JP5884632B2

JP5884632B2 - 送電装置と周波数変更方法

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Publication number: JP5884632B2
Application number: JP2012111202A
Authority: JP
Inventors: 和隆道家; 成文遠嶋; 祐司前川; 裕二高津
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: JP2013240189A

Description

本発明は、直流電力を受ける給電回路と、給電回路から非接触で電力を受ける受電回路とを備える送電装置に関する。また、本発明は、給電回路から受電回路へ非接触で供給する交流電力の周波数を変更する方法に関する。

給電回路から受電回路へ非接触で電力を供給して、受電回路の負荷へ交流電力を供給する場合の回路は、図１に示す構成を有する。

給電回路３１は、図１に示すように、インバータ３３と給電側コイル３５を有する。インバータ３３は、直流電力供給部３７から直流電力を受けて、交流電力を給電側コイル３５に供給する。給電側コイル３５は、非接触で、受電回路３９の受電側コイル４１に電力を供給する。また、給電回路３１は、コンデンサ４３を有する。

受電回路３９は、図１に示すように、受電側コイル４１と、整流器４５と、インバータ４７と、負荷４９を有する。受電側コイル４１は、給電側コイル３５から非接触で電力を受ける。整流器４５は、給電側コイル３５から受電側コイル４１を通して供給された交流電力を直流電力に変換する。インバータ４７は、整流器４５からの直流電力を、所望の周波数の交流電力に変換する。負荷４９は、インバータ４７から交流電力を受ける。また、受電回路３９は、コンデンサ５１を有する。

効率よく電力を負荷４９へ供給するために、回路のインダクタンスと容量は、次のように、回路が共振するように定められる。給電回路３１において、インバータ３３より下流側に位置し、給電側コイル３５とコンデンサ４３を有する給電側回路部が、インバータ３３からの交流電力の周波数で共振するように、給電側コイル３５のインダクタンスとコンデンサ４３の容量が定められている。同様に、受電回路３９において、整流器４５よりも上流側に位置し、受電側コイル４１とコンデンサ５１を有する受電側回路部が、インバータ３３からの交流電力の周波数で共振するように、受電側コイル４１のインダクタンスとコンデンサ５１の容量が定められている。

一方、負荷４９へ供給する交流電力の周波数を、所望の値に維持したり、変えたりするために、受電回路３９において、上述の整流器４５とインバータ４７を設けている。整流器４５により、受電側コイル４１からの交流電力を、一旦、直流電力に変換し、この直流電力を、インバータ４７により、所望の周波数の交流電力に変換し、この交流電力を負荷４９に供給している。また、インバータ４７を制御することにより、負荷４９へ供給する交流電力の周波数を変えている。

特許文献１にも、上述と同様の構成が記載されている。すなわち、特許文献１でも、給電回路から受電回路へ非接触で給電し、受電回路において、一旦、直流電力に変換し、この直流電力を、インバータにより、所望の周波数の交流電力に変換し、この交流電力を負荷に供給している。

特開２００４−０９６８５３号公報

しかし、給電回路と受電回路とを共振させつつ、負荷へ供給する交流電力の周波数を、所望の値に維持したり、変えたりするためには、受電回路において、整流器とインバータが必要となっていた。その結果、回路の寸法が大きくなっていた。

そこで、本発明の目的は、受電回路において整流器とインバータを設けることなく、給電回路と受電回路とを共振させつつ、負荷へ供給する交流電力の周波数を、所望の値に維持したり、変えたりできるようにすることにある。

