JP2015039249A - Wireless power transmission device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力をワイヤレスにて伝送するワイヤレス電力伝送装置に関するものである。 The present invention relates to a wireless power transmission apparatus that wirelessly transmits power.
電力をワイヤレスにて伝送するワイヤレス電力伝送は、ノートPC、ポケットPC、携帯端末、その他の各種機器、装置に対しても行われるようになってきている。 Wireless power transmission for transmitting power wirelessly has been performed for notebook PCs, pocket PCs, portable terminals, and other various devices and apparatuses.
こうしたワイヤレス電力伝送は、従来、電磁誘導方式で行われている。 Such wireless power transmission is conventionally performed by an electromagnetic induction method.
この電磁誘導方式は、送信コイルと受信コイルとの電磁結合により電力伝送するものである(特許文献1参照)。 This electromagnetic induction system transmits power by electromagnetic coupling between a transmission coil and a reception coil (see Patent Document 1).
電磁誘導方式のワイヤレス電力伝送装置を、図9を参照して説明すると、1は電源Vgを有する電源部、3は送信コイルL1を有する送信部、5は受信コイルL2とこれに並列の容量素子C2とを有する受信部、7は抵抗Rによる負荷部である。
An electromagnetic induction type wireless power transmission apparatus will be described with reference to FIG. 9. 1 is a power supply unit having a power supply Vg, 3 is a transmission unit having a transmission coil L1, and 5 is a reception coil L2 and a capacitive element in parallel therewith. A receiving
図9のワイヤレス電力伝送装置では、送信コイルL1に発生した電磁界を、受信コイルL2に誘導し、負荷部7に電力を伝送する。ここで受信部5の容量素子C2は、受信コイルL2に大きい誘導起電力を得るためである。
In the wireless power transmission device of FIG. 9, an electromagnetic field generated in the transmission coil L <b> 1 is guided to the reception coil L <b> 2 and power is transmitted to the
しかしながら、図9に示す電磁誘導方式のワイヤレス電力伝送装置では、送信コイルL1と受信コイルL2との位置合わせが必要であり、そのため、かなり近接した距離でしか電力伝送ができない。 However, in the electromagnetic induction type wireless power transmission device shown in FIG. 9, the transmission coil L1 and the reception coil L2 need to be aligned, so that power transmission can be performed only at a considerably close distance.
そして、2006年にMIT(マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー)から電磁共鳴方式でワイヤレスにて電力を伝送するシステムが発表されている。 In 2006, MIT (Massachusetts Institute of Technology) announced a system for wirelessly transmitting power by electromagnetic resonance.
電磁共鳴方式は、送信コイルと受信コイルとの双方に容量素子を直列に接続し、それぞれLC共振器を備えた構成になっている。 The electromagnetic resonance system has a configuration in which capacitive elements are connected in series to both a transmission coil and a reception coil, and each includes an LC resonator.
そして、この電磁共鳴方式においては、静電磁界が支配的な近接場(エバネッセント場)を利用して電力伝送を行うものであり、その近接場において、上記一対のLC共振器を同じ固有振動数で動作させることで、各LC共振器が発生する電磁界エネルギを共鳴させ、これによって、送信コイルから受信コイルへ電力を伝送するようになっている(特許文献2参照)。 In this electromagnetic resonance method, electric power is transmitted using a near field (evanescent field) in which an electrostatic magnetic field is dominant. In the near field, the pair of LC resonators are connected to the same natural frequency. The electromagnetic field energy generated by each LC resonator is resonated by this operation, whereby electric power is transmitted from the transmission coil to the reception coil (see Patent Document 2).
この電磁共鳴方式によるワイヤレス電力伝送装置を、図10を参照して説明すると、1は電源Vgを有する電源部、3aは容量素子C1aと送信コイルL1aの漏れインダクタンスでLC共振器を構成する送信部、5aは容量素子C2aと受信コイルL2aの漏れインダクタンスでLC共振器を構成する受信部、7は抵抗Rによる負荷部である。
The wireless power transmission device using this electromagnetic resonance system will be described with reference to FIG. 10. 1 is a power supply unit having a power supply Vg, 3a is a transmission unit that constitutes an LC resonator with the leakage inductance of the capacitive element C1a and the transmission coil L1a.
送信部3aでは、容量素子C1aと送信コイルL1aの漏れインダクタンスとが直列共振し、これにより送信コイルL1a周辺にその共振周波数に対応して振動する電磁界を発生させる。受信部5aでは、受信コイルL2aに前記電磁界を受けて電流が流れる。このとき、受信部5aでは、受信コイルL2aの漏れインダクタンスと容量素子C2aとで直列共振回路を構成しており、この共振周波数が前記電磁界の周波数と同等であるので、共振し、受信部4aにも同じ周波数の電流が流れるようになる。これにより、負荷部7に電力が伝送される。この電磁共鳴方式の共振周波数は10MHz程度であり、電磁誘導方式と比較して高い周波数領域である。
In the
なお、この図10に示すワイヤレス電力伝送装置は、図11で示す等価回路で表すことができる。ここでは、電源部1のインダクタンス、送信側、受信側の配線インダクタンス、負荷部7のインダクタンスは無視している。図11において、Le1は、送信部3aにおける漏れインダクタンス、Le2は、受信部5aにおける漏れインダクタンスで、L´e2は漏れインダクタンスLe2を送信側に換算した(送信側からみた)漏れインダクタンス、Mは、送信側の相互インダクタンスで、受信側の相互インダクタンスを送信側に換算するとそれもまたMである。C2は、コンデンサC2aの容量C2、C2´はコンデンサC2aの容量C2を送信側に換算した容量、Rは負荷部7の抵抗、R´は、負荷部7の抵抗Rを送信側に換算した抵抗、R2は受信側の抵抗、R2´は、受信側の抵抗R2を送信側に換算した抵抗である。これら送信側に換算した漏れインダクタンス等は送信側換算漏れインダクタンス等と称する場合がある。
The wireless power transmission device shown in FIG. 10 can be represented by the equivalent circuit shown in FIG. Here, the inductance of the
なお、送信コイルL1aと受信コイルL2aそれぞれの相互インダクタンスM1,M2は、それぞれの自己インダクタンスL1,L2と結合係数kとから得ることができる。この結合係数kを考慮して送信側と受信側とのコイルの巻数比が等価的にn/k:1とすると、L´e2=(n/k)2・Le2、C2´=C2/(n/k)2、R´=(n/k)2・R、R2´=n/k)2・R2に換算して表すことができる。また、この換算により、受信側の相互インダクタンスM2は、送信側の相互インダクタンスM1となり、これをMとすると、M=(M1・M2)1/2=k(L1・L2)1/2となる。 The mutual inductances M 1 and M 2 of the transmission coil L1a and the reception coil L2a can be obtained from the respective self-inductances L 1 and L 2 and the coupling coefficient k. Considering this coupling coefficient k, assuming that the coil turns ratio between the transmitting side and the receiving side is equivalent to n / k: 1, L ′ e2 = (n / k) 2 · L e2 , C 2 ′ = C 2 / (n / k) 2 , R ′ = (n / k) 2 · R, R 2 ′ = n / k) 2 · R 2 . Further, by this conversion, the mutual inductance M 2 on the reception side becomes the mutual inductance M 1 on the transmission side, where M = (M 1 · M 2 ) 1/2 = k (L 1 · L 2 ) 1/2 .
このような等価回路で表すワイヤレス電力伝送装置では、送信部3a内の漏れインダクタンスLe1とコンデンサC1aの容量C1とが共振し、受信部5a内の換算漏れインダクタンスL´e2とコンデンサC2aの送信側換算容量C2´とが共振して、電力伝送が行われる。
In the wireless power transmission device represented by such an equivalent circuit, the leakage inductance L e1 in the
このような電磁共鳴方式によるワイヤレス電力伝送装置では、電力の伝送効率では電磁誘導方式のそれと比較して低下するが、電力の伝送距離を伸ばすことができるという利点がある。 In such a wireless power transmission device using the electromagnetic resonance method, the power transmission efficiency is lower than that of the electromagnetic induction method, but there is an advantage that the power transmission distance can be extended.
しかしながら、従来の電磁共鳴方式のワイヤレス電力伝送装置においては、送信部3aと受信部5aとに、共に、容量素子C1,C2を必要としているが、送信部3aと受信部5aの位置関係が変化すると漏れインダクタンスLe1、換算漏れインダクタンスL´e2が変化するので、電磁共鳴させるための前記容量素子C1,C2における容量設定が必ずしも容易ではない。
However, in the conventional electromagnetic resonance type wireless power transmission device, both the
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電磁誘導方式の欠点である送信コイルと受信コイルとの位置関係が変化しても電源の電圧、電流、電力、周波数を制御することで位置ずれに対応でき、電磁共鳴方式の欠点であるワイヤレス電力伝送の設定作業の困難さを解消すると共に、電磁共鳴方式と同様に電力伝送の距離を伸ばすことができる新規な方式のワイヤレス電力伝送装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above, and can control the position by controlling the voltage, current, power, and frequency of the power supply even if the positional relationship between the transmission coil and the reception coil, which is a drawback of the electromagnetic induction system, changes. A new type of wireless power transmission device that can cope with misalignment and eliminates the difficulty of setting wireless power transmission, which is a drawback of the electromagnetic resonance method, and can extend the distance of power transmission in the same way as the electromagnetic resonance method. It is to provide.
本発明によるワイヤレス電力伝送装置は、出力電圧或いは出力電流或いは出力電力の振幅と周波数を制御する機能を備えた電源部と、前記電源部に接続された送信コイルを含む送信部と、前記送信コイルに間隔を隔てて配置された受信コイルを含む受信部と、前記受信部に接続された負荷部とを備え、前記電源部の電力を前記両コイルを介して前記負荷部側に伝送する装置であって、前記電源部、前記送信部、および前記受信部のいずれかにコンデンサを接続して共振回路を構成すると共に、前記電源部における前記周波数を制御して前記共振回路を共振動作させることで、前記電力の伝送を行うことを特徴とする。 A wireless power transmission device according to the present invention includes a power supply unit having a function of controlling an amplitude and frequency of output voltage, output current, or output power, a transmission unit including a transmission coil connected to the power supply unit, and the transmission coil A receiving unit including a receiving coil arranged at an interval between the receiving unit and a load unit connected to the receiving unit, wherein the power of the power supply unit is transmitted to the load unit side through the two coils. A resonance circuit is configured by connecting a capacitor to any one of the power supply unit, the transmission unit, and the reception unit, and the resonance circuit is controlled by controlling the frequency in the power supply unit. The power transmission is performed.
