JP7422554B2 - Contactless power transfer system - Google Patents
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Description
本発明は、負荷に非接触で電力を供給できる非接触給電システムに関するものである。 The present invention relates to a contactless power supply system that can supply power to a load in a contactless manner.
従来、例えば携帯型電子機器やロボット掃除機等の機器に非接触で電力を伝送する非接触給電システムとして、磁気共鳴を用いたものが知られている。この磁気共鳴方式の非接触給電システムは、例えば特許文献1に示すように、電源に接続される一次側コイルを有する送電ユニットと、バッテリー(負荷ともいう)に接続される二次側コイルを有する受電ユニットとを備えており、一次側コイルと二次側コイルとを共振周波数で共鳴させることにより、送電ユニットから受電ユニットに電力を伝送し、これにより機器に内蔵されたバッテリーを充電することができる。 BACKGROUND ART Conventionally, a non-contact power supply system that uses magnetic resonance is known as a non-contact power supply system that transfers power to devices such as portable electronic devices and robot vacuum cleaners in a non-contact manner. As shown in Patent Document 1, for example, this magnetic resonance type non-contact power supply system includes a power transmission unit having a primary coil connected to a power source, and a secondary coil connected to a battery (also referred to as a load). By making the primary coil and secondary coil resonate at a resonant frequency, power is transmitted from the power transmitting unit to the power receiving unit, thereby charging the battery built into the device. can.
ところで、このような磁気共鳴方式の非接触給電システムとしては、電力の伝送効率を高くするため、一次側コイルと二次側コイルの共振周波数(動作周波数ともいう)を例えば10kHz以上の高周波に設定したものが用いられることがある。この場合、例えば充電時に送電ユニットと受電ユニットとの間に金属異物等が存在すると、これが高周波の磁界により急激に加熱され、火傷や火災を引き起こす恐れがある。 By the way, in such a magnetic resonance type non-contact power supply system, in order to increase the power transmission efficiency, the resonance frequency (also called operating frequency) of the primary coil and the secondary coil is set to a high frequency of, for example, 10 kHz or higher. sometimes used. In this case, for example, if a metallic foreign object is present between the power transmitting unit and the power receiving unit during charging, the foreign object will be rapidly heated by the high-frequency magnetic field, potentially causing burns or fire.
そこで近年では、動作周波数を低周波(例えば3kHz以下)に設定した非接触給電システムが開発されている。これにより上記した金属異物による発熱の影響を低減することができる。 Therefore, in recent years, contactless power supply systems in which the operating frequency is set to a low frequency (for example, 3 kHz or less) have been developed. This makes it possible to reduce the influence of heat generated by the above-mentioned metal foreign matter.
しかしながら、動作周波数を低周波にする場合、高周波の動作周波数のものに比べて、一次側コイル及び二次側コイルを構成する導線の線径が太くなってしまい、表皮効果による発熱が大きくなることで、機器組込みの制限になってしまう。 However, when the operating frequency is set to a low frequency, the wire diameters of the conductive wires that make up the primary and secondary coils become thicker than those with a high operating frequency, resulting in increased heat generation due to the skin effect. This limits the ability to incorporate it into devices.
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、磁気共鳴方式の非接触給電システムにおいて、一次側コイル及び二次側コイルの表皮効果による発熱を抑制し、システムの小型化に寄与することを主たる課題とするものである。 The present invention has been made to solve the above problems, and has the object of suppressing heat generation due to the skin effect of the primary coil and secondary coil in a magnetic resonance type non-contact power supply system, and contributing to the miniaturization of the system. The main issue is:
すなわち本発明に係る非接触給電システムは、電源に接続される一次側コイルを有する送電ユニットと、負荷に接続される二次側コイルを有する受電ユニットとを備え、前記一次側コイルと、前記一次側コイルに対向配置された前記二次側コイルとを共鳴させることにより前記送電ユニットから前記受電ユニットに電力を伝送する磁気共鳴型のものであって、前記一次側コイル及び前記二次側コイルが磁性コアに導線を巻回して構成したソレノイド型のものであり、前記二次側共振回路から前記負荷を見た負荷抵抗値を制御することにより前記二次側コイルに流れる電流の大きさを所定値以下に抑えるインピーダンス変換部を備え、前記一次側コイルの磁性コアに巻回される導線の本数が、前記二次側コイルの磁性コアに巻回される導線の本数よりも多くなるように構成されていることを特徴とする。 That is, the contactless power transfer system according to the present invention includes a power transmission unit having a primary coil connected to a power source, and a power receiving unit having a secondary coil connected to a load, the primary coil and the primary coil being connected to a load. The magnetic resonance type transmits power from the power transmitting unit to the power receiving unit by causing the secondary coil disposed opposite to the side coil to resonate, wherein the primary coil and the secondary coil are It is a solenoid type constructed by winding a conductive wire around a magnetic core, and the magnitude of the current flowing through the secondary coil is determined by controlling the load resistance value when looking at the load from the secondary side resonant circuit. an impedance conversion unit that suppresses the impedance to a value below a value, and is configured such that the number of conductive wires wound around the magnetic core of the primary coil is greater than the number of conductive wires wound around the magnetic core of the secondary coil. It is characterized by being
このような構成であれば、インピーダンス変換部により二次側コイルの導線に流れる電流の大きさを所定値以下に抑えることができるので、二次側コイルの導線の線径を小さくでき、表皮効果による二次側コイルでの発熱を低減することができる。
さらに、インピーダンス変換部により二次側コイルに流れる電流を低減する場合、一次側コイルに流れる電流は逆に増大してしまうが、本発明の非接触給電システムでは、一次側コイルの導線の本数を二次側コイルの導線の本数よりも多くし、複数本の導線を巻回した構造にすることで、一次側コイルの導線の1本あたりの線径を小さくし、表皮効果による一次側コイルでの発熱を低減することができる。
そして、このように一次側コイル及び二次側コイルでの表皮効果による発熱を低減できるので、近接部品への熱影響を低減し、システムの小型化に寄与することができる。
With this configuration, the magnitude of the current flowing through the conductor of the secondary coil can be suppressed to a predetermined value or less by the impedance conversion section, so the diameter of the conductor of the secondary coil can be reduced and the skin effect can be reduced. It is possible to reduce heat generation in the secondary coil.
