KR20130087536A

KR20130087536A - 비접촉 급전 장치

Info

Publication number: KR20130087536A
Application number: KR1020137013172A
Authority: KR
Inventors: 도시히로 가이; 쓰롱눔차이 크라이소른; 유스케 미나가와
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-08-06
Also published as: MY161980A; BR112013011541A2; JPWO2012063570A1; EP2639931A1; EP2639931A4; BR112013011541B1; RU2538762C1; US9369181B2; JP5641053B2; US20130221758A1; RU2013126687A; CN103210564A; EP2639931B1; WO2012063570A1; KR101478930B1; MX2013005232A; CN103210564B

Abstract

교류 전원에 의해 1차 권선으로부터 전력이 공급되는 2차 권선을 구비하고, Z1의 주파수에 대한 임피던스의 절대값 특성은 교류 전원의 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극대값을 취하는 주파수와, 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극소값을 취하는 주파수와의 사이에 기본파 성분의 주파수를 갖고, Z2의 주파수에 대한 임피던스의 절대값 특성은 교류 전원의 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극대값을 취하는 주파수와, 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극소값을 취하는 주파수와의 사이에 기본파 성분의 주파수를 갖는다. 단, Z1은 교류 전원의 출력측에서 본 1차측만의 임피던스를 나타내고, Z2는 2차 권선에 접속되는 부하측에서 본 2차측만의 임피던스를 나타낸다.

Description

비접촉 급전 장치 {CONTACTLESS POWER FEEDING APPARATUS}

본 발명은 비접촉 급전 장치에 관한 것이다.

본 출원은 2010년 11월 12일에 출원된 일본 특허 출원의 특허 출원 제2010-253851에 기초하는 우선권을 주장하는 것으로, 문헌의 참조에 의한 결합이 인정되는 지정국에 대해서는, 상기의 출원에 기재된 내용을 참조에 의해 본 출원에 포함하여, 본 출원의 기재의 일부로 한다.

전자기 유도의 상호 유도 작용에 기초하여, 1차측으로부터 이동체에 설치된 2차측에, 에어 갭을 통하여 비접촉으로 근접 대응 위치하면서 전력을 공급하는 비접촉 급전 장치이며, 1차측의 급전 회로에서는, 병렬의 각 코일에, 공진 동조용 직렬 콘덴서가 각각 배치되고, 콘덴서가 각 코일에 병렬로 각각 접속되어 있는 것이 알려져 있다.(특허문헌 1)

일본 특허 출원 공개 제2010-40699호 공보

그러나, 종래의 비접촉 급전 장치에 있어서, 1차측의 코일과 2차측의 코일 사이의 결합 계수가 일정한 것을 전제로 콘덴서 등을 설정하고 있으므로, 당해 결합 계수가 변화되는 경우에는 급전 효율이 감소한다고 하는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 결합 상태가 변화되는 조건 하에 있어서도, 급전 효율의 감소를 억제하는 비접촉 급전 장치를 제공한다.

본 발명은 교류 전원의 출력측에서 본 1차측만의 임피던스의 특성에 있어서, 교류 전원의 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극대값을 취하는 주파수와, 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극소값을 취하는 주파수와의 사이에 기본파 성분의 주파수를 갖도록 하고, 2차 권선에 접속되는 부하측에서 본 2차측만의 임피던스의 특성에 있어서, 교류 전원의 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극대값을 취하는 주파수와, 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극소값을 취하는 주파수와의 사이에 기본파 성분의 주파수를 갖도록 함으로써 상기 과제를 해결한다.

본 발명에 따르면, 결합 계수가 소정의 범위 내에서 변동되는 경우에, 기본파 성분의 주파수에 대한 입력 임피던스의 절대값의 특성은 소정의 임피던스값의 부근에서 변동되는 특성이 되고, 기본파 성분의 주파수에 대한 입력 임피던스의 위상 특성은 소정의 위상의 부근에서 변동되는 특성이 되므로, 결합 상태가 변화되는 조건 하에 있어서도, 교류 전원측의 출력측에서 본 입력 임피던스의 변화를 억제할 수 있고, 그 결과로서, 급전 효율의 감소를 억제할 수 있다.

도 1은 본 예의 비접촉 급전 장치의 전기 회로도이다.
도 2a는 도 1의 1차 권선 및 2차 권선이 마주 본 상태를 도시하는 평면도 및 사시도이다.
도 2b는 도 1의 1차 권선 및 2차 권선이 마주 본 상태를 도시하는 평면도 및 사시도로, X축 방향으로 어긋난 경우를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2a, 2b에 도시하는 X축 방향(Y축 방향) 및 Z축 방향의 2차 권선(201)에 대한 결합 계수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1의 1차 권선과 2차 권선의 거리에 대한 결합 계수의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 종래의 비접촉 급전 장치에 있어서의 결합 계수에 대한 입력 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5b는 종래의 비접촉 급전 장치에 있어서의 등가 부하 저항에 대한 입력 임피던스의 절대값의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5c는 종래의 비접촉 급전 장치에 있어서의 결합 계수에 대한 역률의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 1의 1차측의 등가 회로를 도시하는 회로도이다.
도 7a는 도 1의 비접촉 급전부의 회로도 중 1차측의 회로의 회로도이다.
도 7b는 도 1의 비접촉 급전부의 회로도 중 2차측의 회로의 회로도이다.
도 8a는 도 7a의 회로에 있어서의 주파수에 대한 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8b는 도 7b의 회로에 있어서의 주파수에 대한 임피던스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9a는 도 1의 비접촉 급전 장치에 있어서의 결합 계수에 대한 입력 임피던스의 절대값의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9b는 도 1의 비접촉 급전 장치에 있어서의 결합 계수에 대한 입력 임피던스의 위상 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10a는 도 1의 비접촉 급전부 및 부하부의 등가 회로를 도시하는 회로도이다.
도 10b는 복소평면에 있어서의 도 1의 비접촉 급전부의 입력 임피던스(Z_in)의 극 및 0점을 나타내는 도면이다.
도 10c는 복소평면에 있어서의 도 1의 비접촉 급전부의 입력 임피던스(Z_in)의 극 및 0점을 나타내는 도면이다.
도 11a는 도 7a의 회로에 있어서의 주파수에 대한 임피던스의 절대값의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11b는 도 7a의 회로에 있어서의 주파수에 대한 임피던스 절대값의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11c는 도 1의 비접촉 급전부에 있어서의 결합 계수에 대한 입력 임피던스의 절대값의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12a는 도 1의 고주파 교류 전원부에 있어서의 출력 전류에 대한 출력 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12b는 도 1의 고주파 교류 전원부에 있어서의 출력 전류에 대한 출력 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13a는 도 1의 비접촉 급전부에 있어서의 결합 계수에 대한 입력 임피던스의 절대값의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13b는 도 1의 비접촉 급전부에 있어서의 등가 부하 저항에 대한 입력 임피던스의 절대값의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13c는 도 1의 비접촉 급전부에 있어서의 결합 계수에 대한 역률의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14의 (a)는 도 1의 비접촉 급전 장치에 있어서의 결합 계수(κ)에 대한 출력 전력(P_out)의 특성을 나타내는 그래프, (b)는 도 1의 비접촉 급전 장치에 있어서, 소정의 전력 조건을 만족시키는 결합 계수(κ)의 범위를 나타내는 그래프이다.
도 15는 도 1의 비접촉 급전부에 있어서의 결합 계수에 대한 효율의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 발명의 다른 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치의 비접촉 급전부의 회로도이다.
도 17은 도 15의 회로 중 1차측의 회로에 있어서의 주파수에 대한 입력 임피던스의 절대값의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 18은 발명의 다른 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치의 비접촉 급전부의 회로도이다.
도 19는 도 17의 회로 중 1차측의 회로에 있어서의 주파수에 대한 입력 임피던스의 절대값의 특성을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.

《제1 실시 형태》

발명의 실시 형태에 관한 비접촉 전원 회로 장치의 일례로서, 전기 자동차 등의 차량용 전지 및 전력 부하와 함께 사용되는 비접촉 급전 장치를 설명한다.

도 1은 비접촉 급전 장치의 전기 회로도를 도시하고 있다. 본 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치는 고주파 교류 전원부(6)와, 고주파 교류 전원 회로(6)로부터 출력된 전력의 비접촉 급전을 행하는 비접촉 급전부(5)와, 비접촉 급전부(5)에 의해 전력이 공급되는 부하부(7)를 구비하고 있다.

고주파 교류 전원부(6)는 3상 교류 전원(64)과, 3상 교류 전원(64)에 접속되어, 3상 교류를 직류로 정류하는 정류기(61)와, 평활 콘덴서(62)를 개재하여 정류기(61)에 접속되어, 정류된 전류를 고주파 전력으로 역변환하는 전압형 인버터(63)를 구비하고 있다. 정류기(61)는 다이오드(61a)와 다이오드(61b), 다이오드(61c)와 다이오드(61d) 및 다이오드(61e)와 다이오드(61f)를 3병렬로 접속하고, 각각의 중간 접속점에 3상 교류 전원(64)의 출력을 접속한다. 전압형 인버터(63)는 MOSFET의 파워 트랜지스터 등에 다이오드를 역병렬로 접속하는 스위칭 소자(63a)와 동일한 스위칭 소자(63b)와의 직렬 회로 및 동일한 스위칭 소자(63c)와 스위칭 소자(63d)의 직렬 회로를 병렬로 접속하고, 평활 콘덴서(62)를 개재하여 정류기(61)에 접속한다. 그리고, 스위칭 소자(63a)와 스위칭 소자(63b)의 중간 접속점 및 스위칭 소자(63c)와 스위칭 소자(63d)의 중간 접속점이, 각각 비접촉 급전부(5)의 1차측인 송전 회로부(3)에 접속된다. 전압형 인버터(63)는 비접촉 급전부(50)에 수k 내지 100㎑ 정도의 교류 전력을 공급한다.