上記負荷部は、抵抗で構成されることに限定されるものではなく、整流回路と、この整流回路の直流出力側に接続されるコンデンサとか抵抗等も含むと共に、他の負荷回路等を含む。 The load section is not limited to a resistor, and includes a rectifier circuit, a capacitor connected to the DC output side of the rectifier circuit, a resistor, and the like, as well as other load circuits.
上記送信部は、送信コイルで構成されることに限定されるものではなく、配線インダクタンス等も含む。 The transmission unit is not limited to being configured with a transmission coil, and includes wiring inductance and the like.
上記受信部は、受信コイルで構成されることに限定されるものではなく、配線インダクタンス等も含む。 The receiving unit is not limited to a receiving coil, and includes a wiring inductance.
なお、好ましくは、前記電源部における前記周波数を制御して前記共振回路を共振動作させることに加えて、出力電圧或いは出力電流或いは出力電力の振幅を制御することで、前記電力の伝送を行うことが好ましい。 Preferably, in addition to controlling the frequency in the power supply unit to cause the resonance circuit to resonate, the power is transmitted by controlling the amplitude of the output voltage, output current, or output power. Is preferred.
好ましくは、前記共振回路が、前記送信部の送信コイルとこれに直列接続したコンデンサとの直列接続体で構成される。 Preferably, the resonance circuit includes a series connection body of a transmission coil of the transmission unit and a capacitor connected in series to the transmission coil.
好ましくは、前記共振回路が、前記受信部の受信コイルとこれに直列接続したコンデンサとの直列接続体で構成される。 Preferably, the resonance circuit includes a series connection body of a reception coil of the reception unit and a capacitor connected in series to the reception coil.
好ましくは、前記共振回路が、前記電源部のインダクタンスとコンデンサとの直列接続体で構成され、前記コンデンサが前記送信コイルに並列接続されている。 Preferably, the resonance circuit is configured by a serial connection body of an inductance and a capacitor of the power supply unit, and the capacitor is connected in parallel to the transmission coil.
好ましくは、前記共振回路の共振周波数を決めるインダクタンスに配線インダクタンスを含む。 Preferably, the inductance that determines the resonance frequency of the resonance circuit includes a wiring inductance.
好ましくは、前記送信コイルと前記受信コイル近傍に強磁性体を配置することである。 Preferably, a ferromagnetic material is disposed in the vicinity of the transmission coil and the reception coil.
なお、上記の電源部、送信コイル、受信コイル、各コンデンサ、各配線インダクタンスは抵抗を持つが、本明細書ではこれについては言及していない。 In addition, although said power supply part, a transmission coil, a receiving coil, each capacitor | condenser, and each wiring inductance have resistance, it is not mentioned in this specification.
好ましくは、前記送信コイルと受信コイルとを漏れインダクタンスと相互インダクタンスとの等価回路で表し、前記電源部のインダクタンスLgと、送信側配線インダクタンスLw1と、送信コイルの漏れインダクタンスLe1との合成インダクタンスをL1、受信コイルの漏れインダクタンスLe2と、受信側配線インダクタンスLw2と、負荷部のインダクタンスLrとの合成インダクタンスL2を送信側に換算した合成インダクタンスをL´2、送信側からみた送信コイルと受信コイルとの相互インダクタンスをMとして、電源部の周波数fに対して、次式(1)を満足する。 Preferably, the expressed by an equivalent circuit of the transmitter coil and the receiver coil and the leakage inductance and mutual inductance, and the inductance Lg of the power supply unit, and the transmitting-side wiring inductance L w1, the combined inductance of the leakage inductance L e1 transmission coils L 1 , the combined inductance L 2 of the receiving coil leakage inductance Le 2 , the receiving side wiring inductance L w2, and the load portion inductance L r converted to the transmitting side, L ′ 2 , viewed from the transmitting side When the mutual inductance between the transmission coil and the reception coil is M, the following expression (1) is satisfied with respect to the frequency f of the power supply unit.
f=1/2π[C1〔L1+(L´2・M)/(L´2+M)〕]1/2
なお、負荷部を例えば抵抗で構成し、その抵抗の値をRとすると共に、その抵抗値Rを送信側に換算した抵抗R´とし、かつ、L´e2を受信コイルの漏れインダクタンスLe2を送信側に換算した漏れインダクタンスとして、〔R´/〔ω2(L´e2)2+(R´)2〕1/2の値を0.7程度以上、つまり、R´≧ω・L´e2とすることで、相互インダクタンスの両端電圧を負荷部両端電圧と同等程度にして電力を伝送することができる。
f = 1 / 2π [C 1 [L 1 + (L ′ 2 · M) / (L ′ 2 + M)]] 1/2
The load unit is constituted by, for example, resistors, the value of the resistance as well as the R, and the resistance value R was converted to the sender resistor R', and the leakage inductance L e2 of the reception coil L'e2 As the leakage inductance converted to the transmission side, the value of [R ′ / [ω 2 (L ′ e2 ) 2 + (R ′) 2 ] 1/2 is about 0.7 or more, that is, R ′ ≧ ω · L ′. By setting it to e2 , electric power can be transmitted by setting the voltage across the mutual inductance to the same level as the voltage across the load.
なお、本発明では、前記送信部における送信コイルに直列に容量素子を接続したが、前記送信コイルに容量素子を接続しないで、受信部側の受信コイルに直列に容量素子を接続し、受信部側で受信コイルとこれに直列の容量素子とで共振回路を構成し、この共振回路により、送信部から受信部に電力伝送することでもよい。 In the present invention, the capacitive element is connected in series to the transmission coil in the transmission unit, but the capacitive element is connected in series to the reception coil on the reception unit side without connecting the capacitive element to the transmission coil. A resonance circuit may be configured by a receiving coil and a capacitive element in series on the receiving coil, and power may be transmitted from the transmission unit to the reception unit by the resonance circuit.
さらに、電源部にインダクタンスとコンデンサとの直列接続体を接続し、該コンデンサに送信コイルを接続して共振回路を構成してもよい。 Further, a resonance circuit may be configured by connecting a series connection body of an inductance and a capacitor to the power supply unit and connecting a transmission coil to the capacitor.
さらに、負荷部を整流回路とコンデンサと抵抗との並列回路で構成してもよい。 Furthermore, you may comprise a load part with the parallel circuit of a rectifier circuit, a capacitor | condenser, and resistance.
本発明では、電源部のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、送信コイルの漏れインダクタンス、送信コイルと受信コイルの相互インダクタンス、容量素子による容量と、受信コイルの漏れインダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部インダクタンスが共振するように、電源部の周波数を制御すると共に、受信コイルの出力端、すなわち、負荷部の電圧を所望の値にするように、電源部の電圧或いは電流或いは電力の振幅を制御するものである。 In the present invention, the inductance of the power supply unit, the transmission side wiring inductance, the transmission coil leakage inductance, the mutual inductance of the transmission coil and the reception coil, the capacitance by the capacitive element, the leakage inductance of the reception coil, the reception side wiring inductance, and the load unit inductance The frequency of the power supply unit is controlled so as to resonate, and the voltage of the power supply unit or the amplitude of the current or power is controlled so that the output terminal of the receiving coil, that is, the voltage of the load unit becomes a desired value. is there.
この場合、送信コイルと受信コイルとを漏れインダクタンスと相互インダクタンスに分け、受信コイルの相互インダクタンスを送信コイルの相互インダクタンスに換算した等価回路で考えた場合、電圧ベクトルでは相互インダクタンスでの電圧降下は、受信コイルの漏れインダクタンスと受信側配線インダクタンスとの電圧降下と、負荷部での電圧降下との合成であり、相互インダクタンスの電圧降下は、概略、負荷部電圧降下に等しくなり、受信部の相互インダクタンスから負荷部に電流を流すことで、該負荷部に電力を伝送することができる。 In this case, when considering an equivalent circuit in which the transmission coil and the reception coil are divided into leakage inductance and mutual inductance and the mutual inductance of the reception coil is converted into the mutual inductance of the transmission coil, the voltage drop at the mutual inductance in the voltage vector is This is a combination of the voltage drop between the leakage inductance of the receiving coil and the receiving side wiring inductance and the voltage drop at the load. The voltage drop of the mutual inductance is roughly equal to the load voltage drop, and the mutual inductance of the receiver. The electric power can be transmitted to the load unit by causing a current to flow through the load unit.
このように本発明では、電源部のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、送信コイルの漏れインダクタンス、送信コイルと受信コイルの相互インダクタンス、容量素子による容量と、受信コイルの漏れインダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部インダクタンスが共振するように、電源部の周波数を制御することで、負荷部に電力を伝送することができ、従来の電磁共鳴で必要とした送信側と受信側それぞれに容量素子を接続して共振回路を構成する必要はなくなり、電力伝送の設定が容易となった。 As described above, in the present invention, the inductance of the power supply unit, the transmission side wiring inductance, the transmission coil leakage inductance, the transmission coil and the reception coil mutual inductance, the capacitance of the capacitive element, the reception coil leakage inductance, the reception side wiring inductance, the load By controlling the frequency of the power supply part so that the part inductance resonates, it is possible to transmit power to the load part, and by connecting a capacitive element to each of the transmission side and the reception side required for conventional electromagnetic resonance. It is no longer necessary to configure a resonant circuit, making it easy to set up power transmission.
