JP2019097297A - 無線給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象となる受電電極部材の数を光学的に検出することなく、伝達効率を向上する無線給電装置を提供する。【解決手段】無線給電装置１２は、受電電極部材１４、送電電極部材１３および高周波生成部３１を備える。送電電極部材１３は、受電電極部材１４と対向して設けられ、インピーダンスが、電力を供給する対象となる受電電極部材１４の数が増加しても変化しないインピーダンスである飽和インピーダンスに設定されている。送電電極部材１３は、受電電極部材１４との間の静電容量を用いた電界結合によって受電電極部材１４へ無線で電力を供給する。高周波生成部３１は、送電電極部材１３に印加する高周波の電力を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、無線給電装置に関する。

電界共鳴を利用した無線給電装置の場合、送電から受電までの整合が電力の伝達効率に大きな影響を与える。仮に送電電極から電力を受け取る受電電極の数が一定であれば、この受電電極の数にあわせた整合回路を設定することにより、電力の伝達効率の最適化が図られる。一方、送電電極から数が変化する複数の対象物へ電力を伝達する場合、対象物の数が変化すると整合にも変化が生じる。

例えば、送電電極から電力を受け取る対象物の数、つまり受電電極の数が変化する場合、送電電極から電力を受け取る受電電極の数を検出する必要がある。そして、検出した受電電極の数にあわせた整合回路の制御が必要となる。この場合、送電電極への進入側および送電電極からの退出側にそれぞれ対象物を検出する光学的な装置を設け、送電電極から電力を受け取る対象物の数を検出することが考えられる。これにより、整合回路は、光学的に検出された対象物の数に基づいて制御される。

しかしながら、光学的に対象物の数を特定する場合、送電電極にあわせて対象物が進入および退出するための特定の進入口および退出口を設ける必要がある。また、電力の伝達を必要としない機器や物体が送電電極に進入すると、これらの機器や物体が誤って検出され、送電電極から電力を受け取る対象物の数を特定できないおそれがある。その結果、対象物の数にあわせた整合回路の制御が困難となり、電力の伝達効率の低下を招くという問題がある。

国際公開ＷＯ２０１４／００２１９０号公報

そこで、本発明の目的は、対象となる受電電極部材の数を光学的に検出することなく、伝達効率を向上する無線給電装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、受電電極部材に対して無線で電力を供給する送電電極部材のインピーダンスは、飽和インピーダンスに設定されている。飽和インピーダンスとは、電力を供給する対象となる受電電極部材の数が増加しても変化しないインピーダンスである。上述のように電力の伝達効率を高めるためには、送電電極部材は、この送電電極部材から電力の供給を受ける受電電極部材の数にあわせて整合を図る必要がある。すなわち、送電電極部材は、送電電極部材から電力の供給を受ける受電電極部材の数に合わせて、インピーダンスの整合を図る必要がある。従来、この課題に対して、受電電極部材の数を検出し、これにあわせてインピーダンスの制御を行なうことが主眼とされていた。

これに対し、本願発明者らは、送電電極部材から電力の供給を受ける受電電極部材の数が増加するにつれて、電力の供給を受ける対象となる受電電極部材の数が増加しても、インピーダンスの変化が小さくなること、つまりインピーダンスが飽和することを見出した。この受電電極部材の数が増加してもインピーダンスの変化が小さくなる送電電極部材のインピーダンスは、飽和インピーダンスである。送電電極部材のインピーダンスを、この飽和インピーダンスに設定することにより、送電電極部材から電力の供給を受ける受電電極部材の数が変化しても、電力の伝達効率はほとんど変化しなくなる。つまり、電力の伝達効率は、受電電極部材の数に対して不感性が高くなる。その結果、送電電極部材の数の検出は不要となり、その数を検出するための構成、そして検出した数にあわせた整合を図るための制御も不要となる。したがって、対象となる受電電極部材の数を光学的に検出することなく、伝達効率を向上することができる。

