JP2014170905A - 非接触給電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】1次コイルに流す高周波電流の周波数を制御することなく、2次コイルに発生する出力電圧を移動位置によって変動する変動幅を小さくすることのできる非接触電力伝達装置を提供する。
【解決手段】複数個の1次コイルが一方向に等間隔を配置されている。2次コイルは、前記一方向に並設した複数の1次コイルに沿って移動する。1次コイルに流す高周波電流の給電周波数fnは、2次コイルの移動によって各1次コイルと2次コイルの相対位置で決まる共振回路の共振特性のうち最も離間した第1共振特性A1と第2共振特性A2に対し、その両共振特性の交差する点Pの周波数fpとする。
【選択図】図7

Description

本発明は、非接触給電装置に関するものである。
従来、非接触給電装置では、受電装置の2次コイルを、その一方向に複数並設した各1次コイルの上を移動可能に配置し、各1次コイルに交番磁界を発生させて電磁誘導によって2次コイルに2次電力を発生させるものがある。これによって、給電対象が移動体の場合には、移動体の移動を阻害する電気コードが省略できるため、非接触給電のメリットは大きい。この種に非接触給電装置にあっては、2次コイルが各1次コイルに対して相対移動可能なため、2次コイルに発生する2次電力が、移動位置によって大幅に異なることは望ましくはない。
そこで、1次コイル毎に2次コイルとの相対距離を検出し、具体的には、それぞれの1次コイルに流す高周波電流を周波数制御しながら2次コイルと結合状態の高い1次コイルを検出し、その1次コイルを励磁制御するものがある(例えば特許文献1)。
特開2011−199975号公報
しかしながら、上記非接触給電装置では、1次コイルに流す高周波電流の周波数を複雑に周波数制御する必要があり、そのために制御が複雑になりそれに伴って回路構成が複雑かつ大規模になる問題があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、高周波電流の周波数を制御することなく、2次コイルに発生する出力電圧を移動位置によって変動する変動幅を小さくすることのできる非接触電力伝達装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の非接触給電装置は、1次側コアに巻回された複数個の1次コイルを一方向に等間隔を配置し、前記一方向に並設した複数の1次コイルに沿って移動する2次側コアに巻回された2次コイルを設け、前記1次コイルに高周波電流を通電させて、該各1次コイルが発生する交番磁界にて前記2次コイルの各移動位置においてその2次コイルに2次電力を発生させるようにした非接触給電装置であって、前記高周波電流の給電周波数は、前記2次コイルの移動によって決まる前記各1次コイルと前記2次コイルの位置関係によって決まる共振回路の共振特性のうち最も離間した第1共振特性と第2共振特性に対し、その両共振特性の交差する点の周波数とすることを特徴とする。
また、上記構成において、前記1次コイルの前記一方向の長さをX1、前記2次コイルの前記一方向の長さをX2とした時、前記2次コイルの前記一方向の長さが、X2≧5×X1を満たすことが好ましい。
また、上記構成において、隣接する前記1次コイルの間隔をZ1とした時、前記1次コイルの間隔をZ21が、Z1<X1を満たすように、前記各1次コイルを前記一方向に配置することが好ましい。
また、上記構成において、前記1次コイル及び前記2次コイルは、C型又はE型形状の1次側及び2次側コアにそれぞれ巻回された閉磁路型のコイルであり、前記1次側コアの前記一方向の長さをX1とし、前記2次側コアの前記一方向の長さをX2とするとともに、隣接する前記1次側コアの間隔をZ1とした時、前記1次側コアの間隔をZ1が、Z1≦X1を満たし、かつ、前記2次側コアの前記一方向の長さが、X2≧2×X1+Z1を満たすことが好ましい。
本発明によれば、1次コイルに流す高周波電流の周波数を制御することなく、2次コイルに発生する出力電圧を移動位置によって変動する変動幅を小さくすることができる。
第1実施形態における非接触給電装置を説明するための引戸の斜視図。 同じく、非接触給電装置の1次コイルと2次コイルの斜視図。 同じく、(a)は1次コイルの斜視図、(b)は2次コイルの斜視図。 同じく、(a)は1次コイルのサイズとサイズを説明するための説明図。(b)は2次コイルのサイズを説明するための説明図。 同じく、非接触給電装置の電気的構成を説明する電気ブロック回路図。 同じく、インバータ回路の電気回路図。 同じく、第1共振特性と第2共振特性を説明するための特性図。 同じく、(a)は第2横幅を第1横幅の5倍にした時の離間長毎に求めたずれ位置に対する漏れインダクタンスの変化率を示すグラフ、(b)は第2横幅を第1横幅の4倍にした時の離間長毎に求めたずれ位置に対する漏れインダクタンスの変化率を示すグラフ、(c)は第2横幅を第1横幅の3倍にした時の離間長毎に求めたずれ位置に対する漏れインダクタンスの変化率を示すグラフ。 同じく、(a)は離間長を第1横幅にした時の、各ずれ位置毎に求めた周波数に対する出力電圧を示すブラフ、(b)は離間長を第1横幅の0.5倍にした時の、各ずれ位置毎に求めた周波数に対する出力電圧を示すブラフ。 同じく、(a)は離間長を第1横幅の0.25倍にした時の、各ずれ位置毎に求めた周波数に対する出力電圧を示すブラフ、(b)は離間長を第1横幅の0.125倍にした時の、各ずれ位置毎に求めた周波数に対する出力電圧を示すブラフ。 第2実施形態における非接触給電装置を説明するための1次コイルと2次コイルの斜視図。 同じく、(a)は離間長を第1横幅の1.5倍にした時の、各ずれ位置毎に求めた周波数に対する出力電圧を示すブラフ、(b)は離間長を第1横幅の1.2倍にした時の、各ずれ位置毎に求めた周波数に対する出力電圧を示すブラフ。 同じく、(a)は離間長を第1横幅にした時の、各ずれ位置毎に求めた周波数に対する出力電圧を示すブラフ、(b)は離間長を第1横幅の0.5倍にした時の、各ずれ位置毎に求めた周波数に対する出力電圧を示すブラフ。 同じく、(a)は離間長を第1横幅の0.25倍にした時の、各ずれ位置毎に求めた周波数に対する出力電圧を示すブラフ、(b)は離間長を第1横幅の0.125倍にした時の、各ずれ位置毎に求めた周波数に対する出力電圧を示すブラフ。