上述の目的を達成するため、本発明によると、直流電力を受ける給電回路と、給電回路から非接触で電力を受ける受電回路とを備える送電装置であって、
給電回路は、
入力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
変換された交流電力が供給される給電側コンデンサと、
給電側コンデンサに直列に接続された給電側コイルと、を有し、
受電回路は、
給電側コイルから非接触で給電される受電側コイルと、
受電側コイルに直列に接続された受電側コンデンサと、
受電側コンデンサに直列に接続された負荷と、を有し、
給電回路のインバータから出力される交流電力の周波数で、受電回路の負荷に交流電力が供給されるようになっており、
給電側コンデンサの容量と給電側コイルのインダクタンスは可変であり、受電側コンデンサの容量と受電側コイルのインダクタンスは可変であり、
さらに、前記インバータを制御することにより、前記インバータからの交流電力の周波数を変える制御部を備え、
制御部は、前記周波数を変える時に、変更後の周波数で、給電回路が共振するように、給電側コンデンサの容量と給電側コイルのインダクタンスを変え、変更後の周波数で、受電回路が共振するように、受電側コンデンサの容量と受電側コイルのインダクタンスを変える、ことを特徴とする送電装置が供給される。

本発明の好ましい実施形態によると、制御部は、インバータから出力される交流電圧の周波数を、現在の周波数ｆｃからＡ×ｆｃに変え、Ａは、１０以上または１／１０以下である。

また、上述の目的を達成するため、本発明によると給電回路から受電回路へ非接触で供給する交流電力の周波数を変更する方法であって、
給電回路は、
入力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
変換された交流電力が供給される給電側コンデンサと、
給電側コンデンサに直列に接続された給電側コイルと、を有し、
受電回路は、
給電側コイルから非接触で給電される受電側コイルと、
受電側コイルに直列に接続された受電側コンデンサと、
受電側コンデンサに直列に接続された負荷と、を有し、
給電回路のインバータから出力される交流電力の周波数で、受電回路の負荷に交流電力が供給されるようになっており、
給電側コンデンサの容量と給電側コイルのインダクタンスは可変であり、受電側コンデンサの容量と受電側コイルのインダクタンスは可変であり、
前記周波数を変える時に、変更後の周波数で、給電回路が共振するように、給電側コンデンサの容量と給電側コイルのインダクタンスを変え、変更後の周波数で、受電回路が共振するように、受電側コンデンサの容量と受電側コイルのインダクタンスを変える、ことを特徴とする周波数変更方法が提供される。

上述した本発明によると、次のように、受電回路において整流器とインバータを設けることなく、給電回路と受電回路とを共振させつつ、負荷へ供給する交流電力の周波数を、所望の値に維持し、または、変えることができる。

給電回路のインバータから出力される交流電力の周波数で、受電回路の負荷に交流電力が供給されるので、給電回路のインバータを制御することにより、負荷へ供給する交流電力の周波数を、所望の値に維持したり、変えることができる。この場合、受電回路に整流器とインバータを設ける必要がない。

制御部は、前記周波数を変える時に、変更後の周波数で、給電回路が共振するように、給電側コンデンサの容量と給電側コイルのインダクタンスを変え、変更後の周波数で、受電回路が共振するように、受電側コンデンサの容量と受電側コイルのインダクタンスを変える。したがって、給電回路と受電回路とを共振させつつ、負荷へ供給する交流電力の周波数を変えることができる。

給電回路から受電回路へ非接触で給電する構成の一例を示す。本発明の実施形態による送電装置を示す。図２の等価回路を示す。

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明の実施形態による送電装置１０を示す。送電装置１０は、直流電力を受ける給電回路３と、給電回路３から非接触で電力を受ける受電回路５とを備える。

給電回路３は、インバータ７と、給電側コンデンサ９と、給電側コイル１１とを有する。インバータ７は、直流電力を受け、この直流電力を交流電力に変換する。給電側コンデンサ９には、インバータ７から交流電力が供給される。給電側コイル１１は、給電側コンデンサ９に直列に接続されている。また、給電側コイル１１には、インバータ７から交流電力が供給される。なお、直流電力供給部１３は、図２の例では、整流器１３である。整流器１３は、外部電源１５から交流電力を受け、この交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をインバータ７に供給する。また、図２の例では、給電回路３は、給電側コンデンサ９に直列に接続されている抵抗１４を有する。

