JP5165408B2

JP5165408B2 - 非接触電力伝送装置

Info

Publication number: JP5165408B2
Application number: JP2008028666A
Authority: JP
Inventors: 茂樹原田; 郁朗菅; 孝典石井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: JP2009189197A

Description

この発明は、機械的に非接触で給電を行う非接触電力伝送装置に関し、特に、可動ユニットの出力情報を固定ユニットへ帰還させることなく、可動ユニットの出力を安定化させるものである。

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および信号を伝送する方式は、車のステアリング、回転式の監視カメラ、ロボットの関節など可動部の存在によって有線で電力および信号を伝達すると性能が制限される機器においては、非常に有効である。このような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伝送を行う非接触電力伝送装置では、誘導結合によって固定ユニットから可動ユニットへ電力を伝送し、可動ユニットの出力情報を固定ユニットに光結合で帰還させ、可動ユニットの出力を安定化させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−３４８７７５

従来の非接触電力伝送装置は、可動ユニットの出力を安定化させるためには可動ユニットの情報を非接触で電力送信ユニットへ帰還させる必要があった。帰還信号を非接触で伝送する方法として、光結合が使われている。しかし、非接触で信号を伝送するために、特別に工夫した帰還用の回路と送受信用のデバイスが必要である。そのため、回路構成および機器構造が複雑になり、価格の上昇、大型化するといった課題があった。また、帰還信号を非接触で伝送する方法の課題は、光結合に限らず、誘導結合、容量結合などを用いても同様の問題点が生じる。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、可動ユニットの出力情報を固定ユニットへ帰還させることなく、可動ユニットの出力を安定化させ、低価格化、小型化を実現する非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

この発明は、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。

この発明の非接触電力伝送装置は、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。

実施の形態１．
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。

そして固定ユニット１０１は、ＤＣ電源１０３、このＤＣ電源１０３に接続されたＤＣ／ＡＣコンバータ１０４、および、このＤＣ／ＡＣコンバータ１０４から電力供給される非接触トランス１０５の１次側コイル１にて形成されている１次側回路Ａと、非接触トランス１０５の固定側２次側コイル２、この固定側２次側コイル２に接続された固定側整流器１０８、および、この固定側整流器１０８に接続された固定側負荷１０９にて形成される固定側２次側回路Ｂと、固定側整流器１０８に接続され固定側２次側回路Ｂの出力を検出して帰還して固定側２次側回路Ｂの出力が所定値（所定値とは、固定側負荷１０９に対して必要とされる出力を示す）となるように１次側回路Ａを制御する制御手段１１０とにて構成されている。また、可動ユニット１０２は、非接触トランス１０５の可動側２次側コイル３、この固定側２次側コイル２に接続された可動側整流器１０６、およびこの可動側整流器１０６に接続された可動側負荷１０７にて形成されている可動側２次側回路Ｃが構成されている。

次に上記のように構成された実施の形態１の非接触電力伝送装置の動作について説明する。まずＤＣ電源１０３は、例えば商用電源のＡＣ電圧をＤＣ／ＡＣコンバータでＤＣ電圧へ変換された電源である。そして、ＤＣ電源１０３のＤＣ電圧は、ＤＣ／ＡＣコンバータ１０４によりＡＣ電圧に変換される。そしてこのＡＣ電圧は、誘導結合により固定ユニット１０１の非接触トランス１０５の１次側コイル１から可動ユニット１０２の非接触トランス１０５の可動側２次側コイル３へ受電され伝達される。そして、可動側２次側コイル３へ伝達されたＡＣ電圧は、可動側整流器１０６でＤＣ電圧に整流される。そして整流されたＤＣ電圧は、可動側負荷１０７に供給されて消費される。

また同様に、ＤＣ／ＡＣコンバータ１０４により変換されたＡＣ電圧は、誘導結合により固定ユニット１０１の非接触トランス１０５の１次側コイル１から固定ユニット１０１の非接触トランス１０５の固定側２次側コイル２へ受電され伝達される。そして、固定側２次側コイル２へ伝達されたＡＣ電圧は、固定側整流器１０８でＤＣ電圧に整流される。そして整流されたＤＣ電圧は、固定側負荷１０９に供給されて消費される。さらに、固定側整流器１０８の出力の情報は、制御手段１１０によって検出され、ＤＣ／ＡＣコンバータ１０４へ帰還され、固定側２次側回路Ｂの出力が所定値となるように、この帰還情報に基づいて１次側回路ＡのＤＣ／ＡＣコンバータ１０４の制御を行う。