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るワイヤレス電力伝送装置を説明する。 Hereinafter, a wireless power transmission device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1を参照して、この装置は、電力伝送元として電源Vgを有する電源部1と、容量素子C1bと送信コイルL1bで構成される送信部3bと、受信コイルL2bを有する受信部5bと、電力伝送先としての負荷部7とを備える。電源部1は、出力電圧或いは出力電圧或いは出力電力の振幅と周波数とを制御する機能を備えている。
Referring to FIG. 1, this apparatus includes a
このワイヤレス電力伝送装置は、図1でモデル的に示されている。送信部3bと受信部5bは、間隔を隔てて配置されている。電源部1からの電力は、送信部3bから送信され、受信部5bで受信されると共に、負荷部7に伝送される。
This wireless power transmission apparatus is schematically shown in FIG. The
負荷部7は、実施形態では、抵抗Rで示すが、これに限定されない。送信部3bは、コンデンサC1bが単一であるが、単一に限定されるものではなく、その形態は要するに送信コイルL1bに直列に接続されるとよい。送信部3bは、電源部1に対して、直列に接続された形態となる。受信部5bは、既存の電磁共鳴方式のワイヤレス電力伝送装置とは異なって、受信コイルL2bにコンデンサが直列に接続されていない。
In the embodiment, the
図1では、電源部1のインダクタンス、その抵抗、送信側の配線インダクタンス、その抵抗、負荷部7のインダクタンス、その抵抗を考慮していないモデル図である。これに対して、図2は、電源部1のインダクタンスLg、送信側配線のインダクタンスLw1、受信側配線のインダクタンスLw2、負荷部7のインダクタンスLrを考慮したモデル図である。この図において電源部1の抵抗、送信側の配線インダクタンスの抵抗、負荷部7のインダクタンスの抵抗は考慮していない。
FIG. 1 is a model diagram that does not consider the inductance of the
実施形態のワイヤレス電力伝送装置では、コンデンサC1bの容量C1、電源部1のインダクタンスLg、送信側配線インダクタンスLw1、送信コイルL1bの漏れインダクタンス、送信コイルL1bと受信コイルL2bの相互インダクタンス、受信コイルL2bの漏れインダクタンス、受信側配線インダクタンスLw2、負荷部7のインダクタンスLrが共振するように、電源部1の周波数を制御すると共に、受信コイルL2bの出力端、すなわち、負荷部7の電圧を所望の値にするように、電源部1の電圧、電流、電力の振幅を制御するものである。
In the wireless power transmission device of the embodiment, the capacitance C 1 of the capacitor C1b, the inductance Lg of the
実施形態では、従来の電磁共鳴方式とは異なった構成となり、以下に説明する方式でワイヤレス電力伝送を行う。 In the embodiment, the configuration is different from the conventional electromagnetic resonance method, and wireless power transmission is performed by the method described below.
図3は、図2に対して送信部3bの漏れインダクタンスLe1と、受信部5bの漏れインダクタンスLe2を送信側に換算した換算漏れインダクタンスL´e2と、送信側からみた相互インダクタンスMとからなる等価回路であらわした場合の受信側の等価回路図であり、図4は、相互インダクタンスM間電圧VMに対して、受信側の換算漏れインダクタンスL´e2での電圧降下V´Le2と、受信側における送信側に換算した換算配線インダクタンスL´w2での電圧降下V´Lw2と、負荷部7のインダクタンスLrの送信側に換算した換算インダクタンスL´rでの電圧降下V´Lrと、負荷部7の抵抗Rの送信側に換算した抵抗R´での電圧降下V´rと、相互インダクタンスMの電流IMと、負荷部7への送信側に換算した電流I´Lのベクトル合成を示す図である。ここで、V´Le2、V´Lw2、V´Lrは、同相であり、V´rは、これらと90度位相が相違する。IMは相互インダクタンスVMに流れる励磁電流であり、I´Lは受信側に流れる負荷電流である。なお、本明細書では、各図において、電圧、電流の記号VM、V´Le2、V´Lw2、V´Lr、I´L、IMなどに付されるベクトル記号は省略している。
3 is based on the leakage inductance L e1 of the
この等価回路図において、容量素子C1bの容量C1と、送信側の合成インダクタンスL1、受信側の送信側換算合成インダクタンスL´2、相互インダクタンスMそれぞれに対し、電源部1の周波数fを、次式(1)が成立するように設定する。この場合、送信側の合成インダクタンスL1、受信側の送信側換算合成インダクタンスL´2、相互インダクタンスMはコイル間隔で変化します。そのような変化があっても共振状態を保つように周波数を制御する。なお、上記L´e2、L´w2、L´r、等の送信側への換算、また、相互インダクタンスM、等は、上記背景技術の欄で説明したので、その説明を省略する。
In this equivalent circuit diagram, the frequency f of the
ただし、fは、20kHz以上、数MHz程度以下である。また、L1は、電源部1のインダクタンスLg+送信側配線インダクタンスLw1+送信コイルL1bの漏れインダクタンスLe1であり、L´2は、受信コイルL2bの漏れインダクタンスLe2の送信側に換算した漏れインダクタンスL´e2+受信側配線インダクタンスLw2の送信側に換算した配線インダクタンスL´w2+負荷部7のインダクタンスLrの送信側に換算したインダクタンスL´rである。
However, f is 20 kHz or more and about several MHz or less. L 1 is the inductance Lg of the
f=1/2π[C1〔L1+(L´2・M)/(L´2+M)〕]1/2 …(1)
上記式(1)が成立すると、電源部1のインダクタンスLg、送信側配線インダクタンスLw1、送信コイルL1bのインダクタンス、コンデンサC1bの容量C1と、受信コイルL2bのインダクタンス、受信側の換算配線インダクタンスL´w2、負荷部7の換算インダクタンスL´rが共振するように、電源部1の周波数fを制御すると共に、負荷部7の電圧を所望の値にするように、電源部1の電圧、電流、電力の振幅を制御することができるようになっている。
f = 1 / 2π [C 1 [L 1 + (L ′ 2 · M) / (L ′ 2 + M)]] 1/2 (1)
When the formula (1) is satisfied, the inductance Lg of the
そして、図4のベクトル図で明らかであるように、送信コイルL1bの漏れインダクタンスLe1と受信コイルL2bの送信側に換算した漏れインダクタンスL´e2と前記相互インダクタンスMとの等価回路で考えた場合、電圧ベクトルでは相互インダクタンスMでの電圧降下VMは、受信コイルL2bの換算漏れインダクタンスL´e2と受信側の換算配線インダクタンスL´w2との電圧降下V´Le2+V´Lw2と、負荷部7の換算インダクタンスL´rによる電圧降下V´Lrと、負荷部7の抵抗Rにおける送信側に換算した抵抗R´による電圧降下V´rとの合成であり、相互インダクタンスMの電圧降下VMは、概略、負荷部7の電圧降下V´L=V´Lr+V´rに等しくなり、受信部5cの相互インダクタンスMから負荷部7に電流I´Lを流すことで、該負荷部7に電力を伝送することができる。
As is evident in the vector diagram of FIG. 4, when considered in the equivalent circuit of the leakage inductance L'e2 converted to the transmission side of the receiver coil L2b and leakage inductance L e1 transmission coils L1b and the mutual inductance M , the voltage drop V M of the mutual inductance M is the voltage vector, the voltage drop V'Le2 + V'Lw2 the conversion leakage inductance L'e2 of the reception coil L2b and converted wiring inductance L'w2 of the receiving side, the
なお、相互インダクタンスMの両端間電圧VMを負荷部7に伝達する条件をさらに説明する。相互インダクタンス両端間電圧VMは、換算漏れインダクタンスL´e2テ゛の電圧降下V´Le2、送信側に換算した配線インダクタンスL´w2での電圧降下V´LW2、負荷部7の換算インダクタンスL´rによる電圧降下V´Lr、負荷部7の抵抗Rにおける送信側に換算した抵抗R´による電圧降下V´rの和に等しいので、これらVM、V´Le2、V´LW2、V´Lr、V´rの間には次式(2)が成立する。
Incidentally, further explaining conditions for transmitting the voltage across V M of the mutual inductance M in the
VM=V´Le2+V´LW2+V´Lr+V´R …(2)
また、次式(3)〜(6)が成立する。
V M = V'Le2 + V'LW2 + V'Lr + V'R ... (2)
Moreover, following Formula (3)-(6) is materialized.
V´Le2=j・ω・L´e2・I´L…(3)
V´LW2=j・ω・L´W2・I´L…(4)
V´Lr=j・ω・L´r・I´L…(5)
V´L=R´・I´L…(6)
これらから、次式(7)が成立する。
V ' Le2 = j · ω · L' e2 · I ' L (3)
V ′ LW2 = j · ω · L ′ W2 · I ′ L (4)
V ′ Lr = j · ω · L ′ r · I ′ L (5)
V ′ L = R ′ · I ′ L (6)
From these, the following equation (7) is established.
VM=〔j・ω(L´e2+L´W2+L´r)+R´〕・I´L …(7)
式(6)と(7)とから、次式(8)が成立する。
V M = [j · ω (L ′ e2 + L ′ W2 + L ′ r ) + R ′] · I ′ L (7)
From the equations (6) and (7), the following equation (8) is established.
V´R=R´・I´L=[R´/〔j・ω(L´e2+L´W2+L´r)+R´〕]・VM
…(8)
式(8)の両辺に絶対値をとると、次式(9)が成立する。
V ′ R = R ′ · I ′ L = [R ′ / [j · ω (L ′ e2 + L ′ W2 + L ′ r ) + R ′]] · V M
... (8)
When absolute values are taken on both sides of the equation (8), the following equation (9) is established.
|V´R|=R´/〔ω2(L´e2 2+L´W2 2+L´r 2)+R´2〕1/2・|VM|
…(9)
|V´R|/|VM|=R´/〔ω2(L´e2 2+L´W2 2
+L´2 r)+R´2〕1/2…(10)
したがって、式(10)の値が0.7程度以上であれば、相互インダクタンスMの両端間電圧VMの大部分を、負荷部7に伝達させることができる。
| V ′ R | = R ′ / [ω 2 (L ′ e2 2 + L ′ W2 2 + L ′ r 2 ) + R ′ 2 ] 1/2 · | V M |
... (9)
| V ′ R | / | V M | = R ′ / [ω 2 (L ′ e2 2 + L ′ W2 2
+ L ′ 2 r ) + R ′ 2 ] 1/2 (10)
Therefore, if the value of formula (10) is more than about 0.7, most of the voltage across V M of the mutual inductance M, can be transferred to the
図5は、横軸に周波数f、縦軸に電力伝送効率(受信電力/送信電力の割合)%として送信側電力と受信側電力との間の共振特性を示す図である。図5で示すように、周波数fが共振周波数fcのときに電力伝送効率は最大効率となる。この共振周波数fcは、特に限定しないが、20kHz以上が好ましい。 FIG. 5 is a diagram illustrating the resonance characteristics between the transmission side power and the reception side power with the frequency f on the horizontal axis and the power transmission efficiency (ratio of reception power / transmission power)% on the vertical axis. As shown in FIG. 5, the power transmission efficiency becomes the maximum efficiency when the frequency f is the resonance frequency fc. The resonance frequency fc is not particularly limited, but is preferably 20 kHz or more.
