JP2023023341A - エネルギー供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物に非接触でエネルギーを供給できるエネルギー供給装置において、複数のコイル間におけるエネルギー供給効率の低下を抑制する。【解決手段】対象物２００に非接触でエネルギーを供給できるエネルギー供給装置１００であって、前記対象物が載置されるトッププレート１と、電源に接続されるとともに前記トッププレートの下に配置され、前記対象物にエネルギーを供給する複数のコイル２とを備え、前記複数のコイルが、磁性コアに導線を巻回して構成したソレノイド型のものであり、互いに隣り合う複数の前記コイル間で前記磁性コアが共用化されている。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物に非接触でエネルギーを供給できるエネルギー供給装置に関するものである。

従来、高周波磁界による誘導電流を利用して、対象物に対して熱や電力等のエネルギーを非接触で供給するエネルギー供給装置が知られている。このようなエネルギー供給装置として、例えば特許文献１には、加熱対象物や給電対象物が置かれるトッププレートの下に複数の円形コイル（パンケーキコイル）をアレイ状に配置することで、天板上の任意の位置で加熱や給電を非接触で行えるようにした装置が開示されている。

国際公開２０１４－０３０３１４号公報

上記した特許文献１に示すような、円形コイルを並べて配置したエネルギー供給装置では、コイル間におけるエネルギー供給効率がコイル直上に比べて相対的に低い。そのためユーザは、対象物を効率よく加熱・給電するためには、天板上に置かれた対象物の位置を厳密に調整する必要があり不便であった。

本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、対象物に非接触でエネルギーを供給できるエネルギー供給装置において、複数のコイル間におけるエネルギー供給効率の低下を抑制することを主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るエネルギー供給装置は、対象物に非接触でエネルギーを供給できるエネルギー供給装置であって、前記対象物が載置されるトッププレートと、電源に接続されるとともに前記トッププレートの下に配置され、前記対象物にエネルギーを供給する複数のコイルとを備え、前記複数のコイルが、磁性コアに導線を巻回して構成したソレノイド型のものであり、互いに隣り合う複数の前記コイル間で前記磁性コアが共用化されていることを特徴とする。

このような構成であれば、各コイルをソレノイド型のものとし、互いに隣り合う複数のコイル間で磁性コアを共用化するようにしているので、各コイルを励磁した際に、コイル間にも磁路を形成することができる。これにより、コイル間におけるエネルギー供給効率の低下を抑制でき、トッププレート上におけるエネルギー供給効率の偏りを抑制することができる。これにより、トッププレートに置いた対象物の位置を厳密に調整する必要がなくなるので、ユーザ利便性を向上できる。

また前記エネルギー供給装置は、前記複数のコイルが二次元アレイ状に配置されていることが好ましい。
このようにすれば、トッププレート上の広い範囲で対象物に対してエネルギーを供給することができる。ユーザは、トッププレート上の所望の位置に対象物を置いて加熱したり給電したりできるので、ユーザ利便性をより一層向上できる。

また前記エネルギー供給装置の具体的態様としては、前記磁性コアを共用する複数のコイルが列をなして配置されてコイルアレイを形成しており、当該コイルアレイを複数列備えているものが挙げられる。

また前記エネルギー供給装置の具体的態様としては、前記複数のコイルアレイが、互いに隣り合う列の前記コイルが互い違いになるように配置されているものが挙げられる。

また前記エネルギー供給装置は、前記複数のコイルに高周波電力を供給する複数のインバータを備え、前記磁性コアを共用している前記複数のコイルのそれぞれに対して前記インバータが個別に接続されているのが好ましい。
また前記エネルギー供給装置は、前記複数のコイルに流れる電流の方向を個別に変更することにより、前記複数のコイルから生じる磁束の方向を個別に変更できるように構成されているのが好ましい。
このようにすれば、供給電流のオン・オフ、周波数、位相、印加電圧等をコイル毎に調整することができる。これにより、例えば加熱対象物や給電対象物が置かれている位置にあるコイルのみを励磁する等できるので、経済性及び安全性を高めることができる。

また前記エネルギー供給装置の具体的態様としては、前記磁性コアを共用している前記複数のコイルにおいて、互いに隣り合う前記コイルから生じる磁束の方向を互いに逆向きにすることで、前記対象物を加熱するように構成されているのが好ましい。

また前記エネルギー供給装置の具体的態様としては、前記対象物が、負荷と、前記負荷に接続される二次側コイルとを備えるものであり、前記複数のコイルと、これに対向配置される前記対象物の前記二次側コイルとを磁気共鳴させることにより前記対象物に対して電力を伝送するように構成されているものが挙げられる。

