WO2016002733A1 - 無線給電装置および無線給電システム - Google Patents

無線給電装置および無線給電システム Download PDF

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大久保　政志
浩一 市来
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シナノケンシ株式会社
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    • H02J50/90—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving detection or optimisation of position, e.g. alignment

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power feeding apparatus that supplies power without using an electric wire, and a wireless power feeding system using the wireless power feeding apparatus.
  • the conventional wireless power feeding technology using electromagnetic induction is designed on the assumption that power is supplied in a state where the receiving coil and the feeding coil are close to each other and face each other at a specific distance.
  • wireless power is supplied only when the object moves to a specific position where power can be supplied.
  • the power supply coil moves to a position where power can be supplied and power is supplied, but the object to be supplied is assumed not to move during power supply.
  • JP 2010-066331 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-176777 JP 2010-263663 A
  • the system Since the conventional system does not consider the movement of the object to be fed, the system is designed on the assumption that the feeding coil and the receiving coil are close to each other.
  • the system is designed on the assumption that the feeding coil and the receiving coil are close to each other.
  • it is necessary to design the magnetic flux distribution to be uniform and wide with respect to the power supply range.
  • the experimental device since the experimental device having the power receiving coil is moving, it is necessary to stably perform wireless power feeding to the experimental device.
  • a similar problem occurs when power is supplied to the sensor by wireless power feeding.
  • the present invention was made to solve the above-mentioned problems.
  • a wireless power feeding device of the present invention is a device that wirelessly supplies power so that a moving body that moves in a specific space can receive power, and includes a power feeding coil that wirelessly supplies power.
  • the position is adjustable. With this feature, the position of the feeding coil can be adjusted according to the moving body.
  • the wireless power feeder of the present invention is characterized in that a part or all of the specific space is enclosed in a power feeding coil. Due to this feature, part or all of the specific space is included in the feeding coil. That is, the space inside the feeding coil can be set as the specific space.
  • the wireless power feeding device of the present invention is characterized by having a power feeding coil position adjustment mechanism that can move the power feeding coil to a position where the existence probability of the moving object is high.
  • the power feeding coil can be moved to a position where the existence probability of the moving object existing in the specific space is the highest, and power can be supplied efficiently.
  • the wireless power feeding system of the present invention is characterized by having a power feeding position adjusting mechanism that moves the power feeding coil to an appropriate position so as to minimize the influence on the power to be fed from the outside by using the power feeding device described above. Yes.
  • the wireless power feeding system of the present invention uses the above-described power feeding device to feed a feeding coil to an appropriate position so that fluctuations in the amount of feeding to the moving body caused by changes in the position of the moving body are minimized. It has an adjustment mechanism. With this feature, it is possible to move the power feeding coil to an appropriate position by measuring the amount of received power of the moving body with respect to the position change of the moving body while using the above-described power feeding device.
  • the wireless power feeding system of the present invention is characterized by having a power feeding position adjusting mechanism that moves the power feeding coil to an appropriate position in accordance with the power reception status of the moving body.
  • the power feeding coil can be moved to a position where the power receiving efficiency is higher with respect to a change in the power receiving situation due to some factor of the moving body while using the above power feeding device.
  • the magnetic flux distribution problem, the leakage magnetic flux problem, and the peripheral magnetic material problem can be solved, and it is possible to perform the non-electric power feeding stably and in a power saving manner over a wide range in a specific region. As a result, it is possible to supply power while moving an object moving within a certain range.
  • the actuators and sensors that previously supplied power to the rotating part with a slip ring, such as a robot arm, can now be used for a variety of applications, such as eliminating the need for a slip ring and reducing the size and extending the service life. it can.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the basic concept of the present invention, and explains magnetic field analysis in the case where there is a moving body that receives power in a rectangular section of the feeding coil 3.
  • Magnetic analysis was performed using JMAG Designer of JSOL for the magnetic flux density generated when a current of 1 A was passed through a rectangular coil of 150 mm ⁇ 300 mm ⁇ 10 mm ⁇ 10 turns shown in FIG.