以上により、実施形態では、電源部1のインダクタンスLg、送信側配線インダクタンスLw1、送信コイルL1bのインダクタンス、コンデンサC1bの容量C1、受信コイルL2bのインダクタンスL、受信側配線インダクタンスLw2、負荷部7のインダクタンスLrとからなる共振回路に対して、電源部1の周波数fを制御して共振周波数fcで共振動作させると、電源部1の電力を負荷部7に伝送することができる。
By the above, in the embodiment, the inductance Lg of the
このように本発明では、コンデンサC1bは送信側だけに設けると共に、全体を共振回路として、電源部1から負荷部7に電力を伝送することができるので、従来の電磁共鳴で必要とした送信側と受信側それぞれに漏れインダクタンスと容量とで共振回路を構成し、それら送信側と受信側の共振回路それぞれの共振周波数が一致するよう素子の定数調整などが必要でなくなり、電力伝送の設定が容易となった。
As described above, in the present invention, the capacitor C1b is provided only on the transmission side, and power can be transmitted from the
なお、本実施形態では、送信部3bにおける送信コイルL1bに直列にコンデンサC1bを接続したが、図6で示すように、送信部3cの送信コイルL1cにコンデンサを接続しないで、受信部5cの受信コイルL2cに直列にコンデンサC2cを接続して、上記共振回路を構成し、この共振回路により、電源部1から負荷部7に電力伝送することでもよい。ただし、図6では電源部1のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部7のインダクタンスは記載を省略している。
In the present embodiment, the capacitor C1b is connected in series to the transmission coil L1b in the
また、本実施形態では、送信部における送信コイルに直列にコンデンサを接続したが、図7で示すように、送信部3dの送信コイルL1dにコンデンサを接続しないで、電源部1にインダクタンスL3とコンデンサC3との直列接続体を接続し、該コンデンサC3に送信コイルL1dを接続して共振回路を構成してもよい。ただし、図7では電源部1のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部7のインダクタンスは記載を省略している。
In this embodiment, a capacitor is connected in series to the transmission coil in the transmission unit. However, as shown in FIG. 7, an inductance L3 and a capacitor are connected to the
また、本実施形態では、負荷部は、抵抗で構成しているが、これ限定されるものではなく、図8で示すように、負荷部7aとして、ダイオードD1〜D4からなる整流回路7a1と、この整流回路7a1の直流出力側に接続されるコンデンサC4、抵抗R等を含む構成でもよい。ただし、図8では電源部1のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部7のインダクタンスは記載を省略している。
In the present embodiment, the load unit is configured by a resistor, but is not limited thereto, and as illustrated in FIG. 8, as the
さらに、また、送信コイルが発生し受信コイルに鎖交する磁束が減少しない範囲で、送信コイルが発生する磁束が、送信コイルと受信コイルの周囲に飛散しないように、送信コイル及び受信コイルの近傍に強磁性体を必要に応じて配置する。 Further, in the vicinity of the transmitting coil and the receiving coil, the transmitting coil generates and the magnetic flux generated by the transmitting coil does not decrease within the range where the magnetic flux generated by the transmitting coil does not decrease. A ferromagnetic material is disposed on the surface as necessary.
1 電源部
3b 送信部
5b 受信部
7 負荷部
DESCRIPTION OF
本発明は、電力をワイヤレスにて伝送するワイヤレス電力伝送装置に関するものである。 The present invention relates to a wireless power transmission apparatus that wirelessly transmits power.
電力をワイヤレスにて伝送するワイヤレス電力伝送は、ノートPC、ポケットPC、携帯端末、その他の各種機器、装置に対しても行われるようになってきている。 Wireless power transmission for transmitting power wirelessly has been performed for notebook PCs, pocket PCs, portable terminals, and other various devices and apparatuses.
こうしたワイヤレス電力伝送は、従来、電磁誘導方式で行われている。 Such wireless power transmission is conventionally performed by an electromagnetic induction method.
この電磁誘導方式は、送信コイルと受信コイルとの電磁結合により電力伝送するものである(特許文献1参照)。 This electromagnetic induction system transmits power by electromagnetic coupling between a transmission coil and a reception coil (see Patent Document 1).
電磁誘導方式のワイヤレス電力伝送装置を、図9を参照して説明すると、1は電源Vgを有する電源部、3は送信コイルL1を有する送信部、5は受信コイルL2とこれに並列の容量素子C2とを有する受信部、7は抵抗Rによる負荷部である。
An electromagnetic induction type wireless power transmission apparatus will be described with reference to FIG. 9. 1 is a power supply unit having a power supply Vg, 3 is a transmission unit having a transmission coil L1, and 5 is a reception coil L2 and a capacitive element in parallel therewith. A receiving
図9のワイヤレス電力伝送装置では、送信コイルL1に発生した電磁界を、受信コイルL2に誘導し、負荷部7に電力を伝送する。ここで受信部5の容量素子C2は、受信コイルL2に大きい誘導起電力を得るためである。
In the wireless power transmission device of FIG. 9, an electromagnetic field generated in the transmission coil L <b> 1 is guided to the reception coil L <b> 2 and power is transmitted to the
しかしながら、図9に示す電磁誘導方式のワイヤレス電力伝送装置では、送信コイルL1と受信コイルL2との位置合わせが必要であり、そのため、かなり近接した距離でしか電力伝送ができない。 However, in the electromagnetic induction type wireless power transmission device shown in FIG. 9, the transmission coil L1 and the reception coil L2 need to be aligned, so that power transmission can be performed only at a considerably close distance.
そして、2006年にMIT(マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー)から電磁共鳴方式でワイヤレスにて電力を伝送するシステムが発表されている。 In 2006, MIT (Massachusetts Institute of Technology) announced a system for wirelessly transmitting power by electromagnetic resonance.
電磁共鳴方式は、送信コイルと受信コイルとの双方に容量素子を直列に接続し、それぞれLC共振器を備えた構成になっている。 The electromagnetic resonance system has a configuration in which capacitive elements are connected in series to both a transmission coil and a reception coil, and each includes an LC resonator.
そして、この電磁共鳴方式においては、磁界が支配的な近接場(エバネッセント場)を利用して電力伝送を行うものであり、その近接場において、上記一対のLC共振器を共振周波数で動作させることで、各LC共振器が発生する電磁界エネルギを共鳴させ、これによって、送信コイルから受信コイルへ電力を伝送するようになっている(特許文献2参照)。 In this electromagnetic resonance method, power transmission is performed using a near field (evanescent field) in which a magnetic field is dominant, and the pair of LC resonators are operated at a resonance frequency in the near field. Thus, the electromagnetic field energy generated by each LC resonator is resonated, whereby electric power is transmitted from the transmitting coil to the receiving coil (see Patent Document 2).
この電磁共鳴方式によるワイヤレス電力伝送装置を、図10を参照して説明すると、1は電源Vgを有する電源部、3aは容量素子C1aと送信コイルL1aでLC共振器を構成する送信部、5aは容量素子C2aと受信コイルL2aでLC共振器を構成する受信部、7は抵抗Rによる負荷部である。 The wireless power transmission apparatus according to the electromagnetic resonance, with reference to FIG. 10, 1 is the power supply unit having a power source Vg, 3a transmission portion constituting the LC resonator in the transmit coil L1a the capacitor C1a, 5a is A receiving unit that configures an LC resonator by the capacitive element C2a and the receiving coil L2a , and 7 is a load unit formed by a resistor R.
送信部3aでは、容量素子C1aと送信コイルL1aとが直列共振し、これにより送信コイルL1a周辺にその共振周波数に対応して振動する電磁界を発生させる。受信部5aでは、受信コイルL2aに前記電磁界を受けて電流が流れる。このとき、受信部5aでは、受信コイルL2aと容量素子C2aとで直列共振回路を構成しており、これらの直列共振回路により、負荷部7に電力が伝送される。この電磁共鳴方式の共振周波数は10MHz程度であり、電磁誘導方式と比較して高い周波数領域である。
In the
なお、この図10に示すワイヤレス電力伝送装置は、図11で示す等価回路で表すことができる。ここでは、電源部1のインダクタンス、送信側、受信側の配線インダクタンス、負荷部7のインダクタンスは無視している。図11において、Le1は、送信部3aにおける漏れインダクタンス、Le2は、受信部5aにおける漏れインダクタンスで、L´e2は漏れインダクタンスLe2を送信側に換算した(送信側からみた)換算インダクタンス、L 1 は、ここでは送信コイルL1aの自己インダクタンスL 11 と受信コイルL2aの自己インダクタンスL 22 とで形成される相互インダクタンスを送信側で表したもので、結合係数をkとすると、k・L 11 に等しい。C2は、コンデンサC2aの容量C2、C2´はコンデンサC2aの容量C2を送信側に換算した容量、Rは負荷部7の抵抗、R´は、負荷部7の抵抗Rを送信側に換算した抵抗、R2は受信側の抵抗、R2´は、受信側の抵抗R2を送信側に換算した抵抗である。これら送信側に換算した漏れインダクタンス等は送信側換算漏れインダクタンス等と称する場合がある。
The wireless power transmission device shown in FIG. 10 can be represented by the equivalent circuit shown in FIG. Here, the inductance of the
このような等価回路で表すワイヤレス電力伝送装置では、送信部3a内のインダクタンスLe1、相互インダクタンスMとコンデンサC1aの容量C1とからなる共振回路が共振し、受信部5a内のインダクタンスL´e2、相互インダクタンスMと、コンデンサC2aの送信側換算容量C2´とからなる共振回路が共振し、送信コイルL1aと受信コイルL2aとの結合係数k(送信コイルL1aと受信コイルL2aとの結合係数)に依存し、結合係数kが大きいときは2つの共振周波数で、結合係数kが小さいときは1つの共振周波数に一致するか一致に近い関係のときに、電力伝送が行われる。
In wireless power transmission device represented by such equivalent circuit, the inductance L e1 in the
このような電磁共鳴方式によるワイヤレス電力伝送装置では、電力の伝送効率では電磁誘導方式のそれと比較して低下するが、電力の伝送距離を伸ばすことができるという利点がある。 In such a wireless power transmission device using the electromagnetic resonance method, the power transmission efficiency is lower than that of the electromagnetic induction method, but there is an advantage that the power transmission distance can be extended.
しかしながら、従来の電磁共鳴方式のワイヤレス電力伝送装置においては、送信部3aと受信部5aとに、共に、容量素子C1,C2を必要としているが、送信部3aと受信部5aの位置関係が変化すると送信コイルL1aと受信コイルL2aとの結合係数kが変化するが、共振回路が2つであるので、結合係数kが大きく変化するときは2つの共振周波数で、結合係数kが小さく変化するときは1つの共振周波数で共振するようになり、前記電磁共鳴させるための前記容量素子C1,C2における容量設定が容易でなく、電力伝送の制御が煩雑で難しいという課題がある。
However, in the conventional electromagnetic resonance type wireless power transmission device, both the
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電磁誘導方式の欠点である送信コイルと受信コイルとの位置関係が変化しても、電源の電圧、電流、電力、周波数を制御することで位置ずれに対応でき、電磁共鳴方式の欠点であるワイヤレス電力伝送の設定作業の前記困難さを解消すると共に、電磁共鳴方式と同様に電力の伝送距離を伸ばすことができる新規な方式のワイヤレス電力伝送装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above, and by controlling the voltage, current, power, and frequency of the power supply even if the positional relationship between the transmission coil and the reception coil, which is a drawback of the electromagnetic induction system, changes. A new wireless power transmission that can cope with misalignment and eliminates the difficulty of wireless power transmission setting work, which is a drawback of the electromagnetic resonance system, and can extend the power transmission distance in the same way as the electromagnetic resonance system. A device is provided.
