JP2015084641A - 非接触電力供給装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】給電部と受電部の距離を離しても、電力の供給が効率良く行える非接触電力供給装置を提供する。【解決手段】側壁、床部又は天井に取付けられ、高周波電源16に接続される一次コイル14を備えた給電部11と、自動車又は搬送台車に取付けられ、給電部11に隙間を有して対向配置され、二次コイル23を備える受電部13とを有する非接触電力供給装置において、無コアで平面状に螺旋巻きされた一次コイル14の背部には、一次コイル14を覆う第1の磁気シールド板19が配置され、無コアで平面状に螺旋巻きされた二次コイル23の背部には二次コイル23を覆う広さを有する第2の磁気シールド板24が設けられている。【選択図】図2
Description
本発明は、例えば移動自動車の負荷(例えば、バッテリ、電球、機械装置の電源等)に非接触で電力を供給する非接触電力供給装置に関する。
例えば、工場等で電池で動く車両は、定期的に電池を充電する必要があり、所定の場所に配置された充電器の近くに車両を止めて、接続コードを用いて車両の電池と充電器を接続し、電池への充電が行われていた。ところが、接続コードを用いて電池へ充電する場合、接続コードを電力供給源に接続する等、極めて手間であるので、例えば、特許文献1〜3に示すように、車両に非接触で電力を供給することが行われている。この特許文献1〜3においては、高周波電源に接続された一次コイルと、負荷に接続される二次コイルを有し、一次コイル側又は二次コイル側にL(リアクトル)とC(キャパシティ)からなる共振回路が設けられている。
テスラコイル−Wikipedia、(平成21年5月20日検索)、インターネット<URL:http://ja.wikipedia.org/wiki/ テスラコイル>
しかしながら、特許文献1〜3に記載のように、一次コイル側又は二次コイル側に共振回路を組み込むと、大きな負荷電流を得にくいという問題が発生した。この理由については、明確ではないが、回路に負荷が接続されているので、回路のキュー(Q)が下がると推定される。
特許文献4の図7には、可飽和鉄心を用い、負荷を接続する二次コイルの他に、共振用のコンデンサ(キャパシター)を負荷とする共振コイルを設けた電力供給装置が提案され、このキャパシター回路と二次コイルは電気的に絶縁状態であることが記載されている。しかしながら、このように構成しても、一次コイルと二次コイルの隙間が大きくなると、受電効率が極端に落ちて実用化にはならないという問題がある。
特許文献4の図7には、可飽和鉄心を用い、負荷を接続する二次コイルの他に、共振用のコンデンサ(キャパシター)を負荷とする共振コイルを設けた電力供給装置が提案され、このキャパシター回路と二次コイルは電気的に絶縁状態であることが記載されている。しかしながら、このように構成しても、一次コイルと二次コイルの隙間が大きくなると、受電効率が極端に落ちて実用化にはならないという問題がある。
一方、非特許文献1には、二次コイルの共振を利用する共振変圧器を用いたテスラコイルが提案され、二次側の系が共振状態にある場合には、一次回路側の誘導性インピーダンスが激減し一次コイルの発生する磁界が二次コイルに引き込まれて一次、二次間に非常に強い結合が得られることが記載されている。
しかしながら、これらの装置においては、一次コイルと二次コイルの間隔を離すと、二次コイルに大きな電流は発生しないという問題がある。
しかしながら、これらの装置においては、一次コイルと二次コイルの間隔を離すと、二次コイルに大きな電流は発生しないという問題がある。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、給電部と受電部の距離を離しても、電力の供給が十分に行える非接触電力供給装置を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係る非接触電力供給装置は、20kHz〜200kHzの発振周波数を有する高周波電源に接続される一次コイルを備えた給電部と、該給電部に隙間を有して対向配置され、前記一次コイルに磁気結合して該一次コイルから電力の供給を受ける二次コイルを備える受電部とを有する非接触電力供給装置において、
前記給電部に、前記一次コイルに磁気結合し、共振用の第1のコンデンサが接続された一次側共振コイルを設けると共に、前記受電部に、前記二次コイルに磁気結合し、共振用の第2のコンデンサが接続された二次側共振コイルを設けた。
前記給電部に、前記一次コイルに磁気結合し、共振用の第1のコンデンサが接続された一次側共振コイルを設けると共に、前記受電部に、前記二次コイルに磁気結合し、共振用の第2のコンデンサが接続された二次側共振コイルを設けた。
また、本発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次コイルと前記一次側共振コイルとは独立して巻回され、前記二次コイルと前記二次側共振コイルとは独立して巻回されているのが好ましい。
本発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次コイルと前記一次側共振コイルとは、それぞれ無コアで平面状に螺旋巻され、更に、前記二次コイルと前記二次側共振コイルとは、それぞれ無コアで平面状に螺旋巻されているのが好ましい。
本発明に係る非接触電力供給装置において、前記給電部には、前記一次コイルの前側に前記一次側共振コイルが配置され、前記受電部には、前記二次コイルの前側に前記二次側共振コイルが配置され、電力供給状態では、前記一次コイル、前記一次側共振コイル、前記二次側共振コイル、前記二次コイルの順にそれぞれが配置されているのが好ましい。
本発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次側共振コイルと前記第1のコンデンサで形成される一次側共振回路の共振周波数は、前記高周波電源の発振周波数に対して±3〜20%の範囲で相違し、前記二次側共振コイルと前記第2のコンデンサで形成される二次側共振回路の共振周波数は、前記高周波電源の発振周波数に対して±3%以内の誤差の範囲で同一であるのがより好ましい。
本発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次側共振コイル及び前記一次コイルの背部にはフェライトコアからなる第1の磁気シールド板を、前記二次側共振コイル及び前記二次コイルの背部にはフェライトコアからなる第2の磁気シールド板をそれぞれ配置することもできる。
そして、本発明に係る非接触電力供給装置において、前記二次側共振コイル及び前記二次コイルは、フェライトコアを用いて形成されるE型コアの中央磁極部に巻回されていることもできる。
本発明に係る非接触電力供給装置は、給電部に、一次コイルに磁気結合し、共振用の第1のコンデンサが接続された一次側共振コイルを設けているので、一次コイル側(即ち、一次側)に共振回路を構成でき、従って、一次コイルを通過する磁束の量を格段に増加させることができる。また、受電部に、二次コイルに磁気結合し、共振用の第2のコンデンサが接続された二次側共振コイルを設けているので、二次コイル側(即ち、二次側)に共振回路を構成でき、二次コイルを通過する磁束の量も格段に増加させることができる。そして、一次コイル側の共振周波数と二次コイル側の共振周波数を一致させると、給電部と受電部が多少離れていても磁気結合が密になり、電力の伝搬効率が増加する。
特に、本発明に係る非接触電力供給装置において、一次コイルと一次側共振コイルとが独立して巻回され、二次コイルと二次側共振コイルとが独立して巻回された場合には、一次側及び二次側共振コイルの電流による発熱の影響を受けない。更には、一次コイルと一次側共振コイルの間隔及び二次コイルと二次側共振コイルとの間隔も調整できる。
