JP5165408B2 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents
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電源部および電源部から電力供給される誘導結合の非接触トランスの1次側コイルを有する固定ユニットに形成された1次側回路と、
1次側コイルより受電した電力を出力する非接触トランスの固定側2次側コイルを有する固定ユニットに形成された固定側2次側回路と、
1次側コイルより受電した電力を出力する非接触トランスの可動側2次側コイルを有する可動ユニットに形成された可動側2次側回路と、
固定側2次側回路の出力を検出して帰還して固定側2次側回路の出力が所定値となるように1次側回路を制御する制御手段とを備えたものである。
電源部および電源部から電力供給される誘導結合の非接触トランスの1次側コイルを有する固定ユニットに形成された1次側回路と、
1次側コイルより受電した電力を出力する非接触トランスの固定側2次側コイルを有する固定ユニットに形成された固定側2次側回路と、
1次側コイルより受電した電力を出力する非接触トランスの可動側2次側コイルを有する可動ユニットに形成された可動側2次側回路と、
固定側2次側回路の出力を検出して帰還して固定側2次側回路の出力が所定値となるように1次側回路を制御する制御手段とを備えたので、
可動ユニットの可動側2次側回路から、固定ユニットの1次側回路へ、帰還信号を非接触で伝送する必要がなく、特別に工夫した帰還用の回路や送受信用のデバイスなどが不要で、低価格化、小型化が可能になり、かつ、可動ユニットの可動側2次側回路の出力電圧を所定値に安定化させることができる。
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図1はこの発明の実施の形態1における非接触電力伝送装置の構成を示したブロック図、図2は図1に示した非接触電力伝送装置の構成を示す回路図、図3は図1に示した非接触電力伝送装置の非接触トランスの構成を示す分解斜視図、図4は図3に示した非接触電力伝送装置の非接触トランスの構成を示す断面図である。図1において、非接触電力伝送装置100は、固定ユニット101と可動ユニット102とにて構成され、固定ユニット101から可動ユニット102へ機械的に非接触で電力を伝送するものである。
可動側2次側回路C(可動側整流器106)の出力電圧をVor、
固定側2次側回路B(固定側整流器108)の出力電圧をVos、
DC電源103の入力電圧をVi、
1次側コイル1の巻き線数と可動側2次側コイル3の巻き線数との比をNr、
1次側コイル1と可動側2次側コイル3との結合係数をkr、
1次側コイル1の巻き線数と固定側2次側コイル2の巻き線数との比をNs、
1次側コイル1と固定側2次側コイル2との結合係数をks、
MOS−FET122のオンデューティをd、
とする。
Vos=Vi×Ns×ks×d ・・・(式1)
Vor=Vi×Nr×kr×d ・・・(式2)
(Nr/Ns)=(Vor/Vos)×(ks/kr) ・・・(式3)
が導かれる。
可動側2次側回路Cの電圧ドロップ分をVdr、
固定側2次側回路Bの電圧ドロップ分をVds
とすると、満たすべき構成の条件の出力電圧Vor、Vosはそれぞれ以下の式にて表すことができる。
Vor=(Vi×Nr×kr×d)−Vdr ・・・(式4)
Vos=(Vi×Ns×ks×d)−Vds ・・・(式5)
(Nr/Ns)=((Vor+Vdr)/(Vos+Vds))×(ks/kr)
・・・(式6)
が導かれる。よって、上記(式6)を満たすように非接触トランス105を構成すれば、可動側整流器106の出力電圧Vorに対して所定値(所定の電圧)を安定して出力することができる。
また、それぞれの可動側ポットコア151および固定側ポットコア157は、機械的に非接触となるように一定の距離(エアギャップ158)を保つように固定されている。
Nr>(Vor/Vos)×Ns ・・・(式7)
よって、上記(式7)を満たすような比Nrおよび比Nsとなるように、1次側コイル1の巻き線数と可動側2次側コイル3の巻き線数と、固定側2次側コイル2の巻き線数を設定する必要がある。このように上記(式7)の比Nr、Nsを満たす1次側コイル1、固定側2次側コイル2、可動側2次側コイル3とにて非接触トランス105を構成することによって、結合係数の低い可動側2次側回路Cに対しても所定値(所定の電圧)をより一層安定して出力することができる。
上記実施の形態1では、固定側負荷109と、可動側負荷107とがほぼ同等で、両方の負荷をバランスさせながら変動する条件下で、可動ユニット102の出力電圧は所定値に安定化させる例を示した。本実施の形態においては、両方の負荷のバランスがとれない場合について検討した。
可動ユニット102の抵抗をRr、
可動ユニット102の2次電流をIr、
固定ユニット101の抵抗をRs、
固定ユニット101の2次電流をIs、とすると、出力電圧Vor、Vosはそれぞれ以下の式にて表すことができる。
Vor=(Vi×Nr×kr×d)−(Rr×Ir) ・・・(式8)
Vos=(Vi×Ns×ks×d)−(Rs×Is) ・・・(式9)
