JP5811272B2 - 送電装置 - Google Patents

Description

本発明は、送電装置に関する。

給電すべき電力を生成する電力生成部と、電力生成部で生成される電力が給電されるコイルにより形成される給電素子と、給電素子により電磁誘導により結合する共鳴素子と、電力の給電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む可変整合部と、を有し、給電素子は、径を変更可能に形成され、可変整合部は、給電素子の径を変更可能である給電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、給電すべき電力を生成する電力生成部と、電力生成部で生成される電力が給電される送電素子と、給電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、制御信号に応じて、電力の送電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む可変整合部と、送電側のインピーダンス特性から受電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部と、少なくとも検出されたインピーダンス情報と、記憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように制御信号を可変整合部に出力する制御部と、を有する給電装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、交流電源と、交流電源に接続された１次コイルと、１次側共鳴コイルと、２次側共鳴コイルと、２次コイルと、２次コイルに接続された負荷と、交流電源と１次コイルとの間に設けられたインピーダンス可変回路とを備え、１次コイル、１次側共鳴コイル、２次側共鳴コイル、２次コイル及び負荷は共鳴系を構成し、共鳴系の状態を検出する状態検出手段を備え、インピーダンス可変回路は、状態検出手段の検出結果に基づいて共鳴系の共鳴周波数における入力インピーダンスと、１次コイルより交流電源側のインピーダンスとが合うようにインピーダンスが調整される非接触電力伝送装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。

また、送電コイルを含む送電ユニットと受電コイルを含む受電ユニットとの間で磁界共鳴を発生させることによって電力を送電する無線電力伝送装置であって、送電ユニットおよび受電ユニットの何れかに設けられた、所定の送受電要素を変更することで、電力の伝送効率を変化させる変更手段と、変更手段による変更の前後の伝送効率を算出する伝送効率算出手段と、伝送効率算出手段によって算出された、変更の前後の伝送効率を比較することで、該変更の前後で伝送効率が改善したか否かを判定する判定手段と、を備え、判定手段による判定と、変更手段による変更と、が繰り返し実行されることで、伝送効率を改善する無線電力伝送装置が知られている（例えば、特許文献４参照）。

特開２０１１−１４２５５９号公報 特開２０１１−２２３７３９号公報 特開２０１０−１４１９７６号公報 特開２０１０−２５２４９７号公報

磁界共鳴方式の給電システムでは、受電装置は、送電装置に対してフリーポジションで無線受電することができる。しかし、受電装置の位置が変化すると、インピーダンスが変化してしまい、インピーダンス整合がとれなくなり、送電の反射波が大きくなり、伝送効率が悪化してしまう。

本発明の目的は、送電の反射波を抑制することができる送電装置を提供することである。

送電装置は、交流電圧を生成する電源回路と、前記電源回路により生成された交流電圧を入力することにより磁界を発生させる送電用コイルと、共振用コイル及び共振用容量を含み、前記送電用コイルにより磁界が発生すると、電磁誘導により電流が流れ、共振状態となる送電用共振器と、前記電源回路から前記送電用コイルまでの伝送線路における定在波比が小さくなる方向に、前記送電用共振器に対する前記送電用コイルの位置又は向きを制御する制御回路とを有し、前記電源回路は、前記送電用共振器と受電装置の受電用共振器との間の、前記送電用コイルの位置又は向きから変換された距離に応じたゲインで交流電圧を増幅して出力する。

送電用コイルの位置又は向きを制御することにより、送電の反射波を抑制し、伝送効率を向上させることができる。

図１は、第１の実施形態による送電部及び受電部の構成例を示す図である。 図２は、図１の送電部及び受電部の送電距離に対するインピーダンス及び定在波比を示すグラフである。 図３は、第１の実施形態による給電システムの構成例を示す図である。 図４は、第１のメモリ及び第２のメモリに記憶される変換テーブルを示すグラフである。 図５は、第２の実施形態による給電システムの構成例を示す図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による送電部１０１及び受電部１０２の構成例を示す図である。送電部１０１は、内側の送電用コイル１１１及び外側の送電用共振器１１４を有する。送電用共振器１１４は、共振用コイル１１２及び共振用容量１１３の直列接続回路を有し、その共振周波数は１／｛２×π×√（Ｌ×Ｃ）｝である。ここで、Ｌは送電用共振器１１４のインダクタンスであり、Ｃは送電用共振器１１４の容量値である。送電用コイル１１１は、例えば、巻き数が１回であり、外径が２０９ｍｍである。共振用コイル１１２は、例えば、巻き数が５回であり、外径が３００ｍｍであり、巻線ピッチが６ｍｍである。

