WO2013146456A1 - 非接触電力伝送装置及び方法 - Google Patents

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素直 新妻
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    • H02M3/325Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33573Full-bridge at primary side of an isolation transformer

Definitions

  • the present invention relates to a contactless power transmission apparatus and method that perform power transmission in a contactless manner.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2012-69247 for which it applied to Japan on March 26, 2012, and uses the content here.
  • the non-contact power transmission device has various merits such as no wiring (cable) for transmitting electric power is required, the labor of connection can be saved, and there is no need to consider contact durability and contact failure. For this reason, in recent years, not only uses for transmitting power for charging batteries installed in consumer equipment such as household appliances, but also drives industrial equipment (eg, stages, arms, cranes, robots). It is also used in applications that transmit electric power.
  • Patent Document 1 discloses a non-contact power transmission device that transmits power in a non-contact manner to a transfer device in a semiconductor manufacturing apparatus. Specifically, when the transport table stops at the stop position set in the transport path, which is the movement path of the transport table, electromagnetic induction is performed from the voltage supply device provided at the stop position to the transport table in the stopped state. A technique for supplying electric power by the action of is disclosed. Patent Documents 2 and 3 below disclose non-contact power transmission apparatuses that transmit power in a non-contact manner to consumer devices such as mobile phones and moving bodies such as vehicles.
  • non-contact power when the movable part of the power supply target equipment (stage, arm, etc.) is moving (for example, linear motion or rotational motion).
  • power transmission is performed from the transmission device to the power supply target device.
  • such power supply target devices often have a metal member in a part thereof.
  • the relative position between the power feeding coil of the non-contact power transmission device and the power receiving coil provided in the movable part changes as the movable part moves, and power is received from the power feeding coil.
  • the distribution of the electromagnetic field transmitting power to the coil also changes.
  • the electromagnetic field distribution approaches the metal member and the electromagnetic field around the metal member becomes stronger not only does the induction current flow through the metal member and the efficiency of contactless power transmission decreases, but the metal member is overheated and attached to the metal member. It may cause malfunction or failure of the equipment and components that are installed.
  • An object of the present invention is to provide a contactless power transmission device and method that can be used.
  • one aspect of a non-contact power transmission device is a non-contact power transmission device that transmits power in a non-contact manner between a power feeding coil and a power receiving coil, and a metal member and A power supply unit that supplies the power to the power supply coil, a measurement unit that measures a relative position of the power reception coil with respect to the power supply coil, and a control unit that controls the power supply unit.
  • the electric power is changed so that the induced current flowing in the metal member is reduced according to the relative position measured by the unit.
  • One aspect of the non-contact power transmission method according to the present invention is a non-contact power transmission method for non-contact transmission of power between a power feeding coil and a power receiving coil, wherein the power is supplied to the power feeding coil.
  • the control unit changes the electric power so that the induced current flowing through the metal member is reduced according to the relative position measured by the measurement unit. Therefore, even if the relative positional relationship between the power receiving coil and the power feeding coil changes and approaches the metal member, the induced current flowing through the metal member is reduced, so that overheating of the metal member can be suppressed.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a first embodiment of a non-contact power transmission apparatus according to the present invention. It is a figure which shows the output waveform of the electric power feeding part by 1st Embodiment of this invention. It is a figure which shows an example of a duty table. It is a block diagram which shows 2nd Embodiment of the non-contact electric power transmission apparatus by this invention. It is a block diagram which shows 3rd Embodiment of the non-contact electric power transmission apparatus by this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a usage pattern of a contactless power transmission device 1 according to the present invention.
  • the non-contact power transmission device 1 includes a power feeding coil L1 and a power receiving coil L2, and transmits power from the power feeding coil L1 to the power receiving coil L2 in a contactless manner.
  • the feeding coil L1 and the receiving coil L2 shown in FIG. 1 are both coils having a rectangular shape in plan view (as viewed in the Z direction), and an electromagnetic coupling circuit is formed by arranging them in a close state.
  • the This electromagnetic coupling circuit means a circuit in which the power feeding coil L1 and the power receiving coil L2 are electromagnetically coupled and non-contact power feeding from the power feeding coil L1 to the power receiving coil L2 is performed. That is, the electromagnetic coupling circuit may be either a circuit that supplies power by the “electromagnetic induction method” or a circuit that supplies power by the “electromagnetic resonance method”.
  • the feeding coil L1 is provided in a fixed part P1 whose position and orientation are fixed, and the power receiving coil L2 is provided in a movable part P2 whose position and orientation are variable. For this reason, when the position and attitude of the movable part P2 change, the relative positions and attitudes of the power feeding coil L1 of the fixed part P1 and the power receiving coil L2 of the movable part P2 change. In order to prevent an excessive decrease in the power transmission efficiency, the feeding coil L1 of the fixed part P1 is attached to a position generally facing the power receiving coil L2 within the movable range of the movable part P2.
  • position refers to positions in the X, Y, and Z directions in the XYZ orthogonal coordinate system shown in FIG. 1, and “posture” refers to the X, Y, and Z axes. The rotation around the axis. Further, “relative position” means “relative position and posture displacement”.
  • the movable part P2 has three degrees of freedom, ie, parallel movement in the XY plane (two degrees of freedom) and rotation around the Z axis (one degree of freedom).
  • a stage apparatus that moves while an object is placed can be cited. That is, the stage configured to be movable while an object is placed is the movable part P2, and the stage driving device that moves the stage in parallel on the XY plane and rotates around the Z axis is the fixed part P1.