여기서, 고주파 교류 전원부(6)로부터 비접촉 급전부(5)로 출력되는 출력 파형은 주기적으로 변화되는 파형이고, 당해 출력 파형의 주파수를 f₀으로 한다. 또한, 당해 출력 파형에 왜곡이 포함되어 있는 경우(또는 출력 파형이, 예를 들어 구형파인 경우)에는 왜곡을 포함하는 파형의 주기 함수가 갖는 기본 정현파의 주파수가 주파수(f₀)로 된다. 이하, 본 발명에 있어서, 이들 주파수를 총칭하여, 고주파 교류 전원부(6)의 기본파 성분의 주파수(f0)라고 칭한다. 또한, 고주파 교류 전원부(6)는 반드시 도 1에 도시하는 회로일 필요는 없고, 다른 회로여도 된다.

비접촉 급전부(5)는 트랜스의 입력측인 송전 회로부(3)와, 트랜스의 출력측인 수전 회로부(4)를 갖는다. 송전 회로부(3)는 1차 권선(101)과, 1차 권선(101)에 직렬로 접속되는 콘덴서(102)와, 1차 권선(101)에 병렬로 접속되는 콘덴서(103)를 갖고, 수전 회로부(4)는 2차 권선(201)과, 2차 권선(201)과 병렬로 접속되는 콘덴서(202)와, 2차 권선(201)과 직렬로 접속되는 콘덴서(203)를 갖는다.

부하부(7)는 비접촉 급전부(5)로부터 공급되는 교류 전력을 직류로 정류하는 정류부(71)와, 정류부(71)에 접속되는 부하(72)를 갖는다. 정류부(71)는 다이오드(71a)와 다이오드(71b) 및 다이오드(71c)와 다이오드(71d)를 병렬로 접속하고, 각각의 중간 접속점에 수전 회로부(4)의 출력을 접속한다. 그리고, 정류부(71)의 출력을 부하(72)에 접속한다.

다음에, 도 2a, 도 2b, 도 3 및 도 4를 사용하여, 도 1에 도시하는 비접촉 전원 회로 장치를 차량과 주차장에 구비하는 경우, 1차 권선(101)과 2차 권선(201)의 결합 계수(κ)에 대해 설명한다.

본 예는 2차 권선(201)을 포함하는 수전 회로부(4) 및 부하부(7)를, 예를 들어 차량에 구비하고, 1차 권선(101)을 포함하는 송전 회로부(3) 및 고주파 교류 전원(6)을 지상측으로 하여, 예를 들어 주차장에 구비한다. 전기 자동차의 경우, 부하(72)는, 예를 들어 2차 전지에 대응한다. 2차 권선(201)은, 예를 들어 차량의 섀시에 구비된다. 그리고, 당해 2차 권선(201)이 1차 권선(101)의 위로 되도록, 차량의 운전수가 당해 주차장에 주차하여, 전력이 1차 권선(101)으로부터 2차 권선(201)으로 공급되어, 부하(72)에 포함되는 2차 전지가 충전된다.

도 2a 및 도 2b는 1차 권선(101) 및 2차 권선(201)이 마주 본 상태를 도시하는 평면도 a)와, 사시도 b), c)이다. 도 2a 및 도 2b에 있어서, X축 및 Y축은 1차 권선(101) 및 2차 권선(201)의 평면 방향을 나타내고, Z축은 높이 방향을 나타낸다. 또한, 본 설명을 위해, 1차 권선(101) 및 2차 권선(201)은 모두 동일한 원형 형상으로 되어 있지만, 본 예는 반드시 원형으로 할 필요는 없고, 또한 1차 권선(101)과 2차 권선(201)을 동일한 형상으로 할 필요도 없다.

지금, 도 2a에 도시한 바와 같이, 평면 방향인 X축, Y축 방향에 있어서, 2차 권선(201)이 1차 권선(101)에 합치하도록 차량이 주차장에 주차되면 되지만, 운전자의 기량에 따라서, 도 2b에 도시한 바와 같이, 1차 권선(101)과 2차 권선(201)의 상대적인 위치가, 평면 방향에 있어서, 어긋나 버리는 경우가 있다. 또한, 차량의 높이는 차량의 종류나 적하량에 따라서 다르므로, 1차 권선(101)과 2차 권선(201)의 높이 방향 Z의 거리는 차고에 따라서도 다르다.

고주파 교류 전원(6)으로부터 1차 권선(101)으로 공급되는 전력을 일정하게 하는 경우에, 2차 권선(201)에 의해 수전되는 전력의 효율은 2차 권선(201)이 1차 권선(101)에 합치하는 상태(도 3A의 상태에 상당)가 가장 높고, 2차 권선(201)의 중심점이 1차 권선(101)의 중심점으로부터 멀어지면 낮아져 버린다.

도 3은 도 2a, 2b에 도시하는 X축 방향(Y축 방향) 및 Z축 방향의 2차 권선(201)에 대한 결합 계수의 변화를 나타낸다. 도 3에 도시한 바와 같이, 1차 권선(1)의 중앙과 2차 권선(2)의 중앙이 일치하는 경우, 1차 권선(1)과 2차 권선(2) 사이의 누설 자속은 적고, 도 3의 X축의 값이 0에 상당하고, 결합 계수 κ는 커진다. 한편, 도 2a에 대해 도 2b에 도시한 바와 같이 1차 권선(1)과 2차 권선(2)의 위치가 X축 방향으로 어긋나면, 누설 자속이 많아지고, 도 3에 도시한 바와 같이 결합 계수 κ는 작아진다. 또한, 1차 권선(1)과 2차 권선(2)의 Z축(높이) 방향의 어긋남이 커지면, 결합 계수 κ는 작아진다.

도 4는 1차 권선(101)과 2차 권선(201)의 거리(L)에 대한 결합 계수의 특성을 나타내는 그래프이다. 단, 거리(L)는 수학식 1로부터 나타난다.

도 4에 도시한 바와 같이, 거리(L)가 커지면, 누설 자속이 많아지므로, 결합 계수(κ)는 작아진다.

그런데, 종래의 비접촉 급전 장치에 있어서는, 결합 계수를 고정값으로 하여, 비접촉의 급전 부분의 회로 설계를 행하고 있다. 그로 인해, 상기와 같이, 급전 부분의 코일 사이의 상대적인 위치가 어긋나, 결합 계수(κ)가 변화된 경우에는 교류 전원의 출력측에서 본 비접촉의 코일을 포함하는 급전 회로의 입력 임피던스가 크게 변화된다. 여기서, 종래의 비접촉 급전 장치에 있어서의, 결합 계수(κ)에 대한 임피던스 특성의 변화를, 도 5a를 사용하여 설명한다. 도 5a는 종래의 비접촉 급전 장치에 있어서의, 결합 계수(κ)에 대한 입력 임피던스의 절대값의 특성을 나타내는 그래프이다. 또한, 입력 임피던스는 교류 전원의 출력측에서 본 임피던스이고, 교류 전원의 기본파 성분의 주파수에 있어서의 임피던스이다. 그래프 a는 일본 특허 출원 공개 제2010-40669호에 개시된 회로에 있어서, 소정의 결합 계수로 동조하도록 콘덴서를 설계한 회로(이하, 종래 회로 a라고 칭함)의 특성을 나타내고, 그래프 b는 일본 특허 출원 공개 제2007-534289호에 개시된 회로에 있어서, 소정의 결합 계수로 동조하도록 콘덴서를 설계한 회로(이하, 종래 회로 b라고 칭함)의 특성을 나타낸다.

도 5a의 그래프 a에 도시한 바와 같이, 종래 회로 a에서는, 결합 계수가 작은 경우에는 입력 임피던스의 절대값이 높아지고, 결합 계수가 커짐에 따라서, 입력 임피던스의 절대값이 낮아진다. 또한 그래프 b에 나타낸 바와 같이, 종래 회로 b에서는, 결합 계수가 작은 경우에는 입력 임피던스의 절대값이 높아지고, 결합 계수가 커짐에 따라서, 입력 임피던스의 절대값이 작아진다. 즉, 비접촉의 급전 부분인 코일의 결합 계수가 일정한 것을 전제로, 종래 회로 a 및 종래 회로 b는 회로 설계되어 있으므로, 결합 계수가 변화되면, 급전 회로의 입력 임피던스가 크게 변화된다. 또한, 그래프 c는 교류 전원의 임피던스의 절대값을 나타내고 있고, 상세한 것은 후술한다.

도 5b의 그래프 a에 나타낸 바와 같이, 종래 회로 a에서는, 등가 부하 저항이 작은 경우에는 입력 임피던스의 절대값이 높아지고, 등가 부하 저항이 커짐에 따라서, 입력 임피던스의 절대값이 낮아진다. 또한 그래프 b에 나타낸 바와 같이, 종래 회로 b에서는, 등가 부하 저항이 작은 경우에는 임피던스의 절대값이 높아지고, 등가 부하 저항이 커짐에 따라서, 임피던스의 절대값이 작아진다. 즉, 종래 회로 a 및 종래 회로 b에 있어서, 등가 부하 저항이 변화되면, 급전 회로의 입력 임피던스가 크게 변화된다. 또한, 그래프 c는 교류 전원의 임피던스의 절대값을 나타내고 있고, 상세한 것은 후술한다.

