JP2014183668A - 非接触電力伝送方法及び非接触電力伝送システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】平衡線路3と平衡線路3に電力を高周波で供給する高周波電源装置2で送電部1Aを構成し、平衡線路3に磁気結合して電力を受信するコイル4とコイル4が受信した電力を消費する負荷5で受電部1Bが構成される。高周波が平衡線路3を伝送することにより平衡線路3の導体線3a,3bの周りに磁界が生じ、その磁界に結合されたコイル4に起電力を誘起させて平行線路3に供給した電力を非接触で受電部1Bに伝送する。高周波電源装置2内のインピーダンス調整回路21と負荷5内のインピーダンス調整回路51によって受電部1Bに伝送される電力が極大となるように調整される。
【選択図】図1
Description
Zx=Zo・[A・exp(γ・x)+B・exp(-γ・x)]/[A・exp(γ・x)-B・exp(-γ・x)]…(2)
但し、A・exp(γ・x):入射波電圧、B・exp(-γ・x):反射波電圧、
で表わされるが、分布定数線路の負荷端のインピーダンスZLがショートの場合、ZL=0よりA+B=0であるから、(2)式は、
Zx=Zo・[exp(γ・x)−exp(-γ・x)]/[exp(γ・x)+exp(-γ・x)]
=Zo・[exp(2・γ・x)−1]/[exp(2・γ・x)+1]…(3)
となる。
Zx=Zo・(ξ・ζ−1)/(ξ・ζ+1)…(4)
となる。
exp(2・α・x)=[1+tanh(α・x)]/[1−tanh(α・x)]
exp(2・j・β・x)=[1+j・tan(β・x)]/[1−j・tan(β・x)]
であるから、tanh(α・x)=a、j・tan(β・x)=bとおくと、
ξ=exp(2・α・x)=[1+a]/[1−a]
ζ=exp(2・j・β・x)=[1+b]/[1−b])
ξ・ζ+1=[(1+a)・(1+b)]/[(1−a)・(1−b)]+1
=2・(1+a・b)/[(1−a)・(1−b)] …(5)
ξ・ζ−1=[(1+a)・(1+b)]/[(1−a)・(1−b)]−1
=2・(a+b)/[(1−a)・(1−b)] …(6)
となる。
Zx=Zo・(a+b)/(1+a・b)…(7)
となるから、(7)式にx=x2として、a=tanh(α・x2)、b=j・tan(β・x2)を代入すると、(1)式が得られる。
Zo=√(L/C)[Ω]
L=(μ/π)・cosh-1(d/r)[H/m]
C=(π・ε)/cosh-1(d/r)[F/m]
で表される。平衡線路3が無損失であると仮定すると、tanh(α・x2)=0よりインピーダンスZ2は、Z2=j・Zo・tan(β・x2)となる。
V=Z1’・I1+j・ω・L1・I1−j・ω・M・I2+Z2・I1
ZL・I2=j・ω・L1・I2−j・ω・M・I1
が成立するから、
V=Z1’・I1
+(Z2+j・ω・L1−j・ωM)・I1−j・ω・M・(I2−I1)…(8)
ZL・I2=j・ω・(L1−M)・I2−j・ω・M・(I1−I2)…(9)
と変形すると、(8)式と(9)式より図4の等価回路が得られる。
I1=Ib+I2 …(10)
V−V2=I1・Za …(11)
V2=Ib・Zc=I2・Zc …(12)
Za=Z1’+Z2+j・ω・(L1−M) …(13)
Zb=ZL+j・ω・(L2−M) …(14)
Zc=j・ωM …(15)
の関係があるから、これらの式を用いて電圧Vと電流I2の関係を求めると、下記のようになる。
V=V2+I1・Za
=V2+[(1/Zb)+(1/Zc)]・V2・Za
=[1+(Za/Zb)+(Za/Zc)]・V2
=[1+(Za/Zb)+(Za/Zc)]・I2・Zb
=[(Zb・Zc+Zc・Za+Za・Zb)/Zc]・I2 …(16)
が得られる。
Zb・Zc+Zc・Za+Za・Zb=(Za+Zc)・Zb+Zc・Za
=[Z1’+Z2+j・ω・(L1−M)+j・ω・M]・[ZL+j・ω・(L2−M)]
+j・ω・M・[Z1’+Z2+j・ω・(L1−M)]
=(Z1’+Z2+j・ω・L1)・[ZL+j・ω・(L2−M)]
+j・ω・M・[Z1’+Z2+j・ω・(L1−M)] …(17)
となるから、この(17)式と(15)式を(16)式に代入すると、電圧Vと電流I2の関係式は、
