WO2023089795A1

WO2023089795A1 - 送電装置、無線電力伝送システム及び電圧制御装置

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Publication number: WO2023089795A1
Application number: PCT/JP2021/042706
Authority: WO
Inventors: 裕翔榊; 英之中溝
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2023-05-25
Also published as: TW202322541A; JP7370503B2; TWI816416B; JPWO2023089795A1

Abstract

直流可変電圧源（１１）により生成された直流電圧を交流電圧に変換し、交流電圧を出力する直流交流変換器（１２）と、直流交流変換器（１２）から出力された交流電圧を用いて、受電装置（２）の受電側共振器（２１）と共鳴する送電側共振器（１３）とを備えるように、送電装置（１）を構成した。また、送電装置（１）は、直流交流変換器（１２）から出力された交流電圧を検出する電圧検出部（３１）と、直流交流変換器（１２）から送電側共振器（１３）に流れる交流電流を検出する電流検出部（３２）とを備えている。さらに、送電装置（１）は、送電側共振器（１３）と受電側共振器（２１）との結合係数に正比例する値と、電圧検出部（３１）により検出された交流電圧と、電流検出部（３２）により検出された交流電流とを用いて、受電側共振器（２１）から電力が供給されるモータ（３）の回転速度を算出する回転速度算出部（３４）とを備えている。

Description

送電装置、無線電力伝送システム及び電圧制御装置

　本開示は、送電装置、無線電力伝送システム及び電圧制御装置に関するものである。

　送電回路の送電共振回路と受電回路の受電共振回路とが、磁界共鳴、又は、電界共鳴することによって、送電回路が、電力を受電回路に無線伝送する無線電力伝送システム（以下「従来の無線電力伝送システム」という）がある。
　以下の特許文献１には、送電回路の送電共振回路と受電回路の受電共振回路とが磁界共鳴することによって、送電回路が、電力を受電回路に無線伝送しているワイヤレス給電システムが開示されている。
　当該ワイヤレス給電システムの送電回路は、送電共振回路のほかに、直流電源により生成された直流電圧を交流電圧に変換し、交流電圧を送電共振回路に出力するインバータを備えている。また、送電回路は、直流電源からインバータに流れる直流電流を検出する直流電流センサと、直流電流センサにより検出された直流電流に基づいて、受電回路が無負荷状態であるか否かを判定する検出部とを備えている。
　したがって、当該ワイヤレス給電システムでは、受電回路の受電共振回路から電力が供給される負荷に流れる電流を検出する電流検出器を受電回路に設けることなく、送電回路が、受電回路の無負荷状態を検出することができる。この結果、送電回路が、当該電流検出器の検出結果を取得するための配線を、送電回路と受電回路との間に施す必要がない。

国際公開第２０１７／１５０７１１号

　受電回路の受電共振回路から電力が供給される負荷が例えばモータである場合において、従来の無線電力伝送システムは、モータの動作状態を判定することができないという課題があった。
　特許文献１に開示されているワイヤレス給電システムでは、検出部が、直流電流センサにより検出された直流電流に基づいて、受電回路の無負荷状態を検出できるものの、やはり、受電回路の受電共振回路から電力が供給される負荷の動作状態を判定することができない。

　本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、受電装置の受電側共振器から電力が供給されるモータの動作状態を示す指標として、モータの回転速度を算出することができる送電装置を得ることを目的とする。

　本開示に係る送電装置は、直流可変電圧源により生成された直流電圧を交流電圧に変換し、交流電圧を出力する直流交流変換器と、直流交流変換器から出力された交流電圧を用いて、受電装置の受電側共振器と共鳴する送電側共振器とを備えている。また、送電装置は、直流交流変換器から出力された交流電圧を検出する電圧検出部と、直流交流変換器から送電側共振器に流れる交流電流を検出する電流検出部とを備えている。さらに、送電装置は、送電側共振器と受電側共振器との結合係数に正比例する値と、電圧検出部により検出された交流電圧と、電流検出部により検出された交流電流とを用いて、受電側共振器から電力が供給されるモータの回転速度を算出する回転速度算出部とを備えている。

　本開示によれば、受電装置の受電側共振器から電力が供給されるモータの動作状態を示す指標として、モータの回転速度を算出することができる。

実施の形態１に係る無線電力伝送システムを示す構成図である。実施の形態１に係る送電装置１に含まれている電圧制御装置３３のハードウェアを示すハードウェア構成図である。電圧制御装置３３が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。モータ３の等価回路を示す回路図である。実施の形態１に係る他の無線電力伝送システムを示す構成図である。実施の形態２に係る無線電力伝送システムを示す構成図である。実施の形態２に係る送電装置１に含まれている電圧制御装置３７のハードウェアを示すハードウェア構成図である。実施の形態２に係る送電装置１に含まれている電圧制御装置３７の処理手順を示すフローチャートである。

　以下、本開示をより詳細に説明するために、本開示を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る無線電力伝送システムを示す構成図である。
　図２は、実施の形態１に係る送電装置１に含まれている電圧制御装置３３のハードウェアを示すハードウェア構成図である。
　図１に示す無線電力伝送システムは、送電装置１、受電装置２及びモータ３を備えている。

　送電装置１は、直流可変電圧源１１、直流交流変換器１２、送電側共振器１３、抵抗１４、電圧検出部３１、電流検出部３２及び電圧制御装置３３を備えている。
　送電装置１は、電力を受電装置２に無線伝送する。また、送電装置１は、受電装置２から電力が供給されるモータ３の回転速度を算出する。
　図１に示す無線電力伝送システムでは、受電装置２が、モータ３に流れる電流を検出する電流検出器等を備えることなく、送電装置１が、モータ３の回転速度を算出することができる。したがって、送電装置１が、当該電流検出器等の検出結果を取得するための配線を、送電装置１と受電装置２との間に施す必要がない。