また前記エネルギー供給装置の具体的態様としては、前記磁性コアを共用している前記複数のコイルにおいて、互いに隣り合う前記コイルから生じる磁束の方向を合わせることで、前記対象物に電力を供給するように構成されているものが挙げられる。

このように構成した本発明によれば、対象物に非接触でエネルギーを供給できるエネルギー供給装置において、複数のコイル間におけるエネルギー供給効率の低下を抑制することができる。

本実施形態のエネルギー供給装置の構成を概略的に示す斜視図。 同実施形態のエネルギー供給装置の構成を概略的に示す平面図。 同実施形態のコイルアレイの構成を概略的示す分解図。 同実施形態のコイルアレイの回路構成を概略的に示す図。 同実施形態のコイルアレイの回路構成を概略的に示す図。 同実施形態のエネルギー供給装置の加熱動作を説明するための図。 同実施形態のエネルギー供給装置の給電動作を説明するための図。 同実施形態のエネルギー供給装置の給電動作を説明するための図。 同実施形態のエネルギー供給装置と給電対象物の回路構成を概略的に示す図。 他の実施形態のコイルアレイの構成を概略的に示す斜視図。 他の実施形態のコイルアレイの構成を概略的に示す斜視図。 他の実施形態のコイルアレイの構成を概略的に示す斜視図。

以下に本発明の一実施形態に係るエネルギー供給装置について図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
本実施形態のエネルギー供給装置１００は、電磁誘導の原理により対象物２００に対して非接触でエネルギーを供給するものである。このエネルギー供給装置１００は、例えばキッチン等で使用されて、鍋やフライパン等の金属製の調理器具を誘導加熱したり、さらには電気ケトル等の電気機器に対してワイヤレスで給電したりする家電機器として利用されるものである。

具体的にこのエネルギー供給装置１００は、図１に示すように、調理器具や電気機器等の対象物２００が置かれるトッププレート１と、トッププレート１の下に配置され、対象物２００にエネルギーを供給する複数のコイル２と、複数のコイル２に交流電流を流すインバータ３と、インバータ３を制御する制御部４とを備えている。このエネルギー供給装置１００は、調理器具を誘導加熱する誘導加熱動作と、電気機器に対してワイヤレス給電を行う給電動作との両方を行うことができ、ユーザの操作によりこれらの動作を選択的に切り替えられるように構成されている。

トッププレート１は、対象物２００が置かれる平坦な載置面１１を有する板状をなすものである。このトッププレート１は、例えばガラスやセラミックなどの電気絶縁材料から構成される。

複数のコイル２は、誘導加熱動作時には加熱コイルとして機能し、給電動作時には給電コイルとして機能するものである。具体的にこの複数のコイル２は、載置面１１の裏側（トッププレート１の下方）に配置されており、いずれもフェライト等の磁性材料からなる磁性コア２１（ここでは一体物）に導線２２を巻回して構成したソレノイド型のものである。ここでは、各コイル２は、載置面１１に直交する軸周りにその導線２２が巻回されるように構成されている。つまり各コイル２は、その軸が鉛直方向に平行なるように設定されている。複数のコイル２は、いずれも同形状及び同じ大きさであり、図２に示すように、平面視において二次元アレイ状をなすように配置されている。

より具体的には、このエネルギー供給装置１００では、複数（５つ）のコイル２が等間隔で列を成して配置されることで１組のコイルアレイ２Ａをなしており、このコイルアレイ２Ａが互いに平行に複数列（６列）並べて配置されている。平面視において、各コイルアレイ２Ａは、互いに隣り合う列のコイル２が互い違いになるよう配置されている。

本実施形態のエネルギー供給装置１００では、互いに隣り合う複数のコイル２間で磁性コア２１が共用化されるように構成されている。具体的には、図２及び３に示すように、各コイルアレイ２Ａにおいて、列をなす複数のコイル２間で磁性コア２１が共用化されている。すなわち、１つの磁性コア２１に対して複数の導線２２が異なる位置に巻回されることにより、複数のコイル２が形成されている。

より具体的には、各コイルアレイ２Ａを構成する磁性コア２１は、図３に示すようにコイル２の配列方向に沿って延びる長尺板状を成すものであり、載置面１１側を向く一方の面２１１に、導線２２が巻回される被巻回部２１２が複数個形成されている。各被巻回部２１２は、トッププレート１に向かって突出する凸部により構成されており、配列方向に沿って等間隔で設けられている。