다음에, 도 5c를 사용하여, 종래 회로 a 및 종래 회로 b에 있어서, 결합 계수의 변화에 수반하는 역률의 변화에 대해 설명한다. 도 5c는 종래 회로 a 및 b에 있어서의 결합 계수(κ)에 대한 역률의 특성을 나타낸다. 또한, 역률(cosθ)에 대해 교류 전원으로부터 급전 회로로 입력되는 입력 전압과 입력 전류의 위상차(θ)의 코사인값이다. 도 5c의 그래프 a에 나타낸 바와 같이, 종래 회로 a에서는, 결합 계수가 큰 경우에는 역률이 높아지고, 결합 계수가 작아지면 역률이 낮아진다. 한편, 도 5c의 그래프 b에 나타낸 바와 같이, 종래 회로 b에서는 결합 계수의 변화에 대해 역률은 높은 상태에서 추이한다.

다음에, 교류 전원의 임피던스(Zc)와, 비접촉의 코일을 포함하는 급전 회로의 입력 임피던스(Z_in _{_c})의 관계를, 도 6을 사용하여 설명한다. 도 6은 비접촉 급전 장치의 1차측의 등가 회로의 회로도이다. 교류 전원(601)은 비접촉 급전 장치의 1차측에 설치되는 교류 전원이고, 1차측의 코일에 대해 교류 전력을 공급한다. Vc는 교류 전원(601)의 교류 전압을 나타내고, Ic는 교류 전원(601)으로부터 출력되는 교류 전류를 나타낸다. 임피던스(602)는 비접촉의 코일을 포함하는 급전 회로의 입력 임피던스(Z_in _{_c})이다. 교류 전원(601)의 정격값은 미리 정해져 있고, 예를 들어 교류 전원(601)의 최대 전압이 300[V]이고, 최대 전류 30[A]이고, 최대 전력이 9[㎾]라고 가정한다.

그리고, 임피던스(602)의 입력 임피던스(Z_in _{_c})가 1[Ω]인 경우에 대해 설명한다. 교류 전원의 최대 전압인 300[V]가 임피던스(602)에 인가되면, 임피던스(602)인 급전 회로에는 300[A]의 전류가 흐른다. 그러나, 교류 전원(601)의 최대 전류가 30[A]이므로, 당해 급전 회로에 흐르는 전류는 30[A]가 되고, 당해 급전 회로의 전압은 30[V]가 된다. 그로 인해, 임피던스(602)인 급전 회로에 공급되는 전력은 900[W]가 되어, 교류 전원(601)의 최대 전력을 급전 회로에 공급할 수 없다.

또한, 임피던스(602)의 입력 임피던스(Z_in _{_c})가 100[Ω]인 경우에 대해 설명한다. 교류 전원의 최대 전압인 300[V]가 임피던스(602)에 인가되면, 임피던스(602)인 급전 회로에는 3[A]의 전류가 흐른다. 교류 전원(601)의 최대 전류는 30A이지만, 입력 임피던스(Z_in _{_c})가 높기 때문에, 급전 회로에 흐르는 전류는 3[A]가 된다. 그리고, 급전 회로의 전압은 300[V]가 된다. 그로 인해, 임피던스(602)인 급전 회로에 공급되는 전력은 900[W]가 되고, 교류 전원(601)의 최대 전력을 급전 회로에 공급할 수 없다.

또한, 임피던스(602)의 입력 임피던스(Z_in _{_c})가 10[Ω]인 경우에 대해 설명한다. 교류 전원의 최대 전압인 300[V]가 임피던스(602)에 인가되면, 임피던스(602)인 급전 회로에는 30[A]의 전류가 흘러, 교류 전원(601)의 최대 전류가 흐르게 된다. 그로 인해, 임피던스(602)인 급전 회로에 공급되는 전력은 900[W]가 되어, 교류 전원(601)의 최대 전력을 급전 회로에 공급할 수 있다.

즉, 교류 전원(601)의 임피던스에 대해 임피던스(602)의 입력 임피던스(Z_{in_c})가 변화되는 경우에는 교류 전원(601)의 최대 전력을 효율적으로 급전 회로에 공급할 수 없다. 그리고, 도 5a에 도시한 바와 같이, 종래 회로 a 및 b의 입력 임피던스는 교류 전원의 임피던스(그래프 c를 참조)에 대해 크게 변화되므로, 교류 전원(601)의 최대 전력을 효율적으로 급전 회로에 공급할 수 없다.

또한, 후술하는 바와 같이, 급전 회로로부터 부하에 대해 전력을 공급하는 경우에 전력의 손실을 방지하기 위해서는, 역률[cos(θ)]을 높은 값으로 유지해야만 한다. 도 5c에 도시한 바와 같이, 종래 회로 a에서는, 결합 계수가 변화된 경우에 역률이 감소해 버리므로, 종래 회로 a를 급전 회로로 하는 비접촉 급전 장치에 있어서, 부하에 공급되는 전력의 손실이 악화되어 버린다.

따라서, 본 예의 비접촉 급전 장치에 있어서, 고주파 교류 전원 회로(6)의 출력측에서 본 1차측만의 임피던스의 특성 및 2차 권선(201)에 접속되는 부하(7)측에서 본 2차측만의 임피던스의 특성이, 이하에 나타내는 바와 같은 특성이 되도록, 1차 권선(101)과 2차 권선(201)의 인덕턴스의 크기와, 콘덴서(102, 103, 202, 203)의 용량의 크기의 조건을 설정함으로써, 결합 상태가 변화되는 조건 하에서, 고주파 교류 전원 회로(6)의 출력측에서 본 입력 임피던스의 변화를 억제하고, 또한 입력 임피던스의 위상을 0 부근으로 한다.

우선, 본 예의 비접촉 급전 장치에 있어서의, 임피던스(Z₁) 및 임피던스(Z₂)에 대해 설명한다. 임피던스(Z₁)는, 도 7a에 도시한 바와 같이 도 1에 도시하는 회로에 있어서, 결합 계수를 0으로 하고, 고주파 교류 전원(6)측(송전측)에서 본 1차측만의 임피던스이다. 또한 임피던스(Z₂)는, 도 6b에 도시한 바와 같이, 도 1에 도시하는 회로에 있어서, 결합 계수를 0으로 하고, 부하부(7)측(수전측)에서 본 2차측만의 임피던스이다. 도 7a는 임피던스(Z₁)를 설명하기 위한 회로도이며, 비접촉 급전부(5)의 1차측만의 회로를 도시하고, 도 7b는 임피던스(Z₂)를 설명하기 위한 회로도이며, 비접촉 급전부(5)의 2차측만의 회로를 도시한다.

또한, 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이, 콘덴서(102)의 전기 용량을 C_1s로 하고, 콘덴서(103)의 전기 용량을 C_1p로 하고, 1차 권선(101)의 인덕턴스를 L₁로 하고, 콘덴서(202)의 전기 용량을 C_2p로 하고, 콘덴서(203)의 전기 용량을 C_2s로 하고, 2차 권선(201)의 인덕턴스를 L₂로 한다.

본 예의 비접촉 급전 장치에 있어서, 임피던스(Z₁) 및 임피던스(Z₂)의 절대값의 특성은 도 8a 및 도 8b에 나타내는 특성을 각각 갖는다. 도 8a는 주파수에 대한 임피던스(Z₁)의 절대값의 특성 및 위상 특성(ψ)을 나타내는 그래프이고, 도 8b는 주파수에 대한 임피던스(Z₂)의 절대값의 특성 및 위상 특성(ψ)을 나타내는 그래프이다.

즉, 도 8a에 도시한 바와 같이, 임피던스(Z₁)의 절대값의 특성은 극소값(Z_MIN)을 취하는 주파수(f_1A)와, 극대값(Z_MAX)을 취하는 주파수(f_1B) 사이에, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)를 갖는다. 주파수(f_1A)는 임피던스(Z₁)의 공진 주파수 중, 가장 주파수(f₀)에 가까운 주파수이고, 주파수(f_1B)는 임피던스(Z₁)의 공진 주파수 중, 가장 주파수(f₀)에 가까운 주파수이다. 또한, 주파수(f_1B)는 주파수(f_1A)보다 높다. 바꾸어 말하면, 임피던스(Z₁)의 특성은 극소값(Z_MIN)의 주파수(f_1A)와 극대값(Z_MAX)의 주파수(f_1B)에 의해 주파수(f₀)를 사이에 두는 특성이다.

도 8b에 도시한 바와 같이, 임피던스(Z₂)의 절대값의 특성은 극소값(Z_MIN)을 취하는 주파수(f_2A)와, 극대값(Z_MAX)을 취하는 주파수(f_2B) 사이에, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)를 갖는다. 주파수(f_2A)는 임피던스(Z₁)의 공진 주파수 중, 가장 주파수(f₀)에 가까운 주파수이고, 주파수(f_2B)는 임피던스(Z₁)의 공진 주파수 중, 가장 주파수(f₀)에 가까운 주파수이다. 또한 주파수(f_2B)는 주파수(f_2A)보다 높다. 바꾸어 말하면, 임피던스(Z₁)의 특성은 극소값(Z_MIN)의 주파수(f_2A)와 극대값(Z_MAX)의 주파수(f_2B)에 의해 주파수(f₀)를 사이에 두는 특성이다.

다음에, 본 예에 있어서의 콘덴서(102, 103, 202)의 전기 용량, 1차 권선(101) 및 2차 권선(201)의 인덕턴스에 대해 설명한다.

도 7a에 도시하는 회로에 의해, 임피던스(Z₁)의 공진 주파수(f_1A) 및 공진 주파수(f_1B)는 수학식 2 및 수학식 3에 의해 각각 나타난다.

