JP2013162611A - Wireless power feeding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コネクタ等の機械的な接続をせずに近傍界に電力を伝送する、ワイヤレス給電に関する。 The present invention relates to wireless power feeding that transmits power to the near field without mechanical connection such as a connector.
接続せずに近傍界に電力を伝送する方法として、磁界共鳴方式や電界結合方式や磁界結合方式などが広く知られている。磁界共鳴方式では、給電器と受電器の空間的な位置関係の自由度が高く、精度よく位置を合わせることが困難な車などの移動体への給電に関する開発が活発に行われている。また、平らな接触面を持たない3Dメガネなどに磁界共鳴方式を用いて給電する製品も開発されている。 As a method for transmitting power to the near field without connection, a magnetic resonance method, an electric field coupling method, a magnetic field coupling method, and the like are widely known. In the magnetic field resonance method, development relating to power feeding to a moving body such as a car, which has a high degree of freedom in the spatial positional relationship between the power feeder and the power receiver and is difficult to accurately align, has been actively performed. In addition, products for supplying power to 3D glasses that do not have a flat contact surface using a magnetic resonance method have been developed.
一方、電界結合方式は、テーブルや壁などに給電器を埋め込み受電器と密着して給電する方法やタブレット端末などに給電する方法などが開発されている。電界結合方式では、平らな電極を用いるため、比較的コストを安くコンパクトに実現することができる。 On the other hand, as the electric field coupling method, a method of supplying power by placing a power supply in close contact with a power receiver, a method of supplying power to a tablet terminal or the like has been developed. In the electric field coupling method, a flat electrode is used, so that the cost can be realized relatively inexpensively.
また、磁界結合方式では、標準化の動きが進んでいる。従来、2次電池を内蔵している携帯機器に充電する場合、給電器として携帯機器毎に異なる専用のACアダプタなどを用いていた。このため、ACアダプタの数が多くなり、ユーザーのコストが高いとともに、対応するACアダプタを見出してコネクタを接続するという、煩雑な作業を行う必要があった。 In addition, in the magnetic field coupling method, a standardization movement is progressing. Conventionally, when charging a portable device incorporating a secondary battery, a dedicated AC adapter or the like that is different for each portable device has been used as a power feeder. For this reason, the number of AC adapters is increased, the cost of the user is high, and it is necessary to perform a complicated operation of finding a corresponding AC adapter and connecting a connector.
これを、ワイヤレス給電の仕様を標準化して、コネクタに接続することなしに汎用的な給電器から給電することにより、利便性を大幅に改善することができる。標準化された仕様を満たす任意の給電器の上に標準化された仕様を満たす任意の受電器を置くだけで給電することができるため、ユーザーの負担や利便性は大幅に改善される。 By standardizing the wireless power supply specification and supplying power from a general-purpose power supply without connecting to the connector, the convenience can be greatly improved. Since power can be supplied simply by placing any power receiver that satisfies the standardized specification on any power supply that satisfies the standardized specification, the burden on the user and convenience are greatly improved.
このような従来の磁界結合方式のワイヤレス給電装置1801の一例を、図18を基に説明する。図18において、ワイヤレス給電装置1801は、給電器210と受電器1820により構成される(例えば、特許文献1参照)。
An example of such a conventional magnetic field coupling type wireless
給電器210は、給電面211と検出電極212と検出手段213と第1電力変換手段214と1次コイル215と第1制御手段216とにより構成される。給電器210では、上部の給電面211に給電対象である受電器1820が置かれると、検出電極212からの電気信号の変化を検出手段213が検出する。第1制御手段216は、検出手段213が受電器1820が置かれたことを検出すると、第1電力変換手段214により給電を開始する。第1電力変換手段214は、外部からの電源あるいは内部の電池に蓄えられている電力を高周波の電力に変換する。変換された電力は、1次コイル215により磁束に変換されて給電面211から出力される。
The
受電器1820は、受電面1821と2次コイル1822と第2電力変換手段224と蓄電手段227と第2制御手段226とにより構成される。1次コイル215に対向するように配置されている2次コイル1822は、1次コイル215と相互インダクタンスにより結合し、1次コイル215からの磁束を高周波の電力に変換する。2次コイル1822からの高周波電力は第2電力変換手段224で直流の電力に変換される。つまり、1次コイル215と2次コイル1822の相互インダクタンスを介して電力が伝送される。伝送された電力は、受電器1820全体の回路の電源として使用されるとともに、蓄電手段227に蓄えられる。第2制御手段226は、蓄電手段227の状態の管理や、給電器210との通信の制御などを行う。給電器210との通信は、例えば、受電器1820の第2電力変換手段224の負荷を変えるなどにより行い、給電対象の確認や電力の制御を行うようにしていた。
The
ここで、1次コイル215と2次コイル1822の相互インダクタンスを大きくして、1次コイル215と2次コイル1822の結合係数を高くするためには、1次コイル215と2次コイル1822の大きさをほぼ同じにする必要がある。このため、1次コイル215と2次コイル1822の大きさは通常ほぼ同じである。具体的には、1次コイルも2次コイルも外径30mm程度の大きさであった。しかし、2次コイル1822は受電器1820の中に組み込まれるため、2次コイル1822より小さい外形の受電器1820を作ることはできない。したがって、1次コイル215より小さい受電器では、2次コイルは受電器より更に小さくなるために、結合係数が低下して、給電できる電力が小さくなってしまう。また、給電器210が想定しているより受電器が小さいと、正規の受電器として検出されないこともあった。
Here, in order to increase the mutual inductance between the
また、前述の磁界共鳴方式や電界結合方式や磁界結合方式などの方式が異なると給電することはできない。このように、従来のワイヤレス給電では、給電器と受電器で方式や規格や大きさや形状や位置関係などに不整合があると、給電することができないという課題があった。 Further, if the magnetic resonance method, the electric field coupling method, the magnetic field coupling method, or the like is different, power cannot be supplied. As described above, in the conventional wireless power feeding, there is a problem that power feeding cannot be performed if there is a mismatch in the method, standard, size, shape, positional relationship, and the like between the power feeder and the power receiver.
そこで本発明では、以上に示した従来のワイヤレス給電装置の課題を解決し、給電器と受電器に方式や規格や大きさや形状や位置関係などに不整合がある場合でも、給電器から受電器に給電することができるようにすることにより、給電器が給電することのできる受電器の範囲を広げて、利用者にとっての利便性を大幅に向上させることのできるワイヤレス給電装置を提供することである。 Therefore, the present invention solves the problems of the conventional wireless power supply apparatus described above, and even when there is a mismatch in the method, standard, size, shape, positional relationship, etc. between the power supply and the power receiver, By providing a wireless power supply device that can broaden the range of power receivers that can be powered by the power feeder and greatly improve convenience for the user. is there.
給電器から受電器に電磁気的なエネルギーを媒介して電力を伝送するワイヤレス給電装置において、電力を電磁気的なエネルギーに変換して出力する給電器と、電磁気的なエネルギーを入力して電力に変換する受電器と、前記給電器と前記受電器との間に着脱自在に配置され、前記給電器から電磁気的なエネルギーを入力しながら略同時に前記受電器に電磁気的なエネルギーを出力する変換器とによりワイヤレス給電装置を構成する。 In a wireless power feeder that transmits power from a power feeder to a power receiver via electromagnetic energy, a power feeder that converts the power into electromagnetic energy and outputs it, and the electromagnetic energy is input and converted into power And a converter that is detachably disposed between the power feeder and the power receiver, and that outputs electromagnetic energy to the power receiver substantially simultaneously while inputting electromagnetic energy from the power feeder; Thus, a wireless power feeding apparatus is configured.
本発明によれば、給電器と受電器に方式や規格や大きさや形状や位置関係などに不整合がある場合でも、給電気から受電器に給電することができる。このため、給電器が給電することのできる受電器の範囲を広げることができるため、利用者にとっての利便性を大幅に向上させることができる。 According to the present invention, even when there is a mismatch in the method, standard, size, shape, positional relationship, and the like between the power feeder and the power receiver, power can be supplied from the power supply to the power receiver. For this reason, since the range of the power receiver which can be fed by the power feeder can be expanded, the convenience for the user can be greatly improved.
