JP6167413B2 - 非接触電力伝送システム - Google Patents

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Description

本発明は、非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムに関するものである。
従来、電磁誘導により、伝送コイルに発生させた磁束を受電コイルに鎖交することにより、伝送コイルから受電コイルに非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムが知られている。従来の非接触電力伝送システムは、小型電気機器をはじめとして、電気自動車や住宅設備内で充電や給電を行う機器に適用される例が主流である。
また、近年、電磁共振を用いた磁界共鳴方式の非接触電力伝送システムが注目されている。磁界共鳴方式の非接触電力伝送システムには、共鳴コイルが伝送コイルと受電コイルのそれぞれに備えられており、電磁誘導方式と比較して、電力の伝送距離を延ばすことができる。
従来、伝送側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが一致するように共振回路を設計しておき、伝送側の共振回路に供給する交流電力の駆動周波数を共振周波数と同じにするようにした非接触電力伝送システムが提案されている(例えば特許文献1参照)。
特開2011−45151号公報
伝送側の共振回路の共振周波数と、伝送側の共振回路に供給する交流電力の駆動周波数とを同じにすると、共振回路のインピーダンスが0になるため、伝送側の共振回路への電力供給開始時に大きな短絡電流が流れる。このため、回路の動作が不安定になる可能性が高くなる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、回路の動作が不安定になる可能性が高くなるのを抑制する非接触電力伝送システムを提供することを目的とする。
本発明の一局面に係る非接触電力伝送システムは、所定の共振周波数で共振して交番磁界を発生する第1共振回路と、前記第1共振回路に所定の駆動周波数で交流電力を供給する駆動回路と、を含む電力伝送部と、前記駆動周波数で共振するように構成され前記交番磁界の磁束が鎖交する第2共振回路と、前記第2共振回路と磁気的に結合された受電コイルと、前記第2共振回路と電気的に接続されておらず、かつ前記受電コイルと電気的に接続された負荷と、を含む受電部と、を備え、前記共振周波数が前記駆動周波数より低い周波数に設定されている。
この構成によれば、第2共振回路が負荷と電気的に接続されていないため、第2共振回路のQ値が高くなっており、かつ、第2共振回路が駆動周波数で共振するように構成されている。したがって、高効率で電力伝送部から受電部に電力を伝送することができる。また、第1共振回路の共振周波数が、駆動周波数より低い周波数に設定されているため、駆動回路の動作時において第1共振回路のインピーダンスが0にならない。したがって、第1共振回路への交流電力の供給開始時に、短絡電流が流れるのを防止することができる。その結果、回路の動作が不安定になるのを防止することが可能となる。
また、上記の非接触電力伝送システムにおいて、前記第1共振回路は、第1コイルと、前記第1コイルに接続された第1コンデンサと、を含み、前記共振周波数が、前記駆動周波数の95%以下の周波数に設定されるように、前記第1コイルのインダクタンス及び前記第1コンデンサの容量が設定されているとしてもよい。
この構成によれば、第1共振回路の共振周波数が、駆動周波数の95%以下の周波数に設定されるように、第1コイルのインダクタンス及び第1コンデンサの容量が設定されている。このため、部品の温度変化または部品のばらつきなどによって、例えば第1コイルのインダクタンスが3%低くなり、かつ第1コンデンサの容量が2%低くなることにより、共振周波数が高くなった場合でも、駆動周波数まで共振周波数が高くなることはないという利点がある。
