JP5972297B2 - 非接触電力伝送用装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁界共鳴により非接触で電力伝送を行う非接触電力伝送用装置に関するものである。

２００６年に発表された電磁界共鳴を利用してワイヤレス電力伝送（非接触電力伝送）を行う技術に端を発して、その技術開発が盛んに行われるようになっている。近年では、非接触で大電力送電を行うことを目的に、磁界方式を用いた三相交流による電力伝送に関する技術開発も行われている。

磁界方式を用いた三相交流による電力伝送の一例として、特許文献１には移動中の移動体に対して給電が可能な非接触給電装置の技術が開示されている。ここでは、地上に固定された一次側コイルから、これに対向するように配置された移動体側の二次側コイルに電力伝送を行う構成としている。一次側コイル及び二次側コイルはともに、３突極形磁性体の磁極に三相巻線を施したもので、三相の磁極を移動体の移動軌跡に対して垂直の方向に配置している。

一次側コイルは、３個の磁極を１組として複数組を移動軌跡に沿って所定のピッチで地上に設置している。一方、移動体に設置された二次コイルは、３個の磁極をそれぞれの相の高さが一次側コイルの対応する相の高さと等しくなるように配置している。一次側磁極と二次側磁極との間に数ｍｍから十数ｍｍの空隙を保つようにして、３つの磁極のそれぞれの間でエネルギー伝達を行えるようにしている。

特開２００９−２８４６９５号公報

しかしながら、磁界方式を用いた三相交流による電力伝送では、中性相を非接触で電気的に接続する方法が従来より知られていない。特許文献１でも、一次側コイルと二次側コイルとの間で、それぞれの３つの磁極を磁界方式で接続しているが、中性相の接続は行われていない。そのため、磁界方式を用いた従来の非接触電力伝送では、中性相を接続しない３線式三相交流非接触電力伝送のみが用いられている。

従来の磁界方式を用いた非接触電力伝送のように中性相を接続しない三相交流の電力伝送では、受電側の負荷変動等により不平衡状態になると安定した動作が行えず送電効率が低下するといった問題が生じる。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、中性相を非接触で電気的に接続して安定した電力伝送が可能な非接触電力伝送用装置を提供することを目的とする。

本発明の非接触電力伝送用装置の第１の態様は、送電部から非接触で受電部に多相交流の電力を供給する非接触電力伝送用装置であって、前記多相交流の電力を前記送電部から前記受電部に非接触で伝送するための電力伝送用線路と、前記多相交流の中性相を前記送電部と前記受電部との間で非接触で電気的に接続するための中性相用線路と、を有し、前記中性相用線路は、前記送電部と前記受電部との間を容量成分を用いて非接触で電気的に接続されており、前記送電部及び前記受電部は、それぞれ互いに対向する平板電極とインダクタンス成分とを備え、前記平板電極は、前記電力伝送用線路に接続される多相電極と前記中性相用線路に接続される中性相電極とを有し、前記多相電極は、同一円周上に異相電極が複数配置されており、対向する前記多相電極の同相間で電界共鳴して電力伝送が行われることを特徴とする。

本発明の非接触電力伝送用装置の他の態様は、前記中性相電極は、前記多相電極の内周又は外周の少なくとも一方に配置されていることを特徴とする。

本発明の非接触電力伝送用装置の他の態様は、前記平板電極は、前記多相電極を同心円状に２組以上有し、前記多相電極を組ごとに配置角を変えて配置していることを特徴とする。

本発明の非接触電力伝送用装置の他の態様は、それぞれ異なる周波数の前記多相交流の電力を伝送するための前記電力伝送用線路及び前記中性相用線路を複数組備え、前記電力伝送用線路に接続された複数組の前記多相電極の間に前記中性相用線路に接続された前記中性相電極が配置されていることを特徴とする。