그리고, 도 8a에 도시한 바와 같이, 수학식 2 및 수학식 3에 의해 나타나는 주파수(f_1A) 및 주파수(f_1B)에는 f_1A<f₀<f_1B의 관계가 성립된다. 당해 관계는 L₁과 C_1p에 의해 형성되는 공진계의 공진 주파수(f_1B)를 주파수(f₀)보다 높게 하고, L₁과 (C_1p＋C_1s)에 의해 형성되는 공진계의 공진 주파수(f_1A)를 주파수(f₀)보다 낮게 하는 것에 상당한다.

도 7b에 도시하는 회로에 의해, 임피던스(Z2)의 공진 주파수(f_2A) 및 공진 주파수(f_2B)는 수학식 4 및 수학식 5에 의해 각각 나타난다.

그리고, 도 8b에 도시한 바와 같이, 수학식 4 및 수학식 5에 의해 나타나는 주파수(f_2A) 및 주파수(f_2B)에는 f_2A<f₀<f_2B의 관계가 성립된다. 당해 관계는 L₂와 C_2p에 의해 형성되는 공진계의 공진 주파수(f_2B)를 주파수(f₀)보다 높게 하고, L₂와 (C_2p＋C_2s)에 의해 형성되는 공진계의 공진 주파수(f_2A)를 주파수(f₀)보다 낮게 하는 것에 상당한다.

즉, 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)에 대해, f_1A<f₀<f_1B 및 f_2A<f₀<f_2B를 만족시키도록, 인덕턴스(L₁), 전기 용량(C_1p), 전기 용량(C_1s), 인덕턴스(L₂), 전기 용량(C_2p), 전기 용량(C_2s)을 설정함으로써, 도 8에 나타내는 임피던스(Z₁)의 특성 및 임피던스(Z₂)의 특성을 가질 수 있다.

또한, 본 예에 있어서, 각 공진 주파수(f_1A, f_1B, f_2A, f_2B)와 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)는 이하의 수학식 6으로 나타내는 조건을 만족시킨다.

즉, 주파수(f_1A)로부터 주파수(f_1B)까지의 주파수 대역이 주파수(f_2A)로부터 주파수(f_2B)까지의 주파수 대역 중에 포함된다.

다음에, 도 9a 및 도 9b를 사용하여 본 예의 비접촉 급전 장치의 입력 임피던스(Z_in)의 절대값의 특성 및 위상 특성(ψ)을 설명한다. 도 9a는 주파수에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 절대값의 특성을 나타내고, 도 9b는 주파수에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 위상 특성(ψ)을 나타낸다. κ₁ 내지 κ₄는 결합 계수를 나타내고 있고, κ₁이 가장 작은 결합 계수를, κ₄가 가장 큰 결합 계수를 나타낸다. 입력 임피던스(Z_in)는 고주파 교류 전원 회로(6)의 출력측에서 본 비접촉 급전부(5)의 입력 임피던스를 나타낸다.

도 9a에 도시한 바와 같이, 결합 계수(κ)가 κ₁로부터 κ₄의 범위 내에서 변화되는 경우에, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 절대값은 절대값(|Z_{in_s}|)이 된다. 즉, 1차 권선(101)에 대한 2차 권선(201)의 상대적인 위치가 어긋남으로써, 결합 계수(κ)가 κ₁로부터 κ₄의 범위 내에서 변화되는 경우에, 입력 임피던스의 절대값(|Z_in _{_s}|)은 일정한 값을 취하거나, 또는 입력 임피던스 절대값(|Z_{in_s}|)은 변화가 작은 범위 내에서 변화되므로, 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 변화가 억제된다. 이에 의해, 본 예에 있어서, 임피던스(Z₁) 및 임피던스(Z₂)가, 도 7a 및 도 7b에 나타내는 특성을 가짐으로써, 결합 계수가 변화되는 경우에, 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 절대값의 변화를 억제할 수 있다. 또한, 결합 계수(κ)가 κ₁로부터 κ₄의 범위 내에서 변화되는 경우에, 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 절대값은, 도 9에 도시한 바와 같이 절대값(|Z_{in_s}|)의 일정값으로 될 필요는 없고, 절대값(|Z_in _{_s}|) 부근의 값으로 변화되면 된다.

또한 도 9b에 도시한 바와 같이, 결합 계수(κ)가 κ₁로부터 κ₄의 범위 내에서 변화되는 경우에, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 위상은 0 부근에서 변화된다. 결합 계수의 변화에 대해 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 위상이 0 부근에서 변화되면, 역률은 1에 가까운 상태를 유지할 수 있으므로, 비접촉 급전부(5)에 있어서의 전력 손실을 억제할 수 있어, 효율적으로 부하부(7)에 전력을 공급할 수 있다.

다음에, 도 10a 내지 도 10c를 사용하여, 입력 임피던스(Z_in)의 극 및 0점의 궤적을 설명한다. 도 10a는 비접촉 급전부(5) 및 부하부(7)의 등가 회로를 도시하고, 도 10b는 결합 계수(κ)를 변화시킨 경우에 있어서의, 입력 임피던스(Z_in)의 극 및 0점의 궤적을 도시하고, 도 10c는 등가 부하 저항(R)을 변화시킨 경우에 있어서의, 입력 임피던스(Z_in)의 극 및 0점의 궤적을 도시한다.

부하부(7)를 등가 부하 저항(701)(R)으로 치환하면, 비접촉 급전부(5) 및 부하부(7)의 등가 회로는 도 10a의 회로에 의해 나타난다. 등가 부하 저항(701)(R)에는 부하(72)에 포함되는 배터리(도시하지 않은)의 저항이 포함되어 있고, 당해 배터리의 저항값은 배터리의 충전 상태(SOC:State of Charge)에 따라서 변화된다. 그로 인해, 등가 부하 저항(701)(R)의 저항값은 항상 일정한 값이 아니라, 배터리 등의 상태에 따라서 변화된다. 도 10a에 도시하는 등가 회로에 기초하여, 고주파 교류 전원 회로(6)의 출력측에서 본 입력 임피던스 특성(Z_in)을, 라플라스 연산자(s)를 사용하여 나타내면, 수학식 7에 의해 나타난다.

수학식 7에 나타내는 Z_in을, 회로 특성에 영향이 큰 대표근 근사를 행함으로써, 수학식 8에 의해 나타난다.

단, A는 회로 파라미터로 이루어지는 계수를, λ₁, λ₂는 극을, γ₁, γ₂는 0점을 나타낸다.

그리고, 결합 계수(κ)를 0 부근으로부터 증가시키면, 극 및 0점은 도 10b에 도시한 바와 같은 궤적을 그린다. 단, 도 10b에 도시하는 극 1은 수학식 9의 극 중에서 가장 허수측측에 가까운 값의 극(단, 0을 포함하지 않음)을 나타내고, 극 2는 수학식 9의 극 중에서 두번째로 허수측측에 가까운 값의 극을 나타내고, 0점은 수학식 9의 0점 중에서 가장 허수측측에 가까운 값의 0점을 나타낸다. 또한 점선의 화살표는 결합 계수(κ)를 이산적으로 증가시킨 경우의, 극 1, 극 2 및 0점의 궤적의 방향을 나타내고 있다. 도 10b에 도시한 바와 같이, 극 1 및 0점은 결합 계수(κ)의 증가에 수반하여, 허수측으로부터 멀어지면서 점선을 경계로 한 대칭의 궤적을 그린다. 당해 점선은 구동점을 허수값으로 취하는 직선을 나타내고 있고, 구동점(점의 허수값)은 기본파 성분의 주파수에 대응하는 값(2πf₀)이다. 즉, 극 1 및 0점은 결합 계수(κ)의 증가에 수반하여, 허수측 상에 있어서의 허수값(2πf₀)에 대해 대칭인 궤적을 취한다. 이에 의해, 결합 계수(κ)를 변화시킨 경우에 있어서, 구동점으로부터 각 극 1까지의 거리는 구동점으로부터 상기 각 극 1에 대응하는 0점까지의 거리와 동등해지므로, 결합 계수(κ)의 변화에 수반하는 입력 임피던스 특성(Z_in)의 변화를 억제할 수 있다.

또한 극 2는 결합 계수(κ)의 증가에 수반하여, 극 1 또는 허수측에 가까워지는 궤적을 취한다. 즉, 본 예에 있어서, 결합 계수(κ)의 증가에 수반하여, 허수측으로부터 멀어지는 극 1과 허수측에 가까워지는 극 2가 존재하고, 극 1 및 극 2는 서로 역방향의 궤적을 취한다. 이와 같은 특성에 의해, 결합 계수(κ)의 변화에 수반하는 위상의 변동을 억제할 수 있으므로, 역률을 유지하여 전력의 손실을 방지할 수 있다.

또한, 등가 부하 저항(R)을 0 부근으로부터 증가시키면, 극 및 0점은 도 10c에 도시한 바와 같은 궤적을 그린다. 단, 도 10c에 도시하는 극 1은 수학식 9의 극 중에서 가장 허수측측에 가까운 값의 극(단, 0을 포함하지 않음)을 나타내고, 극 2는 수학식 9의 극 중에서 두번째로 허수측측에 가까운 값의 극을 나타내고, 0점은 수학식 9의 0점 중에서 가장 허수측측에 가까운 값의 0점을 나타낸다. 또한 점선의 화살표는 등가 부하 저항(R)을 이산적으로 증가시킨 경우의 극 1, 극 2 및 0점의 궤적의 방향을 나타내고 있다. 도 10c에 도시한 바와 같이, 극 1 및 0점은 결합 계수(κ)의 증가에 수반하여, 허수측으로부터 멀어지면서, 점선을 경계로 한 대칭의 궤적을 그린다. 당해 점선은 구동점을 허수값으로 취하는 직선을 나타내고 있고, 구동점(점의 허수값)은 기본파 성분의 주파수에 대응하는 값(2πf₀)이다. 즉, 극 1 및 0점은 등가 부하 저항(R)의 증가에 수반하여, 허수측 상에 있어서의 허수값(2πf₀)에 대해 대칭인 궤적을 취한다. 이에 의해, 등가 부하 저항(R)을 변화시킨 경우에 있어서, 구동점으로부터 각 극 1까지의 거리는 구동점으로부터 상기 각 극 1에 대응하는 0점까지의 거리와 동등해지므로, 결합 계수(κ)의 변화에 수반하는 입력 임피던스 특성(Z_in)의 변화를 억제할 수 있다.