(第1実施形態)
以下、非接触給電装置を具体化した第1実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、部屋の鴨居1と敷居2との間に引戸3が配置されている。引戸3はその鴨居1と敷居2に形成された溝を滑って、図1に実線で示す位置と2点鎖線で示す位置との間をスライド可能に支持されている。鴨居1には、複数個の1次コイルL1が予め定めた間隔を開けて鴨居1の溝に沿って内設されている。図2及び図3(a)に示すように、1次コイルL1は、正方形状の基板5上に固設された断面正方形の四角柱状の磁性体からなる1次側コア6の外側面に巻回されている。
そして、1次コイルL1は、鴨居1の溝であって、引戸3の移動方向に沿って等間隔に配置されている。このとき、図3(a)に矢印で示すように、1次側コア6は、その基板5と反対側の正方形状の先端面6aが、引戸3の上面と相対向するように配置される。従って、各1次コイルL1のコイル面は、引戸3の上面と平行に配置される。
ここで、説明の便宜上、図4(a)に示すように、1次側コア6に巻回された1次コイルL1ついて、移動方向の一辺(横辺)の長さを第1横幅X1といい、移動方向に対して直交する方向の一辺(縦辺)の長さを第1縦幅Y1という。ここでは、1次側コア6が断面正四角形で形成されていることから、第1横幅X1と第1縦幅Y1は同じ長さ(X1=Y1)となる。また、隣り合う1次コイルL1と1次コイルL1の間隔を離間長Z1という。
また、鴨居1には、給電装置10(図5参照)が内設されている。そして、給電装置10は、1次コイルL1毎に基本給電ユニット回路11(図5参照)が設けられている。各1次コイルL1は、それぞれ対応する基本給電ユニット回路11によって高周波電流が通電され交番磁界を放射するようになっている。
鴨居1と敷居2を移動可能に支持された引戸3は、例えば木材、ガラス、プラスチック又は壁材等からなる長方形の板状に形成されている。図1に示すように、引戸3には、電気機器Eを設置可能な収容スペース3aが形成されている。この収容スペース3aは、上下に計2つ設けられている。収容スペース3aには、薄型テレビ及び扇風機の電気機器Eが設置される。その他の電気機器Eとしては、例えば、デジタルフォトフレーム、LEDや有機ELを備える照明器具、携帯端末等様々なものが設置される。
また、引戸3には、その移動方向に沿って長く形成されたコイル面が長方形状の2次コイルL2が内設されている。図2及び図3(b)に示すように、2次コイルL2は、長方形状の基板7上に固設された断面長方形の四角柱状の磁性体からなる2次側コア8の外側面に巻回されている。
そして、2次コイルL2は、引戸3の鴨居1の溝に嵌った上部に、その長辺が移動方向に沿って配置されている。このとき、図3(b)に示すように、2次側コア8は、その基板7と反対側の長方形状の先端面8aが、鴨居1の溝面と平行に相対向するように配置される。従って、2次コイルL2のコイル面は、鴨居1の溝面、即ち、1次コイルL1のコイル面と平行に配置される。
そして、2次コイルL2は、鴨居1に沿って配置された各1次コイルL1から放射される交番磁界に基づく電磁誘導によって2次電力が発生する。2次コイルL2が発生する2次電力は、鴨居に内設された受電装置20(図5参照)に供給される。
ここで、説明の便宜上、図4(b)に示すように、2次側コア8に巻回された2次コイルL2について、移動方向の辺(長辺)の長さを第2横幅X2といい、移動方向に対して直交する方向の辺(短辺)の長さを第2縦幅Y2という。
次に、給電装置10と受電装置20の電気的構成を図5に従って説明する。
まず、引戸3に設けられた受電装置20について説明する。図5に示すように、受電装置20は、2次コイルL2に対して共振用の2次側共振コンデンサC2が直列に接続されている。2次コイルL2は、給電装置10の各1次コイルL1から放射される交番磁界にて2次電力を発生する。また、2次コイルL2と2次側共振コンデンサC2からなる2次側共振回路は、全波整流回路21に接続されている。
全波整流回路21は、2次コイルL2が受電した2次電力を整流し、その整流した出力電圧を平滑コンデンサCrを介して電圧安定化回路22に出力する。電圧安定化回路22は、DC/DCコンバータを有し、全波整流回路21からの電圧を商用電源周波数の商用電圧と同一の電圧に変換し、その変換した電圧を引戸3の収容スペース3aに設置した電気機器Eに供給する。そして、電気機器Eは、電圧安定化回路22からの変換した電圧に基づいて駆動する。
図5に示すように、給電装置10は、1次コイルL1毎に設けられた基本給電ユニット回路11を備えている。また、給電装置10は、電源回路12、各基本給電ユニット回路11を統括制御するシステム制御部13を備えている。
電源回路12は、整流回路及びDC/DCコンバータを有し、外部から商用電源を入力して整流回路にて整流する。電源回路12は、整流した直流電圧をDC/DCコンバータにて所望の電圧に変換した後、その直流電圧Vddを駆動電源としてシステム制御部13及び各基本給電ユニット回路11に出力する。
システム制御部13は、マイクロコンピュータよりなり、各基本給電ユニット回路11を制御する。即ち、システム制御部13は、マイクロコンピュータの制御プログラムに従って、1次コイルL1毎に設けられた基本給電ユニット回路11を統括制御する。
各基本給電ユニット回路11は、システム制御部13との間でデータの授受を行い、システム制御部13にて制御されている。
各基本給電ユニット回路11は、その回路構成が同じであるため説明の便宜上、1つの基本給電ユニット回路11について、図6に従って説明する。
図6に示すように、基本給電ユニット回路11は、インバータ回路15、ドライブ回路16を有している。