本発明の非接触電力伝送用装置の他の態様は、前記送電部に備えられた前記中性相用線路は接地されていることを特徴とする。

本発明によれば、中性相を非接触で電気的に接続して安定した電力伝送が可能な非接触電力伝送用装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態の非接触電力伝送用装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態の非接触電力伝送用装置で用いられる平板電極を示す平面図である。 磁界方式の三相交流非接触電力伝送の一例を示す結線図である。 本発明の第２実施形態の非接触電力伝送用装置で用いられる平板電極を示す平面図である。 本発明の第３実施形態の非接触電力伝送用装置で用いられる平板電極を示す平面図である。

本発明の好ましい実施の形態における非接触電力伝送用装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。本発明の非接触電力伝送用装置は、多相交流方式で電力伝送を行うように構成されており、説明容易のために以下では三相交流方式で電力伝送する場合を例に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る非接触電力伝送用装置を、図１、２を用いて説明する。図１は、本実施形態の非接触電力伝送用装置１００の構成を示すブロック図である。また図２は、本実施形態の非接触電力伝送用装置１００で用いられる電極の構成を示す平面図である。本実施形態の非接触電力伝送用装置１００は、電力を送出する側の送電部１０１と、送電部１０１から非接触で受電する受電部１０２とを備えている。

本実施形態の非接触電力伝送用装置１００が例えば移動体への電力供給に用いられる場合には、送電部１０１が地上に設置され、受電部１０２が移動体に設置される。送電部１０１には電源部１１０、送電側共振用コイル部１２０、及び送電側電界結合部１３０ａが設けられ、受電部１０２には受電側電界結合部１３０ｂ、受電側共振用コイル部１４０、及び受電回路部１５０が設けられている。

電源部１１０は、所定周波数の三相交流電源を供給するものであり、電流又は電圧の位相を１２０°ずつずらした３系統の単相交流１１１、１１２、１１３を組み合わせたものとなる。単相交流１１１、１１２、１１３のそれぞれの一方の端子（出力端子）は負荷側に接続され、それぞれの他方の端子は中性点１１４に接続されている。

送電部１０１において、送電側共振用コイル部１２０は３つのコイル１２１、１２２、１２３を備えており、コイル１２１、１２２、１２３は電源部１１０の３系統の単相交流１１１、１１２、１１３の各出力端子にそれぞれ接続されている。また、送電側電界結合部１３０ａは、コイル１２１、１２２、１２３のそれぞれに接続された送電用三相電極１３１ａ、１３２ａ、１３３ａを備えている。

同様に受電部１０２において、受電側電界結合部１３０ｂは、送電側電界結合部１３０ａの送電用三相電極１３１ａ、１３２ａ、１３３ａのそれぞれに対応させて受電用三相電極１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂを備えている。また、受電側共振用コイル部１４０は、受電用三相電極１３１ａ、１３２ａ、１３３ａのそれぞれに接続された３つのコイル１４１、１４２、１４３を備えている。さらに、受電回路部１５０は、受電した三相交流電源を負荷に供給可能な電源に変換するものであり、例えば整流回路１５１を備えて三相交流を直流に変換し、これをバッテリに供給して充電させるように構成することができる。

送電部１０１に備えられた送電側電界結合部１３０ａと受電部１０２に備えられた受電側電界結合部１３０ｂのそれぞれの電極面が平板状に形成されており、送電側電界結合部１３０ａと受電側電界結合部１３０ｂとが、例えば所定のエアギャップを設けて非接触に対向するとき、送電側電界結合部１３０ａの送電用三相電極１３１ａ、１３２ａ、１３３ａと受電側電界結合部１３０ｂの受電用三相電極１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂのそれぞれがコンデンサ１３１、１３２、１３３を形成する。送電側電界結合部１３０ａと受電側電界結合部１３０ｂとを合わせて、以下では電界結合部１３０とする。