또한 극 2는 등가 부하 저항(R)의 증가에 수반하여, 극 1 또는 허수측에 가까워지는 궤적을 취한다. 즉, 본 예에 있어서, 결합 계수(κ)의 증가에 수반하여, 허수측으로부터 멀어지는 극 1과 허수측에 가까워지는 극 2가 존재하고, 극 1 및 극 2는 서로 역방향의 궤적을 취한다. 이와 같은 특성에 의해, 등가 부하 저항(R)의 변화에 수반하는 위상의 변동을 억제할 수 있으므로, 역률을 유지하여 전력의 손실을 방지할 수 있다.

다음에, 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)의 설정 방법에 대해 설명한다. 우선, 임피던스(Z₁)의 절대값의 특성과 절대값(|Z_{in_s}|)과의 관계에 대해, 도 11a 내지 도 11c를 사용하여 설명한다. 도 11a 및 도 11b는 주파수에 대한 임피던스(Z₁)의 특성을 나타낸다. 도 11c는 결합 계수에 대한 입력 임피던스의 절대값(|Z_in _{_s}|)의 특성을 나타낸다.

도 11a에 도시한 바와 같이, 극소값(Z_MIN)의 주파수(f_1A)로부터 극대값(Z_MAX)의 주파수(f_1B)까지의 주파수 대역을 F₁(＝f₂－f₁)로 하고, 도 11b에 도시한 바와 같이, 극소값(Z_MIN)의 주파수(f_2A)로부터 극대값(Z_MAX)의 주파수(f_2B)까지의 주파수 대역을 F₂(＝f₂－f₁)로 하면, 주파수 대역(F₁)은 주파수 대역(F₂)보다 좁게 한다. 또한, 주파수(f_1A) 및 주파수(f_1B)는 수학식 2 및 수학식 3으로 각각 나타낸다. 그리고, 주파수 대역을 F₁로 설정하고, 결합 계수(κ)를 변화시키면, 입력 임피던스의 절대값(|Z_in _{_s}|)은 도 11c의 그래프 x로 나타낸 바와 같은 특성이 된다. 또한, 주파수 대역을 F₂로 설정하고, 결합 계수(κ)를 변화시키면, 입력 임피던스의 절대값(|Z_in _{_s}|)은, 도 11c의 그래프 y로 나타낸 바와 같은 특성이 된다. 즉, Z_in의 극대값의 주파수와 극소값의 주파수 사이의 주파수 대역을 좁게 하면, 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)은 높아지고, 당해 주파수 대역을 넓게 하면, 입력 임피던스의 절대값(|Z_in _{_s}|)은 낮아진다. 그로 인해, 본 예는 Z_in의 극대값의 주파수와 극소값의 주파수 사이의 주파수 대역에 따라서, 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(|Z_in _{_s}|)를 설정할 수 있다.

입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)과, 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스와의 관계에 대해 도 12a 및 도 12b를 사용하여 설명한다. 도 12a 및 도 12b는 고주파 교류 전원부(6)의 출력 전류-출력 전압 특성을 나타내고, 일례로서, 도 12a는 출력 전류에 대해 출력 전압이 일정한 경우의 특성을 나타내고, 도 12b는 출력 전류에 대해 출력 전압이 변화되는 경우의 특성을 나타낸다. 또한, 고주파 교류 전원부(6)의 출력 전류-출력 전압 특성은 고주파 교류 전원부(6)에 포함되는 인버터나 냉각기(도시하지 않은) 등의 특성에 따라서 결정된다. 또한 도 12a 및 도 12b의 점선으로 나타내는 곡선은 정전력선을 나타내고 있고, 당해 정전력선 상에 있어서 동일한 전력값이 된다.

도 12a에 도시한 바와 같이, 출력 전류에 대해 출력 전압이 일정한 경우에는, 고주파 교류 전원부(6)의 공급 가능한 최대 전력은 최대 전압(V_MAX)과 최대 전류(I_MAX)의 곱으로 구해지는 전력이다. 도 6을 사용하여 설명한 바와 같이, 고주파 교류 전원부(6)로부터 최대 전력을 공급시키기 위해서는, 교류 전원(601)의 임피던스에 대해 고주파 교류 전원 회로(6)의 입력 임피던스를 조정할 필요가 있다. 도 12a의 예에서는, 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스(Z_M)는 최대 전압(V_MAX)과 최대 전류(I_MAX)로부터 V_MAX/I_MAX가 된다. 그리고, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(|Z_in _{_s}|)를, 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스(Z_M)와 동등하게 함으로써, 고주파 교류 전원부(6)로부터 최대 전력을 비접촉 급전부(5)에 공급할 수 있다.

도 12b에 도시한 바와 같이, 출력 전류에 대해 출력 전압이 변화되는 경우에는, 고주파 교류 전원부(6)의 공급 가능한 최대 전력은 가장 높은 정전력선과, 전류-전압 특성의 교점에 상당하는 전력이다. 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스(Z_p)는 당해 교점에 상당하는 전압(V_p) 및 전류(I_p)로부터 V_p/I_p로 된다. 그리고, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(|Z_in _{_s}|)를, 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스(Z_p)와 동등하게 함으로써, 고주파 교류 전원부(6)로부터 최대 전력을 비접촉 급전부(5)에 공급할 수 있다.

즉, 본 예에 있어서, 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)이, 고주파 교류 전원부(6)의 최대 전력에 상당하는 임피던스값과 동등해지도록, Z_in의 극대값의 주파수와 극소값의 주파수와의 사이의 주파수 대역을 설정한다. 이에 의해, 고주파 교류 전원부(6)의 공급 가능한 전력을 비접촉 급전부(5)로 효율적으로 공급할 수 있어, 고주파 교류 전원부(6)와 비접촉 급전부(5) 사이의 전력 손실을 억제할 수 있다.

그리고, 상기와 같이 비접촉 급전부(5)의 회로를 설정함으로써, 본 예의 비접촉 급전부(5)의 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)의 특성은 도 13a 및 도 13b에 나타낸 바와 같은 특성을 갖는다. 또한, 본 예의 비접촉 급전부(5)에 있어서의 역률은 도 13c에 나타낸 바와 같은 특성이 된다. 도 13a는 결합 계수(κ)에 대한 입력 임피던스의 절대값(|Z_in _{_s}|)의 특성을 나타내고, 도 13b는 등가 부하 저항(R)에 대한 입력 임피던스의 절대값(|Z_in _{_s}|)의 특성을 나타내고, 도 13c는 결합 계수(κ)에 대한 역률의 특성을 나타낸다. 도 13a 및 도 13b의 그래프 a는 입력 임피던스의 절대값(|Z_in _{_s}|)을 나타내고, 그래프 b는 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스의 절대값을 나타낸다. 또한, 당해 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스는 도 12a의 임피던스(Z_M) 및 도 12b의 임피던스(Z_p)에 상당한다. 또한 도 13a에 있어서, 결합 계수(κ)는 적어도 0.01 내지 0.5를 포함하는, 0.01 내지 0.8까지의 범위 내에서 변화된다.

도 13a에 도시한 바와 같이, 결합 계수(κ)의 변화에 대해, 입력 임피던스(Z_in)의 절대값은 대략 일정하고, 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스와 동일한 값이다. 즉, 결합 계수(κ)가 변화되는 상황에 있어서도, 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 절대값은 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)으로부터 크게 변화되지 않고, 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 절대값은 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스의 절대값과 동등해지므로, 고주파 교류 전원부(6)로부터 비접촉 급전부(5)로 공급되는 전력의 손실을 억제할 수 있다.

또한, 도 13b에 도시한 바와 같이, 등가 부하 저항(R)의 변화에 대해, 입력 임피던스(Z_in)의 절대값은 대략 일정하고, 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스와 동일한 값이다. 즉, 등가 부하 저항(R)이 변화되는 상황에 있어서도, 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 절대값은 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)으로부터 크게 변화되지 않고, 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스(Z_in)의 절대값은 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스의 절대값과 동등해지므로, 고주파 교류 전원부(6)로부터 비접촉 급전부(5)로 공급되는 전력의 손실을 억제할 수 있다.

또한, 도 13c에 도시한 바와 같이, 결합 계수(κ)의 변화에 대해 역률은 1에 가까운 값으로, 대략 일정하게 추이한다. 즉, 결합 계수(κ)가 변화되는 상황에 있어서도, 역률이 크게 변화되지 않고, 역률은 1에 가까운 값이 되므로, 전력의 급전 효율의 저하를 방지할 수 있다.