一実施形態による無線給電装置を適用した搬送システムの構成を示す概略図 一実施形態による無線給電装置を適用した搬送システムの構成を示す概略図 一実施形態による無線給電装置を適用した搬送システムの移動体の構成を示す概略図 一実施形態による無線給電装置の回路構成を示す概略図 一実施形態による無線給電装置に適用される整合回路の例を示す概略図 一実施形態による無線給電装置に適用される整合回路の例を示す概略図 無線給電装置を適用した搬送システムにおける移動体の数と送電電極部材のインピーダンスの実部との関係を示す概略図 無線給電装置を適用した搬送システムにおける移動体の数と送電電極部材のインピーダンスの虚部との関係を示す概略図

以下、無線給電装置の一実施形態について図面に基づいて説明する。
まず、無線給電装置を適用した搬送システムについて説明する。
図１に示すように、搬送システム１０は、移動体１１および無線給電装置１２を備える。無線給電装置１２は、送電電極部材１３および受電電極部材１４を備えている。送電電極部材１３は、例えば工場や倉庫など、搬送システム１０を用いる設備１５に設けられている。移動体１１は、図２に示すように設備１５に設定されている走行路１６に沿って移動する。移動体１１は、図３に示すように整流回路部２１、バッテリ２２、制御部２３および駆動部２４を有している。整流回路部２１は、受電電極部材１４で受け取った高周波を直流に整流する。バッテリ２２は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池で構成され、整流回路部２１で整流された電力を貯える。制御部２３は、バッテリ２２への充電を制御するとともに、駆動部２４で発生する駆動力を制御する。駆動部２４は、モータ２５および車輪２６を有しており、モータ２５によって車輪２６を回転駆動する。移動体１１は、駆動部２４で発生する駆動力によって走行路１６に沿って移動する。移動体１１は、図２に示すように送電電極部材１３と反対側の端面に荷物などを搭載する荷台２７を有している。

本実施形態の搬送システム１０の場合、送電電極部材１３は、移動体１１が移動する走行路１６のうち一部に設けられている。移動体１１は、走行路１６に沿って移動する際に、走行路１６の一部に設けられた送電電極部材１３と対向することにより、送電電極部材１３から駆動用の電源となる電力を受け取る。移動体１１は、受電電極部材１４で受け取った電力を、整流回路部２１で整流した後、バッテリ２２に貯える。送電電極部材１３の全長は、１台の移動体１１の全長よりも長く設定されている。送電電極部材１３の全長を延長することにより、２台以上の移動体１１が送電電極部材１３から同時に電力を受け取ることができる。

無線給電装置１２を構成する送電電極部材１３は、一対の並列するレール状に設けられている。送電電極部材１３は、直線状に限らず、設備の構造に応じた曲線状や屈曲状であってもよい。送電電極部材１３は、例えばアルミニウム、銅、あるいは鉄などの金属材料で形成され、板状である。無線給電装置１２を構成する受電電極部材１４は、移動体１１に設けられている。受電電極部材１４は、送電電極部材１３と同様に導電性の材料で形成されている。受電電極部材１４は、一対の送電電極部材１３に対応して移動体１１に一対設けられている。受電電極部材１４は、送電電極部材１３と対向している。この場合、送電電極部材１３と受電電極部材１４とは、所定の間隔を形成しつつ非接触で対向している。

このように、送電電極部材１３と受電電極部材１４との間に隙間を形成することにより、これらの間には誘電体となる空気が満たされる。これにより、送電電極部材１３と受電電極部材１４との間には、静電的な容量が確保される。そのため、送電電極部材１３から受電電極部材１４には、電界結合を利用して無線による電力の供給が行なわれる。

次に、本実施形態の無線給電装置１２について詳細に説明する。
図１に示すように無線給電装置１２は、上述した送電電極部材１３および受電電極部材１４に加え、高周波生成部３１、送電側整合回路部３２および電力回収部３３を備えている。送電電極部材１３は、高周波生成部３１に接続している。高周波生成部３１は、高周波を生成するＥ級インバータによって構成され、生成した高周波の電力を送電電極部材１３に印加する。高周波生成部３１は、主電源３４に接続している。高周波生成部３１は、主電源３４から得られた電力を用いて高周波を生成する。なお、高周波生成部３１は、Ｅ級インバータに限らず、高周波を生成可能であれば任意の構成とすることができる。

