JP2015109762A - Non-contact power transmission apparatus and non-contact power transmission method - Google Patents
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Abstract
【課題】送電コイルからの電力伝送可能な距離を増大させ、かつ臨界結合状態となるコイル間距離よりも短い領域(双峰特性領域)では、コイル間距離に対応して安定な電力伝送を可能とする。【解決手段】送電コイルを有する送電装置と、受電コイルを有する受電装置と、補助コイルを有する送電補助装置を備え、送電コイルと補助コイルの間に形成される受電空間に受電コイルを配置して電力伝送を行う非接触伝送装置において、送電コイルと補助コイルのコイル間距離を調節する為に、送電コイル又は補助コイルの少なくとも一方を移動することができる機構系を更に備えることを特徴とする。【選択図】図4[PROBLEMS] To increase the distance in which power can be transmitted from a power transmission coil and to enable stable power transmission corresponding to the distance between coils in a region shorter than the distance between coils that is in a critical coupling state (bimodal characteristic region). And A power transmission device having a power transmission coil, a power reception device having a power reception coil, and a power transmission auxiliary device having an auxiliary coil, wherein the power reception coil is disposed in a power reception space formed between the power transmission coil and the auxiliary coil. A contactless transmission apparatus that performs power transmission is further characterized by further including a mechanism system capable of moving at least one of the power transmission coil and the auxiliary coil in order to adjust the distance between the power transmission coil and the auxiliary coil. [Selection] Figure 4
Description
本発明は、送電装置に具備された送電コイルと受電装置に具備された受電コイルを介して、非接触(ワイヤレス)で電力の伝送を行う非接触電力伝送システム及び非接触電力伝送方法に関する。 The present invention relates to a non-contact power transmission system and a non-contact power transmission method for transmitting power in a non-contact (wireless) manner via a power transmission coil provided in a power transmission device and a power reception coil provided in a power reception device.
非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導(数100kHz)による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したLC共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波(数GHz)によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波(光)によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路(トランス方式)で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。 As a method of transmitting power in a non-contact manner, an electromagnetic induction type by electromagnetic induction (several hundreds of kHz), an electric field / magnetic field resonance type by transmission between LC resonances via electric field or magnetic field resonance, a microwave power transmission type by radio waves (several GHz), Alternatively, a laser power transmission type using electromagnetic waves (light) in the visible light region is known. Among them, the electromagnetic induction type has already been put into practical use. This has the advantage that it can be realized with a simple circuit (transformer system), but there is also a problem that the transmission distance is short.
そこで、最近になって近距離伝送(〜2m)が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。 Therefore, recently, electric field / magnetic field resonance type power transmission capable of short-distance transmission (up to 2 m) has attracted attention. Among these, in the case of the electric field resonance type, when a hand or the like is put in the transmission path, the human body is a dielectric, so that energy is absorbed as heat and dielectric loss occurs. On the other hand, in the case of the magnetic resonance type, the human body hardly absorbs energy, and dielectric loss can be avoided. From this point of view, attention to the magnetic resonance type has been increasing.
ここで、磁界共鳴型により非接触で電力を送受電する場合、例えば、図7に記載のように、送電コイル4と受電コイル7との間にガラス窓や壁などの障害物10がある場合には、その厚さによって送電コイル4と受電コイル7との距離が異なる。
Here, when electric power is transmitted and received in a non-contact manner by the magnetic field resonance type, for example, when there is an
送電コイル4と受電コイル7の距離が異なると、送電コイル4と受電コイル7の両コイル間の結合状態が変わり、電力伝送効率の周波数依存性が変化する。例えば、距離が離れていて結合状態が弱い場合には、図8(a)に模式的に示すように電力伝送効率は1つのピークを持つ単峰特性となる。しかし、距離が近づいて結合係数が1に近くなると、相互インダクタンスの影響が大きくなり、図8(b)に模式的に示すように、f0Lとf0Hの2つの峰を持つ双峰特性(密結合)となる。
If the distance between the
このように、送電コイル4と受電コイル7を近付けると双峰特性となるため、高周波電源から元々の任意の周波数で電力を供給しても、その周波数は共振周波数ではなくなっており、応答が低下することにより伝送電力は低下することとなる。これは、コイル間の距離によって、送電側からの電力供給の効率が変化することを意味する。このような事態に対して、高周波電力の周波数が一定のままでは、共振点から離れているため高効率の電力伝送は不可能である。従って、図7(A)と図7(B)とも良好な受電パワーを得る為には、送電コイル4と受電コイル7の距離(この図ではt1及びt2)に応じて種々の最適化調整が必要となってくる。
As described above, when the
特許文献1には、コイル間距離が変化しても常に最大の電力伝送効率が得られるように、複数の送電コイルと受電コイルを用い、結合係数が最大となる最大結合状態において、3以上の共鳴周波数を存在させる構成が開示されている。送電コイルと受電コイルとの間の使用可能距離範囲における距離の変化に対して、2以上の共鳴周波数が、順次、送電周波数に一致するように配置される。
In
少なくとも3つの異なる共鳴周波数を有しているために、全体として、共鳴する周波数帯域幅を広くすることができる。この結果、送電コイルと受電コイルとの間隔が変化して、3つの共鳴周波数が変化しても、共鳴周波数が、順次、送電周波数に一致するようになるので、伝送効率が低下することがない。 Since it has at least three different resonance frequencies, the frequency bandwidth of resonance can be broadened as a whole. As a result, even if the distance between the power transmission coil and the power reception coil changes and the three resonance frequencies change, the resonance frequency sequentially matches the power transmission frequency, so that the transmission efficiency does not decrease. .