  • the magnetic flux suddenly decreases as the distance from the coil increases.
  • the X-axis and the Y-axis mean horizontal coordinates, and the Z-axis means the height direction (vertical direction). Because of the relative relationship with the position of the coil, the Z-axis is not necessarily in the vertical direction.
  • the power feeding efficiency can be increased by determining the position of the power feeding coil (Z-axis direction) in accordance with the height of the power receiving coil inside the moving body.
  • the characteristic is on the inner side of the coil conductor, and a stable magnetic flux density cannot be expected on the outer side (the side far in the circumferential direction). Therefore, it is desirable that the moving body exists inside the coil.
  • a small animal experimental device is used as a moving body as a moving body, and the feeding coil can be moved horizontally in the X and Y axis directions and moved in the Z axis direction (vertical direction) outside the cage (made of synthetic resin) in which the experimental small animals are placed.
  • An example of supplying power will be described with reference to FIG.
  • the wireless power feeding device 1 includes a power feeding device 2 and a power feeding coil 3.
  • the power feeding coil 3 performs wireless power feeding to the moving body 10 serving as a power receiving body.
  • the moving body 10 is placed in a cage 5 made of synthetic resin.
  • the power feeding coil 3 for wireless power feeding is wound around the outside of the cage 5 so as to circulate horizontally, and is arranged so as to be movable in the Z-axis direction by the actuator 4.
  • the feeding coil 3 is connected to the wireless power feeding control unit 21 and is supplied with feeding power of a radio frequency.
  • the moving body 10 is assumed to move not only in the XY plane in the cage 5 but also in the Z-axis direction (vertical direction).
  • the feeding coil 3 can be moved in the Z-axis direction by the actuator control unit 22, and the position thereof is controlled in accordance with the position of the moving body 10 serving as a power receiving body, thereby increasing the feeding efficiency.
  • the wireless power feeding system according to the present invention includes such a wireless power feeding apparatus, an actuator that controls the position of the power feeding coil, and a control unit that controls the actuator.
  • the control unit described above may be capable of measuring the impedance of the feeding coil.
  • An example of this configuration is shown in FIG.
  • the impedance measurement unit 24 measures the impedance of the feeding coil 3 and grasps the influence of an external electromagnetic wave.
  • the position of the feeding coil 3 can be moved by controlling the actuator 4 to a position in the Z-axis direction suitable for feeding to the moving body 10.
  • the position of the feeding coil 3 is set so as to reduce the mutual influence between the feeding devices when there are a plurality of feeding coils 3 in the same room or the like. Can be adjusted.
  • the power reception status of the mobile body may be notified to the control unit on the power supply side by wireless communication other than power supply.
  • An example of this configuration is shown in FIG.
  • the mobile unit 10 includes a wireless unit 11 and notifies the wireless unit 23 of the power feeding apparatus 2 of the reception status from the wireless unit 11.
  • the power feeding device 2 can control the height of the power feeding coil 3 in the Z-axis direction using the actuator 4 in accordance with the reception status notified from the moving body 10.
  • the feeding coil may be moved by searching for a height (Z-axis direction) with little change.
  • the feeding coil may be moved by snooping in the direction.
  • the example in which the position of the power feeding coil 3 is moved by the actuator 4 has been described.
  • a plurality of power feeding coils 3 may be provided, and the power feeding coil 3 having a good power feeding state may be switched depending on the position of the moving body 10.
  • An example is shown in FIG.
  • a plurality of power supply coils 3-1, 3-2, 3-3,... Are provided in the Z-axis direction, and power supply to the power supply coil 3 can be switched by the changeover switch 24. Thereby, it is possible to appropriately supply power to the moving body 3 without using an actuator.
  • the power supply coil may be slidably provided in a cage or the like, and may be moved to a position where the power supply state is good.
  • a value having the highest appearance frequency is adopted among the heights (positions in the Z-axis direction) of the power receiving coils of the respective moving bodies, and the height (in the Z-axis direction) is adopted. It is better to adjust the feeding coil so that it becomes (position).
  • the moving body using the small animal experiment apparatus as a power receiver has been described.
  • the moving body is not limited to the above example.
  • it may be a toy or a mobile machine tool.
  • the mobile body which incorporated the sensor which moves in the fixed space may be sufficient.
  • the wireless power supply device that can be mass-produced and the wireless power supply system using the same can realize flexible and efficient power supply by a moving body, and can be expected to be useful and possible for new applications by application to other fields. Have.