　受電装置２は、受電側共振器２１、抵抗２２、交流直流変換器２３及びキャパシタ２４を備えている。
　受電装置２は、送電装置１から無線伝送された電力を受電する。また、受電装置２は、受電した電力をモータ３に供給する。
　モータ３は、受電装置２から電力が供給されることで動作が可能になる。
　モータ３は、例えば、産業用ロボットの関節を駆動するためのモータとして利用できるほか、電気自動車を駆動するためのモータとして利用できる。

　直流可変電圧源１１は、電圧制御装置３３から出力される制御信号に従って、直流電圧Ｅ_ＤＣ１を生成する。
　図１に示す無線電力伝送システムでは、送電装置１が直流可変電圧源１１を備えている。しかし、これは一例に過ぎず、直流可変電圧源１１が、送電装置１の外部に設けられていてもよい。
　直流交流変換器１２は、直流可変電圧源１１により生成された直流電圧Ｅ_ＤＣ１を交流電圧Ｖ_ｔｘに変換する。
　直流交流変換器１２は、抵抗１４を介して、交流電圧Ｖ_ｔｘを送電側共振器１３に出力する。

　送電側共振器１３は、インダクタ１３ａ及びキャパシタ１３ｂを備えている。
　送電側共振器１３は、直流交流変換器１２から出力された交流電圧Ｖ_ｔｘを用いて、受電装置２の受電側共振器２１と磁界共鳴する。
　図１に示す無線電力伝送システムでは、送電側共振器１３と受電側共振器２１とが磁界共鳴している。しかしながら、送電側共振器１３と受電側共振器２１とが共鳴するものであればよく、磁界共鳴するものに限るものではない。したがって、例えば、送電側共振器１３と受電側共振器２１とが電界共鳴するものであってもよい。
　インダクタ１３ａの一端は、直流交流変換器１２の一方の出力端子と接続されている。
　インダクタ１３ａの他端は、キャパシタ１３ｂの一端と接続されている。
　インダクタ１３ａは、受電側共振器２１の後述するインダクタ２１ａと向かい合っているとき、インダクタ２１ａと磁界共鳴する。
　キャパシタ１３ｂは、インダクタ１３ａの他端と電流検出部３２との間に接続されている。

　図１に示す送電装置１では、送電側共振器１３の共振周波数が、受電側共振器２１の共振周波数と一致している。送電側共振器１３と受電側共振器２１とが磁界共鳴できればよく、送電側共振器１３の共振周波数と受電側共振器２１の共振周波数とは、厳密に一致している必要ない。したがって、送電側共振器１３と受電側共振器２１とが磁界共鳴できる程度に、送電側共振器１３の共振周波数と受電側共振器２１の共振周波数とがずれていてもよい。

　図１に示す送電装置１では、送電側共振器１３が、インダクタ１３ａとキャパシタ１３ｂとが直列に接続されている直列共振器である。しかし、これは一例に過ぎず、送電側共振器１３は、インダクタ１３ａとキャパシタ１３ｂとが並列に接続されている並列共振器であってもよい。

　抵抗１４は、送電装置１の内部抵抗である。
　図１では、説明の便宜上、キャパシタ１３ｂと電流検出部３２との間に、抵抗１４が接続されているように表記している。しかし、抵抗１４は、送電装置１の内部抵抗であって、チップ抵抗のような部品とは異なる。このため、抵抗１４は、部品として、キャパシタ１３ｂと電流検出部３２との間に接続されているわけではない。

　受電側共振器２１は、インダクタ２１ａ及びキャパシタ２１ｂを備えている。
　受電側共振器２１は、送電側共振器１３と磁界共鳴する。
　インダクタ２１ａの一端は、交流直流変換器２３の一方の入力端子と接続されている。
　インダクタ２１ａの他端は、キャパシタ２１ｂの一端と接続されている。
　キャパシタ２１ｂは、インダクタ２１ａの他端と交流直流変換器２３の他方の入力端子との間に接続されている。

　図１に示す受電装置２では、受電側共振器２１が、インダクタ２１ａとキャパシタ２１ｂとが直列に接続されている直列共振器である。しかし、これは一例に過ぎず、受電側共振器２１は、インダクタ２１ａとキャパシタ２１ｂとが並列に接続されている並列共振器であってもよい。

　抵抗２２は、受電装置２の内部抵抗である。
　図１では、説明の便宜上、キャパシタ２１ｂと交流直流変換器２３との間に、抵抗２２が接続されているように表記している。しかし、抵抗２２は、受電装置２の内部抵抗であって、チップ抵抗のような部品とは異なる。このため、抵抗２２は、部品として、キャパシタ２１ｂと交流直流変換器２３との間に接続されているわけではない。

　交流直流変換器２３は、受電側共振器２１が送電側共振器１３と磁界共鳴することによって、受電側共振器２１から出力された交流電圧Ｖ_ｒｘを直流電圧Ｅ_ＤＣ２に変換し、直流電圧Ｅ_ＤＣ２をモータ３に出力する。
　図１に示す無線電力伝送システムでは、モータ３が直流モータである。しかし、これは一例に過ぎず、モータ３は交流モータであってもよい。モータ３が交流モータであれば、交流直流変換器２３は、不要であり、モータ３は、受電装置２の受電側共振器２１から、直接、電力の供給を受ける。
　キャパシタ２４は、モータ３と並列に接続されている。
　キャパシタ２４は、例えば、モータ３に含まれている整流子から発生する高周波スパイクを吸収するために設けられている。

