JP5978184B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は非接触給電装置に関し、特に、同心上に設置された送電コイルおよび受電コイルにより電磁誘導を利用して電力を供給する非接触給電装置に用いて好適なものである。

タービンやモータなど回転機械の監視制御においては、回転するロータの応力や温度を計測し、その計測データをリアルタイムで制御監視装置に伝送することが必要である。ロータなどの回転体の場合、電力の供給に従来はスリップリングやトロリー方式の接触型が主に用いられてきた。しかし、これらの方式のシステムは高価であり、接触部の機械的摩耗の問題もあることから、近年では電磁誘導を利用した非接触型の給電方式が用いられてきている。

一般的に、電磁誘導を利用して回転体に対して電力を供給する非接触給電装置は、図２に示すように構成されている。すなわち、従来の一般的な非接触給電装置は、回転体１００の外周において同心上に設置される送電コイル１０１および受電コイル１０２と、送電コイル１０１に対して交流電力を供給する送電用発振器１０３と、受電コイル１０２のインンダクタンスに対して同調する容量を有するコンデンサを備えた共振回路１０４と、受電コイル１０２から共振回路１０４を通して供給される交流電力を整流して直流電力に変換する整流回路１０５とを備えている。なお、送電コイル１０１に対して同調用のコンデンサを接続したものも存在する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１４０５３号公報

電磁誘導を利用した非接触給電装置において、できるだけ効率よく電力の供給を行うためには、送電コイル１０１に供給される交流電力の周波数と、受電コイル１０２のインンダクタンスおよび共振回路１０４が備えるコンデンサの容量で定まる共振周波数との値が同一もしくはそれに近くなるように調整する必要がある。そのためには、共振回路１０４が備えるコンデンサの容量を適切な値に調整することが重要となる。

しかしながら、大型のタービンやモータのように巨大な設備に非接触給電装置を設置する場合、タービンやモータがある現場において送電コイル１０１や受電コイル１０２を回転体１００に巻き付け、その現場においてコンデンサの容量Ｃの値も調整しなければならない。この場合、共振周波数の値は、回転体１００に巻き付ける受電コイル１０２の径の大きさや、当該受電コイル１０２のインンダクタンスの値、使用する鉄心の透磁率など多くの要素の影響を受けて変わってしまう。

そのため、給電の最大効率を得るのに必要な値にコンデンサの容量を調整するためには、様々な容量のコンデンサを接続しては共振周波数を測定してみるといった試行錯誤的な作業が必要となり、現場での非接触給電装置の設置作業が非常に煩雑になるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、共振周波数を調整して給電効率を最大限に上げた状態で非接触給電装置を現場で設置する作業を容易に行うことができるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の非接触給電装置は、同心上に設置される送電コイルおよび受電コイルと、受電コイルに接続された共振回路とを備え、当該共振回路は、コンデンサと、当該コンデンサと共振する共振用コイルとを備えており、受電コイルの巻数を１回とする一方、共振用コイルの巻数をｎ回（ｎ＞１）とすることにより、受電コイルのインダクタンスに対して共振用コイルのインダクタンスを１０倍以上の値に設定している。

上記のように構成した本発明によれば、受電コイルのインダクタンスに対して共振用コイルのインダクタンスが十分に大きな値に設定されているため、共振回路内のコンデンサの容量との関係で共振周波数を定めるインダクタンスに関して、受電コイルのインダクタンスは殆ど無視することができる。すなわち、受電コイルの径の大きさ、受電コイルのインンダクタンスの値、鉄心の透磁率などの影響を受けて共振周波数が変わってしまうことがなく、受電コイルとは別に設けた共振用コイルのインダクタンスとコンデンサの容量とによって共振周波数が定まる。

このため、共振用コイルのインダクタンスとの関係だけでコンデンサの容量を調整することにより、給電効率を最大限に上げるために必要な共振周波数の設定を行うことができる。これにより、作業者が現場に向かう前に、共振回路が備えるコンデンサの容量と共振用コイルのインダクタンスの調整を行って共振周波数を設定しておけば、現場では共振回路を受電コイルに接続するだけの作業で済む。したがって、共振周波数を調整して給電効率を最大限に上げた状態で非接触給電装置を現場で設置する作業を容易に行うことができるようになる。

本実施形態による非接触給電装置の構成例を示す図である。 従来の非接触給電装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による非接触給電装置の構成例を示す図である。なお、図１に示す非接触給電装置は、その構成を模式的に示すものであって、大きさや形状を正確に反映したものではない。

