JP5329929B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、非接触給電装置に関する。例えば、地面等に定置された1次側から、電気自動車等に搭載された2次側に、非接触で電力を給電する非接触給電装置に関するものである。
《従来技術》
ケーブルやパンタグラフ等の機械的接触なしで、例えば電気自動車や電車等の移動体のバッテリーに対し、外部から電力を供給する非接触給電装置が、需要に基づき開発,実用化されている。
この非接触給電装置は、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、給電側である1次側のコイルから、受電側である2次側のコイルへと、電力を供給する。
すなわち、地面等に定置された1次側コイルでの磁束形成により、エアギャップを存し非接触で近接対応位置せしめられ電気自動車等に搭載された2次側コイルに、誘導起電力を生成して電力を供給する(後述する図4の(1)図等を参照)。
又、このような非接触給電装置では、充電効率の向上,エアギャップの拡大,小型軽量化等のニーズが高まっており、このような各ニーズに対応すべく、いわゆるフラット構造の渦巻きコイルタイプの開発,実用化も、最近進展している。このタイプの非接触給電装置では、コイルが、渦巻き状に巻回されたフラット構造よりなると共に、フェライトコア等の磁心コアも、平板状のフラット構造をなしている(後述する図4の(2)図等を参照)。
《先行技術文献情報》
このような非接触給電装置としては、例えば、次の特許文献1,特許文献2に示されたものが挙げられる。
特開平7−170681号公報(特願平6−256505) 特開2008−087733号公報
《問題点》
ところで、このような従来の非接触給電装置については、次の問題が指摘されていた。
この種の非接触給電装置の設計,製作に際しては、必要とされる供給電力が与えられると共に、1次側コイルの巻き数と2次側コイルとの巻き数比で、2次側の誘起電圧が決まる。そして、これらを前提として、1次側と2次側間のエアギャップ寸法、供給交流の周波数、形成磁束の磁気面積等の各設計条件が、2次側回路の全電気抵抗をも考慮して、各々個別に決定されていた。
しかしながら、これらの各設計条件の相関関係について、総合的,具体的な目安は、把握されるに至っておらず、単に設計自由度の範疇とされていた。
すなわち、非接触給電装置の性能が最良となる各設計条件間の相関関係、つまり、コイル性能が最良となる総合的,具体的目安は、未だ把握されていなかった。つまり、インダクタンスの最適値が得られ、励磁無効電力が小さく、相対的に2次側の有効電力が大きく取り出せるようになる、トータル的な設計条件の開発が望まれていた。
《本発明について》
本発明の非接触給電装置は、このような実情に鑑み、上記従来例の課題を解決すべくなされたものである。
そして本発明は、第1に、最良の性能が得られ、第2に、しかもこれが簡単容易に実現される、非接触給電装置を提案することを、目的とする。
《請求項について》
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、次のとおりである。まず、請求項1については次のとおり。
請求項1の非接触給電装置は、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、1次側から2次側に、エアギャップを存し非接触で近接対応位置しつつ、電力を供給する。
そして、2次側回路の全電気抵抗r、エアギャップg、給電交流の周波数f、形成磁束の磁気面積S、および2次側コイルの巻き数Nが、次の目標式を目安として、相互調整され設定されていること、を特徴とする。但しμは、真空の透磁率である。
Figure 0005329929
請求項2については、次のとおり。請求項2の非接触給電装置では、請求項1において
、左辺の全電気抵抗rを基に、右辺のエアギャップg、周波数f、磁気面積S、および巻き数Nが、右辺トータルで前記目標式のプラスマイナス1割以内を満足するように、相互調整,設定されていること、を特徴とする