本実施形態の非接触電力伝送用装置１００では、電界結合部１３０において送電用電極１３１ａと受電用電極１３１ｂ、送電用電極１３２ａと受電用電極１３２ｂ、及び送電用電極１３３ａと受電用電極１３３ｂ、がそれぞれ対向してコンデンサ１３１、１３２、１３３を形成するとき、送電部１０１ではコンデンサ１３１、１３２、１３３とコイル１２１、１２２、１２３のそれぞれで共振回路が形成される。同様に、受電部１０２でもコンデンサ１３１、１３２、１３３とコイル１４１、１４２、１４３のそれぞれで共振回路が形成される。これにより、コンデンサ１３１、１３２、１３３を介して送電部１０１から受電部１０２に電界方式で非接触に電力伝送が行われる。

本実施形態の非接触電力伝送用装置１００は、電源部１１０から出力される三相交流電源がコンデンサ１３１、１３２、１３３を介して非接触で受電部１０２側に伝送される構成に加えて、三相交流電源の中性相も非接触で受電部１０２に電気的に接続されるように構成されている。すなわち、送電側電界結合部１３０ａと受電側電界結合部１３０ｂのそれぞれの平板電極にさらに中性相電極１３４ａと１３４ｂを設けており、送電側電界結合部１３０ａと受電側電界結合部１３０ｂとが、例えば所定のエアギャップを設けて対向するとき、中性相電極１３４ａと１３４ｂとの間でもコンデンサ１３４が形成されるようにしている。

送電側電界結合部１３０ａに設けられた中性相電極１３４ａは電源部１１０の中性点１１４に接続され、受電側電界結合部１３０ｂに設けられた中性相電極１３４ｂは受電回路部１５０に接続されている。このように形成された中性相用線路は、電源と負荷とが平衡状態にあるときには電流が流れない。

これに対し、受電側の負荷が変動したり、送電側電界結合部１３０ａと受電側電界結合部１３０ｂとの間の距離の変動等があると、電力伝送が不平衡状態になることがある。本実施形態では、そのような場合には中性相用線路に電流が流れることで、安定した電力伝送を維持して伝送効率の低下を抑制することが可能となる。すなわち、三相交流の電力伝送が不平衡状態になって中性相用線路の電極１３４ａと電極１３４ｂとの間に電位差が生じると、コンデンサ１３４を介して中性相用線路に電流が流れ、これにより安定した電力伝送が維持される。中性相用線路の送電部１０１側あるいは受電部１０２側のいずれか一方のみを接地（ＧＮＤ）しておくのがよく、とくに送電部１０１側で接地するのがよい。中性点の接地により、（ｉ）１線地絡時に健全相の電圧の上昇を抑制し、線路や機器の安
全を確保する、（ｉｉ）保護継電器の動作を迅速に、かつ確実にして、事故範囲の波及拡大防止や設備損傷の局限化を実現する、等の効果を得ることができる。

送電用三相電極１３１ａ〜１３３ａと中性相電極１３４ａを備える送電側電界結合部１３０ａ、及び受電用三相電極１３１ｂ〜１３３ｂと中性相電極１３４ｂを備える受電側電界結合部１３０ｂの構成を、図２を用いて説明する。同図（ａ）に示す構成は、中性相電極１３４ａ及び１３４ｂの外周に送電用三相電極１３１ａ〜１３３ａ及び受電用三相電極１３１ｂ〜１３３ｂをそれぞれ配置している。送電用三相電極１３１ａ〜１３３ａ及び受電用三相電極１３１ｂ〜１３３ｂは、それぞれ中性相電極１３４ａ及び１３４ｂを中心に、それぞれ１２０°ずつ回転させた位置に配置されている。三相電極の相対的な位置関係は、下記の別の実施形態でも同じである。

一方、図２（ｂ）、（ｃ）に示す構成では、送受電用三相電極の外周に中性相電極を配置している。同図（ｂ）に示す構成では、同図（ａ）と同様に中性相電極１３４ａ−１及び１３４ｂ−１の外周にそれぞれ送電用三相電極１３１ａ〜１３３ａ及び受電用三相電極１３１ｂ〜１３３ｂを配置し、さらに送電用三相電極１３１ａ〜１３３ａ及び受電用三相電極１３１ｂ〜１３３ｂの外周にそれぞれ中性相電極１３４ａ−２及び１３４ｂ−２を配置している。中性相電極１３４ａ−１及び１３４ａ−２はいずれも電源部１１０の中性点１１４に接続されており、中性相電極１３４ｂ−１及び１３４ｂ−２はいずれも受電回路部１５０に接続されている。

