の圧力を検出するための圧力検出器14と、送電装置1への入力電流を検出するための電流検出器15と、給電を停止する電流しきい値を記憶する記憶部13とを備える。
直流電源16は太陽光発電装置、風力発電装置または燃料電池のような発電型直流電源、またはそれらの交流電源の電圧を直流電力変換機により所定の電圧に安定化された安定化型直流電源、または商用系統より取得した交流電源を整流し、直流に変換された交流電源変換型直流電源である。
The
The
受電装置2は、1次コイル10と電磁的に結合して電力を受電するための2次コイル20と、電磁誘導により2次コイル20に誘起された交流電圧を直流電圧に変換する整流回路21と、変換された直流電圧を平滑して負荷(電気機器)3に印加するコンデンサ22と、送電装置1に受電装置2が結合した時に1次コイル10と2次コイル20を電磁結合させるための磁路を形成する受電側コア23とを備える。
負荷3にはパソコン、携帯電話、またはPDAなど直流機器を用いるが、DC/AC変換器により交流に変換することにより、冷蔵庫、洗濯機、テレビ、エアコン、複写機、またはファクシミリのような交流機器を用いることが可能である。勿論、冷蔵庫、洗濯機、テレビ、エアコン、複写機、またはファクシミリが直流電源により動作する場合は、電圧変換して負荷としてもよい。
The
The load 3 uses a DC device such as a personal computer, a mobile phone, or a PDA, but it is converted into AC by a DC / AC converter, so that an AC device such as a refrigerator, a washing machine, a TV, an air conditioner, a copier, or a facsimile machine is used. Can be used. Of course, when a refrigerator, a washing machine, a television, an air conditioner, a copier, or a facsimile machine is operated by a DC power source, the voltage may be converted into a load.
発振回路11は、トランジスタQA,QBと、ダイオードDA,DBと、コンデンサCA,CBとからなるハーフブリッジ式のコンバータ11aと、パルス信号を発生してトランジスタQA,QBをON/OFFさせるパルス発生器11bを備える。 The oscillation circuit 11 includes a half-bridge converter 11a including transistors QA and QB, diodes DA and DB, and capacitors CA and CB, and a pulse generator that generates a pulse signal to turn the transistors QA and QB on / off. 11b.
パルス発生器11bは数十kHzの高周波パルスを発生し、制御回路12から信号を受けるとパルス周期に対するON期間の比、つまりデューティ比を変化させ、コンバータ11aの出力する交流電圧を制御するようになっている。
The
図2は、送電側コア18を示す斜視図、図3は送電側コア18に装着された1次コイル10を示す斜視図である。図2に示すように送電側コア18は円柱状の中央コア18a及び外周コア18bを備え、図3に示すように1次コイル10を巻回した1次コイルボビン19が中央コア18aに同芯に装着されている。
一方、受電側コア23には、図4,図6に示すように、2次コイルボビン25に巻回された2次コイル20が、2次コイルカバー24に覆われて固定されている。
FIG. 2 is a perspective view showing the power
On the other hand, as shown in FIGS. 4 and 6, the
図5は送電装置1に受電装置2が挿入(結合)された場合の1次コイル10と2次コイル20との結合関係を示す上面図、図6は図5のA−A矢視断面図、図7は図5のB−B矢視断面図である。
FIG. 5 is a top view showing a coupling relationship between the
送電装置1に受電装置2が結合された時には、図6に示すように、送電側コア18と受電側コア23とによって閉磁路が形成され、中央コア18aに1次コイル10と2次コイル20とが巻回された変圧器が構成される。
本実施形態においては、送電側コア18と受電側コア23の形状を所謂PQI形状としているが、本発明におけるコアの形状はこれに限るものではなく、EIR形状、EI形状でもよい。
When the
In the present embodiment, the shape of the power