또한 상기와 같이 비접촉 급전부(5)의 회로를 설정함으로써, 결합 계수가 변화되는 경우에, 비접촉 급전부(5)로부터 부하부(7)로 출력되는 전력(P_out)의 저하를 방지할 수 있다. 여기서, 부하부(7)로 출력되는 출력 전력(P_out)에 대해 이하에 설명한다. 도 1에 도시하는 비접촉 급전 장치에 있어서, 부하부(7)로의 출력 전력(P_out)은, 수학식 9에 나타낸 바와 같이, 고주파 교류 전원부(6)로부터 비접촉 급전부(5)로 공급되는 공급 전력(P_in)과, 비접촉 급전부(5)에 있어서 손실되는 전력(P_Loss)에 의해 나타난다.

비접촉 급전부(5)에 있어서 손실되는 전력(P_Loss)은 공급 전력(P_in)에 비해 충분히 작고, P_in≫P_Loss라고 가정하면, 출력 전력(P_out)은 공급 전력(P_in)과 대략 동등하다고 근사된다. 또한, 고주파 교류 전원부(6)로부터 비접촉 급전부(5)에 입력되는 입력 전압 및 입력 전류를 V_in 및 I_in으로 하면, 공급 전력(P_in)은 고주파 교류 전원부(6)의 출력측에서 본 비접촉 급전부(5)의 입력 임피던스(Z_in)와, 입력 전압(V_in)과 입력 전류(I_in)의 위상차(θ)에 의해 나타난다. 그로 인해, 수학식 9는 수학식 10에 의해 근사된다.

즉, 입력 전압(V_in)을 일정하게 하는 경우에는, 결합 계수의 변화에 대해 출력 전력 계수(cosθ_in/|Z_in|)를 높은 값으로 유지함으로써, 부하부(7)로의 출력 전력(P_out)을 높게 할 수 있다. 본 예에서는, 상기와 같이, 비접촉 급전부(5)에 있어서, 결합 계수의 변화에 대해, 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)을 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스의 절대값과 동등하게 하고, 또한 주파수(f₀)에 있어서의 입력 임피던스의 위상을 0 부근에서 변화시킨다. 이에 의해, 결합 계수가 변화되는 상황 하에 있어서, 입력 임피던스의 절대값(|Z_in _{_s}|)을 일정하게 하면서, 높은 역률을 유지할 수 있으므로, 출력 전력 계수가 높은 값으로 유지된다. 그 결과로서, 본 예는 결합 계수가 변화되어도 전력의 급전 효율의 저하를 방지할 수 있다.

도 14의 (a)를 사용하여, 결합 계수(κ)가 변화에 수반하는, 부하부(7)로 출력되는 전력(P_out)의 특성을 설명한다. 도 14의 (a)는 결합 계수(κ)에 대한 출력 전력(P_out)의 특성을 나타내는 그래프로, 그래프 a는 비접촉 급전부(5)에 종래 회로 a를 사용한 경우의 특성이고, 그래프 b는 비접촉 급전부(5)에 종래 회로 b를 사용한 경우의 특성이고, 그래프 c는 본 예의 특성이다. 도 14a에 도시한 바와 같이, 본 예의 비접촉 급전 장치는 결합 계수(κ)의 변화에 대해, 넓은 결합 계수의 범위에서, 종래 회로 a 및 종래 회로 b의 출력 전력보다 높은 출력 전력을 취할 수 있다.

여기서, 부하부(7)로의 출력 전력(P_out)이 임계값 전력(Pc) 이상인 경우에, 부하(72)에 포함되는 배터리에 대해 충분한 충전 전력을 공급할 수 있는 것으로 하여, 전력 조건을 설정한다. 도 14b는 당해 전력 조건을 만족시키는 결합 계수(κ)의 범위를 설명하기 위한 개략도이다. 도 14b에 있어서, 그래프 a는 종래 회로 a에 있어서 전력 조건을 만족시키는 범위를 나타내고, 그래프 b는 종래 회로 b에 있어서 전력 조건을 만족시키는 범위를 나타내고, 그래프 c는 본 예에 있어서 전력 조건을 만족시키는 범위를 나타낸다. 또한, 임계값 전력(Pc) 미만의 전력을 부하(72)에 공급시키는 경우라도, 배터리를 충전할 수 있지만, 충전 시간이 길어질 가능성이 있으므로, 본 예의 전력 조건에서는, 임계값 전력(Pc) 미만의 전력은 조건을 만족시키지 않는 전력으로 한다.

도 14b에 도시한 바와 같이, 본 예에서는 전력 조건을 만족시키는 결합 계수(κ)의 범위가, 종래 회로 a 및 종래 회로 b보다 넓어진다. 종래 회로 a 및 종래 회로 b에서는 결합 계수의 변화에 대해, 주파수(f₀)의 임피던스는 크게 변화된다. 그리고, 주파수(f₀)의 임피던스의 값과 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스의 값의 어긋남이 커지면, 고주파 교류 전원부(6)의 최대 전압(정격 전압) 또는 최대 전류(정격 전류)에 의해 제한된다. 그로 인해, 종래 회로 a 및 종래 회로 b에서는, 전력 조건을 만족시키는 결합 계수(κ)의 범위가 좁아진다. 한편, 본 예에서는 결합 계수의 변화에 대해 주파수(f₀)의 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)의 변화를 억제하여, 주파수(f₀)의 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)을 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스의 절대값과 동등하게 한다. 그로 인해, 본 예는 종래 회로 a 및 종래 회로 b로부터 출력 전력(P_out)을 크게 할 수 있어, 전력 조건을 만족시키는 결합 계수(κ)의 범위를 넓게 할 수 있다.

다음에, 전력의 효율(η)에 대해 도 15를 사용하여 설명한다. 도 15는 결합 계수에 대한 효율(η)의 특성을 나타내는 그래프로, 그래프 a는 종래 회로 a의 효율을, 그래프 b는 종래 회로 b의 효율을, 그래프 c는 본 발명의 효율을 나타낸다. 또한, 효율(η)은 출력 전력(P_out)/공급 전력(P_in)×100(％)로 산출된다. 도 15에 도시한 바와 같이, 결합 계수(κ)의 변화에 대해, 본 예의 효율(η)은 80％ 부근을 유지하고 있다. 한편, 결합 계수(κ)가 작은 영역에서는, 종래 회로 a 및 종래 회로 b의 효율(η)은 80％보다 낮게 되어 있다. 종래 회로 a에서는, 도 5c에 도시한 바와 같이, 결합 계수가 낮은 영역에서 역률이 악화되므로, 효율이 낮아진다. 또한 종래 회로 b에서는, 도 5a에 도시한 바와 같이, 결합 계수가 낮은 영역에서, 입력 임피던스값이 작아지고, 전류가 커지지만, 교류 전원측의 정격 전류에 의해 전류 제한이 가해지므로, 전류의 제한값 이상으로는 전류가 올라가지 않고, 입력 전압도 낮아지므로, 효율이 낮아진다. 한편, 본 예에서는, 결합 계수의 변화에 대해, 입력 임피던스의 절대값이 고주파 교류 전원부의 임피던스의 값으로 유지되고, 역률도 유지되므로, 본 예는 높은 효율을 유지할 수 있다.

상기와 같이, 본 예에 있어서, 임피던스(Z₁)의 주파수에 대한 임피던스의 절대값의 특성은 고주파 교류 전원부(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)에 가장 가깝고, 극대값(Z_MAX)을 취하는 주파수(f_1B)와, 고주파 교류 전원부(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)에 가장 가깝고, 극소값(Z_MIN)을 취하는 주파수(f_1A)와의 사이에, 주파수(f₀)를 갖고, 임피던스(Z₂)의 주파수에 대한 임피던스의 절대값의 특성은, 고주파 교류 전원부(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)에 가장 가깝고, 극대값(Z_MAX)을 취하는 주파수(f_2B)와, 고주파 교류 전원부(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)에 가장 가깝고, 극소값(Z_MIN)을 취하는 주파수(f_2A)와의 사이에 주파수(f₀)를 갖는다. 이에 의해, 결합 계수가 변화되는 경우에, 고주파 교류 전원부(6)측에서 본 입력 임피던스(Z_in)의 변화를 억제할 수 있으므로, 고주파 교류 전원부(6)로부터 비접촉 급전부(5)로 공급시키는 전력의 손실을 방지할 수 있다. 또한, 본 예는 1차 권선(101)과 2차 권선(201)의 상대적인 위치 어긋남이 발생하여, 결합 계수가 변화되어도, 비접촉 급전부(5)로의 공급 전력의 손실을 방지할 수 있다. 또한, 결합 계수가 변화되는 경우에, 고주파 교류 전원부(6)측에서 본 입력 임피던스(Z_in)의 위상을 0 부근에서 변화시킬 수 있으므로, 높은 역률을 유지할 수 있어, 비접촉 급전부(5)에 있어서의 전력 손실(전원 손실, 권선 손실)을 억제할 수 있다. 그 결과로서, 1차 권선(101)과 2차 권선(201) 사이의 거리에 상당하는 송전 거리를 연장시킬 수 있다.

또한 본 발명은 f_1A<f₀<f_1B 및 f_2A<f₀<f_2B를 만족시키도록, 전기 용량(C_1s), 전기 용량(C_1p), 인덕턴스(L₁), 인덕턴스(L₂), 전기 용량(C_2p) 및 전기 용량(C_2s)을 설정한다. 이에 의해, 결합 계수가 변화되는 경우에, 고주파 교류 전원부(6)측에서 본 입력 임피던스(Z_in)의 변화를 억제할 수 있으므로, 고주파 교류 전원부(6)로부터 비접촉 급전부(5)로 공급시키는 전력의 손실을 방지할 수 있다. 또한, 본 예는 1차 권선(101)과 2차 권선(201)의 상대적인 위치 어긋남이 발생하여, 결합 계수가 변화되어도, 높은 역률을 유지할 수 있으므로, 비접촉 급전부(5)로의 공급 전력의 손실을 방지할 수 있어, 1차 권선(101)과 2차 권선(201) 사이의 거리에 상당하는 송전 거리를 연장시킬 수 있다.

