JP7477840B2 - Non-contact power supply circuit - Google Patents
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Description
本開示は、受電側の回路に設けられた２つの受電コイルを、送電側の回路に設けられた２つの送電コイルで挟み込むように配置した非接触状態において、電力を伝送する非接触給電回路に関する。 This disclosure relates to a non-contact power supply circuit that transmits power in a non-contact state in which two power receiving coils provided in a power receiving circuit are sandwiched between two power transmitting coils provided in a power transmitting circuit.
例えば、二次電池を備えた機器等に充電を行う場合、この機器等に充電器の電極、充電用ケーブルなどを接続することなく、即ち、非接触の状態で電力を供給する技術がある。
非接触状態で給電を行う場合には、上記の機器等である給電対象に設置された受電コイル等と、充電機器等に設置された送電コイル等を近接させて対向配置し、電磁誘導などを用いて電力を伝送する。
非接触状態において電力の伝送効率を高めるため、例えば、二次電池等の負荷を有する給電対象側（受電側の回路）に２つの受電コイルを備え、また、各受電コイルに対向配置される２つの送電コイルを充電器等の電力供給側（送電側の回路）に備え、２対の送受電コイルを用いることが考えられる。
For example, when charging a device equipped with a secondary battery, there is a technique for supplying power without connecting the electrodes of a charger, a charging cable, etc. to the device, that is, in a non-contact state.
When power is supplied in a non-contact manner, a receiving coil or the like installed in the power supply target, which is the above-mentioned device, and a transmitting coil or the like installed in a charging device, etc. are placed close to each other and facing each other, and power is transmitted using electromagnetic induction or the like.
In order to improve the efficiency of power transmission in a non-contact state, it is possible to use two pairs of transmitting and receiving coils, for example, by providing two receiving coils on the power supply target side (power receiving circuit) having a load such as a secondary battery, and two transmitting coils arranged opposite each receiving coil on the power supply side (power transmitting circuit) of a charger, etc.
２対の送受信コイルを用いて非接触給電を行う技術（非接触給電構造）として、例えば、次のようなものがある。バッテリ（二次電池）を備えた電動自転車の前輪に、一の受電コイルと他の受電コイルとを備える。また、一の受電コイルと対向配置される一の送電コイルと、他の受電コイルと対向配置される他の送電コイルとを、電力供給側となる駐輪施設の支持部材に設ける。
この非接触給電構造は、駐輪施設に設けられた一の送電コイルと他の送電コイルとの間に、電動自転車の前輪を挟み込むように駐輪し、挟み込まれた前輪に設けられた一の受電コイルおよび他の受電コイルに対して非接触給電を行うように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
An example of a technology (contactless power supply structure) for contactless power supply using two pairs of transmitting and receiving coils is as follows: One power receiving coil and another power receiving coil are provided on the front wheel of an electric bicycle equipped with a battery (secondary battery). Also, one power transmitting coil arranged opposite the one power receiving coil, and another power transmitting coil arranged opposite the other power receiving coil are provided on a support member of a bicycle parking facility that serves as the power supply side.
This non-contact power supply structure is configured so that the front wheel of an electric bicycle is sandwiched between one power transmission coil and another power transmission coil provided in a bicycle parking facility, and power is supplied non-contact to one power receiving coil and another power receiving coil provided on the sandwiched front wheel (see, for example, Patent Document 1).
例えば、自転車の前輪に設置された２つの受電コイルを挟み込むように、２つの送電コイルを設け、２対の送受電コイルによって非接触給電を行うように構成すると、通常の１対の送受電コイルを用いた給電では生じることのない磁界結合が発生する。即ち、それぞれ２つの送受電コイルを用いた場合には、意図しない磁界結合も発生するため、電力を伝送する際に電圧と電流との位相差が大きくなり、電力の伝送効率が低下する場合がある。 For example, if two power transmitting coils are provided so as to sandwich two power receiving coils installed on the front wheel of a bicycle, and power is supplied contactlessly using the two pairs of power transmitting and receiving coils, magnetic field coupling occurs that does not occur when power is supplied using a normal pair of power transmitting and receiving coils. In other words, when two power transmitting and receiving coils are used, unintended magnetic field coupling also occurs, which increases the phase difference between the voltage and current when transmitting power, and may reduce the efficiency of power transmission.
本開示は、上記の問題を解決するためになされたもので、複数の送受電コイルを用いた非接触給電の伝送効率を良好にする非接触給電回路を提供する。 This disclosure has been made to solve the above problems, and provides a contactless power supply circuit that improves the transmission efficiency of contactless power supply using multiple power transmitting and receiving coils.
本開示に係る非接触給電回路は、送電側の回路に設けられ、所定間隔を開けて配置された第１送電コイルおよび第２送電コイルと、受電側の回路に設けられ、前記第１送電コイルと前記第２送電コイルとの間に挟み込まれるように配置された第１受電コイルおよび第２受電コイルと、を備え、前記第１送電コイルが前記第１受電コイルに対向し、前記第２送電コイルが前記第２受電コイルに対向するように配置され、前記第１受電コイルと前記第２受電コイルとの結合係数に応じた値の補償リアクタンスを前記受電側の回路に設けたことを特徴とする。 The non-contact power supply circuit according to the present disclosure includes a first power transmission coil and a second power transmission coil arranged at a predetermined distance in a power transmission circuit, and a first power receiving coil and a second power receiving coil arranged in a power receiving circuit so as to be sandwiched between the first power transmission coil and the second power transmission coil, the first power transmission coil is arranged to face the first power receiving coil, and the second power transmission coil is arranged to face the second power receiving coil, and a compensation reactance having a value according to a coupling coefficient between the first power receiving coil and the second power receiving coil is provided in the power receiving circuit.
