KR20160145127A - 비접촉 급전 장치 - Google Patents

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Abstract

비접촉 급전 장치이며, 교류 전원으로부터 전력의 공급을 받는 송전 코일(5)과, 송전 코일(5)로부터 비접촉으로 송전되는 전력을 수전하는 수전 코일(6)과, 코일(61∼63)과의 접속을 전환하는 전환 수단과, 수전 코일(6)에 의해 수전한 전력을, 전환 수단을 통해 부하(11)에 출력하는 출력 수단과, 전환 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고, 수전 코일(6)은 서로의 코일축을 공유로 한 복수의 코일(61∼63)을 갖고, 전환 수단은, 복수의 코일(61∼63)에 접속되고, 또한, 복수의 코일(61∼63)을 쇄교하는 각 자속에 따라서 복수의 코일(61∼63)의 극성을 전환한다.

Description

비접촉 급전 장치{WIRELESS POWER SUPPLY DEVICE}
본 발명은 비접촉 급전 장치에 관한 것이다.
1차측 코일이 권회된 평판 형상의 1차측 코어와, 2차측 코일이 권회된 평판 형상의 2차측 코어를 갖고, 1차측 코어 및 2차측 코어의 판면이 공간을 이격하여 대향하는 상태에서 1차측 코일로부터 2차측 코일로의 비접촉 급전을 행하는 비접촉 급전 장치가 개시되어 있다(특허문헌 1).
일본 특허 공개 제2011-50127호 공보
그러나, 비접촉 급전 장치에 있어서, 상기의 2차측 코일을 2차측에 사용하여, 2차측 코어의 판면과 대향하는 면을 따라서 코일선을 권회시킨 루프 상의 코일을, 1차측에 사용한 경우에는, 1차측 코일과 2차측 코일이 서로 정면으로 대향할 때에, 2차측 코일의 양단부에 있어서, 2차측 코일에 쇄교하는 자속의 방향이 2차측 코일의 중심점을 경계로 반대로 되어, 당해 양단부에서 수전되는 전압이 서로 상쇄되어 버린다. 그 때문에, 2차측 코일에서 수전되는 수전 전압이 제로로 되어, 2차측 코일은 전력을 수취할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수전 코일의 수전 전압을 향상시킨 비접촉 급전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 서로의 코일축을 공유로 한 복수의 코일을 갖는 수전 코일과, 당해 복수의 코일에 접속되어, 코일과의 접속을 전환하는 전환 수단을 구비하고, 당해 전환 수단에 의해, 복수의 코일을 쇄교하는 각 자속에 따라서 복수의 코일의 극성을 전환함으로써 상기 과제를 해결한다.
본 발명은 수전 코일에 포함되는 코일의 극성이 전환됨으로써, 수전 코일을 쇄교하는 자속에 대하여 수전 코일의 수전 전압이 가산되기 때문에, 수전 전압을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 송전 코일을 설명하기 위한 도면이며, (a)는 송전 코일의 사시도를, (b)는 송전 코일의 평면도이다.
도 3은 도 1의 수전 코일을 설명하기 위한 도면이며, (a)는 수전 코일의 구성을 개념적으로 도시한 도면이고, (b)는 수전 코일의 평면도이다.
도 4는 비교예에 관한 비접촉 급전 장치에 있어서, 코일간의 자속 분포(φ)와, 수전 전압을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 비교예에 관한 비접촉 급전 장치에 있어서, 송전 코일의 위치에 대한 수전 코일의 위치 어긋남과, 수전 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 비접촉 급전 장치에 있어서, 코일간의 자속 분포(φ)와, 수전 전압을 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 도 1의 비접촉 급전 장치에 있어서, 수전 코일의 위치 어긋남과, 수전 전압과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 7에 도시한, 위치 어긋남에 대한 수전 전압의 특성 중, 위치 어긋남이 0부터 x/2까지의 범위 내의 특성을 도시한 도면이다.
도 9는 도 1의 수전측의 복수의 코일의 극성과, 코일간의 접속을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 도 1의 전환 회로의 회로도이며, (a)는 코일의 단자의 접속을 순방향으로 한 상태의 회로도를 도시하고, (b)는 코일의 단자의 접속을 역방향으로 한 상태의 회로도를 도시하고, (c)는 코일의 단자의 접속을 개방한 상태의 회로도를 도시한다.
도 11은 도 1의 컨트롤러의 제어 수순을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 수전 코일의 위치 어긋남에 대한 수전 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치에 있어서, 수전 코일의 위치 어긋남과, 복수의 코일의 각 수전 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치에 있어서, 수전측의 복수의 코일의 극성과, 코일간의 접속을 설명하기 위한 개념도이다.
도 15는 비교예에 관한 비접촉 급전 장치에 있어서, 코일간의 자속 분포(φ)와, 수전 전압을 설명하기 위한 개념도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치에 있어서, 코일간의 자속 분포(φ)와, 수전 전압을 설명하기 위한 개념도이다.
도 17은 수전 코일의 위치 어긋남에 대한 수전 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 18은 수전 코일의 위치 어긋남에 대한 수전 전압의 특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
《제1 실시 형태》
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치의 블록도이다. 본 예의 비접촉 급전 장치는, 예를 들어 전기 자동차 등의 차량의 배터리를 충전할 때에, 지상측으로부터 차량의 배터리를 향하여 비접촉 전력을 공급하기 위한 장치이다. 본 발명에 관한 비접촉 급전 장치는, 차량의 배터리 충전 시스템에 한하지 않고, 다른 시스템에도 적용 가능하다.
비접촉 급전 장치는, 교류 전원(1)과, 정류 회로(2)와, 인버터(3)와, 공진 회로(4)와, 송전 코일(5)과, 수전 코일(6)과, 전압 센서(7)와, 전환 회로(8)와, 공진 회로(9)와, 정류 회로(10)와, 부하(11)와, 컨트롤러(12)를 구비하고 있다. 또한, 도 1에서는, 교류 전원(1) 및 부하(11)는 편의상, 비접촉 급전 장치의 구성의 일부로서 기재되어 있다.
교류 전원(1)은 상용 주파수(예를 들어 50㎐ 또는 60㎐)의 교류 전력을 출력하기 위한 전원이다. 정류 회로(2)는 교류 전원(1)으로부터 출력되는 교류 전력을 직류로 정류하는 회로이다. 정류 회로(2)는 교류 전원(1)과 인버터(3) 사이에 접속되어 있다.
인버터(3)는 IGBT 등의 복수의 스위칭 소자를 브릿지 형상으로 접속한 변환 회로를 갖고 있다. 인버터(3)는 정류 회로(2)의 출력인 직류 전력을 고주파(예를 들어, 수㎑ 내지 수백㎐ 정도)의 교류 전력으로 변환하여, 공진 회로(4)에 출력한다.
공진 회로(4)는 송전 코일(5)과 함께, 송전측의 교류 전력을 공진시키기 위한 회로이다. 공진 회로(4)는 송전 코일(5)에 대하여 직렬 또는 병렬로 접속된 콘덴서를 갖고 있다. 공진 회로(4)는 인버터(3)로부터 출력되는 교류 전압 또는 교류 전류의 진폭, 위상을 조정함으로써, 인버터(3)의 출력 전력을 설정하는 회로이기도 하다. 공진 회로(4)는 인버터(3)와 송전 코일(5) 사이에 접속되어 있다.