特許文献1の構成の場合、存在する共鳴周波数が少ないと、送電コイルと受電コイル間の距離の変化に対して十分な電力伝送効率が得られない領域が存在する。これは、コイル間距離の変化量と隣り合う共鳴周波数の間隔との関係で決まる。このような問題点を解決するには、多数のコイルを配置する必要があり、結果的に装置コストが高くなる。また、種々のコイル間で磁気的に相互に影響し合い、その結果、電力伝送効率が低下する恐れがある。
In the case of the configuration of
また、送電周波数と臨界結合状態における受電コイルの自己共振周波数が一致していない為に、臨界結合状態となるコイル間距離において電力伝送効率が低くなってしまうという問題もある。なお、臨界結合状態とは、電力伝送効率の周波数依存性が、単峰特性から双峰特性に変わる境界の状態をいい、単峰のピークが最大となる結合状態である。 In addition, since the power transmission frequency and the self-resonance frequency of the power receiving coil in the critical coupling state do not coincide with each other, there is a problem that the power transmission efficiency is lowered at the distance between the coils in the critical coupling state. The critical coupling state refers to a boundary state where the frequency dependency of the power transmission efficiency changes from a single peak characteristic to a bimodal characteristic, and is a combined state in which the peak of the single peak is maximized.
本発明は、このような従来技術における問題点を解決するものであり、送電コイルからの電力伝送可能な距離を拡大させ、かつ臨界結合状態となるコイル間距離よりも短い領域(双峰特性領域)でも、送電コイルと受電コイル間距離に対応して安定な電力伝送を可能とする非接触電力伝送装置、及び非接触電力伝送方法を提供することを目的とする。 The present invention solves such problems in the prior art, and expands the distance at which power can be transmitted from the power transmission coil, and is an area shorter than the distance between the coils that is in a critically coupled state (bimodal characteristic area). However, it is an object of the present invention to provide a non-contact power transmission device and a non-contact power transmission method that enable stable power transmission corresponding to the distance between the power transmission coil and the power reception coil.
本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置と、補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置とを備え、前記送電装置と前記送電補助装置を対向させて、前記送電コイルと前記補助コイルの間に形成される受電空間に前記受電コイルを配置して前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送する。 A non-contact power transmission device according to the present invention includes a power transmission device having a power transmission resonator configured by a power transmission coil and a resonance capacitor, a power reception device having a power reception resonator configured by a power reception coil and a resonance capacitor, an auxiliary coil, and a resonance A power transmission auxiliary device having an auxiliary resonator constituted by a capacitor, the power transmission device and the power transmission auxiliary device are opposed to each other, and the power reception coil is disposed in a power reception space formed between the power transmission coil and the auxiliary coil. It arrange | positions and transmits electric power from the said power transmission apparatus to the said power receiving apparatus.
上記課題を解決するために、本発明の非接触電力伝送装置は、補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置と、送電コイルと補助コイルとのコイル間距離を一定に維持するためのコイル移動機構とを、更に備え、送電装置と送電補助装置とを対向させて送電コイルと補助コイルの間に形成される受電空間に受電コイルを配置して電力伝送を行うように構成され、コイル移動機構は、送電コイルと補助コイルの間の軸方向におけるコイル間距離を調節する。 In order to solve the above problems, a non-contact power transmission device according to the present invention has a power transmission auxiliary device having an auxiliary resonator constituted by an auxiliary coil and a resonant capacitor, and a constant coil-to-coil distance between the power transmission coil and the auxiliary coil. A coil moving mechanism for maintaining the power transmission device, wherein the power transmission device and the power transmission auxiliary device are opposed to each other, and the power reception coil is disposed in a power reception space formed between the power transmission coil and the auxiliary coil so as to perform power transmission. The coil moving mechanism is configured to adjust the inter-coil distance in the axial direction between the power transmission coil and the auxiliary coil.
前記送電コイルと前記補助コイルのコイル間距離は、前記送電装置から前記受電装置へ供給される受電パワーが最大となるように、調整することが好ましい。 It is preferable that the inter-coil distance between the power transmission coil and the auxiliary coil is adjusted so that the power received from the power transmission device to the power reception device is maximized.