請求項3については、次のとおり。請求項3の非接触給電装置では、請求項2において、該1次側および2次側のコイルは、渦巻き状に巻回されて、円形や方形の環状をなすフラット構造よりなる。該1次側および2次側の該磁心コアも、フラット構造よりなること、を特徴とする。
請求項4については、次のとおり。請求項4の非接触給電装置では、請求項3において、該1次側は、地面,路面,床面等に定置され、該2次側は、電動車輌,その他の移動体に搭載されていること、を特徴とする。
《作用等について》
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
(1)非接触給電装置では、給電に際し、2次側のコイルが1次側のコイルに対し、エアギャップを存して近接対応位置決めされる。
(2)そして1次側では、コイルが通電されて磁束が形成され、もって磁束の磁路が、2次側のコイルとの間に形成される。
(3)このようにして、1次側のコイルと2次側のコイル間が電磁結合され、2次側のコイルに誘導起電力が生成される。
(4)このような電磁誘導の相互誘導作用により、電力が、1次側から2次側へと供給される。
(5)さて、この非接触給電装置の設計,製作に際しては、前記数式1に示した目標式が、性能評価の目安とされる。
(6)この目標式を目安として、2次側の全電気抵抗,エアギャップ,給電交流の周波数,形成磁束の磁気面積,および2次側コイルの巻き数、等の各設計条件が検討,相互調整,設定される。
(7)この非接触給電装置は、これらにより、最良の性能が得られるようになる。すなわち、コイル性能が最良で、励磁無効電力が小さく、有効電力が大きく取り出されるようになる。
(8)しかもこれは、非接触給電装置の設計,製作に際し、各設計条件の目標式を、性能評価の目安とすることにより、容易に実施可能である。
(9)さてそこで、本発明の非接触給電装置は、次の効果を発揮する。
《第1の効果》
第1に、最良の性能が得られるようになる。本発明の非接触給電装置は、2次側回路の全電気抵抗、エアギャップ、給電交流の周波数、形成磁束の磁気面積、および2次側コイルの巻き数等の各設計条件について、所定目標式を性能評価の目安として、相互調整,設定することにより、最良の性能が得られるようになる。
すなわち、前述したこの種従来例では、各設計条件が未だ設計自由度の範疇とされ、各々個別に設定されていたのに比し、各設計条件相互間の総合的,具体的な相関関係を示す目標式を、性能評価の目安とすることにより、コイル性能が最良となり、インダクタンスの最適値が的確に得られるようになる。
つまり励磁無効電力が小さく、2次側の有効電力が大きく取り出せるようになり、入力に比し出力が大で力率に優れた非接触給電装置が、設計,製作可能となる。もって、より一層の高出力確保,大電力供給も容易となる。
《第2の効果》
第2に、しかもこれは、簡単容易に実現される。本発明の非接触給電装置では、各設計条件の総合的,具体的な相関関係を示す目標式を、性能評価の目安として、全電気抵抗、エアギャップ、給電交流の周波数、形成磁束の磁気面積、および2次側コイルの巻き数等の各設計条件が、相互調整,設定される。
従って、上述した第1の効果は、簡単容易に実現される。すなわち、非接触給電装置の設計,製作に際しては、目標式を目安として、各設計条件を相互調整しつつ決定して行けば良く、簡単な作業により、容易に最良性能の非接触給電装置が得られるようになる。
このように、この種従来例に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。
《図面について》
以下、本発明の非接触給電装置を、図面に示した発明を実施するための最良の形態に基づいて、詳細に説明する。
図1,図2は、本発明を実施するための最良の形態の説明に供する。そして図1は、コイル等の回路説明図である。図2の(1)図は、コイル等の回路説明図、(2)図は、コイル等の正面図、(3)図は、ベクトル図である。