　電圧検出部３１は、直流交流変換器１２から出力された交流電圧Ｖ_ｔｘを検出する。
　電圧検出部３１は、交流電圧Ｖ_ｔｘを示す検出信号を電圧制御装置３３の回転速度算出部３４に出力する。
　電流検出部３２は、直流交流変換器１２の他方の出力端子とキャパシタ１３ｂの他端との間に接続されている。
　電流検出部３２は、直流交流変換器１２から送電側共振器１３に流れる交流電流Ｉ_ｔｘを検出する。
　電流検出部３２は、交流電流Ｉ_ｔｘを示す検出信号を回転速度算出部３４に出力する。

　電圧制御装置３３は、回転速度算出部３４、比較部３５及び電圧制御部３６を備えている。
　回転速度算出部３４は、例えば、図２に示す回転速度算出回路４１によって実現される。
　回転速度算出部３４は、電圧検出部３１から、交流電圧Ｖ_ｔｘを示す検出信号を取得し、電流検出部３２から、交流電流Ｉ_ｔｘを示す検出信号を取得する。
　回転速度算出部３４の内部メモリには、送電側共振器１３と受電側共振器２１との結合係数に正比例する値として、送電側共振器１３に含まれているインダクタ１３ａと受電側共振器２１に含まれているインダクタ２１ａとの相互インダクタンスＬ_ｍを示す情報が格納されている。結合係数がｇで表されるとき、相互インダクタンスＬ_ｍは、以下の式（７）に示すように、結合係数ｇに正比例する値である。
　図１に示す送電装置１では、相互インダクタンスＬ_ｍを示す情報が回転速度算出部３４の内部メモリに格納されている。しかし、これは一例に過ぎず、相互インダクタンスＬ_ｍを示す情報が送電装置１の外部から与えられるものであってもよい。
　回転速度算出部３４は、送電側共振器１３と受電側共振器２１との結合係数に正比例する値である相互インダクタンスＬ_ｍと、交流電圧Ｖ_ｔｘと、交流電流Ｉ_ｔｘとを用いて、モータ３の回転速度Ｒｓを算出する。
　回転速度算出部３４は、モータ３の回転速度Ｒｓを示す速度情報を比較部３５に出力する。

　比較部３５は、例えば、図２に示す比較回路４２によって実現される。
　比較部３５は、回転速度算出部３４から、回転速度Ｒｓを示す速度情報を取得する。また、比較部３５は、送電装置１の外部から、回転速度期待値Ｅｖを取得する。
　比較部３５は、モータ３の回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとを比較し、回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとの比較結果を電圧制御部３６に出力する。
　図１に示す送電装置１では、回転速度期待値Ｅｖが送電装置１の外部から与えられている。しかし、これは一例に過ぎず、回転速度期待値Ｅｖが比較部３５の内部メモリに格納されていてもよい。

　電圧制御部３６は、例えば、図２に示す電圧制御回路４３によって実現される。
　電圧制御部３６は、比較部３５から、回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとの比較結果を取得する。
　電圧制御部３６は、比較結果に基づいて、直流可変電圧源１１により生成される直流電圧Ｅ_ＤＣ１を制御する。

　図１では、電圧制御装置３３の構成要素である回転速度算出部３４、比較部３５及び電圧制御部３６のそれぞれが、図２に示すような専用のハードウェアによって実現されるものを想定している。即ち、電圧制御装置３３が、回転速度算出回路４１、比較回路４２及び電圧制御回路４３によって実現されるものを想定している。
　回転速度算出回路４１、比較回路４２及び電圧制御回路４３のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。

　電圧制御装置３３の構成要素は、専用のハードウェアによって実現されるものに限るものではなく、電圧制御装置３３が、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現されるものであってもよい。
　ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいは、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）が該当する。

　図３は、電圧制御装置３３が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。
　電圧制御装置３３が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合、回転速度算出部３４、比較部３５及び電圧制御部３６におけるそれぞれの処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムがメモリ５１に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ５２がメモリ５１に格納されているプログラムを実行する。

　また、図２では、電圧制御装置３３の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアによって実現される例を示し、図３では、電圧制御装置３３がソフトウェア又はファームウェア等によって実現される例を示している。しかし、これは一例に過ぎず、電圧制御装置３３における一部の構成要素が専用のハードウェアによって実現され、残りの構成要素がソフトウェア又はファームウェア等によって実現されるものであってもよい。

　図４は、モータ３の等価回路を示す回路図である。
　図４において、６１は、モータ３の内部抵抗、６２は、モータ３の内部インダクタ、６３は、モータ３で発生する逆起電力Ｖ_ｍｏｔを表している。
　内部抵抗６１の抵抗値は、Ｒ_ｍｏｔであり、内部インダクタ６２のインダクタンスは、Ｌ_ｍｏｔである。

　次に、図１に示す無線電力伝送システムの動作について説明する。
　電圧制御装置３３の電圧制御部３６は、直流電圧Ｅ_ＤＣ１の生成を指示する制御信号Ｃ_１を直流可変電圧源１１に出力する。直流電圧Ｅ_ＤＣ１は、送電装置１が、受電装置２に電力を供給するために必要な電圧である。例えば、直流電圧Ｅ_ＤＣ１＝２０［Ｖ］である。ただし、直流電圧Ｅ_ＤＣ１＝２０［Ｖ］に限るものではなく、直流電圧Ｅ_ＤＣ１＝３０［Ｖ］、又は、直流電圧Ｅ_ＤＣ１＝４０［Ｖ］等であってもよい。