本発明を実施するための形態について、図1を基に説明する。
本発明によるワイヤレス給電装置101は、電力を電磁気的なエネルギーに変換して出力する給電器110と、電磁気的なエネルギーを入力して電力に変換する受電器120と、前記給電器110と前記受電器120の間に着脱自在に配置され、前記給電器110から電磁気的なエネルギーを入力しながら略同時に前記受電器120に電磁気的なエネルギーを出力する変換器130とにより構成され、前記給電器110から前記受電器120にコネクタ等の機械的な接続をせずに電力を伝送する。
An embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to FIG.
A
なお、電磁気的なエネルギーの入力や電磁気的なエネルギーの出力と言う表現は、時間的に平均した表現で、実際には共鳴現象などにより相互作用しながらエネルギーが伝送される。以降の説明においても同様である。また、ここで言う電磁気的なエネルギーとは、電界のエネルギーあるいは磁界のエネルギーあるいはそれらの複合的なエネルギーのことである。 Note that expressions such as electromagnetic energy input and electromagnetic energy output are expressions that are temporally averaged, and energy is actually transmitted while interacting by a resonance phenomenon or the like. The same applies to the following description. The electromagnetic energy referred to here is electric field energy, magnetic field energy, or a composite energy thereof.
変換器130は、給電器110と受電器120の給電の不整合を吸収するためのものである。ここで、給電の不整合とは、方式や規格や大きさや形状や位置関係などの違いのことである。ここで言う方式とは、磁界結合方式や電界結合方式や磁界共鳴方式や、今後開発されるであろう他のワイヤレス給電の方式でもよい。組み合わせに特に制限はない。
The
このように、本発明によれば、給電器と受電器に方式や規格や大きさや形状や位置関係などに不整合がある場合でも、給電器から受電器に給電することができる。このため、給電器が給電することのできる受電器の範囲を広げることができるため、利用者にとっての利便性を大幅に向上させることができる。
なお、以降の実施例の説明では、便宜上括弧( )を見出しとして用いている。
As described above, according to the present invention, even when there is a mismatch in the method, standard, size, shape, positional relationship, and the like between the power feeder and the power receiver, power can be supplied from the power feeder to the power receiver. For this reason, since the range of the power receiver which can be fed by the power feeder can be expanded, the convenience for the user can be greatly improved.
In the following description of the embodiments, parentheses () are used as a headline for convenience.
実施例1は、給電器も受電器も磁界結合方式である。但し、受電器が小さいために、変換器なしでは効率良く給電できない。このために、変換器で軟磁性体による磁気回路を用いて、磁界を集めた場合の例である。つまり、想定外の小さい2次コイルを持つ受電器をセットした場合でも、給電器からの電磁気的な見かけの2次コイルの大きさが想定内であるかのように機能することにより、汎用的な給電器が給電することのできる受電器の大きさの範囲を広くすることができる。 In the first embodiment, both the power feeder and the power receiver are magnetic coupling methods. However, since the power receiver is small, power cannot be supplied efficiently without a converter. For this reason, this is an example in which a magnetic field is collected using a magnetic circuit made of a soft magnetic material in a transducer. In other words, even when a power receiver having an unexpectedly small secondary coil is set, it functions as if the size of the electromagnetic apparent secondary coil from the power feeder is within the assumption. The range of the size of the power receiver that can be fed by a simple power feeder can be widened.
(ワイヤレス給電装置201)
図2は、本発明によるワイヤレス給電装置201の好適な実施例を示したものである。
本発明によるワイヤレス給電装置201は、電力を磁気的なエネルギーに変換して出力する給電器210と、磁気的なエネルギーから電力を入力する受電器220と、前記給電器210と前記受電器220の間に着脱自在に配置され前記給電器210からの電磁気的な見かけの大きさが大きくなるように機能する変換器230とにより構成した。
(Wireless power supply apparatus 201)
FIG. 2 shows a preferred embodiment of the
A
(給電器210)
給電器210は、給電面211と検出電極212と検出手段213と第1電力変換手段214と1次コイル215と第1制御手段216により構成した。給電器210では、給電面211に給電対象が置かれると、検出電極212からの電気信号の変化を検出手段213が検出する。ここで言う検出対象とは、変換器230に受電器220がセットされたものを言う。第1制御手段216は、検出手段213が給電対象が置かれたことを検出すると、第1電力変換手段214により給電を開始する。第1電力変換手段214は、外部からの電源あるいは内部の電池などに蓄えられている電力を高周波の電力に変換する。変換された電力は、1次コイル215により磁気的なエネルギーに変換されて接触面から出力される。ここで、図示しないが、第1電力変換手段214には、力率を改善するため通常1次コイル215と合わせて共振回路を構成するようなコンデンサを含んでいる。
(Power feeder 210)
The
なお、本実施例による給電器210は、1次コイル215の外径を30mmにした汎用的な給電器で、2次コイルの大きさも同程度のものを想定している。したがって、従来例に示すように、2次コイルの大きさが30mm程度の受電器に対しては、図18に示すように変換器なしに、直接受電器に給電することができる。
The
(受電器220)
受電器220は、受電面221と2次コイル222と第2電力変換手段224と蓄電手段227と第2制御手段226により構成した。2次コイル222は、巻き取りの軸が受電面221に垂直になるように配置され、変換器230を介して1次コイル215と結合し、磁気的なエネルギーから電力を受電する。2次コイル222で受電した電力は、第2電力変換手段224で直流に変換される。ここで、図示しないが、第2電力変換手段224には、通常2次コイル222と合わせて漏洩インダクタンスを補償するために共振回路を構成するようなコンデンサが含まれている。直流に変換された電力は、受電器220全体の回路の電源として使用されるとともに、蓄電手段227に蓄えられる。第2制御手段226は、第2電力変換手段224や蓄電手段227の状態の管理や、給電器210との通信の制御などを行う。給電器210との通信は、例えば、受電器220の第2電力変換手段224の負荷を変えるなどにより行う。通信内容は、受電器220が必要とする電力などである。
(Power receiver 220)
The
図18に示すような従来の受電器1820と比較すると、本実施例の受電器220は外形が小さいために、2次コイル222を充分大きくできない。しかし、2次コイル222の直径が1次コイル215の直径の半分以下になると、1次コイル215で発生した磁界の一部しか2次コイル222と錯交しないため、結合係数が小さく、高効率の電力伝送が難しくなることが知られている。また、結合係数が小さくなると、給電できる電力も小さくなってしまう。本実施例の受電器220は、具体的には、腕時計や補聴器などの携帯電子機器や充電式ボタン電池などに内蔵されることが想定される。このため、2次コイル222の大きさは1次コイル215の大きさの2分の1以下で15mm以下である。したがって、変換器230を使わずに給電器210の給電面211に受電器220の受電面221が接するように携帯機器を配置しても、高効率で充分な電力の伝送は困難である。
Compared with a
(変換器230の構成)
図3に、変換器230の断面構成の一例を示す。変換器230は、給電器210の給電面211に接する変換入力面231と、受電器220の受電面221に接する変換出力面232と、1次コイル215と2次コイル222との相互インダクタンスによる閉ループの磁気回路の2つの経路のうちの一方の経路の磁気抵抗を小さくする円形の第1軟磁性体233と他方の経路の磁気抵抗を小さくする円形の第2軟磁性体234とを主な構成要素とした。閉ループの磁気回路の2つの経路とは、1次コイル215の内側から2次コイル222の内側への経路と、1次コイル215の外側から2次コイル222の外側への経路である。
(Configuration of converter 230)
FIG. 3 shows an example of a cross-sectional configuration of the
図3において、寸法Aは、変換入力面231側の第2軟磁性体234の内寸であり、1次コイル215の外寸とほぼ同じ長さとした。同様に、寸法Bは、変換出力面232側の第2軟磁性体234の内寸であり、2次コイル222の外寸とほぼ同じ長さとした。したがって、本実施例では、寸法Bは寸法Aの2分の1以下である。
本実施例では、軟磁性体として、フェライトを用いた。軟磁性体が導体の場合には、渦電流を軽減するために軟磁性体を分割することが望ましい。
In FIG. 3, the dimension A is the inner dimension of the second soft
In this example, ferrite was used as the soft magnetic material. When the soft magnetic material is a conductor, it is desirable to divide the soft magnetic material in order to reduce eddy currents.