また、本開示に係る非接触給電回路は、送電側の回路に設けられ、所定間隔を開けて配置された第１送電コイルおよび第２送電コイルと、受電側の回路に設けられ、前記第１送電コイルと前記第２送電コイルとの間に挟み込まれるように配置された第１受電コイルおよび第２受電コイルと、を備え、前記第１送電コイルが前記第１受電コイルに対向し、前記第２送電コイルが前記第２受電コイルに対向するように配置され、前記第１送電コイルと前記第２送電コイルとの結合係数に応じた値の補償リアクタンスを前記送電側の回路に設けたことを特徴とする。 The non-contact power supply circuit according to the present disclosure is characterized in that it comprises a first power transmission coil and a second power transmission coil provided in a power transmission circuit and arranged at a predetermined interval, and a first power receiving coil and a second power receiving coil provided in a power receiving circuit and arranged so as to be sandwiched between the first power transmission coil and the second power transmission coil, the first power transmission coil is arranged so as to face the first power receiving coil and the second power transmission coil is arranged so as to face the second power receiving coil, and a compensation reactance having a value according to the coupling coefficient between the first power transmission coil and the second power transmission coil is provided in the power transmission circuit.
また、本開示に係る非接触給電回路は、送電側の回路に設けられ、所定間隔を開けて配置された第１送電コイルおよび第２送電コイルと、受電側の回路に設けられ、前記第１送電コイルと前記第２送電コイルとの間に挟み込まれるように配置された第１受電コイルおよび第２受電コイルと、を備え、前記第１送電コイルが前記第１受電コイルに対向し、前記第２送電コイルが前記第２受電コイルに対向するように配置され、前記第１送電コイルと前記第２送電コイルとの結合係数に応じた値の補償リアクタンスを前記送電側の回路に設け、前記第１受電コイルと前記第２受電コイルとの結合係数に応じた値の補償リアクタンスを前記受電側の回路に設けたことを特徴とする。 The non-contact power supply circuit according to the present disclosure includes a first power transmission coil and a second power transmission coil arranged at a predetermined interval in a power transmission circuit, and a first power receiving coil and a second power receiving coil arranged in a power receiving circuit so as to be sandwiched between the first power transmission coil and the second power transmission coil, the first power transmission coil is arranged to face the first power receiving coil, and the second power transmission coil is arranged to face the second power receiving coil, a compensating reactance having a value according to the coupling coefficient between the first power transmission coil and the second power transmission coil is provided in the power transmission circuit, and a compensating reactance having a value according to the coupling coefficient between the first power receiving coil and the second power receiving coil is provided in the power receiving circuit.
また、前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、前記第１受電コイル、および、前記第２受電コイルに生じる磁界の向きが同相となるように、前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、前記第１受電コイル、および、前記第２受電コイルを設けたとき、前記補償リアクタンスは、コンデンサであることを特徴とする。 Furthermore, when the first power transmitting coil, the second power transmitting coil, the first power receiving coil, and the second power receiving coil are arranged so that the directions of the magnetic fields generated in the first power transmitting coil, the second power transmitting coil, the first power receiving coil, and the second power receiving coil are in phase, the compensation reactance is a capacitor.
また、前記第１送電コイルに生じる磁界の向きと前記第２送電コイルに生じる磁界の向きとが逆相になり、前記第１受電コイルに生じる磁界の向きと前記第２受電コイルに生じる磁界の向きとが逆相になり、前記第１送電コイルに生じる磁界の向きと前記第１受電コイルに生じる磁界の向きとが同相になり、前記第２送電コイルに生じる磁界の向きと前記第２受電コイルに生じる磁界の向きとが同相となるように、前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、前記第１受電コイル、および、前記第２受電コイルを設けたとき、前記補償リアクタンスは、インダクタであることを特徴とする。 Furthermore, when the first power transmitting coil, the second power transmitting coil, the first power receiving coil, and the second power receiving coil are arranged so that the magnetic field generated in the first power transmitting coil and the magnetic field generated in the second power transmitting coil are in opposite phase, the magnetic field generated in the first power receiving coil and the magnetic field generated in the second power receiving coil are in opposite phase, the magnetic field generated in the first power transmitting coil and the magnetic field generated in the first power receiving coil are in phase, and the magnetic field generated in the second power transmitting coil and the magnetic field generated in the second power receiving coil are in phase, the compensation reactance is an inductor.
本開示によれば、送電側の回路に設けられた２つの送電コイルの間に、受電側の回路に設けられた２つの受電コイルを挟み込むように配置した場合の、電力の伝送効率を向上させることができる。 According to the present disclosure, it is possible to improve the power transmission efficiency when two power receiving coils provided in a power receiving circuit are sandwiched between two power transmitting coils provided in a power transmitting circuit.
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
図１は、本開示の実施の形態による給電回路１の構成を示す回路図である。図１の給電回路１は、挟み込み型の非接触給電回路の基本となる（後述する補償リアクタンスを省略した）回路構成を示している。
給電回路１は、送電側の回路と受電側の回路を有し、送電側の回路は、送電コイルＬｔ１，Ｌｔ２、コンデンサＣｔ１，Ｃｔ２、電源１０によって構成されている。また、上記の受電側の回路は、受電コイルＬｒ１，Ｌｒ２、コンデンサＣｒ１，Ｃｒ２によって構成され、負荷Ｒｒが接続されている。
An embodiment of the present invention will now be described.