Furthermore, when the current flowing through the secondary coil is reduced by the impedance conversion section, the current flowing through the primary coil increases, but in the wireless power transfer system of the present invention, the number of conductors in the primary coil is reduced. By making the number of conductors larger than the number of conductors in the secondary coil and creating a structure in which multiple conductors are wound, the wire diameter of each conductor in the primary coil can be reduced, and the primary coil due to the skin effect. heat generation can be reduced.
Since heat generation due to the skin effect in the primary coil and the secondary coil can be reduced in this way, the thermal influence on adjacent components can be reduced, contributing to system downsizing.
前記非接触給電システムは、前記一次側コイルと前記二次側コイルの共振周波数が3kHz以下であることが好ましい。
このようなものであれば、充電時に送電ユニットと受電ユニットとの間に金属異物等が存在する場合でも、金属異物が急激に加熱されることを防止でき、火傷や火災の発生を抑制できる。
In the contactless power supply system, it is preferable that the primary coil and the secondary coil have a resonance frequency of 3 kHz or less.
With such a device, even if a metal foreign object is present between the power transmitting unit and the power receiving unit during charging, the metal foreign object can be prevented from being rapidly heated, and the occurrence of burns or fire can be suppressed.
前記非接触給電システムは、前記一次側コイルと前記二次側コイルが備える各磁性コアは板状であり、互いに対向する面の面積が等しいことが好ましい。
このような構成であれば、一次側コイルと二次側コイルが備える各磁性コアの対向面積が等しいので、電力の伝送効率を高めることができる。
In the non-contact power supply system, it is preferable that each magnetic core of the primary coil and the secondary coil has a plate shape, and the areas of opposing surfaces thereof are equal.
With such a configuration, the opposing areas of the magnetic cores included in the primary coil and the secondary coil are equal, so it is possible to improve the power transmission efficiency.
前記非接触給電システムの態様として、前記送電ユニットは、前記一次側コイルと、前記一次側コイルに直列接続された一次側共振コンデンサとを含む一次側共振回路を備え、前記受電ユニットは、前記二次側コイルと、前記二次側コイルに直列接続された二次側共振コンデンサとを含む二次側共振回路を備えるものを挙げることができる。 As an aspect of the non-contact power supply system, the power transmission unit includes a primary side resonance circuit including the primary side coil and a primary side resonance capacitor connected in series to the primary side coil, and the power receiving unit includes the secondary side resonance circuit. One example includes a secondary resonant circuit including a secondary coil and a secondary resonant capacitor connected in series to the secondary coil.
前記インピーダンス変換部の態様として、前記二次側コイルを流れる電流を検出する電流検出器と、前記二次側共振回路に対して直列に接続される半導体スイッチと、前記二次側共振回路及び前記半導体スイッチに対して直列に接続され、前記半導体スイッチと前記負荷との間に設けられたコイルと、前記電流検出器が検出した電流値に応じて、前記半導体スイッチのスイッチング動作のデューティ比を制御する制御部とを備えるものを挙げることができる。 The impedance conversion unit may include a current detector that detects a current flowing through the secondary coil, a semiconductor switch connected in series to the secondary resonant circuit, and a semiconductor switch connected to the secondary resonant circuit and the secondary resonant circuit. A coil connected in series to the semiconductor switch and provided between the semiconductor switch and the load controls a duty ratio of a switching operation of the semiconductor switch according to a current value detected by the current detector. An example of this is a device equipped with a control section.