図3,図4,図5は、非接触給電装置の一般的説明に供する。そして図3は、平面説明図、図4の(1)図は、斜視説明図、図4の(2)図は、適用例のブロック図である。図5は、適用例の側面説明図である。
《非接触給電装置Aについて》
まず、図4の(2)図および図5を参照して、非接触給電装置Aについて、一般的に説明する。
非接触給電装置Aは、電磁誘導の相互誘導作用に基づき、1次側1から2次側2に、エアギャップgを存し非接触で近接対応位置しつつ、電力を供給する。1次側1は、地面3,路面,床面等に定置されており、2次側2は、電動車輌4,その他の移動体に搭載されている。
このような非接触給電装置Aについて、更に詳述する。まず、1次側1つまり給電側,トラック側は、図示の給電スタンド5,給電コーナー,その他の給電エリアにおいて、地面3その他に固定配置されている。
これに対し、2次側2つまり受電側,ピックアップ側は、図示の電気自動車や電車等の電動車輌4,その他の移動体に搭載されている。この種の移動体としては、例えば、各種交通システム,カートシステム,遊戯施設,工場の搬送システム等も考えられる。又、2次側2は、これらの駆動用の他、非駆動用としても利用可能である。更に、図示のように車載バッテリー6に接続されるのが代表的であるが、直接各種負荷に接続されることも考えられる。
そして、1次側1のコイル7と、2次側2のコイル8とは、給電に際し、例えば5cm〜15cm、例えば10cm程度の僅かな間隙空間であるエアギャップgを存しつつ、非接触で近接対応位置される。給電に際しては、2次側2のコイル8が、1次側1のコイル7上で停止される停止給電方式が代表的であるが、1次側1のコイル7上を低速走行する移動給電方式も可能である。
停止給電方式の場合、1次側1のコイル7と2次側2のコイル8とは、上下等で対をなす対称構造よりなる。移動給電方式の場合、1次側1のコイル7は、2次側2のコイル8の移動走行方向に沿って、長目のエリアにわたって略帯状に形成される。
図示例において、2次側2のコイル8は、車載バッテリー6に接続されており、給電により充電されたバッテリー6にて、走行用のモータ9が駆動される。図中10は、交流を直流に変換するコンバータであり、11は、直流を交流に変換するインバータである。
非接触給電装置Aは、一般的にはこのようになっている。
《相互誘導作用について》
次に、図4の(1)図を参照して、電磁誘導の相互誘導作用等について、説明しておく。この種の非接触給電装置Aにおいて、電磁誘導の相互誘導作用に基づき電力を供給することは、公知公用である。
すなわち給電に際し、近接対応位置する1次側1のコイル7と、2次側2のコイル8との間で、コイル7での磁束形成により、コイル8に誘導起電力を生成させ、もって、コイル7からコイル8へと電力を供給することは、公知公用である。
これらについて更に詳述すると、まず、給電エリアに定置された1次側1のコイル7に対し、2次側2のコイル8が、接触なしに間隙空間であるエアギャップgを介して、近接対応位置する。そして、1次側1のコイル7に、交流を励磁電流として通電することにより、電流に比例した磁界がコイル7の導線の周囲に生じ、磁束がコイル7の面に対して直角方向に形成される。
そして、1次側1のコイル7で形成された磁束が、2次側2のコイル8を貫き鎖交することにより、2次側2のコイル8に誘導起電力が生成される。このようにして磁場が形成され、磁界を利用して電力が送受される。コイル7側の磁束の磁気回路と、コイル8側の磁束の磁気回路とは、相互間にも磁束の磁気回路つまり磁路が形成されて、電磁結合される。
非接触給電装置Aでは、このような電磁誘導の相互誘導作用に基づき、給電が実施される。
《1次側1や2次側2の構造について》
次に、図3,図4,図5を参照して、この非接触給電装置Aの1次側1および2次側2の構造について、説明する。
1次側1のコイル7は、給電回路12を介し電源13(図2の(1)図を参照)に、接続されている。電源13としては、数kHz〜60kHz程度、例えば20kHz〜30kHzの高周波インバータが使用される。給電回路12には、共振同調用に組み合わされたインダクタと直列コンデンサが付設されると共に、並列コンデンサも付設されている。