図5,図6に示すように、送電装置1は、圧力検出器14と、2次コイルボビン25の先端に当接してボビン25の長手方向(矢印X1,X2方向)に移動可能に支持されたπ字形の移動部材31と、圧力検出器14と移動部材31との間に保持され、移動部材31を矢印X1方向に付勢するコイルスプリング32とを備える。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
送電装置1には、電力容量(受電能力)の異なる複数種類の受電装置2が選択的に結合可能であり、受電装置2はその受電能力に応じてサイズが定められるため受電能力が小さい場合にはその軽量化が可能となる。また、受電装置2は2次コイル20の巻数を変更することにより、出力電圧を調整して機器側に最適な電圧を供給できる。ここで、受電装置2のサイズは、受電装置2に設けられた突出部の受電装置2の電力容量に対応する突出長さで表すようにしている。
A plurality of types of
この実施形態では、2次コイル20を巻回した2次コイルボビン25がその突出部を形成し、受電装置2のサイズとは2次コイルボビン25の突出長さ、つまり、送電装置1への挿入長さL(図6)を意味する。従って、電力容量(受電能力)が高い受電装置2の2次コイルボビン25は挿入長さLが長く、電力容量が低い受電装置2の2次コイルボビン25は挿入長さLが短くなる。
In this embodiment, the
送電装置1に受電装置2が挿入(結合)された場合、コイルスプリング32は移動部材31によって矢印X2方向に圧縮され圧力検出器14に押圧力を与える。従って、受電装置2のサイズ、つまり2次コイルボビン25の挿入長さLが長いと、コイルスプリング32の押圧力が増えるため、結果として圧力検出器14で検出される圧力が高くなる。
When the
記憶部13(図1)は、ROMとRAMを備え、そのROMには表1に示すように検出圧力と2次コイルボビン25の挿入長さLと電流閾値との関係を表すデーブルが予め格納されている。
このような構成において、送電装置1と受電装置2が結合されると、圧力検出器14はコイルスプリング32の圧力を検出する。制御回路12は、表1の変換テーブルから、検出圧力に対応する電流閾値を読み出し、記憶部13のRAMに保持させる。
In such a configuration, when the
制御回路12は、正常時は発振回路11を所定のデューディ比のパルスによって連続発振させる。それによって、1次コイル10に交流電圧が印加され、2次コイルに交流電圧が誘起され、誘起された交流電圧は整流回路21により整流され、平滑コンデンサ22で平滑されて負荷3に印加される。
The
電流検出器15により現在の入力電流値が検出され、制御回路12は入力電流値と記憶部13のRAMに保持された電流閾値との比較を行う。受電装置2及び接続された負荷3が正常に動作している場合は、入力電流値は変換テーブルに定められた電流閾値を超えることはなく、給電は継続される。
The current input current value is detected by the
何らかの理由により、受電装置2もしくは接続された負荷3に異常が発生し(例えば短絡)、受電装置2に受電能力以上の電流が流れた場合、制御回路12は入力電流が記憶部13のRAMに保持された電流閾値を超えたことを検知し、パルス発生器11bの出力を停止させる。そして、発振回路11が出力を停止して受電装置2への給電が停止されることにより、受電装置2および負荷3の過電流保護が実現される。
If for some reason an abnormality occurs in the
ここで、受電装置2の受電能力つまり電力容量(W)と2次コイルボビン25の挿入長さLとの関係について説明する。
例えば、送電装置1の1次コイル10に印加される交流電圧が100Vであり、1次コイル10の巻数が100ターンとする。また、受電能力(電力容量)の異なる2つの受電装置2の電力容量が、
(a)40W(20V×2A)
(b)5W(5V×1A)
である場合、コイルの巻数比は電圧比に等しいため、巻線数としてはそれぞれ
(a)100V:20V=100ターン(1次コイル巻線数):20ターン(2次コイル巻線数)
(b)100V:5V=100ターン(1次コイル巻線数):5ターン(2次コイル巻線数)
となる。
Here, the relationship between the power receiving capability of the
For example, the AC voltage applied to the
(A) 40W (20V x 2A)
(B) 5W (5V x 1A)
Since the coil turns ratio is equal to the voltage ratio, the number of turns is (a) 100V: 20V = 100 turns (primary coil turns): 20 turns (secondary coil turns).
