JP2020184824A - 無線給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷が変化する場合でも、スイッチング時における損失を低減し、効率の低下を低減する無線給電装置を提供する。【解決手段】無線給電装置１０は、高周波生成部１１、伝送部１２、負荷機器１３およびインピーダンス変更回路部１４を備える。高周波生成部１１は、高周波の電力を生成する。伝送部１２は、送電電極部１６および受電電極部１７を有し、高周波生成部１１で生成した高周波の電力を、電界結合を用いて送電電極部１６から受電電極部１７へ非接触で電力を伝達する。負荷機器１３は、伝送部１２を通して高周波生成部１１から受け取った電力で作動する。インピーダンス変更回路部１４は、高周波生成部１１の出力側に設けられ、負荷機器１３における負荷の変動にともなう負荷機器１３側のインピーダンスの変動にあわせて、高周波生成部１１におけるインピーダンスを変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、無線給電装置に関する。

例えばロボットやＡＧＶ（Automated Guided Vehicle）などの工場設備は、周辺に金属などの導体が多く存在することから、渦電流の発生が少ない電界結合を用いた無線給電装置が適している。電界結合を用いた無線給電装置の場合、数ＭＨｚ帯の高周波が用いられる。そのため、高周波を生成する高周波生成部として、プッシュプル型も含むＥ級インバータが用いられている。

このようなインバータは、損失を低減するために、最適負荷においてＺＶＳ（Zero Voltage Switching）となるように設計されている。そのため、インバータは、この最適負荷と異なる領域で作動すると、ＺＶＳが困難となり、スイッチング時における損失が発生し、効率の低下を招く。すなわち、電力の供給先である負荷機器の負荷が変化すると、インピーダンスの変化にともなってＺＶＳが困難となり、効率の低下を招く。そこで、例えばモータなどのアクチュエータなどのように負荷の変動をともなう負荷機器の場合、高周波生成部から電力の供給の対象となる側のインピーダンスを一定に保持するためにバッテリなどを組み合わせることが必須となる。

しかしながら、例えばロボットのように変動が激しい複数の負荷を備える場合、負荷ごとにバッテリなどを組み合わせると、体格および重量の増大を招くという問題がある。

特開２０１９−１７１５１号公報

そこで、負荷が変動する場合でも、スイッチング時における損失を低減し、効率の低下を低減する無線給電装置を提供することを目的とする。

本実施形態の無線給電装置は、インピーダンス変更回路部を備えている。インピーダンス変更回路部は、高周波生成部の出力側に設けられている。電界結合による無線給電を用いる伝送部を通して高周波生成部から電力の供給を受ける負荷機器は、その作動状態による負荷の変動にともなってインピーダンスが変動する。インピーダンス変更回路部は、負荷機器における負荷の変動にともなうインピーダンスに変動にあわせて、高周波生成部におけるインピーダンスを変更する。すなわち、インピーダンス変更回路部は、高周波生成部におけるインピーダンスを変更することにより、負荷機器における負荷の変動にともなってインピーダンスが変動しても、高周波生成部のインピーダンスを効率が高い高効率領域に合わせ込む。すなわち、負荷機器の実働領域におけるインピーダンスは、高周波生成部の高効率領域となるインピーダンスと重複する。したがって、負荷機器の負荷が変動する場合でも、高周波生成部のスイッチング時における損失を低減し、効率の低下を低減することができる。

第１実施形態による無線給電装置の電気的な回路構成を示す概略図 第１実施形態による無線給電装置のインピーダンス特性を示す概略図 インピーダンス変更回路部を備えない無線給電装置のインピーダンス特性を示す概略図 第１実施形態による無線給電装置および比較例による負荷と電力との関係を示す概略図 第１実施形態による無線給電装置の等価回路を示す概略図 第２実施形態による無線給電装置の等価回路を示す概略図 第３実施形態による無線給電装置の電気的な回路構成を示す概略図 第３実施形態による無線給電装置のインピーダンス変更回路部の変形例を示す概略図

以下、無線給電装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１に示す第１実施形態による無線給電装置１０は、高周波生成部１１、伝送部１２、負荷機器１３およびインピーダンス変更回路部１４を備えている。無線給電装置１０は、伝送部１２を経由することにより、高周波生成部１１から負荷機器１３へ非接触で電力を供給する。