上記(式8)および(式9)から、抵抗Rr、Rsが同じでも、2次電流Irと2次電流Isとのバランスが崩れると出力電圧Vorは所定値に安定化させることができないことがわかる。
上記実施の形態2では、負荷のアンバランス時に起こる出力の変動を抑えるもので、Ior<Iosの時、出力が上昇するのを防ぐ例について説明したが、本実施の形態3においては、負荷のアンバランス時に起こる出力の変動を抑えるもので、Ior>Iosの時、出力が減少するのを防ぐ場合について説明する。図7はこの発明の実施の形態3による非接触電力伝送装置の構成を示すブロック図である。上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。固定側整流器108と固定側負荷109との間に、固定側負荷調整回路312が配置されている。固定側負荷調整回路312は、固定側2次側回路Bの出力電流を検出する電流検出手段と、出力電流が所定電流値以下になると固定側2次側回路Bにシャント電流を流す固定側シャント手段とを備えている。つまり、Ior>Iosの時に、固定側負荷109の2次電流Iosとは別に固定側負荷調整回路312にシャント電流Issをシャントすることによって、固定ユニット101の2次電流Is=Ios+Issと、可動ユニット102の2次電流Ir=Iorとをバランスさせることができる。
上記実施の形態3では、固定ユニット101の2次電流を出力電流最小値Is_minと比較して、シャント電流Issを調整していた。しかしこれでは、可動ユニット102と固定ユニット101との2次電流Ior、Iosのバランスを完全に保つことができない。そこで本実施の形態4においては、上記実施の形態3と同様に、負荷のアンバランス時に起こる出力の変動を抑えるもので、Ior>Iosの時、出力が減少するのを防ぎ、かつ、可動ユニット102と固定ユニット101との2次電流Ior、Iosのバランスを図れるものについて説明する。
I1=Is’+Ir’ ・・・(式10)
I1/2≒Is’ ・・・(式11)
100,200,300,400 非接触電力伝送装置、101 固定ユニット、
102 可動ユニット、103 DC電源、105 非接触トランス、
107 可動側負荷、109 固定側負荷、110 制御手段、
151 可動側ポットコア、152 可動側ボビン、156 固定側ボビン、
157 固定側ポットコア、211 可動側負荷調整回路、
312 固定側負荷調整回路、412 負荷調整回路。
Claims (10)
- 固定ユニットから可動ユニットへ機械的に非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
電源部および上記電源部から電力供給される誘導結合の非接触トランスの1次側コイルを有する上記固定ユニットに形成された1次側回路と、
上記1次側コイルより受電した電力を出力する上記非接触トランスの固定側2次側コイルを有する上記固定ユニットに形成された固定側2次側回路と、
上記1次側コイルより受電した電力を出力する上記非接触トランスの可動側2次側コイルを有する上記可動ユニットに形成された可動側2次側回路と、
上記固定側2次側回路の出力を検出して帰還して上記固定側2次側回路の出力が所定値となるように上記1次側回路を制御する制御手段と、
を備え、
上記可動側2次側回路の出力電圧をVor、
上記固定側2次側回路の出力電圧をVos、
上記可動側2次側回路の抵抗による電圧降下分をVdr、
上記固定側2次側回路の抵抗による電圧降下分をVds、
上記1次側コイルと上記可動側2次側コイルとの結合係数をkr、
上記1次側コイルと上記固定側2次側コイルとの結合係数をks、
とすると、
上記1次側コイルの巻き線数と上記可動側2次側コイルの巻き線数との比Nrと、
上記1次側コイルの巻き線数と上記固定側2次側コイルの巻き線数との比Nsとの関係は、
(Nr/Ns)=((Vor+Vdr)/(Vos+Vds))×(ks/kr)
を満たすように構成されていることを特徴とする非接触電力伝送装置。 - 固定ユニットから可動ユニットへ機械的に非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
電源部および上記電源部から電力供給される誘導結合の非接触トランスの1次側コイルを有する上記固定ユニットに形成された1次側回路と、
上記1次側コイルより受電した電力を出力する上記非接触トランスの固定側2次側コイルを有する上記固定ユニットに形成された固定側2次側回路と、
上記1次側コイルより受電した電力を出力する上記非接触トランスの可動側2次側コイルを有する上記可動ユニットに形成された可動側2次側回路と、
上記固定側2次側回路の出力を検出して帰還して上記固定側2次側回路の出力が所定値となるように上記1次側回路を制御する制御手段と、
を備え、
上記可動側2次側回路の出力電圧をVor、
上記固定側2次側回路の出力電圧をVos、
上記1次側コイルの巻き線数と固定側2次側コイルの巻き線数との比Nsと、
上記1次側コイルの巻き線数と可動側2次側コイルの巻き線数との比Nrとの関係は、
Nr>(Vor/Vos)×Ns
を満たすように構成されていることを特徴とする非接触電力伝送装置。 - 上記可動側2次側回路の出力電圧をVor、
上記固定側2次側回路の出力電圧をVos、