本発明に係る非接触電力供給装置において、一次コイルと一次側共振コイル、並びに二次コイルと二次側共振コイルとを、それぞれ無コアで平面状に螺旋巻した場合には、装置の製造が容易であり、お互いコイルの間隔の調整も容易となる。
本発明に係る非接触電力供給装置において、給電部には、一次コイルの前側に一次側共振コイルが配置され、受電部には、二次コイルの前側に二次側共振コイルが配置され、電力供給状態では、一次コイル、一次側共振コイル、二次側共振コイル、二次コイルの順にそれぞれが配置した場合には、一次コイル及び二次コイルの発熱が減少する。この理由は、一次側共振コイルと二次側共振コイルとの間に大量の磁束が生じ、その間に一次コイルや二次コイルがあると加熱されるが、一次側共振コイルと二次側共振コイルの外側にこれらのコイルがある場合は、通過する磁束が少ないので、一次コイル及び二次コイルの加熱が減少するものと解される。
そして、本発明に係る非接触電力供給装置において、一次側共振コイルと第1のコンデンサで形成される一次側共振回路の共振周波数は、高周波電源の発振周波数に対して±3〜20%の範囲で相違し、二次側共振コイルと第2のコンデンサで形成される二次側共振回路の共振周波数は、高周波電源の発振周波数に対して±3%以内の誤差の範囲で同一であるようにした場合には、一次側共振コイルに流れる電流を制御できるので、一次側共振コイルからの発熱が減少する。そして、二次側共振コイルは一次コイルから発生する磁束を効率よく集めることができる。
本発明に係る非接触電力供給装置において、一次側共振コイル及び一次コイルの背部にはフェライトコアからなる第1の磁気シールド板が、二次側共振コイル及び二次コイルの背部にはフェライトコアからなる第2の磁気シールド板がそれぞれ配置されている場合には、漏洩磁束を少なくして余分な箇所の加熱を防止し、送電効率を高めることができる。
また、本発明に係る非接触電力供給装置において、二次側共振コイル及び二次コイルが、フェライトコアを用いて形成されるE型コアの中央磁極部に巻回されている場合には、受電側の磁束漏れや発熱を押さえて、給電部から受電部の送電効率を更に高めることができる。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図1〜図4に示すように、本発明の第1の実施例に係る非接触電力供給装置10は、側壁、床部又は天井部に配置された給電部11と、移動車両12に給電部11と対向配置して設けられた受電部13とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
図1〜図4に示すように、本発明の第1の実施例に係る非接触電力供給装置10は、側壁、床部又は天井部に配置された給電部11と、移動車両12に給電部11と対向配置して設けられた受電部13とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
図2〜図4に示すように、給電部11には空心(無コア)で平面状に螺旋巻された(渦巻平面状に巻かれた)一次コイル14と、一次コイル14に磁気結合する一次側共振コイル15とを分離状態で有し、この一次コイル14には高周波電源16が接続され、一次側共振コイル15には共振用の第1のコンデンサ17が接続されている。この高周波電源16は交流電源の整流回路と、整流回路からの直流を20kHz〜200kHz(この実施例では、20kHz〜30kHz)の高周波に変換するインバータ回路とを有している。なお、この一次コイル14及び一次側共振コイル15はそれぞれ矩形の絶縁板からなる支持部材14a、15aの上に置かれて巻回され、全体が樹脂封止されている。
この実施例では、床部に給電部11が配置されているので、受電部13に近い側(即ち、上側)に一次側共振コイル15が、その後側(下側)に一次コイル14が配置され、更にその後側(下側)にフェライトコアからなる第1の磁気シールド板19(図1では省略されている)が配置されている。この第1の磁気シールド板19の広さは、一次コイル14及び一次側共振コイル15の全広さより大きくなって、一次コイル14を底から覆うようになっている。例えば、正方形の第1の磁気シールド板19の一辺は、一次側共振コイル15の外径の1.1〜1.5倍程度となっている。
一次コイル14の直上に設けられている一次側共振コイル15は、一次コイル14の上面とは、例えば、0〜40mmの垂直隙間bを有し、一次コイル14と第1の磁気シールド板19との隙間a間隔は5〜30mmの範囲である。なお、一次コイル14と一次側共振コイル15の隙間b、及び一次コイル14と第1の磁気シールド板19との隙間aを調整可能とすることもできる。
なお、この実施例では、一次コイル14の巻数は25〜40ターン、直径(コイルの外径)は180〜300mmとなって、一次側共振コイル15は一次コイル14と同一大きさで、その巻数が10〜15ターンとなっている。
移動車両12の底部に搭載されている受電部13は、給電部11に近い方から、二次側共振コイル22、二次コイル23、フェライトコアからなる第2の磁気シールド板24がそれぞれ隙間c、dを有して配置されている。なお、二次側共振コイル22、二次コイル23は、無コアで平面状に螺旋巻(渦巻)されて、それぞれ矩形の絶縁板からなる支持部材22a、23aの上に樹脂封止されている。第2の磁気シールド板24は、二次コイル23を十分に覆う広さを有し、二次側共振コイル22、二次コイル23によって発生する磁束の漏洩をできるだけ少なくし、更には、二次コイル23の背面側にある機器が加熱されないようにしている。
分離独立して配置された二次側共振コイル22と二次コイル23の隙間cは例えば、0〜40mmとなって、二次コイル23と第2の磁気シールド板24との隙間dは5〜30mmとなっている。二次コイル23と第2の磁気シールド板24との隙間dは調整可能とすることもできる。
二次側共振コイル22の巻数は10〜15ターン、二次コイル23の巻数は5〜7ターンとなっている。なお、二次コイル23に中間タップを設けてもよい。
二次側共振コイル22の巻数は10〜15ターン、二次コイル23の巻数は5〜7ターンとなっている。なお、二次コイル23に中間タップを設けてもよい。
一次側共振コイル15の矩形の支持部材15a、一次コイル14の矩形の支持部材14a、及び第1の磁気シールド板19は、四隅に貫通孔が設けられ、貫通孔にそれぞれ挿通する雄ねじ30と雄ねじ30に螺合する雌ねじによって固定されている。また、二次側共振コイル22を支持する矩形の支持部材22a、二次コイル23を支持する矩形の支持部材23a、及び第2の磁気シールド板24は、四隅に貫通孔が設けられ、貫通孔にそれぞれ挿通する雄ねじ33と雄ねじ33に螺合する雌ねじによって固定されている。
二次側共振コイル22には共振用の第2のコンデンサ34が接続されている。第1のコンデンサ17及び第2のコンデンサ34はそれぞれ複数の小容量のコンデンサを複数並列に接続し、大電流が流れるリード線の容量を確保している。
二次コイル23には、充電部(充電器)35が接続されて、高周波電流を直流に整流し、電池36を充電している。なお、当然のことながら、一次側共振コイル15、一次コイル14、二次側共振コイル22及び二次コイル23は磁気結合している。
二次コイル23には、充電部(充電器)35が接続されて、高周波電流を直流に整流し、電池36を充電している。なお、当然のことながら、一次側共振コイル15、一次コイル14、二次側共振コイル22及び二次コイル23は磁気結合している。
一次コイル14に供給される高周波電源16の発振周波数は20kHz〜200kHz(好ましくは、20kHz〜100kHz、更に好ましくは、20kHz〜30kHz)の範囲にあり、高周波電源16の発振周波数p(kHz)に対し、一次側共振コイル15と第1のコンデンサ17によって形成される一次側共振回路の共振周波数A1(kHz)は、±3〜20%の範囲で差異があるのが好ましい。従って、この場合一次側共振回路の共振周波数A1は、0.8p〜0.97p(kHz)又は1.03p〜1.2p(kHz)の範囲にある。なお、高周波電源の周波数が80kHzを超える場合は、一次側共振回路の共振周波数A1(kHz)は、±3〜10%の範囲で差異があるのがよい。