また、上記の非接触電力伝送システムにおいて、前記第1共振回路は、第1コイルと、前記第1コイルに接続された第1コンデンサと、を含み、前記駆動回路は、前記第1共振回路に供給される直流電力をオンオフすることにより前記直流電力の正負を交互に切り替えるスイッチング素子を含み、前記共振周波数が、前記駆動周波数の90%より高い周波数に設定されるように、前記第1コイルのインダクタンス及び前記第1コンデンサの容量が設定されているとしてもよい。
この構成によれば、スイッチング素子は、第1共振回路に供給される直流電力をオンオフすることにより直流電力の正負を交互に切り替える。これによって、交流電力が第1共振回路に供給され、交番磁界が第1共振回路の第1コイルに発生する。第1共振回路の共振周波数が、駆動周波数の90%より高い周波数に設定されるように、第1コイルのインダクタンス及び第1コンデンサの容量が設定されている。第1共振回路の共振周波数が、駆動周波数の90%以下の周波数になると、スイッチング素子におけるスイッチング損失が大きくなる。しかし、上記構成によれば、共振周波数が、駆動周波数の90%より高い周波数に設定されているため、スイッチング素子におけるスイッチング損失の増大を防止することが可能となる。
また、上記の非接触電力伝送システムにおいて、前記第2共振回路は、第2コイルと、前記第2コイルに接続された第2コンデンサとを含み、前記第2共振回路が、前記駆動周波数で共振するように、前記第2コイルのインダクタンス及び前記第2コンデンサの容量が設定されているとしてもよい。
この構成によれば、第2共振回路が、駆動周波数で共振するように、第2コイルのインダクタンス及び第2コンデンサの容量が設定されている。これによって、第2共振回路を駆動周波数で共振させることができる。その結果、高効率で電力伝送部から受電部に電力を伝送することができる。
また、上記の非接触電力伝送システムにおいて、前記電力伝送部と前記受電部との間に配置された中継コイルと、前記中継コイルに接続された中継コンデンサと、を含み、前記交番磁界の磁束が鎖交する第3共振回路をさらに備え、前記第3共振回路は、前記電力伝送部及び前記受電部と電気的に接続されておらず、前記第2共振回路と磁気的に結合されており、前記第3共振回路が、前記駆動周波数で共振するように、前記中継コイルのインダクタンス及び前記中継コンデンサの容量が設定されているとしてもよい。
この構成によれば、第3共振回路は、電力伝送部及び受電部と電気的に接続されていないため、第3共振回路のQ値が高くなっている。また、第3共振回路が、駆動周波数で共振するように、中継コイルのインダクタンス及び中継コンデンサの容量が設定されている。このため、高効率で電力伝送部から第3共振回路を介して受電部に電力を伝送することができる。
本発明によれば、高効率で電力伝送部から受電部に電力を伝送できるとともに、第1共振回路への交流電力の供給開始時に、短絡電流が流れるのを防止することができ、回路の動作が不安定になるのを防止することが可能となる。
第1の実施形態の非接触電力伝送システムを示す回路図である。 第1の実施形態の非接触電力伝送システムの外観を概略的に示す斜視図である。 (a)は、伝送コイルの正面図であり、(b)は、伝送コイルの上から見た断面図である。 集磁コイルの正面図である。 受電コイルの正面図である。 集磁コイルと受電コイルとが配置された状態を示す図であり、(a)は正面図であり、(b)は上から見た断面図である。 第1の実施形態の非接触電力伝送システムにおける伝送コイル、集磁コイル、受電コイルの位置関係を概略的に示す上から見た断面図である。 (a)、(b)は、スイッチング素子のオンオフを示すタイミングチャートであり、(c)は、伝送コイルに流れる電流波形を示すタイミングチャートである。 駆動周波数に対して共振周波数が異なる場合の共振回路の誘導性及び容量性を説明するための図である。 第1共振回路の共振周波数を駆動周波数に対して低下させ過ぎた場合の問題点を説明するための図であり、(a)、(b)は、スイッチング素子のゲート電圧を示すタイミングチャートであり、(c)は、スイッチング素子のドレイン−ソース電圧を示すタイミングチャートであり、(d)は、スイッチング素子のドレイン−ソース電流を示すタイミングチャートであり、(e)は、伝送コイルに流れる電流波形を示すタイミングチャートである。 第2の実施形態の非接触電力伝送システムを示す回路図である。 第2の実施形態の非接触電力伝送システムの外観を概略的に示す斜視図である。 第2の実施形態の非接触電力伝送システムで用いられる中継コイルを示す図であり、(a)は中継コイルの正面図、(b)は中継コイルの断面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の非接触電力伝送システム10を示す回路図である。図2は、第1の実施形態の非接触電力伝送システム10の外観を概略的に示す斜視図である。図2に示されるように、第1の実施形態の非接触電力伝送システム10は、電力伝送部11と、電気機器12と、保持部13とを備える。