図3に示したように、コイル7は、略平板状で複数回ターン方式のフラット構造をなす。すなわちコイル7は、絶縁されたコイル導線が、同一平面において相互間で並列化され平行位置関係を維持しつつ、円形や方形の渦巻き状に複数回巻回ターンされ、もって、全体的に凹凸のない平坦で肉厚の薄い扁平状のフラット構造をなすと共に、環状,略フランジ状をなしており、中央部に空間が形成されている。
磁心コア14としては、フェライトコアが一般的に用いられ、強磁性体よりなる。そして磁心コア14は、コイル7,8間のインダクタンスを増し電磁結合を強化すると共に、形成される磁束を誘導,収集,方向付けする。図3に示した磁心コア14は、コイル7より大きな面積よりなり、フラットな平板状そして環状,略フランジ状をなす。コイル7と磁心コア14とは、同心に配置されている。
他方、2次側2は、上述した1次側1のコイル7,給電回路12,磁心コア14等に対応した、コイル8,給電回路15,磁心コア16等を、備えている。2次側2の給電回路15は、並列コンデンサが付設されると共に、直流変換後にバッテリー6に接続されるのが代表的である。2次側2のコイル8や磁心コア16の構成については、図示例が停止給電方式であることに鑑み、1次側1のコイル7や磁心コア14に準じる。
そして、1次側1および2次側2は、それぞれ、エアギャップg側から順に、樹脂製の表面カバー(図示せず)、コイル7,8、磁心コア14,16、ベースプレート17,18等を、備えた構造よりなる。
図3中、19はモールド樹脂、20は発泡材である。モールド樹脂19は、1次側1や2次側2の表面カバーとベースプレート17,18との間において、介在するコイル7,8や磁心コア14,16を被覆固定し、これらの位置決め固定用,機械的強度確保用,放熱用等として機能する。発泡材20は、モールド樹脂19中に混入,埋め込まれており、主に軽量化用として用いられている。
1次側1や2次側2の構造は、このようになっている。
《本発明の概要について》
次に、図1および図2を参照して、本発明の概要について、説明する。
この非接触給電装置Aは、その2次側2の回路の全電気抵抗r、エアギャップg、給電交流の周波数f、形成磁束の磁気面積S、および2次側2のコイル8の巻き数N等が、下記の数式2(前述した数式1と同一式)に示した目標式を性能評価の目安として、相互調整され設定される。但しμは、真空の透磁率である。
代表的には、左辺の全電気抵抗rを基に、右辺のエアギャップg、周波数f、磁気面積S、および巻き数N等が、右辺トータルで前記目標式のプラスマイナス1割以内を満足するように、相互調整,設定されている。
Figure 0005329929
《本発明の詳細:各設計条件について》
まず、図1および図2を参照して、上記数式2で示された目標式中の各設計条件について、説明する。
・2次側2の回路の全電気抵抗r(単位Ω)は、2次側2の給電回路15に定格負荷をかけた場合の電気的抵抗を示し、そのコイル8の針金抵抗(リアクタンス以外の直流抵抗)や負荷抵抗21を含む。この全電気抵抗rは、非接触給電装置Aの設計,製作に際し、前提条件として与えられる。
・エアギャップg(単位m)は、給電に際しての1次側1と2次側2間の間隔寸法、つまりコイル7,8間距離である。非接触給電装置Aは、エアギャップgが大きくなるほど、給電操作が容易化する半面、1次側1と2次側2の磁気回路間の電磁結合の度合つまり表わす結合係数が小さくなり、2次側2のコイル8に誘起電圧Vが低下する。
・給電交流の周波数f(単位Hz)は、電源13にて印加される高周波の単相交流や三相交流の印加電圧に関する。非接触給電装置Aは、高周波の周波数fが採択されるほど、例えば、エアギャップ8を一定とするなら、磁気面積Sを小さくできる。あるいは、巻き数Nを小さくできる。
・磁気面積S(単位m)は、形成される磁束が通過する磁心コア14,16の表面積をSfとすると、S=Sf/2で与えられる。