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Abstract

　移動体へ無線で給電する方法は従来存在しているが、移動体の位置による給電効率の変化が大きく利用が難しかった。　特定空間を内包するように給電コイルを巻回することにより、特定空間においては位置変化に対する給電効率の変動が小さくなるようにする。

Description

無線給電装置および無線給電システム
　本発明は、電線を用いないで電力を供給する無線給電装置、およびこの無線給電装置を用いた無線給電システムに関するものである。
　従来の電磁誘導作用での無線給電技術は、特定距離で受電コイルと給電コイルが近接し対面した状態で給電することを前提として設計されている。移動する物体に給電を行う場合、給電可能な特定位置に移動した時にのみ無線給電される。（例えば特開２０１０－０６３３６１など）
　これらは、近接での給電効率を上げるためコイル背面などにフェライト等の磁性体を設置してコイル付近に磁束が集中する構造となっている。（例えば特開平１１－１７６６７７など）
　また、給電コイルが給電可能な位置に移動し給電する場合もあるが、給電される物体は給電中の移動をしない前提となっている。（例えば特開２０１０－２６３６６３など）
特開２０１０－０６３３６１公報 特開平１１－１７６６７７公報 特開２０１０－２６３６６３公報
　従来のシステムでは給電される物体が移動することを考慮していないため、給電コイルと受電コイルが近接して対面することを前提として設計されている。一方、移動する物体に対して安定して給電する場合には、給電する範囲に対して磁束分布を均一かつ広範囲となるように設計する必要がある。
　例えば、小動物に小型の実験用装置を付けて長時間実験を行う場合に、実験動物は移動するため、実験用装置に無線で給電することが好ましい。このような場合、受電コイルがある実験用装置は移動しているので、実験用装置への無線給電が安定して行われる必要がある。
　さらに、センサを取り付けた装置がある空間内を移動している場合に、当該センサへの給電を無線給電で行おうとする場合にも同様の問題が生ずる。
　また、給電されるエネルギー量が給電可能範囲の中でも大きく異なるため、逆に給電コイル付近に受電コイルが位置する場合には電力が過剰供給状態となるため、過剰電力を何らかの方法で消費する必要がある。（磁束分布問題）
　無線給電は、受電コイルを通過する磁束の量により給電量が大きく変動するが、磁束密度は、ビオサバールの法則によりコイルの距離が離れると大きく減衰する。そのため、給電範囲がコイル位置より遠く離れる場所に給電を行う場合、コイルが必要とする電力が大きくなると同時に、周囲へ、大量の漏れ磁束が発生し周囲の金属に誘導電流を発生させ電力損失や金属の過熱等が問題となる。（漏れ磁束問題）
　更には、給電コイル近くに磁性体が存在する場合、給電コイル付近に磁束が集中し遠距離に給電可能な磁束を発生させることが困難となり、遠距離での給電ができなくなるという問題がある。（周辺磁性体問題）
　そこで上述の問題を解決すべく本発明が成された。
　本発明の無線給電装置は、特定空間内を移動する移動体が電力を受電できるよう無線で電力を供給する装置であって、無線で電力を供給するための給電コイルを有し、給電コイルの位置が調整可能であることを特徴としている。
　この特徴により、給電コイルの位置を移動体に応じて調整可能とすることが出来る。
　更に本発明の無線給電装置は、特定空間の一部または全部が給電コイルに内包されることを特徴としている。
　この特徴により、特定空間の一部または全部が給電コイルに内包される。即ち給電コイルの内側の空間を特定空間とすることが可能となる。
　加えて、本発明の無線給電装置は、給電コイルを移動体の存在確率が高い位置へ移動させることが可能な給電コイル位置調整機構を有することを特徴としている。
　この特徴により、特定空間内に存在する移動体の存在確率が最も高い位置へ給電コイルを移動させることができ、効率的に給電することが可能となる。
　更に本発明の無線給電システムは、前述の給電装置を用いて、給電する電力に対する外部から受ける影響が最小限となるよう給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有することを特徴としている。
　この特徴により、前述の給電装置を用いながら給電コイルの位置変化に対するインピーダンス変動を計測することにより給電効率の最も良い（＝外部からの影響が最小）位置へと給電コイルを移動させることができる。
　また本発明の無線給電システムは、前述の給電装置を用いて、移動体の位置の変化によって生ずる移動体への給電量の変動が最小限となるよう給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有することを特徴としている。
　この特徴により、前述の給電装置を用いながら移動体の位置変化に対する移動体の受電量変動を計測して給電コイルを適切な位置へ移動させることが可能となる。
