JP5579953B1 - 送電装置、給電システム - Google Patents

Abstract

本発明は、送電装置から受電装置への電力の送電又は遮断を適切に制御することによって、供給電流の増大により送電回路が損傷するという課題を解消するものである。
受電装置の第１コイル３４に対して電力を供給するための第２コイル２４を有する送電回路と、前記第２コイル２４との間で磁気的に結合される第３コイル２６と、前記電力が遮断又は供給されるように、前記第２コイルの巻回軸２４１と交差する回動軸２６２を中心に前記第３コイル２６を回動させて、前記送電回路のインピーダンスを変化させる回動装置と、を備える。

Description

本発明は、送電装置、給電システムに関する。

例えば、送電装置と受電装置とを有する給電システムが知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１３−７０５９０号公報

例えば、特許文献１の給電システムでは、送電装置から受電装置への電力の送電又は遮断が制御されていない。このために、送電される電力量が増大した場合、送電装置の送電回路に供給されている電流が増大し、送電回路の損傷が引き起こされる虞がある。

前述した課題を解決する主たる本発明は、受電装置の第１コイルに対して電力を供給するための第２コイルを有する送電回路と、前記第２コイルの内径よりも小さい外径を有し、前記第２コイルの内側に設けられるとともに前記第２コイルとの間で磁気的に結合される第３コイルと、前記送電回路と、前記第３コイルと、前記第２コイルの巻回軸と交差する回動軸と、を収容する筐体と、前記電力が遮断又は供給されるように、前記回動軸を中心に前記第３コイルを回動させて、前記送電回路のインピーダンスを変化させる回動装置と、を備え、前記回動軸は、前記筐体、前記第２コイル、前記第３コイルを連続的に貫通した状態で、両端が軸受に軸支されることを特徴とする送電装置である。

本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、送電装置から受電装置に供給される電力を遮断又は送電することができる。

本発明の実施形態における給電システムを示す斜視図である。 本発明の実施形態における給電システムを示す断面図である。 本発明の実施形態における給電システムを示す図である。 本発明の実施形態における送電されている状態の給電システムを示す断面図である。 本発明の実施形態における送電が遮断されている状態の給電システムを示す断面図である。 本発明の実施形態における周波数と伝送電力との関係を示す図である。 本発明の実施形態における制御装置のハードを示す図である。 本発明の実施形態における制御装置の機能を示す図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＝＝＝給電システム＝＝＝
以下、図１乃至図３を参照して、本実施形態における給電システムについて説明する。図１は、本実施形態における給電システムを示す斜視図である。尚、筐体２５、３５の内部は見えない状態となっているが、説明の便宜上、破線で示されている。図２は、本実施形態における給電システムを示す断面図である。尚、図２は、図１における給電システム１００の略中央を通り且つＸＺ平面に平行な断面から＋Ｙに向かって状態の給電システム１００を示している。図３は、本実施形態における給電システムを示す図である。

給電システム１００は、例えば電磁界の共鳴現象を用いて非接触電力伝送を行うシステムである。尚、Ｚ軸は、巻回軸２４１、３４１に沿うとともに上下方向に沿う軸であり、送電装置２から受電装置３に向かう方向を＋Ｚとし、受電装置３から送電装置２に向かう方向を−Ｚとする。Ｘ軸は、回動軸２６２に沿う軸であり、軸受２７に軸支されている回動軸２６２の一端から軸受２８に軸支されている回動軸２６２の他端に向かう方向を＋Ｘとし、回動軸２６２の他端から一端に向かう方向を−Ｘとする。Ｙ軸は、Ｘ軸及びＺ軸に対して直交する軸であり、紙面表から紙面裏に向かう方向を＋Ｙとし、紙面裏から紙面表に向かう方向を−Ｙとする。

給電システム１００は、送電装置２、受電装置３を有する。

送電装置２は、受電装置３に対して非接触で電力を送電する装置である。

受電装置３は、送電装置２から出力される電力を受電して、受電した電力に応じた電力を負荷３１に供給する装置である。

負荷３１は、受電装置３から供給される電力に基づいて動作する電気機器等の電力負荷である。

＝送電装置＝
＜形状等＞
送電装置２は、送電コイル２４、筐体２５、回動コイル２６、軸受２７、２８、回動軸２６２を有する。

筐体２５は、送電コイル２４を有する送電回路２００（電気回路）、回動コイル２６、回動軸２６２を収容する。筐体２５の外形は例えば円柱形状を呈しており、例えば樹脂等絶縁性の材料を用いて形成されている。