すなわち、この非接触給電装置Aでは、いわゆるフラット構造の渦巻きコイル7,8が採用され、磁心コア14,16もフラット構造よりなる。そして、この磁心コア14,16は、従来より周知のいわゆるE型の磁心コアから発展したものであり、E型の歯高が0となりコイル7,8を巻き付ける中央歯がないものとして把握される。従って、形成される磁束の磁気面積Sは、フラット構造の磁心コア14,16の表面積をSfとした場合、その1/2となる。
そして、非接触給電装置Aの小型軽量化やコスト面等の観点からは、磁気面積Sの減少が望ましい。
・2次側2のコイル8の巻き数N(単位tは正の整数)は、コイル8の導線の巻回(ターン)数である。そして、2次側2の誘起電圧Vは、1次側1のコイル7と2次側2のコイル8の巻き数比で決まるが、非接触給電装置Aの小型軽量化やコスト面等の観点からは、勿論、巻き数Nの減少が望ましい。
・真空の透磁率μは、4π×10−7である。
各設計条件は、このようになっている。
《本発明の詳細:設計への適用について》
非接触給電装置Aの設計,製作に際しては、このような各設計条件の総合的,具体的な相関関係を示す目標式、つまり前記数式2(数式1)で示された目標式を、非接触給電装置Aの性能評価の目安として、各設計条件の値が増減,相互調整される。
すなわち、通常のケースでは、まず最初に、前記数式2の目標式の左辺中の全電気抵抗r、そして2π/rの値が、前提条件として与えられる。それから次に、これに対し、数式2の右辺の値がトータルで、この左辺の値に少しでも近づく様に、その許容範囲内に入る様に、右辺の各設計条件の値が、それぞれの数値増減のメリット,デメリット等を勘案しつつ検討,精査,相互調整される。
例えば、ある試作機種について、設計段階で試算した右辺のトータル値が、左辺の値を大きく上廻った場合については周波数fの増加、形成磁束の磁気面積Sの増加、2次側2コイル8の巻き数Nの増加、エアギャップgの減少等、右辺の分子,分母の各設計条件の値が、検討,精査,相互調整されて、決定される。
逆に例えば、ある試作機種について、試算した右辺のトータル値が、左辺の値が大きく下廻った場合については、上述とは逆に、周波数fの減少、磁気面積Sの減少、コイル8巻き数Nの減少、エアギャップgの拡大許容、等が検討,精査,相互調整されて、決定される。
なお上述したように、試算した右辺のトータル値が、左辺の値を大きく下廻った場合については、給電交流の三相化を検討してもよい。給電交流が単相の一般例に比し、三相化により、右辺のトータル値が左辺の値に近づき、見合った値となる可能性が生じる。
非接触給電装置Aの設計,製作に際し、前記数式2の目標式について、右辺の値と左辺の値とが一致することが理想的であるが、実際上、数式2は一応の目安,目標として把握される。
そして、実際上の許容範囲としては、左辺の値を、右辺のトータル値がプラスマイナス1割以内程度の範囲内で、満足できれば可とする。更に具体的には、次の数式3の充足式を満たせば、可とする。
設計への適用については、以上のとおり。
Figure 0005329929
《作用等》
本発明の非接触給電装置Aは、以上説明したように構成されている。そこで、以下のようになる。
(1)非接触給電装置Aでは、給電に際し、電動車輌4等の移動体に搭載された受電側,2次側2が、地面3,路面,床面等に定置された給電スタンド5等の給電側,1次側1に対し、エアギャップgを存し非接触で、近接対応位置せしめられる。
そして、2次側2のコイル8が、1次側1のコイル7上にて、停止位置決め等される(図4,図5を参照)。
(2)そして、非接触給電装置Aの1次側1では、電源13そして励磁回路である給電回路12にて、コイル7が通電される。
もって、この励磁電流としての高周波交流の通電により、1次側1のコイル7に磁束が形成され、磁束の磁路が、1次側1のコイル7と2次側2のコイル8との間に、形成される(図1等を参照)。
(3)このようにして、1次側1のコイル7と2次側2のコイル8とは、形成される回路間が電磁結合され、両者間に磁場が形成される。そして、1次側1のコイル7で生成された磁束が、2次側2のコイル8を貫き、もって2次側2のコイル8に、誘導起電力が生成される(図1等を参照)。
