JP5885074B2 - 非接触電力伝送装置及び方法 - Google Patents
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Description
しかし可動部に対して電力を伝送する場合には、可動部が動くことによって、非接触電力伝送装置の給電コイルと可動部に設けられた受電コイルとの相対位置が変化し、給電コイルから受電コイルへ電力を伝送している電磁界の分布も変化する。電磁界の分布が金属部材に近づき金属部材周辺の電磁界が強くなると、金属部材に誘導電流が流れ、非接触電力伝送の効率が低下するだけでなく、金属部材が過熱され金属部材に取り付けられている装置や部品の動作不良や故障の原因となる可能性がある。
前記可動部の移動により前記受電コイルとの距離が変わる金属部材と、
前記給電コイルに前記電力を供給する給電部と、
前記受電コイルの前記給電コイルに対する相対位置を測定する測定部と、
前記給電部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記測定部で測定された前記相対位置に応じて前記金属部材の過熱が防止されるように前記電力を変化させる、ことを特徴とする非接触電力伝送装置が提供される。
給電部により、前記給電コイルに前記電力を供給し、
測定部により、前記受電コイルの前記給電コイルに対する相対位置を測定し、
制御部により、前記測定部で測定された前記相対位置に応じて前記金属部材の過熱が防止されるように前記電力を変化させる、ことを特徴とする非接触電力伝送方法が提供される。
この図において、非接触電力伝送装置1は、給電コイルL1と受電コイルL2とを備えており、給電コイルL1から受電コイルL2に対して電力を非接触で伝送するようになっている。
ここで、本明細書において、「位置」とは、図1中に示したXYZ直交座標系におけるX方向,Y方向,Z方向の位置をいい、「姿勢」とはX軸,Y軸,Z軸周りの回転をいう。また、「相対位置」とは、「相対的な位置及び姿勢の変位」を意味する。
この図に示す通り、非接触電力伝送装置1は、固定部P1側(給電側)に設けられる構成と、可動部P2側(受電側)に設けられる構成とに大別される。給電側の構成は、上述した給電コイルL1に加えて、外部電源11、整流回路12、給電部13、測定部14、及び制御部15等からなる。これに対し、受電側の構成は、上述した受電コイルL2に加えて受電回路21等からなる。なお、受電側に設けられる負荷22は、非接触で伝送された電力が供給される負荷であり、例えば可動部P2に搭載された機器に内蔵されるモータ等である。
整流回路12は、外部電源11から供給される交流電力を整流して直流電力に変換する回路であり、例えば図2に示す通り、三相全波整流回路(ブリッジ整流回路)で実現される。
この例において、制御部15は、デューティテーブルT(後述する)に基づき、測定部14で測定された前記相対位置に応じて給電コイルL1と受電コイルL2間の電力のデューティDを変化させる。
なお「デューティD」とは、給電コイルL1から受電コイルL2へ伝送可能な最大電力に対する実際の伝送比率(%)を意味する。
具体的に、伝送電力選択器15aは、デューティテーブルTを用いて、上記のデューティDを求める。なお、伝送電力選択器15aは、例えばCPU(中央処理装置)及びメモリ等を有するマイクロプロセッサと、伝送電力選択器15aの機能を実現するプログラムとの協働によって実現される。
この図において、(A)はデューティDが100%、(B)は同50%、(C)は同25%の場合であり、それぞれスイッチングレッグ13aの波形を示している。なお、スイッチングレッグ13bは上下反転した波形となる。
各図において、中心の水平線は上下のトランジスタが両方とも非導通の状態であり、上側の水平線は上のトランジスタが導通した状態、下側の水平線は下のトランジスタが導通した状態である。
図3(A)(B)(C)において、各波形の周期は同一であり、(A)は上下どちらかのトランジスタが常に導通しており、(B)は50%導通しており、(C)は25%導通している。
なおこの例において、デューティDは、スイッチングレッグ13a,13bのトランジスタが導通している時間の全体の時間に対する比率であり、周波数は変えていない。しかし、デューティDと併用して周波数を変化させてもよい。
上述した給電部13の出力波形を給電コイルL1から出力することにより、給電コイルL1と受電コイルL2間の伝送電力を制御することができる。
この図に示す通り、デューティテーブルTは、固定部P1に対する可動部P2の相対的な位置及び姿勢の変位(Xm,Ym,θm)と、デューティDとの関係を示すテーブルである。このデューティテーブルTは、予め行われた実験やシミュレーションの結果に基づいて、給電コイルL1と受電コイルL2間に発生する電磁界と金属部材Mとの相対距離に応じて、予め設定されている。
また、可動部P2が左右の中間に位置しているときは、給電コイルL1から受電コイルL2へ非接触電力伝送する電磁界が金属部材Mに少し接近しているので、非接触電力伝送の電力を少し低下させ、スイッチングレッグ13a,13bの出力のデューティDを例えば50%にする。
さらに、可動部P2が右に寄っているときは、給電コイルL1から受電コイルL2へ非接触電力伝送する電磁界は金属部材Mから離れているので、非接触電力伝送の電力を低下させる必要がなく、スイッチングレッグ13a,13bの出力のデューティDを例えば100%にする。
なお、電力低下時のデューティDの値(25%,50%)は一例であり、金属部材Mの過熱を防止できれば異なる値でよい。
従って、この構成より、金属部材Mの過熱が抑制され、金属部材Mに取り付けられている装置や部品の動作不良や故障を防止し、かつエネルギーの無駄を低減することができる。
この例において、本発明の非接触電力伝送装置1は、給電電力測定回路26と受電電力測定回路30とを備える。