図1において、電力伝送部11は、図外の商用交流電源PSから入力される交流電力を直流電力に変換する整流回路BD1と、整流された電力を平滑する平滑コンデンサC0と、平滑された直流電力をオンオフするスイッチング素子Q1〜Q4と、伝送コイルL1と、コンデンサC1と、スイッチング素子Q1〜Q4のオンオフを制御する制御部16と、ゲート抵抗R1〜R4とを備える。スイッチング素子Q1〜Q4としては、電界効果型トランジスタ(FET)が用いられている。整流回路BD1としては、4つのダイオードにより構成されたブリッジ形の全波整流回路が用いられている。
スイッチング素子Q1〜Q4のゲートは、それぞれ、ゲート抵抗R1〜R4を介して制御部16に接続されている。
コンデンサC1は、伝送コイルL1と直列に接続されている。この伝送コイルL1とコンデンサC1とにより第1共振回路LC1が構成されている。この第1共振回路LC1は、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q4との間に直列に接続され、かつ、スイッチング素子Q2とスイッチング素子Q3との間に直列に接続されている。
制御部16は、スイッチング素子Q1,Q4のオン及びスイッチング素子Q2,Q3のオフと、スイッチング素子Q1,Q4のオフ及びスイッチング素子Q2,Q3のオンとを交互に繰り返す。制御部16は、駆動周波数Fc=400kHzで、スイッチング素子Q1〜Q4をオンオフさせている。これによって、直流電力が交互に反転して交流電力が第1共振回路LC1に供給される。その結果、伝送コイルL1には交番磁束が発生する。なお、図示の便宜上、制御部16を4箇所に記載しているが、実際には1つの制御部16を備えている。
電気機器12は、伝送コイルL1で発生した交番磁界による磁束を集める集磁コイルL2と、集磁コイルL2に接続されたコンデンサC2と、集磁コイルL2と磁気的に結合された受電コイルL3と、受電コイルL3の交流電力を直流電力に変換する整流回路BD2と、整流回路BD2の直流電力を平滑する平滑コンデンサC3と、負荷LDとを備える。図1に示されるように、電力伝送部11と電気機器12とは電気的に接続されていない。
集磁コイルL2とコンデンサC2とにより第2共振回路LC2が構成されている。図1に示されるように、第2共振回路LC2は、受電コイルL3等と電気的に接続されていない。集磁コイルL2は、伝送コイルL1で発生した磁束を受け取り、受電コイルL3に受け渡す。整流回路BD2としては、4つのダイオードにより構成されたブリッジ形の全波整流回路が用いられている。負荷LDは、この実施形態では例えば二次電池であり、平滑コンデンサC3により平滑された直流電力により充電される。
図2において、伝送コイルL1の反対面の電力伝送部11の筐体から、図示を省略するコンセントプラグが突出している。このコンセントプラグを電力伝送部11の筐体ごとコンセントに挿すことによってコードレスの電力伝送部11を実現している。なお、電力伝送部11は、コード付きのコンセントプラグを有するようにしてもよい。この場合には、電力伝送部11の配置の自由度を増すことができる。伝送コイルL1は、電力伝送部11の筐体の表面近傍に設けられている。
保持部13は、円柱形状を有している。保持部13の上面中央には、円柱状の凹部21が設けられている。凹部21には、縦方向に形成された細い溝22が設けられている。保持部13は、凹部21に挿入された電気機器12を保持する。