送電側整合回路部３２は、高周波生成部３１と送電電極部材１３との間に設けられている。一実施形態の場合、送電側整合回路部３２は、図４に示すように高周波生成部３１との間にバラン回路３５を挟んでいる。送電側整合回路部３２は、送電電極部材１３のインピーダンスを飽和インピーダンスに設定するための回路である。すなわち、送電側整合回路部３２は、送電電極部材１３のインピーダンスが飽和インピーダンスとなるように整合されている。高周波生成部３１と送電電極部材１３との間に送電側整合回路部３２を設けることにより、高周波生成部３１で生成される高周波と送電電極部材１３から発振される高周波との間の整合が図られる。なお、バラン回路３５は、省略してもよい。

電力回収部３３は、図１に示すように回収側整合回路部４１、整流回路部４２およびコンバータ４３を有している。回収側整合回路部４１は、送電電極部材１３に接続されている。回収側整合回路部４１は、送電電極部材１３と高周波生成部３１との間に設けられている。一実施形態の場合、回収側整合回路部４１は、図４に示すように整流回路部４２との間にバラン回路４４を挟んでいる。回収側整合回路部４１は、送電側整合回路部３２と同様に送電電極部材１３のインピーダンスを飽和インピーダンスに設定するための回路である。すなわち、回収側整合回路部４１は、送電電極部材１３のインピーダンスが飽和インピーダンスとなるように整合されている。送電電極部材１３と高周波生成部３１との間に回収側整合回路部４１を設けることにより、送電電極部材１３から電力を回収する場合でも、高周波生成部３１で生成される高周波と送電電極部材１３から発振される高周波との間の整合が図られる。なお、バラン回路４４は、省略してもよい。

送電側整合回路部３２および回収側整合回路部４１は、例えば図５および図６に示すような素子で構成された回路を有している。これら、図５および図６に示す送電側整合回路部３２および回収側整合回路部４１は、いずれも例示であり、機能を果たす範囲で任意の回路構成とすることができる。

図１に示す整流回路部４２は、回収側整合回路部４１を通して送電電極部材１３から回収した高周波を直流に整流する。コンバータ４３は、ＤＣ−ＤＣコンバータで構成されており、整流回路部４２で直流に整流された電力の電圧を変換し、高周波生成部３１へ印加する。上記のような構成により、電力回収部３３は、高周波生成部３１から送電電極部材１３に印加された送電用の電力のうち余剰となった電力を送電電極部材１３から回収する。そして、電力回収部３３は、回収した電力を高周波生成部３１へ供給する機能を果たす。

次に、上記の構成による無線給電装置１２の動作について詳細に説明する。
送電電極部材１３のインピーダンスは、図７および図８に示すように飽和する傾向を示す。すなわち、送電電極部材１３のインピーダンスは、送電電極部材１３と対向する移動体１１の数、つまり受電電極部材１４の数に応じて変化する。具体的には、送電電極部材１３におけるインピーダンスを実部と虚部とからなる複素数で表したとき、実数となる実部は、図７に示すように移動体１１の台数とともに受電電極部材１４の数が増加するにつれて小さくする。ところが、移動体１１の数、つまり送電電極部材１３から電力を受け取る受電電極部材１４の数が一定数を超えると、移動体１１の数が増加しても、インピーダンスの実部の変化はほとんど生じなくなる。このように、送電電極部材１３におけるインピーダンスの実部は、電力を受け取る受電電極部材１４の数が一定数を超えると、下限値で飽和する。

一方、送電電極部材１３のインピーダンスのうち虚数となる虚部は、図８に示すように移動体１１の台数とともに受電電極部材１４の数が増加するにつれて大きくなる。ところが、移動体１１の数、つまり送電電極部材１３から電力を受け取る受電電極部材１４の数が一定数を超えると、移動体１１の数が増加しても、インピーダンスの虚部の変化はほとんど生じなくなる。このように、送電電極部材１３におけるインピーダンスの虚部は、電力を受け取る受電電極部材１４の数が一定数を超えると、上限値で飽和する。以上のように、送電電極部材１３のインピーダンスには、移動体１１つまり受電電極部材１４の数の変化にかかわらず、インピーダンスの変化がほとんど生じない飽和領域が含まれている。