受電回路５は、受電側コイル１７と、受電側コンデンサ１９と、負荷２１とを有する。受電側コイル１７には、給電側コイル１１から交流電力が非接触で供給される。給電側コイル１１と受電側コイル１７により電磁気結合回路が形成される。電磁気結合回路は、電磁誘導方式または電磁界共鳴方式によるものである。電磁気結合回路により、受電側コイル１７に交流電力が生じる。受電側コンデンサ１９は、受電側コイル１７に直列に接続されている。負荷２１は、受電側コンデンサ１９に直列に接続されている。負荷２１は、図２の例では、モータのロータ２２を回転駆動する磁界を発生するコイル２１ａを有する。図２の例では、モータは、２極モータであり、２相で回転駆動される。この場合、適宜の始動装置が設けられてよい。この始動装置は、コイル２１ａによるロータ２２の回転駆動の開始時に、ロータ２２の回転を補助する。このようなモータは、例えば、人の歯の治療のために、歯を削る切削具を回転させるものであってよい。また、負荷２１は、図２に示すように抵抗２１ｂを有していてもよい。

本実施形態では、給電回路３のインバータ７から出力される交流電力の周波数で、受電回路５の負荷２１に交流電力が供給されるようになっている。

給電側コンデンサ９の容量と給電側コイル１１のインダクタンスは可変である。受電側コンデンサ１９の容量と受電側コイル１７のインダクタンスは可変である。容量が可変である給電側コンデンサ９と受電側コンデンサ１９とは、公知の構成を有していてよく、インダクタンスが可変である給電側コイル１１と受電側コイル１７は、公知の構成を有していてよい。

送電装置１０は、インバータ７を制御することにより、インバータ７からの交流電力の周波数を変える制御部２３を有する。例えば、制御部２３には、周波数を指令値に変える旨の指令信号が入力され、制御部２３は、この指令信号を受けると、この指令信号が示す指令値の周波数の交流電力をインバータ７が出力するようにインバータ７を制御する。この指令信号は、例えば、人が入力装置を操作することにより生成されて、または、負荷２１の制御装置により生成されて、制御部２３に入力されてよい。
一例では、制御部２３は、インバータ７が出力する交流電力の周波数を、数Ｈｚ（例えば５Ｈｚ）以上であって、数百ｋＨｚ（例えば、２００ｋＨｚ）以下の範囲内の任意の値に変えることが可能である。この場合、上述の指令信号が示す周波数（指令値）も、同じ範囲内の任意の値であってよい。

制御部２３は、インバータ７が出力する交流電源の周波数を変える時に、変更後の周波数で、給電側コンデンサ９と給電側コイル１１を含む給電側回路部２５が共振するように、給電側コンデンサ９の容量と給電側コイル１１のインダクタンスの両方を変え、変更後の周波数で、受電側コンデンサ１９と受電側コイル１７を含む受電回路５全体が共振するように、受電側コンデンサ１９の容量と受電側コイル１７のインダクタンスの両方を変える。
図２の例では、上述の給電側回路部２５は、給電回路３において、インバータ７よりも下流側の部分であり、給電側コンデンサ９と給電側コイル１１と抵抗１４とからなる。