インバータ回路15は、公知のハーフブリッジ回路である。インバータ回路15は、第1コンデンサCaと第2コンデンサCbを直列に接続した分圧回路と、この分圧回路に対して、第1パワートランジスタQaと第2パワートランジスタQbを直列に接続した直列回路からなる駆動回路が並列に接続されている。第1及び第2パワートランジスタQa,Qbは、本実施形態では、NチャネルMOSFETにて構成されている。
そして、第1及び第2コンデンサCa,Cbの接続点(ノードN1)と、第1及び第2パワートランジスタQa,Qbの接続点(ノードN2)との間に、1次コイルL1と共振用の1次側共振コンデンサC1の直列回路からなる1次側共振回路が接続される。
第1パワートランジスタQaと第2パワートランジスタQbの各ゲート端子には、ドライブ回路16から駆動信号PSa,PSbが入力される。第1及び第2パワートランジスタQa,Qbは、そのゲート端子にそれぞれ入力される駆動信号PSa,PSbに基づいて交互にオンオフされる。これによって、1次コイルL1を通電する高周波電流が生成される。そして、1次コイルL1は、この高周波電流の通電により、交番磁界を発生する。
ドライブ回路16は、システム制御部13から1次コイルL1に流す高周波電流の周波数を設定する励磁制御信号CTを入力し、第1及び第2パワートランジスタQa,Qbのゲート端子にそれぞれ出力する駆動信号PSa,PSbを生成する。換言すれば、ドライブ回路16は、励磁制御信号CTに基づいて第1及び第2パワートランジスタQa,Qbを交互にオン・オフさせて、1次コイルL1に流す給電のための高周波電流の給電周波数fnを設定する駆動信号PSa,PSbを生成する。
ここで、システム制御部13からの励磁制御信号CTは、1次コイルL1を給電のために通電する高周波電流の給電周波数fnを決定するデータ信号である。
次に、給電周波数fnについて説明する。
いま、複数個の1次コイルL1が一方向(移動方向)に等間隔に配置された状態で、2次コイルL2を、一方向に移動させて、1次コイルL1と順次対峙させて行く。
ここで、一方向に移動させる前の2次コイルL2の移動方向側の先端辺の位置を始端位置とし、移動方向と反対側の後端辺の位置を終端位置とする。そして、2次コイルL2の後端辺が後端位置から始端位置に到達するまで2次コイルL2を一方向に移動させる。
そして、各1次コイルL1と2次コイルL2の相対位置によって決まる共振回路の共振特性を求める。詳述すると、2次コイルL2が移動する各位置で、各1次コイルL1に流す高周波電流の周波数に対する2次コイルL2の出力を示す共振特性を求める。この時、図7から明らかなように、2次コイルL2が、対峙する複数個の1次コイルL1との相対位置によってその各位置における共振特性が相異する。
図7は、2次コイルL2を一方向に移動させ、その移動させた各位置での共振周波数を求めたとき、各共振周波数のうち最も離間した2つの共振周波数fr1,fr2の共振特性を示し、一方を第1共振特性A1を示し、他方を第2共振特性A2を示している。従って、移動中の各位置での共振特性は、第1共振特性A1と第2共振特性A2との間で変動することになる。なお、共振周波数fr1の第1共振特性A1となる各1次コイルL1に対する2次コイルL2の移動位置を正対位置とし、共振周波数fr2の第2共振特性A2となる各1次コイルL1に対する2次コイルL2の移動位置を狭間位置としている。
そして、本実施形態は、第1共振特性A1の特性線と第2共振特性A2の特性線が交差する点Pの周波数fpを給電周波数fnとしている。その理由を以下に説明する。
今、第1共振特性A1での共振周波数fr1で複数個の1次コイルL1を励磁駆動したとき、正対位置では最も給電効率のよい給電が行えるが、狭間位置では最も給電効率の悪い給電となり、図7に示すように出力電圧の変動幅G1は大きくなる。反対に、第2共振特性A2での共振周波数fr2で複数個の1次コイルL1を励磁駆動したとき、狭間位置では最も給電効率のよい給電が行えるが、正対位置では最も給電効率の悪い給電となり、図7に示すように出力電圧の変動幅G2は大きくなる。
つまり、第1共振特性A1での共振周波数fr1又は第2共振特性A2での共振周波数fr2を給電周波数fnとした場合に出力電力の変動幅G1,G2が大きいことから、スライドする引戸3に設けた受電装置20に給電する給電装置10には適さない。そのため、受電装置20(2次コイルL2)は、引戸3がどこのスライド位置にあっても出力電圧の最大値と最小値の間隔が小さい、即ち、出力電圧の変動幅が小さいもが望まれる。
そこで、図7に示すように、出力電圧の変動幅G3が小さくなる第1共振特性A1の特性線と第2共振特性A2の特性線が交差する点Pの周波数fpを給電周波数fnとしている。この周波数fpを共振周波数をもつ第3共振特性A3は、第1共振特性A1と第2共振特性A2の間に位置する。そして、最も離間した第1共振特性A1と第2共振特性A2の共振周波数fr1,fr2の間にある各周波数のうち、この周波数fpが、引戸3がどこのスライド位置にあっても出力電圧の変動幅G3が最も小さくなることがわかる。
次に、一方向に等間隔に配置された複数個の1次コイルL1に沿って移動する2次コイルL2の形状条件について説明する。
2次コイルL2の第2縦幅Y2は、1次コイルL1の第1縦幅Y1に対して、Y2≧Y1となるように形成している。
2次コイルL2の第2横幅X2は、1次コイルL1の第1横幅X1に対して、X2≧5×X1となるように形成している。
また、1次コイルL1と1次コイルL1の離間長Z1は、1次コイルL1の第1横幅X1(=Y1)に対して、Z1<X1となるように配置している。
この条件は、各1次コイルL1に対して引戸3がどの移動位置にあっても、2次コイルL2とその時に相対向する1次コイルL1との漏れインダクタンスの変化率(%)が±10%未満となる。
図8(a)(b)(c)は、2次コイルL2の第2横幅X2をそれぞれ変更した時のずれ位置(2次コイルL2の複数の1次コイルL1の相対位置)に対する漏れインダクタンスの変化率(%)の推移を実験にて検証した例である。
図8(a)は、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=5×X1にして、各ずれ位置に対する漏れインダクタンスの変化率(%)の推移を求めたグラフであって、種々の離間長Z1毎に漏れインダクタンスの変化率(%)の推移を求めたグラフである。