また、本発明の非接触電力伝送方法は、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを用い、送電コイルと受電コイルの間の作用を介して送電装置から受電装置へ電力を伝送する方法であって、補助コイル及び共振容量により構成された補助共振器を有する送電補助装置を更に用い、送電コイルと受電コイル間の距離が変わっても送電コイルと補助コイルのコイル間距離が一定になるように送電コイルあるいは補助コイルの位置を調節することにより、送電装置から受電装置へ供給される受電パワーを最適化することを特徴とする。 Further, the non-contact power transmission method of the present invention uses a power transmission device having a power transmission resonator constituted by a power transmission coil and a resonance capacitor, and a power reception device having a power reception resonator constituted by a power reception coil and a resonance capacitance, A method for transmitting electric power from a power transmitting device to a power receiving device via an action between a power transmitting coil and a power receiving coil, further using a power transmission auxiliary device having an auxiliary resonator composed of an auxiliary coil and a resonant capacitor, By adjusting the position of the power transmission coil or auxiliary coil so that the distance between the coil of the power transmission coil and the auxiliary coil is constant even if the distance between the power transmission coil and the power reception coil changes, the power received from the power transmission device to the power reception device can be reduced. It is characterized by optimization.
本発明によれば、共振補助装置を設け、送電コイルと補助コイル間の距離を一定に維持した状態で受電コイルに電力伝送を行うことにより、送電コイルと受電コイルとの距離が変化した場合においても、安定した電力伝送が可能である。しかも、予め補助共振器の共振周波数を調節することにより、臨界結合状態となる送電コイルと補助コイルの間の距離よりも短い領域(双峰特性領域)でも、安定な電力伝送が可能である。 According to the present invention, when the distance between the power transmission coil and the power receiving coil is changed by providing the resonance auxiliary device and performing power transmission to the power receiving coil in a state where the distance between the power transmission coil and the auxiliary coil is kept constant. However, stable power transmission is possible. In addition, by adjusting the resonance frequency of the auxiliary resonator in advance, stable power transmission is possible even in a region shorter than the distance between the power transmission coil and the auxiliary coil that is in a critically coupled state (bimodal characteristic region).
本発明の非接触電力伝送装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。 The non-contact power transmission apparatus of the present invention can take the following aspects based on the above configuration.
送電コイルと補助コイルを対向させて送電コイルと補助コイルの間に形成される受電空間に受電コイルを配置して電力伝送を行うように構成され、送電コイルと受電コイルの間の磁界共鳴を介して送電装置から受電装置へ電力を伝送する。 A power receiving coil is arranged in a power receiving space formed between the power transmitting coil and the auxiliary coil with the power transmitting coil and the auxiliary coil facing each other, and is configured to perform power transmission, and through magnetic field resonance between the power transmitting coil and the power receiving coil. Then, power is transmitted from the power transmission apparatus to the power reception apparatus.
送電補助装置の補助共振器の共振容量を調整することにより、補助共振器の共振周波数を調整することができ、その結果、受電空間内の磁場の強度を制御することが可能となる。 By adjusting the resonance capacity of the auxiliary resonator of the power transmission auxiliary device, the resonance frequency of the auxiliary resonator can be adjusted, and as a result, the strength of the magnetic field in the power receiving space can be controlled.
このとき、送電装置の送電共振器と送電補助装置の補助共振器との電磁結合状態が双峰特性状態(密結合状態)となる送電コイルと補助コイルのコイル間距離内において、送電共振器の共振周波数f1と、受電共振器の共振周波数f2と、補助共振器の共振周波数f3が、f1=f2<f3、またはf3<f1=f2の関係になるように設定することが好ましい。すなわち、本発明では、補助コイルの共振周波数f3は、送電コイルの共振周波数f1および受電コイルの共振周波数f2とは異なり、特に、共振周波数f3が最も大きい場合の方が、電力伝送効率を大きくできる。 At this time, the electromagnetic coupling state between the power transmission resonator of the power transmission device and the auxiliary resonator of the power transmission auxiliary device is a bimodal characteristic state (tightly coupled state), and within the distance between the coils of the power transmission coil and the auxiliary coil, It is preferable that the resonance frequency f1, the resonance frequency f2 of the power receiving resonator, and the resonance frequency f3 of the auxiliary resonator are set so as to satisfy a relationship of f1 = f2 <f3 or f3 <f1 = f2. That is, in the present invention, the resonance frequency f3 of the auxiliary coil is different from the resonance frequency f1 of the power transmission coil and the resonance frequency f2 of the power reception coil, and in particular, the power transmission efficiency can be increased when the resonance frequency f3 is the highest. .
より好ましくは、送電コイルに電力を供給する為の高周波電力ドライバーの共振周波数をf0とした場合、f0=f1=f2<f3となるように設定する。すなわち、高周波電力ドライバーの共振周波数f0を共振周波数f2と同じ周波数とすることにより、電力伝送効率を最も高くすることができる。送電コイルの共振周波数f1もf0と同じ方が良い。 More preferably, when the resonance frequency of the high-frequency power driver for supplying power to the power transmission coil is f0, f0 = f1 = f2 <f3 is set. That is, the power transmission efficiency can be maximized by setting the resonance frequency f0 of the high-frequency power driver to the same frequency as the resonance frequency f2. The resonance frequency f1 of the power transmission coil is preferably the same as f0.