本発明によるワイヤレス電力伝送装置は、出力電圧或いは出力電流或いは出力電力の振幅と周波数を制御する機能を備えた電源部と、前記電源部に接続された送信コイルを含む送信部と、前記送信コイルに間隔を隔てて配置された受信コイルを含む受信部と、前記受信部に接続された負荷部とを備え、前記電源部の電力を前記両コイルを介して前記負荷部側に伝送する装置であって、前記電源部、前記送信部、および前記受信部のいずれかにコンデンサを接続して単一の共振回路を構成すると共に、前記電源部における前記周波数を制御して前記共振回路を共振動作させることで、前記電力の伝送を行うことを特徴とする。 A wireless power transmission device according to the present invention includes a power supply unit having a function of controlling an amplitude and frequency of output voltage, output current, or output power, a transmission unit including a transmission coil connected to the power supply unit, and the transmission coil A receiving unit including a receiving coil arranged at an interval between the receiving unit and a load unit connected to the receiving unit, wherein the power of the power supply unit is transmitted to the load unit side through the two coils. A capacitor is connected to any one of the power supply unit, the transmission unit, and the reception unit to form a single resonance circuit, and the resonance circuit operates by controlling the frequency in the power supply unit. By transmitting the power, the power is transmitted.
なお、負荷部を例えば抵抗で構成し、その抵抗の値をRとすると共に、その抵抗値Rを送信側に換算した抵抗R´とし、かつ、L´e2を受信コイルの漏れインダクタンスLe2を送信側に換算した漏れインダクタンスとして、〔R´/〔ω2(L´e2)2+(R´)2〕1/2の値を0.7程度以上、つまり、R´≧ω・L´e2 程度とすることで、相互インダクタンスの両端電圧を負荷部両端電圧と同等程度にして電力を伝送することができる。 The load unit is constituted by, for example, resistors, the value of the resistance as well as the R, and the resistance value R was converted to the sender resistor R', and the leakage inductance L e2 of the reception coil L'e2 As the leakage inductance converted to the transmission side, the value of [R ′ / [ω 2 (L ′ e2 ) 2 + (R ′) 2 ] 1/2 is about 0.7 or more, that is, R ′ ≧ ω · L ′. By setting it to about e2, power can be transmitted with the voltage across the mutual inductance being equivalent to the voltage across the load.
この場合、送信コイルと受信コイルとを漏れインダクタンスと相互インダクタンスに分け、受信コイルの相互インダクタンスを送信コイルの相互インダクタンスに換算した等価回路で考えた場合、電圧ベクトルでは相互インダクタンスでの電圧降下は、受信コイルの漏れインダクタンスと受信側配線インダクタンスとの電圧降下と、負荷部での電圧降下との合成であり、相互インダクタンスの電圧降下は、概略、負荷部電圧降下に等しくなり、受信部の相互インダクタンスから負荷部に電流を流すことで、該負荷部に電力を伝送することができる。 In this case, when considering an equivalent circuit in which the transmission coil and the reception coil are divided into leakage inductance and mutual inductance and the mutual inductance of the reception coil is converted into the mutual inductance of the transmission coil, the voltage drop at the mutual inductance in the voltage vector is This is a combination of the voltage drop between the leakage inductance of the receiving coil and the receiving side wiring inductance and the voltage drop at the load. The voltage drop of the mutual inductance is roughly equal to the load voltage drop, and the mutual inductance of the receiver. The electric power can be transmitted to the load unit by causing a current to flow through the load unit.
上記負荷部は、抵抗で構成されることに限定されるものではなく、整流回路と、この整流回路の直流出力側に接続されるコンデンサとか抵抗等も含むと共に、他の負荷回路等を含む。 The load section is not limited to a resistor, and includes a rectifier circuit, a capacitor connected to the DC output side of the rectifier circuit, a resistor, and the like, as well as other load circuits.
上記送信部は、送信コイルで構成されることに限定されるものではなく、配線インダクタンス等も含む。 The transmission unit is not limited to being configured with a transmission coil, and includes wiring inductance and the like.
上記受信部は、受信コイルで構成されることに限定されるものではなく、配線インダクタンス等も含む。 The receiving unit is not limited to a receiving coil, and includes a wiring inductance.
なお、好ましくは、前記電源部における前記周波数を制御して前記共振回路を共振動作させることに加えて、出力電圧或いは出力電流或いは出力電力の振幅を制御することで、前記電力の伝送を行うことが好ましい。 Preferably, in addition to controlling the frequency in the power supply unit to cause the resonance circuit to resonate, the power is transmitted by controlling the amplitude of the output voltage, output current, or output power. Is preferred.
好ましくは、前記共振回路が、前記送信部の送信コイルとこれに直列接続したコンデンサとの直列接続体で構成される。 Preferably, the resonance circuit includes a series connection body of a transmission coil of the transmission unit and a capacitor connected in series to the transmission coil.
好ましくは、前記共振回路が、前記受信部の受信コイルとこれに直列接続したコンデンサとの直列接続体で構成される。 Preferably, the resonance circuit includes a series connection body of a reception coil of the reception unit and a capacitor connected in series to the reception coil.
好ましくは、前記共振回路が、前記電源部のインダクタンスとコンデンサとの直列接続体で構成され、前記コンデンサが前記送信コイルに並列接続されている。 Preferably, the resonance circuit is configured by a serial connection body of an inductance and a capacitor of the power supply unit, and the capacitor is connected in parallel to the transmission coil.
好ましくは、前記共振回路の共振周波数を決めるインダクタンスに配線インダクタンスを含む。 Preferably, the inductance that determines the resonance frequency of the resonance circuit includes a wiring inductance.
好ましくは、前記送信コイルと前記受信コイル近傍に強磁性体を配置することである。 Preferably, a ferromagnetic material is disposed in the vicinity of the transmission coil and the reception coil.
なお、上記の電源部、送信コイル、受信コイル、各コンデンサ、各配線インダクタンスは抵抗を持つが、本明細書ではこれについては言及していない。 In addition, although said power supply part, a transmission coil, a receiving coil, each capacitor | condenser, and each wiring inductance have resistance, it is not mentioned in this specification.
好ましくは、前記送信コイルと受信コイルとを漏れインダクタンスと相互インダクタンスとの等価回路で表し、前記電源部のインダクタンスLgと、送信側配線インダクタンスLw1と、送信コイルの漏れインダクタンスLe1との合成インダクタンスをLΣ 1 、受信コイルの漏れインダクタンスLe2と、受信側配線インダクタンスLw2と、負荷部のインダクタンスLrとの合成インダクタンスLΣ 2 を送信側に換算した合成インダクタンスをL´Σ 2 、送信側からみた送信コイルと受信コイルとの相互インダクタンスをL 1 として、電源部の周波数fに対して、次式(1)を満足する。 Preferably, the expressed by an equivalent circuit of the transmitter coil and the receiver coil and the leakage inductance and mutual inductance, and the inductance Lg of the power supply unit, and the transmitting-side wiring inductance L w1, the combined inductance of the leakage inductance L e1 transmission coils LΣ 1 , the combined inductance LΣ 2 of the receiving coil leakage inductance Le 2 , the receiving side wiring inductance L w2, and the load portion inductance L r converted to the transmitting side is L′ Σ 2 , from the transmitting side. Assuming that the mutual inductance between the transmission coil and the reception coil is L 1 , the following expression (1) is satisfied with respect to the frequency f of the power supply unit.
f=1/2π[C1〔LΣ 1 +(L´Σ 2 ・L 1 )/((L´Σ 2 ・L 1 )〕]1/2
なお、負荷部を例えば抵抗で構成し、その抵抗の値をRとすると共に、その抵抗値Rを送信側に換算した抵抗R´とし、かつ、L´e2を受信コイルの漏れインダクタンスLe2を送信側に換算した漏れインダクタンスとして、〔R´/〔ω2(L´e2)2+(R´)2〕1/2の値を0.7程度以上、つまり、R´≧ω・L´e2 程度とすることで、相互インダクタンスの両端電圧を負荷部両端電圧と同等程度にして電力を伝送することができる。
f = 1 / 2π [C 1 [ LΣ 1 + ( L′ Σ 2 · L 1 ) / (( L′ Σ 2 · L 1 ) ]] 1/2
The load unit is constituted by, for example, resistors, the value of the resistance as well as the R, and the resistance value R was converted to the sender resistor R', and the leakage inductance L e2 of the reception coil L'e2 As the leakage inductance converted to the transmission side, the value of [R ′ / [ω 2 (L ′ e2 ) 2 + (R ′) 2 ] 1/2 is about 0.7 or more, that is, R ′ ≧ ω · L ′. By setting it to about e2, power can be transmitted with the voltage across the mutual inductance being equivalent to the voltage across the load.
なお、本発明では、前記送信部における送信コイルに直列に容量素子を接続したが、前記送信コイルに容量素子を接続しないで、受信部側の受信コイルに直列に容量素子を接続し、受信部側で受信コイルとこれに直列の容量素子とで共振回路を構成し、この共振回路により、送信部から受信部に電力伝送することでもよい。 In the present invention, the capacitive element is connected in series to the transmission coil in the transmission unit, but the capacitive element is connected in series to the reception coil on the reception unit side without connecting the capacitive element to the transmission coil. A resonance circuit may be configured by a receiving coil and a capacitive element in series on the receiving coil, and power may be transmitted from the transmission unit to the reception unit by the resonance circuit.
さらに、電源部にインダクタンスとコンデンサとの直列接続体を接続し、該コンデンサに送信コイルを接続して共振回路を構成してもよい。 Further, a resonance circuit may be configured by connecting a series connection body of an inductance and a capacitor to the power supply unit and connecting a transmission coil to the capacitor.
さらに、負荷部を整流回路とコンデンサと抵抗との並列回路で構成してもよい。 Furthermore, you may comprise a load part with the parallel circuit of a rectifier circuit, a capacitor | condenser, and resistance.