電気機器12は、この第1の実施形態では、電動歯ブラシである。電気機器12は、従来の電動歯ブラシと同様に、ブラシ部31と、本体部32とを備える。本体部32は、歯ブラシ動作用回路(図示省略)を備える。また、本体部32は、電源スイッチ33と、表示LED34と、本体部32の下端の前方側に形成された突起35とを有する。また、本体部32は、集磁コイルL2、コンデンサC2、受電コイルL3、整流回路BD2、平滑コンデンサC3等が設けられた回路基板(図示省略)を有する。図2に示されるように、集磁コイルL2は、本体部32の下半部の背面側の中央に設けられている。
本体部32が凹部21に挿入されることによって、電気機器12が保持部13に保持される。このとき、本体部32の下端に形成された突起35を保持部13の溝22に嵌合させないと、本体部32を凹部21に挿入できないようになっている。
図3(a)は、伝送コイルL1の正面図であり、図3(b)は、伝送コイルL1の上から見た断面図である。図4は、集磁コイルL2の正面図である。図5は、受電コイルL3の正面図である。図6(a)、6(b)は、集磁コイルL2と受電コイルL3とが配置された状態を示す図であり、(a)は正面図であり、(b)は上から見た断面図である。図7は、第1の実施形態の非接触電力伝送システム10における伝送コイルL1、集磁コイルL2、受電コイルL3の位置関係を概略的に示す上から見た断面図である。
伝送コイルL1は、図3(a)、図3(b)に示されるように、例えば銅線が渦巻状に巻かれて形成された、矩形の平面状コイルである。集磁コイルL2は、図4に示されるように、例えば銅線が渦巻状に巻かれて形成された、矩形の平面状コイルである。受電コイルL3は、図5に示されるように、例えば銅線が渦巻状に巻かれて形成された、矩形の平面状コイルである。
図3(b)、図7に示されるように、伝送コイルL1の磁束鎖交面にはフェライトコア17が配置されている。図6(b)、図7に示されるように、集磁コイルL2と受電コイルL3とは、互いに重ねられて配置されている。言い換えると、集磁コイルL2と受電コイルL3とは、互いに磁気的に結合している。なお、受電コイルL3よりも集磁コイルL2の方が電気機器12の外側に位置している。受電コイルL3に隣接して、電気機器12の内側(つまり集磁コイルL2と反対側)に、例えばフェライトで形成された磁性体18が設けられている。
伝送コイルL1のインダクタンスをL1とすると、この実施形態では例えば、L1=60μHに設定されている。また、コンデンサC1の容量をC1とすると、この実施形態では例えば、C1=3000pFに設定されている。したがって、第1共振回路LC1の共振周波数F1は、
F1=1/{2π(L1×C1)1/2
≒375kHz
である。
集磁コイルL2のインダクタンスをL2とすると、この実施形態では例えば、L2=79μHに設定されている。また、コンデンサC2の容量をC2とすると、この実施形態では例えば、C2=2000pFに設定されている。したがって、第2共振回路LC2の共振周波数F2は、
F2=1/{2π(L2×C2)1/2
≒400kHz
である。
上述のように、制御部16は、駆動周波数Fc=400kHzで、スイッチング素子Q1〜Q4をオンオフさせている。したがって、駆動周波数Fcと第2共振回路LC2の共振周波数F2とは、ほぼ等しい値に設定されている。なお、本実施形態では、駆動周波数Fcと第2共振回路LC2の共振周波数F2とが、ほぼ等しい値に設定されているが、多少異なる値になってもよい。例えば第2共振回路LC2の部品ばらつき等によって、駆動周波数Fcと第2共振回路LC2の共振周波数F2とは、結果的に、2%程度異なる値になってもよい。
本実施形態において、伝送コイルL1が第1コイルの一例に相当し、コンデンサC1が第1コンデンサの一例に相当し、集磁コイルL2が第2コイルの一例に相当し、コンデンサC2が第2コンデンサの一例に相当し、電気機器12が受電部の一例に相当する。また、本実施形態において、スイッチング素子Q1〜Q4、ゲート抵抗R1〜R4、制御部16が駆動回路の一例を構成する。
図8(a)は、スイッチング素子Q1,Q4のオンオフを示すタイミングチャートである。図8(b)は、スイッチング素子Q2,Q3のオンオフを示すタイミングチャートである。図8(c)は、伝送コイルL1に流れる電流波形を示すタイミングチャートである。図1、図7、図8(a)〜8(c)を用いて、第1の実施形態の非接触電力伝送システム10の動作が説明される。