  • M is a metal member.
  • the metal member M is a metal structure or member, and is provided on one or both of the fixed portion P1 and the movable portion P2.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a first embodiment of the non-contact power transmission apparatus 1 according to the present invention.
  • the non-contact power transmission device 1 is roughly divided into a configuration provided on the fixed portion P1 side (power feeding side) and a configuration provided on the movable portion P2 side (power receiving side).
  • the configuration on the power supply side includes an external power supply 11, a rectifier circuit 12, a power supply unit 13, a measurement unit 14, a control unit 15 and the like in addition to the above-described power supply coil L1.
  • the configuration on the power receiving side includes a power receiving circuit 21 in addition to the power receiving coil L2 described above.
  • the load 22 provided on the power receiving side is a load to which electric power transmitted in a non-contact manner is supplied, and is, for example, a motor or the like built in a device mounted on the movable part P2.
  • the external power supply 11 supplies power necessary for generating power to be transmitted to the movable part P2, for example, three-phase AC power having a voltage of 200 [V].
  • the external power supply 11 is not limited to a three-phase AC power supply, and may supply single-phase AC power such as a commercial AC power supply.
  • the rectifier circuit 12 is a circuit that rectifies AC power supplied from the external power supply 11 and converts it into DC power, and is realized by, for example, a three-phase full-wave rectifier circuit (bridge rectifier circuit) as shown in FIG.
  • the rectifier circuit 12 can be omitted.
  • the power feeding unit 13 supplies the power supplied from the rectifier circuit 12 to the movable part P2 in a non-contact manner through an electromagnetic coupling circuit formed by the power feeding coil L1 and the power receiving coil L2 provided in the movable part P2. Specifically, the power feeding unit 13 realizes non-contact power feeding to the movable part P2 by converting the DC power from the rectifier circuit 12 into AC power and applying it to the power feeding coil L1 under the control of the control unit 15. .
  • the power feeding unit 13 is a power conversion circuit that converts DC power from the rectifier circuit 12 into AC power under the control of the control unit 15.
  • the power supply unit 13 is a circuit in which switching legs 13a and 13b (a circuit including two transistors connected in series and a diode connected in parallel to each of the two transistors) are connected in parallel. It is realized with.
  • a transistor is representatively illustrated, but a power control semiconductor element such as a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) may be used.
  • MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • capacitors C1 are provided between the power supply unit 13 and the power supply coil L1.
  • This capacitor C1 forms a series resonance circuit together with the feeding coil L1.
  • One end of the feeding coil L1 is connected to the switching leg 13a of the feeding unit 13 through one capacitor C1
  • the other end of the feeding coil L1 is connected to the switching leg 13b of the feeding unit 13 through the other capacitor C1. It is connected.
  • the measurement unit 14 includes three displacement measuring devices 14a to 14c, and measures the relative position (relative position and orientation displacement) of the power receiving coil L2 with respect to the power feeding coil L1.
  • the displacement measuring device 14a measures the displacement (Xm) of the position in the X direction among the above displacements.
  • the displacement measuring device 14b measures the displacement (Ym) of the position in the Y direction among the above displacements.
  • the displacement measuring device 14c measures the displacement ( ⁇ m) of the rotation angle in the rotation direction around the Z-axis among the above displacements.
  • a magnetostrictive linear sensor, a magnescale, or a length measuring device using a light interference pattern can be used.
  • a rotary encoder, a resolver, etc. can be used as the displacement measuring instrument 14c.
  • the control unit 15 includes a transmission power selector 15a, an oscillation circuit 15b, a drive clock generation circuit 15c, and a driver control circuit 15d, and an induced current flowing through the metal member M according to the relative position measured by the measurement unit 14
  • the electric power is changed so as to decrease.
  • the control unit 15 changes the duty D of the power between the feeding coil L1 and the receiving coil L2 according to the relative position measured by the measuring unit 14 based on a duty table T (described later).
  • Duty D means an actual transmission ratio (%) with respect to the maximum power that can be transmitted from the feeding coil L1 to the receiving coil L2.
  • the transmission power selector 15a has a duty table T that stores the duty D of the power corresponding to the relative position so that the induced current flowing through the metal member M is reduced.
  • the transmission power selector 15a specifies the relative position of the receiving coil L2 with respect to the feeding coil L1 by the combination of the displacements (Xm, Ym, ⁇ m) output from the displacement measuring devices 14a to 14c of the measuring unit 14, respectively.
  • the duty D of the power at is obtained and output.
  • the transmission power selector 15a obtains the duty D using the duty table T.
  • the transmission power selector 15a is realized, for example, by cooperation between a microprocessor having a CPU (Central Processing Unit), a memory, and the like, and a program that realizes the function of the transmission power selector 15a.
  • the power receiving circuit 21 rectifies the AC power supplied from the power receiving coil L2 and converts it into DC power, and is realized by, for example, a three-phase full-wave rectifier circuit (bridge rectifier circuit) as shown in FIG.
  • a capacitor C2 is connected in parallel with the power receiving coil L2 between the power receiving coil L2 and the power receiving circuit 21.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an output waveform of the power feeding unit 13 according to the first embodiment of the present invention.
  • (A) shows the case where the duty D is 100%
  • (B) shows the case where the duty D is 50%
  • (C) shows the case where the duty D is 25%.