また図２（ｃ）に示す構成では、送電用三相電極１３１ａ〜１３３ａ及び受電用三相電極１３１ｂ〜１３３ｂの中心に中性相電極を有さず、それぞれの外周にのみ中性相電極１３４ａ及び１３４ｂを配置している。上記説明のように、中性相電極１３４ａ及び１３４ｂは、送電用三相電極１３１ａ〜１３３ａ及び受電用三相電極１３１ｂ〜１３３ｂの中心と外周のいずれか一方またはその両方に設けることができ、中性相電極１３４ａと１３４ｂとが対向するように配置する。これにより、送電側電界結合部１３０ａと受電側電界結合部１３０ｂとが、例えば所定のエアギャップを設けて非接触に対向するように配置されたとき、４線式三相交流による非接触電力伝送が可能となり、安定した電力伝送を行うことができる。

なお、図１に示す非接触電力伝送用装置１００の構成では、中性相用線路にコンデンサ１３４のみが配置されているが、三相の電力伝送用線路と同様に、送電側共振用コイル部１２０及び受電側共振用コイル部１４０のそれぞれにコイルを配置して中性相用線路に接続してもよい。これにより、中性相用線路でも送電側と受電側で共振回路が形成され、不平衡状態のときは電界方式による非接触伝送が行われて中性相用線路に電流が流れる。

上記のように、本実施形態では電界方式による非接触電力伝送を行うように構成されているが、これとの比較のために、磁界方式による三相交流非接触電力伝送の結線図の一例を図３に示す。磁界方式の場合には、送電用三相コイル９１ａ〜９３ａと受電用三相コイル９１ｂ〜９３ｂとの間で磁界方式により非接触電力伝送されるが、中性相はコイルだけで非接触で電気的に接続させることができない。そのため、コイルを用いて中性相用線路を形成することができず、不平衡状態のときに電流が流れるようにすることができない。中性相用線路を形成して不平衡状態のときに電流が流れるようにするには、本実施形態と同様のコンデンサを配置する必要がある。

本実施形態の非接触電力伝送用装置１００は、コンデンサ１３４を介して中性相用線路を非接触で電気的に接続することにより４線式三相交流の非接触電力伝送を実現しており、以下のように動作する。電源部１１０から受電部１０２の受電回路部１５０に接続された負荷に安定して電力伝送が行われる平衡状態では、中性相用線路を流れる電流は零になる。これに対し、送電側電界結合部１３０ａと受電側電界結合部１３０ｂとの間の距離が変化したり負荷の変動等により不平衡状態になったときには、中性相用線路に電流が流れる。このように、不平衡状態のときに中性相用線路に電流が流れるようにすることで、安定した電力伝送を維持することができ、電力伝送の効率低下を抑制することが可能となる。

本実施形態の非接触電力伝送用装置１００では、三相で電力伝送を行う構成としていることから、大電力の伝送が可能となる。単層の電力伝送では、有線の場合でもたとえば１００Ｖ・１５Ａ程度までしか電力伝送できないが、三相の電力伝送では２ｋＷ以上の電力伝送が可能となり、大電力の伝送に好適である。また、三相の電力伝送で例えば単相の３倍の電力伝送を行う構成とするとき、装置の体積を単相の装置の３倍よりも小さくすることができ、装置の小型化を図ることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る非接触電力伝送用装置を、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態の非接触電力伝送用装置で用いられる平板電極の構成を示す平面図である。本実施形態の非接触電力伝送用装置の送電側電界結合部２３０ａ及び受電側電界結合部２３０ｂに設けられる平板電極は、送電用三相電極２３１ａ〜２３３ａ及び受電用三相電極２３１ｂ〜２３３ｂを、それぞれ２組以上備えている。そして、各相の電極を配置する角度（配置角）が少しずつずらされている。