なお、給電周波数fnは、この配置条件での最も離間した第1共振特性A1と第2共振特性A2の交差する点Pの周波数fpを給電周波数fnとして使用する。
また、1次コイルL1は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次コイルL2の第2横幅X2は、210mm(=5×X1)となる。
図8(a)から明らかなように、離間長Z1がX1にしたとき除き、離間長Z1が0、0.125×X1、0.25×X1、0.5×X1、0.75×X1においては漏れインダクタンスの変化率(%)が±10%未満となる。
図8(b)は、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=4×X1にして、各ずれ位置に対する漏れインダクタンスの変化率(%)の推移を求めたグラフであって、種々の離間長Z1毎に漏れインダクタンスの変化率(%)の推移を求めたグラフである。
なお、給電周波数fnは、この配置条件での最も離間した第1共振特性A1と第2共振特性A2の交差する点Pの周波数fpを給電周波数fnとして使用する。
また、1次コイルL1は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次コイルL2の第2横幅X2は、168mm(=4×X1)となる。
図8(b)から明らかなように、離間長Z1が、0、0.125×X1、0.25×X1、0.5×X1、0.75×X1、X1においては漏れインダクタンスの変化率(%)が±10%以上となる。
図8(c)は、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=3×X1にして、各ずれ位置に対する漏れインダクタンスの変化率(%)の推移を求めたグラフであって、種々の離間長Z1毎に漏れインダクタンスの変化率(%)の推移を求めたグラフである。
なお、給電周波数fnは、この配置条件での最も離間した第1共振特性A1と第2共振特性A2の交差する点Pの周波数fpを給電周波数fnとして使用する。
また、1次コイルL1は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次コイルL2の第2横幅X2は、126mm(=3×X1)となる。
図8(c)から明らかなように、離間長Z1が、0、0.125×X1、0.25×X1、0.5×X1、0.75×X1、X1においては漏れインダクタンスの変化率(%)が±10%以上となる。
図8(a)〜(c)から明らかなように、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=5×X1にする。これによって、各1次コイルL1に対して引戸3がどの移動位置にあっても、2次コイルL2とその時に相対向する1次コイルL1との漏れインダクタンスの変化率(%)を±10%未満にすることができる。つまり、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2≧5×X1にすれば、漏れインダクタンスの変化率(%)をさらに小さくできることが推測される。
そして、漏れインダクタンスの変化率(%)を小さくできることは、前記した最も離間した第1共振特性A1と第2共振特性A2の間隔を縮めることを意味する。第1共振特性A1と第2共振特性A2が近接することは、交差する点Pの出力電圧を高い状態にできる。その結果、交差する点Pでの周波数fpを給電周波数fnとした場合、出力電圧は高電圧に推移しかつ変動幅G3がより小さくなる。
次に、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=5×X1にした状態で、1次コイルL1と1次コイルL1の離間長Z1について検証する。
図9(a)(b)、図10(a)(b)は、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=5×X1にし、離間長Z1をそれぞれ変更した時の各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を実験にて求めた例である。ここで、ずれ位置とは、1次コイルL1のコイル面に対して2次コイルL2のコイル面が移動方向にずれる長さいう。
図9(a)は、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=5×X1にし、離間長Z1を第1横幅X1と同じ(Z1=X1)にした時の、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を求めたグラフである。
なお、1次コイルL1は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次コイルL2の第2横幅X2は210mm(=5×X1)となるとともに、離間長Z1は42mm(=X1)となる。
そして、0mm、10mm、20mm、30mmのずれ位置毎に、各駆動周波数(1次コイルL1に流す高周波電流の周波数)に対する出力電圧を求めた。
図9(a)から明らかなように、離間長Z1を第1横幅X1と同じにした時には、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を示す共振特性は、大きく離間し一致していない。
図9(b)は、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=5×X1にし、離間長Z1を第1横幅X1の0.5倍(Z1=X1/2)にした時の、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を求めたグラフである。
なお、1次コイルL1は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次コイルL2の第2横幅X2は210mm(=5×X1)となるとともに、離間長Z1は21mm(=X1/2)となる。