　直流可変電圧源１１は、電圧制御部３６から制御信号Ｃ_１を受けると、制御信号Ｃ_１に従って直流電圧Ｅ_ＤＣ１を生成し、直流電圧Ｅ_ＤＣ１を直流交流変換器１２に出力する。
　直流交流変換器１２は、直流可変電圧源１１から直流電圧Ｅ_ＤＣ１を受けると、直流電圧Ｅ_ＤＣ１を交流電圧Ｖ_ｔｘに変換する。
　直流交流変換器１２は、抵抗１４を介して、交流電圧Ｖ_ｔｘを送電側共振器１３に出力する。

　送電側共振器１３は、直流交流変換器１２から出力された交流電圧Ｖ_ｔｘによって、インダクタ１３ａ及びキャパシタ１３ｂのそれぞれに電流Ｉ_ｔｘが流れると、共振する。
　送電側共振器１３が共振することにより、送電側共振器１３と受電側共振器２１とが磁界共鳴する。送電側共振器１３と受電側共振器２１とが磁界共鳴することによって、送電装置１から受電装置２に電力が供給される。

　受電側共振器２１は、送電側共振器１３と磁界共鳴することによって、交流電圧Ｖ_ｒｘを発生し、交流電圧Ｖ_ｒｘを交流直流変換器２３に出力する。
　交流直流変換器２３は、受電側共振器２１から交流電圧Ｖ_ｒｘを受けると、交流電圧Ｖ_ｒｘを直流電圧Ｅ_ＤＣ２に変換し、直流電圧Ｅ_ＤＣ２をモータ３に出力する。

　モータ３に流れる電流がＩ_ｍｏｔで表されるとすれば、モータ３に印加される直流電圧Ｅ_ＤＣ２は、以下の式（１）のように表される。

　モータ３の逆起電力Ｖ_ｍｏｔは、モータ３の回転速度Ｒｓと比例する。このため、逆起電力定数がＫで表されるとすれば、モータ３の逆起電力Ｖ_ｍｏｔは、以下の式（２）のように表される。

　式（３）において、θ（ｔ）は、モータ３の回転角度である。θ（ｔ）／ｄｔは、回転角度θ（ｔ）が時間微分されたものであるため、モータ３の回転速度Ｒｓを表している。

　式（２）に示すモータ３の逆起電力Ｖ_ｍｏｔが式（１）に代入されると、式（１）は、以下の式（４）のように表される。

　式（４）を変形して、θ（ｔ）／ｄｔについて解くと、θ（ｔ）／ｄｔは、以下の式（５）のように表される。

　式（５）において、モータ３の内部抵抗６１の抵抗値Ｒ_ｍｏｔ及びモータ３の内部インダクタ６２のインダクタンスＬ_ｍｏｔのそれぞれは、モータ３の設計時に決まる。また、抵抗値Ｒ_ｍｏｔ及びインダクタンスＬ_ｍｏｔのそれぞれは、モータ３の動作中に変化しないため、既値の定数として扱うことができる。

　電圧検出部３１は、直流交流変換器１２から出力された交流電圧Ｖ_ｔｘを検出し、交流電圧Ｖ_ｔｘを示す検出信号を回転速度算出部３４に出力する。
　電流検出部３２は、直流交流変換器１２から送電側共振器１３に流れる交流電流Ｉ_ｔｘを検出し、交流電流Ｉ_ｔｘを示す検出信号を回転速度算出部３４に出力する。

　交流電圧Ｖ_ｔｘ及び交流電流Ｉ_ｔｘにおけるそれぞれの時間波形は、正弦波である。このため、電圧検出部３１は、交流電圧Ｖ_ｔｘを示す検出信号として、例えば、交流電圧Ｖ_ｔｘの２乗平均値（ｒｍｓ値）を示す検出信号を回転速度算出部３４に出力するようにしてもよい。また、電流検出部３２は、交流電流Ｉ_ｔｘを示す検出信号として、例えば、交流電流Ｉ_ｔｘの２乗平均値（ｒｍｓ値）を示す検出信号を回転速度算出部３４に出力するようにしてもよい。
　しかし、これは一例に過ぎず、電圧検出部３１が、交流電圧Ｖ_ｔｘの絶対値の平均値を示す検出信号を回転速度算出部３４に出力し、電流検出部３２が、交流電流Ｉ_ｔｘの絶対値の平均値を示す検出信号を回転速度算出部３４に出力するようにしてもよい。

　回転速度算出部３４は、電圧検出部３１から、交流電圧Ｖ_ｔｘを示す検出信号を取得し、電流検出部３２から、電流Ｉ_ｔｘを示す検出信号を取得する。
　回転速度算出部３４は、以下の式（６）に示すように、相互インダクタンスＬ_ｍと、交流電圧Ｖ_ｔｘと、交流電流Ｉ_ｔｘとを用いて、モータ３に印加される直流電圧Ｅ_ＤＣ２を推定する。