送電コイル２４は、上下方向（Ｚ軸）に沿っている巻回軸２４１を中心に筒状に巻回されている。送電コイル２４の内側には、回動コイル２６が設けられる。尚、例えば、送電コイル２４は、送電コイル２４の外形に沿った絶縁性のケースに収容されていることとしてもよい。

回動コイル２６は、送電コイル２４との間で磁気的に結合され、回動することにより送電回路２００のインピーダンスを変化させるための磁性体である。回動コイル２６は、回動軸２６２と略直交する巻回軸２６１を中心に巻回されている。回動コイル２６の外径は、送電コイル２４の内側に設けられるように、送電コイル２４の内径よりも小さく設定されている。回動コイル２６は、回動軸２６１に対して固定されている。

回動軸２６１は、例えば、筐体２５、送電コイル２４、回動コイル２６を連続的に貫通した状態で、両端が軸受２７、２８によって軸支される。更に、回動軸２６２は、巻回軸２４１とも略直交している。回動軸２６１は、制御装置４によって制御されるサーボモータ５１から伝達される回動力に基づいて、−Ｘから＋Ｘに向かってみて時計回り方向（図４のＡ２方向）又は反時計回り方向（図４のＡ１方向）に回動する。つまり、回動コイル２６は、制御装置４によって、回動軸２６２を中心にＡ１方向又はＡ２方向に回動することになる。

＜回路＞
送電装置２は、電源２１、インバータ２２、コンデンサ２３、制御装置４、サーボモータ５１、測定装置５２を更に有する。尚、回動コイル２６、制御装置４、サーボモータ５１が、電気回路のインピーダンス調整装置に相当する。

電源２１は、直流電力を発生する。インバータ２２は、電源２１から供給される直流電力を交流電力に変換する。送電コイル２４は、受電コイル３４に対して非接触で電力を供給するための、給電システム１００の一次側コイルである。コンデンサ２３は、送電回路２００のインピーダンスを設定するのに用いられる。

電源２１の一端は、インバータ２２を介してコンデンサ２３の一端に接続される。電源２１の他端は、インバータ２２を介して送電コイル２４の一端に接続される。送電コイル２４の他端は、コンデンサ２３の他端と接続される。これらの接続により、電源２１、インバータ２２、コンデンサ２３、送電コイル２４を有する送電回路２００が形成される。

電源２１から出力される直流電力は、インバータ２２によって直流から交流に変換されて送電コイル２４に供給される。送電コイル２４に供給された交流電力は、送電コイル２４から受電コイル３４に供給される。

測定装置５２は、送電コイル２４に供給される電流を測定し、遮断信号を制御装置４に送信する。測定装置５２は、例えば、所定値より大きな値の電流が測定されたときに、遮断信号を送信する。所定値は、例えば、送電装置２の損傷が引き起こされない程度の値であり、送電装置２の仕様等に基づいて定められていることとしてもよい。

サーボモータ５１は、回動軸２６２を回動する回動力を、回動軸２６２に付与する。

サーボモータ５１は、制御装置４によって制御される。

制御装置４は、送電コイル２４から受電コイル３４に電力を供給したり遮断したりするために、回動コイル２６を回動して、送電回路２００のインピーダンスを変化させる。尚、制御装置４については、後述する。

＝受電装置＝
＜形状等＞
受電装置３は、受電コイル３４、筐体３５を有する。

筐体３５は、受電コイル３４を有する受電回路３００を収容する。筐体３５の外形は例えば円柱形状を呈しており、例えば樹脂等絶縁性の材料を用いて形成されている。

受電コイル３４は、上下方向（Ｚ軸）に沿っている巻回軸３４１を中心に巻回されている。受電コイル３４は、筐体３５の内部における下側（−Ｚ）寄りの所定位置に固定されている。

＜回路等＞
受電装置３は、整流回路３２、コンデンサ３３を更に有する。

受電コイル３４は、送電コイル２４から非接触で電力が供給される、給電システム１００の二次側コイルである。整流回路３２は、受電コイル３４から供給される交流電力を直流電力に変換して、当該変換された直流電力を負荷３１に供給する。コンデンサ３３は、受電回路３００のインピーダンスの値を設定するのに用いられる。

受電コイル３４の一端は、コンデンサ３３、整流回路３２を介して負荷３１に接続される。受電コイル３４の他端は、整流回路３２を介して負荷３１に接続される。これらの接続により、受電コイル３４、コンデンサ３３、整流回路３２、負荷３１を有する受電回路３００が形成される。