給電側コンデンサ９の容量を変える容量変更機構（図示せず）と、給電側コイル１１のインダクタンスを変えるインダクタンス変更機構（図示せず）とが、設けられてよい。容量変更機構は、駆動されることにより、この駆動量に応じて給電側コンデンサ９の容量を変え、インダクタンス変更機構は、駆動されることにより、この駆動量に応じて給電側コイル１１のインダクタンスを変える。制御部２３が、インバータ７からの交流電力の周波数を連続的にまたは不連続的（段階的）に変化させる場合には、これらの各周波数について、上述の給電側回路部２５がこの周波数で共振するための容量変更機構の駆動量とインダクタンス変更機構の駆動量を予め求め、当該各駆動量と当該周波数とを対応づけておく。このように互いに対応づけられた周波数と駆動量とを、制御部２３に記憶させておく。制御部２３は、インバータ７が出力する交流電源の周波数を変える時に、この変更後の周波数に対応づけられた容量変更機構の駆動量だけ容量変更機構を駆動させるように容量変更機構を駆動し、この変更後の周波数に対応づけられたインダクタンス変更機構の駆動量だけインダクタンス変更機構を駆動させるようにインダクタンス変更機構を駆動する。
このように、上述の給電側回路部２５において、給電側コンデンサ９の容量と、給電側コイル１１のインダクタンスを変えてよい。受電回路５においても、同様に、受電側コンデンサ１９の容量と、受電側コイル１７のインダクタンスを変えてよい。

図３は、図２に示す給電側回路部２５と受電回路５を合わせた回路の等価回路を示す。
上述の給電側回路部２５における共振周波数ｆ_１と、受電回路５における共振周波数ｆ_２を、次の[数１]に示す。

ここで、Ｌ_１は、給電側コイル１１のインダクタンスであり、Ｃ_１は、給電側コンデンサ９の容量であり、Ｌ_２は、受電側コイル１７のインダクタンスであり、Ｃ_２は、受電側コンデンサ１９の容量である。
なお、図３において、Ｌ_ｍは、給電側コイル１１と受電側コイル１７の相互インダクタンスであり、Ｒ_１は、抵抗１４の電気抵抗値であり、Ｒ_２は、抵抗２１ｂの電気抵抗値である。

インバータ７から出力される交流電圧の現在の周波数がｆｃであり、Aが１０以上または１／１０以下であるとする（以下、同様）。この例では、制御部２３は、インバータ７から出力される交流電圧の周波数を、徐々に変化させることにより、または、一度に不連続的に変化させることにより、現在の周波数ｆｃからＡ×ｆｃに変える。この場合、給電側回路部２５の共振を保つために、給電側コンデンサ９の容量のみを変えようとすると、給電側コンデンサ９の容量を、百分の一以下にし、または、百倍以上大きくする必要がある。

このように大きくコンデンサの容量を変えると、次の問題（１）（２）が生じるので、本実施形態では、コンデンサの容量とコイルのインダクタンスの両方を変えている。

（１）このように大きくコンデンサの容量を変えることは、現実的ではなく困難である。

（２）Q値が急激に変わって、受電側コイル１７の電圧が急激に変化してしまう。Q値は、次の[数２]で表される。

Ｑ値が急激に変化することは、給電側コイル１１の電圧が急激に変化することを意味し、また、受電側コイル１７の電圧が急激に変化することも意味する。

上記（１）（２）の問題を避けるために、本実施形態によると、制御部２３は、インバータ７から出力される交流電圧の周波数を、ｆｃからA×ｆｃに変える場合、給電側回路部２５において、給電側コンデンサ９の容量と給電側コイル１１のインダクタンスの両方を変え、受電回路５において、受電側コンデンサ１９の容量と受電側コイル１７のインダクタンスの両方を変える。例えば、制御部２３は、インバータ７からの交流電力の周波数を、５Ｈｚから１００Ｈｚに変える時に、給電側回路部２５において、給電側コンデンサ９の容量と給電側コイル１１のインダクタンスの両方を小さくし（例えば、これらの両方をそれぞれ１／２０倍だけ小さくし）、受電回路５において、受電側コンデンサ１９の容量と受電側コイル１７のインダクタンスの両方を小さくする（例えば、これらの両方をそれぞれ１／２０倍だけ小さくする）。

上述した実施形態によると、次のように、受電回路５において整流器とインバータを設けることなく、給電側回路部２５と受電回路５とを共振させつつ、負荷２１へ供給する交流電力の周波数を、所望の値に維持し、または、変えることができる。