本発明では、電源部のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、送信コイルの漏れインダクタンス、送信コイルと受信コイルの相互インダクタンス、容量素子による容量と、受信コイルの漏れインダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部インダクタンスが共振するように、電源部の周波数を制御すると共に、受信コイルの出力端、すなわち、負荷部の電圧を所望の値にするように、電源部の電圧或いは電流或いは電力の振幅を制御するものである。 In the present invention, the inductance of the power supply unit, the transmission side wiring inductance, the transmission coil leakage inductance, the mutual inductance of the transmission coil and the reception coil, the capacitance by the capacitive element, the leakage inductance of the reception coil, the reception side wiring inductance, and the load unit inductance The frequency of the power supply unit is controlled so as to resonate, and the voltage of the power supply unit or the amplitude of the current or power is controlled so that the output terminal of the receiving coil, that is, the voltage of the load unit becomes a desired value. is there.
この場合、送信コイルと受信コイルとを漏れインダクタンスと相互インダクタンスに分け、受信コイルの相互インダクタンスを送信コイルの相互インダクタンスに換算した等価回路で考えた場合、電圧ベクトルでは相互インダクタンスでの電圧降下は、受信コイルの漏れインダクタンスと受信側配線インダクタンスとの電圧降下と、負荷部での電圧降下との合成であり、相互インダクタンスの電圧降下は、概略、負荷部電圧降下に等しくなり、受信部の相互インダクタンスから負荷部に電流を流すことで、該負荷部に電力を伝送することができる。 In this case, when considering an equivalent circuit in which the transmission coil and the reception coil are divided into leakage inductance and mutual inductance and the mutual inductance of the reception coil is converted into the mutual inductance of the transmission coil, the voltage drop at the mutual inductance in the voltage vector is This is a combination of the voltage drop between the leakage inductance of the receiving coil and the receiving side wiring inductance and the voltage drop at the load. The voltage drop of the mutual inductance is roughly equal to the load voltage drop, and the mutual inductance of the receiver. The electric power can be transmitted to the load unit by causing a current to flow through the load unit.
このように本発明では、電源部のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、送信コイルの漏れインダクタンス、送信コイルと受信コイルの相互インダクタンス、容量素子による容量と、受信コイルの漏れインダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部インダクタンスが共振するように、電源部の周波数を制御することで、負荷部に電力を伝送することができ、従来の電磁共鳴で必要とした送信側と受信側それぞれに容量素子を接続して共振回路を構成する必要はなくなり、電力伝送の設定が容易となった。 As described above, in the present invention, the inductance of the power supply unit, the transmission side wiring inductance, the transmission coil leakage inductance, the transmission coil and the reception coil mutual inductance, the capacitance of the capacitive element, the reception coil leakage inductance, the reception side wiring inductance, the load By controlling the frequency of the power supply part so that the part inductance resonates, it is possible to transmit power to the load part, and by connecting a capacitive element to each of the transmission side and the reception side required for conventional electromagnetic resonance. It is no longer necessary to configure a resonant circuit, making it easy to set up power transmission.
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るワイヤレス電力伝送装置を説明する。 Hereinafter, a wireless power transmission device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1を参照して、この装置は、電力伝送元として電源Vgを有する電源部1と、容量素子C1bと送信コイルL1bで構成される送信部3bと、受信コイルL2bを有する受信部5bと、電力伝送先としての負荷部7とを備える。電源部1は、出力電圧或いは出力電圧或いは出力電力の振幅と周波数とを制御する機能を備えている。
Referring to FIG. 1, this apparatus includes a
このワイヤレス電力伝送装置は、図1でモデル的に示されている。送信部3bと受信部5bは、間隔を隔てて配置されている。電源部1からの電力は、送信部3bから送信され、受信部5bで受信されると共に、負荷部7に伝送される。
This wireless power transmission apparatus is schematically shown in FIG. The
負荷部7は、実施形態では、抵抗Rで示すが、これに限定されない。送信部3bは、コンデンサC1bが単一であるが、単一に限定されるものではなく、その形態は要するに送信コイルL1bに直列に接続されるとよい。送信部3bは、電源部1に対して、直列に接続された形態となる。受信部5bは、既存の電磁共鳴方式のワイヤレス電力伝送装置とは異なって、受信コイルL2bにコンデンサが直列に接続されていない。
In the embodiment, the
図1では、電源部1のインダクタンス、その抵抗、送信側の配線インダクタンス、その抵抗、負荷部7のインダクタンス、その抵抗を考慮していないモデル図である。これに対して、図2は、電源部1のインダクタンスLg、送信側配線のインダクタンスLw1、受信側配線のインダクタンスLw2、負荷部7のインダクタンスLrを考慮したモデル図である。この図において電源部1の抵抗、送信側の配線インダクタンスの抵抗、負荷部7のインダクタンスの抵抗は考慮していない。
FIG. 1 is a model diagram that does not consider the inductance of the
実施形態のワイヤレス電力伝送装置では、コンデンサC1bの容量C1、電源部1のインダクタンスLg、送信側配線インダクタンスLw1、送信コイルL1bの漏れインダクタンス、送信コイルL1bと受信コイルL2bの相互インダクタンス、受信コイルL2bの漏れインダクタンス、受信側配線インダクタンスLw2、負荷部7のインダクタンスLrが共振するように、電源部1の周波数を制御すると共に、受信コイルL2bの出力端、すなわち、負荷部7の電圧を所望の値にするように、電源部1の電圧、電流、電力の振幅を制御するものである。
In the wireless power transmission device of the embodiment, the capacitance C 1 of the capacitor C1b, the inductance Lg of the
実施形態では、従来の電磁共鳴方式とは異なった構成となり、以下に説明する方式でワイヤレス電力伝送を行う。 In the embodiment, the configuration is different from the conventional electromagnetic resonance method, and wireless power transmission is performed by the method described below.
図3は、図2に対して送信部3bの漏れインダクタンスLe1と、受信部5bの漏れインダクタンスLe2を送信側に換算した換算漏れインダクタンスL´e2と、送信側からみた相互インダクタンスL1とからなる等価回路であらわした場合の受信側の等価回路図であり、図4は、相互インダクタンスL1間電圧VL1に対して、受信側の換算漏れインダクタンスL´e2での電圧降下V´Le2と、受信側における送信側に換算した換算配線インダクタンスL´w2での電圧降下V´Lw2と、負荷部7のインダクタンスLrの送信側に換算した換算インダクタンスL´rでの電圧降下V´Lrと、負荷部7の抵抗Rの送信側に換算した抵抗R´での電圧降下V´rと、相互インダクタンスMの電流IMと、負荷部7への送信側に換算した電流I´Lのベクトル合成を示す図である。ここで、V´Le2、V´Lw2、V´Lrは、同相であり、V´rは、これらと90度位相が相違する。IMは相互インダクタンスL1に流れる励磁電流であり、I´Lは受信側に流れる負荷電流である。なお、本明細書では、各図において、電圧、電流の記号VL1、V´Le2、V´Lw2、V´Lr、I´L、IMなどに付されるベクトル記号は省略している。
FIG. 3 shows the leakage inductance L e1 of the
この等価回路図において、容量素子C1bの容量C1と、送信側の合成インダクタンスL1、受信側の送信側換算合成インダクタンスL´2、相互インダクタンスL 1 それぞれに対し、電源部1の周波数fを、次式(1)が成立するように設定する。この場合、送信側の合成インダクタンスLΣ 1 、受信側の送信側換算合成インダクタンスL´Σ 2 、相互インダクタンスL 1 はコイル間隔で変化します。そのような変化があっても共振状態を保つように周波数を制御する。なお、上記L´e2、L´w2、L´r、等の送信側への換算、また、相互インダクタンスL 1 、等は、上記背景技術の欄で説明したので、その説明を省略する。
In this equivalent circuit diagram, the frequency f of the
ただし、fは、20kHz以上、数MHz程度以下である。また、LΣ 1 は、電源部1のインダクタンスLg+送信側配線インダクタンスLw1+送信コイルL1bの漏れインダクタンスLe1であり、L´Σ 2 は、受信コイルL2bの漏れインダクタンスLe2の送信側に換算した漏れインダクタンスL´e2+受信側配線インダクタンスLw2の送信側に換算した配線インダクタンスL´w2+負荷部7のインダクタンスLrの送信側に換算したインダクタンスL´rである。
However, f is 20 kHz or more and about several MHz or less. Further, Erushiguma 1, the inductance of the
f=1/2π[C1〔LΣ 1 +(L´Σ 2 ・L 1 )/((L´Σ 2 ・L 1 )〕]1/2 …(1)
上記式(1)が成立すると、電源部1のインダクタンスLg、送信側配線インダクタンスLw1、送信コイルL1bのインダクタンス、コンデンサC1bの容量C1と、受信コイルL2bのインダクタンス、受信側の換算配線インダクタンスL´w2、負荷部7の換算インダクタンスL´rが共振するように、電源部1の周波数fを制御すると共に、負荷部7の電圧を所望の値にするように、電源部1の電圧、電流、電力の振幅を制御することができるようになっている。
f = 1 / 2π [C 1 [ LΣ 1 + (L´Σ 2 ・ L 1 ) / ((L´Σ 2 ・ L 1 ) ]] 1/2 … (1)
When the formula (1) is satisfied, the inductance Lg of the
そして、図4のベクトル図で明らかであるように、送信コイルL1bの漏れインダクタンスLe1と受信コイルL2bの送信側に換算した漏れインダクタンスL´e2と前記相互インダクタンスL1との等価回路で考えた場合、電圧ベクトルでは相互インダクタンスL1での電圧降下VL1は、受信コイルL2bの換算漏れインダクタンスL´e2と受信側の換算配線インダクタンスL´w2との電圧降下V´Le2+V´Lw2と、負荷部7の換算インダクタンスL´rによる電圧降下V´Lrと、負荷部7の抵抗Rにおける送信側に換算した抵抗R´による電圧降下V´rとの合成であり、相互インダクタンスMの電圧降下VMは、概略、負荷部7の電圧降下V´L=V´Lr+V´rに等しくなり、受信部5cの相互インダクタンスL 1 から負荷部7に電流I´Lを流すことで、該負荷部7に電力を伝送することができる。
As it is evident in the vector diagram of FIG. 4, considered in the equivalent circuit of the leakage inductance L'e2 and the mutual inductance L 1 of the leakage inductance L e1 converted to the transmission side of the receiver coil L2b transmission coils L1b If the voltage drop V L1 of the mutual inductance L 1 is the voltage vector, the voltage drop V'Le2 + V'Lw2 the conversion leakage inductance L'e2 of the reception coil L2b and converted wiring inductance L'w2 of the receiving side, the load The voltage drop V ′ Lr due to the converted inductance L′ r of the
なお、相互インダクタンスL 1 の両端間電圧V L1 を負荷部7に伝達する条件をさらに説明する。相互インダクタンス両端間電圧V L1 は、換算漏れインダクタンスL´e2テ゛の電圧降下V´Le2、送信側に換算した配線インダクタンスL´w2での電圧降下V´LW2、負荷部7の換算インダクタンスL´rによる電圧降下V´Lr、負荷部7の抵抗Rにおける送信側に換算した抵抗R´による電圧降下V´rの和に等しいので、これらV L1 、V´Le2、V´LW2、V´Lr、V´rの間には次式(2)が成立する。
The conditions for transmitting the voltage V L1 across the mutual inductance L 1 to the
V L1 =V´Le2+V´LW2+V´Lr+V´R …(2)
また、次式(3)〜(6)が成立する。
V L1 = V'Le2 + V'LW2 + V'Lr + V'R ... (2)
Moreover, following Formula (3)-(6) is materialized.