(4)非接触給電装置Aでは、このような電磁誘導の相互誘導作用により、電力が、1次側1のコイル7から2次側2のコイル8へと、供給される。もって図示例では、2次側2のバッテリー6が充電される(図4,図5を参照)。
(5)さて、このような非接触給電装置Aの設計,製作に際しては、前記数式2(数式1)で示された目標式、更には前記数式3で示された充足式を、その性能評価の目安として、各設計条件が検討,精査,相互調整される。
(6)すなわち、この数式2の目標式や数式3の充足式が、非接触給電装置Aの性能評価の目安とされ、これをトータルの目標値や充足値として、各設計条件が設定される。
2次側2の給電回路15の全電気抵抗r、エアギャップg、給電交流の周波数f、形成磁束の磁気面積S、および2次側2のコイル8の巻き数N、等の各設計条件が、それぞれの数値増減のメリット,デメリット等を勘案しつつ、相互調整して決定される。そして、実際設計用の設定として、採用される。
(7)この非接触給電装置Aは、このようにして各設計条件が設定されることにより、最良の性能が得られるようになる。
すなわち、コイル7,8性能が最良で、インダクタンスの最適値が得られるようになり、励磁無効電力が小さく、2次側2の実効電力が大きく取り出されるようになる。
(8)しかもこれは、非接触給電装置Aの設計,製作に際し、前記数式2や数式3の目標式や充足式を目安に、各設計条件の数値を検討,相互調整して決定して行けば良く、容易に実施可能である。
本発明の作用等は、このようになっている。
以下、図1,図2を参照しつつ、本発明の実施例について、説明する。
まず、実施例1については、次のとおり。実施例1では、本発明の非接触給電装置Aで採用された前記数式1(数式2)の目標式について、その裏付となる導出過程や根拠を、理論的に解析する。
1)ベクトル図について:
まず、図2の(3)図において、I・Vは、1次側1のコイル7の励磁無効電力であり、Pは、2次側2の給電回路15の負荷抵抗21に発生する有効電力である。無効電力I・Vと実効電力Pとは、位相差90°で直交しているので、図2の(3)図に示したベクトル図を考えることができる。そして、三角関数tanαを取れば、次の数式4の関係が成立する。
Figure 0005329929
2)励磁無効電力I・Vについて:
まず、上記数式4の右辺の分母である、1次側1の励磁無効電力I・Vについて、検討する。この1次側1の無効電力I・Vは、2次側2の給電回路15の全電気抵抗rが無限大、つまり無負荷時の励磁無効電力とする。そして、この無効電力I・Vつまり励磁電流I×励磁電圧Vは、磁束密度Bgを用いて次の数式5で与えられる。
Figure 0005329929
3)励磁無効電力I・Vの導出について:
この数式5の導出過程について、説明しておく。非接触給電装置Aは、通常の変圧器と異なりエアギャップgが存在するために、1次側1の励磁無効電力I・Vが、著しく大である、という特徴がある。そして、この無効電力I・Vは、下記の数式7と数式9との積として算出される。
まず、その励磁電流Iについては、次のとおり。1次側1において、まず、エアギャップgの磁気抵抗Rgは、磁心コア14の磁気抵抗に比し極めて大きい。そこで近似的には、磁路に磁束を発生させる起磁力N・I(巻き数×励磁電流)は、磁束密度Bg×磁気面積S×磁気抵抗Rgにより、次の数式6として把握される。もって、この数式6により、励磁電流Iについて、次の数式7が得られる。真空の透磁率μについては、前述した所を参照。
Figure 0005329929
Figure 0005329929
次に、励磁電圧Vについては、次のとおり。1次側1において、コイル7に励磁電流Iを流し、エアギャップgに磁束密度Bgの磁束φを発生させるためには、コイル7に励磁電圧Vを加えなければならない。
この励磁電圧Vの大きさは、次の数式8で与えられる。そして、その磁束φは、磁束密度Bg×磁気面積Sなので、これを数式8に代入すると、励磁電圧Vについて、次の数式9が得られる。周波数fや磁気面積Sについては前述した所を参照。
