JP6154835B2 - 非接触電力供給装置 - Google Patents
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Description
本発明は、一次コイルとこの一次コイルに距離をおいて配置される共振コイル及び二次コイルとを有し、一次コイルから二次コイルに非接触で電力を送る非接触電力供給装置に係り、特に、一次コイルから二次コイルへの給電効率を高めた非接触電力供給装置に関する。
工場内の作業車や自動車に無接触で電力を送る装置として、特許文献１に記載のように、一次コイルと二次コイルを隙間を設けて配置し、二次側に共振用コンデンサが接続された共振コイル（三次コイル）を設け、一次コイルから二次コイルに電力を供給する非接触給電装置が提案されている。
また、特許文献２には、走行路に沿って配置された給電線路を一次側とし、地上移動体に設けられた鉄心に巻回したピックアップコイルを二次側として、ピックアップコイルの出力端子に共振コンデンサを並列接続して共振回路を形成し、更にピックアップコイルの電圧が上昇すると、磁気飽和して自己インダクタンスが低下する可飽和リアクトルをピックアップコイルに並列接続し、負荷が軽負荷になるに伴って可飽和リアクトルに流れる電流を増大させて、ピックアップコイルの電圧の上昇を規制する地上移動体の非接触給電装置が提案されている。
しかしながら、特許文献１記載の技術において、一次コイルから二次コイルに供給する電力の効率が悪いという問題点があった。
更に、大電力を非接触で供給すると、抵抗損及び渦電流損による一次コイルの発熱が大きくなり、共振コイルに流れる電流も増大し、共振コイルが過剰に発熱を起こすと共に、共振回路に存在する抵抗によって電力消費が発生するという問題がある。
更に、大電力を非接触で供給すると、抵抗損及び渦電流損による一次コイルの発熱が大きくなり、共振コイルに流れる電流も増大し、共振コイルが過剰に発熱を起こすと共に、共振回路に存在する抵抗によって電力消費が発生するという問題がある。
また、特許文献２記載の技術では、給電線路とピックアップコイルとの距離は略一定であるので給電線路とピックアップコイルとの磁気的結合は一定である。また、特許文献２においては、軽負荷になるとピックアップコイルに過電圧が発生するので、これを防止するために、過電圧によって自己飽和する可飽和リアクトルを用いるが、本願発明とは課題が異なり、更に引用文献２では、ピックアップコイルとは別に共振コイルを用いてはいないので、本願発明とはその構成も異なる。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、二次コイルとは独立して共振回路（共振コイル）を有する二次側回路に、効率良く電力を供給し、更に、一次コイル、二次コイル、共振コイルの発熱及び損失を減少した非接触電力供給装置を提供することを目的とする。
前記目的に沿う本発明に係る非接触電力供給装置は、高周波電源に接続される一次コイルと、前記一次コイルから発生する電力を受ける二次コイルと、前記一次コイルと前記二次コイルの間で、前記二次コイルに当接して配置された共振コイルと、前記二次コイルに発生する出力を直流に変換する整流回路とを有する非接触電力供給装置において、
前記一次コイルは、第１のリッツ線を平面状に螺旋巻きして形成され、
前記共振コイルは、それぞれ第２のリッツ線を平面状かつ同一方向に螺旋巻きしたコイルＡ、Ｂの内側端部同士を連結して直列２層巻きして形成され、前記コイルＡ、Ｂの外側端部を接続端子とし、
前記二次コイルは第３のリッツ線を２本並列に並べて平面状に螺旋巻きして形成され、
平面視した前記二次コイル及び前記共振コイルのそれぞれの面積は、平面視した前記一次コイルの面積と同等又は小さくなっており、
しかも、該非接触電力供給装置は工場内を移動する作業車の電池を充電するためのものであって、前記一次コイルは前記作業車の通路に沿って配置され、前記二次コイル及び前記共振コイルは前記作業車に搭載される。
前記一次コイルは、第１のリッツ線を平面状に螺旋巻きして形成され、