このように構成した本発明によれば、磁気共鳴方式の非接触給電システムにおいて、一次側コイル及び二次側コイルの表皮効果による発熱を抑制し、システムの小型化に寄与することができる。 According to the present invention configured in this manner, in a magnetic resonance type non-contact power supply system, heat generation due to the skin effect of the primary coil and the secondary coil can be suppressed, contributing to miniaturization of the system.
以下に本発明の一実施形態に係る非接触給電システム100について図面を参照して説明する。 A contactless power supply system 100 according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<全体構成>
本実施形態の非接触給電システム100は、例えばロボット掃除機等の電子機器に内蔵されたバッテリー(負荷)4を、充電器により非接触で充電するためのものである。具体的にこの非接触給電システム100は、図1に示すように、電源1に接続される充電器に内蔵された送電ユニット2と、ロボット掃除機に内蔵され、負荷4に接続される受電ユニット3とを備えている。この非接触給電システム100は、送電ユニット2が備える一次側コイル231と、受電ユニット3が備える二次側コイル311とを対向させるとともに、一次側コイル231と二次側コイル311とを、3kHz以下の低周波の共振周波数(商用電源周波数であることが好ましい)で共鳴させることにより、送電ユニット2から受電ユニット3に電力を伝送する所謂磁気共鳴方式のものである。以下、詳細に説明する。
<Overall configuration>
The contactless power supply system 100 of this embodiment is for contactlessly charging a battery (load) 4 built into an electronic device such as a robot vacuum cleaner using a charger. Specifically, as shown in FIG. 1, this contactless power supply system 100 includes a power transmission unit 2 built into a charger connected to a power source 1, and a power reception unit built into a robot vacuum cleaner and connected to a load 4. 3. This contactless power supply system 100 has a primary coil 231 provided in the power transmission unit 2 and a secondary coil 311 provided in the power reception unit 3 facing each other, and also connects the primary coil 231 and the secondary coil 311 at a frequency of 3 kHz or less. This is a so-called magnetic resonance method in which power is transmitted from the power transmission unit 2 to the power reception unit 3 by resonating at a low frequency resonance frequency (preferably a commercial power supply frequency). This will be explained in detail below.
<送電ユニット2>
送電ユニット2は、電源1からの電力を受電ユニット3に伝送するものである。具体的にこの送電ユニット2は、電源1から供給される交流電圧を直流電圧に整流及び平滑化する整流平滑回路21と、整流平滑回路21に並列に接続されて、直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ回路22と、インバータ回路22に並列に接続された一次側共振回路23と、制御部24とを備える。
<Power transmission unit 2>
The power transmission unit 2 transmits power from the power source 1 to the power reception unit 3. Specifically, this power transmission unit 2 includes a rectifying and smoothing circuit 21 that rectifies and smoothes the AC voltage supplied from the power source 1 into a DC voltage, and is connected in parallel to the rectifying and smoothing circuit 21 to convert the DC voltage to any frequency. It includes an inverter circuit 22 that converts into an alternating current voltage and outputs it, a primary side resonant circuit 23 connected in parallel to the inverter circuit 22, and a control section 24.
整流平滑回路21としては、既知の構成のものが適用されてよく、例えばダイオードブリッジや平滑コンデンサ等を含んで構成される。またインバータ回路22としても既知の構成のものが適用されてよく、例えば、4つのスイッチング素子から構成したフルブリッジ方式のものが挙げられる。制御部24は、物理的には、CPU、メモリ、入力手段などを備えたものであり、そのメモリに記憶させた所定のプログラムにしたがって動作することによって、インバータ回路22が出力する交流電圧の周波数を制御するよう機能する。 As the rectifying and smoothing circuit 21, a known configuration may be applied, and includes, for example, a diode bridge, a smoothing capacitor, and the like. Further, a known configuration may be used as the inverter circuit 22, and for example, a full bridge type inverter circuit configured from four switching elements can be mentioned. The control unit 24 physically includes a CPU, memory, input means, etc., and controls the frequency of the AC voltage output by the inverter circuit 22 by operating according to a predetermined program stored in the memory. functions to control the
一次側共振回路23は、インバータ回路22からの交流電圧が印加されて、振動磁場を発生させるものである。具体的にこの一次側共振回路23は、互いに直列接続された一次側コイル231と一次側共振コンデンサ232から構成される、LC直列共振回路である。 The primary side resonant circuit 23 is applied with an alternating current voltage from the inverter circuit 22 and generates an oscillating magnetic field. Specifically, this primary side resonant circuit 23 is an LC series resonant circuit composed of a primary side coil 231 and a primary side resonant capacitor 232 that are connected in series with each other.