또한 본 발명은 f_1A≤f_2A<f₀<f_2B≤f_1B를 만족시키도록, 전기 용량(C_1s), 전기 용량(C_1p), 인덕턴스(L₁), 인덕턴스(L₂), 전기 용량(C_2p) 및 전기 용량(C_2s)을 설정한다. 이에 의해, 결합 계수가 변화되는 경우에, 고주파 교류 전원부(6)측에서 본 입력 임피던스(Z_in)의 변화를 억제할 수 있으므로, 고주파 교류 전원부(6)로부터 비접촉 급전부(5)로 공급시키는 전력의 손실을 방지할 수 있다. 또한, 본 예는 1차 권선(101)과 2차 권선(201)의 상대적인 위치 어긋남이 발생하여, 결합 계수가 변화되어도, 높은 역률을 유지할 수 있으므로, 비접촉 급전부(5)로의 공급 전력의 손실을 방지할 수 있어, 1차 권선(101)과 2차 권선(201) 사이의 거리에 상당하는 송전 거리를 연장시킬 수 있다.

또한 본 예는, 고주파 교류 전원부(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스의 절대값(|Z_in _{_s}|)은 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스의 값에 따라서 설정된다. 이에 의해, 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)을 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스의 값과 동등하게 할 수 있으므로, 결합 계수가 변화되어도, 고주파 교류 전원부(6)의 출력 가능한 최대 전력을 비접촉 급전부(5)에 공급할 수 있다.

또한 본 예는 1차 권선(101)과 2차 권선(201)의 결합 계수가 0.01 이상으로부터 0.5 이하의 범위 내에서 변화되는 경우에, 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)은 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스의 값의 부근에서 변화된다. 이에 의해, 본 예는 결합 계수가 변화되어도, 고주파 교류 전원부(6)의 출력 가능한 최대 전력을 비접촉 급전부(5)에 공급할 수 있다.

또한 본 예에 있어서, 고주파 교류 전원부(6)측에서 본 비접촉 급전부(5)의 입력 임피던스(Z_in)의 특성을 복소평면으로 나타내는 경우에, 결합 계수의 증가에 수반하여, 허수측에 가장 가까운 극 1 및 0점은 허수측 상에 있어서의, 주파수(f₀)에 대응하는 값(2πf₀)에 대해 대칭인 궤적을 취하고, 허수측에 두번째로 가까운 극 2는 극 1에 가까워진다. 이에 의해, 결합 계수(κ)를 변화시킨 경우에 있어서, 허수측 상의 허수값(2πf₀)을 나타내는 점으로부터 극까지의 거리는 허수측 상의 허수값(2πf₀)을 나타내는 점으로부터 0점까지의 거리와 동등해지므로, 결합 계수(κ)의 변화에 수반하는 입력 임피던스 특성(Z_in)의 변화를 억제할 수 있다. 또한, 극 1 및 극 2가 서로 역방향의 궤적을 취하므로, 위상의 변동을 억제할 수 있어, 역률을 유지할 수 있다. 그 결과로서 본 예는 전력의 손실을 방지할 수 있다.

또한 본 예에 있어서, 수학식 2 및 수학식 3에 의해 각각 나타내는 주파수(f_1A) 및 주파수(f_1B)의 주파수의 차를, 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스에 따라서 설정한다. 즉, 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)이 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스와 동등해지도록, 주파수(f_1A)와 주파수(f_1B)의 주파수의 차를 설정하므로, 결합 계수가 변화되어도, 고주파 교류 전원부(6)의 출력 가능한 최대 전력을 비접촉 급전부(5)에 공급할 수 있다.

또한, 결합 계수(κ)의 변화에 대해, 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)은 반드시 고정값과 동등하게 할 필요는 없고, 당해 고정값을 포함하는 소정의 범위 내에서 변화되면 된다. 즉, 도 9a에 도시한 바와 같이, 결합 계수(κ)의 변화에 대해 임피던스의 절대값의 특성을 나타낸 경우에, 주파수(f₀) 이외의 다른 주파수대와 비교하여, 주파수(f₀)에 있어서의 임피던스의 절대값의 변화가 억제되어 있으면 된다.

또한 주파수(f₀)에 대한 입력 임피던스의 절대값(|Z_{in_s}|)은 변화시키는 결합 계수의 범위 내의 전체에 있어서, 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스의 값과 동등하게 할 필요는 없고, 도 13a에 도시한 바와 같이, 입력 임피던스의 절대값(Z_{in_s})이, 변화시키는 결합 계수의 범위 내에 있어서, 고주파 교류 전원부(6)의 임피던스의 값의 부근으로 되는 특성을 나타내면 된다.

또한, 본 예에 있어서, 수학식 6에서 나타내는 조건을 반드시 만족시킬 필요는 없고, 적어도 주파수(f_1A)로부터 주파수(f_1B)까지의 주파수 대역과, 주파수(f_2A)로부터 주파수(f_2B)까지의 주파수 대역이 적어도 일부의 대역에서 중복되어 있으면 된다.

또한, 본 예의 콘덴서(102)가 본 발명의 「제1 콘덴서」에 상당하고, 콘덴서(103)가 본 발명의 「제2 콘덴서」에, 콘덴서(202)가 본 발명의 「제3 콘덴서」에, 콘덴서(203)가 본 발명의 「제4 콘덴서」에, 비접촉 급전부(4)가 「급전 회로」에, 고주파 교류 전원부(6)가 「교류 전원」에, 극 1이 「제1 극」에, 극 2가 「제2 극」에 상당한다.

《제2 실시 형태》

도 16은 발명의 다른 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치의 급전 회로부(5)의 회로도이다. 본 예에서는 상술한 제1 실시 형태에 대해, 급전 회로부(5)의 송전 회로 상에 있어서, 콘덴서(102)를 접속하는 위치가 다르다. 이 이외의 구성은 상술한 제1 실시 형태와 동일하므로, 그 기재를 원용한다.

도 16에 도시한 바와 같이, 급전 회로부(5)는 송전 회로로서, 1차 권선(101)과, 1차 권선(101)에 직렬로 접속되는 콘덴서(102)와, 1차 권선(101)에 병렬로 접속되는 콘덴서(103)를 갖고, 콘덴서(102)는 콘덴서(103)와 1차 권선(101) 사이에 접속된다. 또한 급전 회로부(5)는 수전 회로로서, 2차 권선(201)과, 2차 권선(201)에 병렬로 접속되는 콘덴서(202)와, 2차 권선(201)에 직렬로 접속되는 콘덴서(203)를 갖는다.

다음에, 도 16에 도시하는 회로에 있어서, 결합 계수를 0으로 하고, 고주파 교류 전원(6)측(송전측)에서 본 1차측만의 임피던스(Z₁)를, 도 17을 사용하여 설명한다. 도 17은 주파수에 대한 임피던스(Z₁)의 절대값의 특성 및 위상 특성(ψ)을 나타낸다.

제1 실시 형태에 관한 임피던스(Z₁)의 특성은, 도 8a에 도시한 바와 같이 낮은 주파수(f_1A)에 대해 극소값(Z_MIN)을 취하고, 높은 주파수(f_1B)에 대해 극대값(Z_MAX)을 취한다. 한편, 본 예의 임피던스(Z₁)의 특성은, 도 17에 도시한 바와 같이 낮은 주파수(f_1A)에 대해 극대값(Z_MAX)을 취하고, 높은 주파수(f_1B)에 대해 극소값(Z_MIN)을 취한다.

그리고, 임피던스(Z₁)의 절대값의 특성은 극대값(Z_MAX)을 취하는 주파수(f_1A)와, 극소값(Z_MIN)을 취하는 주파수(f_1B) 사이에, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)를 갖는다.

상기와 같이, 본 예의 비접촉 급전부(5)의 송전측은 제1 실시 형태에 도시한 바와 같이, 콘덴서(102)와 1차 권선(101)의 접속점에 콘덴서(103)의 일단부를 접속해도 되고, 제2 실시 형태에 도시한 바와 같이, 콘덴서(103)와 1차 권선(101) 사이에 콘덴서(102)를 접속해도 된다. 이에 의해 본 예는, 결합 계수가 변화되는 경우에, 고주파 교류 전원부(6)측에서 본 입력 임피던스(Z_in)의 변화를 억제할 수 있으므로, 고주파 교류 전원부(6)로부터 비접촉 급전부(5)로 공급시키는 전력의 손실을 방지할 수 있다. 또한, 본 예는 1차 권선(101)과 2차 권선(201)의 상대적인 위치 어긋남이 발생하여, 결합 계수가 변화되어도, 높은 역률이 유지되므로, 비접촉 급전부(5)로의 공급 전력의 손실을 방지할 수 있어, 1차 권선(101)과 2차 권선(201) 사이의 거리에 상당하는 송전 거리를 연장시킬 수 있다.

《제3 실시 형태》

도 17은 발명의 다른 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치의 급전 회로부(5)의 회로도이다. 본 예에서는 상술한 제1 실시 형태에 대해, 급전 회로부(5)의 송전 회로에 있어서, 코일(104)을 갖는 점이 다르다. 이 이외의 구성은 상술한 제1 실시 형태와 동일하므로, 그 기재를 원용한다.