もって、前述したように、励磁無効電力I・Vが、前記数式7による励磁電流Iと、次の数式9による励磁電圧Vとの積として、前記数式5のとおり算出される。そして、この励磁無効電力I・Vは、結局、エアギャップgに磁束密度Bgの磁束φを発生させるための無効電力である。
Figure 0005329929
Figure 0005329929
4)実効電力Pについて:
次に、前記数式4の右辺の分子である、2次側2の実効電力について、検討する。まず、2次側2の実効電力Pは、次の数式10のように表わされる。ここで、2次側2の給電回路15の電流Iは、2次側2のコイル8の自己インダクタンスをLとすると、次の数式11となる。ここでω=2πfである。
そこで、この数式11を、数式10に代入すると、次の数式12が得られる。2次側2の全電気抵抗rについては、前述した所を参照。Vは誘起電圧である。
Figure 0005329929
Figure 0005329929
Figure 0005329929
さてここで、電磁気の基本公式により、2次側2の誘起電圧V=V・k・N/Nであり、1次側1の励磁電圧V=4.44・f・N・φである。
1次側1のコイル7の巻き数N、2次側2のコイル8の巻き数については、前述した所を参照。kは、1次側1と2次側2の磁気回路間の電磁結合の度合を表わす結合係数であり、V=k・V・N/Nの関係にある。
そこで、このようなV,V,kにより、数式12の右辺の分子を求めると、次の数式13となる。もって、この数式13を前記数式12に代入すると、有効電力Pについて、次の数式14が得られる。
Figure 0005329929
Figure 0005329929
5)tanα=P/I・Vの右辺について:
さて、このようにして、2次側2の実効電力Pが上記数式14で得られ、1次側1の無効電力I・Vが前記数式5で得られた。そこで、前記数式4の右辺は、次の数式15となる。
ここで、2次側2のコイル8の自己インダクタンスLは、次の数式16で表わされる。すなわち、非接触給電装置Aの場合、エアギャップgの磁気抵抗Rgは、磁心コア16の磁気抵抗に比し極めて大きく、近似的には2g/μ・Sとして把握されるので、自己インダクタンスLは、数式16として表わされる。
そこで、この数式16を上記数式15に代入して、整理すると、次の数式17が得られる。
Figure 0005329929
Figure 0005329929
Figure 0005329929
6)M値による置き換え:
ここで、上記数式17の右辺について、次の数式18のM値を用いて部分的に置き換えると共に、このように置き換えた上記数式17を、前記数式4に代入すると、次の数式19が得られる。
Figure 0005329929
Figure 0005329929
7)結論:
さて、この数式19において、有効電力(出力)Pが無効電力(入力)I・Vより大きくなることはないので、tanα≦1である。
さてそこで、数式19においてtanαが最大、つまり分母が最小となる条件を求めると、次の数式20となる。
もって、この非接触給電装置Aにおいて、その性能が最良となる設計条件は、次の数式21のとおりである。
Figure 0005329929
Figure 0005329929
以上により、この非接触給電装置Aについて、最良の性能が得られる各設計条件間の相関関係が解析された。つまり、前述した数式1(数式2)で示した目標式が導出され、その理論的根拠が解析された。
実施例1については、以上のとおり。
次に、本発明の実施例2について説明する。
実施例2では、非接触給電装置Aの実際の各設計例(試作機)について、それぞれ、その最適M値(上述した実施例1の数式20での算出値)と、実測M値Ma(実施例1の数式21の左辺の算出値)とを比較して、その性能を評価した。
すなわち各設計例毎に、まず、2次側2の全電気抵抗rの値が与えられ、もって、2π/rで算出されて前提となる最適M値に対し、実測M値Maが許容範囲内にあるか否かを評価した。