Fig. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a
The
詳しくは、給電回路１の送電側の回路は、次のように接続構成されている。電源１０の高電位側端子にコンデンサＣｔ１の一端が接続され、コンデンサＣｔ１の他端に送電コイルＬｔ１の一端が接続されている。送電コイルＬｔ１の他端に送電コイルＬｔ２の一端が接続され、送電コイルＬｔ２の他端にコンデンサＣｔ２の一端が接続されている。コンデンサＣｔ２の他端に電源１０の低電位側端子が接続されている。送電コイルＬｔ１の他端と送電コイルＬｔ２の一端との接続点は、接地接続されている。
即ち、送電コイルＬｔ１と送電コイルＬｔ２が直列接続され、直列接続された送電コイルＬｔ１，Ｌｔ２の両端が電源１０に接続されている。
In detail, the power transmission side circuit of the
That is, the power transmitting coil Lt1 and the power transmitting coil Lt2 are connected in series, and both ends of the power transmitting coils Lt1 and Lt2 connected in series are connected to the
給電回路１の受電側の回路は、次のように接続構成されている。受電コイルＬｒ１の一端にコンデンサＣｒ１の一端が接続されている。受電コイルＬｒ１の他端に負荷Ｒｒの一端が接続され、受電コイルＬｒ２の一端に負荷Ｒｒの他端が接続されている。受電コイルＬｒ２の他端にコンデンサＣｒ２の一端が接続され、コンデンサＣｒ２の他端にコンデンサＣｒ１の他端が接続されている。コンデンサＣｒ２の他端とコンデンサＣｒ１の他端との接続点は、接地接続されている。
即ち、受電コイルＬｒ１と受電コイルＬｒ２が直列接続され、直列接続された受電コイルＬｒ１，Ｌｒ２の両端が負荷Ｒｒに接続されている。
The circuit on the power receiving side of the
That is, the power receiving coil Lr1 and the power receiving coil Lr2 are connected in series, and both ends of the series connected power receiving coils Lr1, Lr2 are connected to the load Rr.
上記の送電コイルＬｔ１，Ｌｔ２、ならびに受電コイルＬｒ１，Ｌｒ２の各一端は、図１においてドット印が付記された端部であり、このドット印は各コイルの相互誘導における極性を示している。 One end of each of the above-mentioned power transmission coils Lt1 and Lt2 and power receiving coils Lr1 and Lr2 is the end marked with a dot in Figure 1, and this dot indicates the polarity of the mutual induction of each coil.
給電回路１は、各送受電コイルを挟み込み型に配置させたもので、送電コイルＬｔ１と送電コイルＬｔ２との間に、受電コイルＬｒ１および受電コイルＬｒ２が挟み込まれるように配置されている。
詳しくは、給電回路１は、送電コイルＬｔ１に受電コイルＬｒ１が対向配置され、送電コイルＬｔ２に受電コイルＬｒ２が対向配置されるように構成されている。
In the
Specifically, the
次に給電回路１の動作について説明する。
ここで、送電コイルＬｔ１と受電コイルＬｒ１との結合係数をｋ１、送電コイルＬｔ２と受電コイルＬｒ２との結合係数をｋ２とする。
また、送電コイルＬｔ１と受電コイルＬｒ２との結合係数をｋ１２、送電コイルＬｔ２と受電コイルＬｒ１との結合係数をｋ２１とする。
また、送電コイルＬｔ１と送電コイルＬｔ２との結合係数をｋｔ、受電コイルＬｒ１と受電コイルＬｒ２との結合係数をｋｒとする。
また、送電コイルＬｔ１，Ｌｔ２および受電コイルＬｒ１，Ｌｒ２の各インダクタンスをＬとし、コンデンサＣｔ１，Ｃｔ２，Ｃｒ１，Ｃｒ２の各キャパシタンスをＣとする。
Next, the operation of the
Here, the coupling coefficient between the power transmitting coil Lt1 and the power receiving coil Lr1 is k1, and the coupling coefficient between the power transmitting coil Lt2 and the power receiving coil Lr2 is k2.
The coupling coefficient between the power transmitting coil Lt1 and the power receiving coil Lr2 is k12, and the coupling coefficient between the power transmitting coil Lt2 and the power receiving coil Lr1 is k21.
The coupling coefficient between the power transmitting coil Lt1 and the power transmitting coil Lt2 is kt, and the coupling coefficient between the power receiving coil Lr1 and the power receiving coil Lr2 is kr.
Also, the inductance of each of the power transmitting coils Lt1, Lt2 and the power receiving coils Lr1, Lr2 is represented by L, and the capacitance of each of the capacitors Ct1, Ct2, Cr1, Cr2 is represented by C.
給電回路１の各コイルに生じる全ての磁気結合を考慮すると、次の回路方程式が導出される。
Taking into account all the magnetic couplings occurring in each coil of the
上記の回路方程式から、挟み込み型に配置した送電コイル（Ｌｔ１，Ｌｔ２）と受電コイル（Ｌｒ１，Ｌｒ２）との結合においては、各コイル間の相互インダクタンス（２ｊωｋｔＬ，２ｊωｋｒＬ）の影響を受けて送電側力率が低下すると、送受電間の給電効率が低下することがわかる。
即ち、送電コイルＬｔ１と送電コイルＬｔ２との磁気結合、ならびに、受電コイルＬｒ１と受電コイルＬｒ２との磁気結合によって送電側力率が低下し、非接触による電力の伝送効率が低下する。
そこで、送電側力率の低下を防ぐ（抑える）対策として、補償リアクタンスを給電回路１に追加する。
From the above circuit equation, it can be seen that in the coupling between the transmitting coil (Lt1, Lt2) and the receiving coil (Lr1, Lr2) arranged in a sandwiched configuration, if the transmitting side power factor decreases due to the influence of the mutual inductance (2jωktL, 2jωkrL) between each coil, the power supply efficiency between the transmitting and receiving sides decreases.