(磁気回路)
図4は、本実施例における磁気回路の一例を示したものである。1次コイル215には、第3軟磁性体416が設けられている。第3軟磁性体416は、断面がE字型となる円形の軟磁性体で、中央の凸部に1次コイル215が巻かれている。同様に、2次コイル222には、第4軟磁性体423が設けられている。第4軟磁性体423は、断面がE字型となる円形の軟磁性体で、中央の凸部に2次コイル222が巻かれている。
(Magnetic circuit)
FIG. 4 shows an example of a magnetic circuit in the present embodiment. The
給電器410の第3軟磁性体416と変換器230の第1軟磁性体233と第2軟磁性体234と受電器420の第4軟磁性体423は、図4の矢印に示すような磁気回路を構成している。但し、矢印はある瞬間での磁気回路の経路を示すものであり、実際には交番磁界のため矢印の向きには特に意味はない。
The third soft
このように1次コイル215を錯交する磁束のほとんどが2次コイル222を錯交するように磁性体を配置することにより、2次コイル222の1次コイル215側からの電磁気的な見かけの大きさが大きくなる。また、1次コイル215と2次コイル222の結合係数が1に近づくため、相互インダクタンスも増大し、伝送できる電力及び効率を改善することができる。さらに、軟磁性体で1次コイル215や2次コイル222を囲むことになるため、放射ノイズを小さくすることができる。
In this way, by arranging the magnetic body so that most of the magnetic flux that interlaces with the
なお、磁気回路の磁気抵抗は、軟磁性体の比透磁率が充分大きいため、第3軟磁性体416と第1軟磁性体233のギャップと、第1軟磁性体233と第4軟磁性体423のギャップと、第4軟磁性体423と第2軟磁性体234のギャップと、第2軟磁性体234と第3軟磁性体416のギャップの4つのギャップの磁気抵抗の凡そ総和になる。これらの磁気抵抗を充分小さくすることにより、1次コイル215と2次コイル222の相互インダクタンスを更に増大させることができる。これらの4つのギャップの磁気抵抗を小さくするために、各磁性体は4つのギャップにおいて対向するような外形と位置関係にした。
The magnetic resistance of the magnetic circuit is such that the relative permeability of the soft magnetic material is sufficiently large, so that the gap between the third soft
以上に示したように、給電器410と受電器420との間に変換器230を挿入することにより、大きな1次コイル215からの磁束は効率良く小さな2次コイル222と錯交するようになるため、給電器410からの電磁気的な受電器420の見かけの大きさが大きく広がるように機能する。ここで、電磁気的な見かけの大きさとは、具体的には、2次コイル222と錯交する磁束が給電面111から出入りする範囲である。
As described above, by inserting the
(漏れ磁束の軽減)
また、第2軟磁性体234の内側で変換出力面から遠い方の角331が面取りされているのは、第1軟磁性体233と第2軟磁性体234との間の磁気抵抗を大きくし、漏れ磁束を少なくすることにより、1次コイル215と2次コイル222の結合係数の低下を防ぐためのものである。このように、漏れ磁束がなるべく小さくなるように、第1軟磁性体233と第2軟磁性体234の間の磁気抵抗がなるべく大きくなるような構成にする。
このため、変換器230の高さは、第2軟磁性体234の凡そ外側の半径と同等程度であることが望ましい。
(Reduction of leakage magnetic flux)
Also, the
For this reason, it is desirable that the height of the
(他の軟磁性体の構成)
以上に、4つの軟磁性体233,234,416,423が、同一の軸を共有する円形となる場合に磁気抵抗を小さくする場合の例を示したが、この限りではない。図示しないが、例えば1次コイル215が巻かれている第3軟磁性体416と、2次コイル222が巻かれている第4軟磁性体423の円形の軸がずれている場合でも、例えば第1軟磁性体233と第2軟磁性体234とが偏心していることにより、給電面411と変換入力面231が接する面において第1軟磁性体233と第2軟磁性体234が第3軟磁性体416と対面し、変換出力面232と受電面421が接する面において第1軟磁性体233と第2軟磁性体234が第4軟磁性体423と対面するようにすればよい。
(Configuration of other soft magnetic materials)
In the above, an example in which the magnetic resistance is reduced when the four soft
また、以上に4つの軟磁性体233,234,416,423が円形である場合の例を示したが、この限りではない。例えば、1次コイル215と2次コイル222と4つの磁性体233,234,416,423が方形であっても良い。
Moreover, although the example in the case where the four soft
(位置合わせ方法)
変換器は、給電器と受電器の間に着脱自在に配置されるが、前述の4つのギャップの磁気抵抗を最小にして効率的に給電するためには、給電器と変換器及び変換器と受電器を望ましい位置関係にする必要がある。このための給電器と変換器の位置合わせは、図示しない表示されたガイドに合わせるようにしたが、凹凸によるガイドに合わせるようにしても良いし、磁石の力などで位置を合わせるようにしても良いし、他の方法を用いても良い。変換器と受電器との位置合わせについても、同様である。
利用者の利便性を高めるためには、変換器も汎用的であることが望ましく、受電器が異なっても同一の変換器を使えるように、位置合わせの方法は統一されていることが望ましい。
(Positioning method)
The converter is detachably disposed between the power feeder and the power receiver. However, in order to efficiently supply power while minimizing the magnetic resistance of the four gaps described above, a power feeder, a converter, and a converter are provided. The power receiver needs to be in the desired positional relationship. For this purpose, the power feeder and the converter are aligned with a displayed guide (not shown), but may be aligned with an uneven guide or may be aligned with a magnet force or the like. Good or other methods may be used. The same applies to the alignment between the converter and the power receiver.
In order to enhance the convenience for the user, it is desirable that the converter is also general-purpose, and it is desirable that the alignment method is unified so that the same converter can be used even if the power receivers are different.
(第3軟磁性体と第4軟磁性体が平らな場合)
図5に第3軟磁性体516と第4軟磁性体523の他の構成を示す。第3軟磁性体516と第4軟磁性体523は、必ずしもE字型である必要はない。図5に示すように、1次コイル215や2次コイル222の厚みが薄い場合には、例えば平らな円形でも良い。この場合には、E字型の場合より前述の4つのギャップは若干長くなり、磁気抵抗は大きくなってしまう。意図していた経路の磁気抵抗が大きくなると、相対的に磁気抵抗の比率が低下した例えば、第1軟磁性体233と第2軟磁性体234の間での漏れ磁束などにより、1次コイル215と2次コイル222の結合係数が小さくなり、相互インダクタンスも小さくなってしまう。それでも、変換器がない場合には凡そ2次コイル222の面積の比率分結合係数や相互インダクタンスは低下してしまうため、変換器230により結合係数や相互インダクタンスは通常改善される。
(When the 3rd and 4th soft magnetic bodies are flat)
FIG. 5 shows another configuration of the third soft
(給電対象の検出)
図2に示す給電器210の検出電極212は、2次元の座標に対応して配置した。したがって、各検出電極212からの信号の変化から、検出手段213は給電対象の位置と大きさを検出することができる。検出した給電対象の大きさが所定の大きさより小さい場合には、異物の可能性があるため、給電を行わないようになっている。検出電極212と検出手段213による給電対象の検出は、静電容量の変化によって行うようにした。第1軟磁性体233と第2軟磁性体234はフェライトのため、0.1〜1Ωm程度の体積抵抗率を持つため、そのまま静電容量の変化により検出することができる。変換器230は、給電器210が想定している受電器の大きさのため、正規の給電対象として検出されることができる。つまり、給電対象の検出においても、給電器210からの変換器230を介した受電器220の電磁気的な見かけの大きさを大きくすることができる。
(Detection of power supply target)
The
給電対象の検出は必ずしも静電容量の変化による方法である必要はなく、電磁誘導による共振周波数の変化など他の方法を用いてもよい。
また、図2では検出電極212により給電対象を検出する場合の例を示したが、給電器210と受電器220の間に通信手段がある場合などには、検出電極212および検出手段213は必ずしも設ける必要がない。ここで言う通信手段とは、例えば受電器側への給電のインピーダンスによる変調や、通信用の回路やコイルが独立して存在する場合などである。
Detection of the power supply target is not necessarily a method based on a change in capacitance, and other methods such as a change in resonance frequency due to electromagnetic induction may be used.