そして、0mm、10mm、20mm、30mm、40mmのずれ位置毎に、各駆動周波数(1次コイルL1に流す高周波電流の周波数)に対する出力電圧を求めた。
図9(b)から明らかなように、離間長Z1を第1横幅X1の0.5倍にしたときには、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を示す共振特性は、図9(a)に比べて近接している。
また、図10(a)は、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=5×X1にし、離間長Z1を第1横幅X1の0.25倍(Z1=X1/4)にした時の、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を求めたグラフである。
なお、1次コイルL1は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次コイルL2の第2横幅X2は210mm(=5×X1)となるとともに、離間長Z1は10.5mm(=X1/4)となる。
そして、0mm、10mm、20mm、30mm、40mmのずれ位置毎に、各周波数(1次コイルL1に流す高周波電流の周波数)に対する出力電圧を求めた。
図10(a)から明らかなように、離間長Z1を第1横幅X1の0.24倍にした時には、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を示す共振特性は、ほぼ一致している。
さらに、図10(b)は、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=5×X1にし、離間長Z1を第1横幅X1の0.125倍(Z1=X1/8)にした時の、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を求めたグラフである。
なお、1次コイルL1は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次コイルL2の第2横幅X2は210mm(=5×X1)となるとともに、離間長Z1は5.25mm(=X1/8)となる。
そして、0mm、10mm、20mmのずれ位置毎に、各周波数に対する出力電圧を求めた。
図10(b)から明らかなように、離間長Z1を第1横幅X1の0.125倍にした時には、同様に、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を示す共振特性は、ほぼ一致している。
図9(a)(b)、図10(a)(b)から明らかなように、離間長Z1を、Z1<X1にすることによって、各1次コイルL1に対して引戸3がどの移動位置にあっても、第1共振特性A1と第2共振特性A2は近接する。特に、Z1<(X1/4)にすれば第1共振特性A1と第2共振特性A2がほぼ一致することがわかる。
従って、離間長Z1を上記条件で配置し、第1共振特性A1と第2共振特性A2の交差する点Pでの周波数fpを給電周波数fnとした場合、出力電圧は高電圧に推移しかつ変動幅G3がより小さくなる。
次に、上記のように構成した非接触給電装置の作用について説明する。
今、鴨居1に設けた各1次コイルL1は、それぞれの基本給電ユニット回路11によって給電周波数fnの高周波電流が通電されて交番磁界を発生している。
つまり、各1次コイルL1を励磁する高周波電流の給電周波数fnを、各1次コイルL1と2次コイルL2の相対位置によって決まる共振回路の共振特性の最も離間した第1共振特性A1の特性線と第2共振特性A2の特性線が交差する点Pの周波数fpとした。
この状態で引戸3を鴨居1と敷居2に沿って一方向のどの位置に移動させても2次コイルL2から出力される出力電圧間の変動幅は小さくなる。
しかも、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=5×X1にしたことから、引戸3がどの移動位置にあっても、2次コイルL2とその時に相対向する1次コイルL1との漏れインダクタンスの変化率(%)を±10%未満にすることができる。その結果、最も離間した第1共振特性A1と第2共振特性A2の間隔を縮めることができことから、交差する点Pでの周波数fpを給電周波数fnとした場合に対する出力電圧は高電圧に推移しかつ出力電圧の変動幅G3はより小さくなる。
また、1次コイルL1と1次コイルL1との離間長Z1を、Z1<X1にすることによって、引戸3がどの移動位置にあっても、第1共振特性A1と第2共振特性A2は近接することができる。特に、Z1<(X1/4)にすれば第1共振特性A1と第2共振特性A2がほぼ一致させることができる。従って、第1共振特性A1と第2共振特性A2の交差する点Pでの周波数fpを給電周波数fnとした場合に対する出力電圧はさらに高電圧に推移しかつ出力電圧の変動幅G3はより小さくなる。
そして、2次コイルL2で発生した出力電圧は、受電装置20の全波整流回路21にて整流される。整流された出力電圧は、電圧安定化回路22に出力された後、電気機器Eに出力され、同電気機器Eを駆動する。
次に、上記のように構成した実施形態の効果を以下に記載する。
上記実施形態によれば、1次コイルL1に流す高周波電流の給電周波数fnを、最も離間した第1共振特性A1の特性線と第2共振特性A2の特性線が交差する点Pの周波数fpとした。そのため、2次コイルL2は、引戸3がスライド位置して個々の位置で得られる出力電圧うちの最大値と最小値との間隔が小さく、即ち、出力電圧の変動幅G3が小さくすることができる。その結果、引戸3をどの位置にスライドさせても安定した出力電圧を機器Eに供給できる。
また、給電装置10は、予め第1及び第2共振特性A1,A2を求めその交差する点Pで決まる周波数fpを給電周波数fnとし、その設定した給電周波数fnの高周波電流を1次コイルL1に流すだけでよい。従って、給電装置10は各基本給電ユニット回路11に対する制御が容易となり回路構成も簡単となり回路規模も小さくすることができる。