まず、商用交流電源PSのAC100Vが、整流回路BD1により整流され、平滑コンデンサC0により平滑されて、DC141Vに変換され、このDC141Vがスイッチング素子Q1〜Q4から構成されるフルブリッジ回路に印加される。そして、図8(a)、図8(b)に示されるように、制御部16からゲート抵抗R1〜R4を介して入力されるゲート電圧に応じて、駆動周波数Fc(本実施形態ではFc=400kHz)でスイッチング素子Q1〜Q4がオンオフ動作を行う。このスイッチング素子Q1〜Q4のオンオフ動作によって、伝送コイルL1には、図8(c)に示されるように、高周波の交流電流が供給されて、伝送コイルL1が励磁される。
伝送コイルL1において発生した磁束が、集磁コイルL2と受電コイルL3とに鎖交し、これらの集磁コイルL2と受電コイルL3とにそれぞれ交番電力が発生する。このとき、集磁コイルL2とコンデンサC2とで構成される第2共振回路LC2の共振周波数F2(本実施形態ではF2=400kHz)が、駆動周波数Fc(本実施形態ではFc=400kHz)と一致している。このため、受電コイルL3に比べて、集磁コイルL2の方が、鎖交する磁束は強く、発生する交番電力は大きくなる。
集磁コイルL2で発生した交番電力によって磁束が発生し、受電コイルL3に磁束を供給する。図7に示されるように、集磁コイルL2と受電コイルL3との距離は、伝送コイルL1と受電コイルL3との距離に比べて十分短い。したがって、集磁コイルL2と受電コイルL3との間の結合係数は、伝送コイルL1と受電コイルL3との間の結合係数と比べて十分に大きい。このため、集磁コイルL2から受電コイルL3への磁束の供給は効率的に行われる。受電コイルL3に鎖交した磁束により交番電力が発生し、この交番電力が整流回路BD2により整流され、平滑コンデンサC3により平滑されて、負荷LDが充電される。
ここで、電力伝送部11における伝送コイルL1及びコンデンサC1からなる第1共振回路LC1のインピーダンスZrは、伝送コイルL1のインダクタンスをL1とし、コンデンサC1の容量をC1とすると、
Zr=|2πfL1−1/(2πfC1)|
で表される。したがって、駆動周波数FcがFc=375kHzの場合には、Zr=0になるが、駆動周波数FcがFc=400kHzの場合には、Zr=0にはならない。
例えば、非接触電力伝送システム10に電源が投入されて、スイッチング素子Q2,Q3がオンになった場合、DC141Vがスイッチング素子Q2−伝送コイルL1−コンデンサC1−スイッチング素子Q3に印加される。スイッチング素子Q2,Q3は、この実施形態ではFETであるため、スイッチング素子Q2,Q3のオン抵抗は数100mΩである。したがって、第1共振回路LC1のインピーダンスZrが低い場合には、回路が短絡に近い状態となり、非常に大きい電流が流れる。
つまり、第1共振回路LC1の共振周波数F1が、駆動周波数Fcとほぼ等しい場合には、第1共振回路LC1のインピーダンスZrがZr=0になる。このため、スイッチング素子Q1〜Q4のオン時に大電流が流れて、スイッチング素子Q1〜Q4、伝送コイルL1などの回路部品が発熱し、回路の動作が不安定になる虞がある。
しかしながら、本実施形態では、第1共振回路LC1の共振周波数F1が、駆動周波数Fcより低い。つまり、F1=375kHであり、Fc=400kHzであり、共振周波数F1は、駆動周波数Fcに対して、6.25%低い値に設定されている。このため、第1共振回路LC1のインピーダンスZrがZr=0にならない。したがって、スイッチング素子Q1〜Q4のオン時に流れる電流が制限されることから、回路は安定して動作するようになる。
なお、本実施形態では、図7における伝送距離DI1が3〜5cm程度で、0.3W程度の電力を送電できるようにしている。
また、例えば駆動周波数Fc=400kHzに対して、第1共振回路LC1の共振周波数F1を、F1=395kHzに設定した場合(つまり共振周波数F1を駆動周波数Fcの98.75%に設定した場合)には、第1共振回路LC1のインピーダンスZrが十分に小さいため、スイッチング素子Q1〜Q4のオン時に流れる電流が大きくなるので、好ましくない。