一次側コイル231は、図3及び図4に示すように、略板状の一次側磁性コア231Cに導線231Lを巻回したソレノイド型のものである。一次側磁性コア231Cは、フェライト等の磁性材料により形成された板状を成すものである。一次側磁性コア231Cは、導線231Lが巻回される被巻回部231C1と、被巻回部231C1からコイル231の軸方向の両端に突出する一対の突出部231C2、231C3とを備える。この突出部231C2、231C3は、導線231Lが巻回されることなく剥き出しになっており、二次側コイル311に対向する矩形状の対向面231Csを備えている。当該突出部231C2、231C3は前記軸方向に沿って均一な厚みとなるように形成されている。 As shown in FIGS. 3 and 4, the primary coil 231 is of a solenoid type in which a conducting wire 231L is wound around a substantially plate-shaped primary magnetic core 231C. The primary magnetic core 231C has a plate shape and is made of a magnetic material such as ferrite. The primary magnetic core 231C includes a wound portion 231C 1 around which the conducting wire 231L is wound, and a pair of protruding portions 231C 2 and 231C 3 that protrude from the wound portion 231C 1 to both ends of the coil 231 in the axial direction. Be prepared. The protrusions 231C 2 and 231C 3 are exposed without the conductive wire 231L being wound thereon, and have a rectangular facing surface 231Cs facing the secondary coil 311. The protrusions 231C 2 and 231C 3 are formed to have a uniform thickness along the axial direction.
<受電ユニット3>
受電ユニット3は、送電ユニット2から伝送された電力を受け取り、当該電力を負荷4に出力するものである。具体的にこの受電ユニット3は、一次側共振回路23と磁気共鳴し、交流電圧を生じさせる二次側共振回路31と、二次側共振回路31から出力された交流電圧を整流する整流回路32と、整流回路32から出力された直流電圧を平滑化する第1平滑回路33と、平滑化された直流電圧の電圧値を調節する電圧変換回路34と、電圧変換回路34から出力された直流電圧を平滑化する第2平滑回路35と、制御部36とを備える。受電ユニット3が備えるこれらの回路は、互いに並列に接続されており、かつ負荷4に対して並列に接続されている。
<Power receiving unit 3>
The power receiving unit 3 receives the power transmitted from the power transmitting unit 2 and outputs the power to the load 4. Specifically, the power receiving unit 3 includes a secondary resonant circuit 31 that magnetically resonates with the primary resonant circuit 23 and generates an alternating current voltage, and a rectifier circuit 32 that rectifies the alternating current voltage output from the secondary resonant circuit 31. , a first smoothing circuit 33 that smoothes the DC voltage output from the rectifier circuit 32, a voltage conversion circuit 34 that adjusts the voltage value of the smoothed DC voltage, and a DC voltage output from the voltage conversion circuit 34. It includes a second smoothing circuit 35 for smoothing and a control section 36. These circuits included in the power receiving unit 3 are connected in parallel with each other and in parallel with the load 4.
二次側共振回路31は、互いに直列接続された二次側コイル311と二次側共振コンデンサ312から構成される、LC直列共振回路である。 The secondary side resonant circuit 31 is an LC series resonant circuit composed of a secondary side coil 311 and a secondary side resonant capacitor 312 that are connected in series with each other.
二次側コイル311は、図3及び図4に示すように、略板状の二次側磁性コア311Cに導線311Lを巻回したソレノイド型のものである。二次側磁性コア311Cは、フェライト等の磁性材料により形成された板状を成すものである。二次側磁性コア311Cは、導線311Lが巻回される被巻回部311C1と、被巻回部311C1からコイル311の軸方向の両端に突出する一対の突出部311C2、311C3とを備える。この突出部311C2、311C3は、導線311Lが巻回されることなく剥き出しになっており、一次側コイル231に対向する矩形状の対向面311Csを備えている。当該突出部311C2、311C3は前記軸方向に沿って均一な厚みとなるように形成されている。 As shown in FIGS. 3 and 4, the secondary coil 311 is of a solenoid type in which a conducting wire 311L is wound around a substantially plate-shaped secondary magnetic core 311C. The secondary magnetic core 311C has a plate shape and is made of a magnetic material such as ferrite. The secondary magnetic core 311C includes a wound portion 311C 1 around which the conducting wire 311L is wound, and a pair of protruding portions 311C 2 and 311C 3 that protrude from the wound portion 311C 1 to both ends of the coil 311 in the axial direction. Equipped with. The protrusions 311C 2 and 311C 3 are exposed without the conductive wire 311L being wound thereon, and have a rectangular opposing surface 311Cs that faces the primary coil 231. The protrusions 311C 2 and 311C 3 are formed to have a uniform thickness along the axial direction.
整流回路32としては、既知の構成のものが適用されてよく、例えば4つのダイオードから構成されるダイオードブリッジである。整流回路32は、二次側コイル311及び二次側共振コンデンサ312に並列接続され、二次側コイル311及び二次側共振コンデンサ312に生じた交流電圧を整流(すなわち脈流電圧に変換)する。 As the rectifier circuit 32, a known configuration may be applied, such as a diode bridge composed of four diodes. The rectifier circuit 32 is connected in parallel to the secondary coil 311 and the secondary resonant capacitor 312, and rectifies (that is, converts into pulsating voltage) the alternating current voltage generated in the secondary coil 311 and the secondary resonant capacitor 312. .