송전 코일(5)은 교류 전원(1)으로부터, 정류 회로(2) 등을 통해 전력의 공급을 받는 코일이며, 교류 전원(1)으로부터 공급된 전력을, 수전 코일(6)에 송전하는 코일이기도 하다.
수전 코일(6)은 송전 코일로부터 비접촉으로 송전되는 전력을 수전하는 코일이다. 수전 코일(6)은 서로의 코일축을 공유로 한 복수의 코일(61∼63)을 갖고 있다. 수전 코일(6)이 송전 코일(5)과 대향한 경우에는, 송전 코일(5)과 수전 코일(6) 사이에는 간극이 형성된다.
이하, 도 2 및 도 3을 사용하여, 송전 코일(5) 및 수전 코일(6)의 구성을 설명한다. 도 2의 (a)는 송전 코일(5)의 사시도이고, 도 2의 (b)는 송전 코일(5)의 평면도이다.
송전 코일(5)은 동일 평면 상에서 권선을 스파이럴 형상으로 다수 권취함으로써 구성되어 있다. 권선으로 형성된 루프를 따르는 표면이 송전 코일(5)의 코일면(권선면)으로 된다. 그리고, 비접촉 급전 장치 중 송전측(1차측)의 구성이 지상에 설치되는 경우에, 송전 코일(5)은 지상에 설치되고, 송전 코일(5)의 코일면이 지표(XY 평면)를 따르도록 설치되어 있다. 또한 송전 코일(5)의 코일축은, 지표의 면에 대하여 수직 방향(Z 방향)으로 된다. 이하, 도 2에 도시한 바와 같은 코일 형상을 디스크형이라고도 칭한다.
도 3의 (a)는 수전 코일(6)의 구성을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 3의 (b)는 수전 코일(6)의 평면도이다. 수전 코일(6)은 독립된 복수의 코일(61∼63)을 갖고 있다. 코일(61∼63)은 1개의 솔레노이드형의 코일을 3개로 분할함으로써 구성되어 있다. 코일(61)은 직육면체 형상의 코어(64)의 측면에 권선을 다수 권취함으로써 구성되어 있다. 코일(62, 63)도, 코일(61)과 마찬가지로, 코어(64)에 대하여 권선을 다수 권취함으로써 구성되어 있다. 코일(61∼63)의 권선을 권취하는 방향은, 각각 동일한 방향이다. 또한, 코일(61) 및 코일(63)이 코어(64)의 양단부 부분에 배치되고, 코일(62)이 코일(61)과 코일(63) 사이에 배치되어 있다.
코일(62)의 양단부 부분에 상당하는 2개의 단자는, 코일(61) 및 코일(63)의 접속 단자와는 접속되어 있지 않다. 또한, 코일(62, 63)의 단자도, 다른 코일(61∼63)의 단자와는 직접 접속되어 있지 않다. 또한, 코일(61∼63)은 서로 코일축을 공유하고 있다. 코일(61)의 코일축, 코일(62)의 코일축 및 코일(63)의 코일축은, 동일 선 상에 배열되어 있다. 또한 코일(61∼63)의 코일면은, 서로 다른 면에서 평행하게 되도록 배열되어 있다.
비접촉 급전 장치 중 수전측(2차측)의 구성이 차량에 설치되는 경우에는, 복수의 코일(61∼63)의 코일축이 차량의 진행 방향으로 되도록, 수전 코일(6)은 차량에 설치되어 있다. 이하, 도 3에 도시한 바와 같은 코일 형상을, 솔레노이드형이라고도 칭한다. 또한, 도 3에서는, 솔레노이드형의 수전 코일(6)이 3개의 코일(61∼63)로 구성되어 있지만, 권선을 코어에 대하여 나선 형상으로 권취함으로써 형성되는 단일의 코일도, 솔레노이드형의 코일로서 총칭한다.
도 1에 되돌아가서, 전압 센서(7)는 수전 코일(6)에 포함되는 복수의 코일(61∼63)에 유기되는 전압을 각각 검출하는 센서이다. 전압 센서(7)는 복수의 코일(61∼63)의 각 접속 단자간에, 각각 접속되어 있다. 전환 회로(8)는 복수의 코일(61∼63)의 각각의 접속을 전환하는 회로이며, 수전 코일(6)과 공진 회로(9) 사이에 접속되어 있다. 전환 회로(8)는 복수의 코일(61∼63)에 각각 접속되어 있다. 또한, 전환 회로(8)는 복수의 코일(61∼63)을 쇄교하는 각 자속에 따라서, 복수의 코일(61∼63)의 극성을 각각 전환한다. 코일(61∼63)을 쇄교하는 자속은, 송전 코일(5)로부터 수전 코일(6)에의 송전 시에, 송전 코일(5)에서 발생하는 자속이다. 또한, 복수의 코일(61∼63)의 극성 및 전환 회로(8)의 상세한 구성은 후술한다.
공진 회로(9)는 수전 코일(6)과 함께, 수전측의 교류 전력을 공진시키기 위한 회로이다. 공진 회로(9)는 수전 코일(6)에 대하여 직렬 또는 병렬로 접속된 콘덴서를 갖고 있다. 공진 회로(9)는 수전 코일(6)에 의해 수전되는 교류 전압 또는 교류 전류의 진폭, 위상을 조정함으로써, 정류 회로(10)에의 출력 전력을 설정하는 회로이기도 하다. 공진 회로(9)는 전환 회로(8)와 정류 회로(10) 사이에 접속되어 있다.
정류 회로(10)는 공진 회로(9)로부터 출력되는 교류 전력을 직류로 정류하는 회로이다. 공진 회로(9) 및 정류 회로(10)는 수전 코일(6)에서 수전한 전력을, 전환 회로(8)를 통해 부하에 출력하는 회로이다. 부하(11)는 정류 회로(10)로부터 출력되는 전력에 의해 충전되는 배터리이다. 또한, 부하(11)는 배터리에 한하지 않고, 예를 들어 모터이어도 된다.
여기서, 송전측의 코일이 1개의 디스크형의 코일에 의해 구성되고, 수전측의 코일이 1개의 솔레노이드형의 코일에 의해 구성된 경우(비교예)에, 수전측의 전압(수전 전압)에 대하여 설명한다. 도 4는 비교예에 관한 비접촉 급전 장치에 있어서, 코일간의 자속 분포(φ)와, 수전 전압을 설명하기 위한 개념도이다. 비교예에서는, 수전측의 코일이, 1개의 솔레노이드형의 코일에 의해 구성되어 있다. 그 밖의 구성은 도 1에 도시한 구성과 동일하다.
수전 코일의 중심점과 송전 코일(5)의 중심점이 Z축 상에 있고, 수전 코일이 송전 코일(5)과 정면으로 대향한 것으로 한다. 이때, 디스크형의 송전 코일(5)로부터 출력되는 자속은, 송전 코일(5)의 코일면의 중심점으로부터, 수전 코일을 향하면서, 방사선상으로 확대된다. 그리고, 수전 코일을 쇄교하는 자계에 의해, 수전 코일에서 수전되는 전압은 도 4과 같이 도시된다.
수전 코일을 3개로 분할한 후에, 자속과 수전 전압의 관계를 설명한다. 수전 코일은, X축 방향으로의 양단부 부분과, 당해 양단부 부분 사이에 끼워지는 중앙 부분으로 나눈 것으로 한다. 단, 수전 코일은 1개의 솔레노이드형의 코일로 구성되어 있기 때문에, 3개로 나누어진 각 부분의 전압 분포는, 실제로는 계측할 수 없지만, 설명의 편의상, 각 부분에 상당하는 전압을 도 4에서는 도시하고 있다.