また、コンデンサC1及び伝送コイルL1の温度変化または部品のばらつきなどによって、例えば、コンデンサC1の容量が2%ずれて、C1=2940pFとなり、伝送コイルL1のインダクタンスが3%ずれて、L1=58.2μHとなったとする。この場合、第1共振回路LC1の共振周波数F1は、F1=375kHzからF1=385kHzに変化する。すなわち共振周波数F1は、駆動周波数Fcの96.25%になるが、駆動周波数Fc=400kHzに対しては十分余裕がある。
したがって、第1共振回路LC1の共振周波数F1を、駆動周波数Fcの95%以下の周波数に設定しておくことが好ましい。これによって、第1共振回路LC1のインピーダンスZrが十分に小さいという事態を避けることができ、かつ、2〜3%程度のばらつきがある部品を用いても、回路を安定動作させることが可能となる。
図9は、駆動周波数に対して共振周波数が異なる場合の共振回路の誘導性及び容量性を説明するための図である。
本実施形態では、伝送コイルL1及びコンデンサC1を有する第1共振回路LC1の共振周波数F1は、駆動周波数Fc=400kHzに対して6.25%低い、F1=375kHzに設定されている。
これに対して、第1共振回路LC1の共振周波数F1を駆動周波数Fcより高い周波数に設定すると、第1共振回路LC1のインピーダンスにおいてコンデンサ成分が大きくなる。例えば、図9において、共振周波数F1がF1=415kHzになると、駆動周波数FcがFc=400kHzであるため、FcがF1よりも左方に位置することになる。したがって、第1共振回路LC1のインピーダンスは、図9に示されるように、容量性が支配的となる。このため、スイッチング素子Q1〜Q4のオン時に、第1共振回路LC1に流れる電流が安定する前に、短絡電流が流れる。この短絡電流によって、回路に発生するノイズが大きくなり、スイッチング素子Q1〜Q4が発熱し、スイッチング損失が増大する。その結果、回路の動作が不安定になることがある。したがって、第1共振回路LC1の共振周波数F1を駆動周波数Fcより高い周波数に設定するのは好ましくない。
図10(a)は、スイッチング素子Q1,Q4のゲート電圧を示すタイミングチャートである。図10(b)は、スイッチング素子Q2,Q3のゲート電圧を示すタイミングチャートである。図10(c)は、スイッチング素子Q3のドレイン−ソース電圧を示すタイミングチャートである。図10(d)は、スイッチング素子Q3のドレイン−ソース電流を示すタイミングチャートである。図10(e)は、伝送コイルL1に流れる電流波形を示すタイミングチャートである。図10(a)〜10(e)を参照して、第1共振回路LC1の共振周波数F1を駆動周波数Fcに対して低下させ過ぎた場合の問題点が説明される。
本実施形態では、図10(a)、10(b)に示されるように、駆動周波数Fcで、スイッチング素子Q1,Q4と、スイッチング素子Q2,Q3とが、交互にオンオフ動作している。このとき、スイッチング素子Q3のドレイン−ソース電圧は、図10(c)の左図に示されるように、スイッチング素子Q3がオフの間に、スイッチング素子Q1,Q4のオンにより伝送コイルL1に流れる電流(図10(e)参照)に基づいて、ゼロ電圧でスイッチングして、増大した後、低下する。また、スイッチング素子Q3のドレイン−ソース電流として、図10(d)の左図に示されるように、スイッチング素子Q3のオン時に、インパルス状の電流が流れる。
ここで、第1共振回路LC1の共振周波数F1を、375kHzから更に低下させると、図10(c)の右図に示されるように、スイッチング素子Q3のドレイン−ソース電圧の増大及び低下における傾斜が緩やかになってしまう。したがって、ドレイン−ソース電圧がゼロ電圧になる前に、スイッチング素子Q3がオンになる。このため、ゼロ電圧スイッチングができず、電圧Vdが印加された状態で、スイッチング素子Q3がオンになる。
したがって、図10(d)の右図に示されるように、スイッチング素子Q3のドレイン−ソース電流として、一旦電流がプラス側に流れることなどにより、ノイズが発生する。その結果、スイッチング素子Q3におけるスイッチング損失が大きくなり、回路の効率が低下する。このため、第1共振回路LC1の共振周波数F1は、スイッチング素子Q1〜Q4がゼロ電圧スイッチングを行える程度の範囲で、駆動周波数Fcに対して低下させることが好ましい。したがって、第1共振回路LC1の共振周波数F1が、駆動周波数Fcの90%より高い周波数に設定されるように、伝送コイルL1のインダクタンス及びコンデンサC1の容量を設定すればよい。