That is, the magnetic coupling between the power transmitting coil Lt1 and the power transmitting coil Lt2 and the magnetic coupling between the power receiving coil Lr1 and the power receiving coil Lr2 reduces the power factor on the power transmitting side, and reduces the efficiency of contactless power transmission.
Therefore, as a measure to prevent (suppress) the decrease in the power factor on the power transmission side, a compensating reactance is added to the
図２は、図１の給電回路１の概略構成を示す説明図である。図２の給電回路１は、図１に示したものと同一部分に同じ符号を付記している。
図２の第１送電部１２は、図１に示した送電コイルＬｔ１、コンデンサＣｔ１等によって構成された部分である。また、第２送電部１３は、送電コイルＬｔ２、コンデンサＣｔ２等によって構成された部分である。また、受電部１４は、受電コイルＬｒ１、コンデンサＣｒ１、受電コイルＬｒ２、コンデンサＣｒ２等によって構成され、負荷Ｒｒに相当する負荷１１が接続された部分である。
Fig. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the
The first
第１送電部１２に備える第１送電コイル２０は、送電コイルＬｔ１に相当する。第２送電部１３に備える第２送電コイル２３は、送電コイルＬｔ２に相当する。
受電部１４に備える第１受電コイル２１は、受電コイルＬｒ１に相当する。また、第２受電コイル２２は、受電コイルＬｒ２に相当する。
The first
The first
図３は、図２の各コイルが発生させる磁界の向きを示す説明図である。図中、タイプＡ～Ｄのように配置された４つのコイルは、両端の各コイルが第１送電コイル２０ならびに第２送電コイル２３に相当し、中央の２つのコイルが第１受電コイル２１ならびに第２受電コイル２２に相当する。図３に示した各矢印は、各コイルに発生する磁界の向きを示している。
Figure 3 is an explanatory diagram showing the direction of the magnetic field generated by each coil in Figure 2. In the figure, of the four coils arranged as types A to D, the coils at both ends correspond to the first
２対の送受電コイルを挟み込み型に配置する場合、図３に示したように４つの磁界配置モード（タイプＡ～Ｄ）が考えられる。
タイプＢは、例えば、第１送電コイル２０が発生する磁界の向きと第２送電コイル２３が発生する磁界の向きが同相となり、第１受電コイル２１に発生する磁界の向きと第２受電コイル２２に発生する磁界の向きが逆相となるように配置構成されている。各コイルの中心軸を一致させて、タイプＢのように磁界の向きを配置すると、受電部１４に電力が伝送されない。
タイプＣは、例えば、第１送電コイル２０が発生する磁界の向きと第２送電コイル２３が発生する磁界の向きが逆相で、第１受電コイル２１に発生する磁界の向きと第２受電コイル２２に発生する磁界の向きが同相となるように配置構成されている。各コイルの中心軸を一致させて、タイプＣのように磁界の向きを配置すると、受電部１４に電力が伝送されない。
When two pairs of transmitting and receiving coils are arranged in a sandwiched configuration, four magnetic field arrangement modes (types A to D) are possible, as shown in FIG.
Type B is configured, for example, so that the direction of the magnetic field generated by the first
Type C is configured, for example, so that the direction of the magnetic field generated by the first
給電回路１は、タイプＡまたはタイプＤの磁界配置モードとなるように、各コイルの極性ならびに各コイルに流れる電流の向きを設定して構成されている。
また、給電回路１は、タイプＡのように構成された回路においては、補償リアクタンスとして補償コンデンサを備え、タイプＤのように構成された回路においては、補償リアクタンスとして補償インダクタを備える。
詳しくは、タイプＡのように構成された回路では、送電側に回路に流れる電流ｉｔの位相が電圧ｖｔの位相よりも早くなるため、補償コンデンサＣｔ，ｒを備える。
また、タイプＤのように構成された回路では、送電側に回路に流れる電流ｉｔの位相が電圧ｖｔの位相よりも遅くなるため、補償インダクタＬｔ，ｒを備える。
補償コンデンサＣｔ，ｒの容量、ならびに、補償インダクタＬｔ，ｒのインダクタンスは、次の式で表される。
The
Moreover, in the
More specifically, in a circuit configured like Type A, the phase of the current it flowing through the circuit on the power transmission side leads the phase of the voltage vt, so compensation capacitors Ct,r are provided.
Furthermore, in a circuit configured like Type D, the phase of the current it flowing through the circuit on the power transmission side lags behind the phase of the voltage vt, so compensation inductors Lt and r are provided.
The capacitance of the compensation capacitor Ct,r and the inductance of the compensation inductor Lt,r are expressed by the following equations.