前記共振コイルは、それぞれ第２のリッツ線を平面状かつ同一方向に螺旋巻きしたコイルＡ、Ｂの内側端部同士を連結して直列２層巻きして形成され、前記コイルＡ、Ｂの外側端部を接続端子とし、
前記二次コイルは第３のリッツ線を２本並列に並べて平面状に螺旋巻きして形成され、
平面視した前記二次コイル及び前記共振コイルのそれぞれの面積は、平面視した前記一次コイルの面積と同等又は小さくなっており、
しかも、該非接触電力供給装置は工場内を移動する作業車の電池を充電するためのものであって、前記一次コイルは前記作業車の通路に沿って配置され、前記二次コイル及び前記共振コイルは前記作業車に搭載される。
本発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次コイルの隣り合う前記第１のリッツ線は隙間（例えば、１〜５ｍｍ）を有して配置されているのが好ましい。
また、本発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次コイル、前記二次コイル及び前記共振コイルは、平面視して角部に丸みを有する中抜きの矩形（長方形又は正方形）に形成されているのが好ましい。
また、本発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次コイル、前記二次コイル及び前記共振コイルは、平面視して角部に丸みを有する中抜きの矩形（長方形又は正方形）に形成されているのが好ましい。
本発明に係る非接触電力供給装置において、前記二次コイルの出力は整流されて前記電池に充電され、この充電電流の調整は、前記共振コイルに流れる電流を制御して行うことができる。
本発明に係る非接触電力供給装置において、１）前記一次コイル、前記二次コイル、及び前記共振コイルの前記通路の幅に沿った寸法は、それぞれ平面視して３５０〜６００ｍｍの範囲にあり、２）前記一次コイルの前記通路に沿った長さは平面視して３５０〜８００ｍｍの範囲にあり、３）前記二次コイル及び前記共振コイルの前記通路に沿った長さは、３５０〜６５０ｍｍの範囲にあるのが好ましい。
本発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次コイルの背面には、該一次コイルの巻線を交差して複数の棒状フェライトコアが設けられているのが好ましく、また、棒状フェライトコアは断面矩形であるのが好ましい。
本発明に係る非接触電力供給装置において、前記棒状フェライトコアの背面には、前記一次コイル及び該棒状フェライトコアを保持する板厚が３〜１０ｍｍのアルミ板が設けられているのが好ましい。
本発明に係る非接触電力供給装置においては、一次コイル、二次コイル及び共振コイルに、リッツ線を用いているので、高周波が流れても表皮効果が発生しにくく、従って、電力損失が少なくなり、効率のよい非接触電力供給装置となる。
また、二次コイル及び共振コイルのそれぞれの面積が、平面視した一次コイルの面積と同等又は小さくなっているので、漏洩磁束が減少し、効率のよい電力供給ができる。
そして、共振コイルがリッツ線を平面状に螺旋巻きしたコイルを直列２層巻きして形成されているので、巻き数を増やしてコンパクトに形成できる。
また、共振コイルに、コンデンサと抵抗が直列に接続されると共に、前記抵抗にはスイッチング素子回路が並列に接続され、前記整流回路の出力電流及び出力電圧を制御回路で検知して、前記スイッチング素子回路のオンオフのデューティ比を変えるフィードバック制御を行う場合、二次コイルに接続される整流回路を流れる電流及び電圧を一定値以下に制御できる。
また、二次コイル及び共振コイルのそれぞれの面積が、平面視した一次コイルの面積と同等又は小さくなっているので、漏洩磁束が減少し、効率のよい電力供給ができる。
そして、共振コイルがリッツ線を平面状に螺旋巻きしたコイルを直列２層巻きして形成されているので、巻き数を増やしてコンパクトに形成できる。
また、共振コイルに、コンデンサと抵抗が直列に接続されると共に、前記抵抗にはスイッチング素子回路が並列に接続され、前記整流回路の出力電流及び出力電圧を制御回路で検知して、前記スイッチング素子回路のオンオフのデューティ比を変えるフィードバック制御を行う場合、二次コイルに接続される整流回路を流れる電流及び電圧を一定値以下に制御できる。