インバータ３は、電源とコイル２とに接続され、電源から供給される交流電圧を任意の周波数に変換してコイル２に出力するものである。本実施形態のエネルギー供給装置１００は、複数のコイル２のそれぞれに対応する複数のインバータ３を備えている。より具体的には、図４及び図５に示すように、少なくとも各コイルアレイ２Ａにおいて、複数のコイル２がそれぞれ対応するインバータ３に個別に接続されている。本実施形態では、配置されている全てのコイル２に対して、インバータ３が１対１で対応するように接続されている。なお、各コイル２には、共振コンデンサ５が直列に接続されており、共振回路（ＬＣ直列共振回路）が形成されている。

制御部４は、ＣＰＵ、メモリ、入力手段などを備えたコンピュータであり、そのメモリに記憶させた所定のプログラムにしたがって動作することによって、各インバータ３を個別に制御するように機能する。

具体的にこの制御部４は、各コイル２に接続されている各インバータ３の動作を個別に制御することで、各コイル２へ流れる電流のオン／オフ、周波数（例えば、１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの高周波数帯域まで）、位相及び電圧を個別に調整できるように構成されている。また制御部４は、各コイル２へ流れる電流の向きを変更することで、各コイル２から生じる磁束の方向を個別に変更するように構成されている。さらに制御部４は、トッププレート１上に置かれた対象物２００の位置及び大きさを検知できるように構成されている。

そしてこの制御部４は、その制御モードとして、トッププレート１に置かれた対象物２００を誘導加熱するように各インバータ３を制御する誘導加熱モードと、対象物２００に電力を供給するように各インバータ３を制御する給電モードとを取ることができる。各モードについて説明する。

（誘導加熱モード）
誘導加熱モードでは、制御部４は、図６（ａ）に示すように、隣り合うコイル２から生じる磁束の方向が互いに逆向きになるように、各インバータ３を制御する。より具体的には、各コイルアレイ２Ａにおいて、互いに隣り合うコイル２に流す電流の向きを互いに逆向きにし、これらのコイル２から生じる磁束の方向が互いに逆向きになるように制御する。なお制御部４は、トッププレート１に置かれた対象物２００の直下に位置するコイル２にのみ選択的に通電させる。またこの誘導加熱モードでは、制御部４は、１０ｋＨｚ以上の高周波電流を各コイル２に流すように各インバータ３を制御する。

そしてこの誘導加熱モードでは、図６（ｂ）に示すように、コイルアレイ２Ａを構成する各コイル２が磁性コア２１を共用しているので、磁性コア２１内において複数のコイル２を跨るようにして磁路が形成されるので、各コイル２間においても強力な磁界を生じさせ、加熱面積を広くすることができる。

（給電モード）
給電モードでは、制御部４は、図７に示すように、コイルアレイ２Ａ内における各コイル２から生じる磁束の方向を合わせるように、各インバータ３を制御する。より具体的には、各コイルアレイ２Ａにおいて、各コイル２に流す電流の向きを互いに同じ向きにし、これらのコイル２から生じる磁束の方向が互いに同じ向きになるように各インバータ３を制御する。また給電モードでは、隣り合うコイルアレイ２Ａが備える各コイル２から生じる磁束の方向が、互いに逆向きになるように各インバータ３を制御する。なお制御部４は、トッププレート１に置かれた対象物２００の直下に位置するコイル２にのみ選択的に通電させる。またこの給電モードでは、制御部４は、高周波電流を各コイル２に流すように各インバータ３を制御する。各コイル２は、インバータ３から交流電圧が印加されて振動磁場を発生させる。

そしてこの給電モードでは、図８に示すように、各コイルアレイ２Ａを構成する各コイル２が磁性コア２１を共用しているので、給電対象物２００の位置や大きさが変わった場合でも、駆動するコイル２を選択することで、給電に最適な磁路を構成することができる。

なお、給電モードにおいて給電可能な対象物２００としては、例えば伝熱ヒータ等の負荷２２０と、エネルギー供給装置１００から伝送された電力を受け取り、これを負荷２２０に出力する受電ユニット２１０とを備えるものが挙げられる。この受電ユニット２１０は、例えば、図９に示すように、エネルギー供給装置１００の共振回路と磁気共鳴し、交流電圧を生じさせる二次側共振回路２１１と、二次側共振回路２１１から出力された交流電圧を所望の電圧に変換して負荷２２０に供給する電圧変換回路２１２とを備えるものが挙げられる。二次側共振回路２１１としては、互いに直列接続された二次側コイル２１１ａと二次側共振コンデンサ２１１ｂから構成される、ＬＣ直列共振回路が挙げられる。本実施形態のエネルギー供給装置１００は、このような受電ユニット２１０を備える対象物２００に対して、トッププレート１下のコイル２（一次側コイル２）と、給電対象物２００が備える二次側コイル２１１ａとを向かい合わせ、高周波の共振周波数で磁気共鳴させることにより電力を転送することができる。また、給電の位置合わせを容易にする観点から、二次側コイル２１１ａは平面視において円形状をなすように形成されているのが好ましい。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態のエネルギー供給システムによれば、各コイル２をソレノイド型のものとし、各コイルアレイ２Ａ内において、複数のコイル２間で磁性コア２１を共用化するようにしているので、各コイル２を励磁した際に、コイル２間にも磁路を形成することができる。これにより、コイル２間におけるエネルギー供給効率の低下を抑制でき、トッププレート１上におけるエネルギー供給効率の偏りを抑制することができる。これにより、トッププレート１に置いた対象物２００の位置を厳密に調整する必要がなくなるので、ユーザ利便性を向上できる。