上記実施形態によれば、2次コイルL2の第2横幅X2を、X2=5×X1にしたことから、引戸3がどの移動位置にあっても、2次コイルL2とその時に相対向する1次コイルL1との漏れインダクタンスの変化率(%)を±10%未満にすることができる。その結果、最も離間した第1共振特性A1と第2共振特性A2の間隔を縮めることができ、交差する点Pでの周波数fpを給電周波数fnとした場合に対する出力電圧は高電圧に推移しかつ出力電圧の変動幅G3をさらに小さくできる。
上記実施形態によれば、1次コイルL1と1次コイルL1との離間長Z1を、Z1<X1にしたことから、引戸3がどの移動位置にあっても、第1共振特性A1と第2共振特性A2は近接することができる。特に、Z1<(X1/4)にすれば第1共振特性A1と第2共振特性A2がほぼ一致させることができる。
従って、第1共振特性A1と第2共振特性A2の交差する点Pでの周波数fpを給電周波数fnとした場合に対する出力電圧はさらに高電圧に推移しかつ出力電圧の変動幅G3はより小さくできる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態は、1次コイルL1及び2次コイルL2の構造とその配置に特徴を有する。そのため、本実施形態では、その特徴部分について詳細に説明し共通の部分に対しては説明の便宜上詳細な説明は省略する。
図11に示すように、鴨居1に内設された1次コイルL1と、引戸3に内設された2次コイルL2の相対配置状態を示す斜視図である。各1次コイルL1は、四角柱状の磁性体をコ字状に屈曲させた形状、所謂C型の1次側コア31の両側部31aをつなぐ中間部31bに巻回されている。従って、1次コイルL1はC型形状の磁性体の1次側コア31に巻回された閉磁路型のコイルである。
そして、1次側コア31に巻回された各1次コイルL1は、鴨居1に引戸3の移動方向に沿って等間隔に配置されている。このとき、1次側コア31は、その両側部31aの四角形状の先端面31cが、引戸3の上面と相対向するように配置されるとともに、両側部31aを結ぶ線が引戸3の移動方向に対して直交するように配置される。
ここで、説明の便宜上、1次側コア31について、移動方向の幅を第1横幅X1といい、移動方向に対して直交する方向の幅を第1縦幅Y1という。また、隣り合う1次側コア31と1次側コア31の間隔を離間長Z1という。
ちなみに、本実施形態では、離間長Z1がZ1≦X1が成立するように、1次側コア31は等間隔に配置されている。
一方、図11に示すように、2次コイルL2は、断面コ字状であって移動方向に長い、所謂C型の2次側コア32の両側部32aをつなぐ中間部32bに巻回される。従って、2次コイルL2はC型形状の磁性体の2次側コア32に巻回された閉磁路型のコイルである。そして、2次側コア32は、引戸3を移動させたとき、その両側部32aの移動方向に長い長方形形状の先端面32cが、鴨居1に設けた各1次側コア31の両側部31aの先端面31cとそれぞれ相対向するように配置される。
ここで、説明の便宜上、2次側コア32について、移動方向の幅を第2横幅X2といい、移動方向に対して直交する方向の幅を第2縦幅Y2という。
ちなみに、本実施形態では、2次側コア32の第2横幅X2は、X2≧2×X1+Z1という関係が成立するように形成されている。
次に、1次側コア31の第1横幅X1及び離間長Z1と、2次側コア32の第2横幅X2の関係を検証する。
図12(a)は、2次側コア32の第2横幅X2を、X2=2×X1にし、離間長Z1を第1横幅X1の1.5倍した時(Z1=1.5×X1)の、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を求めたグラフである。
なお、1次側コア31は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次側コア32の第2横幅X2は84mm(=2×X1)となるとともに、離間長Z1は63mm(=1.5×X1)となる。
そして、0mm、20mm、40mmのずれ位置毎に、各周波数(1次コイルL1に流す高周波電流の周波数)に対する出力電圧を求めた。なお、ずれ位置とは、1次側コア31の先端面31cに対して2次側コア32の先端面32cの移動方向にずれる長さをいう。
図12(a)から明らかなように、離間長Z1を第1横幅X1の1.5倍した時には、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を示す共振特性は、大きく離間し一致していない。
図12(b)は、2次側コア32の第2横幅X2を、X2=2×X1にし、離間長Z1を第1横幅X1の1.2倍(Z1=1.2×X1)した時の、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を求めたグラフである。
なお、1次側コア31は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次側コア32の第2横幅X2は82mm(=2×X1)となるとともに、離間長Z1は50.4mm(=1.2×X1)となる。
そして、0mm、20mm、40mmのずれ位置毎に、各周波数(1次コイルL1に流す高周波電流の周波数)に対する出力電圧を求めた。なお、ずれ位置とは、1次側コア31の先端面31cに対して2次側コア32の先端面32cが移動方向にずれる長さいう。
図12(b)から明らかなように、離間長Z1を第1横幅X1の1.2倍した時には、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を示す共振特性は、図12(a)に比べて近接している。
図13(a)は、2次側コア32の第2横幅X2を、X2=2×X1にし、離間長Z1を第1横幅X1と同じ(Z1=X1)にした時の、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を求めたグラフである。
なお、1次側コア31は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次側コア32の第2横幅X2は82mm(=2×X1)となるとともに、離間長Z1は42mm(=X1)となる。