特に、一次コイルにおいてリッツ線を間隔を設けて配置した場合は、冷却効果が増大し、リッツ線同士の干渉も減少する。
更に、一次コイル、二次コイル及び共振コイルの形状を角部に丸みを有する矩形とした場合は、作業車、自動車等の幅、走行に合わせて、より広い面積を確保でき、伝送効率が向上する。
更に、一次コイル、二次コイル及び共振コイルの形状を角部に丸みを有する矩形とした場合は、作業車、自動車等の幅、走行に合わせて、より広い面積を確保でき、伝送効率が向上する。
また、一次コイルの背面に棒状フェライトコアを配置した場合は、一次コイルによって発生する漏洩磁束を少なくでき、電力損失を軽減し、伝送効率も高める。
更に、棒状フェライトコアの背面に板厚が３〜１０ｍｍのアルミ板を設けた場合は、一次コイル及び棒状フェライトコアをこのアルミ板の上又は下に組み立てることができ、一次コイルの支持部材としても有効に働く。
更に、棒状フェライトコアの背面に板厚が３〜１０ｍｍのアルミ板を設けた場合は、一次コイル及び棒状フェライトコアをこのアルミ板の上又は下に組み立てることができ、一次コイルの支持部材としても有効に働く。
続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施例について説明する。
図２、図５に示すように、本発明の一実施例に係る非接触電力供給装置１０は、インバータ（８〜５０ｋＨｚのものが好ましい）からなる高周波電源１１に接続される一次コイル１２と、一次コイル１２から発生する電力を受ける二次コイル１３と、一次コイル１２と二次コイル１３の間で、二次コイル１３に当接又は近接して配置された共振コイル１４とを有する。
図２、図５に示すように、本発明の一実施例に係る非接触電力供給装置１０は、インバータ（８〜５０ｋＨｚのものが好ましい）からなる高周波電源１１に接続される一次コイル１２と、一次コイル１２から発生する電力を受ける二次コイル１３と、一次コイル１２と二次コイル１３の間で、二次コイル１３に当接又は近接して配置された共振コイル１４とを有する。
そして、二次コイル１３には整流回路１６が接続され、二次コイル１３の出力は直流に変換されて負荷である二次電池１７に供給される。整流回路１６によって整流された直流の電圧及び電流は、検出されて制御回路１８に入力される。制御回路１８ではデジタル処理が行われ、フォトカプラー１９を介してスイッチング素子回路２０に供給される。
スイッチング素子回路２０では、デューティ比によって区分されるオン信号とオフ信号を発生して、共振コイル１４を流れる電流の増減を行っている。共振コイル１４にはコンデンサ２２と抵抗２３が直列に接続されている。この様子を図６（Ｃ）に示すと、ｔ２の期間ではスイッチング素子回路２０はオフとなって抵抗２３のみが共振コイル１４に直列に接続されていることなるが、ｔ１の期間ではスイッチング素子回路２０はオンとなり、抵抗２３に並列に別の抵抗が加わることになる。従って、ｔ１とｔ２の長さ比を変えて共振電流を制御できる。
共振コイル１４に流れる電流と、二次コイル１３を流れる電流は一次関数的に増加するので、整流回路１６の出力電流を検知して共振コイル１４にフィードバックすることによって、整流回路１６を通過する電流を一定（又は一定値以下）にすることができる。
また、整流回路１６の出力電圧を制御回路１８によって検出し、フィードバックすることによって、整流回路１６の出力電圧を一定値以下に制御できる。なお、二次電池１７が充電完了に近くなった場合、電圧が上昇するので、これを検知して充電電流を減らすか０にすることもできる。
なお、図６（Ａ）は高周波電源１１の出力電圧を、（Ｂ）は共振コイル１４を流れる電流を示す。
また、共振コイル１４には直列には共振用コンデンサ１８ａが設けられて、高周波電源（インバータ）１１の発振周波数ｆに、共振コイル１４を流れる電流を共振させるようにしている。なお、コンデンサ１８ａを調整して、共振コイル１４とコンデンサ１８ａによって形成される共振周波数ｆ１を（０．９〜１．０５）ｆとすることもできる。