受電部１０２は、内側の受電用コイル１２１及び外側の受電用共振器１２４を有する。受電用共振器１２４は、共振用コイル１２２及び共振用容量１２３の直列接続回路を有し、その共振周波数は１／｛２×π×√（Ｌ×Ｃ）｝である。ここで、Ｌは受電用共振器１２４のインダクタンスであり、Ｃは受電用共振器１２４の容量値である。共振用コイル１２２は、例えば、巻き数が５回であり、外径が３００ｍｍであり、巻線ピッチが６ｍｍである。受電用コイル１２１は、例えば、巻き数が１回であり、外径が２０９ｍｍである。

コイル１１１、１１２、１２１及び１２２は、コイル線の直径が例えば３ｍｍである。

送電部１０１は、受電部１０２に対して無線送電を行うことができる。送電用コイル１１１には、電源回路により高周波数の交流電圧が印加される。電源回路は、出力交流電圧の周波数が例えば２ＭＨｚであり、出力インピーダンスが例えば５０Ωである。すると、送電用コイル１１１に磁界が発生し、電磁誘導により、送電用共振器１１４に電流が流れる。電源回路により印加される交流電圧の周波数は１／｛２×π×√（Ｌ×Ｃ）｝の共振周波数であるので、送電用共振器１１４は共振状態になる。すると、送電用共振器１１４に磁界が発生し、１／｛２×π×√（Ｌ×Ｃ）｝の共振周波数の磁界共鳴により、受電用共振器１２４に電流が流れ、受電用共振器１２４は共振状態になる。すると、受電用共振器１２４に磁界が発生し、電磁誘導により、受電用コイル１２１に電流が流れる。受電用コイル１２１には負荷を接続し、負荷に電力を供給することができる。負荷の抵抗は、例えば１０Ωである。

以上のように、送電部１０１は、磁界共鳴により、受電部１０２に対して、非接触で無線送電することができる。送電距離Ｘは、送電部１０１と受電部１０２との間の距離である。給電システムは、最大、数ｍ程度の送電距離Ｘまで送電が可能である。

図２は、図１の送電部１０１及び受電部１０２の送電距離Ｘに対するインピーダンス２０１及び定在波比（ＳＷＲ：Standing Wave Ratio）２０２を示すグラフである。送電距離Ｘを２００ｍｍから６００ｍｍまで変化させた時のインピーダンス２０１及び定在波比２０２を示す。インピーダンス２０１は、送電部１０１及び受電部１０２の合成インピーダンスである。定在波比２０２は、電源回路から送電用コイル１１１までの伝送線路における定在波比であり、進行波に対する反射波の大きさを示す。反射波の振幅が０のとき、定在波比２０２が最小値の「１」になり、反射波の振幅が大きくなるほど、定在波比２０２が大きくなる。定在波比２０２が大きくなると、反射波の振幅が大きいため、進行波が反射波により減衰し、伝送効率（送電効率）が悪化する。

電源回路の出力インピーダンスは、例えば５０Ωである。この場合、送電部１０１及び受電部１０２の合成インピーダンス２０１が、電源回路の出力インピーダンスと同じ５０Ωになれば、インピーダンス整合がとれる。例えば、図２の送電距離Ｘが約２６０ｍｍにおいて、送電部１０１及び受電部１０２の合成インピーダンス２０１が５０Ωになり、インピーダンス整合状態となり、反射波の振幅が約０になり、定在波比２０２が最小値の約「１」になる。