　式（６）において、Ｅ_ＤＣ２ハットは、直流電圧Ｅ_ＤＣ２の推定値である。明細書の文章中では、電子出願の関係上、文字の上に、“＾”の記号を付することができないため、Ｅ_ＤＣ２ハットのように表記している。
　Ｒ_ｔｘは、抵抗１４の抵抗値であり、Ｒ_ｒｘは、抵抗２２の抵抗値である。抵抗値Ｒ_ｔｘ及び抵抗値Ｒ_ｒｘのそれぞれは、既値であり、回転速度算出部３４の内部メモリに格納されている。
　ω_０は、送電装置１が電力の無線伝送に用いる角周波数である。電力の無線伝送に用いる周波数が、例えば、６．７８［ＭＨｚ］であれば、角周波数ω_０は、２×π×６．７８×１０^６である。
　相互インダクタンスＬ_ｍは、送電側共振器１３に含まれているインダクタ１３ａと受電側共振器２１に含まれているインダクタ２１ａとの相互インダクタンスであり、以下の式（７）のように表される。

　式（７）において、Ｌ_ｔｘは、インダクタ１３ａのインダクタンスであり、Ｌ_ｒｘは、インダクタ２１ａのインダクタンスである。
　ｇは、結合係数と呼ばれる係数である。インダクタ１３ａとインダクタ２１ａとの距離が短くなると、結合係数ｇは、１に近い値になり、インダクタ１３ａとインダクタ２１ａとの距離が長くなると、結合係数ｇは、０に近い値になる。インダクタ１３ａとインダクタ２１ａとの距離は、既値であるため、結合係数ｇも既値である。したがって、相互インダクタンスＬ_ｍについても既値である。
　相互インダクタンスＬ_ｍを示す情報は、上述したように、回転速度算出部３４の内部メモリに格納されている。

　次に、回転速度算出部３４は、以下の式（８）に示すように、相互インダクタンスＬ_ｍと、交流電圧Ｖ_ｔｘと、交流電流Ｉ_ｔｘとを用いて、モータ３に流れる電流Ｉ_ｍｏｔを推定する。

　式（８）において、Ｉ_ｍｏｔハットは、電流Ｉ_ｍｏｔの推定値である。

　回転速度算出部３４は、直流電圧Ｅ_ＤＣ２の代わりに、直流電圧Ｅ_ＤＣ２の推定値Ｅ_ＤＣ２ハットを式（５）に代入し、電流Ｉ_ｍｏｔの代わりに、電流Ｉ_ｍｏｔの推定値Ｉ_ｍｏｔハットを式（５）に代入することで、モータ３の回転速度Ｒｓ（＝θ（ｔ）／ｄｔ）を算出する。
　回転速度算出部３４は、モータ３の動作状態を示す指標として、モータ３の回転速度Ｒｓを示す速度情報を比較部３５に出力する。
　回転速度算出部３４は、モータ３の回転速度Ｒｓを示す速度情報を比較部３５に出力するほかに、速度情報を図示せぬ表示器に出力することで、モータ３の動作状態を示す指標として、モータ３の回転速度Ｒｓを表示器に表示させるようにしてもよい。

　比較部３５は、回転速度算出部３４から、回転速度Ｒｓを示す速度情報を取得し、送電装置１の外部から、回転速度期待値Ｅｖを取得する。
　比較部３５は、モータ３の回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとを比較し、回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとの比較結果を電圧制御部３６に出力する。

　電圧制御部３６は、比較部３５から、回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとの比較結果を取得する。
　電圧制御部３６は、比較結果に基づいて、直流可変電圧源１１により生成される直流電圧Ｅ_ＤＣ１を制御する。
　即ち、電圧制御部３６は、比較結果が、モータ３の回転速度Ｒｓが回転速度期待値Ｅｖよりも早い旨を示していれば、前回制御時の直流電圧Ｅ_ＤＣ１よりも小さい直流電圧Ｅ_ＤＣ１を生成させるための制御信号Ｃ_１を生成する。
　電圧制御部３６は、比較結果が、モータ３の回転速度Ｒｓが回転速度期待値Ｅｖよりも遅い旨を示していれば、前回制御時の直流電圧Ｅ_ＤＣ１よりも大きい直流電圧Ｅ_ＤＣ１を生成させるための制御信号Ｃ_１を生成する。
　電圧制御部３６は、比較結果が、モータ３の回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとが同じである旨を示していれば、前回制御時の直流電圧Ｅ_ＤＣ１と同じ直流電圧Ｅ_ＤＣ１を生成させるための制御信号Ｃ_１を生成する。

　電圧制御部３６は、生成した制御信号Ｃ_１を直流可変電圧源１１に出力する。
　直流可変電圧源１１は、電圧制御部３６から制御信号Ｃ_１を受けると、上述したように、制御信号Ｃ_１に従って直流電圧Ｅ_ＤＣ１を生成し、直流電圧Ｅ_ＤＣ１を直流交流変換器１２に出力する。

　図１に示す無線電力伝送システムでは、送電側共振器１３と受電側共振器２１とが磁界共鳴を行っている。しかし、これは一例に過ぎず、図５に示すように、送電側共振器１３と受電側共振器２１とが電界共鳴を行うようにしてもよい。
　図５は、実施の形態１に係る他の無線電力伝送システムを示す構成図である。
　送電側共振器１３に含まれているキャパシタ１３ｂと受電側共振器２１に含まれているキャパシタ２１ｂとは、互いに向かい合っているときに電界共鳴する。
　図５において、Ｃ_ｍは、送電側共振器１３に含まれているキャパシタ１３ｂと受電側共振器２１に含まれているキャパシタ２１ｂとの相互キャパシタンスである。相互キャパシタンスＣ_ｍは、以下の式（９）に示すように、送電側共振器１３と受電側共振器２１との結合係数ｇに正比例する値である。