また、整流回路１６の出力電圧を制御回路１８によって検出し、フィードバックすることによって、整流回路１６の出力電圧を一定値以下に制御できる。なお、二次電池１７が充電完了に近くなった場合、電圧が上昇するので、これを検知して充電電流を減らすか０にすることもできる。
なお、図６（Ａ）は高周波電源１１の出力電圧を、（Ｂ）は共振コイル１４を流れる電流を示す。
また、共振コイル１４には直列には共振用コンデンサ１８ａが設けられて、高周波電源（インバータ）１１の発振周波数ｆに、共振コイル１４を流れる電流を共振させるようにしている。なお、コンデンサ１８ａを調整して、共振コイル１４とコンデンサ１８ａによって形成される共振周波数ｆ１を（０．９〜１．０５）ｆとすることもできる。
次に、固定物（例えば、建屋に固定又は作業車の通路に沿って配置）に取付けられた一次コイル１２と、二次電池１７によって駆動される車両（例えば、工場内を移動する作業車）に搭載される二次コイル１３及び共振コイル１４について説明する。二次電池１７への充電時には、車両は特定位置で止まり、図２に示すように、天井部分に取付けられている一次コイル１２に、車両に固定されている共振コイル１４及び二次コイル１３が向き合うことになる（図２の上半分参照）。なお、平面視した二次コイル１３及び共振コイル１４のそれぞれの面積は、平面視した一次コイル１２の面積と同等又は小さくなっていると共に、一次コイル１２は共振コイル１４を覆っているのが好ましい。
平面視した二次コイル１３と共振コイル１４は角部が円弧状となった（丸みを有して）中抜きの矩形となって、形状、面積は同一で重なって配置されている。平面視した二次コイル１３と共振コイル１４は、図３（Ａ）、（Ｂ）、図４において、幅ａ、ｂが３５０〜６００ｍｍの範囲にあり、長さｃ、ｄが３５０〜６５０ｍｍの範囲にある。
一方、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、平面視して角部が円弧状となった中抜きの矩形からなる一次コイル１２の幅ｅは３５０〜６００ｍｍの範囲にあり、長さｆは３５０〜８００ｍｍの範囲にある。
なお、長さは車両の進行方向に対する長さ（即ち車両の通路に沿った長さ）を、幅は長さに直交する方向の長さ（即ち、通路の幅に沿った長さ）をいう。
一方、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、平面視して角部が円弧状となった中抜きの矩形からなる一次コイル１２の幅ｅは３５０〜６００ｍｍの範囲にあり、長さｆは３５０〜８００ｍｍの範囲にある。
なお、長さは車両の進行方向に対する長さ（即ち車両の通路に沿った長さ）を、幅は長さに直交する方向の長さ（即ち、通路の幅に沿った長さ）をいう。
一次コイル１２は、第１のリッツ線２５を平面状に螺旋巻きして形成され、共振コイル１４は第２のリッツ線２６を平面状に螺旋巻きしたコイル２７、２８を直列２層巻きして形成され、二次コイル１３は第３のリッツ線２９、２９ａを２本並列に並べて平面状に螺旋巻きしている。第１〜第３のリッツ線２５、２６、２９、２９ａの太さは流れる電流によって決められるが、工場内の車両の二次電池１７を充電する場合は、例えば、１００Ａ仕様（直径が約８〜９ｍｍ、１４〜２２ＳＱ）のものを採用するのが好ましい。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、一次コイル１２の背面には、一次コイル１２の巻線（第１のリッツ線２５）を交差して複数の棒状フェライトコア３１が約１０〜５０ｍｍの間隔で設けられている。この棒状フェライトコア３１は巻線を完全に覆い、更にその内側及び外側に飛び出している。これによって、一次コイル１２によって発生する磁場が一次コイル１２の背面側に漏れるのを極力防止している。
一次コイル１２の隣り合う巻線、即ち第１のリッツ線２５の間には隙間Ｓが設けられ、第１のリッツ線２５同士の干渉を極力防止している。隙間Ｓは例えば２〜５ｍｍ程度である。
一次コイル１２の隣り合う巻線、即ち第１のリッツ線２５の間には隙間Ｓが設けられ、第１のリッツ線２５同士の干渉を極力防止している。隙間Ｓは例えば２〜５ｍｍ程度である。