受電部１０２は、送電部１０１に対してフリーポジションで無線受電可能である。したがって、送電距離Ｘは、変化し得る値である。

送電距離Ｘが約２６０ｍｍより短くなると、合成インピーダンス２０１が５０Ωより小さくなり、インピーダンス不整合となり、定在波比２０２が大きくなり、伝送効率が悪化する。これに対し、送電距離Ｘが約２６０ｍｍより長くなると、合成インピーダンス２０１が５０Ωより大きくなり、インピーダンス不整合となり、定在波比２０２が大きくなり、伝送効率が悪化する。そこで、送電距離Ｘが変化した場合でも、合成インピーダンス２０１を調整することにより、定在波比２０２を最小値にし、伝送効率を向上させる技術が望まれる。実用的には、定在波比２０２が「３」以下になるように、インピーダンス整合を調整することが好ましい。

また、受電部１０２は、一定の定格電力で駆動するため、定格電力を受電する必要がある。そのためには、送電部１０１は、受電部１０２が定格電力を受電するような電力値で送電を行う必要がある。しかし、送電距離Ｘが変わると、伝送効率が変化してしまう。一般的に、送電距離Ｘが短ければ伝送効率は高く、送電距離Ｘが長ければ伝送効率は低くなる。したがって、送電部１０１は、一定電力値を送電した場合には、送電距離Ｘが短ければ、受電部１０２の受電電力が大きくなり、送電距離Ｘが長ければ、受電部１０２の受電電力が小さくなる。したがって、受電部１０２が一定の定格電力を受電するには、送電部１０１は、送電距離Ｘに応じて送電電力値を変える必要がある。その際、送電距離Ｘが不明であるので、送電距離Ｘを検出する技術の確立が望まれる。

以下、本実施形態では、定在波比２０２を最小値になるようにインピーダンス２０１を調整し、送電距離Ｘを検出して送電距離Ｘに応じて送電電力値を制御する方法を説明する。

図３は、第１の実施形態による給電システムの構成例を示す図である。給電システムは、送電装置３０１及び受電装置３０２を有する。送電装置３０１は、電源回路３１１、制御回路３１９、送電部１０１、第１のメモリ３１７及び第２のメモリ３１８を有する。送電部１０１は、図１の送電部１０１と同じ構成を有し、送電用コイル１１１及び送電用共振器１１４を有する。送電用共振器１１４は、共振用コイル１１２及び共振用容量１１３の直列接続回路を有する。

受電装置３０２は、受電部１０２及び負荷３２１を有する。受電部１０２は、図１の受電部１０２と同じ構成を有し、受電用コイル１２１及び受電用共振器１２４を有する。受電用共振器１２４は、共振用コイル１２２及び共振用容量１２３の直列接続回路を有する。負荷３２１は、受電用コイル１２１に接続される。

電源回路３１１は、発振器３１２及び送電アンプ３１３を有し、交流電圧Ｓ２を生成する。発振器３１２は、高周波数の交流電圧Ｓ１を発振により生成する。送電アンプ３１３は、ゲインＧＮで交流電圧Ｓ１を増幅し、その増幅した交流電圧Ｓ２を送電用コイル１１１に出力する。

送電用コイル１１１は、電源回路３１１により生成された交流電圧Ｓ２を入力することにより磁界を発生させる。送電用コイル１１１により磁界が発生すると、電磁誘導により、送電用共振器１１４に電流が流れ、送電用共振器１１４は共振状態になる。すなわち、電源回路３１１により印加される交流電圧の周波数は１／｛２×π×√（Ｌ×Ｃ）｝の共振周波数であるので、送電用共振器１１４は共振状態になる。すると、送電用共振器１１４に磁界が発生し、１／｛２×π×√（Ｌ×Ｃ）｝の共振周波数の磁界共鳴により、受電用共振器１２４に電流が流れ、受電用共振器１２４は共振状態になる。すると、受電用共振器１２４に磁界が発生し、電磁誘導により、受電用コイル１２１に電流が流れる。受電用コイル１２１は、受電した電力を負荷３２１に供給する。負荷３２１は、電力の供給を受け、例えば点灯する。