なお、送電補助装置3の具体的な機能や共振周波数などの調整方法については、先に出願されている特開2013−85436公報に記載されている。 Note that a specific function of the power transmission auxiliary device 3 and a method for adjusting the resonance frequency and the like are described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-85436 filed earlier.
本発明は、上記のように送電補助装置の補助共振器の共振容量を調整することにより、受電空間内の磁場の強度を最適化したうえで、送電コイルあるいは補助コイルの位置を移動させることができる機構系を設けることを特徴とする。非接触電力伝送装置の取り付け個所に依存して送電装置と受電装置の距離が変わってしまう場合でも、機構系を調節することにより送電コイルと補助コイルの距離を最適の距離にできる。機構系の調節においては、受電パワーをモニターする検出部を設け、この受電パワーが最大となるように送電コイルあるいは補助コイルの位置を調節することができる。 According to the present invention, the position of the power transmission coil or the auxiliary coil can be moved while the strength of the magnetic field in the power receiving space is optimized by adjusting the resonance capacity of the auxiliary resonator of the power transmission auxiliary device as described above. A mechanism system that can be used is provided. Even when the distance between the power transmission device and the power reception device changes depending on the attachment location of the non-contact power transmission device, the distance between the power transmission coil and the auxiliary coil can be made the optimum distance by adjusting the mechanical system. In adjusting the mechanical system, a detector for monitoring the received power can be provided, and the position of the power transmission coil or auxiliary coil can be adjusted so that the received power is maximized.
なお、送電コイルの直径d1と、受電コイルの直径d2と、補助コイルの直径d3が、d1>d2、かつd2<d3の関係を満足する構成とすることが好ましい。この関係を保っていれば、電力伝送可能距離の増大に効果的である。特に、d1=d3の関係を満足することが好ましい。それにより、受電可能範囲の拡大などの伝送効率特性の向上について大きな効果が得られる。もちろん、円形のコイルに限らず、四角形のコイル等をそれぞれ配置した形態でも、同様の効果が得られる。薄くできることから平面コイルが好ましい。また、送電コイルの中心軸と、補助コイルの中心軸と、受電コイルの中心軸が、同一軸上にあることが好ましい。 It is preferable that the diameter d1 of the power transmission coil, the diameter d2 of the power reception coil, and the diameter d3 of the auxiliary coil satisfy the relationship of d1> d2 and d2 <d3. If this relationship is maintained, it is effective in increasing the power transferable distance. In particular, it is preferable that the relationship d1 = d3 is satisfied. Thereby, a great effect can be obtained with respect to improvement of transmission efficiency characteristics such as expansion of the power receiving range. Of course, the same effect can be obtained not only in the case of a circular coil but also in a form in which a rectangular coil or the like is arranged. A planar coil is preferable because it can be thinned. Moreover, it is preferable that the central axis of the power transmission coil, the central axis of the auxiliary coil, and the central axis of the power receiving coil are on the same axis.
さらに、両コイルの中心軸を同軸として同一平面上に配置し、更に受電コイルの直径d2と、補助コイルの直径d3が、d2<d3であるように構成することもできる。 Further, the central axes of both coils may be coaxially arranged on the same plane, and the power receiving coil diameter d2 and the auxiliary coil diameter d3 may be configured such that d2 <d3.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。各実施の形態は、本発明を具現化する為の例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Each embodiment is an example for embodying the present invention, and the present invention is not limited to these.