これによって、一次側共振コイル15及び第1のコンデンサ17を流れる電流は、一次側共振回路の共振周波数を高周波電源16の発振周波数に一致させた場合に比較して激減して、一次側共振コイル15からの発生する熱も抑制される。給電部11から受電部13に伝わる磁束は、一次側共振コイル15を流れる電流によって制御される。なお、一次側共振回路の共振周波数の設定は、受電部13を全く考慮しないで行うのがよい。
この共振周波数の設定は、給電部11においては、共振用の第1のコンデンサ17の容量調整を行うことによって行うのが好ましいが、一次側共振コイル15と一次コイル14の隙間b、又は一次コイル14と第1の磁気シールド板19の隙間aの調整を合わせて行ってもよい。
二次側共振コイル22と第2のコンデンサ34によって形成される二次側共振回路の共振周波数は、高周波電源16の発振周波数pに一致しているが、正確に合わせるのは困難であるので、±3%程度の誤差があっても、動作に支障は生じない。従って、二次側共振回路の共振周波数A2は、0.97p〜1.03p(kHz)の間にあるのが好ましいことになる。なお、二次側共振回路の共振周波数の調整は、受電部13で独立で行うことは困難であるので、給電部11を作動させて行うのがよい。
また、受電部13の共振周波数の設定は、共振用の第2のコンデンサ34の容量調整を行うのが簡単であるが、更に微調整を行う場合には、二次側共振コイル22と二次コイル23の隙間c、又は二次コイル23と第2の磁気シールド板24との隙間dを調整してもよい。
なお、給電部11と受電部13の共振周波数の調整は、給電部11と受電部13の隙間Lが200mm〜300mmと大きいので、独立に行っても大きな誤差は生じないし、これらを独立に調整した後、正規位置にセットして、再調整を行うことによって、正確に周波数設定が可能となる。
なお、給電部11と受電部13の共振周波数の調整は、給電部11と受電部13の隙間Lが200mm〜300mmと大きいので、独立に行っても大きな誤差は生じないし、これらを独立に調整した後、正規位置にセットして、再調整を行うことによって、正確に周波数設定が可能となる。
図1に示すように、この非接触電力供給装置10において、移動車両12の検知回路38を設け、高周波電源16のスイッチボックス39をオンにすることもできる。検知回路38としてはサーチコイルに微小の電流を流し、受電部13の二次側共振コイル22又は二次コイル23をそのインピーダンスの変化から検知するようにすることもできる。
続いて、本発明の作用効果を確認する第1の実験例について説明する。
図3に示す回路で、充電部35の代わりに、100Wの電球を5個並列に接続したものを負荷とし、給電部11及び受電部13の共振周波数を25kHz、高周波電源16の発振周波数を25kHzとして、Lの長さを変えた場合の、電球の電圧Vrmsを図5に示す。この実施例によれば、Lの長さが230mmの場合に、最大の出力を示す。
図3に示す回路で、充電部35の代わりに、100Wの電球を5個並列に接続したものを負荷とし、給電部11及び受電部13の共振周波数を25kHz、高周波電源16の発振周波数を25kHzとして、Lの長さを変えた場合の、電球の電圧Vrmsを図5に示す。この実施例によれば、Lの長さが230mmの場合に、最大の出力を示す。
従って、図5の結果から、給電部11と受電部13の距離Lを適正範囲(又は適正値)に設定すれば、適正範囲より距離Lが小さくなっても、受電電力は増加しないで減少するので、機器の過度の電流による故障等を防止できる。
また、図5において、距離Lを150mmにすると、高周波電源の発振周波数を25kHzとした場合には、出力が大きく減少する。そこで、高周波電源の発振周波数を上下すると、25.7kHz(Q点)と、24.7kHz(P点)で最大になり、それを過ぎるとまた下がる。そして、距離Lを80mmにすると高周波電源の発振周波数を25kHzとした場合には、出力が更に大きく減少するが、発振周波数を上下すると、24kHz(R点)と27kHz(S点)で最大値が発生する。
以上のことから、最初に距離Lを決めて、全体を一定の共振周波数に合わせていても、距離Lを小さくすると、給電部11と受電部13の磁気結合が変わって、給電部11と受電部13との共振周波数が個別に変わる(即ち、給電部11と受電部13が別々の共振周波数を有する)ことが判る。なお、距離Lが小さくなると、送受電効率は高まり、距離Lが230mmの時の電力より、共振時の送信電力は増加するはずであるが、今回の実験では高周波電源の容量が十分で無かったので、多少下がった結果となった。
続いて、図6〜図8を参照しながら、本発明の第2の実施例に係る非接触電力供給装置45について説明する。この実施例において、第1の実施例に係る非接触電力供給装置10と同一の構成要素については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
図6、図7に示すように、本発明の第2の実施例に係る非接触電力供給装置45は、側壁(又は床部若しくは天井部)に配置された給電部46と、給電部46に対向配置されて、例えば自動車、搬送台車等の移動車両47に設けられた受電部48とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
図6、図7に示すように、本発明の第2の実施例に係る非接触電力供給装置45は、側壁(又は床部若しくは天井部)に配置された給電部46と、給電部46に対向配置されて、例えば自動車、搬送台車等の移動車両47に設けられた受電部48とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
給電部46には空心で渦巻き平面状に巻かれた一次コイル49が固定状態で配置され、この一次コイル49には高周波電源16が接続されている。この高周波電源16は20kHz〜200kHz(この実施例では、20kHz〜30kHz)の高周波電力を出力している。
一次コイル49は、図7(A)、(B)に示すように、空心で角部が丸くなった角形(円形、楕円形であってもよい)で、かつ渦巻き平面状に銅線を8〜10回巻いて構成されている。また、この一次コイル49に隣り合わせて一次側共振コイル50が配置されている。この一次コイル49と一次側共振コイル50との間は絶縁シート51を配置するのが好ましい。この実施例では、一次側共振コイル50は、一次コイル49と同一構造となっている。
この一次側共振コイル50には、第1のコンデンサ52が直列に接続され、一次側共振回路を構成している。53、54は一次側共振コイル50のリード線であり、55、56は一次コイル49のリード線である。また、平面状となったこの一次コイル49の背部には、高周波磁気特性のよいフェライトコアからなるシールド板(磁気シールド板)57が配置されている。第1のコンデンサ52は、例えば高周波使用時に十分内部抵抗の小さい(tanδの小さい) 、複数のコンデンサを並列に接続して構成されるのが好ましい。
図8(A)、(B)に示すように、受電部48には分離状態で配置された二次コイル58と二次側共振コイル59を有し、これらの二次コイル58と二次側共振コイル59は、それぞれE形コア61の中央磁極部62に巻かれている。二次側共振コイル59の巻数は12回、二次コイル17の巻数は2回プラス2回の計4回で、中点を出力している。図8(A)において、63、64は二次側共振コイル59の接続用リード線で、第2のコンデンサ60が接続され、65〜68はそれぞれ2回巻の二次コイル58の接続用リード線となっている。