第1平滑回路33は、整流回路32に並列接続された第1平滑コンデンサ331を備えており、整流回路32から出力される脈流電圧を平滑化することにより、直流電圧を生成する。第1平滑コンデンサ331はその一端が整流回路32の出力端に接続され、他端が整流回路32の入力端に接続されている。 The first smoothing circuit 33 includes a first smoothing capacitor 331 connected in parallel to the rectifier circuit 32, and generates a DC voltage by smoothing the pulsating voltage output from the rectifier circuit 32. The first smoothing capacitor 331 has one end connected to the output end of the rectifier circuit 32 and the other end connected to the input end of the rectifier circuit 32 .
電圧変換回路34は、本実施形態では、図2に示すように、第1スイッチング素子341、第2スイッチング素子342及びコイル343を備える所謂降圧回路であり、直流電圧を降圧するものである。二次側コイル311から見て、第1スイッチング素子341及び第2スイッチング素子342は、第1平滑コンデンサ331に対して並列に接続されている。第1スイッチング素子341はその一端が整流回路32の出力端に接続されている。コイル343は、第1スイッチング素子341に直列に接続されるとともに、第2スイッチング素子342に並列に接続されている。コイル343はその一端が第1スイッチング素子341及び第2スイッチング素子342に接続され、他端が負荷4に接続されている。第1スイッチング素子341及び第2スイッチング素子342は、例えばMOSFETやIGBT等の半導体スイッチであり、制御部36からの制御信号に基づいてOn・Off状態が切替えられる。なお本実施形態の電圧変換回路34は、第1平滑回路33と第2平滑回路35との間に設けられているが、これに限らない。電圧変換回路34は、整流回路32と負荷4との間に設けられていればよい。 In this embodiment, the voltage conversion circuit 34 is a so-called step-down circuit including a first switching element 341, a second switching element 342, and a coil 343, and steps down the DC voltage, as shown in FIG. When viewed from the secondary coil 311, the first switching element 341 and the second switching element 342 are connected in parallel to the first smoothing capacitor 331. One end of the first switching element 341 is connected to the output end of the rectifier circuit 32 . The coil 343 is connected in series to the first switching element 341 and in parallel to the second switching element 342. The coil 343 has one end connected to the first switching element 341 and the second switching element 342, and the other end connected to the load 4. The first switching element 341 and the second switching element 342 are, for example, semiconductor switches such as MOSFETs and IGBTs, and are switched between on and off states based on a control signal from the control unit 36. Note that although the voltage conversion circuit 34 of this embodiment is provided between the first smoothing circuit 33 and the second smoothing circuit 35, the present invention is not limited thereto. The voltage conversion circuit 34 only needs to be provided between the rectifier circuit 32 and the load 4.
第2平滑回路35は、コイル343に直列に接続されるとともに、第2スイッチング素子342に並列に接続された第2平滑コンデンサ351を備えている。第2平滑回路35は、電圧変換回路34で降圧された直流電圧を平滑化する。 The second smoothing circuit 35 includes a second smoothing capacitor 351 connected in series to the coil 343 and in parallel to the second switching element 342 . The second smoothing circuit 35 smoothes the DC voltage stepped down by the voltage conversion circuit 34.
制御部36は、物理的には、CPU、メモリ、入力手段などを備えたものであり、そのメモリに記憶させた所定のプログラムにしたがって動作することによって、降圧回路が備える第1スイッチング素子341及び第2スイッチング素子342のスイッチング動作を制御するよう機能する。制御部36は、第1スイッチング素子341及び第2スイッチング素子342に対して所定の周期のパルス信号を出力することで、これらのスイッチング動作のデューティ比(On時間とOff時間の割合)を制御する(PWM制御)ように構成されている。 The control unit 36 physically includes a CPU, a memory, input means, etc., and operates according to a predetermined program stored in the memory to control the first switching element 341 and the step-down circuit included in the step-down circuit. It functions to control the switching operation of the second switching element 342. The control unit 36 outputs a pulse signal of a predetermined period to the first switching element 341 and the second switching element 342 to control the duty ratio (ratio of On time and Off time) of these switching operations. (PWM control).
受電ユニット3はまた、二次側コイル311及び二次側共振コンデンサ312に直列に接続された電流検出器37を備えている。この電流検出器37は、二次側コイル311に流れる電流値を測定し、その測定値を制御部36に送信する。電流検出器37は、CT方式やホール素子方式等の任意のものであってもよい。 The power receiving unit 3 also includes a current detector 37 connected in series to a secondary coil 311 and a secondary resonance capacitor 312. This current detector 37 measures the value of the current flowing through the secondary coil 311 and transmits the measured value to the control unit 36. The current detector 37 may be of any type such as a CT type or a Hall element type.