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1における磁界共鳴型の非接触電力伝送装置の構成を示す模式図である。本発明の非接触電力伝送装置は、送電装置1と受電装置2を備え、受電装置2内に送電補助装置3を備えるのが特徴である。
<
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a magnetic field resonance type non-contact power transmission apparatus according to the first embodiment. The non-contact power transmission device of the present invention includes a
送電装置1は、送電コイル4と高周波電力ドライバー5を備える。高周波電力ドライバー5は、交流電源6の電力を送電可能な高周波電力に変換し、送電コイル4に高周波電力を供給する。高周波電力は送電コイル4を介して受電装置2の受電コイル7に送電される。
The
送電装置1には、送電用のループコイルを設けても良い。なお、図示は省略するが、送電コイル4には共振容量が接続されており、送電コイル4と共振容量とで送電共振器を構成している。共振容量としては、可変コンデンサ(バリコンあるいはトリマコンデンサなど)あるいは固定コンデンサを接続してもよいし、浮遊容量を利用した構成としてもよい。
The
受電装置2は、受電コイル7と送電補助装置3を少なくとも備える。受電コイル7の近くに受電用ループコイルを設けても良い。送電コイル4から受電コイル7に伝送された高周波電力は、例えば、整流回路を搭載した受電回路を経由して、負荷の充電池に蓄えられる。充電池を用いないで直接負荷へ電力を伝送する構成にしてもよい。なお、図1では詳細を示していないが、後で詳しく述べるように受電装置2は補助コイル8を軸方向へ移動できる機構系を設けている。
The
送電補助装置3は、補助コイル8と調整用コンデンサ9で構成される補助共振器を有する。なお、調整用コンデンサ9は可変コンデンサ(バリコンあるいはトリマコンデンサなど)や固定コンデンサを複数個接続することにより構成してもよい。ただし、補助共振器の共振周波数を調整する方法は、調整用コンデンサ9の容量を調整する方法に限るものではない。
The power transmission auxiliary device 3 includes an auxiliary resonator including an
次に、本実施の形態の特徴である送電補助装置3の機能について説明する。送電コイル4と補助コイル8の距離が十分に離れている場合には、送電共振器と補助共振器の結合力が弱く、相互インダクタンスがほとんど無視できる。この場合、送電側共振系の共振周波数ftは送電装置1の共振周波数f1と同じ1つのピークを持つ単峰特性となる(疎結合状態)。送信側共振系とは、送電コイル4と共振容量で構成されている送電共振器と、補助コイル8と共振容量で構成されている補助共振器の磁気的な結合によって構成される共振系である。一方、送電コイル4と補助コイル8の距離が短い場合には、送電共振器と補助共振器の結合力が強く、相互インダクタンスが無視できなる。この場合、送信側共振系の共振周波数は2つのピークが出現し、低い方の周波数をftL、高い方の周波数をftHとする双峰特性となる(密結合状態)。
Next, the function of the power transmission auxiliary device 3 that is a feature of the present embodiment will be described. When the distance between the
このように、送電コイルと受電コイルの距離が近く、電力伝送効率の周波数特性が双峰特性となる場合には、最大の伝送効率が得られる周波数は共振周波数ftではなくなってしまう。双峰特性における周波数ftでの伝送効率は、送電コイルと受電コイルの距離によって変化するので、送電装置における高周波電力の周波数が一定のままでは、高効率の電力伝送ができないという問題点があった。 As described above, when the distance between the power transmission coil and the power reception coil is short and the frequency characteristic of the power transmission efficiency is a bimodal characteristic, the frequency at which the maximum transmission efficiency is obtained is not the resonance frequency ft. Since the transmission efficiency at the frequency ft in the bimodal characteristics changes depending on the distance between the power transmission coil and the power reception coil, there is a problem that high-efficiency power transmission cannot be performed if the frequency of the high-frequency power in the power transmission device remains constant. .
本発明においては、補助コイル8に接続されるコンデンサとして容量が可変な調整用コンデンサ9を用い、調整用コンデンサ9の容量を調整して送電補助装置3の共振周波数f3を変えることにより、送電側共振系の共振周波数ftを変化させる。これにより、送電コイル4と補助コイル8で形成される受電空間内の磁場の強度を制御することが可能となる。なお、送電補助装置3の具体的な機能や共振周波数などの調整方法については、先に出願されている特開2013−85436公報に記載されている。
In the present invention, the adjustment capacitor 9 having a variable capacity is used as a capacitor connected to the
送電補助装置3による受電空間内における磁場強度の制御機能を十分に得るためには、送電補助装置3を構成する補助コイル8は、送電コイル4の形状とほぼ同じとし、両者のコイルの中心軸もほぼ同軸に配置することが望ましい。
In order to sufficiently obtain the control function of the magnetic field strength in the power receiving space by the power transmission auxiliary device 3, the
送電補助装置3を用いれば電力の伝送距離を拡大することができる。そのためには、送電コイル4の直径をd1、受電コイル7の直径をd2、補助コイル8の直径をd3とした時、d1>d2、かつd2<d3の関係を満足すればよい。送電コイル4の直径d1が受電コイル7の直径d2よりも大きければ、補助コイル8との間の磁束を有効に利用することができ、また、補助コイル8の直径d3が受電コイル7の直径d2よりも大きければ送電コイル4との間の磁束を利用することができるためである。
If the power transmission auxiliary device 3 is used, the transmission distance of power can be increased. For this purpose, when the diameter of the
図2は、図1の非接触電力伝送装置を用いて実際に電力伝送を行い、送電コイル4から受電コイル7までの距離Xと、受電回路内の整流回路の出力電力との関係を調べた結果のグラフである。なお、整流回路の出力電力は受電パワーに相当する。ここで各共振器における共振周波数は、送電装置1のf1、受電装置2のf2、高周波電力ドライバー6の共振周波数f0、全て13.6MHzと同じにした。送電コイル4と補助コイル8間の距離Zは50mm固定とし、障害物10は無い状態で測定した。受電コイル7の位置に応じた受電パワーの変化を調べる為に、送電コイル4と補助コイル8で形成される受電空間内で、受電コイル7を距離Z方向に移動させた。このとき、送電コイル4から受電コイル7までの距離をXとした。そして、補助コイル8に接続した調整用コンデンサ9の容量を変化させることにより、送電補助装置3の共振周波数f3を、12MHz、13MHz、13.6MHz、14MHz、及び15MHzにそれぞれ設定し、各f3値において距離Xと受電パワーの関係を測定した。
FIG. 2 shows the relationship between the distance X from the
その結果、図2に示すように、送電補助装置3の共振周波数f3が12MHzの時には、距離X=35mm以上の領域では受電パワーがほとんどゼロであることがわかる。これは、送電共振器と補助共振器の相互インダクタンスがほとんど無視できる状態であり、送電装置1の共振周波数f1が送電側共振系の共振周波数ftとなっているからである。
As a result, as shown in FIG. 2, when the resonance frequency f3 of the power transmission auxiliary device 3 is 12 MHz, it is understood that the received power is almost zero in the region where the distance X = 35 mm or more. This is because the mutual inductance between the power transmission resonator and the auxiliary resonator is almost negligible, and the resonance frequency f1 of the
送電補助装置3の共振周波数f3を13MHzとして1MHz大きくした時には、送電共振器と補助共振器の相互インダクタンスが大きくなり、距離X=約30mm付近で受電パワーが最低となる。 When the resonance frequency f3 of the power transmission auxiliary device 3 is 13 MHz and is increased by 1 MHz, the mutual inductance between the power transmission resonator and the auxiliary resonator increases, and the received power becomes the lowest in the vicinity of the distance X = about 30 mm.