수전 코일 중, Z축 상에 위치하는 부분에서는, 수전 코일을 쇄교하는 자속은, 코일축(X축에 평행)에 대하여 직교하고 있다. 그 때문에, 수전 코일의 중앙 부분에 있어서, 수전 자속(쇄교 자속)은 제로로 되어, 수전 전압은 제로로 된다.
솔레노이드형의 수전 코일의 X축 방향으로의 양단부 중, X축의 정방향에 위치하는 단부에서는, 자속은 X축의 정방향을 향한다. 한편, X축의 부방향에 위치하는 단부에서는, 자속은 X축의 부방향을 향한다. 즉, X축 방향으로의 양단부에 위치하는 코일에 있어서, 자속의 방향이 역방향으로 된다.
또한, 코일의 극성을, 자속이 들어가는 쪽을 플러스로서, 자속이 나가는 쪽을 마이너스로서 나타내면, X축의 정방향에 위치하는 단부에 있어서의 극성과, X축의 부방향에 위치하는 단부에 있어서의 극성이 반대로 된다. 그 때문에, X축의 정방향에 위치하는 단부에 있어서의 수전 전압은 +V로 된다. X축의 부방향에 위치하는 단부에 있어서의 수전 전압은 -V로 된다. 즉, 수전 코일 전체에서는, 양단부 부분에 있어서의 수전 전압이 서로 상쇄되기 때문에, 수전 코일에 있어서의 수전 전압은 제로로 된다.
다음에, 비교예에 관한 비접촉 급전 장치에 있어서, 송전 코일(5)에 대한 수전 코일의 위치와, 수전 코일의 수전 전압의 관계에 대하여, 도 5를 사용하여 설명한다. 도 5는 송전 코일(5)의 위치에 대한 수전 코일의 위치 어긋남과, 수전 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
X축 방향의 좌표에 대하여, 송전 코일(5)의 중심점을 「0」으로 한다. 송전 코일(5)의 x축 방향을 따르는 길이는 「x」이고, 송전 코일(5)의 양단부의 위치는, 좌표로 나타내어, 각각 「-x/2」, 「x/2」로 한다. 그리고, 수전 코일의 중심점이, 송전 코일(5)의 중심점을 통과하는 z축 상에 있는 경우에, 위치 어긋남(X)이 「0」으로 된다. 또한, 수전 코일의 중심점이 송전 코일(5)의 「-x/2」의 점을 통과하는 z축 상에 있는 경우에, 위치 어긋남(X)이 「-x/2」로 된다. 수전 코일의 중심점이 송전 코일(5)의 「x/2」의 점을 통과하는 z축 상에 있는 경우에, 위치 어긋남(X)이 「x/2」로 된다. 또한, 설명을 용이하게 하기 위해, Y 방향의 위치 어긋남은 없는 것으로 한다.
송전 코일(5)에 대한 수전 코일의 위치 어긋남이 「-x/2」인 경우에, 수전 전력은 -V(최소)로 된다. 그리고, 수전 코일의 중심점이 송전 코일(5)의 중심점에 가까워짐에 따라서, 수전 전력이 서서히 「0」에 가까워지고, 수전 코일이 송전 코일(5)에 정면으로 대향한 경우에, 수전 전력이 제로로 된다. 그리고, 수전 코일의 위치 어긋남이 「0」으로부터 커질수록, 수전 전력이 증가하고, 위치 어긋남이 「x/2」인 경우에, 수전 전력은 +V(최대)로 된다.
상기와 같이, 비교예에 있어서, 송전 코일(5)과 수전 코일이 정면으로 대향하는 경우에는, 수전 전력이 제로로 되어, 수전 코일이 수전 전력을 수취할 수 없는 상태로 되어 버린다. 그 때문에, 본 발명은 수전 코일(6)을 복수의 코일(61∼63)로 구성하면서, 각 코일(61∼63)을 쇄교하는 자속에 따라서, 각 코일(61∼63)의 극성을 각각 전환하고 있다.
본 발명의 비접촉 급전 장치에 있어서, 복수 코일(61∼63)의 극성을 변화시킴으로써, 수전 전력이 향상되는 원리를, 도 6 및 도 7을 사용하여 설명한다. 도 6은 코일간의 자속 분포(φ)와, 수전 전압을 설명하기 위한 개념도이다. 도 7은 송전 코일(5)의 위치에 대한 수전 코일(6)의 위치 어긋남과, 복수의 코일(61∼63)의 각 수전 전압의 관계를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 6에 있어서, 좌표의 표시 방법, 송전 코일(5)의 크기 등은 도 4와 마찬가지이다. 또한, 도 7에 도시한 위치 어긋남은, 코일(62)의 중심점(X 방향의 중심점)의 위치 어긋남을 나타내고 있다. 위치 어긋남을 나타내는, X 방향의 좌표의 표기는, 도 5와 마찬가지이다. 도 5에 있어서, 그래프 A는 코일(61)의 수전 전력을 나타내고, 그래프 B는 코일(62)의 수전 전력을 나타내고, 그래프 C는 코일(63)의 수전 전력을 나타낸다.
송전 코일(5)에의 통전에 의해 발생하는 자속의 방향은, 비교예와 마찬가지이다. 코일(61)을 쇄교하는 자속은 X축의 부방향을 향한다. 코일(63)을 쇄교하는 자속은 X축의 정방향을 향한다. 또한, 코일(62)을 쇄교하는 자속은, 코일축(X축에 평행)에 대하여 직교하고 있다. 그 때문에, 코일의 극성을 변경하기 전에는, 코일(61), 코일(62) 및 코일(63)의 수전 전압은 -V, 0, +V로 된다.
그리고, 코일의 극성을 변화시키지 않고, 코일(61)로부터 코일(63)을 직렬로 접속한 경우에는, 수전 코일(6)의 수전 전력은, 비교예와 마찬가지로, 제로로 되어 버린다. 그 때문에, 본 발명은 코일(61)의 극성을 반전시켜, 코일(61)의 수전 전력을, -V로부터 +V로 변경한다. 이에 의해, 극성을 변경한 후에는, 코일(61), 코일(62) 및 코일(63)의 수전 전압은, +V, 0, +V로 된다. 그리고, 극성 반전 후의 코일(61)과 코일(63)이 직렬로 접속되면, 수전 코일(6)의 수전 전력이 2V로 된다.
또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 코일(61∼63)의 각 수전 전압은, 송전 코일(5)에 대한 수전 코일(6)의 위치 어긋남에 따라서, 상이한 특성을 나타낸다. 위치 어긋남(X=0)일 때에는, 도 6에서 도시한 바와 같이, 코일(61, 63)의 자속값은 유한값이며(제로가 아님), 코일(61)과 코일(63) 사이에서 극성이 반대로 되기 때문에, 코일(61) 또는 코일(63) 중 어느 한쪽의 코일의 극성이 반전됨으로써, 수전 코일(6)의 수전 전압이 커진다. 또한, 예를 들어 수전 코일(6)의 위치가, 송전 코일(5)과 정면으로 대향하고 있었던 위치(X=0에 상당)로부터 조금 어긋나서, 송전 코일(5)의 위치에 대한 수전 코일(6)의 위치 어긋남이 xp로 된 경우에는, 코일(63)의 극성이, 코일(61, 62)의 극성과 반대 방향으로 되어 있다. 그 때문에, 코일(63)의 극성이 반전됨으로써, 수전 코일(6)의 수전 전압이 커진다.