この飽和領域つまり飽和インピーダンスのとき、移動体１１の数、つまり送電電極部材１３から電力を受け取る受電電極部材１４の数が変化しても、送電電極部材１３と受電電極部材１４との間の整合にはほとんど影響が生じない。すなわち、送電電極部材１３が飽和インピーダンスのとき、送電電極部材１３から電力を受け取る受電電極部材１４を搭載した移動体１１の数が変化しても、送電電極部材１３と受電電極部材１４との間の電力の伝達効率はほとんど変化しない。そこで、本実施形態では、送電電極部材１３のインピーダンスは、移動体１１の数にかかわらず飽和インピーダンスに設定している。すなわち、本実施形態の場合、送電電極部材１３のインピーダンスは、初期値として飽和インピーダンスに設定されている。つまり、送電電極部材１３のインピーダンスは、初期値として実部が飽和する下限値に設定され、虚部が飽和する上限値に設定される。これにより、送電電極部材１３と対向する移動体１１つまり受電電極部材１４の数にかかわらず、送電電極部材１３のインピーダンスは一定の飽和インピーダンスに維持される。

以上説明した一実施形態では、送電電極部材１３のインピーダンスを、飽和インピーダンスに設定している。これにより、送電電極部材１３から受電電極部材１４への電力の伝達効率は、電力の供給を受ける受電電極部材１４の数の変化に対する影響が小さくなる。つまり、電力の伝達効率は、受電電極部材１４の数に対して不感性が高くなる。その結果、送電電極部材１３のインピーダンスを予め飽和インピーダンスに設定することにより、送電電極部材１３の数の検出は不要となり、その数を検出するための構成も不要となる。したがって、対象となる受電電極部材１４の数を光学的に検出することなく、伝達効率を向上することができる。

また、一実施形態では、送電電極部材１３と受電電極部材１４との整合のためにインピーダンスの変更や高周波の周波数を変更するといった制御が不要となる。つまり、一実施形態では、制御器による制御に依存することなく、送電電極部材１３と受電電極部材１４との間の整合が図られ、送電電極部材１３から受電電極部材１４への電力の伝達効率の維持が図られる。したがって、制御や機器の複雑化を招くことなく、受電電極部材１４の数が変化しても、全体的な電力の伝達効率の向上を図ることができる。

さらに、一実施形態では、電力回収部３３によって送電電極部材１３に供給された電力のうち余剰の電力を回収している。回収された電力は、再び高周波生成部３１から送電電極部材１３へ供給される。これにより、余剰の電力が有効に利用される。したがって、全体的な電力の伝達効率の向上を図ることができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１２は無線給電装置、１３は送電電極部材、１４は受電電極部材、３１は高周波生成部、３３は電力回収部、４１は回収側整合回路部、４２は整流回路部、４３はコンバータを示す。

Claims (3)

1. １つ以上の受電電極部材（１４）と、
   前記受電電極部材（１４）と対向して設けられ、インピーダンスが、電力を供給する対象となる前記受電電極部材（１４）の数が増加しても変化しないインピーダンスである飽和インピーダンスに設定され、前記受電電極部材（１４）との間の静電容量を用いた電界結合によって前記受電電極部材（１４）へ無線で電力を供給する送電電極部材（１３）と、
   前記送電電極部材（１３）に印加する高周波の電力を生成する高周波生成部（３１）と、
   を備える無線給電装置。
2. 前記送電電極部材（１３）から余剰の電力を回収する電力回収部（３３）をさらに備える請求項１記載の無線給電装置。
3. 前記電力回収部（３３）は、
   前記送電電極部材（１３）に接続され、インピーダンスが前記飽和インピーダンスに整合されている回収側整合回路部（４１）と、
   前記回収側整合回路部（４１）から回収した高周波を整流する整流回路部（４２）と、
   前記整流回路部（４２）で整流した電力の電圧を変換し、前記高周波生成部（３１）へ印加するコンバータ（４３）と、
   を有する請求項２記載の無線給電装置。

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