E形コア61は、平面視してE形に成形された4枚のフェライトコア板を重ね合わせて形成され、中央磁極部62の両側に端側磁極部69、70を有して、全体として、通過する磁束によって飽和しないような断面積を有している。このE形コア61の奥側に二次コイル58が手前側に二次側共振コイル59が配置されている。即ち、二次側共振コイル59は二次コイル58より一次コイル49に近い側に配置されている。これらの二次コイル58及び二次側共振コイル59は樹脂封止することもできるが、この実施例では空冷環境を保つため、樹脂封止はされていない。
本発明とは相違して、この第2の実施例に係る非接触電力供給装置45において、二次側共振コイル59を省略し、二次コイル58のみとした場合、E形コア61の厚みは二次コイル58のみを収納できればよいので、薄くし且つ軽量化を図ることができる。なお、場合によっては、二次側共振コイル59をそのまま残して、一次側共振コイル50を省略することも可能であるが、この場合は、給電部46と受電部48の磁気的結合を密にする必要がある。従って、このような一次側共振コイルや二次側共振コイルを省略した非接触電力供給装置も考えられるが、一次側共振コイルや二次側共振コイルを設けた非接触電力供給装置の方がより電力の送電効率が向上し、更に給電部と受電部との距離を大きくとることができる。
給電部46の後側に設けられている前記したシールド板57の平面視した寸法は、図8(A)に示すように正面視したE形コア61の縦寸法e及び横寸法gと同一か、多少広くなっている。シールド板57の厚みは発生する磁束によって飽和しないような断面積を有する厚みとなっている。このように、二次コイル58をE形コア61に巻き、一次コイル49の背面にシールド板57を設けることによって、全体の漏洩磁束を小さくすることができると共に、給電部46から受電部48への電力伝達効率を高めることができる。更に、二次側共振回路を設けることによって、給電部46及び受電部48の距離Lを伸ばすことができる。
二次コイル58には、整流回路を含む充電回路72が接続され、負荷である電池(バッテリ)73に直流電力を供給するようになっている。なお、この移動車両47には、この電池73を電源とするモータ及び制御装置が設けられ、車輪を駆動している。
次に、本発明に係る非接触電力供給装置の作用、効果を確認した第2の実験例について、図9〜図11を参照しながら説明する。
実験において、給電部11及び受電部13については、図2に示した非接触電力供給装置10と同一の構成のものを使用した。二次コイル23に接続される負荷80は、200W電球を10個(負荷RL=5Ω)又は5個(負荷RL=10Ω)並列に接続して使用した。
実験において、給電部11及び受電部13については、図2に示した非接触電力供給装置10と同一の構成のものを使用した。二次コイル23に接続される負荷80は、200W電球を10個(負荷RL=5Ω)又は5個(負荷RL=10Ω)並列に接続して使用した。
給電部11と受電部13とのギャップLを100mmとし、受電部13の二次側共振コイル22と第2のコンデンサ34で構成される二次側共振回路の共振周波数を約25kHzとし、高周波電源16の発振周波数を変えた場合の、負荷80の負荷電圧との関係を図10の中央部に示す。そして、図10の下部には一次側共振コイル15と二次側共振コイル22の両端の電圧(即ち、共振電圧)を示す。なお、この実験例では、一次側共振コイル15と第1のコンデンサ17によって形成される一次側共振回路の共振周波数は約28kHzとした。また、Vppはピークトゥーピーク電圧を、Vopは振幅電圧を示す。
この実験では、図10のP1とP2の部分に、給電部11から受電部13に同程度の電力を供給するピーク領域があるが、P1の領域では、一次側共振回路の共振電圧も1000Vppと高くなっており、結果として一次側共振コイル15に流れる電流も多いことになる。ところが、P2の領域、例えば、25.2kHzにおいては、一次側共振コイル15の電圧が350〜400Vppと小さくなり、その時の負荷電圧は、100〜125Vopとなって同程度の電力を効率良く受電部13に供給できている。
従って、この実験から、一次側共振回路の共振周波数は、高周波電源の発振周波数から適当な範囲でずらすのが好ましく、種々の実験から、高周波電源の発振周波数の例えば±3〜20%の範囲で相違するのが好ましいことが確認された。また、二次側共振回路の共振周波数は、高周波電源の発振周波数と大きく異なると、受電性能が下がるので、±3%の範囲で同一であることが好ましいことが確認された。なお、図10に示す実験においては、二次側共振回路の共振周波数の設定は、二次コイル、一次コイル、一次側共振周波数を全く考慮しないで行っているので、組み合わせた場合の二次側共振回路の共振周波数は、二次側共振コイルと第2のコンデンサのみの共振周波数とは多少の誤差があることも確認された。
図11は、高周波電源16の発振周波数を25kHzに固定し、給電部11と受電部13との距離Lが100mmである場合に、負荷電圧が最大となるように、一次側共振回路及び二次側共振回路の共振周波数を設定し、距離Lを変えた場合の負荷電圧の変化を示す。これによって、給電部11と受電部13の距離Lを変える(即ち、距離Lが小さくなっても)と、一次側及び二次側間のリアクタンスが変化するので、これに伴い、一次側共振周波数(及び二次側共振周波数)も変わって、出力が下がるものと思慮される。
本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、形状、寸法、巻数などは変更できる。なお、移動車両には自動車を含み、また、ロボット、移動又は固定状態の設備機械等への給電を行う場合も本発明は適用される。更に、給電部と受電部の取付け位置は縦及び横の任意であり、給電部と受電部の距離Lはその場の状況に応じて適宜変更できる。
また、前記実施例においては、一次コイル14及び一次側共振コイル15は無コアであったが、軸心にコアを設ける(即ち、有心コア)こともできる。更には、二次コイル23及び二次側共振コイル22においてもその軸心にコアを設けることもできる。
そしてまた、一次コイル14、一次側共振コイル15、二次コイル23及び二次側共振コイル22は平面状に螺旋巻していたが、これらの一部又は全部を筒状巻や多重巻とする場合も本発明は適用される。
そしてまた、一次コイル14、一次側共振コイル15、二次コイル23及び二次側共振コイル22は平面状に螺旋巻していたが、これらの一部又は全部を筒状巻や多重巻とする場合も本発明は適用される。
なお、以上の発明において、磁気シールド板としてフェライトコアを用いたが、高周波特性がよく鉄損が少ない材料であれば、他の素材を使用することもできる。
更に、以上の実施例においては、高周波電源の周波数は20kHz〜30kHzの範囲で実験されているが、20kHz〜200kHzの範囲でも本発明が成り立つことは当然である。
更に、以上の実施例においては、高周波電源の周波数は20kHz〜30kHzの範囲で実験されているが、20kHz〜200kHzの範囲でも本発明が成り立つことは当然である。
10:非接触電力供給装置、11:給電部、12:移動車両、13:受電部、14:一次コイル、15:一次側共振コイル、14a、15a:支持部材、16:高周波電源、17:第1のコンデンサ、19:第1の磁気シールド板、22:二次側共振コイル、23:二次コイル、22a、23a:支持部材、24:第2の磁気シールド板、30、33:雄ねじ、34:第2のコンデンサ、35:充電部、36:電池、38:検知回路、39:スイッチボックス、45:非接触電力供給装置、46:給電部、47:移動車両、48:受電部、49:一次コイル、50:一次側共振コイル、51:絶縁シート、52:第1のコンデンサ、53〜56:リード線、57:シールド板、58:二次コイル、59:二次側共振コイル、60:第2のコンデンサ、61:E形コア、62:中央磁極部、63〜68:リード線、69、70:端側磁極部、72:充電回路、73:電池、80:負荷