도 17에 도시한 바와 같이, 급전 회로부(5)는 송전 회로로서, 1차 권선(101)과, 1차 권선(101)에 직렬로 접속되는 콘덴서(102)와, 1차 권선(101)에 병렬로 접속되는 콘덴서(103)와, 코일(104)을 갖고, 1차 권선(101)과 콘덴서(103)의 접속점이 콘덴서(102)의 일단부에 접속되고, 코일(104)이 콘덴서(102)의 타단부에 접속된다. 코일(104)은 고주파 교류 전원부(6)의 출력의 고조파를 억제하기 위한 초크 코일로서 삽입되거나, 혹은 단락 방지 등을 위해 삽입된다.

다음에, 도 17에 도시하는 회로에 있어서, 결합 계수를 0으로 하고, 고주파 교류 전원(6)측(송전측)에서 본 1차측만의 임피던스(Z₁)를, 도 18을 사용하여 설명한다. 도 18은 주파수에 대한 임피던스(Z₁)의 절대값의 특성을 나타낸다. 본 예는 비접촉 급전부(5)에 코일(104)을 접속하기 때문에, L₁과 C_1s＋C_1p＋L_1s로 이루어지는 공진계가 형성되므로, 제1 실시 형태의 비접촉 급전부(5)에 대해, 공진 주파수(f₃)가 1개 증가한다. 도 18에 도시한 바와 같이, 임피던스(Z₁)의 절대값의 특성은 극소값(Z_{MIN_1})을 취하는 주파수(f_1A)와, 극대값(Z_MAX)을 취하는 주파수(f_1B) 사이에, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)를 갖는다. 주파수(f_1A)는 임피던스(Z₁)의 공진 주파수 중, 가장 주파수(f₀)에 가까운 극소값에 대한 주파수이고, 주파수(f_1B)는 임피던스(Z₁)의 공진 주파수 중, 가장 주파수(f₀)에 가까운 극대값에 대한 주파수이다. 또한, 임피던스(Z₁)의 절대값의 특성은 주파수(f_1A)로부터 주파수(f_1B)까지의 주파수 대역 이외의 대역에, 극소값(Z_{MIN_2})의 공진 주파수(f₃)를 갖는다. 바꾸어 말하면, 임피던스(Z₁)의 절대값의 특성은 주파수(f_1A)로부터 주파수(f_1B)까지의 주파수 대역에, 주파수(f₀)를 갖고, 극소값(Z_{MIN_2})을 취하는 공진 주파수(f₃)를 갖지 않는다.

상기와 같이, 본 예의 비접촉 급전부(5)의 송전측에는 코일(104)이 콘덴서(102)에 접속되어도 되고, 적어도 임피던스(Z₁)의 절대값의 특성이, 극소값(Z_{MIN_1})을 취하는 주파수(f_1A)와, 극대값(Z_MAX)을 취하는 주파수(f_1B) 사이에, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)를 가지면 된다. 이에 의해 본 예는, 결합 계수가 변화되는 경우에, 고주파 교류 전원부(6)측에서 본 입력 임피던스(Z_in)의 변화를 억제할 수 있으므로, 고주파 교류 전원부(6)로부터 비접촉 급전부(5)로 공급시키는 전력의 손실을 방지할 수 있다. 또한, 본 예는 1차 권선(101)과 2차 권선(201)의 상대적인 위치 어긋남이 발생하여, 결합 계수가 변화되어도, 높은 역률이 유지되므로, 비접촉 급전부(5)로의 공급 전력의 손실을 방지할 수 있어, 1차 권선(101)과 2차 권선(201) 사이의 거리에 상당하는 송전 거리를 연장시킬 수 있다.

또한, 본 예에 있어서, 비접촉 급전부(5)의 송전측에는 코일(104) 이외의 회로 소자를 접속해도 되고, 또한 복수의 회로 소자를 접속해도 되고, 적어도 임피던스(Z₁)의 절대값의 특성이, 극소값(Z_{MIN_1})을 취하는 주파수(f_1A)와, 극대값(Z_MAX)을 취하는 주파수(f_1B) 사이에, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)를 가지면 된다.

또한, 본 예에 있어서, 비접촉 급전부(5)의 송전측에는 도 16에 도시하는 회로에 대해 다른 회로 소자를 접속해도 되고, 적어도 임피던스(Z1)의 절대값의 특성이, 극소값(Z_{MIN_1})을 취하는 주파수(f_1A)와, 극대값(Z_MAX)을 취하는 주파수(f_1B) 사이에, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)를 가지면 된다.

또한, 본 예에 있어서, 비접촉 급전부(5)의 수전측에, 다른 회로 소자를 접속해도 되고, 적어도 임피던스(Z₂)의 절대값의 특성이 극소값(Z_MIN)을 취하는 주파수(f_2A)와, 극대값(Z_MAX)을 취하는 주파수(f_2B) 사이에, 고주파 교류 전원 회로(6)의 기본파 성분의 주파수(f₀)를 가지면 된다.

11 : 정극
6 : 고주파 교류 전원부
61 : 정류기
61a 내지 61f : 다이오드
62 : 평활 콘덴서
63 : 전압형 인버터
63a 내지 63d : 트랜지스터
64 : 3상 교류 전원
7 : 부하부
71 : 정류기
71a 내지 71d : 다이오드
72 : 부하
5 : 비접촉 급전부
3 : 송전 회로부
101 : 1차 권선
102, 103 : 콘덴서
104 : 코일
4 : 수전 회로부
201 : 2차 권선
202, 203 : 콘덴서
701 : 등가 부하 저항

Claims

교류 전원에 의해 1차 권선으로부터 전력이 공급되는 2차 권선을 구비하고,
Z1의 주파수에 대한 임피던스의 절대값 특성은 상기 교류 전원의 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극대값을 취하는 주파수와, 상기 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극소값을 취하는 주파수와의 사이에 상기 기본파 성분의 주파수를 갖고,
Z2의 주파수에 대한 임피던스의 절대값 특성은 상기 교류 전원의 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극대값을 취하는 주파수와, 상기 기본파 성분의 주파수에 가장 가깝고, 극소값을 취하는 주파수와의 사이에 상기 기본파 성분의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
단, Z1은 상기 교류 전원의 출력측에서 본 1차측만의 임피던스를 나타내고,
Z2는 상기 2차 권선에 접속되는 부하측에서 본 2차측만의 임피던스를 나타낸다.
제1항에 있어서, 제1 콘덴서를 상기 1차 권선에 직렬로 접속하고, 제2 콘덴서를 상기 1차 권선에 병렬로 접속하고, 제3 콘덴서를 상기 2차 권선에 직렬로 접속하고, 제4 콘덴서를 상기 2차 권선에 병렬로 접속하고,
f_1A<f₀<f_1B 및 f_2A<f₀<f_2B를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
단,

C_1s는 상기 제1 콘덴서의 전기 용량을 나타내고,
C_1p는 상기 제2 콘덴서의 전기 용량을 나타내고,
L₁은 상기 1차 권선의 인덕턴스를 나타내고,
C_2s는 상기 제3 콘덴서의 전기 용량을 나타내고,
C_2p는 상기 제4 콘덴서의 전기 용량을 나타내고,
f₀은 상기 교류 전원의 기본파 성분의 주파수를 나타내고,
L₂는 상기 2차 권선의 인덕턴스를 나타낸다.
제2항에 있어서, f_1A≤f_2A<f₀<f_2B≤f_1B를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기본파 성분의 주파수에 대한 Z_in의 절대값은 상기 교류 전원의 임피던스의 값에 따라서 설정되는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
단, Z_in은 상기 교류 전원의 출력측에서 본 상기 1차 권선 및 상기 2차 권선을 포함하는 급전 회로의 입력 임피던스를 나타낸다.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 권선과 상기 2차 권선의 결합 계수가 0.01 이상으로부터 0.5 이하의 범위 내에서 변동되는 경우에, 상기 기본파 성분의 주파수에 대한 Z_in의 절대값은 상기 교류 전원의 임피던스의 값의 부근을 변동하는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
단,
Z_in은 상기 교류 전원의 출력측에서 본, 상기 1차 권선 및 상기 2차 권선을 포함하는 급전 회로의 입력 임피던스를 나타낸다.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 콘덴서를 상기 1차 권선에 직렬로 접속하고, 제2 콘덴서를 상기 1차 권선에 병렬로 접속하고, 제3 콘덴서를 상기 2차 권선에 직렬로 접속하고, 제4 콘덴서를 상기 2차 권선에 병렬로 접속하고,
상기 교류 전원의 출력측에서 본, 상기 1차 권선 및 상기 2차 권선을 포함하는 급전 회로의 입력 임피던스의 특성을 복소평면으로 나타내는 경우에,
허수측에 가장 가까운 제1 극 및 0점은 상기 1차 권선과 상기 2차 권선 사이의 결합 계수의 증가에 수반하여, 허수측 상에 있어서의, 상기 기본파 주파수 성분의 주파수에 대응하는 값에 대해 대칭인 궤적을 취하고,
허수측에 두번째로 가까운 제2 극은 상기 결합 계수의 증가에 수반하여, 상기 제1 극에 가까워지는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 콘덴서를 상기 1차 권선에 직렬로 접속하고, 제2 콘덴서를 상기 1차 권선에 병렬로 접속하고, 제3 콘덴서를 상기 2차 권선에 직렬로 접속하고, 제4 콘덴서를 상기 2차 권선에 병렬로 접속하고,
교류 전원의 출력측에서 본, 상기 1차 권선 및 상기 2차 권선을 포함하는 급전 회로의 입력 임피던스에 있어서의, f_1A와 f_1B의 주파수의 차는 상기 교류 전원의 임피던스에 따라서 설정되는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
단,

C_1s는 상기 제1 콘덴서의 전기 용량을 나타내고,
C_1p는 상기 제2 콘덴서의 전기 용량을 나타내고,
L₁은 상기 1차 권선의 인덕턴스를 나타낸다.