一次コイル１２は絶縁板（例えば、ガラスエポキシ基板）３３上に固定され、絶縁板３３の背部に棒状フェライトコア３１が、更にその背部に３〜１０ｍｍ（好ましくは、５〜８ｍｍ）のアルミ板３５が設けられている。このアルミ板３５は棒状フェライトコア３１を介して一次コイル１２全体を補強するもので、建物の天井、壁等に螺子固定できる。
二次コイル１３は、図５に示すように、２本のリッツ線２９、２９ａ（第３のリッツ線）を縒って又は平行に配置したものを巻いて構成され、片側のリッツ線２９、２９ａを連結して、中間タップとして使用し、２つのダイオード３７、３８による整流回路１６を構成している。
続いて、図２を参照しながら、本発明の作用、効果を確認するために行った実験例について説明する。
図２に示すように、一次コイル１２は幅ｅが４００ｍｍ、長さｆが６００ｍｍ（図１参照）で、直径が８〜９ｍｍの第１のリッツ線２５を平面状螺旋巻きで１０ターンとした。
図２に示すように、一次コイル１２は幅ｅが４００ｍｍ、長さｆが６００ｍｍ（図１参照）で、直径が８〜９ｍｍの第１のリッツ線２５を平面状螺旋巻きで１０ターンとした。
一次コイル１２の直下に共振コイル１４を配置し、この共振コイル１４に接して二次コイル１３を配置した。なお、共振コイル１４と一次コイル１２の間隔は５０ｍｍであった。共振コイル１４及び二次コイル１３の平面寸法は同一で、幅ａ、ｂは４００ｍｍ、長さは６００ｍｍであった。
共振コイル１４は第２のリッツ線（直径８〜９ｍｍ）２６を８ターン巻いて、このコイル２７、２８を直列に接続して２層としている。
共振コイル１４は第２のリッツ線（直径８〜９ｍｍ）２６を８ターン巻いて、このコイル２７、２８を直列に接続して２層としている。
二次コイル１３は、第３のリッツ線２９、２９ａを重ねて又は縒って平面状螺旋巻きにしたもので３ターンであった。
図２に示すように、一次コイル１２の手前側に端子ボックス４０を設けて、交流積算電力計４１を接続し、整流回路１６の出力側に端子ボックス４２を設けて直流積算電力計４３を接続して測定した結果、交流側の電力が４．５９１ｋｗ、直流側の電力が３．５０４ｋｗであった。従って、単純に効率（η）を計算すると、７６％となるが、実際は一次コイル１２と二次コイル１３との隙間を調整すると、７０〜９０％程度まで可能になる。なお、高周波電源の発振周波数は１０ｋＨｚであった。
図２に示すように、一次コイル１２の手前側に端子ボックス４０を設けて、交流積算電力計４１を接続し、整流回路１６の出力側に端子ボックス４２を設けて直流積算電力計４３を接続して測定した結果、交流側の電力が４．５９１ｋｗ、直流側の電力が３．５０４ｋｗであった。従って、単純に効率（η）を計算すると、７６％となるが、実際は一次コイル１２と二次コイル１３との隙間を調整すると、７０〜９０％程度まで可能になる。なお、高周波電源の発振周波数は１０ｋＨｚであった。
以上のことから、一次コイル、二次コイル及び共振コイルにリッツ線を用いているので、渦電流による損失（近接効果）をできる限り避けて、非接触電力供給装置の効率を上昇させている。
本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。
例えば、この実施例では一次コイルに一次側共振コイルを設けていないが、必要によって設けることもできる。この場合、一次側共振コイルで電力を消費するので、効率が落ちると思われるが、一次コイルと二次コイルの間隔を離すことができる。
本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。
例えば、この実施例では一次コイルに一次側共振コイルを設けていないが、必要によって設けることもできる。この場合、一次側共振コイルで電力を消費するので、効率が落ちると思われるが、一次コイルと二次コイルの間隔を離すことができる。
本発明に係る非接触電力供給装置は、導体の利用率が高いので損失が比較的少なく、例えば、自動車、工場内車両、その他の移動する台車等に適用すると、無接触で効率よくこれらに給電できる。