本発明は、例えば移動自動車の負荷(例えば、バッテリ、電球、機械装置の電源等)に非接触で電力を供給する非接触電力供給装置に関する。
例えば、工場等で電池で動く車両は、定期的に電池を充電する必要があり、所定の場所に配置された充電器の近くに車両を止めて、接続コードを用いて車両の電池と充電器を接続し、電池への充電が行われていた。ところが、接続コードを用いて電池へ充電する場合、接続コードを電力供給源に接続する等、極めて手間であるので、例えば、特許文献1〜3に示すように、車両に非接触で電力を供給することが行われている。この特許文献1〜3においては、高周波電源に接続された一次コイルと、負荷に接続される二次コイルを有し、一次コイル側又は二次コイル側にL(リアクトル)とC(キャパシティ)からなる共振回路が設けられている。
テスラコイル−Wikipedia、(平成21年5月20日検索)、インターネット<URL:http://ja.wikipedia.org/wiki/テスラコイル>
しかしながら、特許文献1〜3に記載のように、一次コイル側又は二次コイル側に共振回路を組み込むと、大きな負荷電流を得にくいという問題が発生した。この理由については、明確ではないが、回路に負荷が接続されているので、回路のキュー(Q)が下がると推定される。
特許文献4の図7には、可飽和鉄心を用い、負荷を接続する二次コイルの他に、共振用のコンデンサ(キャパシター)を負荷とする共振コイルを設けた電力供給装置が提案され、このキャパシター回路と二次コイルは電気的に絶縁状態であることが記載されている。しかしながら、このように構成しても、一次コイルと二次コイルの隙間が大きくなると、受電効率が極端に落ちて実用化にはならないという問題がある。
特許文献4の図7には、可飽和鉄心を用い、負荷を接続する二次コイルの他に、共振用のコンデンサ(キャパシター)を負荷とする共振コイルを設けた電力供給装置が提案され、このキャパシター回路と二次コイルは電気的に絶縁状態であることが記載されている。しかしながら、このように構成しても、一次コイルと二次コイルの隙間が大きくなると、受電効率が極端に落ちて実用化にはならないという問題がある。
一方、非特許文献1には、二次コイルの共振を利用する共振変圧器を用いたテスラコイルが提案され、二次側の系が共振状態にある場合には、一次回路側の誘導性インピーダンスが激減し一次コイルの発生する磁界が二次コイルに引き込まれて一次、二次間に非常に強い結合が得られることが記載されている。
しかしながら、これらの装置においては、一次コイルと二次コイルの間隔を離すと、二次コイルに大きな電流は発生しないという問題がある。
しかしながら、これらの装置においては、一次コイルと二次コイルの間隔を離すと、二次コイルに大きな電流は発生しないという問題がある。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、給電部と受電部の距離を離しても、電力の供給が十分に行える非接触電力供給装置を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係る非接触電力供給装置は、側壁、床部又は天井に取付けられ、20kHz〜200kHzの発振周波数を有する高周波電源に接続される一次コイルを備えた給電部と、自動車又は搬送台車に取付けられ、前記給電部に隙間を有して対向配置され、前記一次コイルに磁気結合して該一次コイルから電力の供給を受ける二次コイルを備える受電部とを有する非接触電力供給装置において、
無コアで平面状に螺旋巻きされた前記一次コイルの背部には、前記一次コイルを覆う第1の磁気シールド板が配置され、
無コアで平面状に螺旋巻きされた前記二次コイルの背部には該二次コイルを覆う広さを有する第2の磁気シールド板が設けられ、
前記受電部には前記給電部に近い方に、前記二次コイルに磁気結合し、共振用の第2のコンデンサが接続された無コアで平面状に螺旋巻きされた二次側共振コイルが設けられ、
しかも、前記第1、第2の磁気シールド板の磁性材料にフェライトが使用されている。
無コアで平面状に螺旋巻きされた前記一次コイルの背部には、前記一次コイルを覆う第1の磁気シールド板が配置され、
無コアで平面状に螺旋巻きされた前記二次コイルの背部には該二次コイルを覆う広さを有する第2の磁気シールド板が設けられ、
前記受電部には前記給電部に近い方に、前記二次コイルに磁気結合し、共振用の第2のコンデンサが接続された無コアで平面状に螺旋巻きされた二次側共振コイルが設けられ、
しかも、前記第1、第2の磁気シールド板の磁性材料にフェライトが使用されている。
また、本発明に係る非接触電力供給装置において、前記給電部は更に前記一次コイルに磁気結合し、共振用の第1のコンデンサが接続された一次側共振コイルを有し、前記一次コイルと前記一次側共振コイルとは独立して巻回され、前記二次コイルと前記二次側共振コイルとは独立して巻回されているのが好ましい。
本発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次側共振コイルと前記第1のコンデンサで形成される一次側共振回路の共振周波数は、前記高周波電源の発振周波数に対して±3〜20%の範囲で相違し、前記二次側共振コイルと前記第2のコンデンサで形成される二次側共振回路の共振周波数は、前記高周波電源の発振周波数に対して±3%以内の誤差の範囲で同一であるのがより好ましい。
本発明に係る非接触電力供給装置は、受電部に、二次コイルに磁気結合し、共振用の第2のコンデンサが接続された二次側共振コイルを設けているので、二次コイル側(即ち、二次側)に共振回路を構成でき、二次コイルを通過する磁束の量も格段に増加させることができる。そして、一次コイル側の共振周波数と二次コイル側の共振周波数を一致させると、給電部と受電部が多少離れていても磁気結合が密になり、電力の伝搬効率が増加する。
特に、本発明に係る非接触電力供給装置において、一次コイルと一次側共振コイルとが独立して巻回され、二次コイルと二次側共振コイルとが独立して巻回された場合には、一次側及び二次側共振コイルの電流による発熱の影響を受けない。更には、一次コイルと一次側共振コイルの間隔及び二次コイルと二次側共振コイルとの間隔も調整できる。
本発明に係る非接触電力供給装置において、一次コイル、並びに二次コイルと二次側共振コイルとを、それぞれ無コアで平面状に螺旋巻したので、装置の製造が容易であり、お互いコイルの間隔の調整も容易となる。
本発明に係る非接触電力供給装置において、給電部には、一次コイルの前側に一次側共振コイルが配置され、受電部には、二次コイルの前側に二次側共振コイルが配置され、電力供給状態では、一次コイル、一次側共振コイル、二次側共振コイル、二次コイルの順にそれぞれが配置した場合には、一次コイル及び二次コイルの発熱が減少する。この理由は、一次側共振コイルと二次側共振コイルとの間に大量の磁束が生じ、その間に一次コイルや二次コイルがあると加熱されるが、一次側共振コイルと二次側共振コイルの外側にこれらのコイルがある場合は、通過する磁束が少ないので、一次コイル及び二次コイルの加熱が減少するものと解される。
そして、本発明に係る非接触電力供給装置において、一次側共振コイルと第1のコンデンサで形成される一次側共振回路の共振周波数は、高周波電源の発振周波数に対して±3〜20%の範囲で相違し、二次側共振コイルと第2のコンデンサで形成される二次側共振回路の共振周波数は、高周波電源の発振周波数に対して±3%以内の誤差の範囲で同一であるようにした場合には、一次側共振コイルに流れる電流を制御できるので、一次側共振コイルからの発熱が減少する。そして、二次側共振コイルは一次コイルから発生する磁束を効率よく集めることができる。