＝＝＝送電装置及び受電装置の設定＝＝＝
以下、図２、図４乃至図６を参照して、本実施形態における送電装置及び受電装置の設定について説明する。図４は、本実施形態における送電されている状態の給電システムを示す断面図である。図５は、本実施形態における送電が遮断されている状態の給電システムを示す断面図である。尚、図４及び図５は、図１における給電システム１００の略中央を通り且つＹＺ平面に平行な断面から−Ｘに向かって状態の給電システム１００を示している。図６は、本実施形態における周波数と伝送電力との関係を示す図である。尚、図６の周波数は、送電コイル２４から出力される電力の周波数を示している。又、伝送電力とは、送電コイル２４から受電コイル３４へ伝送される電力を示している。尚、この伝送電力は、例えば、送電コイル２４から受電コイル３４への電力の伝送効率等に基づいて定まる。

＜第１位置及び第２位置＞
送電装置２から受電装置３に対して電力を送電する場合、受電装置３は、第１位置に設けられる。第１位置は、図４に示されるように、受電装置３の対向面３５１と送電装置２の対向面２５１とが接触する位置である。

送電装置２から受電装置３に対して電力を送電しない場合、受電装置３は、第２位置に設けられる。第２位置は、図２に示されるように、受電装置３が送電装置２から所定距離以上離れた位置である。尚、所定距離は、給電システム１００の仕様等に基づいて設定されている。

＜送電装置及び受電装置の設定＞
送電装置２及び受電装置３は、伝送効率に基づいて設定される。尚。送電装置２及び受電装置３を設定するとは、例えば、送電装置２から送電される電力の周波数、送電回路２００及び受電回路３００のインピーダンスを設定すること等を含んでいる。

伝送効率は、前述したように、共鳴周波数等に基づいて定まる。この共鳴周波数ｆ１、ｆ２は、例えば、式（１）乃至式（３）に基づいて定まる。

［数１］

尚、Ｌは送電回路２００及び受電回路３００のインダクタンスの値を示しており、Ｃは送電回路２００及び受電回路３００の容量値を示している。ｋは、送電コイル２４と受電コイル３４との間の結合係数を示している。

結合係数ｋの値は、送電コイル２４と受電コイル３４との距離を示す伝送距離Ｄ（図２）に応じて変化する。又、固有共振周波数ｆ₀は、送電回路２００のインダクタンスの値に応じて変動する。つまり、共鳴周波数ｆ_１、f_２つまり伝送効率は、伝送距離Ｄ及び送電回路２００のインダクタンスの値に応じて変動する。従って、伝送距離Ｄ及び送電回路２００のインダクタンスを変動させることにより、送電装置２から受電装置３に対して電力を送電又は遮断することが可能になる。

送電装置２及び受電装置３の設定は、例えば、受電装置３が第１位置に設けられている状態で行われる。送電装置２及び受電装置３は、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第１の位置関係となっているときに送電され、且つ、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第２の位置関係となっているときに送電されないように設定される。

尚、第１の位置関係とは、図４に示されるように、巻回軸２４１と巻回軸２６１とが互いに略直交するときの、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係を示す。又、第２の位置関係とは、図５に示されるように、巻回軸２４１と巻回軸２６１とが互いに略平行となるときの、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係を示す。

ここで、送電コイル２４及び回動コイル２６の径、巻き数等は、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第１及び第２の位置関係となったときに送電及び送電の遮断が行われる程度に、送電回路２００のインピーダンスを変化させられるように設定される。例えば、送電コイル２４と回動コイル２６とが第２の位置関係となっているときの送電回路２００のインダクタンスの値が、送電コイル２４と回動コイル２６とが第１の位置関係となっているときの送電回路２００のインダクタンスの値の２倍以上となるように、送電コイル２４及び回動コイル２６の径、巻き数が設定されることとしてもよい。

＝＝＝制御装置＝＝＝
以下、図７及び図８を参照して、本実施形態における制御装置について説明する。図７は、本実施形態における制御装置のハードを示す図である。図８は、本実施形態における制御装置の機能を示す図である。

制御装置４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１、通信装置４２、記憶装置４３、表示装置４４、入力装置４５を有する。ＣＰＵ４１は、記憶装置４３に記憶されているプログラムを実行することにより制御装置４の各種機能を実現し、制御装置４を統括制御する。記憶装置４３には、前述のプログラム、各種情報が記憶されている。表示装置４４は、制御装置４の情報を表示するディスプレイである。入力装置４５は、制御装置４に対して情報を入力するための例えばキーボード、マウス等である。通信装置４２は、サーボモータ５１及び測定装置５２との間で通信を行う。