そして、許容範囲外となった設計例については、エアギャップg,周波数f,磁気面積S,コイル8の巻き数N,そしてコイル7の巻き数Nや結合係数等、各設計条件について再度見直しを実施した。もって、2g/μ×f×S×N で算出される実測M値Maが、最適M値の許容範囲内となるように、その設計例を改良した。
次の表1は、その結果を、tanαの値(上述した実施例1の数式19での算出値)と共に示したものである。
Figure 0005329929
表1中に示した各設計例について、給電出力(電圧)は、単相1kW(120V),単相30kW(300V),単相60kW(600V),単相150kW(600V),三相150kW(600V)に、設定されている。
そして、その実測M値Maが最適M値に近くなるように、2次側2の全電気抵抗rを前提として、エアギャップg,周波数f,磁気面積S,2次側2コイル8の巻き数N,対応する1次側1コイル7の巻き数N,結合係数k等を調整した結果が、表1に示されている。
なお、設計例B(単相150kW,600V)については、その実測M値Ma(1.61)が最適M値(2.62)を大きく下廻り、tanαの値も低かった。そこで同出力(同電圧)のもとで、設計例Cのように、設計変更して三相化(三相150kW,600V)した所、最適M値(0.87)に対し実測M値Ma(0.96)となり、tanαも良好な結果が得られた。
実施例2については、以上のとおり。
本発明に係る非接触給電装置について、発明を実施するための最良の形態の説明に供し、コイル等の回路説明図である。 同発明を実施するための最良の形態の説明に供し、(1)図は、コイル等の回路説明図、(2)図は、コイル等の正面図、(3)図は、ベクトル図である。 非接触給電装置の一般的説明に供し、平面説明図である。 非接触給電装置の一般的説明に供し、(1)図は、斜視説明図、(2)図は、適用例のブロック図である。 非接触給電装置の一般的説明に供し、適用例の側面説明図である。
符号の説明
1 1次側
2 2次側
3 地面
4 電動車輌
5 給電スタンド
6 バッテリー
7 コイル
8 コイル
9 モータ
10 コンバータ
11 インバータ
12 給電回路
13 電源
14 磁心コア
15 給電回路
16 磁心コア
17 ベースプレート
18 ベースプレート
19 モールド樹脂
20 発泡材
21 負荷抵抗
A 非接触給電装置
f 周波数
g エアギャップ
k 結合係数
r 全電気抵抗(2次側)
S 磁気面積
巻き数(2次側コイル)
μ 真空の透磁率
P 実効電力(2次側回路)
I・V 励磁無効電力(1次側)

Claims (4)

  1. 電磁誘導の相互誘導作用に基づき、1次側から2次側に、エアギャップを存し非接触で近接対応位置しつつ電力を供給する、非接触給電装置であって、
    2次側回路の全電気抵抗r、エアギャップg、給電交流の周波数f、形成磁束の磁気面積S、および2次側コイルの巻き数Nが、次の目標式を目安として、相互調整され設定されていること、を特徴とする非接触給電装置。
    但しμは、真空の透磁率である。
    Figure 0005329929
  2. 請求項1に記載した非接触給電装置において、
    左辺の全電気抵抗rを基に、右辺のエアギャップg、周波数f、磁気面積S、および巻き数Nが、右辺トータルで前記目標式のプラスマイナス1割以内を満足するように、相互調整,設定されていること、を特徴とする非接触給電装置。
  3. 請求項2に記載した非接触給電装置において、
    該1次側および2次側のコイルは、渦巻き状に巻回されて、円形や方形の環状をなすフラット構造よりなり、該1次側および2次側の該磁心コアも、フラット構造よりなること、を特徴とする非接触給電装置。
  4. 請求項3に記載した非接触給電装置において、
    該1次側は、地面,路面,床面等に定置され、該2次側は、電動車輌,その他の移動体に搭載されていること、を特徴とする非接触給電装置。
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