第１実施形態の場合、高周波生成部１１は、Ｅ級インバータで構成されている。高周波生成部１１は、電源１５から供給された電力を用いて高周波を生成する。伝送部１２は、高周波生成部１１の出力側に設けられており、高周波生成部１１で生成した高周波を伝送する。伝送部１２は、送電電極部１６および受電電極部１７を有している。送電電極部１６と受電電極部１７とは、接触することなく対向している。伝送部１２は、送電電極部１６において高周波を出力することにより、電界結合を利用して非接触で受電電極部１７へ電力を伝達する。負荷機器１３は、伝送部１２を経由して伝達された電力で作動する。負荷機器１３は、例えばモータやアクチュエータなどを有しており、作動にともなって時間とともに消費する電力が変動する。負荷機器１３は、消費する電力が変動することによって、インピーダンスも変化する。なお、負荷機器１３は、伝送部１２を経由して伝達された電力を整流する図示しない整流部を有していてもよい。

インピーダンス変更回路部１４は、高周波生成部１１と負荷機器１３との間に設けられている。より具体的には、インピーダンス変更回路部１４は、高周波生成部１１と伝送部１２との間に設けられている。インピーダンス変更回路部１４は、負荷機器１３における負荷ＲＬの変動にともなって伝送部１２よりも負荷機器１３側のインピーダンスが変動すると、このインピーダンスの変動にあわせて伝送部１２よりも高周波生成部１１側のインピーダンスを変更する。

インピーダンス変更回路部１４は、いわゆるジャイレータであり、例えば図１に示すようなλ／４型のローパスフィルタなどを有している。これにより、インピーダンス変更回路部１４は、負荷機器１３の負荷の変動にともなうインピーダンス特性を後述するように反転させる。つまり、高周波生成部１１と負荷機器１３との間にインピーダンス変更回路部１４を設けることにより、負荷機器１３側のインピーダンスが変動すると、この変動にあわせて高周波生成部１１側のインピーダンスを変更する。その結果、高周波生成部１１と負荷機器１３との間にインピーダンス変更回路部１４を設けることにより、電源１５から高周波生成部１１へ供給される入力電力は、高周波生成部１１から負荷機器１３へ出力される出力電力にあわせて変動する。

高周波生成部１１へ入力される入力電力と高周波生成部１１から出力される出力電力との関係は、図２および図３に示すような関係にある。上述のように、負荷機器１３のインピーダンスは、負荷機器１３の負荷ＲＬの変動にともなって時間とともに変動する。Ｅ級インバータを用いる高周波生成部１１は、負荷機器１３における負荷ＲＬが最適負荷Ｒｏになるとき、ＺＶＳとなるように設計されている。すなわち、高周波生成部１１は、負荷機器１３が最適負荷Ｒｏになるとき、図２および図３に示すように電源１５から入力される入力電力Ｗｉ、および負荷機器１３へ出力する出力電力Ｗｏが最大となるインピーダンス特性となっている。

インピーダンス変更回路部１４が設けられていない高周波生成部１１は、図３に示すように変動する負荷機器１３のインピーダンスが最適負荷Ｒｏ以下の領域にあるとき、効率が高い高効率領域となる。一方、負荷機器１３は、インピーダンスが最小負荷ＲＬｍ以上となる実働領域で作動する。最小負荷ＲＬｍは、実働領域の負荷機器１３において想定される負荷ＲＬの最小値に相当し、最適負荷Ｒｏよりも大きく設定されている。インピーダンス変更回路部１４を備えていない場合、図３に示すように入力電力Ｗｉと出力電力Ｗｏとは、実働領域において乖離が大きくなる。このように入力電力Ｗｉと出力電力Ｗｏとの乖離は、高周波生成部１１におけるスイッチング損失として効率の低下を招く。つまり、インピーダンス変更回路部１４を備えない場合、負荷機器１３の実働領域では高周波生成部１１から負荷機器１３への電力の伝達効率が低下する。そこで、一般的には、負荷機器１３側のインピーダンスを一定に維持するためにバッテリなどの蓄電部を通して負荷機器１３を駆動する必要がある。この蓄電部などは重量の増加や体格の大型化を招くため、例えばロボットなど負荷の変動が生じる装置への無線給電装置１０の適用は困難である。

これに対し、第１実施形態のようにインピーダンス変更回路部１４を備える場合、負荷機器１３のインピーダンスの変動に対するインピーダンス特性は反転する。すなわち、図２に示すように負荷機器１３のインピーダンスが変動するとき、入力電力Ｗｉと出力電力Ｗｏとの関係は、最適負荷Ｒｏを境界として図３に示す例と反転する。これにより、第１実施形態の場合、高周波生成部１１に入力される入力電力Ｗｉは、負荷機器１３の実働領域において、高周波生成部１１から出力される出力電力Ｗｏに追従する。すなわち、負荷機器１３のインピーダンスが、高周波生成部１１における出力電力Ｗｏが最大となる領域よりも大きくなる領域において、インピーダンス変更回路部１４は入力電力Ｗｉを出力電力Ｗｏに追従して低下させる。その結果、負荷機器１３の実働領域において入力電力Ｗｉと出力電力Ｗｏとの乖離が小さくなり、高周波生成部１１の作動効率、および高周波生成部１１から負荷機器１３への電力の伝達効率は高効率領域となる。