以上説明されたように、この第1の実施形態によれば、駆動周波数Fcと第2共振回路LC2の共振周波数F2とをほぼ等しい値に設定している。このため、伝送コイルL1から集磁コイルL2に高効率で電力を伝送することができる。
また、この第1の実施形態によれば、第1共振回路LC1の共振周波数F1を駆動周波数Fcより低い周波数に設定している。このため、スイッチング素子Q1〜Q4のオン時に第1共振回路LC1のインピーダンスZrが0にならない。したがって、スイッチング素子Q1〜Q4のオン時に短絡電流等の過大な電流が流れるのを防止することができ、これによって、回路の動作が不安定になるのを防止することが可能となる。
また、この第1の実施形態によれば、第1共振回路LC1の共振周波数F1を駆動周波数Fcと異なる値としている。このため、コンデンサC1または伝送コイルL1の温度特性に基づき、コンデンサC1または伝送コイルL1のインピーダンスが変化することにより、伝送コイルL1に流れる電流が変化した場合でも、その電流変化量を低減することが可能となる。
また、この第1の実施形態によれば、第1共振回路LC1の共振周波数F1を駆動周波数Fcと異なる値としている。したがって、駆動周波数Fcが、温度特性または部品ばらつきなどによって多少変動しても、第1共振回路LC1のインピーダンスが大きく変化しない。このため、安定して動作する回路を設計することが可能となる。
(第2の実施形態)
図11は、第2の実施形態の非接触電力伝送システム10aを示す回路図である。図12は、第2の実施形態の非接触電力伝送システム10aの外観を概略的に示す斜視図である。図13(a)、13(b)は、第2の実施形態の非接触電力伝送システム10aで用いられる中継コイルL4を示す図であり、図13(a)は中継コイルL4の正面図、図13(b)は中継コイルL4の断面図である。図11に示されるように、第2の実施形態の非接触電力伝送システム10aは、電力伝送部11及び電気機器12に加えて、第3共振回路LC3を備える。
第3共振回路LC3は、中継コイルL4及び中継コイルL4に接続されたコンデンサC4を備える。中継コイルL4は、図13(a)、13(b)に示されるように、例えば銅線が渦巻状に巻かれて形成された、円形の平面状コイルである。
第3共振回路LC3は、図11に示されるように、電力伝送部11及び電気機器12に対して、電気的に接続されていない。中継コイルL4のインダクタンスをL4とすると、この実施形態では例えば、L4=6.6μHに設定されている。コンデンサC4の容量をC4とすると、この実施形態では例えば、C4=0.024μFに設定されている。したがって、第3共振回路LC3の共振周波数F3は、
F3=1/{2π(L4×C4)1/2
≒400kHz
である。つまり、第3共振回路LC3の共振周波数F3は、駆動周波数Fcとほぼ等しい値に設定されている。
第2の実施形態の非接触電力伝送システム10aは、図12に示されるように、第1の実施形態の非接触電力伝送システム10における保持部13に代えて、保持部13aを備える。保持部13aは、図12に示されるように、保持部13において、平板状の背面部23を更に備える。背面部23は、中継コイルL4を収容する。
電気機器12の本体部32の下端に形成された突起35を保持部13aの溝22に嵌合させつつ本体部32を凹部21に挿入して、保持部13aが電気機器12を保持すると、背面部23に収容された中継コイルL4が、電気機器12の集磁コイルL2に対向するように構成されている。これによって、中継コイルL4が電気機器12の集磁コイルL2と磁気的に結合されることとなる。
本実施形態において、伝送コイルL1が第1コイルの一例に相当し、コンデンサC1が第1コンデンサの一例に相当し、集磁コイルL2が第2コイルの一例に相当し、コンデンサC2が第2コンデンサの一例に相当し、電気機器12が受電部の一例に相当する。また、本実施形態において、スイッチング素子Q1〜Q4、ゲート抵抗R1〜R4、制御部16が駆動回路の一例を構成する。