図４は、第１送電コイル２０、第１受電コイル２１、第２受電コイル２２および第２送電コイル２３の配置を示す説明図である。タイプＡまたはタイプＤのように配置される各コイルは、例えば、図４に示した間隔を設けて配置されている。
第１送電コイル２０と第１受電コイル２１との間の距離がｄ１、第１受電コイル２１と第２受電コイル２２との間の距離がｄ２、第２受電コイル２２と第２送電コイル２３との間の距離がｄ１となるように、各コイルを配置する。なお、第１送電コイル２０と第２送電コイル２３との間の距離をｄ３とする。また、距離ｄ２は、距離ｄ１よりも大きい値である。
Fig. 4 is an explanatory diagram showing the arrangement of the first
The coils are arranged such that the distance between the first
図５は、補償リアクタンスを備えた給電回路１ａの構成を示す回路図である。
給電回路１ａは、各コイルに生じる磁界の向きがタイプＡとなるように構成されており、補償リアクタンスとして補償コンデンサＣｔおよび補償コンデンサＣｒを備えている。
また、給電回路１ａは、各コイルの配置等に関して給電回路１と同様に（図４に例示したように）構成されており、また、回路接続等に関して給電回路１と概ね同様に構成されている。
図５の給電回路１ａは、図１の給電回路１と同一あるいは相当する部分に同じ符号が付記されている。ここでは、同一符号の部分について詳細説明を省略する。
FIG. 5 is a circuit diagram showing the configuration of a
The
The
In the
給電回路１ａは、補償コンデンサＣｔの一端に、送電コイルＬｔ２の一端が接続され、補償コンデンサＣｔの他端に、送電コイルＬｔ１の他端が接続されている。即ち、補償コンデンサＣｔは、送電コイルＬｔ１と送電コイルＬｔ２との間を繋ぐように接続されている。
In the
また、給電回路１ａは、補償コンデンサＣｒの一端に、コンデンサＣｒ１の他端が接続され、補償コンデンサＣｒの他端に、コンデンサＣｒ２の他端が接続されている。即ち、補償コンデンサＣｒは、コンデンサＣｒ１とコンデンサＣｒ２との間に（受電コイルＬｒ１と受電コイルＬｒ２との間を繋ぐように）接続されている。
なお、給電回路１ａは、補償コンデンサＣｔおよび補償コンデンサＣｒの各両端が接地接続されないように回路構成されており、コンデンサＣｔ２と電源１０の低電位側端子との接続点が接地接続されている。
In the
The
次に給電回路１ａの動作（解析）について説明する。
図６は、給電回路１ａが補償コンデンサＣｔ，ｒを備えていない場合の動作特性を示す説明図である。この図は、補償コンデンサＣｔ，ｒを除いて回路構成された給電回路１ａの非接触給電の伝送効率を示したもので、横軸が非接触給電（電力の伝送）に用いる周波数を表し、縦軸が電力の伝送効率、ならびに、送電側の電圧と電流との位相差を表している。
図中、一点鎖線の特性曲線は各周波数における伝送効率を表し、実線の特性曲線は各周波数における送電側の電圧と電流との位相差を表している。
Next, the operation (analysis) of the
6 is an explanatory diagram showing the operating characteristics of the
In the figure, the dashed-dotted characteristic curves represent the transmission efficiency at each frequency, and the solid-line characteristic curves represent the phase difference between the voltage and current on the power transmission side at each frequency.
図７は、給電回路１ａが補償コンデンサＣｔ，ｒを備えている場合の動作特性を示す説明図である。この図は、前述のように補償コンデンサＣｔ，ｒを備えて回路構成された給電回路１ａの非接触給電の伝送効率を示したもので、横軸が非接触給電（電力の伝送）に用いる周波数を表し、縦軸が電力の伝送効率、ならびに、送電側の電圧と電流との位相差を表している。
図中、一点鎖線の特性曲線は各周波数における伝送効率を表し、実線の特性曲線は各周波数における送電側の電圧と電流との位相差を表している。
7 is an explanatory diagram showing the operating characteristics of the
In the figure, the dashed-dotted characteristic curves represent the transmission efficiency at each frequency, and the solid-line characteristic curves represent the phase difference between the voltage and current on the power transmission side at each frequency.
図６および図７は、回路シミュレータを用いて、タイプＡの構成を有する給電回路１ａの、伝送効率および送電側の電圧と電流との位相差を解析し、この解析結果から取得された各特性曲線を示したものである。上記の伝送効率は、対を形成する送受電コイル間の伝送効率であり、高周波回路の特性を表すＳパラメータにおいて、Ｓ２１に相当するものである。
なお、上記の回路シミュレータによる解析は、給電回路１ａ（電源１０）の電源インピーダンス（後述する内部インピーダンスＩｍｐに相当するもの）の値、および、受電側が有する負荷Ｒｒの値として、それぞれ最適値を設定して行ったものである。
6 and 7 show characteristic curves obtained from the analysis results of the transmission efficiency and the phase difference between the voltage and current on the power transmitting side of the
The analysis using the circuit simulator was performed by setting optimal values for the power supply impedance (corresponding to an internal impedance Imp, which will be described later) of the
図６に示した特性曲線と図７に示した特性曲線とを比較すると、補償コンデンサＣｔ，ｒを備えることにより、電力の伝送に使用する周波数が８５[ｋＨｚ]の場合に、送電側の電圧と電流との位相差が解消され、伝送効率が向上することがわかる。 Comparing the characteristic curves shown in Figure 6 and Figure 7, it can be seen that by providing compensation capacitors Ct,r, when the frequency used to transmit power is 85 kHz, the phase difference between the voltage and current on the power transmission side is eliminated, improving transmission efficiency.