上記1次側コイルの巻き線数と固定側2次側コイルの巻き線数との比Nsと、
上記1次側コイルの巻き線数と可動側2次側コイルの巻き線数との比Nrとの関係は、
Nr>(Vor/Vos)×Ns
を満たすように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の非接触電力伝送装置。 - 上記非接触トランスは、
上記固定ユニットに形成された固定側ポットコアと、
上記固定側ポットコア内に収納された固定側ボビンと、
上記可動ユニットに形成された可動側ポットコアと、
上記可動側ポットコア内に収納された可動側ボビンとにて構成され、
上記1次側コイルは上記固定側ボビンに巻回され、
上記固定側2次側コイルは上記固定側ボビンに巻回され、
上記可動側2次側コイルは上記可動側ボビンに巻回されてそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の非接触電力伝送装置。 - 上記可動側2次側回路の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
上記出力電圧が所定電圧値以上になると上記可動側2次側回路にシャント電流を流す可動側シャント手段とを備えたことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の非接触電力伝送装置。 - 上記固定側2次側回路の出力電流を検出する電流検出手段と、
上記出力電流が所定電流値以下になると上記固定側2次側回路にシャント電流を流す固定側シャント手段とを備えたことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の非接触電力伝送装置。 - 上記固定側2次側回路の2次側出力電流を検出して、1次換算する2次側電流検出手段と、
上記1次側回路の1次側出力電流を検出する1次側電流検出手段と、
上記2次側出力電流の1次換算値が上記1次側出力電流の略半分になるまで、上記固定側2次側回路にシャント電流を流すシャント手段とを備えたことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の非接触電力伝送装置。 - 上記固定側2次側回路の2次側出力電流を検出する2次側電流検出手段と、
上記1次側回路の1次側出力電流を検出して、2次換算する1次側電流検出手段と、
上記2次側出力電流が上記1次側出力電流の2次換算値の略半分になるまで、上記固定側2次側回路にシャント電流を流すシャント手段とを備えたことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の非接触電力伝送装置。 - 固定ユニットから可動ユニットへ機械的に非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
電源部および上記電源部から電力供給される誘導結合の非接触トランスの1次側コイルを有する上記固定ユニットに形成された1次側回路と、
上記1次側コイルより受電した電力を出力する上記非接触トランスの固定側2次側コイルを有する上記固定ユニットに形成された固定側2次側回路と、
上記1次側コイルより受電した電力を出力する上記非接触トランスの可動側2次側コイルを有する上記可動ユニットに形成された可動側2次側回路と、
上記固定側2次側回路の出力を検出して帰還して上記固定側2次側回路の出力が所定値となるように上記1次側回路を制御する制御手段と、
を備え、
上記固定側2次側回路の2次側出力電流を検出して、1次換算する2次側電流検出手段と、
上記1次側回路の1次側出力電流を検出する1次側電流検出手段と、
上記2次側出力電流の1次換算値が上記1次側出力電流の略半分になるまで、上記固定側2次側回路にシャント電流を流すシャント手段とを備えたことを特徴とする非接触電力伝送装置。 - 固定ユニットから可動ユニットへ機械的に非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
電源部および上記電源部から電力供給される誘導結合の非接触トランスの1次側コイルを有する上記固定ユニットに形成された1次側回路と、
上記1次側コイルより受電した電力を出力する上記非接触トランスの固定側2次側コイルを有する上記固定ユニットに形成された固定側2次側回路と、
上記1次側コイルより受電した電力を出力する上記非接触トランスの可動側2次側コイルを有する上記可動ユニットに形成された可動側2次側回路と、
上記固定側2次側回路の出力を検出して帰還して上記固定側2次側回路の出力が所定値となるように上記1次側回路を制御する制御手段と、
を備え、
上記固定側2次側回路の2次側出力電流を検出する2次側電流検出手段と、
上記1次側回路の1次側出力電流を検出して、2次換算する1次側電流検出手段と、
上記2次側出力電流が上記1次側出力電流の2次換算値の略半分になるまで、上記固定側2次側回路にシャント電流を流すシャント手段とを備えたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
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