本発明に係る非接触電力供給装置において、一次コイルの背部にはフェライトコアからなる第1の磁気シールド板が、二次側共振コイル及び二次コイルの背部にはフェライトからなる第2の磁気シールド板がそれぞれ配置されているので、漏洩磁束を少なくして余分な箇所の加熱を防止し、送電効率を高めることができる。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図1〜図4に示すように、本発明の第1の実施例に係る非接触電力供給装置10は、側壁、床部又は天井部に配置された給電部11と、移動車両12に給電部11と対向配置して設けられた受電部13とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
図1〜図4に示すように、本発明の第1の実施例に係る非接触電力供給装置10は、側壁、床部又は天井部に配置された給電部11と、移動車両12に給電部11と対向配置して設けられた受電部13とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
図2〜図4に示すように、給電部11には空心(無コア)で平面状に螺旋巻された(渦巻平面状に巻かれた)一次コイル14と、一次コイル14に磁気結合する一次側共振コイル15とを分離状態で有し、この一次コイル14には高周波電源16が接続され、一次側共振コイル15には共振用の第1のコンデンサ17が接続されている。この高周波電源16は交流電源の整流回路と、整流回路からの直流を20kHz〜200kHz(この実施例では、20kHz〜30kHz)の高周波に変換するインバータ回路とを有している。なお、この一次コイル14及び一次側共振コイル15はそれぞれ矩形の絶縁板からなる支持部材14a、15aの上に置かれて巻回され、全体が樹脂封止されている。
この実施例では、床部に給電部11が配置されているので、受電部13に近い側(即ち、上側)に一次側共振コイル15が、その後側(下側)に一次コイル14が配置され、更にその後側(下側)にフェライトコアからなる第1の磁気シールド板19(図1では省略されている)が配置されている。この第1の磁気シールド板19の広さは、一次コイル14及び一次側共振コイル15の全広さより大きくなって、一次コイル14を底から覆うようになっている。例えば、正方形の第1の磁気シールド板19の一辺は、一次側共振コイル15の外径の1.1〜1.5倍程度となっている。
一次コイル14の直上に設けられている一次側共振コイル15は、一次コイル14の上面とは、例えば、0〜40mmの垂直隙間bを有し、一次コイル14と第1の磁気シールド板19との隙間a間隔は5〜30mmの範囲である。なお、一次コイル14と一次側共振コイル15の隙間b、及び一次コイル14と第1の磁気シールド板19との隙間aを調整可能とすることもできる。
なお、この実施例では、一次コイル14の巻数は25〜40ターン、直径(コイルの外径)は180〜300mmとなって、一次側共振コイル15は一次コイル14と同一大きさで、その巻数が10〜15ターンとなっている。
移動車両12の底部に搭載されている受電部13は、給電部11に近い方から、二次側共振コイル22、二次コイル23、フェライトコアからなる第2の磁気シールド板24がそれぞれ隙間c、dを有して配置されている。なお、二次側共振コイル22、二次コイル23は、無コアで平面状に螺旋巻(渦巻)されて、それぞれ矩形の絶縁板からなる支持部材22a、23aの上に樹脂封止されている。第2の磁気シールド板24は、二次コイル23を十分に覆う広さを有し、二次側共振コイル22、二次コイル23によって発生する磁束の漏洩をできるだけ少なくし、更には、二次コイル23の背面側にある機器が加熱されないようにしている。
分離独立して配置された二次側共振コイル22と二次コイル23の隙間cは例えば、0〜40mmとなって、二次コイル23と第2の磁気シールド板24との隙間dは5〜30mmとなっている。二次コイル23と第2の磁気シールド板24との隙間dは調整可能とすることもできる。
二次側共振コイル22の巻数は10〜15ターン、二次コイル23の巻数は5〜7ターンとなっている。なお、二次コイル23に中間タップを設けてもよい。
二次側共振コイル22の巻数は10〜15ターン、二次コイル23の巻数は5〜7ターンとなっている。なお、二次コイル23に中間タップを設けてもよい。
一次側共振コイル15の矩形の支持部材15a、一次コイル14の矩形の支持部材14a、及び第1の磁気シールド板19は、四隅に貫通孔が設けられ、貫通孔にそれぞれ挿通する雄ねじ30と雄ねじ30に螺合する雌ねじによって固定されている。また、二次側共振コイル22を支持する矩形の支持部材22a、二次コイル23を支持する矩形の支持部材23a、及び第2の磁気シールド板24は、四隅に貫通孔が設けられ、貫通孔にそれぞれ挿通する雄ねじ33と雄ねじ33に螺合する雌ねじによって固定されている。
二次側共振コイル22には共振用の第2のコンデンサ34が接続されている。第1のコンデンサ17及び第2のコンデンサ34はそれぞれ複数の小容量のコンデンサを複数並列に接続し、大電流が流れるリード線の容量を確保している。
二次コイル23には、充電部(充電器)35が接続されて、高周波電流を直流に整流し、電池36を充電している。なお、当然のことながら、一次側共振コイル15、一次コイル14、二次側共振コイル22及び二次コイル23は磁気結合している。
二次コイル23には、充電部(充電器)35が接続されて、高周波電流を直流に整流し、電池36を充電している。なお、当然のことながら、一次側共振コイル15、一次コイル14、二次側共振コイル22及び二次コイル23は磁気結合している。
一次コイル14に供給される高周波電源16の発振周波数は20kHz〜200kHz(好ましくは、20kHz〜100kHz、更に好ましくは、20kHz〜30kHz)の範囲にあり、高周波電源16の発振周波数p(kHz)に対し、一次側共振コイル15と第1のコンデンサ17によって形成される一次側共振回路の共振周波数A1(kHz)は、±3〜20%の範囲で差異があるのが好ましい。従って、この場合一次側共振回路の共振周波数A1は、0.8p〜0.97p(kHz)又は1.03p〜1.2p(kHz)の範囲にある。なお、高周波電源の周波数が80kHzを超える場合は、一次側共振回路の共振周波数A1(kHz)は、±3〜10%の範囲で差異があるのがよい。
これによって、一次側共振コイル15及び第1のコンデンサ17を流れる電流は、一次側共振回路の共振周波数を高周波電源16の発振周波数に一致させた場合に比較して激減して、一次側共振コイル15からの発生する熱も抑制される。給電部11から受電部13に伝わる磁束は、一次側共振コイル15を流れる電流によって制御される。なお、一次側共振回路の共振周波数の設定は、受電部13を全く考慮しないで行うのがよい。
この共振周波数の設定は、給電部11においては、共振用の第1のコンデンサ17の容量調整を行うことによって行うのが好ましいが、一次側共振コイル15と一次コイル14の隙間b、又は一次コイル14と第1の磁気シールド板19の隙間aの調整を合わせて行ってもよい。
二次側共振コイル22と第2のコンデンサ34によって形成される二次側共振回路の共振周波数は、高周波電源16の発振周波数pに一致しているが、正確に合わせるのは困難であるので、±3%程度の誤差があっても、動作に支障は生じない。従って、二次側共振回路の共振周波数A2は、0.97p〜1.03p(kHz)の間にあるのが好ましいことになる。なお、二次側共振回路の共振周波数の調整は、受電部13で独立で行うことは困難であるので、給電部11を作動させて行うのがよい。
また、受電部13の共振周波数の設定は、共振用の第2のコンデンサ34の容量調整を行うのが簡単であるが、更に微調整を行う場合には、二次側共振コイル22と二次コイル23の隙間c、又は二次コイル23と第2の磁気シールド板24との隙間dを調整してもよい。
なお、給電部11と受電部13の共振周波数の調整は、給電部11と受電部13の隙間Lが200mm〜300mmと大きいので、独立に行っても大きな誤差は生じないし、これらを独立に調整した後、正規位置にセットして、再調整を行うことによって、正確に周波数設定が可能となる。