制御回路３１９は、定在波比検出器３１４、モーター制御回路３１５及びモーター３１６を有する。定在波比検出器３１４は、電源回路３１１から送電用コイル１１１までの伝送線路における定在波比を検出する。具体的には、定在波比検出器３１４は、電源回路３１１から送電用コイル１１１までの伝送線路における進行波及び反射波を検出し、進行波の振幅及び反射波の振幅を基に定在波比Ｓ３を算出して出力する。モーター３１６は、送電用共振器１１４に対する送電用コイル１１１の位置を制御する。すなわち、モーター３１６は、整合距離Ｙを制御する。整合距離Ｙは、送電用コイル１１１と送電用共振器１１４との間の距離である。モーター３１６が整合距離Ｙを変化させると、送電部１０１及び受電部１０２の合成インピーダンス２０１が変化し、定在波比２０２が変化する。

電源回路３１１の出力インピーダンスは、例えば５０Ωである。この場合、送電部１０１及び受電部１０２の合成インピーダンス２０１が、電源回路３１１の出力インピーダンスと同じ５０Ωになれば、インピーダンス整合がとれる。したがって、モーター３１６が整合距離Ｙを制御し、送電部１０１及び受電部１０２の合成インピーダンス２０１を５０Ωにすれば、定在波比検出器３１４が検出する定在波比Ｓ３が最小値の「１」になる。

モーター制御回路３１５は、定在波比Ｓ３を入力し、定在波比Ｓ３が小さくなる方向に、送電用コイル１１１の位置を制御するための駆動信号Ｓ４をモーター３１６に出力する。すなわち、モーター制御回路３１５は、フィードバック制御により、定在波比Ｓ３が最小値になるような整合距離Ｙに制御するための駆動信号Ｓ４をモーター３１６に出力する。モーター３１６は、駆動信号Ｓ４に応じて、送電用コイル１１１の位置を制御する。また、モーター３１６は、自己の制御量を検出する位置センサを有し、送電用コイル１１１の現在位置に対応する整合距離Ｙの情報を第１のメモリ３１７に出力する。

第１のメモリ３１７は、モーター３１６により出力された整合距離Ｙの情報を送電距離Ｘに変換し、送電距離Ｘを第２のメモリ３１８に出力する。送電距離Ｘは、送電用共振器１１４と受電用共振器１２４との間の距離である。すなわち、第１のメモリ３１７は、制御回路３１９が制御した送電用コイル１１１の位置を基に、送電用共振器１１４と受電用共振器１２４との間の距離Ｘを出力する。その詳細は、後に図４を参照しながら説明する。

第２のメモリ３１８は、第１のメモリ３１７により出力された送電用共振器１１４と受電用共振器１２４との間の距離Ｘを基に、送電装置３０１から受電装置３０２への伝送効率を出力する。さらに、第２のメモリ３１８は、その伝送効率を基に、受電装置３０２が一定の目標電力を受電するためのゲインＧＮを送電アンプ３１３に出力する。その詳細は、後に図４を参照しながら説明する。送電アンプ３１３は、ゲインＧＮで交流電圧Ｓ１を増幅し、交流電圧Ｓ２を出力する。これにより、送電距離Ｘが変化した場合でも、受電装置３０２は、常に一定の目標電力を受電することができる。

図４は、第１のメモリ３１７及び第２のメモリ３１８に記憶される変換テーブルを示すグラフである。第１のメモリ３１７は、整合距離Ｙを送電距離Ｘに変換するための変換テーブルを記憶する。定在波比Ｓ３が最小値に制御された場合、整合距離Ｙと送電距離Ｘとの関係は、図４に示すように一意に決まる。

第２のメモリ３１８は、送電距離Ｘを伝送効率Ｚに変換するための変換テーブルを記憶する。伝送効率Ｚは、受電装置３０２の負荷３２１の受電電力と送電装置３０１の電源回路３１１の送電電力との比で表される。送電距離Ｘと伝送効率Ｚとの関係は、図４に示すように一意に決まる。これらの変換テーブルは、事前のシミュレーション又は実測により生成される。