そして、0mm、10mm、20mm、30mm、40mm、60mmのずれ位置毎に、各周波数(1次コイルL1に流す高周波電流の周波数)に対する出力電圧を求めた。なお、ずれ位置とは、1次側コア31の先端面31cに対して2次側コア32の先端面32cが移動方向にずれる長さいう。
図13(a)から明らかなように、離間長Z1を第1横幅X1と同じにした時には、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を示す共振特性は、ほぼ一致している。
図13(b)は、2次側コア32の第2横幅X2を、X2=2×X1にし、離間長Z1を第1横幅X1の0.5倍(Z1=X1/2)にした時の、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を求めたグラフである。
なお、1次側コア31は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次側コア32の第2横幅X2は82mm(=2×X1)となるとともに、離間長Z1は21mm(=0.5×X1)となる。
そして、0mm、20mm、40mmのずれ位置毎に、各周波数(1次コイルL1に流す高周波電流の周波数)に対する出力電圧を求めた。なお、ずれ位置とは、1次側コア31の先端面31cに対して2次側コア32の先端面32cが移動方向にずれる長さいう。
図13(b)から明らかなように、離間長Z1を第1横幅X1の0.5倍にした時には、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を示す共振特性は、ほぼ一致している。
図14(a)は、2次側コア32の第2横幅X2を、X2=2×X1にし、離間長Z1を第1横幅X1と0.25倍(Z1=X1/4)にした時の、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を求めたグラフである。
なお、1次側コア31は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次側コア32の第2横幅X2は82mm(=2×X1)となるとともに、離間長Z1は10.5mm(=0.25×X1)となる。
そして、0mm、20mm、40mmのずれ位置毎に、各周波数(1次コイルL1に流す高周波電流の周波数)に対する出力電圧を求めた。なお、ずれ位置とは、1次側コア31の先端面31cに対して2次側コア32の先端面32cが移動方向にずれる長さいう。
図14(a)から明らかなように、離間長Z1を第1横幅X1の0.25倍にした時には、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を示す共振特性は、ほぼ一致している。
図14(b)は、2次側コア32の第2横幅X2を、X2=2×X1にし、離間長Z1を第1横幅X1の0.125倍(Z1=X1/8)にした時の、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を求めたグラフである。
なお、1次側コア31は第1横幅X1(=Y1)が42mmのものを使用した。従って、2次側コア32の第2横幅X2は82mm(=2×X1)となるとともに、離間長Z1は5.25mm(=0.125×X1)となる。
そして、0mm、20mm、40mmのずれ位置毎に、各周波数(1次コイルL1に流す高周波電流の周波数)に対する出力電圧を求めた。なお、ずれ位置とは、1次側コア31の先端面31cに対して2次側コア32の先端面32cが移動方向にずれる長さいう。
図14(b)から明らかなように、離間長Z1を第1横幅X1の0.125倍にした時には、各ずれ位置における周波数に対する出力電圧の推移を示す共振特性は、ほぼ一致している。
図12(a)(b)、図13(a)(b)、図14(a)(b)から明らかなように、離間長Z1を、Z1<X1にすることによって、各1次側コア31に対して引戸3がどの移動位置にあっても、第1共振特性A1と第2共振特性A2は近接する。
特に、Z1<(X1/4)にすれば第1共振特性A1と第2共振特性A2がほぼ一致することがわかる。
従って、離間長Z1を上記条件で配置し、第1共振特性A1と第2共振特性A2の交差する点Pでの周波数fpを給電周波数fnとした場合、出力電圧は高電圧に推移しかつ変動幅G3がより小さくなる。
次に、上記のように構成した非接触給電装置の作用について説明する。
今、各1次コイルL1を励磁する高周波電流の給電周波数fnを、各1次コイルL1と2次コイルL2の相対位置によって決まる共振回路の共振特性の最も離間した第1共振特性A1の特性線と第2共振特性A2の特性線が交差する点Pの周波数fpとした。
この状態で引戸3を鴨居1と敷居2に沿って一方向に移動させ、その各位置での2次コイルL2から出力される出力電圧間の変動幅G3は小さくなる。
しかも、離間長Z1をZ1≦X1にするとともに、2次側コア32の第2横幅X2をX2≧2×X1+Z1にしたことから、引戸3がどの移動位置にあっても、第1共振特性A1と第2共振特性A2は近接することができる。従って、第1共振特性A1と第2共振特性A2の交差する点Pでの周波数fpを給電周波数fnとした場合に対する出力電圧はさらに高電圧に推移しかつ出力電圧の変動幅G3はより小さくなる。
そして、2次コイルL2で発生した出力電圧は、受電装置20の全波整流回路21にて整流される。整流された出力電圧は、電圧安定化回路22に出力された後、電気機器Eに出力され、同電気機器Eを駆動する。
次に、上記のように構成した実施形態の効果を以下に記載する。
上記実施形態によれば、1次コイルL1を通電する高周波電流に給電周波数fnを、最も離間した第1共振特性A1の特性線と第2共振特性A2の特性線が交差する点Pの周波数fpとした。そのため、2次コイルL2は、引戸3がスライド位置して個々の位置で得られる出力電圧うちの最大値と最小値との間隔が小さく、即ち、出力電圧の変動幅が小さくすることができる。その結果、引戸3をどの位置にスライドさせても安定した出力電圧を機器Eに供給できる。
また、給電装置10は、予め第1及び第2共振特性A1,A2を求めその交差する点Pで決まる周波数fpを給電周波数fnとし、その設定した給電周波数fnの高周波電流を1次コイルL1に流すだけでよい。従って、給電装置10は基本給電ユニット回路11に対する制御が容易となり回路も簡単となり回路規模も小さくすることができる。