次に、補償コンデンサＣ１を有する給電回路１ｂが動作したときの各電圧波形および各電流波形を実測した結果を示す。
図８は、動作の実測に用いた補償コンデンサＣ１を備えた給電回路１ｂの構成を示す回路図である。給電回路１ｂは、前述の給電回路１等と概ね同様に構成されたもので、図１等に示したものと同一あるいは相当する部分に同じ符号を付記している。ここでは、図１等と同一符号を付記した部分について詳細説明を省略する。
Next, the results of measuring the voltage waveforms and the current waveforms when the power supply circuit 1b having the compensation capacitor C1 is in operation will be shown.
Fig. 8 is a circuit diagram showing the configuration of a power supply circuit 1b equipped with a compensation capacitor C1 used in the actual measurement of operation. The power supply circuit 1b is configured in a similar manner to the above-mentioned
給電回路１ｂは、給電回路１等と同様に、タイプＡのように配置された各送受電コイルを備えている。
給電回路１ｂは、受電側の回路に補償コンデンサＣ１を備えている。補償コンデンサＣ１は、図２の補償コンデンサＣｒに相当するもので、補償コンデンサＣｒと同様にコンデンサＣｒ１とコンデンサＣｒ２との間（受電コイルＬｒ１と受電コイルＬｒ２との間）に接続されている。
なお、給電回路１ｂの動作シミュレーションを行った結果、送電側の回路に補償コンデンサを設けた場合と、設けなかった場合に大きさ差異がないことが確認された。そのため、ここで説明する給電回路１ｂにおいては、送電側回路に補償コンデンサを設けることを省略している。
The power supply circuit 1b includes power transmitting and receiving coils arranged as in Type A, similarly to the
The power supply circuit 1b includes a compensation capacitor C1 in the power receiving circuit. The compensation capacitor C1 corresponds to the compensation capacitor Cr in Fig. 2 and is connected between the capacitors Cr1 and Cr2 (between the power receiving coil Lr1 and the power receiving coil Lr2) in the same manner as the compensation capacitor Cr.
In addition, as a result of performing an operational simulation of the power supply circuit 1b, it was confirmed that there was no difference in size between when a compensation capacitor was provided in the power transmission side circuit and when it was not provided. Therefore, in the power supply circuit 1b described here, the provision of a compensation capacitor in the power transmission side circuit is omitted.
図９は、補償コンデンサＣ１を備えていない給電回路１ｂの動作を実測した結果を示す説明図である。この図は、給電回路１ｂの各部で実測された電圧ｖｔ、電圧ｖｒ、電流ｉｔ、電流ｉｒの波形を示したもので、横軸は時間軸であり、縦軸は電圧値ならびに電流値を示している。
図９の電圧ｖｔは、給電回路１ｂの送電側の回路において実測された電圧波形であり、補償コンデンサＣ１を備えていない場合の電圧波形を表している。また、図９の電流ｉｔは、給電回路１ｂの送電側の回路において実測された電流波形であり、補償コンデンサＣ１を備えていない場合の電流波形を表している。
図９の電圧ｖｒは、給電回路１ｂの受電側の回路において実測された電圧波形であり、補償コンデンサＣ１を備えていない場合の電圧波形を表している。また、図９の電流ｉｒは、給電回路１ｂの受電側の回路において実測された電流波形であり、補償コンデンサＣ１を備えていない場合の電流波形を表している。
9 is an explanatory diagram showing the results of actual measurement of the operation of the power supply circuit 1b not including the compensation capacitor C1. This diagram shows the waveforms of the voltage vt, voltage vr, current it, and current ir actually measured at each part of the power supply circuit 1b, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing the voltage value and the current value.
The voltage vt in Fig. 9 is a voltage waveform actually measured in the power transmission circuit of the power supply circuit 1b, and represents the voltage waveform when the compensation capacitor C1 is not provided. The current it in Fig. 9 is a current waveform actually measured in the power transmission circuit of the power supply circuit 1b, and represents the current waveform when the compensation capacitor C1 is not provided.
The voltage vr in Fig. 9 is a voltage waveform actually measured in the power receiving circuit of the power supply circuit 1b, and represents the voltage waveform when the compensation capacitor C1 is not provided. The current ir in Fig. 9 is a current waveform actually measured in the power receiving circuit of the power supply circuit 1b, and represents the current waveform when the compensation capacitor C1 is not provided.
図１０は、補償コンデンサＣ１を備えた給電回路１ｂの動作を実測した結果を示す説明図である。この図は、補償コンデンサＣ１を備えた給電回路１ｂの各部で実測された電圧ｖｔ、電圧ｖｒ、電流ｉｔ、電流ｉｒの波形を示したもので、横軸は時間軸であり、縦軸は電圧値ならびに電流値を表している。
図１０の電圧ｖｔは、給電回路１ｂの送電側の回路において実測された電圧波形であり、補償コンデンサＣ１を備えた場合の電圧波形を表している。また、図１０の電流ｉｔは、給電回路１ｂの送電側の回路において実測された電流波形であり、補償コンデンサＣ１を備えた場合の電流波形を表している。
図１０の電圧ｖｒは、給電回路１ｂの受電側の回路において実測された電圧波形であり、補償コンデンサＣ１を備えた場合の電圧波形を表している。また、図１０の電流ｉｒは、給電回路１ｂの受電側の回路において実測された電流波形であり、補償コンデンサＣ１を備えた場合の電流波形を表している。
10 is an explanatory diagram showing the results of actual measurement of the operation of the power supply circuit 1b equipped with the compensation capacitor C1. This diagram shows the waveforms of the voltage vt, voltage vr, current it, and current ir measured at each part of the power supply circuit 1b equipped with the compensation capacitor C1, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing the voltage value and the current value.