  • the switching leg 13b has a vertically inverted waveform.
  • the central horizontal line is a state where both the upper and lower transistors are non-conductive
  • the upper horizontal line is a state where the upper transistor is conductive
  • the lower horizontal line is a state where the lower transistor is conductive.
  • the period of each waveform is the same, (A) is that either the upper or lower transistor is always conducting, and (B) is 50% conducting, (C) is 25% conductive.
  • the duty D is the ratio of the time during which the transistors of the switching legs 13a and 13b are conducting to the total time, and the frequency is not changed. However, the frequency may be changed in combination with the duty D.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the duty table T.
  • the duty table T shows the relationship between the relative position and orientation displacement (Xm, Ym, ⁇ m) of the movable part P2 with respect to the fixed part P1 and the duty D.
  • This duty table T is set in advance according to the relative distance between the electromagnetic field generated between the feeding coil L1 and the receiving coil L2 and the metal member M based on the results of experiments and simulations performed in advance.
  • the possible values of the relative position and orientation displacement of the movable part P2 with respect to the fixed part P1 are 0 to 100 mm in the X direction and 0 to 50 mm in the Y direction.
  • the table in the case where the rotation direction around the Z axis is 0 to 359 °.
  • a duty D is defined for each combination of displacements (Xm, Ym, ⁇ m). For example, when the displacement (Xm, Ym, ⁇ m) is (11 mm, 12 mm, 6 °), a duty D of 50% is defined.
  • the duty table T shown in FIG. 4 is defined for each 1 mm for the displacements Xm and Ym and is defined for each 1 ° for the displacement ⁇ m, the number of combinations of these displacements (Xm, Ym, ⁇ m). Becomes enormous, and it takes time to create the duty table T. In order to reduce such labor, a table in which the increments of the displacement (Xm, Ym, ⁇ m) are coarsened and the relationship between the displacement (Xm, Ym, ⁇ m) and the duty D is discretely defined is created. Can also be used.
  • the displacements Xm and Ym can be defined every 10 mm, and the displacement ⁇ m can be defined every 10 °.
  • the duty D can be obtained by interpolating a value defined every 10 mm to 10 ° by linear interpolation or the like for an intermediate position of 10 mm to 10 °.
  • the transmission power selector 15a refers to the duty table T and combines the displacements (Xm, Ym, ⁇ m) output from the displacement measuring devices 14a to 14c, respectively.
  • the duty D corresponding to is obtained. That is, the transmission power selector 15a obtains the duty D only by searching the duty table T.
  • the duty D of the above-described duty table T is set in advance so that the induced current flowing through the metal member M becomes small. That is, a duty table T is created in advance according to whether or not the electromagnetic field for non-contact power transmission between the feeding coil L1 and the receiving coil L2 is close to the metal member M at a position within the movable range of the movable part P2. Keep it.
  • the duty D of the output of the switching legs 13a and 13b is set to 25%, for example, in order to greatly reduce the power of non-contact power transmission.
  • the electromagnetic field that transmits non-contact power from the feeding coil L1 to the receiving coil L2 is slightly closer to the metal member M.
  • the power of non-contact power transmission is slightly reduced, and the duty D of the output of the switching legs 13a and 13b is set to 50%, for example.
  • the duty D of the output of the switching legs 13a and 13b is set to 100%, for example. Note that the values (25%, 50%) of the duty D at the time of power reduction are merely examples, and different values may be used as long as the metal member M can be prevented from overheating.
  • the duty D of the power for non-contact power transmission is reduced based on the duty table T.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the non-contact power transmission apparatus 1 according to the present invention.
  • the non-contact power transmission device 1 of the present invention includes a supplied power measurement circuit 26 and a received power measurement circuit 30.
  • the feeding power measuring circuit 26 includes a voltage measuring device 27 that measures the voltage V1 (t) between the feeding buses, a current measuring device 28 that measures the current I1 (t) of the feeding bus, and the voltage V1 (t) and current.
  • the feed power measurement circuit 26 measures the feed power p1 fed from the feed coil L1.
  • the received power measuring circuit 30 includes a voltage measuring device 31 that measures the voltage V2 (t) between the power receiving side buses, a current measuring device 32 that measures the current I2 (t) of the power receiving side bus, and the voltage V2 (t) and current.
  • the received power measuring circuit 30 measures the received power p2 received from the receiving coil L2.
  • the received power p2 is preferably transmitted to the power feeding side via a wireless communication device (not shown).
  • the duty table T is set according to the power transmission efficiency at a relative position of the power receiving coil L2 with respect to the power feeding coil L1.
  • the movable part P2 is moved over the entire movable range while measuring the transmission efficiency (p2 / p1) of the received power p2 with respect to the supplied power p1 by the supplied power measuring circuit 26 and the received power measuring circuit 30.
  • the transmission efficiency is calculated at the relative position of each power receiving coil L2 with respect to the feeding coil L1, and the position where the transmission efficiency is low is stored in the duty table T as the position where the duty D of the power is reduced.
  • the position of the movable part P2 is moved in the X, Y, and ⁇ directions at regular intervals, the transmission efficiency is measured at each position, and the duty D at each position is set to, for example, Decide as follows.
  • Transmission efficiency of 80% or more (corresponding to the case where the metal member M is separated):
  • Duty D 100% Transmission efficiency less than 80% and 60% or more (corresponding to a case close to metal member M to some extent):
  • Duty D 50% Transmission efficiency less than 60% (close to metal member M):
  • Duty D 25%
  • X, Y, and ⁇ are moved at a constant interval (the same interval as the mesh of the duty table T) to fill the contents of the duty table T and store them in the duty table T.