給電回路３のインバータ７から出力される交流電力の周波数で、受電回路５の負荷２１に交流電力が供給されるので、給電回路３のインバータ７を制御部２３が制御することにより、負荷２１へ供給する交流電力の周波数を、所望の値に維持したり、変えることができる。この場合、受電回路５に整流器とインバータを設ける必要がない。

制御部２３は、インバータ７から出力される交流電力の周波数を変える時に、変更後の周波数で、給電側コンデンサ９と給電側コイル１１を含む給電側回路部２５が共振するように、給電側コンデンサ９の容量と給電側コイル１１のインダクタンスを変え、変更後の周波数で、受電回路５が共振するように、受電側コンデンサ１９の容量と受電側コイル１７のインダクタンスを変える。したがって、給電側回路部２５と受電回路５とを共振させつつ、負荷２１へ供給する交流電力の周波数を変えることができる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

３給電回路、５受電回路、７インバータ、９給電側コンデンサ、１０送電装置、１１給電側コイル、１３整流器（直流電力供給部）、１４抵抗、１５外部電源、１７受電側コイル、１９受電側コンデンサ、２１負荷、２１ａコイル、２１ｂ抵抗、２２ロータ、２３制御部、２５給電側回路部、３１給電回路、３３インバータ、３５給電側コイル、３７直流電力供給部、３９受電回路、４１受電側コイル、４３コンデンサ、４５整流器、４７インバータ、４９負荷、５１コンデンサ

Claims

直流電力を受ける給電回路と、給電回路から非接触で電力を受ける受電回路とを備える送電装置であって、
給電回路は、
入力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
変換された交流電力が供給される給電側コンデンサと、
給電側コンデンサに直列に接続された給電側コイルと、を有し、
受電回路は、
給電側コイルから非接触で給電される受電側コイルと、
受電側コイルに直列に接続された受電側コンデンサと、
受電側コンデンサに直列に接続された負荷と、を有し、
給電回路のインバータから出力される交流電力の周波数で、受電回路の負荷に交流電力が供給されるようになっており、
給電側コンデンサの容量と給電側コイルのインダクタンスは可変であり、受電側コンデンサの容量と受電側コイルのインダクタンスは可変であり、
さらに、前記インバータを制御することにより、前記インバータからの交流電力の周波数を変える制御部を備え、
制御部は、前記周波数を変える時に、変更後の周波数で、給電回路が共振するように、給電側コンデンサの容量と給電側コイルのインダクタンスを変え、変更後の周波数で、受電回路が共振するように、受電側コンデンサの容量と受電側コイルのインダクタンスを変える、ことを特徴とする送電装置。
制御部は、インバータから出力される交流電圧の周波数を、現在の周波数ｆｃからＡ×ｆｃに変え、
Ａは、１０以上または１／１０以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
給電回路から受電回路へ非接触で供給する交流電力の周波数を変更する方法であって、
給電回路は、
入力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
変換された交流電力が供給される給電側コンデンサと、
給電側コンデンサに直列に接続された給電側コイルと、を有し、
受電回路は、
給電側コイルから非接触で給電される受電側コイルと、
受電側コイルに直列に接続された受電側コンデンサと、
受電側コンデンサに直列に接続された負荷と、を有し、
給電回路のインバータから出力される交流電力の周波数で、受電回路の負荷に交流電力が供給されるようになっており、
給電側コンデンサの容量と給電側コイルのインダクタンスは可変であり、受電側コンデンサの容量と受電側コイルのインダクタンスは可変であり、
前記周波数を変える時に、変更後の周波数で、給電回路が共振するように、給電側コンデンサの容量と給電側コイルのインダクタンスを変え、変更後の周波数で、受電回路が共振するように、受電側コンデンサの容量と受電側コイルのインダクタンスを変える、ことを特徴とする周波数変更方法。