V´Le2=j・ω・L´e2・I´L…(3)
V´LW2=j・ω・L´W2・I´L…(4)
V´Lr=j・ω・L´r・I´L…(5)
V´L=R´・I´L…(6)
これらから、次式(7)が成立する。
V ' Le2 = j · ω · L' e2 · I ' L (3)
V ′ LW2 = j · ω · L ′ W2 · I ′ L (4)
V ′ Lr = j · ω · L ′ r · I ′ L (5)
V ′ L = R ′ · I ′ L (6)
From these, the following equation (7) is established.
V L1 =〔j・ω(L´e2+L´W2+L´r)+R´〕・I´L …(7)
式(6)と(7)とから、次式(8)が成立する。
V L1 = [j · ω (L ′ e2 + L ′ W2 + L ′ r ) + R ′] · I ′ L (7)
From the equations (6) and (7), the following equation (8) is established.
V´R=R´・I´L=[R´/〔j・ω(L´e2+L´W2+L´r)+R´〕]・V L1 …(8)
式(8)の両辺に絶対値をとると、次式(9)が成立する。
V ′ R = R ′ · I ′ L = [R ′ / [j · ω (L ′ e2 + L ′ W2 + L ′ r ) + R ′]] · V L1 (8)
When absolute values are taken on both sides of the equation (8), the following equation (9) is established.
|V´R|=R´/〔ω2(L´e2 2+L´W2 2+L´r 2)+R´2〕1/2・|V L1 |…(9)
|V´R|/|V L1 |=R´/〔ω2(L´e2 2+L´W2 2
+L´2 r)+R´2〕1/2…(10)
したがって、式(10)の値が0.7程度以上であれば、相互インダクタンスL 1 の両端間電圧V L1 の大部分を、負荷部7に伝達させることができる。
| V ′ R | = R ′ / [ω 2 (L ′ e2 2 + L ′ W2 2 + L ′ r 2 ) + R ′ 2 ] 1/2 · | V L1 | (9)
| V ′ R | / | V L1 | = R ′ / [ω 2 (L ′ e2 2 + L ′ W2 2
+ L ′ 2 r ) + R ′ 2 ] 1/2 (10)
Therefore, if the value of Expression (10) is about 0.7 or more, most of the voltage V L1 across the mutual inductance L 1 can be transmitted to the
図5は、横軸に周波数f、縦軸に電力伝送効率(受信電力/送信電力の割合)%として送信側電力と受信側電力との間の共振特性を示す図である。図5で示すように、周波数fが共振周波数fcのときに電力伝送効率は最大効率となる。この共振周波数fcは、特に限定しないが、20kHz以上が好ましい。 FIG. 5 is a diagram illustrating the resonance characteristics between the transmission side power and the reception side power with the frequency f on the horizontal axis and the power transmission efficiency (ratio of reception power / transmission power)% on the vertical axis. As shown in FIG. 5, the power transmission efficiency becomes the maximum efficiency when the frequency f is the resonance frequency fc. The resonance frequency fc is not particularly limited, but is preferably 20 kHz or more.
以上により、実施形態では、電源部1のインダクタンスLg、送信側配線インダクタンスLw1、送信コイルL1bのインダクタンス、コンデンサC1bの容量C1、受信コイルL2bのインダクタンスL、受信側配線インダクタンスLw2、負荷部7のインダクタンスLrとからなる共振回路に対して、電源部1の周波数fを制御して共振周波数fcで共振動作させると、電源部1の電力を負荷部7に伝送することができる。
By the above, in the embodiment, the inductance Lg of the
このように本発明では、コンデンサC1bは送信側だけに設けると共に、全体を共振回路として、電源部1から負荷部7に電力を伝送することができるので、従来の電磁共鳴で必要とした送信側と受信側それぞれに漏れインダクタンスと容量とで共振回路を構成し、それら送信側と受信側の共振回路それぞれの共振周波数が一致するよう素子の定数調整などが必要でなくなり、電力伝送の設定が容易となった。
As described above, in the present invention, the capacitor C1b is provided only on the transmission side, and power can be transmitted from the
なお、本実施形態では、送信部3bにおける送信コイルL1bに直列にコンデンサC1bを接続したが、図6で示すように、送信部3cの送信コイルL1cにコンデンサを接続しないで、受信部5cの受信コイルL2cに直列にコンデンサC2cを接続して、上記共振回路を構成し、この共振回路により、電源部1から負荷部7に電力伝送することでもよい。ただし、図6では電源部1のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部7のインダクタンスは記載を省略している。
In the present embodiment, the capacitor C1b is connected in series to the transmission coil L1b in the
また、本実施形態では、送信部における送信コイルに直列にコンデンサを接続したが、図7で示すように、送信部3dの送信コイルL1dにコンデンサを接続しないで、電源部1にインダクタンスL3とコンデンサC3との直列接続体を接続し、該コンデンサC3に送信コイルL1dを接続して共振回路を構成してもよい。ただし、図7では電源部1のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部7のインダクタンスは記載を省略している。
In this embodiment, a capacitor is connected in series to the transmission coil in the transmission unit. However, as shown in FIG. 7, an inductance L3 and a capacitor are connected to the
また、本実施形態では、負荷部は、抵抗で構成しているが、これ限定されるものではなく、図8で示すように、負荷部7aとして、ダイオードD1〜D4からなる整流回路7a1と、この整流回路7a1の直流出力側に接続されるコンデンサC4、抵抗R等を含む構成でもよい。ただし、図8では電源部1のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部7のインダクタンスは記載を省略している。
In the present embodiment, the load unit is configured by a resistor, but is not limited thereto, and as illustrated in FIG. 8, as the
さらに、また、送信コイルが発生し受信コイルに鎖交する磁束が減少しない範囲で、送信コイルが発生する磁束が、送信コイルと受信コイルの周囲に飛散しないように、送信コイル及び受信コイルの近傍に強磁性体を必要に応じて配置する。 Further, in the vicinity of the transmitting coil and the receiving coil, the transmitting coil generates and the magnetic flux generated by the transmitting coil does not decrease within the range where the magnetic flux generated by the transmitting coil does not decrease. A ferromagnetic material is disposed on the surface as necessary.
1 電源部
3b 送信部
5b 受信部
7 負荷部
DESCRIPTION OF
本発明によるワイヤレス電力伝送装置は、出力電圧或いは出力電流或いは出力電力の振幅と周波数を制御する機能を備えた電源部と、前記電源部に接続された送信コイルを含む送信部と、前記送信コイルに間隔を隔てて配置された受信コイルを含む受信部と、前記受信部に接続された負荷部とを備え、前記電源部の電力を前記両コイルを介して前記負荷部側に伝送する装置であって、前記電源部、前記送信部、および前記受信部のいずれかにコンデンサを接続して単一の共振回路を構成すると共に、前記電源部における前記周波数を制御して前記共振回路を共振動作させることで、前記電力の伝送を行う一方、前記負荷部に抵抗を含み、その抵抗の値をRとすると共に、その抵抗値Rを送信側に換算した抵抗R´とし、かつ、L´ e2 を前記受信コイルの漏れインダクタンスL e2 を送信側に換算した漏れインダクタンスとして、〔R´/〔ω 2 (L´ e2 ) 2 +(R´) 2 〕 1/2 の値を0.7程度以上、つまり、R´≧ω・L´ e2 とすることで、前記両コイルにおける相互インダクタンスの両端電圧を負荷部両端電圧と同等程度にして電力を伝送することを特徴とする。 A wireless power transmission device according to the present invention includes a power supply unit having a function of controlling an amplitude and frequency of output voltage, output current, or output power, a transmission unit including a transmission coil connected to the power supply unit, and the transmission coil A receiving unit including a receiving coil arranged at an interval between the receiving unit and a load unit connected to the receiving unit, wherein the power of the power supply unit is transmitted to the load unit side through the two coils. A capacitor is connected to any one of the power supply unit, the transmission unit, and the reception unit to form a single resonance circuit, and the resonance circuit operates by controlling the frequency in the power supply unit. Thus, while transmitting the electric power , the load portion includes a resistor, the resistance value is R, the resistance value R is converted to the resistance R ′, and L ′ e2 The receiving The value of [R ′ / [ω 2 (L ′ e2 ) 2 + (R ′) 2 ] 1/2 is about 0.7 or more as the leakage inductance converted from the coil leakage inductance L e2 to the transmitting side , that is, By setting R ′ ≧ ω · L ′ e2 , electric power is transmitted by setting the voltage across the mutual inductance of both the coils to the same level as the voltage across the load portion .
f=1/2π[C1〔LΣ1+(L´Σ2・L1)/((L´Σ2 +L1)〕]1/2 …(1)
なお、負荷部を例えば抵抗で構成し、その抵抗の値をRとすると共に、その抵抗値Rを送信側に換算した抵抗R´とし、かつ、L´e2を受信コイルの漏れインダクタンスLe2を送信側に換算した漏れインダクタンスとして、〔R´/〔ω2(L´e2)2+(R´)2〕1/2の値を0.7程度以上、つまり、R´≧ω・L´e2 とすることで、相互インダクタンスの両端電圧を負荷部両端電圧と同等程度にして電力を伝送することができる。
f = 1 / 2π [C 1 [LΣ 1 + (L′ Σ 2 · L 1 ) / ((L′ Σ 2 + L 1 )]] 1/2 (1)
The load unit is constituted by, for example, resistors, the value of the resistance as well as the R, and the resistance value R was converted to the sender resistor R', and the leakage inductance L e2 of the reception coil L'e2 As the leakage inductance converted to the transmission side, the value of [R ′ / [ω 2 (L ′ e2 ) 2 + (R ′) 2 ] 1/2 is about 0.7 or more, that is, R ′ ≧ ω · L ′. By setting it to e2 , electric power can be transmitted by setting the voltage across the mutual inductance to the same level as the voltage across the load.