上記実施形態によれば、離間長Z1をZ1≦X1にするとともに、2次側コア32の第2横幅X2をX2≧2×X1+Z1にしたことから、引戸3がどの移動位置にあっても、第1共振特性A1と第2共振特性A2を近接することができる。
従って、第1共振特性A1と第2共振特性A2の交差する点Pでの周波数fpを給電周波数fnとした場合に対する出力電圧はさらに高電圧に推移しかつ出力電圧の変動幅G3はより小さくできる。その結果、条件によって、高出力電圧を得ることが可能となり、電圧安定化回路22内のDC/DCコンバータを省略することができる。
尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○第1実施形態では、1次コイルL1ついて、横辺の長さを第1横幅X1とし、縦辺の長さを第1縦幅Y1とし、2次コイルL2について、長辺の長さを第2横幅X2とし、短辺の長さを第2縦幅Y2として実施した。
これを、1次側コア6の移動方向の一辺の長さを第1横幅X1とし、1次側コア6の移動方向に対して直交する方向の一辺の長さを第1縦幅Y1とする。また、2次側コア8の移動方向の辺の長さを第2横幅X2とし、2次側コア8の移動方向に対して直交する方向の辺の長さを第2縦幅Y2とするようにして実施してもよい。
従って、第1実施形態において、隣り合う1次コイルL1と1次コイルL1の間隔を離間長Z1は、隣り合う1次側コア6と1次側コア6の間隔が離間長Z1となる。
○第2実施形態では、1次コイルL1及び2次コイルL2はC型形状の磁性体の1次側コア31及び2次側コア32にそれぞれ巻回された閉磁路型のコイルであった。これを、1次コイルL1及び2次コイルL2を、E型形状の磁性体コアに巻回した閉磁路型のコイルで実施してもよい。
○上記実施形態では、1次コイルL1に対して共振コンデンサC1を直列に接続した。これを1次コイルL1に対して共振用のコンデンサを並列に接続して実施してもよい。
同様に、2次コイルL2に対して共振コンデンサC2を直列に接続した。これを2次コイルL2に対して共振用のコンデンサを並列に接続して実施してもよい。
また、上記実施形態では、引戸3に2次コイルL2を1つ設けたものであったが、これに限定されるものではなく、上記条件を満たす範囲であれば2次コイルL2を複数個設けてもよいことは勿論である。
○上記実施形態では、部屋に設けた引戸3に受電装置20を設けたが、引戸3と同様に往復移動する移動体であれば、引戸3に限らず、窓ガラス、障子、ふすま、間仕切り壁、什器のスライド扉であってもよい。
また、移動体として部屋に限定されるものではなく、屋外であってもよく、要は一方向に移動する移動体であれば何でもよい。
1…鴨居、2…敷居、3…引戸、3a…収容スペース、5…基板、6…1次側コア、6a…先端面、7…基板、8…2次側コア、8a…先端面、10…給電装置、11…基本給電ユニット回路、12…電源回路、13…システム制御部、15…インバータ回路、16…ドライブ回路、20…受電装置、21…全波整流回路、22…電圧安定化回路、31…1次側コア、31a…両端部、31b…中間部、31c…先端面、32…2次側コア、32a…両端部、32b…中間部、32c…先端面、L1…1次コイル、L2…2次コイル、X1,X2…第1及び第2横幅、Y1,Y2…第1及び第2縦幅、Z1…離間長、E…電気機器、C1,C2…1次側及び2次側共振コンデンサ、Cr…平滑コンデンサ、Ca,Cb…第1及び第2コンデンサ、Qa,Qb…第1及び第2パワートランジスタ、N1,N2…ノード、Vdd…直流電圧、PSa,PSb…駆動信号、CT…励磁制御信号、fn…給電周波数、fr1,fr2…共振周波数、fp…周波数、A1,A2…第1及び第2共振特性、A3…第3共振特性、P…点。

Claims (4)

  1. 1次側コアに巻回された複数個の1次コイルを一方向に等間隔を配置し、前記一方向に並設した複数の1次コイルに沿って移動する2次側コアに巻回された2次コイルを設け、前記1次コイルに高周波電流を通電させて、該各1次コイルが発生する交番磁界にて前記2次コイルの各移動位置においてその2次コイルに2次電力を発生させるようにした非接触給電装置であって、
    前記高周波電流の給電周波数は、前記2次コイルの移動によって決まる前記各1次コイルと前記2次コイルの位置関係によって決まる共振回路の共振特性のうち最も離間した第1共振特性と第2共振特性に対し、その両共振特性の交差する点の周波数とすることを特徴とする非接触給電装置。
  2. 請求項1に記載の非接触給電装置において、
    前記1次コイルの前記一方向の長さをX1、前記2次コイルの前記一方向の長さをX2とした時、
    前記2次コイルの前記一方向の長さが、
    X2≧5×X1
    を満たすようにしたことを特徴とする非接触給電装置。
  3. 請求項2に記載の非接触給電装置において、
    隣接する前記1次コイルの間隔をZ1とした時、
    前記1次コイルの間隔をZ21が、
    Z1<X1
    を満たすように、前記各1次コイルを前記一方向に配置したことを特徴とする非接触給電装置。
  4. 請求項1に記載の非接触給電装置において、
    前記1次コイル及び前記2次コイルは、C型又はE型形状の1次側及び2次側コアにそれぞれ巻回された閉磁路型のコイルであり、
    前記1次側コアの前記一方向の長さをX1とし、前記2次側コアの前記一方向の長さをX2とするとともに、隣接する前記1次側コアの間隔をZ1とした時、
    前記1次側コアの間隔をZ1が、
    Z1≦X1
    を満たし、かつ、
    前記2次側コアの前記一方向の長さが、
    X2≧2×X1+Z1
    を満たすようにしたことを特徴とする非接触給電装置。
JP2013043323A 2013-03-05 2013-03-05 非接触給電装置 Active JP6132266B2 (ja)

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