送電補助装置3の共振周波数f3が、送電装置1の共振周波数f1と同じ共振周波数(13.6MHz)の時には、送電コイル4に近い距離Xが小さい領域で受電パワーが最も小さく、距離Xが大きくなるに従って受電パワーが上昇していき、補助コイル8に近い領域で最も大きくなる。
When the resonance frequency f3 of the power transmission auxiliary device 3 is the same resonance frequency (13.6 MHz) as the resonance frequency f1 of the
送電補助装置3の共振周波数f3が14MHzの時には、受電コイル7が送電コイル4と送電補助コイル8で形成される受電空間内のどの位置にあっても、高い受電パワーを得ることができる。即ち、送電コイル4と補助コイル8間の距離Zが一定の場合、送電補助装置の共振周波数f3を適切な値にすることにより、受電コイル4の受電空間内における位置が変わっても安定な受電パワーを得ることができる。
When the resonance frequency f3 of the power transmission auxiliary device 3 is 14 MHz, high power reception power can be obtained regardless of the position in the power reception space where the
そして、送電補助装置3の共振周波数f3が15MHzの時には、距離Xが大きくなるのに従って受電パワーが低下していくことがわかる。これは送電共振器と補助共振器の相互インダクタンスが小さくなる為と考えられる。 When the resonance frequency f3 of the power transmission auxiliary device 3 is 15 MHz, it can be seen that the received power decreases as the distance X increases. This is considered because the mutual inductance of the power transmission resonator and the auxiliary resonator is reduced.
このように送電補助装置3の共振周波数f3を適切に設定することにより、受電空間内の磁場の強度を制御することが可能となり、受電コイル4の受電空間内の位置に応じて、受電パワーを制御できることがわかる。
Thus, by appropriately setting the resonance frequency f3 of the power transmission auxiliary device 3, it is possible to control the strength of the magnetic field in the power receiving space, and the power received according to the position of the
本発明は、送電補助装置を用いて受電空間内の受電パワーが一様に得られるような条件(例えば、図2の条件ではf3=14MHz)に設定し、送電コイルと受電コイルとの距離が変わった場合でも、一様の受電パワーが得られるようにする。 The present invention is set to a condition (for example, f3 = 14 MHz in the condition of FIG. 2) such that the power received in the power receiving space is uniformly obtained using the power transmission auxiliary device, and the distance between the power transmitting coil and the power receiving coil is Even if it changes, it should be possible to obtain uniform power reception.