上記のように構成された実施の形態１の非接触電力伝送装置によれば、可動ユニット１０２の可動側２次側回路Ｃから、固定ユニット１０１の１次側回路Ａへ、帰還信号を非接触で伝送せず、固定ユニット１０１の固定側２次側回路Ｂの情報を固定ユニット１０１の１次側回路Ａに帰還して、１次側回路Ａの制御を行っているため、ＤＣ電源１０３の電圧が変動しても、固定ユニット１０１では、出力はクローズドループ制御によって確実に所定値に安定的に制御することができる。一方、可動ユニット１０２では、固定ユニット１０１で行われるクローズドループ制御に対応して、同様に出力が所定値に安定化される。よって、ＤＣ電源１０３の電圧の変動に対し、可動ユニット１０２では、オープンループ制御でありながら、固定ユニット１０１のクローズドループ制御に連動しているので、可動ユニット１０２の出力を所定値に安定化させることができる。

次に、この出力電圧をフィードバックして、安定化を実現するための具体的な例について、図２に基づいて説明する。図２は図１にて示した非接触電力伝送装置の構成をフォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた場合の例を示す回路図である。図２において、ＤＣ／ＡＣコンバータ１０４は、コンデンサ１２０と、ダイオード１２１と、ＭＯＳ−ＦＥＴ１２２と、ドライブ回路１２３とにて構成されている。また、固定側整流器１０８は、順方向用整流ダイオード１２８と、逆方向用整流ダイオード１２９と、平滑用リアクトル１３０と、平滑用コンデンサ１３１とにて構成されている。また、制御手段１１０は、固定側整流器１０８の出力電圧を検出する検出回路１３２と、検出された電圧情報を増幅、絶縁し伝送するアイソレーション増幅回路１３３と、伝送された帰還信号に基づいて、１次側回路Ａの出力が所定値となるように設定された基準電圧と比較して、オン時間を決定するＰＷＭ回路１３４とにて構成されている。また、可動側整流器１０６は、順方向用整流ダイオード１２４と、逆方向用整流ダイオード１２５と、平滑用リアクトル１２６と、平滑用コンデンサ１２７とにて構成されている。

次に、動作について説明する。ＤＣ／ＡＣコンバータ１０４のＭＯＳ−ＦＥＴ１２２は、ドライブ回路１２３のゲート信号によって、オン、オフを繰り返し、ＤＣ電圧をＡＣ電圧へ変換する。オン時には１次側回路Ａのエネルギーが固定側２次側回路Ｂおよび可動側２次側回路Ｃへ伝送される。オン時に非接触トランス１０５へ蓄積された励磁エネルギーは、オフ時に１次側コイル１のリセット巻き線およびダイオード１２１を介してコンデンサ１２０へ戻される。そして固定側整流器１０８は、非接触トランス１０５の固定側２次側コイル２から出力されたＡＣ電圧を、ＤＣ電圧へ変換させる。そして制御手段１１０は、ＰＷＭ回路１３４から出力されたオン信号により、ドライブ回路１２３を制御し、ＭＯＳ−ＦＥＴ１２２を駆動する。また可動側整流器１０６は、非接触トランス１０５の可動側２次側コイル３から出力されたＡＣ電圧を、ＤＣ電圧へ変換させる。このように、出力電圧の情報は、固定ユニット１０１のみ１次側回路Ａへフィードバックされており、可動ユニット１０２からは出力電圧の情報は１次側回路Ａへ一切フィードバックされていない。

次に、非接触トランス１０５の巻き線の具体的な例について説明する。
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。

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。
Ｖｏｓ＝Ｖｉ×Ｎｓ×ｋｓ×ｄ・・・（式１）
Ｖｏｒ＝Ｖｉ×Ｎｒ×ｋｒ×ｄ・・・（式２）

入力電圧Ｖｉとオンデューティｄとは、固定ユニット１０１および可動ユニット１０２ともに同じである上記（式１）、および、（式２）から
（Ｎｒ／Ｎｓ）＝（Ｖｏｒ／Ｖｏｓ）×（ｋｓ／ｋｒ）・・・（式３）
が導かれる。