PL=|I2|2・RL
=|V/X|2・RL
=|V|2・RL/|X|2 …(19)
で表わされる。
X=R1・(RL−j・ω・M)+j・ω・M・(R1−j・ω・M)/j・ω・M
=R1・RL+(ω・M)2/j・ω・M …(20)
となる。
∂PL/∂RL=[B・|RL+k2|2−B・RL・2・|RL+k2|]/(RL+k2)4
=B・|RL+k2|・(k2−RL)/(RL+k2)4
より、∂PL’/∂RL=0を満たすRLoptは、RLopt=k2となるから、電力PL’は、
RLopt=(ω・M)2/R1 …(22)
のときに極大値となり、そのときの電力PLoutは、
1A 送電部(送電手段)
1B 受電部(受電手段)
2 高周波電源装置(電力供給手段)
21 インピーダンス調整回路(第1のインピーダンス調整手段)
3 平衡線路
3a,3b 導体線
4 コイル
5 負荷
51 インピーダンス調整回路(第2のインピーダンス調整手段)
Claims (5)
- 送電部に、
平衡線路と、
前記平衡線路に所定の高周波で電力を供給する電力供給手段と、
前記送信手段のインピーダンスを調整するための第1のインピーダンス調整手段と、
を備え、
受電部に、
前記平衡線路に磁気的に結合されるコイルと、
前記コイルに接続され、当該コイルで受電した電力を消費する負荷と、
前記受電手段のインピーダンスを調整するための第2のインピーダンス調整手段と、
を備え、
前記受電部が前記送信部から受電する電力が極大となるように、前記第1のインピーダンス調整手段で前記送電部のインピーダンスを調整し、かつ、前記第2のインピーダンス調整手段で前記受電部のインピーダンスを調整して前記送電部から前記受電部に非接触で電力を伝送することを特徴とする、非接触電力伝送方法。 - 送電手段から受電手段に非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムであって、
前記送電手段は、
平衡線路と、
前記平衡線路に所定の高周波で電力を供給する電力供給手段と、
前記送信手段のインピーダンスを調整するための第1のインピーダンス調整手段と、
を含み、
前記受電手段は、
前記平衡線路に磁気的に結合されるコイルと、
前記コイルに接続され、当該コイルで受電した電力を消費する負荷と、
前記受電手段のインピーダンスを調整するための第2のインピーダンス調整手段と、
を含み、
前記受電手段が前記送信手段から受電する電力が極大となるように、前記第1のインピーダンス調整手段で前記送電手段のインピーダンスを調整し、かつ、前記第2のインピーダンス調整手段で前記受電手段のインピーダンスを調整して前記送電手段から前記受電手段に非接触で電力を伝送することを特徴とする、非接触電力伝送システム。 - 前記送信手段のインピーダンスと前記受信手段のインピーダンスは、それぞれ共振点に調整される、請求項2に記載の非接触電力伝送システム。
- 前記非接触電力伝送システムは、
前記電力供給手段内の電力発生源から前記平衡線路における前記コイルの結合点までの第1のインピーダンスと前記平衡線路の前記結合点から終端側を見た第2のインピーダンスを直列に接続した第1の回路と、前記平衡線路の自己インダクタンス値から前記平衡線路と前記コイルの相互インダクタンス値を引いた第1のインダクタンス値を有する第1のインダクタンス回路とを直列に接続した第1の直列回路と、
前記コイルの自己インダクタンス値から前記相互インダクタンス値を引いた第2のインダクタンス値を有する第2のインダクタンス回路と前記負荷を直列に接続した第2の直列回路と、
前記相互インダクタンス値を有する第3のインダクタンス回路と、
を含み、
前記第1のインピーダンス調整手段は、前記第1の直列回路のインピーダンスの虚数部をゼロにするように調整され、前記第2のインピーダンス調整手段は、前記第2の直列回路のインピーダンスの虚数部をゼロにするように調整される、請求項2に記載の非接触電力伝送システム。 - 前記コイルは、コイル面の形状が前記平衡線路の幅と略同一の幅を有する矩形状をなし、前記平衡線路を含む面に対して所定の距離に前記コイル面を平行に配置して前記平衡線路に磁気結合される、請求項2乃至4のいずれかに記載の非接触電力伝送システム。
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