制御装置４は、更に、検出部４６、制御部４７（「制御装置４の各種機能」とも称する）を有する。尚、制御装置４の各種機能は、記憶装置４３に記憶されているプログラムのＣＰＵ４１による実行により実現される。

検出部４６は、遮断信号を受信した際に、送電装置２における異常を検出する。尚、遮断信号は、測定装置５２から制御装置４に送信されたり、給電システム１００のユーザによって入力装置４５を介して制御装置４に送信されたりすることとしてもよい。

制御部４７は、検出部４６の検出結果に基づいて、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第１の位置関係又は第２の位置関係となるように、回動コイル２６をＡ１方向又はＡ２方向に回動させる。例えば、検出部４６が異常を検出した場合に、制御部４７は、電力が遮断されるように制御する。又、例えば、検出部４６が異常を検出ない場合に、制御部４７は、電力が送電されるように制御する。

＝＝＝給電システムの動作＝＝＝
以下、図２、図４及び図５を参照して、本実施形態における給電システムの動作について説明する。

＜電力を送電しない場合（図２）＞
送電装置２から受電装置３に対して電力を送電しない場合、受電装置３は、第２位置に設けられる。この場合、伝送効率が低下して、電力が送電されない状態になる。

＜電力を送電する場合（図４）＞
送電装置２から受電装置３に対して電力を送電する場合、受電装置３は、第１位置に設けられる。更に、この場合、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第１の位置関係となるように、制御装置４は、回動コイル２６が回動させる。この場合、送電回路２００のインピーダンスが変化して、例えば、共鳴周波数が送電される電力の周波数と略一致する。従って、伝送効率が向上して、電力が送電される。

＜送電されている電力を遮断する場合（図５）＞
送電装置２から受電装置３に対して電力が送電されているときに当該電力を遮断する場合、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第１の位置関係となるように、制御装置４は、回動コイル２６が回動させる。この場合、送電回路２００のインピーダンスが変化して、例えば、共鳴周波数が送電される電力の周波数からずれる。この共鳴周波数のずれによって、例えば、伝送効率が略０となる。従って、伝送効率が低下して、電力の送電が遮断される。尚、前述の共鳴周波数のずれ量は、前述した送電装置２及び受電装置３の設定により定まることになる。

前述したように、送電装置２は、送電回路２００、回動コイル２６（第３コイル）、サーボモータ５１、制御装置４を有する。送電回路２００は、受電装置３の受電コイル３４（第１コイル）に対して電力を送電するための送電コイル２４（第２コイル）を有する。回動コイル２６は、送電コイル２４との間で磁気的に結合される。制御装置４及びサーボモータ５１（回動装置）は、送電コイル２４から受電コイル３４への電力が遮断又は供給されるように、送電コイル２４の巻回軸２４１と交差する回動軸２６２を中心に回動コイル２６を回動させて、送電回路２００のインピーダンスを変化させる。よって、送電装置２から受電装置３に供給される電力を遮断又は送電することができる。定格電流を超える電流（「過電流」とも称する）が送電回路２００に供給されることにより送電装置２の損傷が引き起こされるのを、防止することができる。従って、給電システム１００の安全性を向上させることができる。又、例えば、ブレーカ等を送電回路２００に設ける必要がないために、ブレーカの定格電流を超える電流が送電回路２００に供給されて当該ブレーカが故障することにより、過電流を遮断できずに、送電回路２００に過電流が供給されるのを防止することができる。

又、回動コイル２６は、回動コイル２６の外径が送電コイル２４の内径よりも小さい形状を呈している。回動コイル２６は、送電コイル２４の内側に設けられる。従って、コンパクトな送電装置２を提供することができる。

又、サーボモータ５１及び制御装置４は、回動コイル２６を通る回動軸２６２を中心に回動コイル２６を回動させる。よって、回動コイル２６の回動により回動コイル２６が移動する領域を縮小することができる。従って、送電装置２を更にコンパクトにすることができる。

又、サーボモータ５１及び制御装置４は、巻回軸２４１と巻回軸２６１とが略平行となる第１状態、及び、巻回軸２４１と巻回軸２６１とが略直交する第２状態のうちの一方の状態から他方の状態となるように、回動コイル２６を回動させる。よって、回動コイル２６の回動に基づく送電回路２００のインピーダンスの変動幅を広げることにより、送電装置２から受電装置３に供給される電力の送電又は遮断を確実に行うことができる。