In addition, although an example in which a power supply target is detected by the
(磁気回路の他の構成例)
以上に、1次コイル215と2次コイル222との相互インダクタンスによる閉ループの磁気回路の変換器230における2つの経路として、1次コイル215の内側から2次コイル222の内側への経路と、1次コイル215の外側から2次コイル222の外側への経路を対応させた場合の例を示したがこの限りではない。例えば、図6に示すように、1次コイル615を貫通して両端から延びる第3軟磁性体616の両端が各々給電面611に接近し、2次コイル622を貫通して両端から延びる第4軟磁性体623の両端が各々受電面621に接近している構造の場合には、変換器630における磁気回路の2つの経路として、1次コイル615と2次コイル622の結合を強くするように、第3軟磁性体616の給電面611への一方の接近箇所と第4軟磁性体623の受電面621への一方の接近箇所の両方に対面するように第1軟磁性体633を設け、同様に第3軟磁性体616の給電面611への他方の接近箇所と第4軟磁性体623の受電面621への他方の接近箇所の両方に対面するように第2軟磁性体634を設けるようにしてもよい。
(Other configuration examples of magnetic circuit)
As described above, the two paths in the
この場合には、各磁性体は円形でないことは言うまでもない。また、図6の矢印で示すように、4つの軟磁性体による磁気回路が構成され、第3軟磁性体616の大きさに対して、受電器620が小さい場合でも、1次コイル615と2次コイル622の結合係数を1に近づけることにより、相互インダクタンスを大きくすることができる。この場合も、前述の場合と同様に、矢印は磁気回路の経路を示すもので、矢印の向きには意味がない。
さらに、図示しないが、第1軟磁性体と第2軟磁性体の構成として、例えば給電側が図3〜図5に示すような同心円型で、受電側が図6に示すような2極型のようにすることも可能である。
In this case, it goes without saying that each magnetic body is not circular. Further, as shown by the arrows in FIG. 6, a magnetic circuit composed of four soft magnetic bodies is formed, and even when the
Further, although not shown, the first soft magnetic body and the second soft magnetic body have a concentric circular shape as shown in FIGS. 3 to 5, for example, and a power receiving side as a two-pole type as shown in FIG. It is also possible to make it.
実施例1では、給電器と受電器が大きさの異なる磁界結合方式の場合に、変換器に軟磁性体を用いる場合の例について示した。実施例2では、給電器と受電器の間に方式や大きさの不整合がある場合でも、給電器と受電器の間に着脱自在に設けられる変換器において電気的な受動素子を接続することにより、給電器からの見かけの方式や大きさが適合しているかのように受電器に給電することのできるワイヤレス給電装置である。なお、実施例2では、実施例1との説明の重複を避けるため、実施例1と異なる点を中心に説明する。 In the first embodiment, an example in which a soft magnetic material is used for the converter when the power feeder and the power receiver are magnetic coupling methods having different sizes has been described. In the second embodiment, even when there is a mismatch in method and size between the power feeder and the power receiver, an electrically passive element is connected in a converter that is detachably provided between the power feeder and the power receiver. Thus, the wireless power feeding apparatus can feed power to the power receiver as if the apparent method and size from the power feeder are adapted. The second embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment in order to avoid duplication of description with the first embodiment.
(1次側2次側共磁界結合のワイヤレス給電装置301)
本発明の好適な第2の実施例について、図7を基に説明する。
本発明によるワイヤレス給電装置301は、電力を磁気的なエネルギーに変換して出力する給電器210と、磁気的なエネルギーから電力を入力する受電器220と、前記給電器210と前記受電器220の間に着脱自在に配置され前記給電器210からの受電器220の電磁気的な見かけの大きさが大きくなるように機能する変換器730とにより構成した。ここで、給電器210と受電器220は実施例1と同様である。
(
A second preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
A
(変換器730の構成)
変換器730は、給電器210の給電面211に接する変換入力面731と、受電器220の受電面221に接する変換出力面732と、1次コイル215と磁界結合する変換1次コイル733と、2次コイル222と磁界結合する変換2次コイル734とを主な構成要素とした。ここで、変換1次コイル733の一方の端子と変換2次コイル734の一方の端子は接続され、変換1次コイル733の他方の端子と変換2次コイル734の他方の端子も接続されている。
(Configuration of converter 730)
The
変換1次コイル733は、1次コイル215との結合係数を大きくするために、1次コイル215とほぼ同じ巻き径にする。具体的には、変換1次コイル733の外径Cを、30mmとした。このため、同様に、変換2次コイル734は、2次コイル222との結合係数を大きくするために、2次コイル222とほぼ同じ巻き径とした。具体的には、変換2次コイル734の外径Dは、15mm以下である。
The converted
(変換器730の機能)
このように、給電器210と受電器220との間に変換器730を挿入することにより、大きな1次コイル215からの磁束のほとんどが一旦大きな変換1次コイル733と錯交し、小さな変換2次コイル734からの磁束のほとんどが小さな2次コイル222と錯交するようになるため、給電器210からの電磁気的な受電器220の見かけの大きさが大きく広がるように機能する。
(Function of converter 730)
Thus, by inserting the
図8(a)は、本実施例における変換器730の機能を示すための回路図である。1次コイル215は自己インダクタンスL1を持ち、電圧V1が両端に印加され、電流I1が流れている。同様に、変換1次コイル733は自己インダクタンスLa1を持ち、電圧Vaが両端に印加され、電流Iaが流れている。また、変換2次コイル734は自己インダクタンスLa2を持ち、変換1次コイル733と同じ電圧Vaが両端に印加され、変換1次コイル733と同じ電流Iaが流れている。さらに、2次コイル222は自己インダクタンスL2を持ち、電圧V2が両端に印加され、電流I2が流れている。ここで、添え字aは変換器(アダプタ)を意味している。また、図中の3つの矢印は、各々電流の向きを表している。
FIG. 8A is a circuit diagram for illustrating the function of the
ここで、1次コイル215と変換1次コイル733は、相互インダクタンスM1aにより磁界結合している。したがって、1次コイル215の両端の電圧V1と、1次コイル215に流れる電流I1と、変換1次コイル733に流れる電流Iaは、(数1)を満たす。
Here, the
同様に、変換2次コイル734と2次コイル222は、相互インダクタンスMa2により磁界結合している。したがって、2次コイル222の両端の電圧V2と、2次コイル222に流れる電流I2と、変換2次コイル734に流れる電流Iaは、(数2)を満たす。
Similarly, the conversion
また、変換1次コイル733と変換2次コイル734に掛かっている電圧Vaと、変換1次コイル733と変換2次コイル734に流れている電流Iaと、1次コイル215に流れる電流I1と、2次コイル222に流れる電流I2は、(数3)を満たす。
Further, voltage Va applied to conversion
この(数3)を変換1次コイル733と変換2次コイル734に流れている電流Iaの時間微分について解くと、(数4)が得られる。
Solving this (Equation 3) for the time differentiation of the current Ia flowing through the conversion
この(数4)で得られた変換1次コイル733と変換2次コイル734に流れている電流Iaの時間微分を(数1)に代入して整理すると、(数5)が得られる。
By substituting the time derivative of the current Ia flowing through the conversion
同様に、(数2)に代入して整理すると、(数6)が得られる。 Similarly, when substituting into (Equation 2) and rearranging, (Equation 6) is obtained.