  • the above numerical values are examples, and other numerical values may be used as long as the effects of the present invention can be obtained.
  • the feeding power measuring circuit 26 and the received power measuring circuit 30 may be removed after the contents of the duty table T are created. . 5 may be maintained, and the contents of the duty table T may be updated again by the same operation when the dimensions, configuration, and arrangement of the device change.
  • the same effect as in the case of the first embodiment can be obtained without the need to accurately obtain the electromagnetic field distribution by simulation or the like, or to measure with an instrument.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a third embodiment of the non-contact power transmission apparatus 1 according to the present invention.
  • the power storage element 34 is provided on the power receiving side.
  • a power storage element 34 secondary battery such as a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery, electricity A double layer capacitor, an electrolytic capacitor, etc.
  • the storage element 34 is discharged to supplement the power supply to the load 22.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the control unit 15 changes the electric power so that the induced current flowing through the metal member M is reduced according to the relative position measured by the measurement unit 14. Therefore, even if the relative positional relationship between the power feeding coil L1 and the power receiving coil L2 changes and approaches the metal member M, the induced current flowing through the metal member M is reduced, so that overheating of the metal member M can be suppressed.
  • the planar view shapes of the feeding coil L1 and the receiving coil L2 are both rectangular, but the shape of the coil is arbitrary, such as circular or elliptical, as long as non-contact power transmission is possible.
  • the shapes of the feeding coil L1 and the receiving coil L2 may be different.
  • the control unit changes the electric power so that the induced current flowing through the metal member is reduced according to the relative position measured by the measurement unit. Therefore, even if the relative positional relationship between the power receiving coil and the power feeding coil changes and approaches the metal member, the induced current flowing through the metal member is reduced, so that overheating of the metal member can be suppressed.
  • Non-contact electric power transmission apparatus 11 External power supply 12 Rectifier circuit 13 Feeding part 13a, 13b Switching leg 14 Measuring part 14a-14c Displacement measuring instrument 15 Control part 15a Transmission power selector 15b Oscillation circuit 15c Drive clock generation circuit 15d Driver control circuit 21 Power receiving circuit 22 Load 26 Power feeding power measuring circuit 27 Voltage measuring device 28 Current measuring device 29 Electric energy calculator 30 Power receiving power measuring circuit 31 Voltage measuring device 32 Current measuring device 33 Electric energy calculator 34 Power storage element L1 Power feeding coil L2 Power receiving coil P1 fixed part P2 movable part M metal member D duty T duty table