또한, 극성의 반전은, 코일에 흐르는 전류의 방향을 반전시키면 된다. 예를 들어, 코일(61) 및 코일(63)의 권선을 권취하는 방향이 동일한 상태에서, 코일(61, 63)의 양단부의 단자를, 단자 a, 단자 b로 한다. 전류가, 단자 a로부터 단자 b의 방향에서, 코일(61) 및 코일(63)에 각각 흘렀을 때에는, 코일(61)에 흐르는 전류의 방향과, 코일(63)에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향으로 된다. 이와 같은 상태에서, 코일(63)의 극성을 반전시키기 위해서는, 코일(63)에 흐르는 전류의 방향이 단자 b로부터 단자 a로 되도록, 코일(63)의 접속을 변화시키면 된다. 또한, 코일(61∼63)의 접속에 대해서는, 전환 회로(8)의 상세한 구성과 아울러, 후술한다.
다음에, 도 8 및 도 9를 사용하여, 수전 코일(6)의 위치 어긋남에 대한, 코일(61∼63)의 극성과 코일(61∼63)의 접속 상태에 대하여 설명한다. 도 8은 도 7에 도시한, 위치 어긋남에 대한 수전 전압의 특성 중, 위치 어긋남이 0부터 x/2까지의 범위 내의 특성을 도시한 도면이다. 도 9는 코일(61∼63)의 극성과, 코일(61∼63)의 코일간의 접속을 설명하기 위한 개념도이다. 또한, 도 8에 도시된 (1)∼(3)과 도 9에 도시된 (1)∼(3)은 각각 대응하고 있다. 예를 들어, 수전 코일(6)의 위치 어긋남이 「0」인 경우에, 코일(61∼63)의 극성 및 코일간의 접속은 도 9의 (1)과 같은 상태로 된다. 또한, 설명의 편의상, 도 7 및 도 8에 도시한 전압의 단위를, 1매스당 5V(볼트)로 한다.
수전 코일(6)이 송전 코일(5)과 정면으로 대향한 경우에는, 수전 코일(6)의 위치 어긋남이 「0」으로 된다(도 8의 (1)의 상태에 상당). 이때, 코일(61∼63)의 수전 전압(A, B, C)은 15V, 0V, -15V이다. 코일(62)의 수전 전압은 제로이기 때문에, 코일(62)이 다른 코일(61, 63)에 접속되었다고 해도, 코일(62)은 전력을 수전할 수 없고, 또한 코일(61, 63)로부터 흐르는 전류가 코일(62)을 흐르는 만큼, 코일 손실(동손)이 발생한다. 그 때문에, 코일(62)은 다른 코일(61, 63)과 접속하지 않고, 코일(62)의 양 단자가 개방된다. 이와 같이, 본 발명은 복수의 코일(61∼63) 중, 수전 전력이 제로인 코일(61∼63)을 개방 상태로 함으로써, 코일 손실을 억제하여, 전력 효율을 향상시키고 있다.
또한, 코일(63)의 수전 전압은 -15V이며, 코일(63)의 극성이 코일(61)의 극성과 역방향으로 되어 있기 때문에, 코일(63)의 극성이 변경된다. 그리고, 도 9의 (1)에 도시한 바와 같이, 코일(61)과 코일(63)이 직렬로 접속된다.
수전 코일(6)의 위치 어긋남이 「x/4」로 된 경우에는(도 8의 (2)의 상태에 상당), 코일(61∼63)의 수전 전압(A, B, C)은 10V, 10V, -10V이다. 코일(63)의 극성이, 코일(61) 및 코일(62)의 극성과 역방향으로 되어 있기 때문에, 코일(63)의 극성이 변경된다. 그리고, 도 9의 (2)에 도시한 바와 같이, 코일(61)∼코일(63)이 직렬로 접속된다.
수전 코일(6)의 위치 어긋남이 「x/2」로 된 경우에는(도 8의 (3)의 상태에 상당), 코일(61∼63)의 수전 전압(A, B, C)은 0V, 15V, 0V이다. 코일(61, 63)의 수전 전력은 제로이기 때문에, 코일(61, 63)의 양 단자는 각각 개방된다. 그리고, 도 9의 (3)에 도시한 바와 같이, 코일(62)이 전환 회로(8)를 통해 공진 회로(9)에 접속된다.
다음에, 전환 회로(8)의 구성과 코일(61∼63)의 접속을, 도 10을 사용하여 설명한다. 도 10은 전환 회로(8)의 회로도이며, (a)는 코일(61)의 단자의 접속을 순방향으로 한 상태의 회로도를 도시하고, (b)는 코일(61)의 단자의 접속을 역방향으로 한 상태의 회로도를 도시하고, (c)는 코일(61)의 단자의 접속을 개방한 상태의 회로도를 도시한다. 또한, 도 10에서는, 코일(61)과 접속하기 위한 회로 구성을 도시하고 있지만, 전환 회로(8)는 코일(61)과의 접속 부분의 회로와 마찬가지로, 코일(62) 및 코일(63)과 접속하기 위한 회로도 갖고 있다. 또한, 코일(62) 및 코일(63)과 접속하기 위한 회로는, 코일(61)과의 접속 회로와 마찬가지이기 때문에, 설명을 생략한다.
도 10에 도시한 바와 같이, 전환 회로(8)는 스위치(81)와 스위치(82)를 갖고 있다. 스위치(81)는 코일(61)의 양단부의 단자 중 한쪽의 단자에 접속되어 있고, 스위치(82)는 코일(61)의 다른 쪽의 단자에 접속되어 있다. 스위치(81), 스위치(82)는 a 접점과 b 접점 사이를 전환하는 스위치이다. 또한 스위치(81, 82)는, a 접점 및 b 접점에 접속되어 있지 않은 개방 상태도 가능하다. 그리고, 2개의 a 접점이, 출력 단자로 되는 2단자(C1, C2)에 각각 접속되어 있다. 또한 2개의 b 접점이, 출력 단자(C1, C2)에 각각 접속되어 있다. 출력 단자(C1, C2)는 코일(62, 63)과 접속하기 위한 전환 회로(8) 또는 공진 회로(9)에 접속되어 있다.
코일(61)의 극성을 변경하지 않는 경우에는, 스위치(81, 82)는 a 접점에 접속된다. 도 10에 도시한 바와 같이, 코일(61)의 권선 방향에 대하여, 한쪽의 코일 단자를 「+」, 다른 쪽의 코일 단자를 「-」로 하면, 스위치(81, 82)가 a 접점에 접속된 경우에는, 출력 단자 「C1」은 「+」로 되고, 출력 단자 「C2」는 「-」로 된다(도 10의 (a)를 참조). 이에 의해, 전환 회로(8)는 코일(61)과의 접속을 순방향의 접속 상태로 하고, 코일(61)의 극성을 변경시키지 않도록 한다.
코일(61)의 극성을 변경하는 경우에는, 스위치(81, 82)는 b 접점에 접속된다. 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이, 스위치(81, 82)가 b 접점에 접속된 경우에는, 출력 단자 「C1」은 「-」로 되고, 출력 단자 「C2」는 「+」로 된다. 이에 의해, 전환 회로(8)는 코일(61)과의 접속을 역방향의 접속 상태로 하고, 코일(61)의 극성을 전환한다.