このように、インピーダンス変更回路部１４を備える第１実施形態の場合、負荷機器１３の実働領域と高周波生成部１１の高効率領域とは重複する。そのため、高周波生成部１１から負荷機器１３への電力の伝達効率は向上が図られる。つまり、図４に示すように、第１実施形態の場合、入力電力Ｗｉは、負荷機器１３の負荷ＲＬにともなって変化する出力電力Ｗｏに追従して変化する。これに対し、比較例であるインピーダンス変更回路部１４を備えない構成は、出力電力Ｗｏが変化しても、入力電力Ｗｉｘが追従しない。このことからも、第１実施形態のようにインピーダンス変更回路部１４を備える場合、電力の伝達効率が向上することが明らかとなる。

第１実施形態の場合、インピーダンス変更回路部１４は、図１に示すようにいわゆるΠ型である。すなわち、インピーダンス変更回路部１４は、コンデンサ２１、コンデンサ２２およびコイル２３を有している。図５に示すような等価回路において、コンデンサ２１およびコンデンサ２２の容量、ならびにコイル２３のインダクタンスは、下記の式（１）から式（３）によって算出される。この場合、コンデンサ２１およびコンデンサ２２は図５に示す「ｊＸ１」として、コイル２３は図５に示す「ｊＸ２」として、下記の式（１）から式（３）を適用する。以下、「ｊ」は虚数を示す。

上記の式（１）において、Ｒｏは最適負荷であり、ＲＬｍは最小負荷である。また、ｆは高周波生成部１１が生成する高周波の周波数である。なお、図１に示すようなインピーダンス変更回路部１４における素子は、一例であり、上記の式（１）から式（３）を満たすものであればコンデンサ２１、コンデンサ２２およびコイル２３に限らず任意の素子を適用することができる。

以上説明した第１実施形態の無線給電装置１０は、インピーダンス変更回路部１４を備えている。インピーダンス変更回路部１４は、高周波生成部１１と負荷機器１３との間に設けられている。インピーダンス変更回路部１４は、高周波生成部１１から負荷機器１３へ供給される出力電力Ｗｏにあわせて、電源１５から高周波生成部１１へ入力される入力電力Ｗｉを変更する。すなわち、インピーダンス変更回路部１４は、伝送部１２よりも高周波生成部１１側においてインピーダンス特性を変更することにより、負荷機器１３の実働領域におけるインピーダンス特性を高周波生成部１１の効率が高い高効率領域に合わせ込む。すなわち、インピーダンス変更回路部１４を設けることにより、負荷機器１３の実働領域は高周波生成部１１の高効率領域に重複する。したがって、負荷機器１３における負荷ＲＬの変動ともなって負荷機器１３側のインピーダンスが変化する場合でも、高周波生成部１１のスイッチング時における損失を低減し、効率の低下を低減することができる。

また、第１実施形態では、インピーダンス変更回路部１４は、高周波生成部１１における出力電力Ｗｏが最大値となる領域より負荷機器１３のインピーダンスが大きな領域において、入力電力Ｗｉを出力電力Ｗｏに追従して低下させる。すなわち、インピーダンス変更回路部１４は、ジャイレータとして機能する。そのため、入力電力Ｗｉと出力電力Ｗｏとの関係は、簡単な回路で反転される。したがって、構造の複雑化を招くことなく、高周波生成部１１のスイッチング時における損失を低減し、効率の低下を低減することができる。