　式（９）において、Ｃ_ｔｘは、キャパシタ１３ｂのキャパシタンスであり、Ｃ_ｒｘは、キャパシタ２１ｂのキャパシタンスである。
　図５に示す送電装置１では、相互キャパシタンスＣ_ｍを示す情報が、回転速度算出部３４の内部メモリに格納されていてもよいし、送電装置１の外部から与えられるものであってもよい。

　送電側共振器１３と受電側共振器２１とが電界共鳴していれば、モータ３に印加される直流電圧Ｅ_ＤＣ２の推定値Ｅ_ＤＣ２ハットは、以下の式（１０）のように表される。

　また、送電側共振器１３と受電側共振器２１とが電界共鳴していれば、モータ３に流れる電流Ｉ_ｍｏｔの推定値Ｉ_ｍｏｔハットは、以下の式（１１）のように表される。

　したがって、送電側共振器１３と受電側共振器２１とが電界共鳴していれば、回転速度算出部３４は、相互キャパシタンスＣ_ｍと、交流電圧Ｖ_ｔｘと、交流電流Ｉ_ｔｘとを式（１０）に代入することで、モータ３に印加される直流電圧Ｅ_ＤＣ２を推定する。
　また、回転速度算出部３４は、相互キャパシタンスＣ_ｍと、交流電圧Ｖ_ｔｘと、交流電流Ｉ_ｔｘとを式（１１）に代入することで、モータ３に流れる電流Ｉ_ｍｏｔを推定する。
　そして、回転速度算出部３４は、直流電圧Ｅ_ＤＣ２の代わりに、直流電圧Ｅ_ＤＣ２の推定値Ｅ_ＤＣ２ハットを式（５）に代入し、電流Ｉ_ｍｏｔの代わりに、電流Ｉ_ｍｏｔの推定値Ｉ_ｍｏｔハットを式（５）に代入することで、モータ３の回転速度Ｒｓ（＝θ（ｔ）／ｄｔ）を算出する。

　以上の実施の形態１では、直流可変電圧源１１により生成された直流電圧を交流電圧に変換し、交流電圧を出力する直流交流変換器１２と、直流交流変換器１２から出力された交流電圧を用いて、受電装置２の受電側共振器２１と共鳴する送電側共振器１３とを備えるように、送電装置１を構成した。また、送電装置１は、直流交流変換器１２から出力された交流電圧を検出する電圧検出部３１と、直流交流変換器１２から送電側共振器１３に流れる交流電流を検出する電流検出部３２とを備えている。さらに、送電装置１は、送電側共振器１３と受電側共振器２１との結合係数に正比例する値と、電圧検出部３１により検出された交流電圧と、電流検出部３２により検出された交流電流とを用いて、受電側共振器２１から電力が供給されるモータ３の回転速度を算出する回転速度算出部３４とを備えている。したがって、送電装置１は、受電装置２の受電側共振器２１から電力が供給されるモータ３の動作状態を示す指標として、モータ３の回転速度を算出することができる。

実施の形態２．
　実施の形態２では、モータ３の動作状態が異常であれば、電圧制御部３９が、直流可変電圧源１１による直流電圧の生成を停止させる送電装置１について説明する。

　図６は、実施の形態２に係る無線電力伝送システムを示す構成図である。図６において、図１及び図５と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
　図７は、実施の形態２に係る送電装置１に含まれている電圧制御装置３７のハードウェアを示すハードウェア構成図である。図７において、図２と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。

　電圧制御装置３７は、回転速度算出部３４、比較部３８及び電圧制御部３９を備えている。
　比較部３８は、例えば、図７に示す比較回路４４によって実現される。
　比較部３８は、回転速度算出部３４から、回転速度Ｒｓを示す速度情報を取得する。また、比較部３８は、送電装置１の外部から、回転速度期待値Ｅｖを取得する。
　比較部３８は、モータ３の回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとの差分ΔＲを算出する。
　比較部３８は、差分ΔＲの絶対値と閾値Ｔｈとを比較し、差分ΔＲの絶対値と閾値Ｔｈとの比較結果を電圧制御部３９に出力する。閾値Ｔｈは、比較部３８の内部メモリに格納されていてもよいし、送電装置１の外部から与えられるものであってもよい。

　電圧制御部３９は、例えば、図７に示す電圧制御回路４５によって実現される。
　電圧制御部３９は、比較部３８から、差分ΔＲの絶対値と閾値Ｔｈとの比較結果を取得する。
　電圧制御部３９は、比較結果に基づいて、直流可変電圧源１１により生成される直流電圧Ｅ_ＤＣ１を制御する。

　図６に示す無線電力伝送システムでは、電圧制御装置３７が、図１に示す無線電力伝送システムに適用されている。しかし、これは一例に過ぎず、電圧制御装置３７が、図５に示す無線電力伝送システムに適用されているものであってもよい。

　図６では、電圧制御装置３７の構成要素である回転速度算出部３４、比較部３８及び電圧制御部３９のそれぞれが、図７に示すような専用のハードウェアによって実現されるものを想定している。即ち、電圧制御装置３７が、回転速度算出回路４１、比較回路４４及び電圧制御回路４５によって実現されるものを想定している。
　回転速度算出回路４１、比較回路４４及び電圧制御回路４５のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又は、これらを組み合わせたものが該当する。