(数5)は、1次コイル215の電圧が、1次コイル215の電流I1の変化と2次コイル222の電流I2の変化に依存していることを示している。同様に、(数6)は、2次コイル222の電圧が、1次コイル215の電流I1の変化と2次コイル222の電流I2の変化に依存していることを示している。
(Equation 5) indicates that the voltage of the
(等価回路)
図8(b)は、実施例2における変換器730の機能を示す図8(a)に示す回路の等価回路である。等価回路において、等価1次コイル815は自己インダクタンスL’1を持ち、電圧V1が両端に印加され、電流I1が流れている。同様に、等価2次コイル822は自己インダクタンスL’2を持ち、電圧V2が両端に印加され、電流I2が流れている。つまり、等価回路の1次側と2次側の電圧と電流は、図8(a)に示す変換器730を含む実際の回路と同じである。なお、図中の2つの矢印は、図8(a)の場合と同様に各々電流の向きを表している。
(Equivalent circuit)
FIG. 8B is an equivalent circuit of the circuit shown in FIG. 8A showing the function of the
ここで、等価1次コイル815と等価2次コイル822は、等価相互インダクタンスM’12により磁界結合している。したがって、等価1次コイル815の両端の電圧V1と、等価1次コイル815に流れる電流I1と、等価2次コイル822に流れる電流I2は、(数7)を満たす。
Here, the equivalent
同様に、等価2次コイル822の両端の電圧V2と、等価1次コイル815に流れる電流I1と、等価2次コイル822に流れる電流I2は、(数8)を満たす。
Similarly, the voltage V2 across the equivalent
ここで、(数7)が(数5)と同じで、(数8)が(数6)と同じであるならば、図8(a)の2つの空芯トランスを持つ変換器730がある場合の実際の回路と、図8(b)に示す1つの空芯トランスをもつ等価回路は同等である。そのための等価1次コイル815の自己インダクタンスL’1は、(数5)と(数7)の右辺第1項の係数を比較して、(数9)により表される。
If (Equation 7) is the same as (Equation 5) and (Equation 8) is the same as (Equation 6), there is a
また、等価2次コイル822の自己インダクタンスL’2は、(数6)と(数8)の右辺第1項の係数を比較して、(数10)により表される。
Further, the self-inductance L′ 2 of the equivalent
さらに、等価1次コイル815と等価2次コイル822の等価相互インダクタンスM’12は、(数5)と(数7)の右辺第2項の係数を比較して、(数11)により表される。
Further, the equivalent mutual inductance M′12 of the equivalent
なお、(数11)は(数6)と(数8)の右辺第2項の係数を比較しても同じ結果が得られるため、(数5)と(数6)の右辺の2つの係数を合わせた4つの係数と(数7)と(数8)の右辺の2つの係数を合わせた4つの係数が全て一致することになる。このことは、図8(a)に示す変換器730のある本実施例における回路は、図8(b)に示す見掛け上変換器のない回路と等価であることを意味している。したがって、変換器730の存在は(数9)〜(数11)に示す各インダクタンスの値の変化に置き換えることができる。
In addition, since the same result can be obtained by comparing the coefficient in the second term on the right side of (Equation 6) and (Equation 8), (Equation 11) has two coefficients on the right side of (Equation 5) and (Equation 6). And the four coefficients obtained by combining the two coefficients on the right side of (Equation 7) and (Equation 8) all match. This means that the circuit in this embodiment having the
(等価相互インダクタンスM’12を大きくする方法)
ここで、以降の説明で用いる2つの結合係数を、(数12)により定義する。2つの結合係数とは、1次コイル215と変換1次コイル733の結合係数k1aと、変換2次コイル734と2次コイル222の結合係数ka2である。これらの結合係数の定義は、一般的に用いられているものと同じである。
(Method of increasing the equivalent mutual inductance M′12)
Here, two coupling coefficients used in the following description are defined by (Equation 12). The two coupling coefficients are a coupling coefficient k1a between the
(数11)と(数12)から相互インダクタンスM1aと相互インダクタンスMa2を消去すると、(数13)が得られる。 If the mutual inductance M1a and the mutual inductance Ma2 are eliminated from (Equation 11) and (Equation 12), (Equation 13) is obtained.
ここで、任意の2つの値の積の平方根を和で割った値は、2つの値が等しい時に最大値として2分の1になる。したがって、(数13)から変換1次コイル733の自己インダクタンスLa1と変換2次コイル734の自己インダクタンスLa2の値が等しい時に、等価相互インダクタンスM’12は(数14)に示す最大値になる。
Here, the value obtained by dividing the square root of the product of any two values by the sum is half as the maximum value when the two values are equal. Therefore, when the value of the self-inductance La1 of the conversion
(数14)は、変換器730を挿入することにより等価相互インダクタンスM’12の最大値が、約半分になってしまうことを示している。しかし、2次コイル222が1次コイル215より小さい場合に変換器を用いないと、結合係数の低下により相互インダクタンスは凡そ1次コイル215の面積に対する2次コイル222の面積の比率で低下してしまう。したがって、2次コイル222の面積が1次コイル215の面積の半分より小さい場合には、変換器730を用いた方が相互インダクタンスを大きくすることができる。つまり、変換器730により結合係数や相互インダクタンスは改善される。
(Equation 14) indicates that the maximum value of the equivalent mutual inductance M′12 is approximately halved by inserting the
(数14)に示す等価相互インダクタンスM’12の最大値から0.8倍の範囲であれば、本発明の効果が良好に得られる。そのための変換1次コイル733の自己インダクタンスLa1と変換2次コイル734の自己インダクタンスLa2の比率は、4分の1倍から4倍の範囲である。また、等価相互インダクタンスM’12の最大値から0.5倍の範囲であれば、本発明の効果がある。そのための変換1次コイル733の自己インダクタンスLa1と変換2次コイル734の自己インダクタンスLa2の比率は、14分の1倍から14倍の範囲である。
The effect of the present invention can be obtained satisfactorily within the range of 0.8 times the maximum value of the equivalent mutual inductance M′12 shown in (Equation 14). For this purpose, the ratio of the self-inductance La1 of the conversion
なお、数式では示さないが、変換1次コイル733の自己インダクタンスLa1と変換2次コイル734の自己インダクタンスLa2が等しく、1次コイル215と変換1次コイル733との結合係数k1aと、変換2次コイル734と2次コイル222との結合係数ka2が共に1に近い場合に、等価回路の結合係数k’12も1に近づけることができる。但し、ここで言う等価回路の結合係数とは、等価1次コイル815の自己インダクタンスL’1と等価2次コイル822の自己インダクタンスL’2と等価相互インダクタンスM’12とから計算されるものである。
Although not shown in the mathematical expression, the self-inductance La1 of the conversion
等価回路の等価相互インダクタンスM’12を大きくすることにより、実質的に1次コイル215と2次コイル222の結合が強くなったのと同じ効果があるため、給電できる電力が大きくなるとともに、より効率的に給電できるようになる。この等価相互インダクタンスM’12を大きくするための3つの方法について説明する。これらの方法は、(数13)により自明である。
By increasing the equivalent mutual inductance M′12 of the equivalent circuit, there is substantially the same effect as the coupling between the
第1の方法は、1次コイル215と変換1次コイル733との結合係数k1aと、変換2次コイル734と2次コイル222との結合係数ka2をできるだけ大きくして1に近づけることである。このため、1次コイル215と変換1次コイル733の重なる部分の面積を大きくする。より具体的には、1次コイル215と変換1次コイル733の外形を近づけて、重なる位置に接近して配置することである。変換2次コイル734と2次コイル222についても同様である。また、後述する軟磁性体により、結合係数を大きくすることも有効である。
The first method is to increase the coupling coefficient k1a between the
第2の方法は、変換1次コイル733の自己インダクタンスLa1と変換2次コイル734の自己インダクタンスLa2の値を近づけることである。但し、(数13)からは、自己インダクタンスLa1と自己インダクタンスLa2に関しては、値が近ければ充分であり、例えばこれらの値はどんなに小さくても良いことになってしまう。ところが、実際には、自己インダクタンスLa1と自己インダクタンスLa2の値が小さくなると、変換器730の変換1次コイル733と変換2次コイル734を流れる電流Iaが大きくなることにより、変換1次コイル137と変換2次コイル138の巻き線抵抗などにより給電の効率が著しく低下してしまう。この問題を生じない程度に、自己インダクタンスLa1と自己インダクタンスLa2の値は大きい必要がある。
The second method is to bring the values of the self-inductance La1 of the conversion