なお、給電部11と受電部13の共振周波数の調整は、給電部11と受電部13の隙間Lが200mm〜300mmと大きいので、独立に行っても大きな誤差は生じないし、これらを独立に調整した後、正規位置にセットして、再調整を行うことによって、正確に周波数設定が可能となる。
図1に示すように、この非接触電力供給装置10において、移動車両12の検知回路38を設け、高周波電源16のスイッチボックス39をオンにすることもできる。検知回路38としてはサーチコイルに微小の電流を流し、受電部13の二次側共振コイル22又は二次コイル23をそのインピーダンスの変化から検知するようにすることもできる。
続いて、本発明の作用効果を確認する第1の実験例について説明する。
図3に示す回路で、充電部35の代わりに、100Wの電球を5個並列に接続したものを負荷とし、給電部11及び受電部13の共振周波数を25kHz、高周波電源16の発振周波数を25kHzとして、Lの長さを変えた場合の、電球の電圧Vrmsを図5に示す。この実施例によれば、Lの長さが230mmの場合に、最大の出力を示す。
図3に示す回路で、充電部35の代わりに、100Wの電球を5個並列に接続したものを負荷とし、給電部11及び受電部13の共振周波数を25kHz、高周波電源16の発振周波数を25kHzとして、Lの長さを変えた場合の、電球の電圧Vrmsを図5に示す。この実施例によれば、Lの長さが230mmの場合に、最大の出力を示す。
従って、図5の結果から、給電部11と受電部13の距離Lを適正範囲(又は適正値)に設定すれば、適正範囲より距離Lが小さくなっても、受電電力は増加しないで減少するので、機器の過度の電流による故障等を防止できる。
また、図5において、距離Lを150mmにすると、高周波電源の発振周波数を25kHzとした場合には、出力が大きく減少する。そこで、高周波電源の発振周波数を上下すると、25.7kHz(Q点)と、24.7kHz(P点)で最大になり、それを過ぎるとまた下がる。そして、距離Lを80mmにすると高周波電源の発振周波数を25kHzとした場合には、出力が更に大きく減少するが、発振周波数を上下すると、24kHz(R点)と27kHz(S点)で最大値が発生する。
以上のことから、最初に距離Lを決めて、全体を一定の共振周波数に合わせていても、距離Lを小さくすると、給電部11と受電部13の磁気結合が変わって、給電部11と受電部13との共振周波数が個別に変わる(即ち、給電部11と受電部13が別々の共振周波数を有する)ことが判る。なお、距離Lが小さくなると、送受電効率は高まり、距離Lが230mmの時の電力より、共振時の送信電力は増加するはずであるが、今回の実験では高周波電源の容量が十分で無かったので、多少下がった結果となった。
続いて、図6〜図8を参照しながら、本発明の第2の実施例に係る非接触電力供給装置45について説明する。この実施例において、第1の実施例に係る非接触電力供給装置10と同一の構成要素については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
図6、図7に示すように、本発明の第2の実施例に係る非接触電力供給装置45は、側壁(又は床部若しくは天井部)に配置された給電部46と、給電部46に対向配置されて、例えば自動車、搬送台車等の移動車両47に設けられた受電部48とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
図6、図7に示すように、本発明の第2の実施例に係る非接触電力供給装置45は、側壁(又は床部若しくは天井部)に配置された給電部46と、給電部46に対向配置されて、例えば自動車、搬送台車等の移動車両47に設けられた受電部48とを有している。以下、これらについて詳しく説明する。
給電部46には空心で渦巻き平面状に巻かれた一次コイル49が固定状態で配置され、この一次コイル49には高周波電源16が接続されている。この高周波電源16は20kHz〜200kHz(この実施例では、20kHz〜30kHz)の高周波電力を出力している。
一次コイル49は、図7(A)、(B)に示すように、空心で角部が丸くなった角形(円形、楕円形であってもよい)で、かつ渦巻き平面状に銅線を8〜10回巻いて構成されている。また、この一次コイル49に隣り合わせて一次側共振コイル50が配置されている。この一次コイル49と一次側共振コイル50との間は絶縁シート51を配置するのが好ましい。この実施例では、一次側共振コイル50は、一次コイル49と同一構造となっている。
この一次側共振コイル50には、第1のコンデンサ52が直列に接続され、一次側共振回路を構成している。53、54は一次側共振コイル50のリード線であり、55、56は一次コイル49のリード線である。また、平面状となったこの一次コイル49の背部には、高周波磁気特性のよいフェライトコアからなるシールド板(磁気シールド板)57が配置されている。第1のコンデンサ52は、例えば高周波使用時に十分内部抵抗の小さい(tanδの小さい)、複数のコンデンサを並列に接続して構成されるのが好ましい。
図8(A)、(B)に示すように、受電部48には分離状態で配置された二次コイル58と二次側共振コイル59を有し、これらの二次コイル58と二次側共振コイル59は、それぞれE形コア61の中央磁極部62に巻かれている。二次側共振コイル59の巻数は12回、二次コイル17の巻数は2回プラス2回の計4回で、中点を出力している。図8(A)において、63、64は二次側共振コイル59の接続用リード線で、第2のコンデンサ60が接続され、65〜68はそれぞれ2回巻の二次コイル58の接続用リード線となっている。
E形コア61は、平面視してE形に成形された4枚のフェライトコア板を重ね合わせて形成され、中央磁極部62の両側に端側磁極部69、70を有して、全体として、通過する磁束によって飽和しないような断面積を有している。このE形コア61の奥側に二次コイル58が手前側に二次側共振コイル59が配置されている。即ち、二次側共振コイル59は二次コイル58より一次コイル49に近い側に配置されている。これらの二次コイル58及び二次側共振コイル59は樹脂封止することもできるが、この実施例では空冷環境を保つため、樹脂封止はされていない。
本発明とは相違して、この第2の実施例に係る非接触電力供給装置45において、二次側共振コイル59を省略し、二次コイル58のみとした場合、E形コア61の厚みは二次コイル58のみを収納できればよいので、薄くし且つ軽量化を図ることができる。なお、場合によっては、二次側共振コイル59をそのまま残して、一次側共振コイル50を省略することも可能であるが、この場合は、給電部46と受電部48の磁気的結合を密にする必要がある。従って、このような一次側共振コイルや二次側共振コイルを省略した非接触電力供給装置も考えられるが、一次側共振コイルや二次側共振コイルを設けた非接触電力供給装置の方がより電力の送電効率が向上し、更に給電部と受電部との距離を大きくとることができる。
給電部46の後側に設けられている前記したシールド板57の平面視した寸法は、図8(A)に示すように正面視したE形コア61の縦寸法e及び横寸法gと同一か、多少広くなっている。シールド板57の厚みは発生する磁束によって飽和しないような断面積を有する厚みとなっている。このように、二次コイル58をE形コア61に巻き、一次コイル49の背面にシールド板57を設けることによって、全体の漏洩磁束を小さくすることができると共に、給電部46から受電部48への電力伝達効率を高めることができる。更に、二次側共振回路を設けることによって、給電部46及び受電部48の距離Lを伸ばすことができる。
二次コイル58には、整流回路を含む充電回路72が接続され、負荷である電池(バッテリ)73に直流電力を供給するようになっている。なお、この移動車両47には、この電池73を電源とするモータ及び制御装置が設けられ、車輪を駆動している。