The voltage vt in Fig. 10 is a voltage waveform actually measured in the power transmission circuit of the power supply circuit 1b, and represents the voltage waveform when the compensation capacitor C1 is provided. The current it in Fig. 10 is a current waveform actually measured in the power transmission circuit of the power supply circuit 1b, and represents the current waveform when the compensation capacitor C1 is provided.
The voltage vr in Fig. 10 is a voltage waveform actually measured in the power receiving circuit of the power supply circuit 1b, and represents the voltage waveform when the compensation capacitor C1 is provided. The current ir in Fig. 10 is a current waveform actually measured in the power receiving circuit of the power supply circuit 1b, and represents the current waveform when the compensation capacitor C1 is provided.
図９に示した電圧ｖｔと電流ｉｔとの位相差は１１［°］生じているが、図１０に示した電圧ｖｔと電流ｉｔとの位相差は０．３［°］になっている。即ち、補償コンデンサＣ１を備えることにより、電圧ｖｔと電流ｉｔとの位相差が小さくなる。
また、図９に示した電圧ｖｒと電流ｉｒとの位相差に比べて、図１０に示した電圧ｖｒと電流ｉｒとの位相差の方が小さくなっている。
このように、補償コンデンサＣ１を備えることによって、各コイルにおける電圧と電流との位相差が小さくなり、皮相電力における送受電伝送効率が９４[％]から９７[％]に向上する。
上記の給電回路１ｂの実測結果は、回路シミュレーションによる給電回路１ａの解析結果と同等となっており、補償リアクタンスを備えた場合に電力の伝送効率が向上することが確認された。
The phase difference between the voltage vt and the current it shown in Fig. 9 is 11°, but the phase difference between the voltage vt and the current it shown in Fig. 10 is 0.3°. In other words, by providing the compensation capacitor C1, the phase difference between the voltage vt and the current it becomes smaller.
9. Moreover, the phase difference between the voltage vr and the current ir shown in FIG. 10 is smaller than the phase difference between the voltage vr and the current ir shown in FIG.
In this way, by providing the compensation capacitor C1, the phase difference between the voltage and current in each coil is reduced, and the transmission efficiency of the apparent power is improved from 94% to 97%.
The actual measurement results of the above-mentioned power supply circuit 1b are equivalent to the analysis results of the
本開示の非接触給電回路は、例えば、給電回路１ａのように、送電側の回路に、結合係数ｋｔに応じた値の補償リアクタンス（補償コンデンサＣｔ）を設け、受電側の回路に、結合係数ｋｒに応じた値の補償リアクタンス（補償コンデンサＣｒ）を設けて、各コイルによる伝送効率を向上させるように構成されている。
また、本開示の非接触給電回路は、給電回路１ｂのように、受電側の回路に補償リアクタンス（補償コンデンサＣ１）を設け、送電側の回路に補償リアクタンス等を設けることなく構成し、各コイルによる伝送効率を向上させるように構成してもよい。
また、本開示の非接触給電回路は、送電側の回路に補償リアクタンスを設け、受電側の回路に補償リアクタンスを設けることなく構成し、各コイルによる伝送効率を向上させるように構成してもよい。
The contactless power supply circuit of the present disclosure is configured, for example, as in the
In addition, the contactless power supply circuit disclosed herein may be configured, like power supply circuit 1b, by providing a compensating reactance (compensating capacitor C1) in the power receiving circuit and not providing a compensating reactance or the like in the power transmitting circuit, thereby improving the transmission efficiency by each coil.
Furthermore, the contactless power supply circuit of the present disclosure may be configured so that a compensating reactance is provided in the power transmitting circuit and no compensating reactance is provided in the power receiving circuit, thereby improving the transmission efficiency of each coil.
本開示の非接触給電回路は、前述の回路方程式を確立し、この回路方程式に基づいて補償リアクタンスを設定するようにしたので、各送受信コイルに生じる磁界の向き（磁界配位）に応じて、補償リアクタンスとしてインダクタ（インダクタンス）またはコンデンサ（キャパシタンス）を用い、電力の伝送効率を高めることができる。
また、本開示の非接触給電回路は、送電コイルＬｔ１と送電コイルＬｔ２との結合係数ｋｔ、ならびに、受電コイルＬｒ１と受電コイルＬｒ２との結合係数ｋｒに応じて補償リアクタンスの値を設定するようにしたので、送電コイルＬｔ１，Ｌｔ２に対して受電コイルＬｒ１，Ｌｒ２が移動する場合においても、補償リアクタンスの値を可変する必要がなく、高い効率で電力を伝送することができる。
The contactless power supply circuit disclosed herein establishes the above-mentioned circuit equation and sets the compensation reactance based on this circuit equation. Therefore, it is possible to improve the power transmission efficiency by using an inductor (inductance) or a capacitor (capacitance) as the compensation reactance depending on the direction of the magnetic field (magnetic field configuration) generated in each transmitting and receiving coil.
Furthermore, in the non-contact power supply circuit disclosed herein, the value of the compensation reactance is set according to the coupling coefficient kt between the transmitting coil Lt1 and the transmitting coil Lt2, and the coupling coefficient kr between the receiving coil Lr1 and the receiving coil Lr2. Therefore, even when the receiving coils Lr1, Lr2 move relative to the transmitting coils Lt1, Lt2, there is no need to vary the value of the compensation reactance, and power can be transmitted with high efficiency.