第3の方法は、1次コイル215の自己インダクタンスL1と2次コイル222の自己インダクタンスL2をなるべく大きくすることである。コイルの大きさを大きくしたり、巻き数を増やしたり、軟磁性体を用いることにより、これらの自己インダクタンスを大きくすることができる。但し、そのためには外形が大きくなったり、重量が重くなったり、コストが高くなるので、バランスが重要になる。
The third method is to increase the self-inductance L1 of the
(周波数特性)
図9(a)は、本実施例における変換器730を用いたワイヤレス給電装置101の周波数特性のシミュレーション結果の一例を表している。図9(b)は、比較のため、変換器を用いない場合の周波数特性のシミュレーション結果を表している。図9(a),図9(b)ともに、横軸は周波数を表し、単位はキロヘルツである。左側の縦軸は電力を表し、単位はワットである。右側の縦軸は効率を表し、単位はパーセントである。点線の特性は給電器210が給電している電力である給電力を示し、一点鎖線の特性は受電器220が受電している電力である受電力を表し、実線の特性は給電力に対する受電力の比率である効率を表している。比較のため、シミュレーションの条件は、変換器730に関するもの以外は同じとした。
(Frequency characteristic)
FIG. 9A shows an example of the simulation result of the frequency characteristics of the wireless
具体的なシミュレーションの条件は、1次コイル215と変換1次コイル733と変換2次コイル734の自己インダクタンスは24μHで、2次コイル222の自己インダクタンスは96μHである。これらの4つのコイルの巻き線抵抗は、いずれも0.1Ωとした。1次コイル215には直列に0.1μFのコンデンサが接続され、1次コイル215との共振周波数は約100kHzである。同様に、2次コイル222には直列に0.025μFのコンデンサが接続され、2次コイル222との共振周波数も約100kHzである。
The specific simulation condition is that the
図9(b)に結果を示す変換器を用いない場合のシミュレーションでは、1次コイル215と2次コイル222の結合係数を0.1としたため、相互インダクタンスM12は4.8μHである。結合係数を0.1としたのは、1次コイル215の面積に対する2次コイル222の面積の比率が10分の1程度のためである。
In the simulation when the converter whose result is shown in FIG. 9B is not used, since the coupling coefficient between the
一方、図9(a)に結果を示す本実施例のシミュレーションでは、1次コイル215と変換1次コイル733の結合係数は0.6としたため、相互インダクタンスM1aは14.4μHである。また、変換2次コイル734と2次コイル222の結合係数も0.6としたため、相互インダクタンスMa2は28.8μHである。
On the other hand, in the simulation of the present example whose result is shown in FIG. 9A, since the coupling coefficient between the
これらのシミュレーション結果からも、給電される電力が大幅に改善されていることが分かる。また、図9(b)に示す変換器がない場合では効率は70%以下になってしまっているのに対し、図9(a)に示す変換器730がある場合では効率は90%近くにまで改善されていることが分かる。
From these simulation results, it can be seen that the power supplied is greatly improved. Further, in the case where there is no converter shown in FIG. 9B, the efficiency is 70% or less, whereas in the case where there is the
(位置合わせ方法)
変換器730は、給電器210と受電器220の間に着脱自在に配置されるが、等価回路の等価相互インダクタンスM’12を大きくして効率的に給電するためには、給電器210に対する変換器730の位置及び変換器730に対する受電器220の位置を望ましい関係にする必要がある。このための位置合わせの方法は、実施例1の場合と同様である。
(Positioning method)
The
(軟磁性体)
(数13)からも分かるように、等価相互インダクタンスM’12を大きくするためには、1次コイル215と変換1次コイル733の結合係数k1aや変換2次コイル734と2次コイル222の結合係数ka2を大きくすることが有効である。このため、図10に示すように、1次コイル215と変換1次コイル733と変換2次コイル734と2次コイル222に軟磁性体を設けるとよい。これらの軟磁性体は、結合するコイル間の磁束の経路の磁気抵抗を小さくすることにより、インダクタンスを増大させる。
(Soft magnetic material)
As can be seen from (Equation 13), in order to increase the equivalent mutual inductance M′12, the coupling coefficient k1a between the
図10に示す例では、軟磁性体として断面がE字型の円形のフェライトを用いて、中央の凸部に各コイルを巻く構成とした。つまり、第3軟磁性体416の中央の凸部に1次コイル215を巻いて、第4軟磁性体423の中央の凸部に2次コイル222を巻いて、第5軟磁性体833の中央の凸部に変換1次コイル733を巻いて、第6軟磁性体834の中央の凸部に変換2次コイル734を巻くようにしたものである。
In the example shown in FIG. 10, a circular magnetic ferrite having an E-shaped cross section is used as a soft magnetic material, and each coil is wound around a central convex portion. That is, the
こうすることにより、第3軟磁性体416と第5軟磁性体833は1次コイル215と変換1次コイル733の磁界結合を強め、第6軟磁性体834と第4軟磁性体423は変換2次コイル734と2次コイル222の磁界結合を強める。図10での矢印は、各結合による磁気回路の磁束の経路の一例を示したものである。但し、磁束は交番のため、矢印の方向には特に意味はない。
By doing so, the third soft
なお、図10に示す軟磁性体では、変換器830において変換1次コイル733と変換2次コイル734の結合を遮蔽する機能もある。その方が、各コイルの機能が明確で分かりやすいからである。しかし、この遮蔽は必ずしも必要ではなく、むしろ積極的に変換1次コイル733と変換2次コイル734を結合させて、1次コイル215からの磁束の一部が直接2次コイル222と錯交するようにして、変換器しての効率を改善することも考えられる。
Note that the soft magnetic material shown in FIG. 10 also has a function of shielding the coupling between the conversion
(1次側2次側共電界結合方式のワイヤレス給電装置401)
以上に、給電器も受電器も磁界結合方式の場合の例について示したが、本発明によるワイヤレス給電装置はこの限りではない。図11に示すように、例えば電界結合方式によるワイヤレス給電装置401においても、同様の構成により同様の効果を得ることが出来る。なお、ここでは前述の磁界結合方式の場合との相違点を中心に説明する。
図11に示す例では、給電器910も受電器920も電界結合方式で、間に着脱自在な変換器930を設ける。
(
As described above, an example in which both the power feeder and the power receiver are of the magnetic field coupling system has been described, but the wireless power feeder according to the present invention is not limited to this. As shown in FIG. 11, for example, in the wireless
In the example shown in FIG. 11, both the
給電器910は、給電面911と第1電力変換手段914と第1電極915と第2電極916と第1制御手段216を主な構成要素とした。第1電極915と第2電極916は、給電面911と平行に給電面911の近くに設ける。第1電力変換手段914の2つの出力は第1電極915と第2電極916に各々接続される。こうして、第1電極915と第2電極916は、第1電力変換手段914からの高周波の電力を電界のエネルギーに変換する。
The
受電器920は、受電面921と第3電極925と第4電極926と第2電力変換手段924と蓄電手段227と第2制御手段226により構成した。第3電極925と第4電極926は、受電面921と平行に受電面921の近くに設ける。第3電極925と第4電極926は第2電力手段924の2つの入力に各々接続される。こうして、第3電極925と第4電極926は電界の変化に応じた電流を第2電力手段924に流し込む。つまり、電界のエネルギーから電力に変換する。
The
変換器930では、第1電極915と対面する変換第1電極933と第3電極925と対面する変換第3電極935が接続され、第2電極916と対面する変換第2電極934と第4電極926と対面する変換第4電極936が接続される。受電器920は小さいため、第1電極915と第2電極916を第3電極925と第4電極926に直接対面させることができないため、変換器930を設けた。
In the
この例における動作について、図12(a)に示す回路を基に説明する。図12(a)において、回路図の左側の2つの端子は給電器910の第1電力変換手段914の出力に接続され、右側の2つの端子は受電器920の第2電力変換手段924の入力に接続される。また、第1コンデンサ1251は第1電極915と変換第1電極933により構成され、第2コンデンサ1252は第2電極916と変換第2電極934により構成され、第3コンデンサ1253は変換第3電極935と第3電極925により構成され、第4コンデンサ1254は変換第4電極936と第4電極926により構成される。
The operation in this example will be described based on the circuit shown in FIG. 12A, the two terminals on the left side of the circuit diagram are connected to the output of the first
図12(a)の回路は、図12(b)の等価回路と等価である。図12(b)においても図12(a)と同様に、回路図の左側の2つの端子は給電器910の第1電力変換手段914の出力に接続され、右側の2つの端子は受電器920の第2電力変換手段924の入力に接続されることを想定している。但し、図12(b)における等価第1コンデンサ1255の静電容量C’1は、第1コンデンサ1251の静電容量C1と第3コンデンサ1253の静電容量C3から直列接続として求められる値である。同様に、等価第2コンデンサ1256の静電容量C’2は、第2コンデンサ1252の静電容量C2と第4コンデンサ1254の静電容量C4から直列接続として求められる値である。