しかして本実施形態の非接触給電システム100は、一次側コイル231を構成する導線231Lの本数が、二次側コイル311を構成する導線311Lの本数よりも多くなるようにしている。また、二次側コイル311の導線311Lの線径が、一次側コイル231の導線231Lの線径よりも小さくなるように構成している。具体的には、一次側コイル231を構成する導線231Lを複数本並列巻き(ここではバイファイラ巻)にし、二次側コイル311を構成する導線311Lを単一巻き(すなわち、モノファイラ巻)としている。以下に、一次側コイル231と二次側コイル311の構成をより具体的に説明する。 Therefore, in the non-contact power supply system 100 of this embodiment, the number of conducting wires 231L forming the primary coil 231 is greater than the number of conducting wires 311L forming the secondary coil 311. Further, the wire diameter of the conducting wire 311L of the secondary coil 311 is configured to be smaller than the wire diameter of the conducting wire 231L of the primary coil 231. Specifically, a plurality of conductive wires 231L constituting the primary coil 231 are wound in parallel (here, bifilar winding), and the conductive wire 311L constituting the secondary coil 311 is wound in a single manner (that is, monofilar winding). . Below, the configurations of the primary coil 231 and the secondary coil 311 will be explained in more detail.
本実施形態の非接触給電システム100では、図3及び図4に示すように、一次側コイル231の軸方向に沿ったコイル長さl1と二次側コイル311の軸方向に沿ったコイル長さl2とが等しく、且つ二次側コイル311のコイル外径d2が一次側コイル231のコイル外径d1よりも小さくなるように構成されている。ここで、一次側コイル231の軸方向に沿ったコイル長さl1とは、一次側コイル231を構成する導線231Lの巻回軸方向に沿った長さを意味する。二次側コイル311の軸方向に沿ったコイル長さl2も同様である。また、一次側コイル231のコイル外径d1とは、一次側コイル231を構成する巻回された導線231Lの径方向に沿った長さを意味する。二次側コイル311のコイル外径d2も同様である。 In the non-contact power supply system 100 of this embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the coil length l 1 along the axial direction of the primary coil 231 and the coil length along the axial direction of the secondary coil 311. The coil outer diameter d 2 of the secondary coil 311 is smaller than the coil outer diameter d 1 of the primary coil 231. Here, the coil length l 1 along the axial direction of the primary coil 231 means the length along the winding axis direction of the conducting wire 231L that constitutes the primary coil 231. The same applies to the coil length l2 along the axial direction of the secondary coil 311. Further, the coil outer diameter d 1 of the primary coil 231 means the length along the radial direction of the wound conducting wire 231L that constitutes the primary coil 231. The same applies to the coil outer diameter d2 of the secondary coil 311.
また本実施形態の非接触給電システム100では、図3及び図4に示すように、一次側コイル231が備える対向面231Csと、二次側コイル311が備える対向面311Csが、平面視して同一形状であり、面積が等しくなるように構成されている。ここで、二次側コイル311の導線311Lの線径は0.5mmであり、一次側コイル231の導線231Lの線径は0.7mmとしている。 Further, in the contactless power supply system 100 of the present embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the opposing surface 231Cs of the primary coil 231 and the opposing surface 311Cs of the secondary coil 311 are the same in plan view. They are configured to have the same shape and area. Here, the wire diameter of the conducting wire 311L of the secondary coil 311 is 0.5 mm, and the wire diameter of the conducting wire 231L of the primary coil 231 is 0.7 mm.
そして本実施形態の非接触給電システム100は、このような二次側コイル311の形状を実現するため、受電ユニット3において二次側コイル311から負荷4を見た負荷抵抗値(具体的には、受電ユニット3における、二次側共振コンデンサ312よりも右側部分の負荷インピーダンスの抵抗分をいう)を調節するためのインピーダンス変換部38を備えている。非接触給電システム100は、このインピーダンス変換部38により受電ユニット3の負荷抵抗値を調節することで、充電時における二次側コイル311に流れる電流値を所定値(例えば1A)以下に制限することができる。これにより二次側コイル311を構成する導線311Lの線径を小さくすることができ、一次側コイル231よりも少ない本数の導線を巻回して構成することができる。 In order to realize such a shape of the secondary coil 311, the non-contact power supply system 100 of the present embodiment has a load resistance value (specifically, , which refers to the resistance component of the load impedance on the right side of the secondary side resonant capacitor 312 in the power receiving unit 3). The contactless power supply system 100 can limit the current value flowing through the secondary coil 311 during charging to a predetermined value (for example, 1 A) or less by adjusting the load resistance value of the power receiving unit 3 using the impedance converter 38. Can be done. Thereby, the wire diameter of the conducting wire 311L that constitutes the secondary coil 311 can be reduced, and the secondary coil 311 can be configured by winding a smaller number of conducting wires than the primary coil 231.
