JP5612956B2 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents
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ωL1−1/(ωC1)=0(即ち、f=1/(2π√(L1C1))・・・(i)
ωL2−1/(ωC2)=0(即ち、f=1/(2π√(L2C2))・・・(ii)
但し、ω=2πf、L1は電力誘導コイル903の自己インダクタンス、C1は共振キャパシタ951の静電容量、L2は電力受信コイル904の自己インダクタンス、C2は共振キャパシタ952の静電容量、fは電源周波数である。
CP2=(Z0±√(Z0 2−4ω2L2 2))/2ω2Z0L2 ・・・(A)
但し、Z0≧2ωL2、ω=2πf、Z0は前記負荷のインピーダンス[Ω]、ωは角速度[rad/秒]、L2は前記受電コイルの自己インダクタンス[H]、fは前記交流電源の周波数[Hz]である。
n=N1/N2≧1 ・・・(B)
但し、N1が前記送電コイルの巻き数[回]、N2が前記受電コイルの巻き数[回]である。
L2≦Z0/2ω
を満足する必要があり、この式に上記値を代入すると、受電コイル22の自己インダクタンスL2は40μH未満の値となる。この自己インダクタンスL2は、伝送距離を伸ばすためには大きい値の方がよい。そして、この算出した自己インダクタンスL2を、図2に示すコイルの巻き数と自己インダクタンスとの関係を示すグラフに当てはめると、受電コイル22の巻き数は3回が適切であることが判る。そして、巻き数が3回の受電コイル22の自己インダクタンスL2を図2のグラフから求めて、これらf、Z0、L2と上記式(5)とを用いて二次側共振キャパシタ23の静電容量CP2をさらに求めて、これら値を各回路構成部材に設定する。
本発明者は、上述した非接触電力伝送装置1の一次側回路ユニット10及び二次側回路ユニット20に設けられる各共振キャパシタの接続形態と電力伝送効率との関係について検証を行った。
図1の非接触電力伝送装置1において、一次側回路ユニット10について、送電コイル12として、直径0.5mmの銅線からなる、巻き数10回、平均一辺長さ(即ち、外縁の一辺長さDoutと内縁の一辺長さDinとの平均一辺長さDavg;Davg=(Dout+Din)/2)が5cmの正方形環状密巻の平板型一様らせんコイルを用い、そして、交流電源11の出力する交流電圧V1の周波数fを100kHzとし、送電コイル12の自己インダクタンスL1と一次側共振キャパシタ13の静電容量CP1とが上記式(1)を満たすようにそれぞれの値を設定した。また、二次側回路ユニット20について、受電コイル22として、送電コイル12と同一構成の平板型一様らせんコイルを用い、そして、受電コイル22の自己インダクタンスL2と二次側共振キャパシタ23の静電容量CP2と負荷24のインピーダンスZ0とが、上記式(5)を満足するようにそれぞれの値を設定した。なお、図1の回路構成では、共振キャパシタを一次側に直列、二次側に並列に設けており、以下、「SP共振回路」という。
実施例1において、送電コイル12及び受電コイル22の平均一辺長さを10cmに変更した以外は、実施例1と同一構成とした。
図4に示す非接触電力伝送装置4は、図1の非接触電力伝送装置1の二次側回路ユニット20が備える二次側共振キャパシタ23に代えて、受電コイル22と負荷24との間に直列に挿入された二次側共振キャパシタ27を備えている。これ以外は図1と同様の回路構成であり、同一部材には同一符号を付して示す。なお、図4の回路構成では、共振キャパシタを一次側に直列、二次側に直列に設けており、以下、「SS共振回路」という。そして、このSS共振回路において、一次側回路ユニット10について、実施例1と同一構成とし、二次側回路ユニット20について、受電コイル22及び負荷24は実施例1と同一構成とし、受電コイル22の自己インダクタンスL2と二次側共振キャパシタ27の静電容量CS2とが、次の式(6)を満たすように、それぞれの値を設定した。
比較例1において、送電コイル12及び受電コイル22の平均一辺長さを10cmに変更した以外は、比較例1と同一構成とした。
図5に示す非接触電力伝送装置5は、図1の非接触電力伝送装置1の一次側回路ユニット10が備える一次側共振キャパシタ13に代えて、交流電源11と並列に接続された一次側共振キャパシタ17を備え、且つ、図1の非接触電力伝送装置1の二次側回路ユニット20が備える二次側共振キャパシタ23に代えて、受電コイル22と負荷24との間に直列に挿入された二次側共振キャパシタ27を備えている。これ以外は図1と同様の回路構成であり、同一部材には同一符号を付して示す。なお、図5の回路構成では、共振キャパシタを一次側に並列、二次側に直列に設けており、以下、「PS共振回路」という。このPS共振回路において、一次側回路ユニット10について、交流電源11及び送電コイル12は実施例1と同一構成とし、送電コイル12の自己インダクタンスL2と一次側共振キャパシタ17の静電容量CP1とが、次の式(7)を満たすようにそれぞれの値を設定し、また、二次側回路ユニット20について、受電コイル22及び負荷24は実施例1と同一構成とし、受電コイル22の自己インダクタンスL2と二次側共振キャパシタ27の静電容量CS2とが、上記式(6)を満たすようにそれぞれの値を設定した。
比較例3において、送電コイル12及び受電コイル22の平均一辺長さを10cmに変更した以外は、比較例3と同一構成とした。
また、本発明者は、送電コイル12と受電コイル22との巻き数と電力伝送効率との関係について検証を行った。
10 一次側回路ユニット
11 交流電源
12 送電コイル
13 一次側共振キャパシタ
20 二次側回路ユニット
22 受電コイル
23 二次側共振キャパシタ(キャパシタ)
24 負荷
Claims (2)
- 交流電源による電力を電磁誘導作用によって送信する送電コイルを有する一次側回路ユニットと、前記送電コイルから送信された前記電力を受信する受電コイルと該受電コイルに直列接続された負荷とを有する二次側回路ユニットと、を有する非接触電力伝送装置において、
前記二次側回路ユニットが、前記受電コイルに並列に存在する静電容量CP2を有し、
前記静電容量C P2 が、前記受電コイルの寄生静電容量によるものであり、そして、
前記静電容量CP2が、以下の式を満たすことを特徴とする非接触電力伝送装置。
CP2=(Z0±√(Z0 2−4ω2L2 2))/2ω2Z0L2
但し、Z0≧2ωL2、ω=2πf、Z0は前記負荷のインピーダンス[Ω]、ωは角速度[rad/秒]、L2は前記受電コイルの自己インダクタンス[H]、fは前記交流電源の周波数[Hz]である。 - 前記送電コイルの巻き数と前記受電コイルの巻き数との巻き数比nが、以下の式を満たす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。
n=N1/N2≧1
但し、N1が前記送電コイルの巻き数[回]、N2が前記受電コイルの巻き数[回]である。
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