The circuit in FIG. 12A is equivalent to the equivalent circuit in FIG. 12B, similarly to FIG. 12A, the two terminals on the left side of the circuit diagram are connected to the output of the first power conversion means 914 of the
したがって、静電容量C’1の値は静電容量C1および静電容量C3より小さくなり、静電容量C’2の値は静電容量C2および静電容量C4より小さくなってしまうために、給電できる電力も小さくなってしまう。それでも、小さい受電器920が必要とする電力は少ないことも多く、充分実用的である。このように、変換器930を用いることにより、電極の大きさや形状や配置の違いにより電極を対面させられない給電器910と受電器920を静電結合させることができる。したがって、変換器930により、給電器910が給電することのできる受電器の範囲を広くすることができる。
Therefore, the value of the capacitance C′1 is smaller than the capacitance C1 and the capacitance C3, and the value of the capacitance C′2 is smaller than the capacitance C2 and the capacitance C4. The power that can be supplied is also reduced. Nevertheless, the
なお、静電容量C1と静電容量C2はほぼ同じ値とし、静電容量C3と静電容量C4はほぼ同じ値とし、第1電極手段の2つの端子から逆相の駆動を行うようにしたため、給電器910と変換器930と受電器920の電位は給電によってはほとんど変化しない。また、静電容量C1〜4の値は大きくないため、電力転送するためには高い周波数か高い電圧を必要とする。高い電圧を用いて効率良く転送するために、図示しないが、通常第1電力変換手段914には昇圧回路などを用い、第2電力変換手段924には降圧回路などを用いる。
The electrostatic capacitance C1 and the electrostatic capacitance C2 are set to substantially the same value, the electrostatic capacitance C3 and the electrostatic capacitance C4 are set to the substantially same value, and the opposite phase driving is performed from the two terminals of the first electrode means. The potentials of the
(1次側が磁界結合で2次側が電界結合のワイヤレス給電装置501)
図13は、給電器1010が磁界結合方式で、受電器920が電界結合方式の場合のワイヤレス給電装置501の例を示す。この場合は、給電器1010と受電器920は方式が異なるため、直接給電することはできない。このため、給電器1010と受電器920の間に着脱自在に配置される変換器1030を用いた。なお、ここでは前述の給電器と受電器で大きさが異なる場合との相違点を中心に説明する。
(Wireless
FIG. 13 illustrates an example of the wireless
変換器1030には、1次コイル215と磁界結合する変換1次コイル733と、第3電極925と電界結合する変換第3電極935と、第4電極926と電界結合する変換第4電極936がある。変換第3電極935と変換第4電極936は変換1次コイル733の2つの端子にそれぞれ接続される。
The
図14は、この場合の動作を説明するための回路図である。図14の回路図において、左側の2つの端子は給電器1010の第1電力変換手段1014の出力に接続され、右側の2つの端子は受電器920の第2電力変換手段924の2つの入力に接続される。この場合には、第3コンデンサ1253及び第4コンデンサ1254の静電容量が小さいため、高周波や高電圧での給電が必要となる。このため、図示しないが、第1電力変換手段1014には昇圧回路が設けられている。
なお、具体例は示さないが、逆に給電器が電界結合方式で受電器が磁界結合方式の場合でも、同様に変換器を用いることによりワイヤレス給電することができる。
FIG. 14 is a circuit diagram for explaining the operation in this case. In the circuit diagram of FIG. 14, the two terminals on the left side are connected to the output of the first
Although no specific example is shown, conversely, even when the power feeder is an electric field coupling system and the power receiver is a magnetic field coupling system, wireless power feeding can be performed by using a converter in the same manner.
実施例1では給電器と受電器の大きさの不整合を吸収するために変換器に軟磁性体を用いた場合の例について説明し、実施例2〜実施例4では給電器と受電器の大きさや方式の不整合を吸収するために変換器に電気的な受動素子を用いた場合の例について説明した。実施例5では、図15に示すように、給電器110と受電器120の方式や規格や大きさや形状や位置関係などの不整合を吸収するために、給電器110と受電器120と変換器1530とによりワイヤレス給電装置601を構成した。ここで、変換器1530は、給電器110に適合した受電を行なう変換受電手段1531と変換受電手段1531での受電と略同時に受電した電力により受電器120に適合する給電を行う変換給電手段1532を主な構成要素とした。したがって、実施例5では、給電器110や受電器120の方式や規格や大きさや形状や位置関係などに制約がない。なお、ここでは実施例1〜実施例4での説明との相違点を中心に説明する。
In the first embodiment, an example in which a soft magnetic material is used for the converter to absorb the mismatch in size between the power feeder and the power receiver will be described. In the second to fourth embodiments, the power feeder and the power receiver An example has been described in which an electrical passive element is used in the converter to absorb size and type mismatches. In the fifth embodiment, as shown in FIG. 15, in order to absorb mismatches such as the method, standard, size, shape, and positional relationship between the
(ワイヤレス給電装置701)
実施例5の具体的な例について、図16を基に説明する。
ワイヤレス給電装置701は、電力を磁界のエネルギーに変換して出力する給電器210と、電界のエネルギーを入力して電力に変換する受電器920と、給電器210と受電器920の間に着脱自在に配置され給電器210からの磁界のエネルギーを電界のエネルギーに変換して受電器920に出力する変換器1630とにより構成した。ここで、給電器210は実施例1と同様である。また、受電器920は実施例3の図11で示したものと同様である。
(Wireless power supply device 701)
A specific example of the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
A
(変換器1630)
変換器1630は、給電器210の給電面211に接する変換入力面1631と、1次コイル215と磁界結合して1次コイル215からの磁気的なエネルギーを交流の電力に変換する変換1次コイル733と、変換1次コイル733からの交流の電力を直流の電力に変換して変換器1630全体の電源に供給する第3電力変換手段1633と、第3電力変換手段1633からの直流の電力を交流の電力に変換する第4電力変換手段1634と、第4電力変換手段1634からの交流の電力を電界のエネルギーに変換する変換第3電極935及び変換第4電極936と、受電器920の受電面921に接する変換出力面1632と第3制御手段1635により構成した。図15における変換受電手段1531は、変換1次コイル733と第3電力変換手段1633を主な構成要素とする。また、変換給電手段1532は、第4電力変換手段1634と変換第3電極935及び変換第4電極936を主な構成要素とする。
(Converter 1630)
なお、第3電力変換手段1633で交流を直流に変換して、第4電力変換手段1634で直流を交流に変換しているのは、給電器210から変換器1630への給電と変換器1630から受電器920への給電の周波数などが異なるためである。
The
また、第3制御手段1635は、第3電力変換手段1633や第4電力変換手段1634の状態の管理や、給電器210や受電器920との通信の制御などを行う。受電器920との通信は、例えば第4電力変換手段1634が供給する電力の変化から受信する。通信内容は、受電器920が必要とする電力などである。また、給電器210との通信は、例えば、変換器1630の第3電力変換手段1633の負荷を変えるなどにより行う。通信内容は、変換器1630が必要とする電力などである。また、第3電力変換手段1633の出力する直流の電圧が所定の値以上になった場合に第4電力変換手段1634を動作させるようにした。但し、第3制御手段1635は、必要に応じて設ければ良い。
The
このように、給電器210と受電器920との間に変換器1630を挿入することにより、変換器1630では磁界結合により給電器210から受電した電力により電界結合で受電器920に給電することができ、結果として給電器210と異なる方式の受電器920に対して給電できる。
In this manner, by inserting the
(給電の方式の自由な組合せ)
以上に、実施例5として給電器210から変換器1630に磁界結合方式で給電して、変換器1630から受電器920に電界結合方式で給電する場合の列を示したがこの限りでない。例えば、図17に示すように、給電器210から変換器1730に磁界結合方式で給電して、変換器1730から受電器220へも磁界結合方式で給電するようにワイヤレス給電装置801を構成しても良い。このように、給電器110から変換器1530への給電と変換器1530から受電器120への給電は、方式や規格や大きさや形状や位置関係などが異なっていても良い。
(Free combination of power supply methods)
As described above, as a fifth embodiment, a column in the case where power is supplied from the
101,201,301,401,501,601,701,801 ワイヤレス給電装置
110,210,410,510,610,910,1010 給電器
120,220,420,520,620,920 受電器
130,230,630,730,830,930,1030,1530,1630,1730 変換器
211,411,511,611,911 給電面
212 検出電極
213 検出手段
214,914,1014 第1電力変換手段
215,615 1次コイル
216 第1制御手段