１０：非接触電力供給装置、１１：高周波電源、１２：一次コイル、１３：二次コイル、１４：共振コイル、１６：整流回路、１７：二次電池、１８：制御回路、１８ａ：共振用コンデンサ、１９：フォトカプラー、２０：スイッチング素子回路、２２：コンデンサ、２３：抵抗、２５：第１のリッツ線、２６：第２のリッツ線、２７、２８：コイル、２９、２９ａ：第３のリッツ線、３１：棒状フェライトコア、３３：絶縁板、３５：アルミ板、３７、３８：ダイオード、４０：端子ボックス、４１：交流積算電力計、４２：端子ボックス、４３：直流積算電力計
Claims (8)
- 高周波電源に接続される一次コイルと、前記一次コイルから発生する電力を受ける二次コイルと、前記一次コイルと前記二次コイルの間で、前記二次コイルに当接して配置された共振コイルと、前記二次コイルに発生する出力を直流に変換する整流回路とを有する非接触電力供給装置において、
前記一次コイルは、第１のリッツ線を平面状に螺旋巻きして形成され、
前記共振コイルは、それぞれ第２のリッツ線を平面状かつ同一方向に螺旋巻きしたコイルＡ、Ｂの内側端部同士を連結して直列２層巻きして形成され、前記コイルＡ、Ｂの外側端部を接続端子とし、
前記二次コイルは第３のリッツ線を２本並列に並べて平面状に螺旋巻きして形成され、
平面視した前記二次コイル及び前記共振コイルのそれぞれの面積は、平面視した前記一次コイルの面積と同等又は小さくなっており、
しかも、該非接触電力供給装置は工場内を移動する作業車の電池を充電するためのものであって、前記一次コイルは前記作業車の通路に沿って配置され、前記二次コイル及び前記共振コイルは前記作業車に搭載されることを特徴とする非接触電力供給装置。 - 請求項１記載の非接触電力供給装置において、前記一次コイルの隣り合う前記第１のリッツ線は隙間を有して配置されていることを特徴とする非接触電力供給装置。
- 請求項１又は２記載の非接触電力供給装置において、前記一次コイル、前記二次コイル及び前記共振コイルは、平面視して角部に丸みを有する中抜きの矩形に形成されていることを特徴とする非接触電力供給装置。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力供給装置において、１）前記一次コイル、前記二次コイル、及び前記共振コイルの前記通路の幅に沿った寸法は、それぞれ平面視して３５０〜６００ｍｍの範囲にあり、２）前記一次コイルの前記通路に沿った長さは平面視して３５０〜８００ｍｍの範囲にあり、３）前記二次コイル及び前記共振コイルの前記通路に沿った長さは、３５０〜６５０ｍｍの範囲にあることを特徴とする非接触電力供給装置。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の非接触電力供給装置において、前記一次コイルの背面には、該一次コイルの巻線を交差して複数の棒状フェライトコアが設けられていることを特徴とする非接触電力供給装置。
- 請求項５記載の非接触電力供給装置において、前記棒状フェライトコアの背面には、前記一次コイル及び該棒状フェライトコアを保持する板厚が３〜１０ｍｍのアルミ板が設けられていることを特徴とする非接触電力供給装置。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載の非接触電力供給装置において、前記共振コイルにはコンデンサと抵抗が直列に接続されると共に、前記抵抗にはスイッチング素子回路が並列に接続され、前記整流回路の出力電流及び出力電圧を制御回路で検知して、前記スイッチング素子回路のオンオフのデューティ比を変えるフィードバック制御を行い、前記整流回路の出力電流及び出力電圧をそれぞれ一定値以下に制御することを特徴とする非接触電力供給装置。
- 請求項１〜７のいずれか１項に記載の非接触電力供給装置において、平面視した前記二次コイル及び前記共振コイルのそれぞれの面積は、平面視した前記一次コイルの面積より小さくなっていることを特徴とする非接触電力供給装置。
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