さらに、第１実施形態では、インピーダンス変更回路部１４は、高周波生成部１１と伝送部１２との間に設けられている。これにより、例えばロボットに無線給電装置１０を適用する場合、固定側である送電電極部１６側にインピーダンス変更回路部１４が追加され、可動側である受電電極部１７側には追加の回路は必要とならない。そのため、可動側の重量の増加や体格の大型化を招かない。したがって、例えばロボットのように可動側の負荷機器１３の負荷ＲＬが変動する場合でも、重量や体格の増大を招くことなく効率の低下を低減することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による無線給電装置１０を図６に示す。
第２実施形態の場合、インピーダンス変更回路部１４の構成が第１実施形態と異なる。第２実施形態の場合、図６に示すようにインピーダンス変更回路部１４は、Ｔ型である。第１実施形態の場合、インピーダンス変更回路部１４を構成する素子は、１対の並列に挿入された素子、および１つの直列に挿入された素子からなるΠ型を構成している。これに対し、第２実施形態の場合、インピーダンス変更回路部１４を構成する素子は、１対の直列に挿入された素子３１および素子３２、ならびに１つの並列に挿入された素子３３からなるＴ型を構成している。これら素子３１〜素子３３は、例えばコンデンサやコイルなどＴ型のジャイレータとして機能するのであれば任意の素子を適用することができる。この場合、素子３１および素子３２は図６に示す「ｊＸ１」として、素子３３は図６に示す「ｊＸ２」として、上記の式（１）から式（３）を適用する。
このように、インピーダンス変更回路部１４を構成する素子は、インピーダンス特性を反転する機能を有していれば任意の回路構成とすることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による無線給電装置１０を図７に示す。
第３実施形態の場合、図７に示すように高周波生成部１１はＥ級プッシュプルインバータで構成されている。このような第３実施形態による無線給電装置１０は、インピーダンス変更回路部１４を有している。Ｅ級プッシュプルインバータで構成される高周波生成部１１は、出力電力Ｗｏが差動である。そのため、インピーダンス変更回路部１４も、この差動となる高周波生成部１１にあわせて差動となる。すなわち、インピーダンス変更回路部１４は、ジャイレータを構成する素子として、並列に挿入されたコンデンサ４１およびコンデンサ４２、ならびに直列に挿入されたコイル４３およびコイル４４を有している。この場合、コンデンサ４１およびコンデンサ４２は図７に示す「ｊＸ１」として、コイル４３およびコイル４４は図７に示す「（ｊＸ２）／２」として、上記の式（１）から式（３）を適用する。

このように、高周波生成部１１は、Ｅ級インバータに限らず、Ｅ級プッシュプルインバータを適用することができる。また、このようなＥ級プッシュプルインバータを用いる場合、図７に示すようなΠ型のインピーダンス変更回路部１４に限らず、図８に示すようなＴ型のインピーダンス変更回路部１４を適用することもできる。図８に示すＴ型のインピーダンス変更回路部１４の場合、コイル５１、コイル５２、コイル５３およびコイル５４は図８に示す「（ｊＸ１）／２」として、コンデンサ５５は図８に示す「ｊＸ２」として、上記の式（１）から式（３）を適用する。

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。
上述の複数の実施形態による無線給電装置１０は、例えばロボットなどのように負荷機器１３であるモータやアクチュエータの負荷が変動する機器に適用することができる。例えば３軸のロボットの場合、固定側にインピーダンス変更回路部１４を設けることにより、可動部であるモータやアクチュエータ側にはバッテリなどの蓄電部を必要としない。そのため、ロボットの可動部分の大型化や質量の増大を招かない。したがって、出力の増大や大型化を招くことなく無線給電装置１０をロボットに適用することができる。
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、１０は無線給電装置、１１は高周波生成部、１２は伝送部、１３は負荷機器、１４はインピーダンス変更回路部、１５は電源、１６は送電電極部、１７は受電電極部を示す。

Claims (4)

1. 高周波の電力を生成する高周波生成部（１１）と、
   送電電極部（１６）および受電電極部（１７）を有し、前記高周波生成部（１１）で生成した高周波の電力を、電界結合を用いて前記送電電極部（１６）から前記受電電極部（１７）へ非接触で電力を伝達する伝送部（１２）と、
   前記伝送部（１２）を通して前記高周波生成部（１１）から受け取った電力で作動する負荷機器（１３）と、
   前記高周波生成部（１１）の出力側に設けられ、前記負荷機器（１３）における負荷の変動にともなう前記負荷機器（１３）側のインピーダンスの変動にあわせて、前記高周波生成部（１１）におけるインピーダンスを変更するインピーダンス変更回路部（１４）と、
   を備える無線給電装置。
2. 前記インピーダンス変更回路部（１４）は、前記高周波生成部（１１）から前記負荷機器（１３）へ供給される出力電力の変動にあわせて、前記高周波生成部（１１）へ電力を供給する電源（１５）から前記高周波生成部（１１）へ入力される入力電力を変更する請求項１記載の無線給電装置。
3. 前記インピーダンス変更回路部（１４）は、前記高周波生成部（１１）における出力電力が最大値となる領域より前記負荷機器（１３）における負荷のインピーダンスが大きな領域において、前記入力電力を前記出力電力に追従して低下させる請求項２記載の無線給電装置。
4. 前記インピーダンス変更回路部（１４）は、前記高周波生成部（１１）と前記伝送部（１２）との間に設けられている請求項１から３のいずれか一項記載の無線給電装置。

Images