코일(61)의 접속을 개방 상태로 하는 경우에는, 스위치(81, 82)는 a 접점 및 b 접점에 접속되지 않는다. 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이, 스위치(81, 82)가 a, b 접점에 접속되지 않는 경우에는, 출력 단자 「C1, C2」는 코일(62, 63)과 접속되지 않고, 공진 회로(9)와도 접속되지 않는다. 이에 의해, 전환 회로(8)는 코일(61)과의 접속을 개방 상태로 한다.
또한, 상세한 회로 구성은 도시하고 있지 않지만, 전환 회로(8)는 코일(61)과의 접속 회로, 코일(62)과의 접속 회로 및 코일(63)과의 접속 회로를, 선택적으로 직렬 접속할 수 있도록 하는 회로 구성으로 되어 있고, 또한 이들 접속 회로 및 직렬 접속된 접속 회로와, 공진 회로(9)를 접속할 수 있도록 하는 회로 구성으로 되어 있다.
다음에, 도 11을 사용하여, 컨트롤러(12)의 제어에 대하여 설명한다. 도 11은 컨트롤러(12)의 제어 플로우를 나타내는 흐름도이다. 또한, 도 11에 도시한 코일 A, B, C는 코일(61∼63)에 상당한다.
상기와 같이 코일(61∼63)의 극성은, 코일(61∼63)의 수전 전압 「+」, 「-」와 상관성을 갖고 있다. 그 때문에, 컨트롤러(12)는 코일(61∼63)을 1개씩 접속하면서, 각 코일(61∼63)에 각각 접속된 전압 센서(7)를 사용하여, 코일(61∼63)의 수전 전압을 검출한다. 그리고, 컨트롤러(12)는 전압 센서(7)의 검출 전압에 기초하여 코일(61∼63)의 극성을 판정하면서, 그 판정 결과에 따라서 전환 회로(8)를 제어하고 있다. 이하, 제어 수단의 구체적인 제어 플로우를 설명한다.
스텝 S1에서, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여, 코일(61)을 전환 회로(8)에 접속하고, 코일(62, 63)을 개방 상태로 한다. 스텝 S2에서, 컨트롤러(12)는 코일(61)에 접속되어 있는 전압 센서(7)에 의해, 코일(61)의 수전 전압(VA)을 검출한다.
스텝 S3에서, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여, 코일(62)을 전환 회로(8)에 접속하고, 코일(61, 63)을 개방 상태로 한다. 스텝 S4에서, 컨트롤러(12)는 코일(62)에 접속되어 있는 전압 센서(7)를 사용하여, 코일(62)의 수전 전압(VB)을 검출한다.
스텝 S5에서, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여, 코일(63)을 전환 회로(8)에 접속하고, 코일(61, 62)을 개방 상태로 한다. 스텝 S6에서, 컨트롤러(12)는 코일(63)에 접속되어 있는 전압 센서(7)를 사용하여, 코일(63)의 수전 전압(VC)을 검출한다. 또한, 코일(63)의 수전 전압(VC)을 검출한 후, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여 코일(63)을 일단 개방 상태로 한다.
스텝 S7에서, 컨트롤러(12)는 코일(61)의 검출 전압(VA)이 정인지 여부를 판정한다. 검출 전압(VA)이 정인 경우에는, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여, 코일(61)과의 접속을 순방향의 접속 상태로 한다(스텝 S8). 한편, 검출 전압(VA)이 정이 아닌 경우에는, 스텝 S9에서, 코일(61)의 검출 전압(VA)이 제로인지 여부를 판정한다. 검출 전압(VA)이 제로인 경우에는, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여 코일(61)과의 접속의 개방 상태로 한다(스텝 S10). 검출 전압(VA)이 제로가 아닌 경우(검출 전압(VA)이 부인 경우)에는, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여 코일(61)과의 접속을 역방향의 접속 상태로 한다(스텝 S11).
스텝 S12에서, 컨트롤러(12)는 코일(62)의 검출 전압(VB)이 정인지 여부를 판정한다. 검출 전압(VB)이 정인 경우에는, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여 코일(62)과의 접속을 순방향의 접속 상태로 한다(스텝 S13). 한편, 검출 전압(VB)이 정이 아닌 경우에는, 스텝 S14에서, 코일(62)의 검출 전압(VB)이 제로인지 여부를 판정한다. 검출 전압(VB)이 제로인 경우에는, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여 코일(62)과의 접속의 개방 상태로 한다(스텝 S15). 검출 전압(VB)이 제로가 아닌 경우(검출 전압(VB)이 부인 경우)에는, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여 코일(62)과의 접속을 역방향의 접속 상태로 한다(스텝 S16).
스텝 S17에서, 컨트롤러(12)는 코일(63)의 검출 전압(VC)이 정인지 여부를 판정한다. 검출 전압(VC)이 정인 경우에는, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여 코일(63)과의 접속을 순방향의 접속 상태로 한다(스텝 S18). 한편, 검출 전압(VC)이 정이 아닌 경우에는, 스텝 S19에서, 코일(63)의 검출 전압(VC)이 제로인지 여부를 판정한다. 검출 전압(VC)이 제로인 경우에는, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여 코일(63)과의 접속의 개방 상태로 한다(스텝 S20). 검출 전압(VC)이 제로가 아닌 경우(검출 전압(VC)이 부인 경우)에는, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여 코일(63)과의 접속을 역방향의 접속 상태로 한다(스텝 S21).
스텝 S22에서, 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여, 복수의 코일(61∼63) 중, 순방향 또는 역방향으로 접속된 코일(61∼63)끼리를 직렬로 접속한다. 그리고, 도 11에 도시한 제어 플로우가 종료된다.
상기 제어 플로우의 종료 후, 컨트롤러(12)는 부하(11)인 배터리의 상태를 관리하면서, 수전 코일(6)에서 수전한 전력에 의해, 배터리를 충전한다.
다음에, 본 발명의 비접촉 급전 장치에 있어서, 수전 코일(6)의 위치 어긋남에 대한 수전 전압의 특성을, 비교예와 비교하면서 설명한다. 도 12는 수전 코일(6)의 위치 어긋남에 대한 수전 전압의 특성을 나타내는 그래프이다. 그래프 a는 본 발명의 특성을 나타내고, 그래프 b는 비교예의 특성을 나타낸다. 또한 비교예의 구성은 상기와 마찬가지이다.
도 12에 도시한 바와 같이, 비교예에서는, 수전 코일이 송전 코일(5)과 정면으로 대향한 경우에, 수전 코일의 양단부 부분을 쇄교하는 서로 역방향의 자속에 의해, 당해 양단부 부분에 있어서의 수전 전압이 서로 상쇄되어, 수전 코일의 수전 전압은 제로로 된다. 그 때문에, 수전 코일은 전력을 수취할 수 없다.
한편, 본 발명에서는, 수전 코일이 송전 코일(5)과 정면으로 대향한 경우에, 수전 코일(6)의 일단부에 상당하는 코일(63)의 극성이 변경되어 있기 때문에, 수전 전압이 상쇄되는 일은 없고, 자속이 가산되어, 수전 전압이 높아진다. 그 때문에, 수전 코일(6)은 전력을 최대한 수전할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명은 서로의 코일축을 공유로 한 복수의 코일(61∼63)을 갖는 수전 코일(6)과, 복수의 코일(61∼63)과의 접속을 전환하는 전환 회로를 구비하고, 전환 회로(8)에 의해, 복수의 코일(61∼63)을 쇄교하는 각 자속에 따라서 복수의 코일(61∼63)의 극성을 전환한다. 이에 의해, 수전 코일을 쇄교하는 자속에 대하여, 수전 코일(6)의 수전 전압이 가산되기 때문에, 수전 전압을 향상시킬 수 있다. 그 결과로서, 수전 전력을 높일 수 있다.