本発明では、電源部のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、送信コイルの漏れインダクタンス、送信コイルと受信コイルの相互インダクタンス、容量素子による容量と、受信コイルの漏れインダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部インダクタンスで決まる周波数で動作するように、電源部の周波数を制御すると共に、受信コイルの出力端、すなわち、負荷部の電圧を所望の値にするように、電源部の電圧或いは電流或いは電力の振幅を制御するものである。 In the present invention, the inductance of the power supply unit, transmitting-side wiring inductance, leakage inductance of the transmitting coil, the mutual inductance of the transmit coil receiving coil, the capacitance of the capacitive element, the receiving coil leakage inductance, the receiving-side wiring inductance, the load unit inductance Control the frequency of the power supply unit so that it operates at a determined frequency, and also control the amplitude of the voltage, current, or power of the power supply unit so that the output terminal of the receiving coil, that is, the voltage of the load unit becomes a desired value To do.
この等価回路図において、容量素子C1bの容量C1と、送信側の合成インダクタンスL1、受信側の送信側換算合成インダクタンスL´2、相互インダクタンスL1それぞれに対し、電源部1の周波数fを、次式(1)が成立するように設定する。この場合、送信側の合成インダクタンスLΣ1、受信側の送信側換算合成インダクタンスL´Σ2、相互インダクタンスL1はコイル間隔で変化する。そのような変化があっても共振状態を保つように周波数を制御する。なお、上記L´e2、L´w2、L´r、等の送信側への換算、また、相互インダクタンスL1、等は、上記背景技術の欄で説明したので、その説明を省略する。
In this equivalent circuit diagram, the frequency f of the
f=1/2π[C1〔LΣ1+(L´Σ2・L1)/((L´Σ2 +L1)〕]1/2 …(1)
上記式(1)が成立するように、すなわち、電源部1のインダクタンスLg、送信側配線インダクタンスLw1、送信コイルL1bのインダクタンス、コンデンサC1bの容量C1と、受信コイルL2bのインダクタンス、受信側の換算配線インダクタンスL´w2、負荷部7の換算インダクタンスL´rで決まる周波数で動作するように、電源部1の周波数fを制御すると共に、負荷部7の電圧を所望の値にするように、電源部1の電圧、電流、電力の振幅を制御することができるようになっている。
f = 1 / 2π [C 1 [LΣ 1 + (L´Σ 2・ L 1 ) / ((L´Σ 2 + L 1 )]] 1/2 … (1)
As the above formula (1) is satisfied, i.e., the inductance Lg, sender wiring inductance L w1 of the
以上により、実施形態では、電源部1のインダクタンスLg、送信側配線インダクタンスLw1、送信コイルL1bのインダクタンス、コンデンサC1bの容量C1、受信コイルL2bのインダクタンスL、受信側配線インダクタンスLw2、負荷部7のインダクタンスLr、抵抗Rとからなる共振回路に対して、電源部1の周波数fを制御して式(1)で決まる周波数で動作させて、電源部1の電力を負荷部7に伝送することができる。
By the above, in the embodiment, the inductance Lg of the
本発明によるワイヤレス電力伝送装置は、出力電圧或いは出力電流或いは出力電力の振幅と周波数を制御する機能を備えた電源部と、前記電源部に接続された送信コイルを含む送信部と、前記送信コイルに間隔を隔てて配置された受信コイルを含む受信部と、前記受信部に接続された負荷部とを備え、前記電源部の電力を前記両コイルを介して前記負荷部側に伝送する装置であって、前記送信部にコンデンサを接続して単一の共振回路を構成すると共に、前記電源部における前記周波数を制御して前記共振回路を共振動作させることで、前記電力の伝送を行う一方、前記負荷部に抵抗を含み、その抵抗の値をRとすると共に、その抵抗値Rを送信側に換算した抵抗R´とし、かつ、L´e2を前記受信コイルの漏れインダクタンスLe2を送信側に換算した漏れインダクタンスとして、〔R´/〔ω2(L´e2)2+(R´)2〕1/2の値を0.7程度以上、つまり、R´≧ω・L´e2とすることで、前記両コイルにおける相互インダクタンスの両端電圧を負荷部両端電圧と同等程度にして電力を伝送することを特徴とする。 A wireless power transmission device according to the present invention includes a power supply unit having a function of controlling an amplitude and frequency of output voltage, output current, or output power, a transmission unit including a transmission coil connected to the power supply unit, and the transmission coil A receiving unit including a receiving coil arranged at an interval between the receiving unit and a load unit connected to the receiving unit, wherein the power of the power supply unit is transmitted to the load unit side through the two coils. In addition, a capacitor is connected to the transmission unit to form a single resonance circuit, and the resonance circuit is operated by controlling the frequency in the power supply unit, thereby transmitting the power, It includes a resistor to the load unit, the value of the resistance as well as the R, and converted to a resistor R'the resistance value R on the transmission side and the transmission side leakage inductance L e2 of the reception coil L'e2 In As the converted leakage inductance, the value of [R ′ / [ω 2 (L ′ e2 ) 2 + (R ′) 2 ] 1/2 is about 0.7 or more, that is, R ′ ≧ ω · L ′ e2 . Thus, the power is transmitted with the voltage across the mutual inductance in both the coils equal to the voltage across the load.
図3は、図2に対して送信部3bの漏れインダクタンスLe1と、受信部5bの漏れインダクタンスLe2を送信側に換算した換算漏れインダクタンスL´e2と、送信側からみた相互インダクタンスL1とからなる等価回路であらわした場合の受信側の等価回路図であり、図4は、相互インダクタンスL1間電圧VL1に対して、受信側の換算漏れインダクタンスL´e2での電圧降下V´Le2と、受信側における送信側に換算した換算配線インダクタンスL´w2での電圧降下V´Lw2と、負荷部7のインダクタンスLrの送信側に換算した換算インダクタンスL´rでの電圧降下V´Lrと、負荷部7の抵抗Rの送信側に換算した抵抗R´での電圧降下V´rと、相互インダクタンスL1の電流IMと、負荷部7への送信側に換算した電流I´Lのベクトル合成を示す図である。ここで、V´Le2、V´Lw2、V´Lrは、同相であり、V´rは、これらと90度位相が相違する。IMは相互インダクタンスL1に流れる励磁電流であり、I´Lは受信側に流れる負荷電流である。なお、本明細書では、各図において、電圧、電流の記号VL1、V´Le2、V´Lw2、V´Lr、I´L、IMなどに付されるベクトル記号は省略している。
FIG. 3 is equivalent to FIG. 2 and consists of a leakage inductance Le1 of the
そして、図4のベクトル図で明らかであるように、送信コイルL1bの漏れインダクタンスLe1と受信コイルL2bの送信側に換算した漏れインダクタンスL´e2と前記相互インダクタンスL1との等価回路で考えた場合、電圧ベクトルでは相互インダクタンスL1での電圧降下VL1は、受信コイルL2bの換算漏れインダクタンスL´e2と受信側の換算配線インダクタンスL´w2との電圧降下V´Le2+V´Lw2と、負荷部7の換算インダクタンスL´rによる電圧降下V´Lrと、負荷部7の抵抗Rにおける送信側に換算した抵抗R´による電圧降下V´rとの合成であり、相互インダクタンスL1の電圧降下VL1は、概略、負荷部7の電圧降下V´L=V´Lr+V´rに等しくなり、受信部5cの相互インダクタンスL1から負荷部7に電流I´Lを流すことで、該負荷部7に電力を伝送することができる。
As apparent from the vector diagram of FIG. 4, when considering an equivalent circuit of the leakage inductance Le1 of the transmission coil L1b, the leakage inductance L'e2 converted to the transmission side of the reception coil L2b, and the mutual inductance L1, In the voltage vector, the voltage drop VL1 at the mutual inductance L1 is the voltage drop V'Le2 + V'Lw2 between the conversion leakage inductance L'e2 of the reception coil L2b and the conversion wiring inductance L'w2 on the reception side, and the conversion inductance of the
また、本実施形態では、負荷部は、抵抗で構成しているが、これに限定されるものではなく、図8で示すように、負荷部7aとして、ダイオードD1〜D4からなる整流回路7a1と、この整流回路7a1の直流出力側に接続されるコンデンサC4、抵抗R等を含む構成でもよい。ただし、図8では電源部1のインダクタンス、送信側配線インダクタンス、受信側配線インダクタンス、負荷部7のインダクタンスは記載を省略している。
Further, in the present embodiment, the load section is configured by a resistor, but is not limited to this, and as shown in FIG. 8, a rectifier circuit 7a1 including diodes D1 to D4 is used as the
Claims (8)
前記電源部、前記送信部、および前記受信部のいずれかにコンデンサを接続して共振回路を構成すると共に、前記電源部における前記周波数制御で前記共振回路を共振動作させることで、前記電力の伝送を行う、ことを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。 A power supply unit having a function of controlling the amplitude and frequency of output voltage or output current or output power, a transmission unit including a transmission coil connected to the power supply unit, and reception arranged at intervals in the transmission coil A device comprising a receiving unit including a coil, and a load unit connected to the receiving unit, wherein the power of the power supply unit is transmitted to the load unit side via both coils,
A resonance circuit is configured by connecting a capacitor to any one of the power supply unit, the transmission unit, and the reception unit, and the resonance circuit is resonated by the frequency control in the power supply unit, thereby transmitting the power. A wireless power transmission device characterized in that
f=1/2π[C1〔L1+(L´2・M)/(L´2+M)〕]1/2…(1) The transmission coil and the reception coil are represented by an equivalent circuit of a leakage inductance and a mutual inductance, and a combined inductance of the power supply unit inductance Lg, the transmission-side wiring inductance L w1, and the transmission coil leakage inductance L e1 is L 1. , a leakage inductance L e2 receiving coil, a receiving-side wiring inductance L w2, the combined inductance L 2 L'2 the combined inductance converted to the transmission side of the inductance L r of the load unit, a transmit coil viewed from the transmission side The apparatus according to claim 1, wherein the mutual inductance with the receiving coil is M and the following expression (1) is satisfied with respect to the frequency f of the power supply unit.
f = 1 / 2π [C 1 [L 1 + (L ′ 2 · M) / (L ′ 2 + M)]] 1/2 (1)
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