よって、上記（式３）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。但し、この構成条件では、固定側２次側回路Ｂおよび可動側２次側回路Ｃの抵抗による電圧降下が含まれていない。実際には、回路が完成した時点で、固定側２次側回路Ｂおよび可動側２次側回路Ｃのそれぞれの抵抗分の補正を行う必要がある。

よって、
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）

上記（式４）、および、（式５）から
（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。

次に、結合係数ｋｒ、ｋｓの関係について説明する。以下に示すように、非接触電力伝送装置には特有な条件がある。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である。また、図４は図３に示した非接触トランス１０５の構成を示す断面図である。図において、非接触トランス１０５は、例えば、車のステアリング、回転式の監視カメラ、ロボットの関節のような可動ユニット１０２が回転する場合に対応できるように、円形のポットコアが用いられている。可動ユニット１０２側の可動側ポットコア１５１と固定ユニット１０１側の固定側ポットコア１５７とは、それぞれ中心線が、可動ユニット１０２の中心線１５０と同一になるように、それぞれ可動ユニット１０２と固定ユニット１０１とに固定されている。
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。

そして、可動側ポットコア１５１と固定側ポットコア１５７との内側には、可動側ボビン１５２と固定側ボビン１５６とがそれぞれ収納され構成されている。固定側ボビン１５６には、１次側コイル１と固定側２次側コイル２とがそれぞれ巻回されて形成されており、可動側ボビン１５１には、可動側２次側コイル３が巻回されて形成されている。

上記のように構成された非接触トランス１０５では、１次側コイル１とはエアギャップ１５８を隔てて配置されている可動側２次側コイル３の１次側コイル１に対する結合係数ｋｒは、１次側コイル１と同じ固定側ポットコア１５７に配置されている固定側２次側コイル２の１次側コイル１に対する結合係数ｋｓよりも小さい。よって、以下の式にて表すことができる。
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。

上記のように構成された実施の形態１の非接触電力伝送装置によれば、可動ユニットの可動側２次側回路から、１次側回路へ、帰還信号を非接触で伝送する必要がないため、特別に工夫した帰還用の回路と送受信用のデバイスが不要で、低価格化、小型化が可能になる。また、上記（式６）または上記（式７）の少なくともいずれか一方を満たすように構成することにより、可動側２次側回路の出力電圧を所定値により一層安定化させることができる。また、非接触トランスを各ポットコアおよび各ボビンにて構成することにより、例えば、車のステアリング、回転式の監視カメラ、ロボットの関節のような箇所に容易に利用することが可能となる。

実施の形態２．
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。

両方の負荷のバランスがとれない場合は、上記実施の形態１にて示した（式４）、（式５）を書き換えると以下の式となる。
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。

Ｉｒ＜Ｉｓの時、出力電圧ＶｏｒはＩｒ＝Ｉｓの場合と比較して上昇し、Ｉｒ＞Ｉｓの時、出力電圧ＶｏｒはＩｒ＝Ｉｓの場合と比較して減少する。尚、可動ユニット１０２の２次電流Ｉｒは、可動側負荷１０７に流れる２次電流Ｉｏｒと、以下で説明するシャント電流Ｉｓｒとの和であり、固定ユニット１０１の２次電流Ｉｓは、固定側負荷１０９に流れる２次電流Ｉｏｓと、以下で説明するシャント電流Ｉｓｓとの和である。

本実施の形態２では、このような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のが目的である。図５は本発明の実施の形態２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。図において上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。可動側整流器１０６と可動側負荷１０７との間に、可動ユニット１０２の可動側負荷調整回路２１１が配置されている。可動側負荷調整回路２１１は、可動側２次側回路Ｃの出力電圧を検出する電圧検出手段と、出力電圧が所定電圧値以上になると可動側２次側回路Ｃにシャント電流を流す可動側シャント手段とを備えている。つまり、Ｉｏｒ＜Ｉｏｓの時に、可動側負荷１０７の２次電流Ｉｏｒとは別に、可動側負荷調整回路２１１にてシャント電流Ｉｓｒをシャントすることによって、可動ユニット１０２の２次電流Ｉｒ＝Ｉｏｒ＋Ｉｓｒと、固定ユニット１０１の２次電流Ｉｓ＝Ｉｏｓとをバランスさせることができる。