　本発明の無線給電システムは、移動体の受電状況に応じて給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有することを特徴としている。
　この特徴により、前述の給電装置を用いながら移動体の何かしらの要因による受電状況の変化に対してより受電効率の高くなる位置へ給電コイルを移動させることが可能となる。
　本発明により磁束分布問題・漏れ磁束問題・周辺磁性体問題が解決でき、特定領域内の広範囲にわたって安定且つ省電力に無電給電を行うことが可能となる。
　これにより、一定範囲内を移動する物体に対して移動しながらの給電が可能となる。これまでロボットアーム等のスリップリングで回転部に給電していたアクチュエータやセンサが無線給電となることによって、スリップリングが不要になり小型化・長寿命化が可能となるなど、多彩な用途に利用できる。
本発明の基本的な概念を示す斜視図である。 本発明の概念に基づいて実施したシミュレーションの結果を表すグラフである。 給電コイルの位置をアクチュエータで移動させる例を示す図である。 インピーダンスを測定して給電コイルの位置を変化させる例を示す図である。 移動体からの無線により給電コイルの位置を変化させる例を示す図である。 複数の給電コイルを切り替えて給電する例を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明を説明する。図１は、本発明の基本概念を説明する図であり、給電コイル３の長方形の区画内に受電を行う移動体がある場合の磁界解析を説明している。
　図１に示す１５０ｍｍＸ３００ｍｍＸ１０ｍｍ・１０ターンの長方形のコイルに１Ａの電流を流した場合に発生する磁束密度について、磁気解析をＪＳＯＬ社のJMAG Designerを使用して解析を行った。
　図１のコイル中心を原点としてY=0における各Ｚ軸高さにおけるＺ軸方向の磁束密度分布を図２に示す。
　これからわかるように、コイルから距離が遠くなるにつれて急激に磁束が減少していることがわかる。例えば、Ｚ軸方向、高さ200mmの範囲まで給電することを考えた場合、中心付近においてはZ=50mmの場合とZ=200mmの場合では磁束が1/7となっており、給電可能な電力も大きく異なることがわかった。
　一方、同じＺ軸方向高さ200mmの範囲まで給電する場合においても、コイル位置をＺ軸方向高さ100mmに配置した場合、磁束はZ=50mmとZ=100mmの間で変動することになるので、給電可能な電力の変動が1/2になることがわかった。
　これにより、コイル位置を最適化することで給電可能な電力の大幅な減衰を抑えると同時に急激な変動を抑えられることがわかった。
　尚、図１は、Ｘ軸とＹ軸は水平方向の座標を意味し、Ｚ軸は高さ方向（鉛直方向）を意味する。コイルの位置との相対関係であるため必ずしもＺ軸が鉛直方向である必要は無い。
　移動体の内部にある受電コイルの高さに合せて給電コイルの位置（Ｚ軸方向）を決定することにより給電効率を高めることができる。
　また、図２に示す通り、コイルの導体より内側での特性であり、外側（周方向に遠い側）においては安定した磁束密度が期待できない。よって、コイルの内側に移動体が存在することが望ましい。
　ここで、移動体として小動物実験装置を受電体とし、実験小動物を入れるケージ（合成樹脂製）の外側に給電コイルをＸ，Ｙ軸方向を水平におき、Ｚ軸方向（垂直方向）に移動可能として給電する例を図３を参照して説明する。
　無線給電装置１は、給電装置２と給電コイル３とを備える。給電コイル３は、受電体となる移動体１０に無線給電を行う。ここで、移動体１０は、合成樹脂製のケージ５に入れられている。無線給電用の給電コイル３は、ケージ５の外側に水平に周回するように巻回され、アクチュエータ４でＺ軸方向に移動できるように配置されている。給電コイル３は、無線給電制御部２１に接続され、無線周波数の給電電力が付与される。移動体１０は、ケージ５内のＸＹ平面だけでなく、Ｚ軸方向（垂直方向）にも移動するものとする。
　給電コイル３は、アクチュエータ制御部２２により、Ｚ軸方向に移動でき、受電体となる移動体１０の位置に合わせてその位置が制御され、給電効率を高める。
　本発明における無線給電システムはこのような無線給電装置と給電コイルの位置を制御するアクチュエータとアクチュエータを制御する制御部とからなるものである。
　前述の制御部が給電コイルのインピーダンスを計測可能としても良い。この構成の例を図４として示す。インピーダンス測定部２４は、給電コイル３のインピーダンスを測定し、外部からの電磁波の影響を把握する。そして、この計測の結果を加味し、移動体１０への給電に適したＺ軸方向の位置にアクチュエータ４を制御して給電コイル３の位置を移動させることが可能である。
　これにより、外部からの電磁界の影響を把握できるため、同一の部屋等に複数の給電コイル３が存在するような場合の給電装置間の相互の影響を小さくするように給電コイル３の位置を調節できる。
　また、移動体の受電状況を給電以外の無線通信で給電側の制御部へ通知するようにしても良い。この構成の例を図５に示す。移動体１０には、無線部１１を備えており、無線部１１から給電装置２の無線部２３へその受信状況を通知する。給電装置２は、移動体１０から通知された受信状況に応じて給電コイル３のＺ軸方向の高さをアクチュエータ４を用いて制御することができる。