尚、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

上記実施形態においては、回動コイル２６が送電コイル２４の内側に設けられていることについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、回動コイル２６が送電コイル２４の外側に設けられることとしてもよい。

又、上記実施形態においては、巻回軸２６１と回動軸２６２とが直交することについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、巻回軸２６１と回動軸２６２とにより形成される角が例えば略８０度、略７０度等となるように、巻回軸２６１と回動軸２６２とが交差していればよい。

又、上記実施形態においては、回動コイル２６を回動させることについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、回動軸２６２を中心に送電コイル２４を回動させることとしてもよいし、送電コイル２４及び回動コイル２６の双方を回動させることとしてもよい。

又、上記実施形態においては、回動軸２６２が回動コイル２６を通ることについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、回動軸２６２が回動コイル２６から離れており、回動コイル２６を通らないこととしてもよい。

又、上記実施形態においては、回動コイル２６を略９０度回動されることについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、電力を送電又は遮断するために、回動コイル２６を略９０度以外の所定角度だけ回動されることとしてもよい。

又、上記実施形態においては、回動コイル２４を送電装置２に設けることについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、回動コイル２４と同様な構成の回動コイルを受電装置３の受電コイル３４の内側に設けて、当該回動コイルの回動により受電回路３００のインピーダンスを変化させることとしてもよい。

又、上記実施形態においては、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第１の位置関係となっているときに送電され、且つ、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第２の位置関係となっているときに送電されないように、送電装置２及び受電装置３が設定されることについて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第２の位置関係となっているときに送電され、且つ、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第１の位置関係となっているときに送電されないように、送電装置２及び受電装置３が設定されることとしてもよい。この場合、制御装置４は、電力を送電する際に、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第２の位置関係となるように回動コイル２６を回動させ、電力を遮断する際に、送電コイル２４と回動コイル２６との相対的位置関係が第１の位置関係となるように回動コイル２６を回動させることとする。

２ 送電装置
３ 受電装置
４ 制御装置
２４ 送電コイル
３６ 回動コイル
３１ 負荷
３４ 受電コイル
５１ サーボモータ
１００ 給電システム

Claims (4)

1. 受電装置の第１コイルに対して電力を供給するための第２コイルを有する送電回路と、
   前記第２コイルの内径よりも小さい外径を有し、前記第２コイルの内側に設けられるとともに前記第２コイルとの間で磁気的に結合される第３コイルと、
   前記送電回路と、前記第３コイルと、前記第２コイルの巻回軸と交差する回動軸と、を収容する筐体と、
   前記電力が遮断又は供給されるように、前記回動軸を中心に前記第３コイルを回動させて、前記送電回路のインピーダンスを変化させる回動装置と、
   を備え、
   前記回動軸は、前記筐体、前記第２コイル、前記第３コイルを連続的に貫通した状態で、両端が軸受に軸支される
   ことを特徴とする送電装置。
2. 前記回動装置は、
   前記第２コイルの巻回軸と前記第３コイルの巻回軸とが平行となる第１状態、及び、前記第２コイルの巻回軸と前記第３コイルの巻回軸とが直交する第２状態のうちの一方の状態から他方の状態となるように、前記第３コイルを回動させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
3. 第１コイルを有する受電装置と、
   前記第１コイルに対して電力を供給する送電装置と、を備え、
   前記送電装置は、
   前記第１コイルに対して電力を供給するための第２コイルを有する送電回路と、
   前記第２コイルの内径よりも小さい外径を有し、前記第２コイルの内側に設けられるとともに前記第２コイルとの間で磁気的に結合される第３コイルと、
   前記送電回路と、前記第３コイルと、前記第２コイルの巻回軸と交差する回動軸と、を収容する筐体と、
   前記電力が遮断又は供給されるように、前記回動軸を中心に前記第３コイルを回動させて、前記送電回路のインピーダンスを変化させる回動装置と、
   を備え、
   前記回動軸は、前記筐体、前記第２コイル、前記第３コイルを連続的に貫通した状態で、両端が軸受に軸支される
   ことを特徴とする給電システム。
4. 前記回動装置は、
   前記第２コイルの巻回軸と前記第３コイルの巻回軸とが平行となる第１状態、及び、前記第２コイルの巻回軸と前記第３コイルの巻回軸とが直交する第２状態のうちの一方の状態から他方の状態となるように、前記第３コイルを回動させる
   ことを特徴とする請求項３に記載の給電システム。

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