(B) 100V: 5V = 100 turns (number of primary coil windings): 5 turns (number of secondary coil windings)
It becomes.
また、2次コイルの巻線の線径は許容電流容量によって決まるため、少ない電流容量であればコイルの線径を小さくできる。結果として、電力容量(受電能力)の大きさに応じて、2次コイルボビン25のサイズ、すなわち挿入長さLが決定されることになる。
Further, since the wire diameter of the secondary coil winding is determined by the allowable current capacity, the coil diameter can be reduced with a small current capacity. As a result, the size of the
また、制御回路12は、送電装置1に受電装置2が結合されているか否かを、圧力検出器14を用いて検出する。つまり、圧力検出器14が何らかの圧力(表1において0kg/cm2より大きい圧力)を検出したとき、制御回路12は送電装置1に受電装置2が結合されたものと判定する。
そして、制御回路12はパルス発生器11bを駆動し、1次コイル10に交流電圧を印加する。
Further, the
Then, the
一方、圧力検出器14が圧力を全く検出しない場合には、制御回路12は送電装置12に受電装置2が結合されていないものと判断し、パルス発生器11bを駆動しない。
従って、この場合、1次コイル10には交流電圧が印加されず、回路での電力消費を低減することができる。
On the other hand, when the
Therefore, in this case, no AC voltage is applied to the
図8,図9は送電装置1と受電装置2の結合部材の構成と作用を示す説明図である。これらの図に示すように、送電装置1は、受電装置2との対向面にロック部材係止孔33a,33bを備える。
8 and 9 are explanatory views showing the configuration and operation of the coupling member of the
一方、受電装置2は、ロック部材係止孔33a,33bにそれぞれ対応する位置にロック部材34a,34bを備える。ロック部材34a,34bは、それぞれロック爪35a,35bと、ロック爪35a,35bをそれぞれ弾性的に支持する板バネ36a,36bと、板バネ36a,36bにそれぞれ設けられた押しボタン37a,37bを備える。
On the other hand, the
このような構成において、図8に示すように、送電装置1に受電装置2が矢印C方向に装着されると、移動部材31が2次コイルボビン25によって矢印C方向へ押圧されて移動する。そして、受電装置2のロック部材34a,34bが送電装置1のロック部材係止孔33a,33bに挿入される。それらが完全に挿入されたとき、図9に示すようにロック部材係止孔33a,33bにそれぞれロック爪35a,35bが係止され、受電装置2が送電装置1に完全に結合(ロック)される。
In such a configuration, as shown in FIG. 8, when the
また、送電装置1から受電装置2を離脱する場合には、押しボタン37a,37bを押してロック爪35a,35bの係止状態を解除し、ロック部材係止孔33a,33bからロック部材34a,34bを矢印Cと逆方向に引き抜く。
When the
また、送電装置1に受電装置2が完全にロックされない場合には1次コイル10と2次コイル20との結合が不十分となり、多くの損失が生じ発熱などの危険を生じる。しかし、その場合にはコイルスプリング32(図5)の反発力が移動部材31を介して受電装置2に与えられ、受電装置2が送電装置1から排出されるので、安全性が確保される。
Further, when the
1 送電装置
2 受電装置
3 負荷
10 1次コイル
11 発振回路
12 制御回路
13 記憶部
14 圧力検出器
15 電流検出器
16 直流電源
18 送電側コア
18a 中央コア
18b 外周コア
19 1次コイルボビン
20 2次コイル
21 整流回路
22 平滑コンデンサ
23 受電側コア
24 2次コイルカバー
25 2次コイルボビン
31 移動部材
32 コイルスプリング
33a ロック部材係止孔
33b ロック部材係止孔
34a ロック部材
34b ロック部材
35a ロック爪
35b ロック爪
36a 板バネ
36b 板バネ
37a 押しボタン
37b 押しボタン
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KR20190063084A (en) * | 2017-11-29 | 2019-06-07 | 한국철도기술연구원 | Wireless power supply and pickup coil for solid-state transformer of railway vehicle and module thereof |
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