図４に示す送電側電界結合部２３０ａ及び受電側電界結合部２３０ｂでは、送電用三相電極２３１ａ〜２３３ａ及び受電用三相電極２３１ｂ〜２３３ｂがそれぞれ３組配置されており、中心から外周側に向かって各符号にー１、−２、−３を付している。３組目の送電用三相電極２３１ａ−３、２３２ａ−３、２３３ａ−３及び３組目の受電用三相電極２３１ｂ−３、２３２ｂ−３、２３３ｂ−３のさらに外周側に、中性相電極２３４ａ及び２３４ｂが配置されている。中性相電極２３４ａ及び２３４ｂの配置は、これに限定されず、例えば図２（ａ）に示す第１実施形態のように、中心部に配置してもよい。

本実施形態では、同相の送電用電極２３１ａ−１、２３１ａ−２、２３１ａ−３を、それぞれの配置角が相互に異なるようにずらして配置している。それに伴って、他の相の電極も同じ角度だけずらして配置されている。同様に、３組の受電用三相電極２３１ｂ〜２３３ｂも、上記の送電用電極と対向して配置されるように、各組の配置角を変えて配置されている。

本実施形態の非接触電力伝送用装置では、上記のように複数組の送電用三相電極及び受電用三相電極を、配置角をずらして配置している。これにより、送電側電界結合部２３０ａと受電側電界結合部２３０ｂとを、例えば所定のエアギャップを設けて非接触に対向させたとき、対向面と平行な方向に位置ずれが生じた場合でも、複数組の電極のいずれかで効率よく電力伝送を行うことが可能となり、伝送特性の変動を低減させることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る非接触電力伝送用装置を、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態の非接触電力伝送用装置で用いられる平板電極の構成を示す平面図である。本実施形態の非接触電力伝送用装置の送電側電界結合部３３０ａ及び受電側電界結合部３３０ｂに設けられる平板電極は、送電用三相電極３３１ａ、３３２ａ、３３３ａと中性相電極３３４ａ、及び受電用三相電極３３１ｂ、３３２ｂ、３３３ｂと中性相電極３３４ｂを、それぞれ２組以上備えている。

図５（ａ）、（ｂ）とも、送電用三相電極３３１ａ−１、３３２ａ−１、３３３ａ−１とその外周に配置された中性相電極３３４ａ−１、及び受電用三相電極３３１ｂ−１、３３２ｂ−１、３３３ｂ−１とその外周に配置された中性相電極３３４ｂ−１が１組目として中心部に設けられている。そして、２組目として中性相電極３３４ａ−１及び３３４ｂ−１の外周に、送電用三相電極３３１ａ−２、３３２ａ−２、３３３ａ−２とその外周に配置された中性相電極３３４ａ−２、及び受電用三相電極３３１ｂ−２、３３２ｂ−２、３３３ｂ−２とその外周に配置された中性相電極３３４ｂ−２が設けられている。

図５（ａ）では、１組目の送電用三相電極３３１ａ−１、３３２ａ−１、３３３ａ−１及び受電用三相電極３３１ｂ−１、３３２ｂ−１、３３３ｂ−１と、２組目の送電用三相電極３３１ａ−２、３３２ａ−２、３３３ａ−２及び受電用三相電極３３１ｂ−２、３３２ｂ−２、３３３ｂ−２とが、各相の配置角が同じとなるように配置されている。これに対し図５（ｂ）では、各相の配置角が異なるように配置されている。

本実施形態の非接触電力伝送用装置では、上記の２組以上の電極を非接触で電気的に接続して形成される２組以上の非接触電力伝送用線路のそれぞれに、周波数の異なる三相交流電源を伝送させることが可能となっている。１組目の送電用三相電極３３１ａ−１、３３２ａ−１、３３３ａ−１と中性相電極３３４ａ−１、及び受電用三相電極３３１ｂ−１、３３２ｂ−１、３３３ｂ−１と中性相電極３３４ｂ−１を非接触で電気的に接続して形成される非接触電力伝送用線路に、周波数ｆ１の三相交流電力を伝送させるとする。