給電電力測定回路26は、給電側母線間の電圧V1(t)を測定する電圧測定器27、給電側母線の電流I1(t)を測定する電流測定器28、及び電圧V1(t)と電流I1(t)から給電側の電力P1(=V1(t)×I1(t))を演算する電力量演算器29を有し、給電コイルL1から給電される給電電力P1を測定する。
受電電力測定回路30は、受電側母線間の電圧V2(t)を測定する電圧測定器31、受電側母線の電流I2(t)を測定する電流測定器32、及び電圧V2(t)と電流I2(t)から受電側の電力P2(=V2(t)×I2(t))を演算する電力量演算器33を有し、受電コイルL2から受電される受電電力P2を測定する。
受電電力P2は、図示しない無線通信装置を介して給電側に送信されるのがよい。
デューティテーブルTは、受電コイルL2の給電コイルL1に対する相対位置における電力の伝送効率に応じて設定される。
従って、この実施形態では、給電電力測定回路26と受電電力測定回路30により受電電力P2の給電電力P1に対する伝送効率(P2/P1)を測定しながら可動部P2を移動可能な範囲全体にわたって動かす。それぞれの受電コイルL2の給電コイルL1に対する相対位置において伝送効率を計算し、伝送効率が低い位置を、電力のデューティDを低下させる位置としてデューティテーブルTに記憶させる。
伝送効率80%以上(金属部材Mから離れている場合に相当):デューティD=100%
伝送効率80%未満60%以上(金属部材Mにある程度近い場合に相当):デューティD=50%
伝送効率60%未満(金属部材Mに近い):デューティD=25%
移動可能な範囲内で、X,Y,θを一定間隔(デューティテーブルTのメッシュと同じ間隔)で動かしてデューティテーブルTの内容を埋めて、デューティテーブルTに記憶させる。
なお、以上の数値は一例であり、本発明の効果が得られるのであれば他の数値であってもよい。
また、図5の構成を保ったままとし、機器の寸法、構成、配置が変化した場合には同じ操作により再度デューティテーブルTの内容を更新してもよい。
この例では、受電側に電力蓄積要素34を備える。
伝送電力を低下させている位置(デューティDが小さい位置)で負荷22への電力供給が不足する可能性がある場合、電力蓄積要素34(リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの2次電池、電気二重層キャパシタ、電解コンデンサ、など)を受電側に付加し、伝送電力を低下させない位置(デューティDが大きい位置)で電力を電力蓄積要素34に蓄積しておき、伝送電力を低下させる位置では電力蓄積要素34から放電させて負荷22への電力供給を補うようになっている。
その他の構成は、第1実施形態と同様である。
13 給電部、13a,13b スイッチングレッグ、
14 測定部、14a〜14c 変位測定器、
15 制御部、15a 伝送電力選択器、15b 発振回路、
15c 駆動クロック生成回路、15d ドライバ制御回路、
21 受電回路、22 負荷、26 給電電力測定回路、
27 電圧測定器、28 電流測定器、29 電力量演算器、
30 受電電力測定回路、31 電圧測定器、
32 電流測定器、33 電力量演算器、34 電力蓄積要素、
L1 給電コイル、L2 受電コイル、
P1 固定部、P2 可動部、M 金属部材、
D デューティ、T デューティテーブル
Claims (6)
- 固定部に設けられた給電コイルと、可動部に設けられた受電コイルとの間で電力を非接触で伝送する非接触電力伝送装置であって、
前記可動部の移動により前記受電コイルとの距離が変わる金属部材と、
前記給電コイルに前記電力を供給する給電部と、
前記受電コイルの前記給電コイルに対する相対位置を測定する測定部と、
前記給電部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記測定部で測定された前記相対位置に応じて前記金属部材の過熱が防止されるように前記電力を変化させる、ことを特徴とする非接触電力伝送装置。 - 前記制御部は、前記金属部材の過熱が防止されるように前記相対位置に対応する電力のデューティを記憶するデューティテーブルを有し、該デューティテーブルに基づき、前記測定部で測定された前記相対位置に応じて前記電力の前記デューティを変化させる、ことを特徴とする請求項1に記載の非接触電力伝送装置。
- 前記デューティテーブルは、前記相対位置に応じて、予め設定されている、ことを特徴とする請求項2に記載の非接触電力伝送装置。
- 前記給電コイルから給電される給電電力を測定する給電電力測定回路と、
前記受電コイルから受電される受電電力を測定する受電電力測定回路とを備え、
前記デューティテーブルは、前記相対位置における前記電力の伝送効率に応じて設定される、ことを特徴とする請求項2に記載の非接触電力伝送装置。 - 固定部に設けられた給電コイルと、可動部に設けられた受電コイルとの間で電力を非接触で伝送する非接触電力伝送方法であって、前記可動部の移動により前記受電コイルとの距離が変わる金属部材を備える非接触電力伝送装置用の非接触電力伝送方法で、
給電部により、前記給電コイルに前記電力を供給し、
測定部により、前記受電コイルの前記給電コイルに対する相対位置を測定し、
制御部により、前記測定部で測定された前記相対位置に応じて前記金属部材の過熱が防止されるように前記電力を変化させる、ことを特徴とする非接触電力伝送方法。 - 前記制御部により、前記金属部材の過熱が防止されるように前記相対位置に対応する電力のデューティを記憶するデューティテーブルに基づき、前記測定部で測定された前記相対位置に応じて前記電力のデューティを変化させる、ことを特徴とする請求項5に記載の非接触電力伝送方法。
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