図６に図５に示した非接触電力伝送装置の具体的な回路図を示す。図において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。可動ユニット１０２の可動側負荷調整回路２１１は、可動側２次側回路Ｃの出力電圧を検出する電圧検出手段としての、検出抵抗２３５、２３６および誤差増幅器２３８と、出力電圧が所定電圧値以上になると可動側２次側回路Ｃにシャント電流を流す可動側シャント手段としての、基準電圧２３７およびシャント用ｐｎｐ型のトランジスタ２３９および損失負担用の抵抗２４０とにて構成されている。

このように構成されているため、可動側負荷１０７と固定側負荷２０９とのバランスが崩れてＩｏｒ＜Ｉｏｓとなり、可動ユニット１０２の出力電圧が所定電圧値以上になると、誤差増幅器２３８によって、トランジスタ２３９へシャント電流Ｉｓｒが流れ、所定電圧値に安定させる。尚この時、トランジスタ２３９の容量が小さく十分電流を流せる能力がない場合、トランジスタ２３９に直列に抵抗２４０を接続することによって、シャント電流による損失の発生を抵抗２４０に分配することができる。

上記のように構成された実施の形態２の非接触電力伝送装置によれば、可動ユニットの負荷電流が固定ユニットの負荷電流より小さくなり、アンバランスになった時であっても、可動ユニットの可動側２次側回路の出力電圧が上昇するのを防いでいるため、可動ユニットの出力電圧を所定値により一層安定化させることができる。

実施の形態３．
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。

図８に図７に示した非接触電力伝送装置の具体的な回路図を示す。図において、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。固定ユニット１０１の可動側負荷調整回路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しての、整流器１０８のリアクトル１３０に追加した電流検出用の補助巻き線３４０、抵抗３４１、ダイオード３４２、抵抗３４３、および、コンデンサ３４４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しての、誤差増幅器３４６、基準電圧３４５、シャント用ｐｎｐ型のトランジスタ３４７および損失負担用抵抗３４８とにて構成される。

可動側負荷１０７と固定側負荷１０９とのバランスが崩れてＩｏｒ＞Ｉｏｓとなると、可動ユニット１０２の出力電圧が所定値よりも減少する。この可動ユニット１０２の出力電圧をフィードバックしようとすると非接触で信号を伝達させる必要があるため、それは行わない。代わりに、固定ユニット１０１の所定電流値としての出力電流最小値Ｉｓ＿ｍｉｎを設定する。そして、固定ユニット１０１の電流検出回路から得られた出力電流値が出力電流最小値Ｉｓ＿ｍｉｎより小さくなると、誤差増幅器３４６によって、トランジスタ３４７へシャント電流Ｉｓｓが流れ、Ｉｓ＝Ｉｏｓ＋Ｉｓｓ＝Ｉｓ＿ｍｉｎとなる。ここでは、２次電流ＩｓとＩｒとがバランスをとれるという補償はないが、少なくとも２次電流ＩｒとＩｓとの差は、２次電流Ｉｒと出力電流最小値Ｉｓ＿ｍｉｎとの差よりも大きくなることはない。そのため、回転ユニット１０１の出力電圧の減少を一定値以下に抑えることができる。

上記のように構成された実施の形態３の非接触電力伝送装置によれば、可動ユニットの負荷電流が固定ユニットの負荷電流より大きくなり、アンバランスになった時であっても、可動ユニットの可動側２次側回路の出力電圧が下降するのを防いでいるため、可動ユニットの出力電圧を所定値により一層安定化させることができる。

実施の形態４．
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。

図９はこの発明の実施の形態４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。図において、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、負荷調整回路４１２が配置されている。負荷調整回路４１２は固定側２次側回路Ｂ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、１次側回路ＡのＤＣ／ＡＣコンバータ１０４から１次側出力電流を検出する１次側電流検出手段と、２次側出力電流の１次換算値が１次側出力電流の略半分になるまで、固定側２次側回路Ｂにシャント電流を流すシャント手段とを備えている。

上記のように構成された実施の形態４の非接触電力伝送装置の負荷調整回路４１２の動作について説明する。負荷調整回路４１２は、固定ユニット１０１の出力電流Ｉｓの情報を検出して、ＤＣ／ＡＣコンバータ１０４から１次電流Ｉ_１の情報と比較する。１次電流Ｉ_１には、固定ユニット１０１の２次電流Ｉｓと可動ユニット１０２の２次電流Ｉｒとの両方の情報が含まれている。１次電流Ｉ_１は、２次側電流Ｉｓを１次換算した１次換算値Ｉｓ’と、２次側電流Ｉｒを１次換算した１次換算値Ｉｒ’との和に等しく、以下の式が成り立つ。
Ｉ_１＝Ｉｓ’＋Ｉｒ’ ・・・（式１０）