第１のメモリ３１７は、図４の変換テーブルを用いて、モーター３１６により出力される整合距離Ｙを送電距離Ｘに変換し、送電距離Ｘを第２のメモリ３１８に出力する。第２のメモリ３１８は、図４の変換テーブルを用いて、第１のメモリ３１７により出力された送電距離Ｘを伝送効率Ｚに変換する。さらに、第２のメモリ３１８は、その伝送効率Ｚを基に受電装置３０２が一定の目標電力を受電するためのゲインＧＮを出力する。受電装置３０２が一定の電力を受電するためには、送電装置３０１は、伝送効率Ｚが低いときには、ゲインＧＮを大きくして大きな電力を送電し、伝送効率Ｚが高いときには、ゲインＧＮを小さくして小さな電力を送電すればよい。そこで、第２のメモリ３１８は、伝送効率Ｘの逆数を係数とした演算式によりゲインＧＮを求めてもよい。

送電アンプ３１３は、ゲインＧＮで交流電圧Ｓ１を増幅し、交流電圧Ｓ２を出力することにより、受電装置３０２の負荷３２１は、送電距離Ｘが変わっても、常に一定の電力を受電することができる。また、定在波比Ｓ３が最小値になるように整合距離Ｙが制御されるので、送電の反射波を抑制し、伝送効率を向上させることができる。

なお、モーター３１６は、送電用コイル１１１の位置を制御（例えば直進移動）する場合を例に説明したが、送電用コイル１１１の向き（例えば回転）を制御するようにしてもよい。送電用コイル１１１の向きを変えても、送電部１０１及び受電部１０２の合成インピーダンス２０１が変化し、定在波比２０２も変化するので、上記と同じ効果が得られる。

本実施形態によれば、制御回路３１９は、電源回路３１１から送電用コイル１１１までの伝送線路における定在波比Ｓ３が小さくなる方向に、送電用共振器１１４に対する送電用コイル１１１の位置又は向きを制御することにより、定在波比Ｓ３を最小にし、伝送効率を向上させることができる。また、電源回路３１１は、第１のメモリ３１７及び第２のメモリ３１８を用いて、制御回路３１９が制御した送電用コイル１１１の位置又は向きに応じたゲインＧＮで交流電圧Ｓ１を増幅して出力することにより、送電距離Ｘが変わっても、受電装置３０２に一定の電力を受電させることができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態による給電システムの構成例を示す図である。以下、第２の実施形態（図５）が第１の実施形態（図３）と異なる点を説明する。受電装置３０２は、図３の負荷３２１の代わりにモーター５２１を有する。モーター５２１は、受電用コイル１２１に接続される。受電用コイル１２１は、受電した電力をモーター５２１に供給する。モーター５２１は、供給された電力の大きさに応じた位置に受電装置３０２を移動させる。受電装置３０２は、例えば、模型ヘリコプターであり、受電した電力の大きさに応じた高度に浮上する。送電装置３０１は、送電電力値を制御することにより、受電装置３０２の高度を制御することができる。この場合、送電装置３０１は、受電装置３０２が目標高度に移動するための電力を送電する必要がある。受電装置３０２の高度は、送電距離Ｘに対応する。したがって、送電装置３０１は、送電距離Ｘが目標距離になるような電力を送電すればよい。

送電装置３０１は、さらに、目標距離メモリ５１１、減算器５１２及び位相補償回路５１３を有する。目標距離メモリ５１１は、目標距離Ｘ０を記憶する。送電装置３０１は、送電距離Ｘが目標距離Ｘ０になるような電力を送電することができる。減算器５１２は、目標距離Ｘ０から、第１のメモリ３１７が出力する送電距離Ｘを減算した値Ｘ１を出力する。位相補償回路５１３は、値Ｘ１を基に位相補償を行い、その出力は第２のメモリ３１８に入力される。