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Abstract

 給電コイル(L1)と受電コイル(L2)との間で電力を非接触で伝送する非接触電力伝送装置(1)であって、金属部材(M)と、前記給電コイルに前記電力を供給する給電部(13)と、前記受電コイルの前記給電コイルに対する相対位置を測定する測定部(14)と、前記給電部を制御する制御部(15)と、を備え、前記制御部は、前記測定部で測定された前記相対位置に応じて前記金属部材に流れる誘導電流が小さくなるように前記電力を変化させる。本発明によれば、給電コイルと受電コイルとの相対的な位置関係が変化しても金属部材に流れる誘導電流を制限し、金属部材の過熱を抑制することができる非接触電力伝送装置及び方法を提供可能である。

Description

非接触電力伝送装置及び方法
 本発明は、電力の伝送を非接触で行う非接触電力伝送装置及び方法に関する。
 本願は、2012年3月26日に日本に出願された特願2012-69247号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 非接触電力伝送装置は、電力を伝送するための配線(ケーブル)が不要であり接続の手間が省ける、接点の耐久性や接点不良を考慮する必要が無い等の様々なメリットがある。このため、近年では、家庭用電化製品等の民生用機器に設けられたバッテリを充電するための電力を伝送する用途のみならず、産業用機器(例えば、ステージ、アーム、クレーン、ロボット)を駆動する電力を伝送する用途にも用いられている。
 以下の特許文献1には、半導体製造装置における搬送装置に対して非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置が開示されている。具体的には、搬送台の移動経路である搬送路に設定された停止位置に搬送台が停止したときに、停止位置に設けられた電圧供給装置から停止状態にある搬送台に対して電磁誘導の作用によって電力を供給する技術が開示されている。また、以下の特許文献2,3には、携帯電話機等の民生用機器や車両等の移動体に対して非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置が開示されている。
日本国特開平8-51137号公報 日本国特開2008-236916号公報 日本国特開2009-225551号公報
 上述した産業用機器を駆動する電力を伝送する用途においては、給電対象機器(ステージやアーム等)の可動部が動いている状態(例えば、直線動や回転動している状態)で非接触電力伝送装置から給電対象機器へ電力伝送が行われる場合がある。
 また、このような給電対象機器は、その一部に金属部材を有するものも多い。
 しかし可動部に対して電力を伝送する場合には、可動部が動くことによって、非接触電力伝送装置の給電コイルと可動部に設けられた受電コイルとの相対位置が変化し、給電コイルから受電コイルへ電力を伝送している電磁界の分布も変化する。電磁界の分布が金属部材に近づき金属部材周辺の電磁界が強くなると、金属部材に誘導電流が流れ、非接触電力伝送の効率が低下するだけでなく、金属部材が過熱され金属部材に取り付けられている装置や部品の動作不良や故障の原因となる可能性がある。
 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、給電コイルと受電コイルとの相対的な位置関係が変化しても金属部材に流れる誘導電流を制限し、金属部材の過熱を抑制することができる非接触電力伝送装置及び方法を提供することを目的とする。
 上記課題を解決するために、本発明に係る非接触電力伝送装置の一態様は、給電コイルと受電コイルとの間で電力を非接触で伝送する非接触電力伝送装置であって、金属部材と、前記給電コイルに前記電力を供給する給電部と、前記受電コイルの前記給電コイルに対する相対位置を測定する測定部と、前記給電部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記測定部で測定された前記相対位置に応じて前記金属部材に流れる誘導電流が小さくなるように前記電力を変化させる。
 本発明に係る非接触電力伝送方法の一態様は、給電コイルと受電コイルとの間で電力を非接触で伝送する非接触電力伝送方法であって、前記給電コイルに前記電力を供給する第1ステップと、前記受電コイルの前記給電コイルに対する相対位置を測定する第2ステップと、測定された前記相対位置に応じて金属部材に流れる誘導電流が小さくなるように前記電力を変化させる第3ステップと、を備える。
 本発明によれば、制御部が、測定部で測定された相対位置に応じて金属部材に流れる誘導電流が小さくなるように電力を変化させる。したがって、受電コイルと給電コイルの相対的な位置関係が変化し金属部材に近づいても、金属部材に流れる誘導電流が小さくなるので、金属部材の過熱を抑制することができる。
本発明による非接触電力伝送装置の使用形態を示す図である。 本発明による非接触電力伝送装置の第1実施形態を示すブロック図である。 本発明の第1実施形態による給電部の出力波形を示す図である。 デューティテーブルの一例を示す図である。 本発明による非接触電力伝送装置の第2実施形態を示すブロック図である。 本発明による非接触電力伝送装置の第3実施形態を示すブロック図である。
 以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
 図1は、本発明による非接触電力伝送装置1の使用形態を示す図である。
 この図において、非接触電力伝送装置1は、給電コイルL1と受電コイルL2とを備えており、給電コイルL1から受電コイルL2に対して電力を非接触で伝送する。