そしてさらに、１次換算値Ｉｓ’とＩｒ’とがほぼ等しいと考えると、１次換算値Ｉｓ’とＩｒ’をバランスさせるための条件を、固定ユニット１０１内で検出可能な１次電流Ｉ_１を１次換算値Ｉｓ’で表すと以下の式となる。
Ｉ_１／２≒Ｉｓ’ ・・・（式１１）

よって、Ｉｏｒ＞Ｉｏｓの時、固定側負荷１０９の２次電流Ｉｏｓとは別に、負荷調整回路４１２にシャント電流Ｉｓｓをシャントして、固定ユニット１０１の２次電流Ｉｓ＝Ｉｏｓ＋Ｉｓｓの１次換算値Ｉｓ’を、固定ユニット１０１の１次電流Ｉ_１の略半分の値に制御することによって、２次電流ＩｓとＩｒとをバランスさせることができる。

図１０に図９に示した非接触電力伝送装置の具体定な回路図を示す。図において、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。固定ユニット１０１の負荷調整回路４１２は、固定側２次側回路Ｂ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しての、整流器１０８のリアクトル１３０に追加した電流検出用の補助巻き線４４０、抵抗４４１、ダイオード４４２、抵抗４４３、およびコンデンサ４４４と、１次側回路ＡのＤＣ／ＡＣコンバータ１０４から１次側出力電流を検出する１次側電流検出手段としての、電流検出用トランス４５０、抵抗４５１、ダイオード４５２、抵抗４５３、および、コンデンサ４５４と、２次側出力電流の２次換算値が１次側出力電流の略半分になるまで、固定側２次側回路Ｂにシャント電流を流すシャント手段としての誤差増幅器４４６、シャント用ｐｎｐ型のトランジスタ４４７、損失負担用抵抗４４８とで構成される。尚、１次側電流検出手段にて検出された１次側出力電流は、誤差増幅器４４６に送信される。

上記のように構成されているため、２次側電流検出手段によって、固定ユニット１０１の２次電流Ｉｓが検出、１次換算が行われ、１次換算値Ｉｓ’の情報が得られる。また、１次側電流検出手段によって、固定ユニットの１次電流Ｉ_１が検出、略半分化が行われ、Ｉ_１／２の情報が得られる。そして、上記（式１１）が満たされるように、誤差増幅器３４６によって、シャント用ｐｎｐ型のトランジスタ３４７へシャント電流Ｉｓｓが流れ、Ｉｓ＝Ｉｏｓ＋Ｉｓｓ≒Ｉｒとなり、２次電流ＩｓとＩｒとをバランスさせることができ、回転ユニット１０１の出力電圧を安定化させることができる。

上記のように構成された実施の形態４の非接触電力伝送装置によれば、可動ユニットの負荷電流Ｉｒと固定ユニットの負荷電流Ｉｓの関係が、Ｉｒ＞Ｉｓとアンバランスになった時、可動ユニットの２次側回路の出力電圧が下降するのを防ぎ、所定値により一層安定化させることができる。

尚、上記実施の形態４においては、２次電流の情報を１次換算して、１次電流と比較して行う例を示したが、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、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、２次側出力電流の１次換算値が１次側出力電流の略半分になるまで、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るようにし、１次電流の情報を２次換算して、２次電流と比較して上記実施の形態４と同様に行うようにすれば、同様の効果を奏することは言うまでもない。

また、特に示していないが上記各実施の形態は適宜組み合わせて行うことが可能であることは言うまでもない、上記各実施の形態に示した同様の効果を奏することは言うまでもない。

この発明の実施の形態１の非接触電力伝送装置の構成を示したブロック図である。図１に示した非接触電力伝送装置の構成を示す回路図である。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である。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。この発明の実施の形態２の非接触電力伝送装置の構成を示したブロック図である。図５に示した非接触電力伝送装置の構成を示す回路図である。この発明の実施の形態３の非接触電力伝送装置の構成を示したブロック図である。図７に示した非接触電力伝送装置の構成を示す回路図である。この発明の実施の形態４の非接触電力伝送装置の構成を示したブロック図である。図９に示した非接触電力伝送装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１１次側コイル、２固定側２次側コイル、３可動側２次側コイル、
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、１０３ＤＣ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

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。