　電圧制御装置３７の構成要素は、専用のハードウェアによって実現されるものに限るものではなく、電圧制御装置３７が、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現されるものであってもよい。
　電圧制御装置３７が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合、回転速度算出部３４、比較部３８及び電圧制御部３９におけるそれぞれの処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムが図３に示すメモリ５１に格納される。そして、図３に示すプロセッサ５２がメモリ５１に格納されているプログラムを実行する。

　また、図７では、電圧制御装置３７の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアによって実現される例を示し、図３では、電圧制御装置３７がソフトウェア又はファームウェア等によって実現される例を示している。しかし、これは一例に過ぎず、電圧制御装置３７における一部の構成要素が専用のハードウェアによって実現され、残りの構成要素がソフトウェア又はファームウェア等によって実現されるものであってもよい。

　次に、図６に示す無線電力伝送システムの動作について説明する。電圧制御装置３７以外は、図１に示す無線電力伝送システムと同様であるため、ここでは、電圧制御装置３７の動作のみを説明する。
　図８は、実施の形態２に係る送電装置１に含まれている電圧制御装置３７の処理手順を示すフローチャートである。

　回転速度算出部３４は、直流電圧Ｅ_ＤＣ２の代わりに、直流電圧Ｅ_ＤＣ２の推定値Ｅ_ＤＣ２ハットを式（５）に代入し、電流Ｉ_ｍｏｔの代わりに、電流Ｉ_ｍｏｔの推定値Ｉ_ｍｏｔハットを式（５）に代入することで、モータ３の回転速度Ｒｓ（＝θ（ｔ）／ｄｔ）を算出する（図８のステップＳＴ１）。
　回転速度算出部３４は、モータ３の回転速度Ｒｓを示す速度情報を比較部３８に出力する。

　比較部３８は、回転速度算出部３４から、回転速度Ｒｓを示す速度情報を取得し、送電装置１の外部から、回転速度期待値Ｅｖを取得する。
　比較部３８は、以下の式（１２）に示すように、モータ３の回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとの差分ΔＲを算出する（図８のステップＳＴ２）。
ΔＲ＝Ｒｓ－Ｅｖ　　　　　（１２）

　比較部３８は、モータ３の回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとを比較するとともに、差分ΔＲの絶対値と閾値Ｔｈとを比較する。
　比較部３８は、差分ΔＲの絶対値が閾値Ｔｈ以下であれば（図８のステップＳＴ３：ＹＥＳの場合）、モータ３の動作状態が正常であると判定する（図８のステップＳＴ４）。
　比較部３８は、差分ΔＲの絶対値が閾値Ｔｈよりも大きければ（図８のステップＳＴ３：ＮＯの場合）、モータ３の動作状態が異常であると判定する（図８のステップＳＴ５）。
　比較部３８は、動作状態の判定結果を電圧制御部３９に出力し、モータ３の回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとの比較結果を電圧制御部３９に出力する。

　電圧制御部３９は、比較部３８から、動作状態の判定結果及び回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとの比較結果のそれぞれを取得する。
　電圧制御部３９は、動作状態の判定結果が正常である旨を示していれば、回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとの比較結果に基づいて、直流可変電圧源１１により生成される直流電圧Ｅ_ＤＣ１を制御する（図８のステップＳＴ６）。
　即ち、電圧制御部３９は、比較結果が、モータ３の回転速度Ｒｓが回転速度期待値Ｅｖよりも早い旨を示していれば、前回制御時の直流電圧Ｅ_ＤＣ１よりも小さい直流電圧Ｅ_ＤＣ１を生成させるための制御信号Ｃ_１を生成する。
　電圧制御部３９は、比較結果が、モータ３の回転速度Ｒｓが回転速度期待値Ｅｖよりも遅い旨を示していれば、前回制御時の直流電圧Ｅ_ＤＣ１よりも大きい直流電圧Ｅ_ＤＣ１を生成させるための制御信号Ｃ_１を生成する。
　電圧制御部３９は、比較結果が、モータ３の回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとが同じである旨を示していれば、前回制御時の直流電圧Ｅ_ＤＣ１と同じ直流電圧Ｅ_ＤＣ１を生成させるための制御信号Ｃ_１を生成する。
　電圧制御部３９は、生成した制御信号Ｃ_１を直流可変電圧源１１に出力する。

　ここでは、動作状態の判定結果が正常である旨を示していれば、電圧制御部３９が、回転速度Ｒｓと回転速度期待値Ｅｖとの比較結果に基づいて、制御信号Ｃ_１を生成している。しかし、これは一例に過ぎず、動作状態の判定結果が正常である旨を示していれば、電圧制御部３９が、前回制御時の直流電圧Ｅ_ＤＣ１と同じ直流電圧Ｅ_ＤＣ１を生成させるための制御信号Ｃ_１を生成するようにしてもよい。

　電圧制御部３９は、動作状態の判定結果が異常である旨を示していれば、直流可変電圧源１１による直流電圧Ｅ_ＤＣ１の生成を停止させる（図８のステップＳＴ７）。
　即ち、電圧制御部３９は、直流電圧Ｅ_ＤＣ１を０にさせる制御信号Ｃ_１を生成する。
　電圧制御部３９は、生成した制御信号Ｃ_１を直流可変電圧源１１に出力する。

　直流可変電圧源１１は、電圧制御部３９から制御信号Ｃ_１を受けると、上述したように、制御信号Ｃ_１に従って直流電圧Ｅ_ＤＣ１を生成し、直流電圧Ｅ_ＤＣ１を直流交流変換器１２に出力する。