 図1に示す給電コイルL1及び受電コイルL2は、平面視形状(Z方向に見た形状)が共に長方形形状のコイルであり、これらが近接した状態に配置されることによって電磁気結合回路が形成される。この電磁気結合回路は、給電コイルL1と受電コイルL2とが電磁気的に結合して給電コイルL1から受電コイルL2への非接触の給電が行われる回路を意味する。すなわち、電磁気結合回路は、「電磁誘導方式」で給電を行う回路と、「電磁界共鳴方式」で給電を行う回路との何れの回路であっても良い。
 給電コイルL1は、位置及び姿勢が固定された固定部P1に設けられており、受電コイルL2は、位置及び姿勢が可変である可動部P2に設けられている。このため、可動部P2の位置及び姿勢が変化することによって、固定部P1の給電コイルL1と可動部P2の受電コイルL2との相対的な位置及び姿勢が変化する。なお、電力伝送効率の過度な低下を防止するため、固定部P1の給電コイルL1は、可動部P2の可動範囲内でおおむね受電コイルL2に正対する位置に取り付けられる。
 ここで、本明細書において、「位置」とは、図1中に示したXYZ直交座標系におけるX方向,Y方向,Z方向の位置をいい、「姿勢」とはX軸,Y軸,Z軸周りの回転をいう。また、「相対位置」とは、「相対的な位置及び姿勢の変位」を意味する。
 なお、本実施形態では、説明を簡単にするために、可動部P2は、XY平面内の並行移動(2自由度)とZ軸周りの回転(1自由度)との3自由度を有するものであるとする。このような固定部P1及び可動部P2を備える装置としては、例えば物体を載置した状態で移動させるステージ装置が挙げられる。つまり、物体を載置した状態で移動可能に構成されたステージが可動部P2であり、ステージをXY平面内で並行移動させるとともにZ軸周りに回転させるステージ駆動装置が固定部P1である。
 また、図1において、Mは金属部材である。金属部材Mは、金属製の構造物や部材であり、固定部P1又は可動部P2の一方又は両方に設けられている。
 図2は、本発明による非接触電力伝送装置1の第1実施形態を示すブロック図である。
 この図に示す通り、非接触電力伝送装置1は、固定部P1側(給電側)に設けられる構成と、可動部P2側(受電側)に設けられる構成とに大別される。給電側の構成は、上述した給電コイルL1に加えて、外部電源11、整流回路12、給電部13、測定部14、及び制御部15等からなる。これに対し、受電側の構成は、上述した受電コイルL2に加えて受電回路21等からなる。なお、受電側に設けられる負荷22は、非接触で伝送された電力が供給される負荷であり、例えば可動部P2に搭載された機器に内蔵されるモータ等である。
 外部電源11は、可動部P2に伝送すべき電力を生成するために必要となる電力、例えば電圧が200[V]である三相交流電力を供給する。なお、この外部電源11は、三相交流電源に限られることはなく、商用交流電源のような単相交流電力を供給しても良い。
 整流回路12は、外部電源11から供給される交流電力を整流して直流電力に変換する回路であり、例えば図2に示す通り、三相全波整流回路(ブリッジ整流回路)で実現される。
 外部電源11として燃料電池や太陽電池など直流電源を利用することも可能である。この場合、整流回路12は省略可能である。
 給電部13は、整流回路12から供給される電力を、給電コイルL1と可動部P2に設けられる受電コイルL2とによって形成される電磁気結合回路を介して非接触で可動部P2に供給する。具体的に、給電部13は、制御部15の制御の下で、整流回路12からの直流電力を交流電力に変換して給電コイルL1に与えることにより、可動部P2に対する非接触給電を実現する。
 つまり、給電部13は、制御部15の制御によって、整流回路12からの直流電力を交流電力に変換する電力変換回路である。この給電部13は、例えば図2に示す通り、スイッチングレッグ13a,13b(直列接続された2つのトランジスタと、これら2つのトランジスタにそれぞれ並列接続されたダイオードとからなる回路)が並列接続された回路で実現される。なお、ここではトランジスタで代表させているが、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの電力制御半導体素子でもよい。
 なお、給電部13と給電コイルL1との間には2つのコンデンサC1が設けられている。このコンデンサC1は、給電コイルL1とともに直列共振回路を形成する。給電コイルL1の一端は、一方のコンデンサC1を介して給電部13のスイッチングレッグ13aに接続されており、給電コイルL1の他端は、他方のコンデンサC1を介して給電部13のスイッチングレッグ13bに接続されている。
 測定部14は、3つの変位測定器14a~14cを備えており、受電コイルL2の給電コイルL1に対する相対位置(相対的な位置及び姿勢の変位)を測定する。変位測定器14aは、上記の変位のうちのX方向における位置の変位(Xm)を測定する。変位測定器14bは、上記の変位のうちのY方向における位置の変位(Ym)を測定する。変位測定器14cは、上記の変位のうちのZ軸周りの回転方向における回転角の変位(θm)を測定する。変位測定器14a,14bとしては、例えば磁歪式リニアセンサ、マグネスケール、光の干渉パターンを用いた測長器を用いることができる。また、変位測定器14cとしては、ロータリーエンコーダやレゾルバ等を使用することができる。
 制御部15は、伝送電力選択器15a、発振回路15b、駆動クロック生成回路15c、及びドライバ制御回路15dを備え、測定部14で測定された前記相対位置に応じて金属部材Mに流れる誘導電流が小さくなるように前記電力を変化させる。
 この例において、制御部15は、デューティテーブルT(後述する)に基づき、測定部14で測定された前記相対位置に応じて給電コイルL1と受電コイルL2間の電力のデューティDを変化させる。
 なお「デューティD」とは、給電コイルL1から受電コイルL2へ伝送可能な最大電力に対する実際の伝送比率(%)を意味する。
 伝送電力選択器15aは、金属部材Mに流れる誘導電流が小さくなるように前記相対位置に対応する電力のデューティDを記憶するデューティテーブルTを有する。伝送電力選択器15aは、測定部14の変位測定器14a~14cからそれぞれ出力される変位(Xm,Ym,θm)の組み合わせによって受電コイルL2の給電コイルL1に対する相対位置を特定し、その相対位置における電力のデューティDを求めて出力する。
 具体的に、伝送電力選択器15aは、デューティテーブルTを用いて、上記のデューティDを求める。なお、伝送電力選択器15aは、例えばCPU(中央処理装置)及びメモリ等を有するマイクロプロセッサと、伝送電力選択器15aの機能を実現するプログラムとの協働によって実現される。