또한 본 발명은, 전압 센서(7)의 검출 전압이 정인 경우에는, 코일(61∼63)과의 접속을 순방향으로 하고, 검출 전압이 부인 경우에는, 코일(61∼63)과의 접속을 역방향으로 하고, 검출 전압이 제로인 경우에는, 코일(61∼63)과의 접속을 개방 상태로 한다. 이에 의해, 코일(61∼63)의 극성을 변화시키면서, 수전 전압을 가산할 수 있기 때문에, 수전 전력을 향상시킬 수 있다. 또한, 유기 전압이 0인 코일(61∼63)은 개방시킴으로써, 코일 전류가 흐르지 않기 때문에, 코일 손실을 억제할 수 있어, 전력 효율이 향상된다.
또한 본 발명은 순방향에서 접속된 코일(61∼63)과, 역방향에서 접속된 코일(61∼63)을 직렬로 접속한다. 이에 의해, 수전 전압을 가산할 수 있기 때문에, 부하(11)에 공급하는 전압을 높일 수 있다. 그 결과로서, 부하(11)에의 출력 전력을 높일 수 있다.
또한, 상기의 설명에 있어서의 전압 분포에 대하여(특히, 도 4, 도 6에 도시한 전압의 분포), 수전 코일(6)을 통과하는 자속은 교류이기 때문에, 실제로는, 수전 전압의 +(정), 0, -(부)는 시간과 함께 변화되지만, 수전 분포는, 동일 시각(동일 타이밍)에서 검출되었을 때의 전압의 분포를 나타내고 있다. 전압의 검출 타이밍을 동시로 하기 위해서는, 예를 들어 인버터(3)의 출력 전압(구형파)의 상승 시에 트리거를 걸고, 이 트리거의 타이밍에서, 센서가 전압을 검출하면 된다.
또한, 본 발명 및 비교예에 있어서, 수전측의 코일을 쇄교하는 자속은, 그 코일의 유기 전압과 거의 동일하기 때문에(V=L×dφ/dt의 식을 참조), 수전 코일을 쇄교하는 자속과 수전 전력을 등가적으로 취급하고 있다.
또한, 전환 회로(8)의 회로는, 도 9에 도시한 회로에 한하지 않고 다른 회로이어도 된다.
또한, 본 발명은 전압 센서(7)의 검출 전압에 기초하여 코일(61∼63)의 극성을 판정하였지만, 송전 코일(5)에 대한 전압 센서(7)의 위치에 따라서 코일(61∼63)의 극성을 판정해도 된다. 도 7에 도시한 바와 같이, 코일(61∼63)의 수전 전압은 수전 코일(6)의 위치 어긋남과 상관성을 갖고 있다. 그리고, 코일(61∼63)의 수전 전압의 정, 부는, 코일(61∼63)의 극성과 등가 관계에 있다. 그 때문에, 수전 코일(6)의 위치 어긋남을 확인할 수 있으면, 코일(61∼63)의 극성도 판정할 수 있다. 또한, 수전 코일(6)의 위치 어긋남은, 지상측 또는 차량측에 설치된 위치 센서, 카메라 등에 의해 검출하면 된다.
또한 수전 코일(6)을 구성하는 코일(61∼63)의 개수는 3개에 한하지 않고, 2개라도, 4개 이상이어도 된다. 수전 코일(6)을 구성하는 코일수가 많을수록, 자속 분포를 세밀하게 판정할 수 있기 때문에, 수전 전압을 향상시킬 수 있다.
상기의 전압 센서(7)가 본 발명의 「전압 검출 수단」에 상당하고, 전환 회로(8)가 본 발명의 「전환 수단」에 상당하고, 컨트롤러(12)가 본 발명의 「제어 수단」에 상당하고, 공진 회로(9) 및 정류 회로(10)가 본 발명의 「출력 수단」에 상당한다.
《제2 실시 형태》
본 발명의 다른 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치를 설명한다. 본 예에서는 상술한 제1 실시 형태에 대하여, 검출 전압에 따른 복수의 코일(61∼63)의 접속 상태가 상이하다. 이 이외의 구성은 상술한 제1 실시 형태와 동일하여, 그 기재를 원용한다.
컨트롤러(12)는 복수의 코일(61∼63)에 각각 접속된 전압 센서(7)의 검출 전압을 취득하고, 각 검출 전압의 절댓값을 비교한다. 그리고, 컨트롤러(12)는 검출 전압의 절댓값의 비교 결과에 따라서, 전환 회로(8)를 제어한다. 컨트롤러(12)는 검출 전압의 절댓값이 동일한 복수의 코일(61∼63)을 병렬로 접속한다. 컨트롤러(12)는 검출 전압의 절댓값이 상이한 복수의 코일(61∼63)을 직렬로 접속한다. 또한 컨트롤러(12)는 검출 전압이 제로인 코일(61∼63)을 개방 상태로 한다.
도 13 및 도 14를 사용하여, 수전 코일(6)의 위치 어긋남에 대한, 코일(61∼63)의 극성과 코일(61∼63)의 접속 상태에 대하여 설명한다. 도 13은 도 7에 도시한, 위치 어긋남에 대한 수전 전압의 특성 중, 위치 어긋남이 0부터 x/2까지의 범위 내의 특성을 도시한 도면이다. 도 14는 코일(61∼63)의 극성과, 코일(61∼63)의 코일간의 접속을 설명하기 위한 개념도이다. 또한, 도 13에 도시된 (1)∼(3)과 도 14에 도시된 (1)∼(3)은 각각 대응하고 있다. 예를 들어, 수전 코일(6)의 위치 어긋남이 「0」인 경우에, 코일(61∼63)의 극성 및 코일간의 접속은, 도 13의 (1)과 같은 상태로 된다. 또한, 설명의 편의상, 도 13에 도시한 전압의 단위를, 1매스당 5V(볼트)로 한다.
수전 코일(6)이 송전 코일(5)과 정면으로 대향한 경우에는, 수전 코일(6)의 위치 어긋남이 「0」으로 된다(도 13의 (1)의 상태에 상당). 이때, 코일(61∼63)의 수전 전압(A, B, C)은 15V, 0V, -15V이다. 코일(62)의 수전 전압은 제로이기 때문에, 코일(62)의 양 단자는 개방된다.
또한, 코일(63)의 수전 전압은 -15V이고, 코일(63)의 극성이 코일(61)의 극성과 역방향으로 되어 있기 때문에, 코일(63)의 극성이 변경된다. 또한, 코일(61)과 코일(63)의 수전 전압의 절댓값이 동일하기 때문에, 도 14의 (1)에 도시한 바와 같이, 코일(61)과 코일(63)이 병렬로 접속된다.