以上のように、第2の実施形態では、電力伝送部11と電気機器12との間に、中継コイルL4及びコンデンサC4を有する第3共振回路LC3が設けられているが、この第3共振回路LC3の共振周波数F3(この実施形態では例えばF3=400kHz)は、電力伝送部11におけるスイッチング素子Q1〜Q4のオンオフの駆動周波数Fc(この実施形態では例えばFc=400kHz)と等しい値に設定されている。したがって、電力伝送部11から第3共振回路LC3を介して電気機器12に電力を高効率で伝送できる。
また、第1の実施形態と同様に、伝送コイルL1及びコンデンサC1を有する第1共振回路LC1の共振周波数F1を駆動周波数Fcより低い周波数に設定している。このため、スイッチング素子Q1〜Q4のオン時に大きな短絡電流が流れるのを抑制し、回路の動作を安定にすることが可能となる。
(その他)
上記各実施形態において、電力伝送部11の共振回路LC1の駆動回路は、4個のスイッチング素子Q1〜Q4を用いたフルブリッジ回路で構成しているが、代替的に、2個のスイッチング素子を用いたハーフブリッジ回路で構成してもよい。
上記各実施形態では、電気機器12は電動歯ブラシを例示したが、これに限られない。電気機器12として、例えば、主に洗面所の周囲で使用される電動シェーバーまたは電動脱毛器をはじめとする一般に理美容家電と言われる小物家電を適用してもよい。
本発明に係る非接触電力伝送システムは、回路の動作が不安定になる虞を抑制することができる非接触電力伝送システムとして有用である。
10,10a 非接触電力伝送システム
11 電力伝送部
12 電気機器
C1,C2,C4 コンデンサ
Fc 駆動周波数
F1〜F3 共振周波数
L1 伝送コイル
L2 集磁コイル
L3 受電コイル
L4 中継コイル
LC1 第1共振回路
LC2 第2共振回路
LC3 第3共振回路
LD 負荷

Claims (4)

  1. 所定の共振周波数で共振して交番磁界を発生する第1共振回路と、前記第1共振回路に所定の駆動周波数で交流電力を供給する駆動回路と、を含む電力伝送部と、
    前記駆動周波数で共振するように構成され前記交番磁界の磁束が鎖交する第2共振回路と、前記第2共振回路と磁気的に結合された受電コイルと、前記第2共振回路と電気的に接続されておらず、かつ前記受電コイルと電気的に接続された負荷と、を含む受電部と、
    を備え、
    前記共振周波数が前記駆動周波数より低い周波数に設定されており、
    前記第1共振回路は、第1コイルと、前記第1コイルに接続された第1コンデンサと、を含み、
    前記駆動回路は、前記第1共振回路に供給される直流電力をオンオフすることにより前記直流電力の正負を交互に切り替えるスイッチング素子を含み、
    前記共振周波数が、前記駆動周波数の90%より高い周波数に設定されるように、前記第1コイルのインダクタンス及び前記第1コンデンサの容量が設定されていることを特徴とする非接触電力伝送システム。
  2. 前記第1共振回路は、第1コイルと、前記第1コイルに接続された第1コンデンサと、を含み、
    前記共振周波数が、前記駆動周波数の95%以下の周波数に設定されるように、前記第1コイルのインダクタンス及び前記第1コンデンサの容量が設定されていることを特徴とする請求項1記載の非接触電力伝送システム。
  3. 前記第2共振回路は、第2コイルと、前記第2コイルに接続された第2コンデンサと、を含み、
    前記第2共振回路が、前記駆動周波数で共振するように、前記第2コイルのインダクタンス及び前記第2コンデンサの容量が設定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の非接触電力伝送システム。
  4. 前記電力伝送部と前記受電部との間に配置された中継コイルと、前記中継コイルに接続された中継コンデンサと、を含み、前記交番磁界の磁束が鎖交する第3共振回路をさらに備え、
    前記第3共振回路は、前記電力伝送部及び前記受電部と電気的に接続されておらず、前記第2共振回路と磁気的に結合されており、
    前記第3共振回路が、前記駆動周波数で共振するように、前記中継コイルのインダクタンス及び前記中継コンデンサの容量が設定されていることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1項に記載の非接触電力伝送システム。
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