具体的にこのインピーダンス変換部38は、電流検出器37と、電圧変換回路34が備える第1スイッチング素子341及びコイル343と、制御部36とから構成される。制御部36は、電流検出器37が測定した電流値(二次側コイル311を流れる電流の値)に基づき、第1スイッチング素子341のスイッチング動作のデューティ比を可変制御する。より詳細には、制御部36は、当該電流値をモニターしながら、当該電流値が所定の値以上とならないように、第1スイッチング素子341のスイッチング動作のデューティ比を可変制御する。これにより、二次側コイル311に流れる電流の大きさを所定値以下に制御することができる。 Specifically, this impedance conversion section 38 includes a current detector 37, a first switching element 341 and a coil 343 included in the voltage conversion circuit 34, and a control section 36. The control unit 36 variably controls the duty ratio of the switching operation of the first switching element 341 based on the current value (the value of the current flowing through the secondary coil 311) measured by the current detector 37. More specifically, while monitoring the current value, the control unit 36 variably controls the duty ratio of the switching operation of the first switching element 341 so that the current value does not exceed a predetermined value. Thereby, the magnitude of the current flowing through the secondary coil 311 can be controlled to be equal to or less than a predetermined value.
図5は、本実施形態のインピーダンス変換部38を用いて二次側コイル311から負荷4を見た負荷抵抗値を制御した際における、給電効率及び一次側コイル231(給電コイルと表示)及び二次側コイル311(受電コイルと表示)に流れる電流の電流値を示す。図5に示すように、本実施形態のインピーダンス変換部38により制御することにより、90%以上の高い給電効率を維持しながらも、受電コイルにおける電流値を1A以下に抑えることができ、二次側コイル311の導線311Lの線径を小さくすることができる。 FIG. 5 shows the power feeding efficiency, the primary coil 231 (indicated as feeding coil), and the secondary coil 231 (indicated as feeding coil) when the load resistance value seen from the secondary coil 311 is controlled using the impedance conversion unit 38 of this embodiment. The current value of the current flowing through the next coil 311 (displayed as the receiving coil) is shown. As shown in FIG. 5, by controlling the impedance conversion unit 38 of this embodiment, the current value in the receiving coil can be suppressed to 1 A or less while maintaining a high power feeding efficiency of 90% or more, and the secondary The wire diameter of the conducting wire 311L of the side coil 311 can be reduced.
<本実施形態の効果>
このように構成した本実施形態の非接触給電システム100によれば、インピーダンス変換部38により二次側コイル311の導線311Lに流れる電流の大きさを所定値以下に抑えることができるので、二次側コイル311の導線311Lの線径を小さくでき、表皮効果による二次側コイル311での発熱を低減することができる。さらに、インピーダンス変換部38により二次側コイル311に流れる電流を低減する場合には、一次側コイル231の導線231Lに流れる電流は逆に増大してしまうが、本実施形態の非接触給電システム100では、一次側コイル231の導線231Lの本数を二次側コイル311の導線311Lの本数よりも多くし、バイファイラ巻きにすることで、一次側コイル231の導線231Lの1本あたりの線径を小さくし、表皮効果による一次側コイル231での発熱を低減することができる。このように一次側コイル231及び二次側コイル311での表皮効果による発熱を低減できるので、近接部品への熱影響を低減し、非接触給電システム100を小型化することができる。
<Effects of this embodiment>
According to the contactless power supply system 100 of the present embodiment configured in this way, the magnitude of the current flowing through the conductor 311L of the secondary coil 311 can be suppressed to a predetermined value or less by the impedance conversion unit 38, so that the The wire diameter of the conducting wire 311L of the side coil 311 can be reduced, and heat generation in the secondary coil 311 due to the skin effect can be reduced. Furthermore, when the impedance conversion unit 38 reduces the current flowing through the secondary coil 311, the current flowing through the conductor 231L of the primary coil 231 increases, but the contactless power supply system 100 of this embodiment Now, by increasing the number of conducting wires 231L of the primary coil 231 than the number of conducting wires 311L of the secondary coil 311 and using bifilar winding, the wire diameter of each conducting wire 231L of the primary coil 231 can be reduced. However, heat generation in the primary coil 231 due to the skin effect can be reduced. Since heat generation due to the skin effect in the primary coil 231 and the secondary coil 311 can be reduced in this way, the thermal influence on adjacent components can be reduced and the non-contact power supply system 100 can be downsized.
<その他の変形実施形態>
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
<Other modified embodiments>
Note that the present invention is not limited to the above embodiments.
前記実施形態では、一次側コイル231を構成する導線231Lをバイファイラ巻により構成されていたが、これに限らずトリファイラ巻であってもよい。また二次側コイル311を構成する導線311Lを、例えばバイファイラ巻き等の複数本巻きで構成してもよい。このような構成であっても、一次側コイル231を構成する導線231Lの本数が、二次側コイル311を構成する導線311Lの本数よりも多くなるようにすればよい。 In the embodiment described above, the conducting wire 231L constituting the primary coil 231 is formed by bifilar winding, but the present invention is not limited to this, and may be trifilar winding. Further, the conducting wire 311L constituting the secondary coil 311 may be configured with a plurality of windings such as bifilar winding. Even with such a configuration, the number of conductive wires 231L constituting the primary coil 231 may be greater than the number of conductive wires 311L constituting the secondary coil 311.