 受電回路21は、受電コイルL2から供給される交流電力を整流して直流電力に変換し、例えば図2に示す通り、三相全波整流回路(ブリッジ整流回路)で実現される。また、受電コイルL2と受電回路21との間において、コンデンサC2が受電コイルL2と並列に接続されている。
 図3は、本発明の第1実施形態による給電部13の出力波形を示す図である。
 この図において、(A)はデューティDが100%、(B)は同50%、(C)は同25%の場合であり、それぞれスイッチングレッグ13aの波形を示している。なお、スイッチングレッグ13bは上下反転した波形となる。
 各図において、中心の水平線は上下のトランジスタが両方とも非導通の状態であり、上側の水平線は上のトランジスタが導通した状態、下側の水平線は下のトランジスタが導通した状態である。
 図3の(A)(B)(C)において、各波形の周期は同一であり、(A)は上下どちらかのトランジスタが常に導通しており、(B)は50%導通しており、(C)は25%導通している。
 なおこの例において、デューティDは、スイッチングレッグ13a,13bのトランジスタが導通している時間の全体の時間に対する比率であり、周波数は変えていない。しかし、デューティDと併用して周波数を変化させてもよい。
 上述した給電部13の出力波形を給電コイルL1から出力することにより、給電コイルL1と受電コイルL2間の伝送電力を制御することができる。
 図4は、デューティテーブルTの一例を示す図である。
 この図に示す通り、デューティテーブルTは、固定部P1に対する可動部P2の相対的な位置及び姿勢の変位(Xm,Ym,θm)と、デューティDとの関係を示す。このデューティテーブルTは、予め行われた実験やシミュレーションの結果に基づいて、給電コイルL1と受電コイルL2間に発生する電磁界と金属部材Mとの相対距離に応じて、予め設定されている。
 図4に示すデューティテーブルTは、固定部P1に対する可動部P2の相対的な位置及び姿勢の変位の取り得る値が、X方向については0~100mmであり、Y方向については0~50mmであり、Z軸周りの回転方向については0~359°である場合のテーブルである。この図に示す通り、デューティテーブルTでは、変位(Xm,Ym,θm)の組み合わせ毎に、デューティDが規定されている。例えば、変位(Xm,Ym,θm)が(11mm,12mm,6°)である場合には、50%のデューティDが規定されている。
 ここで、図4に示すデューティテーブルTは、変位Xm,Ymについては1mm毎に規定され、変位θmについては1°毎に規定されているため、これら変位(Xm,Ym,θm)の組み合わせ数が膨大になり、デューティテーブルTを作成する手間がかかる。このような手間を軽減するために、変位(Xm,Ym,θm)の刻みが粗くされて、変位(Xm,Ym,θm)とデューティDとの関係が離散的に規定されたテーブルを作成して用いることもできる。例えば、変位Xm,Ymについては10mm毎に規定され、変位θmについては10°毎に規定されたものを用いることができる。この場合、10mmないし10°の刻みの中間の位置に対しては、10mm毎ないし10°毎に規定された値を線形補間等により補間してデューティDを求めることができる。
 図4に示すデューティテーブルTが用いられる場合には、伝送電力選択器15aは、デューティテーブルTを参照して、変位測定器14a~14cからそれぞれ出力される変位(Xm,Ym,θm)の組み合わせに対応したデューティDを求める。即ち、伝送電力選択器15aは、デューティテーブルTの検索のみによってデューティDを求める。
 上述したデューティテーブルTのデューティDは、金属部材Mに流れる誘導電流が小さくなるように予め設定されている。すなわち、可動部P2の可動範囲内の位置に対して、給電コイルL1と受電コイルL2の間で非接触電力伝送する電磁界が金属部材Mに近いかどうかに応じて予めデューティテーブルTを作成しておく。
 例えば、図1において、可動部P2が図中で左に寄っているときは、給電コイルL1から受電コイルL2へ非接触電力伝送する電磁界が金属部材Mに接近している。したがって、非接触電力伝送の電力を大きく低下させるため、スイッチングレッグ13a,13bの出力のデューティDを例えば25%にする。
 また、可動部P2が左右の中間に位置しているときは、給電コイルL1から受電コイルL2へ非接触電力伝送する電磁界が金属部材Mに少し接近している。したがって、非接触電力伝送の電力を少し低下させ、スイッチングレッグ13a,13bの出力のデューティDを例えば50%にする。
 さらに、可動部P2が右に寄っているときは、給電コイルL1から受電コイルL2へ非接触電力伝送する電磁界は金属部材Mから離れている。したがって、非接触電力伝送の電力を低下させる必要がなく、スイッチングレッグ13a,13bの出力のデューティDを例えば100%にする。
 なお、電力低下時のデューティDの値(25%,50%)は一例であり、金属部材Mの過熱を防止できれば異なる値でよい。
 測定部14により受電コイルL2の給電コイルL1に対する相対位置を測定し、その相対位置における電磁界が金属部材Mに近いのであれば、デューティテーブルTに基づき非接触電力伝送の電力のデューティDを低下させる。
 従って、この構成より、金属部材Mの過熱が抑制され、金属部材Mに取り付けられている装置や部品の動作不良や故障を防止し、かつエネルギーの無駄を低減することができる。
 図5は、本発明による非接触電力伝送装置1の第2実施形態を示すブロック図である。
 この例において、本発明の非接触電力伝送装置1は、給電電力測定回路26と受電電力測定回路30とを備える。
 給電電力測定回路26は、給電側母線間の電圧V1(t)を測定する電圧測定器27、給電側母線の電流I1(t)を測定する電流測定器28、及び電圧V1(t)と電流I1(t)から給電側の電力p1(=V1(t)×I1(t))を演算する電力量演算器29を有する。給電電力測定回路26は、給電コイルL1から給電される給電電力p1を測定する。
 受電電力測定回路30は、受電側母線間の電圧V2(t)を測定する電圧測定器31、受電側母線の電流I2(t)を測定する電流測定器32、及び電圧V2(t)と電流I2(t)から受電側の電力p2(=V2(t)×I2(t))を演算する電力量演算器33を有する。受電電力測定回路30は、受電コイルL2から受電される受電電力p2を測定する。
 受電電力p2は、図示しない無線通信装置を介して給電側に送信されるのがよい。
 デューティテーブルTは、受電コイルL2の給電コイルL1に対する相対位置における電力の伝送効率に応じて設定される。
 電磁界は目に見えないため、可動部P2のそれぞれの位置において電磁界が金属部材Mに近いかどうかを判断することが難しい。