１，１ａ，１ｂ 給電回路
１０ 電源
１１ 負荷
１２ 第１送電部
１３ 第２送電部
１４ 受電部
２０ 第１送電コイル
２１ 第１受電コイル
２２ 第２受電コイル
２３ 第２送電コイル
Claims (5)
受電側の回路に設けられ、前記第１送電コイルと前記第２送電コイルとの間に挟み込まれるように配置された第１受電コイルおよび第２受電コイルと、
を備え、
前記第１送電コイルが前記第１受電コイルに対向し、前記第２送電コイルが前記第２受電コイルに対向するように配置され、
前記第１受電コイルと前記第２受電コイルとの結合係数に応じた値の補償リアクタンスを前記受電側の回路に設けた、
ことを特徴とする非接触給電回路。 a first power transmitting coil and a second power transmitting coil provided in a power transmitting circuit and arranged at a predetermined interval;
a first power receiving coil and a second power receiving coil provided in a power receiving circuit and disposed so as to be sandwiched between the first power transmitting coil and the second power transmitting coil;
Equipped with
The first power transmitting coil is disposed to face the first power receiving coil, and the second power transmitting coil is disposed to face the second power receiving coil,
A compensation reactance having a value corresponding to a coupling coefficient between the first receiving coil and the second receiving coil is provided in the power receiving side circuit.
A non-contact power supply circuit comprising:
受電側の回路に設けられ、前記第１送電コイルと前記第２送電コイルとの間に挟み込まれるように配置された第１受電コイルおよび第２受電コイルと、
を備え、
前記第１送電コイルが前記第１受電コイルに対向し、前記第２送電コイルが前記第２受電コイルに対向するように配置され、
前記第１送電コイルと前記第２送電コイルとの結合係数に応じた値の補償リアクタンスを前記送電側の回路に設けた、
ことを特徴とする非接触給電回路。 a first power transmitting coil and a second power transmitting coil provided in a power transmitting circuit and arranged at a predetermined interval;
a first power receiving coil and a second power receiving coil provided in a power receiving circuit and disposed so as to be sandwiched between the first power transmitting coil and the second power transmitting coil;
Equipped with
The first power transmitting coil is disposed to face the first power receiving coil, and the second power transmitting coil is disposed to face the second power receiving coil,
A compensating reactance having a value corresponding to a coupling coefficient between the first power transmitting coil and the second power transmitting coil is provided in the power transmitting side circuit.
A non-contact power supply circuit comprising:
受電側の回路に設けられ、前記第１送電コイルと前記第２送電コイルとの間に挟み込まれるように配置された第１受電コイルおよび第２受電コイルと、
を備え、
前記第１送電コイルが前記第１受電コイルに対向し、前記第２送電コイルが前記第２受電コイルに対向するように配置され、
前記第１送電コイルと前記第２送電コイルとの結合係数に応じた値の補償リアクタンスを前記送電側の回路に設け、
前記第１受電コイルと前記第２受電コイルとの結合係数に応じた値の補償リアクタンスを前記受電側の回路に設けた、
ことを特徴とする非接触給電回路。 a first power transmitting coil and a second power transmitting coil provided in a power transmitting circuit and arranged at a predetermined interval;
a first power receiving coil and a second power receiving coil provided in a power receiving circuit and disposed so as to be sandwiched between the first power transmitting coil and the second power transmitting coil;
Equipped with
The first power transmitting coil is disposed to face the first power receiving coil, and the second power transmitting coil is disposed to face the second power receiving coil,
a compensating reactance having a value corresponding to a coupling coefficient between the first power transmitting coil and the second power transmitting coil is provided in the power transmitting circuit;
A compensation reactance having a value corresponding to a coupling coefficient between the first receiving coil and the second receiving coil is provided in the power receiving side circuit.
A non-contact power supply circuit comprising:
前記補償リアクタンスは、コンデンサである、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非接触給電回路。 When the first power transmitting coil, the second power transmitting coil, the first power receiving coil, and the second power receiving coil are provided so that the directions of magnetic fields generated in the first power transmitting coil, the second power transmitting coil, the first power receiving coil, and the second power receiving coil are in phase with each other,
The compensating reactance is a capacitor.
The non-contact power supply circuit according to any one of claims 1 to 3.
前記第１受電コイルに生じる磁界の向きと前記第２受電コイルに生じる磁界の向きとが逆相になり、
前記第１送電コイルに生じる磁界の向きと前記第１受電コイルに生じる磁界の向きとが同相になり、
前記第２送電コイルに生じる磁界の向きと前記第２受電コイルに生じる磁界の向きとが同相となるように、前記第１送電コイル、前記第２送電コイル、前記第１受電コイル、および、前記第２受電コイルを設けたとき、
前記補償リアクタンスは、インダクタである、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非接触給電回路。 the direction of the magnetic field generated in the first power transmitting coil and the direction of the magnetic field generated in the second power transmitting coil are in opposite phase to each other,
The direction of the magnetic field generated in the first power receiving coil and the direction of the magnetic field generated in the second power receiving coil are in opposite phases,
The direction of the magnetic field generated in the first power transmitting coil and the direction of the magnetic field generated in the first power receiving coil are in phase with each other,
When the first power transmitting coil, the second power transmitting coil, the first power receiving coil, and the second power receiving coil are provided so that the direction of the magnetic field generated in the second power transmitting coil and the direction of the magnetic field generated in the second power receiving coil are in phase with each other,
The compensation reactance is an inductor.
The non-contact power supply circuit according to any one of claims 1 to 3.
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