このとき、２組目の送電用三相電極３３１ａ−２、３３２ａ−２、３３３ａ−２と中性相電極３３４ａ−２、及び受電用三相電極３３１ｂ−２、３３２ｂ−２、３３３ｂ−２と中性相電極３３４ｂ−２を非接触で電気的に接続して形成される非接触電力伝送用線路には、周波数ｆ１と異なる別の周波数ｆ２の三相交流電力を伝送させることが可能となる。１組目の送電用三相電極３３１ａ−１、３３２ａ−１、３３３ａ−１及び受電用三相電極３３１ｂ−１、３３２ｂ−１、３３３ｂ−１と、２組目の送電用三相電極３３１ａ−２、３３２ａ−２、３３３ａ−２及び受電用三相電極３３１ｂ−２、３３２ｂ−２、３３３ｂ−２との間には、中性相電極３３４ａ−１及び中性相電極３３４ｂ−１が配置されていることから、異なる周波数の三相交流電力を相互に干渉することなく伝送することが可能となっている。１組目の三相電極と２組目の三相電極の配置角の違いについては、異なる周波数の三相交流電力を伝送するうえで特に影響しない。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る非接触電力伝送用装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における非接触電力伝送用装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１００ 非接触電力伝送用装置
１０１ 送電部
１０２ 受電部
１１０ 電源部
１１１、１１２、１１３ 単相交流
１１４ 中性点
１２０ 送電側共振用コイル部
１２１、１２２、１２３ コイル
１３０ 電界結合部
１３０ａ、２３０ａ、３３０ａ 送電側電界結合部
１３０ｂ、２３０ｂ、３３０ｂ 受電側電界結合部
１３１、１３２、１３３、１３４ コンデンサ
１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ、２３１ａ、２３２ａ、２３３ａ、３３１ａ、３３２ａ、３３３ａ 送電用三相電極
１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂ、２３１ｂ、２３２ｂ、２３３ｂ、３３１ｂ、３３２ｂ、３３３ｂ 受電用三相電極
１３４ａ、１３４ｂ、２３４ａ、２３４ｂ、３３４ａ、３３４ｂ 中性相電極
１４０ 受電側共振用コイル部
１４１、１４２、１４３ コイル
１５０ 受電回路部
１５１ 整流回路

Claims (5)

1. 送電部から非接触で受電部に多相交流の電力を供給する非接触電力伝送用装置であって、
   前記多相交流の電力を前記送電部から前記受電部に非接触で伝送するための電力伝送用線路と、
   前記多相交流の中性相を前記送電部と前記受電部との間で非接触で電気的に接続するための中性相用線路と、を有し、
   前記中性相用線路は、前記送電部と前記受電部との間を容量成分を用いて非接触で電気的に接続されており、
   前記送電部及び前記受電部は、それぞれ互いに対向する平板電極とインダクタンス成分とを備え、
   前記平板電極は、前記電力伝送用線路に接続される多相電極と前記中性相用線路に接続される中性相電極とを有し、
   前記多相電極は、同一円周上に異相電極が複数配置されており、
   対向する前記多相電極の同相間で電界共鳴して電力伝送が行われる
   ことを特徴とする非接触電力伝送用装置。
2. 前記中性相電極は、前記多相電極の内周又は外周の少なくとも一方に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送用装置。
3. 前記平板電極は、前記多相電極を同心円状に２組以上有し、
   前記多相電極を組ごとに配置角を変えて配置している
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電力伝送用装置。
4. それぞれ異なる周波数の前記多相交流の電力を伝送するための前記電力伝送用線路及び前記中性相用線路を複数組備え、
   前記電力伝送用線路に接続された複数組の前記多相電極の間に前記中性相用線路に接続された前記中性相電極が配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送用装置。
5. 前記送電部に備えられた前記中性相用線路は接地されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の非接触電力伝送用装置。

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