 従って、この実施形態では、給電電力測定回路26と受電電力測定回路30により受電電力p2の給電電力p1に対する伝送効率(p2/p1)を測定しながら可動部P2を移動可能な範囲全体にわたって動かす。それぞれの受電コイルL2の給電コイルL1に対する相対位置において伝送効率を計算し、伝送効率が低い位置を、電力のデューティDを低下させる位置としてデューティテーブルTに記憶させる。
 図5に示される第2実施形態において、可動部P2の位置を、X,Y,θ方向に一定ずつ移動させ、それぞれの位置で伝送効率を実測し、それぞれの位置におけるデューティDを例えば以下のように決める。
 伝送効率80%以上(金属部材Mから離れている場合に相当):デューティD=100%
 伝送効率80%未満60%以上(金属部材Mにある程度近い場合に相当):デューティD=50%
 伝送効率60%未満(金属部材Mに近い):デューティD=25%
 移動可能な範囲内で、X,Y,θを一定間隔(デューティテーブルTのメッシュと同じ間隔)で動かしてデューティテーブルTの内容を埋めて、デューティテーブルTに記憶させる。
 なお、以上の数値は一例であり、本発明の効果が得られるのであれば他の数値であってもよい。
 なお機器の寸法、構成、配置が変わらなければデューティテーブルTの内容を変える必要はないので、給電電力測定回路26と受電電力測定回路30はデューティテーブルTの内容を作成した後で取り外してもよい。
 また、図5の構成を保ったままとし、機器の寸法、構成、配置が変化した場合には同じ操作により再度デューティテーブルTの内容を更新してもよい。
 上述した構成により、電磁界分布をシミュレーション等で正確に求めたり、測定器で測定する必要なしに、第1実施形態の場合と同一の効果が得られる。
 図6は、本発明による非接触電力伝送装置1の第3実施形態を示すブロック図である。
 この例では、受電側に電力蓄積要素34を備える。
 伝送電力を低下させている位置(デューティDが小さい位置)で負荷22への電力供給が不足する可能性がある場合、電力蓄積要素34(リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの2次電池、電気二重層キャパシタ、電解コンデンサ、など)を受電側に付加し、伝送電力を低下させない位置(デューティDが大きい位置)で電力を電力蓄積要素34に蓄積しておき、伝送電力を低下させる位置では電力蓄積要素34から放電させて負荷22への電力供給を補う。
 その他の構成は、第1実施形態と同様である。
 上述した本発明の装置と方法によれば、制御部15が、測定部14で測定された相対位置に応じて金属部材Mに流れる誘導電流が小さくなるように電力を変化させる。したがって、給電コイルL1と受電コイルL2の相対的な位置関係が変化し金属部材Mに近づいても、金属部材Mに流れる誘導電流が小さくなるので、金属部材Mの過熱を抑制することができる。
 なお、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。
 例えば上述の実施形態において給電コイルL1及び受電コイルL2の平面視形状を共に長方形形状としたが、非接触電力伝送が可能であればコイルの形状は円形、楕円形状等任意である。給電コイルL1と受電コイルL2の形状が異なっていてもよい。
 本発明によれば、制御部が、測定部で測定された相対位置に応じて金属部材に流れる誘導電流が小さくなるように電力を変化させる。したがって、受電コイルと給電コイルの相対的な位置関係が変化し金属部材に近づいても、金属部材に流れる誘導電流が小さくなるので、金属部材の過熱を抑制することができる。
 1 非接触電力伝送装置
 11 外部電源
 12 整流回路
 13 給電部
 13a,13b スイッチングレッグ
 14 測定部
 14a~14c 変位測定器
 15 制御部
 15a 伝送電力選択器
 15b 発振回路
 15c 駆動クロック生成回路
 15d ドライバ制御回路
 21 受電回路
 22 負荷
 26 給電電力測定回路
 27 電圧測定器
 28 電流測定器
 29 電力量演算器
 30 受電電力測定回路
 31 電圧測定器
 32 電流測定器
 33 電力量演算器
 34 電力蓄積要素
 L1 給電コイル
 L2 受電コイル
 P1 固定部
 P2 可動部
 M 金属部材
 D デューティ
 T デューティテーブル

Claims (6)

  1.  給電コイルと受電コイルとの間で電力を非接触で伝送する非接触電力伝送装置であって、
     金属部材と、
     前記給電コイルに前記電力を供給する給電部と、
     前記受電コイルの前記給電コイルに対する相対位置を測定する測定部と、
     前記給電部を制御する制御部と、を備え、
     前記制御部は、前記測定部で測定された前記相対位置に応じて前記金属部材に流れる誘導電流が小さくなるように前記電力を変化させる
    非接触電力伝送装置。
  2.  前記制御部は、前記金属部材に流れる前記誘導電流が小さくなるように前記相対位置に応じて設定される前記電力のデューティを記憶するデューティテーブルを有し、前記デューティテーブルに基づき、前記測定部で測定された前記相対位置に応じて前記電力の前記デューティを変化させる請求項1に記載の非接触電力伝送装置。
  3.  前記デューティテーブルは、前記給電コイルと前記受電コイルとの間に発生する電磁界と前記金属部材との相対距離に応じて、予め設定されている請求項2記載の非接触電力伝送装置。
  4.  前記給電コイルから給電される給電電力を測定する給電電力測定回路と、
     前記受電コイルから受電される受電電力を測定する受電電力測定回路と、をさらに備え、
     前記デューティテーブルは、前記相対位置における前記電力の伝送効率に応じて設定される請求項2記載の非接触電力伝送装置。
  5.  給電コイルと受電コイルとの間で電力を非接触で伝送する非接触電力伝送方法であって、
     前記給電コイルに前記電力を供給する第1ステップと、
     前記受電コイルの前記給電コイルに対する相対位置を測定する第2ステップと、
     測定された前記相対位置に応じて金属部材に流れる誘導電流が小さくなるように前記電力を変化させる第3ステップと、
    を備える非接触電力伝送方法。
  6.  前記第3ステップにおいて、前記金属部材に流れる前記誘導電流が小さくなるように前記相対位置に応じて設定される前記電力のデューティを記憶するデューティテーブルに基づき、測定された前記相対位置に応じて前記電力の前記デューティを変化させる請求項5に記載の非接触電力伝送方法。
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