　移動体が水平方向（Ｘ軸Ｙ軸方向）に移動した際の受電量（＝磁束密度）の変化を給電側の制御部へ通知することにより、制御部はより水平方向の移動に対する磁束密度の変化の少ない高さ（Ｚ軸方向）を摸索して給電コイルを移動させるようにしても良い。
　また、移動体が特に移動していないにもかかわらず受電量（＝磁束密度）が変化することも考えられる。移動体自体が自身の重心を中心としてヨーイング・ピッチング・ローリングをすると受電コイルが変位するため当然として受電量が変化する。この様な移動体の動作の内容と受電量の変化をヒモ付けして給電側へ通知することにより、給電側の制御部は移動体の受電量の向上する給電コイルの高さ（＝Ｚ軸方向）を摸索して給電コイルを移動させるようにしても良い。
　上述の例では、給電コイル３の位置をアクチュエータ４によって移動させる例で説明したが、複数の給電コイル３を設け、移動体１０の位置により、給電状態がよい給電コイル３を切り替えることもできる。その例を図６に示す。Ｚ軸方向に複数の給電コイル３－１、３－２、３－３、・・・を設け、この給電コイル３への給電を切替スイッチ２４で切り替えることができる。これにより、アクチュエータを用いることなく、移動体３への適切な給電を行うことができる。また、給電コイルはケージ等にスライド可能に設けておき、給電状態がよい位置に移動させるようにしてもよい。
　複数の移動体が存在する場合には、それぞれの移動体の受電コイルの高さ（Ｚ軸方向の位置）のうち出現頻度が一番多い値を採用して、その高さ（Ｚ軸方向の位置）になるよう給電コイルを調整すると良い。
　給電コイルが複数、多量に隣接した場所に置かれたような場合、相互に影響を与えるおそれがある。上述したような、小動物実験装置を移動体として用いる場合、ケージが同一場所に多数置かれて実験が行われることになる。このような場合に、外部の電磁界の影響を把握し、その影響を排除するように、給電コイルの位置を移動することができる。
　なお、上述の説明では、小動物実験装置を受電体とした移動体の例で説明したが、移動体は上述の例に限定されない。例えば、玩具であったり、移動工作機械であったりしても良い。また、一定空間内を移動するセンサを内蔵した移動体でも良い。
　以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない限り多くの改変を施すことが可能であるのは勿論である。
量産可能な無線給電装置およびこれを用いる無線給電システムによって移動体による柔軟且つ効率的な電力供給が実現でき、利便性と他分野への応用による新たな用途の可能性が期待できるなどの効果を有している。
１　　無線給電装置
２　　給電装置
３　　給電コイル
４　　アクチュエータ
５　　ケージ
１０　　移動体
２１　　無線給電制御部
２２　　アクチュエータ制御部
１１、２３　　無線部
２４　　インピーダンス測定部
２５　　切替スイッチ

Claims (6)

  1. 　特定空間内を移動する移動体が電力を受電できるよう無線で電力を供給する装置であって、
    　該無線で電力を供給するための給電コイルを有し、
    　該給電コイルの位置が調整可能である、
    　ことを特徴とする無線給電装置。
  2. 　前記特定空間の一部または全部が前記給電コイルに内包される、
    　ことを特徴とする請求項1に記載の無線給電装置。
  3. 　前記給電コイルを前記移動体の存在確率が高い位置へ移動させることが可能な給電コイル位置調整機構を有する、
    　ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無線給電装置。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無線給電装置を用いた無線給電システムであって、
    　給電する電力に対する外部から受ける影響が最小限となるよう前記給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有する、
    　ことを特徴とする無線給電システム。
  5. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無線給電装置を用いた無線給電システムであって、
    　前記移動体の位置の変化によって生ずる前記移動体への給電量の変動が最小限となるよう前記給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有する、
    　ことを特徴とする無線給電システム。
  6. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無線給電装置を用いた無線給電システムであって、
    　前記移動体の受電状況に応じて前記給電コイルを適切な位置へ移動させる給電位置調整機構を有する、
    　ことを特徴とする無線給電システム。
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