また複数のコイル２が二次元アレイ状に配置されているので、トッププレート１上の広い範囲で対象物２００に対してエネルギーを供給することができる。ユーザは、トッププレート１上の所望の位置に対象物２００を置いて加熱したり給電したりできるので、ユーザ利便性をより一層向上できる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば前記実施形態では、各コイル２は、その軸が鉛直方向に平行なるように、磁性コア２１に導線２２が巻かれて構成されていたが、これに限らない。他の実施形態では、各コイル２は、図１０に示すように、その軸が水平方向に平行になるように、磁性コア２１に導線２２が巻かれて構成されてもよい。

また前記実施形態では、複数のコイル２が共用する磁性コア２１は一体物からなるものであったが、これに限らない。他の実施形態では、図１１に示すように、複数のコイル２が共用する磁性コア２１は、断面がＴ字状を成す磁性体のブロックを複数個連結して構成したものであってもよい。

また他の実施形態のコイル２は、図１２に示すように、薄型（シート状）の磁性コア２１を用いたものでもよい。

また前記実施形態では、各コイル２の形状・大きさ、巻き線の形状・大きさ等はいずれも互いに同一であったが、これに限らず互いに異なっていてもよい。また他の実施形態では、各コイルアレイ２Ａは、コイル２が互い違いになるように配置されなくてもよい。また、トッププレート１の下に配置されるコイルアレイ２Ａの数や、各コイルアレイ２Ａに含まれるコイル２の数は、適宜変更されてもよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な実施形態の変形や組合せを行っても構わない。

１００ ・・・エネルギー供給装置
１ ・・・トッププレート
２ ・・・コイル
２１ ・・・磁性コア
３ ・・・インバータ
４ ・・・制御部
２００ ・・・対象物

Claims (9)

1. 対象物に非接触でエネルギーを供給できるエネルギー供給装置であって、
   前記対象物が載置されるトッププレートと、
   電源に接続されるとともに前記トッププレートの下に配置され、前記対象物にエネルギーを供給する複数のコイルとを備え、
   前記複数のコイルが、磁性コアに導線を巻回して構成したソレノイド型のものであり、互いに隣り合う複数の前記コイル間で前記磁性コアが共用化されているエネルギー供給装置。
2. 前記複数のコイルが二次元アレイ状に配置されている請求項１に記載のエネルギー供給装置。
3. 前記磁性コアを共用する複数のコイルが列をなして配置されてコイルアレイを形成しており、当該コイルアレイを複数列備える請求項２に記載のエネルギー供給装置。
4. 前記複数のコイルアレイが、互いに隣り合う列の前記コイルが互い違いになるように配置された請求項３に記載のエネルギー供給装置。
5. 前記複数のコイルに高周波電力を供給する複数のインバータを備え、
   前記磁性コアを共用している前記複数のコイルのそれぞれに対して前記インバータが個別に接続されている請求項１～４のいずれか一項に記載のエネルギー供給装置。
6. 前記複数のコイルに流れる電流の方向を個別に変更することにより、前記複数のコイルから生じる磁束の方向を個別に変更できるように構成された請求項１～５のいずれか一項に記載のエネルギー供給装置。
7. 前記磁性コアを共用している前記複数のコイルにおいて、互いに隣り合う前記コイルから生じる磁束の方向を互いに逆向きにすることで、前記対象物を加熱するように構成された請求項６に記載のエネルギー供給装置。
8. 前記対象物が、負荷と、前記負荷に接続される二次側コイルとを備えるものであり、
   前記複数のコイルと、これに対向配置される前記対象物の前記二次側コイルとを磁気共鳴させることにより前記対象物に対して電力を伝送するように構成された請求項１～７のいずれか一項に記載のエネルギー供給装置。
9. 前記磁性コアを共用している前記複数のコイルにおいて、互いに隣り合う前記コイルから生じる磁束の方向を合わせることで、前記対象物に電力を供給するように構成された請求項６を引用する請求項８に記載のエネルギー供給装置。

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