　以上の実施の形態２では、電圧制御部３９が、比較部３８によって、モータ３の動作状態が異常であると判定されたとき、直流可変電圧源１１による直流電圧の生成を停止させるように、送電装置１を構成した。したがって、送電装置１は、モータ３の動作状態を示す指標として、モータ３の回転速度を算出することができるほか、モータ３の動作状態が異常であれば、速やかにモータ３を止めることができる。

　なお、本開示は、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

　本開示は、送電装置、無線電力伝送システム及び電圧制御装置に適している。

　１　送電装置、２　受電装置、３　モータ、１１　直流可変電圧源、１２　直流交流変換器、１３　送電側共振器、１３ａ　インダクタ、１３ｂ　キャパシタ、１４　抵抗、２１　受電側共振器、２１ａ　インダクタ、２１ｂ　キャパシタ、２２　抵抗、２３　交流直流変換器、２４　キャパシタ、３１　電圧検出部、３２　電流検出部、３３　電圧制御装置、３４　回転速度算出部、３５　比較部、３６　電圧制御部、３７　電圧制御装置、３８　比較部、３９　電圧制御部、４１　回転速度算出回路、４２　比較回路、４３　電圧制御回路、４４　比較回路、４５　電圧制御回路、５１　メモリ、５２　プロセッサ、６１　内部抵抗、６２　内部インダクタ、６３　逆起電力。

Claims

　直流可変電圧源により生成された直流電圧を交流電圧に変換し、前記交流電圧を出力する直流交流変換器と、
　前記直流交流変換器から出力された交流電圧を用いて、受電装置の受電側共振器と共鳴する送電側共振器と、
　前記直流交流変換器から出力された交流電圧を検出する電圧検出部と、
　前記直流交流変換器から前記送電側共振器に流れる交流電流を検出する電流検出部と、
　前記送電側共振器と前記受電側共振器との結合係数に正比例する値と、前記電圧検出部により検出された交流電圧と、前記電流検出部により検出された交流電流とを用いて、前記受電側共振器から電力が供給されるモータの回転速度を算出する回転速度算出部と
　を備えた送電装置。
　前記送電側共振器と前記受電側共振器とが磁界共鳴していれば、
　前記回転速度算出部は、
　前記結合係数に正比例する値として、前記送電側共振器に含まれているインダクタと前記受電側共振器に含まれているインダクタとの相互インダクタンスを用いることを特徴とする請求項１記載の送電装置。
　前記送電側共振器と前記受電側共振器とが電界共鳴していれば、
　前記回転速度算出部は、
　前記結合係数に正比例する値として、前記送電側共振器に含まれているキャパシタと前記受電側共振器に含まれているキャパシタとの相互キャパシタンスを用いることを特徴とする請求項１記載の送電装置。
　前記回転速度算出部は、
　前記結合係数に正比例する値と、前記電圧検出部により検出された交流電圧と、前記電流検出部により検出された交流電流とを用いて、前記モータに印加された電圧及び前記モータに流れる電流のそれぞれを推定し、
　前記推定した電圧と、前記推定した電流とを用いて、前記モータの回転速度を算出することを特徴とする請求項１記載の送電装置。
　直流電圧を生成し、当該直流電圧を前記直流交流変換器に出力する直流可変電圧源を備えたことを特徴とする請求項１記載の送電装置。
　前記回転速度算出部により算出されたモータの回転速度と回転速度期待値とを比較する比較部と、
　前記比較部による、前記モータの回転速度と前記回転速度期待値との比較結果に基づいて、前記直流可変電圧源により生成される直流電圧を制御する電圧制御部と
　を備えたことを特徴とする請求項１記載の送電装置。
　前記回転速度算出部により算出されたモータの回転速度と回転速度期待値との差分を算出し、前記差分の絶対値と閾値とを比較する比較部と、
　前記比較部による、前記差分の絶対値と前記閾値との比較結果に基づいて、前記直流可変電圧源により生成される直流電圧を制御する電圧制御部と
　を備えたことを特徴とする請求項１記載の送電装置。
　前記比較部は、前記差分の絶対値が前記閾値以下であれば、前記モータの動作状態が正常であると判定し、前記差分の絶対値が前記閾値よりも大きければ、前記モータの動作状態が異常であると判定することを特徴とする請求項７記載の送電装置。
　前記電圧制御部は、前記比較部によって、前記モータの動作状態が異常であると判定されたとき、前記直流可変電圧源による直流電圧の生成を停止させることを特徴とする請求項８記載の送電装置。
　送電装置及び受電装置を備え、
　前記送電装置は、請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載の送電装置であり、
　前記受電装置は、
　前記送電装置が備える前記送電側共振器と共鳴する受電側共振器と、
　前記受電側共振器から出力された交流電圧を直流電圧に変換し、当該直流電圧を前記モータに出力する交流直流変換器とを備えていることを特徴とする無線電力伝送システム。
　直流可変電圧源により生成された直流電圧を交流電圧に変換し、前記交流電圧を出力する直流交流変換器と、
　前記直流交流変換器から出力された交流電圧を用いて、受電装置の受電側共振器と共鳴する送電側共振器と、
　前記直流交流変換器から出力された交流電圧を検出する電圧検出部と、
　前記直流交流変換器から前記送電側共振器に流れる交流電流を検出する電流検出部とを備えた送電装置から、
　前記電圧検出部により検出された交流電圧と、前記電流検出部により検出された交流電流とを取得し、前記送電側共振器と前記受電側共振器との結合係数に正比例する値と、前記取得した交流電圧と、前記取得した交流電流とを用いて、前記受電側共振器から電力が供給されるモータの回転速度を算出する回転速度算出部を備えた電圧制御装置。