前記実施形態において第2スイッチング素子342は、MOSFETやIGBT等の半導体スイッチであったが、これに限らずダイオードであってもよい。 In the embodiment, the second switching element 342 is a semiconductor switch such as a MOSFET or an IGBT, but is not limited thereto and may be a diode.
前記実施形態において電圧変換回路34は降圧回路であったがこれに限らない。他の実施形態では電圧変換回路34は、所謂昇圧回路であってもよい。 Although the voltage conversion circuit 34 is a step-down circuit in the embodiment, the present invention is not limited to this. In other embodiments, the voltage conversion circuit 34 may be a so-called booster circuit.
前記実施形態における非接触給電システム100はロボット掃除機の充電に限らず、携帯電話やスマートホン等の他の電子機器の充電に用いられてもよい。 The non-contact power supply system 100 in the embodiment described above may be used not only for charging a robot vacuum cleaner but also for charging other electronic devices such as a mobile phone or a smart phone.
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な実施形態の変形や組合せを行っても構わない。 In addition, various modifications and combinations of the embodiments may be made as long as they do not go against the spirit of the present invention.
100 ・・・非接触給電システム
1 ・・・電源
231 ・・・一次側コイル
231L・・・一次側導線
231C・・・一次側磁性コア
3 ・・・受電ユニット
311 ・・・二次側コイル
311L・・・二次側導線
311C・・・二次側磁性コア
37 ・・・電流センサ
38 ・・・インピーダンス変換部
4 ・・・負荷
100 ... Contactless power supply system 1 ... Power supply 231 ... Primary side coil 231L ... Primary side conductor 231C ... Primary side magnetic core 3 ... Power receiving unit 311 ... Secondary side coil 311L ...Secondary side conductor 311C...Secondary side magnetic core 37...Current sensor 38...Impedance conversion unit 4...Load
Claims (5)
前記一次側コイル及び前記二次側コイルが磁性コアに導線を巻回して構成したソレノイド型のものであり、
前記二次側コイルから前記負荷を見た負荷抵抗値を制御することにより前記二次側コイルに流れる電流の大きさを所定値以下に抑えるインピーダンス変換部を備え、
前記一次側コイルが、複数本の導線を前記磁性コアに並列に巻回したバイファイラ巻き又はトリファイラ巻きにより構成されており、前記一次側コイルの磁性コアに巻回される導線の本数が、前記二次側コイルの磁性コアに巻回される導線の本数よりも多くなるように構成された非接触給電システム。 A power transmission unit having a primary coil connected to a power source, and a power receiving unit having a secondary coil connected to a load, the primary coil and the secondary side disposed opposite to the primary coil. A magnetic resonance type contactless power supply system that transmits power from the power transmission unit to the power reception unit by causing resonance with a coil,
The primary coil and the secondary coil are of a solenoid type configured by winding a conductive wire around a magnetic core,
an impedance conversion unit that suppresses the magnitude of the current flowing through the secondary coil to a predetermined value or less by controlling a load resistance value when looking at the load from the secondary coil;
The primary coil is configured by bifilar winding or trifilar winding in which a plurality of conducting wires are wound in parallel around the magnetic core, and the number of conducting wires wound around the magnetic core of the primary coil is equal to the number of conducting wires wound around the magnetic core of the primary coil. A non-contact power supply system configured so that the number of conductors is greater than the number of conductors wound around the magnetic core of the next coil.
前記受電ユニットは、前記二次側コイルと、前記二次側コイルに直列接続された二次側共振コンデンサとを含む二次側共振回路を備える請求項1~3のいずれか1項に記載の非接触給電システム。 The power transmission unit includes a primary side resonant circuit including the primary side coil and a primary side resonant capacitor connected in series to the primary side coil,
The power receiving unit according to any one of claims 1 to 3, comprising a secondary side resonant circuit including the secondary side coil and a secondary side resonant capacitor connected in series to the secondary side coil. Contactless power supply system.
前記二次側コイルを流れる電流を検出する電流検出器と、
前記二次側共振回路に対して直列に接続される半導体スイッチと、
前記二次側共振回路及び前記半導体スイッチに対して直列に接続され、前記半導体スイッチと前記負荷との間に設けられたコイルと、
前記電流検出器が検出した電流値に応じて、前記半導体スイッチのスイッチング動作のデューティ比を制御する制御部とを備える請求項4に記載の非接触給電システム。 The impedance conversion section is
a current detector that detects the current flowing through the secondary coil;
a semiconductor switch connected in series to the secondary side resonant circuit;
a coil connected in series to the secondary side resonant circuit and the semiconductor switch and provided between the semiconductor switch and the load;
The contactless power supply system according to claim 4 , further comprising a control unit that controls a duty ratio of a switching operation of the semiconductor switch according to a current value detected by the current detector.
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