図3(A)に示すように、送電コイル4と補助コイル8とのコイル間距離がZ1の時に前記のような一様な受電パワーが得られる条件において、窓ガラスや壁などの厚さd1の障害物10の両側に送電コイル4と受電コイル7を対向して設けた場合、受電コイル7と補助コイル8とのコイル間距離D1は、D1=Z1−d1の関係を満たす。
As shown in FIG. 3A, the thickness d1 of the window glass, the wall, etc., under the condition that the uniform power receiving power as described above is obtained when the inter-coil distance between the
一方、図3(B)のように障害物11の厚さがd1からd2と厚くなった場合には、送電コイル4と補助コイル8とのコイル間距離をZ1とする必要があるので、受電コイル7と補助コイル8とのコイル間距離は、D1からD2へと短くなる。
On the other hand, when the thickness of the
ところで、受電コイル7と補助コイル8を図1に示したように受電装置2内に一体に設ける場合には、送電コイル4と補助コイル8とのコイル間距離Z1と同じ距離(Z2≒Z1)とするためには、受電装置2内で受電コイル7と補助コイル8間のコイル間距離をD1からD2へ変える必要がある。
By the way, when the
そこで本実施の形態1では、図4に示すように受電装置2に補助コイル8の位置を変えることができる機構系を設ける。すなわち、図4(A)から図4(B)のように、障害物の厚さがt1からt2へ厚くなった場合には、補助コイル8を軸方向に移動させることが可能な機構系12を調節することにより、受電コイル7と補助コイル8との距離を、D3からD4へと短くできる。その結果、送電コイル4と補助コイル8とのコイル間距離を所定の距離にすることができる(Z4≒Z3)。これにより、障害物の厚さが変わった場合でも、良好な受電パワーが得られる。
Therefore, in the first embodiment, a mechanism system capable of changing the position of the
最適な距離Z4を求める方法としては、図4(B)の障害物11に送電装置1及び受電装置2を取り付けたのち、受電装置2の機構系12を調節することにより、補助コイル8をコイルの軸方向に移動させ、受電装置2に設けた図示しないランプ等の表示を基に最適な位置で固定すればよい。例えば、ランプが一番明るく点灯する位置、所定のランプが点灯する位置等にすればよい。すなわち、送電回路あるいは受電回路により受電パワーをモニターし、その受電パワーが最大となる位置で補助コイル8を固定すればよい。ここで、補助コイル8を移動させる手段として、機構系12を手動で動かしてもモータなどにより自動で動かしてもよい。表示ランプは、送電装置1に設けてもよい。
As a method for obtaining the optimum distance Z4, the
機構系12の例としては、受電装置2に設けた穴の内側にタップでねじを刻み、そのねじ穴にねじを差し込み回転させることにより、補助コイル8を軸方向に移動させることができる。
As an example of the
また、送電装置1及び受電装置2を障害物に取り付ける方法としては、吸着盤やマグネット、場合によっては接着剤やネジ固定などで行う。また、障害物の厚さ(t1やt2)が予め分かっている場合には、機構系12にメモリをつけて障害物の厚さの差分(t2−t1)だけ、機構系12を用いて補助コイル8を移動(D3−D4)させればよい。また、障害物11の厚さがわからない場合は、窓ガラスであればレーザを用いて、コンクリートのような壁であれば超音波を利用して取り付ける前に測定すればよい。このように、機械的な動作のみで受電パワーの最適化が行えることが特徴である。
Moreover, as a method of attaching the
<実施の形態2>
本実施の形態2においても、実施の形態1と同様に受電装置2内に送電補助装置3を備える。その点、基本的な構成は図1と同じである。しかし、本実施の形態2では、送電装置1に送電コイルの位置を移動させる機構系を設けた点で、実施の形態1とは異なる。すなわち、送電補助装置を用いて受電空間内の受電パワーが一様に得られるような条件(例えば、図2の条件ではf3=14MHz)に設定し、送電コイルの位置を移動させることにより、障害物の厚さが変わったとしても、良好な受電パワーが得られるようにしている。
<
Also in the second embodiment, the power transmission auxiliary device 3 is provided in the
図5(A)に示すように、窓ガラスや壁などの障害物10に受電コイル7を接して設け、受電コイル7と補助コイル8とのコイル間距離は固定する(距離D5)。この時、送電コイル4と補助コイル8との距離Z5が一様な受電パワーが得られる条件であった場合、図5(B)のように障害物11の厚さがt1からt2と厚くなった場合には、送電コイル4と受電コイル7とのコイル間距離は変えてはならない(d5=d6)。しかし、送電コイル4と障害物11との距離は短くなってしまう。
As shown in FIG. 5A, the
そのため、本実施の形態2では送電コイル4の位置を変えて送電コイル4と障害物11との距離を調節する。図6に示すように、送電装置1に送電コイル4の位置を変えられるような機構系13が設けられている。すなわち、図6(A)から図6(B)のように、障害物の厚さがt1からt2へ厚くなった場合には、送電コイル4を軸方向に移動させることが可能な機構系13を調節することにより、送電コイル4と補助コイル8とのコイル間距離を所定の距離にすることができる(Z8≒Z7)。これにより、障害物の厚さが変わった場合でも、良好な受電パワーが得られる。
Therefore, in the second embodiment, the distance between the
最適な距離Z8を求める方法としては、図6(B)の障害物11に送電装置1及び受電装置2を取り付けたのち、送電装置1に設けられた機構系13を調節することにより、送電コイル4をコイルの軸方向に移動させ、受電装置2に設けた図示しないランプ等の表示を基に最適な位置で固定すればよい。例えば、ランプが一番明るく点灯する位置、所定のランプが点灯する位置等にすればよい。すなわち、送電回路あるいは受電回路により受電パワーをモニターし、その受電パワーが最大となる位置で送電コイル4を固定すればよい。ここで、送電コイル4を移動させる手段として、機構系13を手動で動かしてもモータなどにより自動で動かしてもよい。表示ランプは、送電装置1に設けてもよい。
As a method for obtaining the optimum distance Z8, the power transmission coil is obtained by adjusting the
機構系13の例としては、送電装置1に設けた穴の内側にタップでねじを刻み、そのねじ穴にねじを差し込み回転させることにより、送電コイル4を軸方向に移動させることができる。
As an example of the
ここで、送電装置1及び受電装置2を障害物に取り付ける方法としては、吸着盤やマグネット、場合によっては接着剤やネジ固定などで行う。また、障害物の厚さ(t1やt2)が予め分かっている場合には、機構系13にメモリをつけて障害物の厚さの差分(t2−t1)だけ、機構系13を用いて送電コイル4を移動させればよい。また、障害物11の厚さがわからない場合は、窓ガラスであればレーザを用いて、コンクリートのような壁であれば超音波を利用して取り付ける前に測定すればよい。このように、機械的な動作のみで受電パワーの最適化が行えることが特徴である。
Here, as a method of attaching the
なお、以上の本実施の形態1及び2では、共振周波数をMHz帯としたが、KHz帯(例えば、f1などが100kHz)でも同様の効果が得られる。 In the first and second embodiments described above, the resonance frequency is in the MHz band, but the same effect can be obtained even in the KHz band (for example, f1 is 100 kHz).