次に、本発明に係る非接触電力供給装置の作用、効果を確認した第2の実験例について、図9〜図11を参照しながら説明する。
実験において、給電部11及び受電部13については、図2に示した非接触電力供給装置10と同一の構成のものを使用した。二次コイル23に接続される負荷80は、200W電球を10個(負荷RL=5Ω)又は5個(負荷RL=10Ω)並列に接続して使用した。
実験において、給電部11及び受電部13については、図2に示した非接触電力供給装置10と同一の構成のものを使用した。二次コイル23に接続される負荷80は、200W電球を10個(負荷RL=5Ω)又は5個(負荷RL=10Ω)並列に接続して使用した。
給電部11と受電部13とのギャップLを100mmとし、受電部13の二次側共振コイル22と第2のコンデンサ34で構成される二次側共振回路の共振周波数を約25kHzとし、高周波電源16の発振周波数を変えた場合の、負荷80の負荷電圧との関係を図10の中央部に示す。そして、図10の下部には一次側共振コイル15と二次側共振コイル22の両端の電圧(即ち、共振電圧)を示す。なお、この実験例では、一次側共振コイル15と第1のコンデンサ17によって形成される一次側共振回路の共振周波数は約28kHzとした。また、Vppはピークトゥーピーク電圧を、Vopは振幅電圧を示す。
この実験では、図10のP1とP2の部分に、給電部11から受電部13に同程度の電力を供給するピーク領域があるが、P1の領域では、一次側共振回路の共振電圧も1000Vppと高くなっており、結果として一次側共振コイル15に流れる電流も多いことになる。ところが、P2の領域、例えば、25.2kHzにおいては、一次側共振コイル15の電圧が350〜400Vppと小さくなり、その時の負荷電圧は、100〜125Vopとなって同程度の電力を効率良く受電部13に供給できている。
従って、この実験から、一次側共振回路の共振周波数は、高周波電源の発振周波数から適当な範囲でずらすのが好ましく、種々の実験から、高周波電源の発振周波数の例えば±3〜20%の範囲で相違するのが好ましいことが確認された。また、二次側共振回路の共振周波数は、高周波電源の発振周波数と大きく異なると、受電性能が下がるので、±3%の範囲で同一であることが好ましいことが確認された。なお、図10に示す実験においては、二次側共振回路の共振周波数の設定は、二次コイル、一次コイル、一次側共振周波数を全く考慮しないで行っているので、組み合わせた場合の二次側共振回路の共振周波数は、二次側共振コイルと第2のコンデンサのみの共振周波数とは多少の誤差があることも確認された。
図11は、高周波電源16の発振周波数を25kHzに固定し、給電部11と受電部13との距離Lが100mmである場合に、負荷電圧が最大となるように、一次側共振回路及び二次側共振回路の共振周波数を設定し、距離Lを変えた場合の負荷電圧の変化を示す。これによって、給電部11と受電部13の距離Lを変える(即ち、距離Lが小さくなっても)と、一次側及び二次側間のリアクタンスが変化するので、これに伴い、一次側共振周波数(及び二次側共振周波数)も変わって、出力が下がるものと思慮される。
本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、形状、寸法、巻数などは変更できる。なお、移動車両には自動車を含み、また、ロボット、移動又は固定状態の設備機械等への給電を行う場合も本発明は適用される。更に、給電部と受電部の取付け位置は縦及び横の任意であり、給電部と受電部の距離Lはその場の状況に応じて適宜変更できる。
また、前記実施例においては、一次コイル14及び一次側共振コイル15は無コアであったが、軸心にコアを設ける(即ち、有心コア)こともできる。更には、二次コイル23及び二次側共振コイル22においてもその軸心にコアを設けることもできる。
そしてまた、一次コイル14、一次側共振コイル15、二次コイル23及び二次側共振コイル22は平面状に螺旋巻していたが、これらの一部又は全部を筒状巻や多重巻とする場合も本発明は適用される。
そしてまた、一次コイル14、一次側共振コイル15、二次コイル23及び二次側共振コイル22は平面状に螺旋巻していたが、これらの一部又は全部を筒状巻や多重巻とする場合も本発明は適用される。
なお、以上の発明において、磁気シールド板としてフェライトコアを用いたが、高周波特性がよく鉄損が少ない材料であれば、他の素材を使用することもできる。
更に、以上の実施例においては、高周波電源の周波数は20kHz〜30kHzの範囲で実験されているが、20kHz〜200kHzの範囲でも本発明が成り立つことは当然である。
更に、以上の実施例においては、高周波電源の周波数は20kHz〜30kHzの範囲で実験されているが、20kHz〜200kHzの範囲でも本発明が成り立つことは当然である。
10:非接触電力供給装置、11:給電部、12:移動車両、13:受電部、14:一次コイル、15:一次側共振コイル、14a、15a:支持部材、16:高周波電源、17:第1のコンデンサ、19:第1の磁気シールド板、22:二次側共振コイル、23:二次コイル、22a、23a:支持部材、24:第2の磁気シールド板、30、33:雄ねじ、34:第2のコンデンサ、35:充電部、36:電池、38:検知回路、39:スイッチボックス、45:非接触電力供給装置、46:給電部、47:移動車両、48:受電部、49:一次コイル、50:一次側共振コイル、51:絶縁シート、52:第1のコンデンサ、53〜56:リード線、57:シールド板、58:二次コイル、59:二次側共振コイル、60:第2のコンデンサ、61:E形コア、62:中央磁極部、63〜68:リード線、69、70:端側磁極部、72:充電回路、73:電池、80:負荷
Claims (4)
- 側壁、床部又は天井に取付けられ、20kHz〜200kHzの発振周波数を有する高周波電源に接続される一次コイルを備えた給電部と、自動車又は搬送台車に取付けられ、前記給電部に隙間を有して対向配置され、前記一次コイルに磁気結合して該一次コイルから電力の供給を受ける二次コイルを備える受電部とを有する非接触電力供給装置において、
無コアで平面状に螺旋巻きされた前記一次コイルの背部には、前記一次コイルを覆う第1の磁気シールド板が配置され、
無コアで平面状に螺旋巻きされた前記二次コイルの背部には該二次コイルを覆う広さを有する第2の磁気シールド板が設けられ、
前記受電部には前記給電部に近い方に、前記二次コイルに磁気結合し、共振用の第2のコンデンサが接続された無コアで平面状に螺旋巻きされた二次側共振コイルが設けられ、
しかも、前記第1、第2の磁気シールド板の磁性材料にフェライトが使用されていることを特徴とする非接触電力供給装置。 - 請求項1記載の非接触電力供給装置において、前記給電部は更に前記一次コイルに磁気結合し、共振用の第1のコンデンサが接続された一次側共振コイルを有し、前記一次コイルと前記一次側共振コイルとは独立して巻回され、前記二次コイルと前記二次側共振コイルとは独立して巻回されていることを特徴とする非接触電力供給装置。
- 請求項2記載の非接触電力供給装置において、前記給電部には、前記一次コイルの前側に前記一次側共振コイルが配置され、電力供給状態では、前記一次コイル、前記一次側共振コイル、前記二次側共振コイル、前記二次コイルの順にそれぞれが配置されていることを特徴とする非接触電力供給装置。
- 請求項2又は3記載の非接触電力供給装置において、前記一次側共振コイルと前記第1のコンデンサで形成される一次側共振回路の共振周波数は、前記高周波電源の発振周波数に対して±3〜20%の範囲で相違し、前記二次側共振コイルと前記第2のコンデンサで形成される二次側共振回路の共振周波数は、前記高周波電源の発振周波数に対して±3%以内の誤差の範囲で同一であることを特徴とする非接触電力供給装置。
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