図１に示すように、本実施形態の非接触給電装置は、例えばタービンのロータのような回転体１００の外周において同心上に設置される送電コイル１１および受電コイル１２と、受電コイル１２に接続された共振回路１３と、受電コイル１２から共振回路１３を通して供給される交流電力を整流して直流電力に変換する整流回路１４とを備えている。

送電コイル１１には、当該送電コイル１１に対して交流電力を供給するための送電用発振器２０が接続される。この送電コイル１１は、電磁誘導を利用して受電コイル１２に電力を給電する。受電コイル１２は、電磁誘導を利用して送電コイル１１より電力を受電する。受電コイル１２は、例えば回転体１００の外周表面に巻き付けられ、共振回路１３および整流回路１４は、例えば回転体１００の外周表面に設置される。

共振回路１３は、送電用発振器２０から送電コイル１１に給電する交流電力の周波数と略一致する共振周波数を受電コイル１２側に発生させるための回路であり、コンデンサ１５と、当該コンデンサ１５と共振する共振用コイル１６とを備えて構成される。

本実施形態では、共振用コイル１６をトロイダルコイルにより構成している。そして、このトロイダルコイルに２組の接続端子を設け、その１組をコンデンサ１５を介して受電コイル１２に接続するとともに、もう１組を整流回路１４に接続している。

また、本実施形態では、共振用コイル１６の巻数を受電コイル１２の巻数に対して十分に大きな値に設定することにより、受電コイル１２のインダクタンスＬ２に対して共振用コイル１６のインダクタンスＬ３を十分に大きな値に設定している。例えば、受電コイル１２の巻数を１回とする一方、共振用コイル１６の巻数をｎ回（ｎ>>１）とする。

このように構成することにより、共振回路１３におけるコンデンサ１５の容量Ｃとの関係で共振周波数を定めるインダクタンスの値に関して、共振用コイル１６のインダクタンスＬ３と比べて受電コイル１２のインダクタンスＬ２の値は殆ど無視することができる。

すなわち、ロータの外周に現場で巻き付ける受電コイル１２の径の大きさ、受電コイル１２のインンダクタンスＬ２の値、鉄心の透磁率などの影響を受けて共振回路１３の共振周波数が変わってしまうことがなく、受電コイル１２とは別に設けた共振用コイル１６のインダクタンスＬ３の値とコンデンサの容量Ｃの値とによって共振周波数が定まる。

このため、共振用コイル１６のインダクタンスＬ３との関係だけでコンデンサ１５の容量Ｃを調整することにより、給電効率を最大限に上げるために必要な共振周波数の設定を行うことができる。例えば、送電コイル１１に給電する交流電力の周波数がｆ_１[ｋＨｚ]である場合、共振用コイル１６のインダクタンスＬ３とコンデンサ１５の容量Ｃとにより定まる共振周波数ｆ_２[ｋＨｚ]をｆ_１と略一致するようにコンデンサ１５の容量Ｃを調整すればよい。

これにより、作業者が現場に向かう前に、共振回路１３が備えるコンデンサ１５の容量Ｃと共振用コイル１６のインダクタンスＬ３の調整を行って共振周波数を設定しておけば、現場では共振回路１３を受電コイル１２に接続するだけの作業で済む。したがって、共振周波数を調整して給電効率を最大限に上げた状態で非接触給電装置を現場で設置する作業を容易に行うことができるようになる。また、本実施形態では、受電コイル１２の巻数を１回としているので、現場でロータの外周に受電コイル１２を巻き付ける作業も極めて簡単に行うことができる。

ここで、受電コイル１２のインダクタンスＬ２と共振用コイル１６のインダクタンスＬ３との比が大きければ大きいほど、共振回路１３の共振周波数は受電コイル１２のインダクタンス変動の影響を受けにくくなる。例えば、共振用コイル１６のインダクタンスＬ３は、受電コイル１２のインダクタンスＬ２のおよそ１０倍以上の値に設定するのが望ましい。

すなわち、受電側における受電コイル１２および共振用コイル１６の合成インダクタンスをＬ＝（Ｌ２＋Ｌ３）とすると、受電側の共振周波数ｆ_ｒは、
ｆ_ｒ＝１／２π√（ＬＣ）・・・（１）
である。そして、受電側の共振周波数ｆ_ｒが送電側の発振周波数ｆ_ｏ（上述した送電コイル１１に給電する交流電力の周波数ｆ_１に相当）と一致したときに、受電ゲインは最大となる。