221,421,521,621,921 受電面
222,622 2次コイル
224,924 第2電力変換手段
226 第2制御手段
227 蓄電手段
231,631,731,831,931,1631,1731 変換入力面
232,632,732,832,932,1632,1732 変換出力面
233,633 第1軟磁性体
234,634 第2軟磁性体
416,516,616 第3軟磁性体
423,523,623 第4軟磁性体
733 変換1次コイル
734 変換2次コイル
815 等価1次コイル
822 等価2次コイル
833 第5軟磁性体
834 第6軟磁性体
915 第1電極
916 第2電極
925 第3電極
926 第4電極
933 変換第1電極
934 変換第2電極
935 変換第3電極
936 変換第4電極
1251 第1コンデンサ
1252 第2コンデンサ
1253 第3コンデンサ
1254 第4コンデンサ
1255 等価第1コンデンサ
1256 等価第2コンデンサ
1531 変換受電手段
1532 変換給電手段
1633 第3電力変換手段
1634,1734 第4電力変換手段
1635 第3制御手段
1801 従来のワイヤレス給電装置
1820 従来の受電器
1821 従来の受電面
1822 従来の2次コイル
101, 201, 301, 401, 501, 601, 701, 801 Wireless power feeder 110, 210, 410, 510, 610, 910, 1010 Power feeder 120, 220, 420, 520, 620, 920 Power receiver 130, 230, 630, 730, 830, 930, 1030, 1530, 1630, 1730 Converter 211, 411, 511, 611, 911 Feeding surface 212 Detection electrode 213 Detection means 214, 914, 1014 First power conversion means 215, 615 Primary coil 216 First control means 221, 421, 521, 621, 921 Power receiving surface 222, 622 Secondary coil 224, 924 Second power conversion means 226 Second control means 227 Power storage means 231, 631, 731, 831, 931, 1631, 1731 Conversion input surface 232, 632, 7 32, 832, 932, 1632, 1732 Conversion output surfaces 233, 633 First soft magnetic body 234, 634 Second soft magnetic body 416, 516, 616 Third soft magnetic body 423, 523, 623 Fourth soft magnetic body 733 Conversion Primary coil 734 Conversion secondary coil 815 Equivalent primary coil 822 Equivalent secondary coil 833 5th soft magnetic body 834 6th soft magnetic body 915 1st electrode 916 2nd electrode 925 3rd electrode 926 4th electrode 933 Conversion 1st Electrode 934 Conversion second electrode 935 Conversion third electrode 936 Conversion fourth electrode 1251 First capacitor 1252 Second capacitor 1253 Third capacitor 1254 Fourth capacitor 1255 Equivalent first capacitor 1256 Equivalent second capacitor 1531 Conversion power receiving means 1532 Conversion power supply means 1633 Third power conversion means 1634, 1734 Fourth power conversion Means 1635 third control means 1801 conventional wireless power supply apparatus 1820 conventional power receiver 1821 conventional receiving surface 1822 conventional secondary coil
Claims (7)
電力を電磁エネルギーに変換して出力する給電器と、
電磁エネルギーを入力して電力に変換する受電器と、
前記給電器と前記受電器との間に着脱自在に配置され、前記給電器から電磁エネルギーを入力して前記受電器に電磁エネルギーを出力する変換器と、
からなることを特徴とするワイヤレス給電装置。 In a wireless power feeder that transmits electric power from a power feeder to a power receiver via electromagnetic energy,
A power feeder that converts electric power into electromagnetic energy and outputs it;
A receiver that receives electromagnetic energy and converts it into electric power;
A converter that is detachably disposed between the power feeder and the power receiver, and that inputs electromagnetic energy from the power feeder and outputs the electromagnetic energy to the power receiver;
A wireless power feeder characterized by comprising:
前記受電器は前記電磁エネルギーを入力する2次コイルを有し、
前記変換器は前記1次コイル及び前記2次コイルと磁気回路を形成する磁性体を有することを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス給電装置。 The power feeder has a primary coil that converts electric power into electromagnetic energy and outputs it,
The power receiver has a secondary coil for inputting the electromagnetic energy,
The wireless power feeder according to claim 1, wherein the converter includes a magnetic body that forms a magnetic circuit with the primary coil and the secondary coil.
前記受電器は前記電磁エネルギーを入力する2次コイルを有し、
前記変換器は前記1次コイルと結合する変換1次コイル及び前記2次コイルと結合する変換2次コイルを有することを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス給電装置。 The power feeder has a primary coil that converts electric power into electromagnetic energy and outputs it,
The power receiver has a secondary coil for inputting the electromagnetic energy,
The wireless power feeder according to claim 1, wherein the converter includes a conversion primary coil coupled to the primary coil and a conversion secondary coil coupled to the secondary coil.
前記受電器は前記電磁エネルギーを入力する第3電極と第4電極を有し、
前記変換器は前記第1電極と結合する変換第1電極と前記第2電極と結合する変換第2電極と前記第3電極と結合する変換第3電極と前記第4電極と結合する変換第4電極とを有することを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス給電装置。 The power feeder has a first electrode and a second electrode that convert electric power into electromagnetic energy and output it,
The power receiver has a third electrode and a fourth electrode for inputting the electromagnetic energy,
The converter includes a conversion first electrode coupled to the first electrode, a conversion second electrode coupled to the second electrode, a conversion third electrode coupled to the third electrode, and a conversion fourth coupled to the fourth electrode. The wireless power feeder according to claim 1, further comprising an electrode.
前記受電器は前記電磁エネルギーを入力する第3電極と第4電極を有し、
前記変換器は前記1次コイルと結合する変換1次コイルと前記第3電極と結合する変換第3電極と前記第4電極と結合する変換第4電極とを有することを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス給電装置。 The power feeder has a primary coil that converts electric power into electromagnetic energy and outputs it,
The power receiver has a third electrode and a fourth electrode for inputting the electromagnetic energy,
The converter includes a conversion primary coil coupled to the primary coil, a conversion third electrode coupled to the third electrode, and a conversion fourth electrode coupled to the fourth electrode. The wireless power supply apparatus according to 1.
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