このように本発明によれば、送電コイル4と受電コイル7との距離が変化した場合においても、送電コイル4あるいは補助コイル8の位置を移動させるだけで安定な電力伝送が可能であり、更に受電装置内及び送電装置内に共振周波数を調整する手段を設けなくて良いことから、送電装置及び受電装置の低コスト化が可能となる。
As described above, according to the present invention, even when the distance between the
なお、実施の形態1では送電補助装置に機構系を設けた場合、実施の形態2では、送電装置に機構系を設けた場合を示したが、送電補助装置と送電装置共に機構系を設けて、送電コイルと補助コイルのコイル間距離を調節することにより上記と同様の効果を得ることができる。 In the first embodiment, the mechanical system is provided in the power transmission auxiliary device, and in the second embodiment, the mechanical system is provided in the power transmission device. However, both the power transmission auxiliary device and the power transmission device are provided with the mechanical system. The effect similar to the above can be obtained by adjusting the distance between the coil of the power transmission coil and the auxiliary coil.
本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイルと受電コイルとの距離が変化しても安定な電力伝送が可能であり、窓ガラスや壁などの障害物がある場合の非接触電力伝送に好適である。 The non-contact power transmission device of the present invention is capable of stable power transmission even when the distance between the power transmission coil and the power reception coil changes, and is suitable for non-contact power transmission when there is an obstacle such as a window glass or a wall. It is.
1 送電装置
2 受電装置
3 送電補助装置
4 受電コイル
5 高周波電力ドライバー
6 交流電源
7 受電コイル
8 補助コイル
9 調整用コンデンサ
10、11 障害物
12、13 機構系
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記送電コイル又は前記補助コイルの少なくとも一方をコイルの軸方向に移動して、前記送電コイルと前記補助コイルのコイル間距離を調節するためのコイル移動機構を備えることを特徴とする非接触電力伝送装置。 A power transmission device having a power transmission resonator constituted by a power transmission coil and a resonance capacitor, a power reception device having a power reception resonator constituted by a power reception coil and a resonance capacitance, and an auxiliary resonator constituted by an auxiliary coil and a resonance capacitance A power transmission auxiliary device, wherein the power transmission device and the power transmission auxiliary device are opposed to each other, and the power reception coil is disposed in a power reception space formed between the power transmission coil and the auxiliary coil. In a non-contact power transmission device that transmits power to
Non-contact power transmission, comprising: a coil moving mechanism for adjusting a distance between the power transmission coil and the auxiliary coil by moving at least one of the power transmission coil or the auxiliary coil in the axial direction of the coil. apparatus.
送電コイルと受電コイル間の距離に係わらず、送電コイルと補助コイルの軸方向におけるコイル間距離を調節することにより、送電装置から受電装置へ供給される受電パワーを最適化することを特徴とする非接触電力伝送方法。 A power transmission device having a power transmission resonator constituted by a power transmission coil and a resonance capacitor, a power reception device having a power reception resonator constituted by a power reception coil and a resonance capacitance, and an auxiliary resonator constituted by an auxiliary coil and a resonance capacitance A power transmission auxiliary device, wherein the power transmission device and the power transmission auxiliary device are opposed to each other, and the power reception coil is disposed in a power reception space formed between the power transmission coil and the auxiliary coil. In a non-contact power transmission device that transmits power to
Regardless of the distance between the power transmission coil and the power reception coil, the power reception power supplied from the power transmission apparatus to the power reception apparatus is optimized by adjusting the distance between the coils in the axial direction of the power transmission coil and the auxiliary coil. Non-contact power transmission method.
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| WO2017081975A1 (en) * | 2015-11-13 | 2017-05-18 | ローム株式会社 | Power reception device and contactless power supply system |
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