수전 코일(6)의 위치 어긋남이 「x/4」로 된 경우에는(도 13의 (2)의 상태에 상당), 코일(61∼63)의 수전 전압(A, B, C)은 10V, 10V, -10V이다. 코일(63)의 극성이, 코일(61) 및 코일(62)의 극성과 역방향으로 되어 있기 때문에, 코일(63)의 극성이 변경된다. 또한, 코일(61∼63)의 각 수전 전압의 절댓값이 동일하기 때문에, 도 14의 (2)에 도시한 바와 같이, 코일(61)∼코일(63)이 병렬로 접속된다.
수전 코일(6)의 위치 어긋남이 「3x/8」로 된 경우에는(도 13의 (3)의 상태에 상당), 코일(61∼63)의 수전 전압(A, B, C)은 5V, 약 14V, -5V이다. 코일(63)의 극성이, 코일(61) 및 코일(62)의 극성과 역방향으로 되어 있기 때문에, 코일(63)의 극성이 변경된다. 코일(62)의 수전 전압의 절댓값은 코일(61, 63)의 수전 전압의 절댓값과 상이하고, 코일(61, 63)의 수전 전압의 절댓값은 동일하다. 그 때문에, 도 14의 (3)에 도시한 바와 같이, 코일(61)과 코일(63)이 병렬로 접속되고, 코일(61, 63)의 병렬 회로와 코일(62)이 직렬로 접속된다.
자속(Φ)은 코일의 인덕턴스(L)와 코일(I)을 흐르는 전류의 승산한 값이기 때문에(Φ=L×I), 코일에 축적되는 에너지(E)는 E=1/2ㆍLㆍI2으로 된다. 이 식으로부터, 코일에 축적되는 에너지(E)를 크게 하기 위해서는, 코일에 흐르는 전류(I)는 큰 쪽이 좋다. 그 때문에, 본 발명은 수전 전압의 절댓값이 동일한 코일을 병렬로 접속함으로써, 병렬 접속된 코일에 흐르는 전류를 크게 하고 있다. 그리고, 공진 회로(9)에 포함되는 콘덴서 등의 회로 파라미터를 조정하여, 수전 코일(6)과 부하(11) 사이에서, 임피던스 매칭을 도모함으로써, 수전 코일(6)에 축적된 큰 에너지가 저손실로 부하(11)에 공급되기 때문에, 부하(11)에서 취출되는 전력이 높아진다.
다음에, 컨트롤러(12)의 제어에 대하여 설명한다. 전압 센서(7)를 사용하여 복수의 코일(61∼63)의 각 수전 전압을 검출하는 제어, 검출 전압에 기초하여 코일(61∼63)의 극성을 판정하는 제어는, 제1 실시 형태와 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다. 또한, 코일(61∼63)의 검출 전압의 판정 결과에 따라서, 코일(61∼63)의 단자의 접속을, 순방향, 역방향, 또는 개방으로 전환하는 제어도, 제1 실시 형태와 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다.
코일(61∼63)의 검출 전압에 따른, 참조 부호 61∼63의 단자의 접속 형태를 확정시킨 후, 컨트롤러(12)는 코일(61∼63)의 각 검출 전압의 절댓값을 산출하면서, 각각의 절댓값을 비교한다. 그리고, 복수의 코일(61∼63) 중, 검출 전압의 절댓값이 동일한 코일을 특정한다. 컨트롤러(12)는 전환 회로(8)를 제어하여 검출 전압의 절댓값이 동일한 코일(61∼63)끼리를 병렬로 접속한다. 또한, 컨트롤러(12), 전환 회로(8)를 제어하여, 검출 전압의 절댓값이 상이한 것끼리를 직렬로 접속한다. 또한, 컨트롤러(12), 전환 회로(8)를 제어하여, 검출 전압의 절댓값이 제로인 코일의 단자는 개방시킨다.
《제3 실시 형태》
본 발명의 다른 실시 형태에 관한 비접촉 급전 장치를 설명한다. 본 예에서는 상술한 제1 실시 형태에 대하여, 송전 코일(5)을 솔레노이드형의 코일로 구성한 점이 상이하다. 이 이외의 구성은 상술한 제1 실시 형태와 동일하여, 제1 또는 제2 실시 형태의 기재를 적절히 원용한다.
송전 코일(5)은 솔레노이드형의 코일이다. 송전 코일(5)의 코일축이 차량의 진행 방향과 평행하게 되도록, 송전 코일(5)은 지상측에 배치되어 있다. 송전 코일(5)의 코일축을 따르는 방향의 길이는, 수전 코일(6)의 코일축을 따르는 방향의 길이와 동일하다. 송전 코일(5)은 수전 코일(6)과 같이, 복수의 코일로 분할되어 있지 않고, 1개의 코일로 구성되어 있다.
다음에, 송전측의 코일이 1개의 솔레노이드형의 코일에 의해 구성되고, 수전측의 코일이 1개의 솔레노이드형의 코일에 의해 구성된 경우(비교예)에, 수전측의 전압(수전 전압)에 대하여 설명한다. 도 15는 비교예에 관한 비접촉 급전 장치에 있어서, 코일간의 자속 분포(φ)와, 수전 전압을 설명하기 위한 개념도이다. 단, 도 15에 도시한 바와 같이, 송전 코일(5)의 위치에 대하여, 수전 코일의 위치가 X축의 정방향으로 x/2만큼 어긋나 있는 것으로 한다. 비교예에서는, 수전측의 코일이, 1개의 솔레노이드형의 코일에 의해 구성되어 있다. 그 밖의 구성은 본 발명과 동일하다. 또한, 수전 코일 및 송전 코일(5)의 X 방향의 길이는 x로 한다.
송전 코일(5)에의 통전에 의해 발생한 자속은, X=0의 위치에 있는 수전 코일의 단부로부터, 코일 내에 들어가고, X축의 정방향을 향하여 통과한다. 그리고, 자속은, X=x/2의 위치에 있는 수전 코일의 중앙 부분으로부터 나와, 송전 코일(5)로 되돌아간다. 또한, 송전 코일(5)에의 통전에 의해 발생한 자속은, X=x의 위치에 있는 수전 코일의 단부로부터, 코일 내에 들어가고, X축의 부방향을 향하여 통과한다. 그리고, 자속은, X=x/2의 위치에 있는 수전 코일의 중앙 부분으로부터 나와, 송전 코일(5)로 되돌아간다.
수전 코일을 3개로 분할한 후에, 자속과 수전 전압의 관계를 설명한다. 수전 코일을 쇄교하는 자속은, X=x/2의 위치에서 Z축 상에서는, 코일축에 대하여 직교한다. 그 때문에, 수전 코일의 중앙 부분에서는, 자속(쇄교 자속)은 제로로 되어, 수전 전압은 제로로 된다.
수전 코일의 양단부 부분에서는, 자속이 X축의 정방향과 부방향에서 역방향으로 된다. 그 때문에, 수전 코일의 양단부 부분에 있어서의 수전 전압은, -V와 +V로 된다. 그리고, 수전 코일 전체에서는, 양단부 부분에 있어서의 수전 전압이 서로 상쇄되기 때문에, 수전 코일에 있어서의 수전 전압은 제로로 된다. 즉, 수전 코일의 위치 어긋남이 x/2일 때에, 비교예에 관한 비접촉 급전 장치는, 수전 전력을 2차측에서 수취할 수 없다. 또한, 수전 코일이 송전 코일(5)에 정면으로 대향하였을 때의 위치 어긋남(X=0)으로부터, 수전 코일의 위치 어긋남이 커질수록, 수전 전압이 서서히 감소하고, 수전 코일의 위치 어긋남이 「x/2」일 때에, 수전 전압이 제로로 된다.