減算器５１２は、第１のメモリ３１７が出力する送電距離Ｘと目標距離Ｘ０との差分値Ｘ１を出力し、差分値Ｘ１を「０」に抑制するようなネガティブフィードバックが構成される。差分値Ｘ１は、位相補償回路５１３に入力される。位相補償回路５１３は、モーター３１６の応答性及び受電装置３０２の動特性を考慮し、フィードバックループが安定化するように設計される。位相補償回路５１３の出力は、第２のメモリ３１８に入力される。第２のメモリ３１８は、第１の実施形態と同様に伝送効率Ｚを出力し、さらに伝送効率Ｚを基にゲインＧＮを出力する。ゲインＧＮは、送電距離Ｘが目標距離Ｘ０になるようなゲインに制御される。送電アンプ３１３は、ゲインＧＮで交流電圧Ｓ１を増幅し、交流電圧Ｓ２を出力する。受電装置３０２のモーター５２１は、受電した電力値に応じて、受電装置３０２の位置を制御する。その結果、受電装置３０２は、送電距離Ｘが目標距離Ｘ０になる位置に制御される。

以上のように、電源回路３１１は、第１のメモリ３１７により出力された送電距離Ｘと目標距離Ｘ０との差分値Ｘ１が０に近づくようなゲインＧＮで交流電圧Ｓ１を増幅して出力する。減算器５１２は、第１のメモリ３１７により出力された送電距離Ｘと目標距離Ｘ０との差分値Ｘ１を出力する。位相補償回路５１３は、減算器５１２により出力された差分値Ｘ１を基に位相を補償することにより、フィードバック制御を安定化させることができる。

なお、第１及び第２の実施形態では、基本的に送電装置３０１のみの動作で合成インピーダンス２０１の調整と受電装置３０２の受電電力の制御の双方を行うものとして説明したが、別途、送電装置３０１及び受電装置３０２間の通信手段を補助的手段として用いるようにしてもよい。また、送電距離Ｘの検出に関して、別途、距離センサ等の補助的手段を用いるようにしてもよい。

上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

送電用コイルの位置又は向きを制御することにより、送電の反射波を抑制し、伝送効率を向上させることができる。

Claims (7)

1. 交流電圧を生成する電源回路と、
   前記電源回路により生成された交流電圧を入力することにより磁界を発生させる送電用コイルと、
   共振用コイル及び共振用容量を含み、前記送電用コイルにより磁界が発生すると、電磁誘導により電流が流れ、共振状態となる送電用共振器と、
   前記電源回路から前記送電用コイルまでの伝送線路における定在波比が小さくなる方向に、前記送電用共振器に対する前記送電用コイルの位置又は向きを制御する制御回路と
   を有し、
   前記電源回路は、前記送電用共振器と受電装置の受電用共振器との間の、前記送電用コイルの位置又は向きから変換された距離に応じたゲインで交流電圧を増幅して出力することを特徴とする送電装置。
2. 前記電源回路は、前記制御回路が制御した前記送電用コイルの位置又は向きに応じたゲインで交流電圧を増幅して出力することを特徴とする請求項１記載の送電装置。
3. さらに、前記制御回路が制御した前記送電用コイルの位置又は向きを基に、前記送電用共振器と前記受電装置の受電用共振器との間の距離を出力する第１のメモリを有することを特徴とする請求項１記載の送電装置。
4. さらに、前記第１のメモリにより出力された前記送電装置の前記送電用共振器と前記受電装置の受電用共振器との間の距離を基に、前記送電装置から前記受電装置への伝送効率を出力する第２のメモリを有し、
   前記電源回路は、前記第２のメモリにより出力された前記伝送効率に応じたゲインで交流電圧を増幅して出力することを特徴とする請求項３記載の送電装置。
5. 前記電源回路は、受電装置が前記送電装置から目標電力値を受電するようなゲインで交流電圧を増幅して出力することを特徴とする請求項２記載の送電装置。
6. 前記電源回路は、前記第１のメモリにより出力された前記送電装置の前記送電用共振器と前記受電装置の受電用共振器との間の距離と目標距離との差分が０に近づくようなゲインで交流電圧を増幅して出力することを特徴とする請求項３記載の送電装置。
7. さらに、前記第１のメモリにより出力された前記送電装置の前記送電用共振器と前記受電装置の受電用共振器との間の距離と目標距離との差分を出力する減算器と、
   前記減算器により出力された差分を基に位相を補償する位相補償回路とを有することを特徴とする請求項６記載の送電装置。

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