これに対して、共振周波数ｆ_ｒが発信周波数ｆ_ｏに対してずれがあると、そのずれの大きさに応じて受電ゲインが減少する。受電コイル１２および共振用コイル１６の周辺の磁性体の配置の違いによってインダクタンスのＱ値が影響を受けるため、受電ゲインの減少の仕方は装置の設置状態で変わり得るが、概ね５％ずれると、受電ゲインは最大値の約１／２となることを実験で確認している。

仮に、受電ゲインの低下が１／２までを実用範囲と考えて、受電側の合成インダクタンスＬを（１）式に当てはめると、Ｌ３≧１０＊Ｌ２であれば、受電側のインダクタンスがＬ＝（Ｌ２＋Ｌ３）のときの共振周波数ｆ_ｒとＬ＝Ｌ３のときの共振周波数ｆ_２とのずれは５％以下となり、現場での共振周波数の調整なしでも実用範囲で使用することが可能となる。

なお、ここでは共振周波数ｆ_ｒの発信周波数ｆ_ｏに対するずれが５％以下である場合を実用範囲として想定したが、この数値は単なる一例に過ぎない。より厳密な制御が望まれる場合やＱ値が高い環境では、受電コイル１２のインダクタンスＬ２と共振用コイル１６のインダクタンスＬ３との比率を１０倍よりももっと大きく設定すればよい。逆に、共振周波数ｆ_ｒの発信周波数ｆ_ｏに対するずれの許容量が５％より大きい場合やＱ値が低い環境では、受電コイル１２のインダクタンスＬ２と共振用コイル１６のインダクタンスＬ３との比率を１０倍よりも小さく設定することが可能である。

なお、上記実施形態では、受電コイル１２の巻数を１回とする例について説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、共振用コイル１６のインダクタンスＬ３と比べて受電コイル１２のインダクタンスＬ２の値が殆ど無視できるほど、受電コイル１２のインダクタンスＬ２に対して共振用コイル１６のインダクタンスＬ３が十分に大きな値となればよく、受電コイル１２の巻数を複数回としてもよい。

ちなみに、コイルのインダクタンスの大きさは、コイルの巻数の２乗に比例するととともに、コイルの断面積に比例する。ここで、タービンのロータのように巨大な設備に受電コイル１２を巻き付ける場合、受電コイル１２の断面積は必然的に大きくなる。一方、共振用コイル１６の断面積は小さくなる。よって、受電コイル１２のインダクタンスＬ２に対して共振用コイル１６のインダクタンスＬ３を十分に大きな値とするためには、受電コイル１２の巻数を少なくする一方で共振用コイル１６の巻数を多くすることにより、その巻数の差によってＬ２<<Ｌ３となるようにすることが必要である。

また、上記実施形態では、タービンのロータに非接触給電装置を設置する例について説明したが、非接触給電装置を設置する機器や設備はこれ以外のものであってもよい。その場合、非接触給電装置を設置する機器や設備は回転体であってもよいし、回転体でなくてもよい。ただし、通常は設置の作業が煩雑で困難な機器や設備に設置する場合が最も有用である。

また、上記実施形態では、共振用コイル１６の一例としてトロイダルコイルを用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。ただ、トロイダルコイルは、発生する磁束が外部に漏れないためコイル効率がとても良い、インダクタンスの安定性が良いという特徴がある。したがって、共振周波数をより的確な値に設定しやすいという点で、トロイダルコイルを用いるのが好ましい。

その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１１ 送電コイル
１２ 受電コイル
１３ 共振回路
１４ 整流回路
１５ コンデンサ
１６ 共振用コイル（トロイダルコイル）

Claims (2)

1. 同心上に設置される送電コイルおよび受電コイルと、
   上記受電コイルに接続された共振回路とを備え、
   上記共振回路は、コンデンサと、当該コンデンサと共振する共振用コイルとを備えており、
   上記受電コイルの巻数を１回とする一方、上記共振用コイルの巻数をｎ回（ｎ＞１）とすることにより、上記受電コイルのインダクタンスに対して上記共振用コイルのインダクタンスを１０倍以上の値に設定したことを特徴とする非接触給電装置。
2. 上記共振用コイルはトロイダルコイルにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。

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