한편, 본 발명은 수전 코일(6)을 복수의 코일(61∼63)에 의해 구성하면서, 복수의 코일(61∼63)을 쇄교하는 각 자속에 따라서 코일(61∼63)의 극성을 전환하고 있다. 이하, 도 16 및 도 17을 사용하여, 송전 코일(5)이 솔레노이드형의 코일로 구성된 경우라도, 본 발명이 수전 전력을 향상시킬 수 있는 원리에 대하여 설명한다.
도 16은 코일간의 자속 분포(φ)와, 수전 전압을 설명하기 위한 개념도이다. 도 17은 송전 코일(5)의 위치에 대한 수전 코일(6)의 위치 어긋남과, 수전 코일(6)의 수전 전압의 관계를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 16에 있어서, 좌표의 표시 방법, 송전 코일(5)의 크기 등은 도 15와 마찬가지이다. 도 17의 그래프 a는 본 발명의 특성을 나타내고, 그래프 b는 비교예의 특성을 나타낸다.
송전 코일(5)에의 통전에 의해 발생하는 자속의 방향은, 비교예와 마찬가지이다. 그 때문에, 코일의 극성을 변경하기 전에는, 코일(61), 코일(62) 및 코일(63)의 수전 전압은 -V, 0, +V로 된다.
본 발명에서는, 코일(61)의 극성에 대하여 코일(63)의 극성이 역방향으로 되어 있기 때문에, 코일(63)의 극성을 반전시켜, 코일(61)의 수전 전력을, -V로부터 +V로 변경한다. 이에 의해, 극성을 변경한 후에는, 코일(61), 코일(62) 및 코일(63)의 수전 전압은 +V, 0, +V로 된다. 그리고, 극성 반전 후의 코일(61)과 코일(63)이 직렬로 접속되면, 수전 코일(6)의 수전 전력이 2V로 된다.
또한, 도 17에 도시한 바와 같이, 수전 코일의 위치 어긋남이 「x/2」인 경우에, 비교예에서는 수전 코일의 전압(수전 전압)이 제로이었지만, 본 발명에서는 수전 전압이 제로보다도 커져 있다. 또한, 비교예에서는, 수전 코일의 위치 어긋남이, X=0으로부터 커질수록, 수전 전압이 서서히 감소하고 있다. 한편, 본 발명에서는, 수전 코일의 위치 어긋남이 X=0보다 커져도, 수전 전압은 위치 어긋남(X=0)일 때의 수전 전압보다 커진다.
상기와 같이, 본 발명은 송전 코일(5)을 솔레노이드형의 코일로 구성하였다고 해도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 수전 전압을 향상시킬 수 있다.
또한, 다른 비교예에 관한 비접촉 급전 장치로서, 송전 코일을 복수의 코일로 구성하는 경우도 생각된다. 그러나, 이하에 설명한 바와 같이, 송전 코일만을 복수의 코일로 구성하였다고 해도, 본 발명과 같이 수전 전압의 향상을 얻을 수는 없다.
다른 비교예에서는, 송전측의 코일이 3개의 코일(디스크형)로 구성되고, 수전측의 코일이 1개의 디스크형의 코일로 구성된 것으로 한다. 1개의 코일 형상은, 송전측과 수전측에서 동일하게 한다. 송전측의 복수의 코일은, X축을 따라서 인접하여 배열되어 있고, 송전측의 1개의 코일의 X 방향의 길이와 송전측의 코일의 X 방향의 길이는 동일(x/2)하게 한다. Y 방향의 코일의 길이도, 송전측과 수전측에서 동일하게 한다. 그리고, 다른 비교예에서는, Z축 방향으로부터 보았을 때에, 수전측의 코일과 겹치는 송전측의 코일만이 통전된다. 또한, 송전측 및 수전측의 코일의 권선 방향 등, 코일의 특성은 동일하게 한다.
도 18에, 수전 코일(6)의 위치 어긋남에 대한 수전 전압의 특성을 도시한다. 도 18에 있어서, 그래프 a가 본 발명의 특성을 나타내고, 그래프 b가 다른 비교예의 특성을 나타낸다. 그래프 b에 나타내는 바와 같이, 다른 비교예에서는, 수전측의 코일이 송전측의 1개의 코일과 정면으로 대향하고 있을 때가, 수전 전력이 가장 커진다. 즉, 다른 비교예에 있어서, 수전측의 코일은, 송전측의 1개의 코일에 상당하는, x/2분의 길이의 코일에서 발생한 자속만 수취할 수 있기 때문에, 수전 전압이 낮아져 버린다. 한편, 본 발명은 수전 코일(6)이 X=x분의 길이의 코일에서 발생한 자속을 수취하였다고 해도, 수전 전압을 상쇄하지 않도록, 코일(61∼63)의 극성을 전환하고 있기 때문에, 수전 전압이 가산되어, 수전 전압을 향상시킬 수 있다(그래프 a를 참조).
1 : 교류 전원
2 : 정류 회로
3 : 인버터
4 : 공진 회로
5 : 송전 코일
6 : 수전 코일
61∼63 : 코일
7 : 전압 센서
8 : 전환 회로
9 : 공진 회로
10 : 정류 회로
11 : 부하

Claims (5)

  1. 교류 전원으로부터 전력의 공급을 받는 송전 코일과,
    상기 송전 코일로부터 비접촉으로 송전되는 전력을 수전하는 수전 코일과,
    코일과의 접속을 전환하는 전환 수단과,
    상기 수전 코일에 의해 수전한 전력을, 상기 전환 수단을 통해 부하에 출력하는 출력 수단과,
    상기 전환 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
    상기 수전 코일은, 서로의 코일축을 공유로 한 복수의 코일을 갖고,
    상기 전환 수단은,
    상기 복수의 코일에 접속되고, 또한, 상기 복수의 코일을 쇄교하는 각 자속에 따라서 상기 복수의 코일의 극성을 전환하는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 코일에 접속되며, 상기 복수의 코일에 유기되는 전압을 각각 검출하는 전압 검출 수단을 더 구비하고,
    상기 제어 수단은, 상기 전압 검출 수단에 의해 검출되는 검출 전압에 기초하여 상기 극성을 판정하고, 판정 결과에 따라서 상기 전환 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전환 수단은,
    상기 코일의 단자의 접속을 순방향으로 하는 순방향 접속, 상기 단자의 접속을 역방향으로 하는 역방향 접속, 및, 상기 단자를 개방하는 개방 상태로 전환하는 회로이고,
    상기 제어 수단은,
    상기 검출 전압이 정인 경우에는, 상기 코일과의 접속을 상기 순방향 접속으로 하고,
    상기 검출 전압이 부인 경우에는, 상기 코일과의 접속을 상기 역방향 접속으로 하고,
    상기 검출 전압이 제로인 경우에는, 상기 코일과의 접속을 상기 개방 상태로 하는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어 수단은,
    상기 복수의 코일 중, 상기 검출 전압의 절댓값이 동일한 상기 복수의 코일을 병렬로 접속하고,
    상기 복수의 코일 중, 상기 검출 전압의 절댓값이 상이한 상기 복수의 코일을 직렬로 접속하는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전환 수단은,
    상기 순방향 접속으로 접속하는 상기 코일과 상기 역방향 접속으로 접속하는 코일을 직렬로 접속하는 것을 특징으로 하는, 비접촉 급전 장치.
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