JP7802280B2 - Wireless Power Supply System - Google Patents
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Description
本発明は、ワイヤレス給電システムに関するものである。 The present invention relates to a wireless power supply system .
近年、磁界を利用したワイヤレス給電システムの研究開発が進められている。このような磁気を利用した給電方式としては、電磁結合(電磁誘導)方式と磁界共鳴方式とが知られている。磁界共鳴方式は、送電装置の共振回路に交流電流が流れることにより発生した磁場の振動が、受電装置の共振回路に伝わって共振することで、各共振回路のコイルで生成された磁界が強固に結合した状態(磁界共振結合)を介して電力を送電することをいう。磁界共振方式を利用したワイヤレス給電は、電磁結合方式を利用したワイヤレス給電と比較して、給電可能距離が長くなるという利点がある(例えば、特許文献1参照)。なお、磁界共鳴方式も磁気結合を利用する方式であるものの、本発明では理解を容易にするために、共振を利用する方式を磁界共鳴方式としている。 In recent years, research and development of wireless power transfer systems that utilize magnetic fields has been progressing. Known power transfer methods that utilize such magnetism include electromagnetic coupling (electromagnetic induction) and magnetic resonance. In magnetic resonance, magnetic field vibrations generated by AC current flowing through a resonant circuit in a power transmitting device are transmitted to a resonant circuit in a power receiving device, causing resonance, resulting in the magnetic fields generated by the coils of each resonant circuit being tightly coupled (magnetic resonance coupling), thereby transmitting power. Wireless power transfer using magnetic resonance has the advantage of a longer power transfer distance compared to wireless power transfer using electromagnetic coupling (see, for example, Patent Document 1). While magnetic resonance also utilizes magnetic coupling, this invention refers to the method that utilizes resonance as magnetic resonance for ease of understanding.
このようなワイヤレス給電システムでは、効率良く送電を行うために、送電装置から視て受電装置及び負荷等を含む負荷側回路のインピーダンスと、送電装置から視て電源側のインピーダンスとが等価に設定する必要がある。 In such a wireless power transfer system, in order to transmit power efficiently, the impedance of the load-side circuit, including the power receiving device and load, as seen from the power transmitting device, must be set equivalent to the impedance of the power source side as seen from the power transmitting device.
しかしながら、前述した負荷側回路には、例えば、バッテリやモータなどの駆動部材が接続され、このバッテリやモータが負荷となる。そのため、バッテリやモータなどの駆動状態によって、負荷側回路に流れる電流に変動が生じることがある。ワイヤレス給電システムでは、負荷側回路に流れる電流の変動に応じて負荷側回路のインピーダンスが変動するため、送電装置から視て負荷側回路のインピーダンスと送電装置から視て電源側のインピーダンスとがマッチングしなくなり、送電効率が著しく低下して送電電力が低下し、その結果、システム障害を招く虞があるという問題があった。 However, a driving component such as a battery or motor is connected to the load-side circuit, and the battery or motor acts as a load. Therefore, the current flowing through the load-side circuit can fluctuate depending on the driving state of the battery or motor. In a wireless power transfer system, the impedance of the load-side circuit fluctuates in response to fluctuations in the current flowing through the load-side circuit. This causes a mismatch between the impedance of the load-side circuit as seen from the power transmitting device and the impedance of the power source as seen from the power transmitting device, resulting in a significant decrease in power transmission efficiency and a drop in transmitted power, which could potentially lead to system failure.
そこで、負荷側回路のインピーダンスが変動しても、送電効率の低下を軽減するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。 This presents a technical challenge that must be overcome to mitigate the decline in power transmission efficiency even when the impedance of the load-side circuit fluctuates, and the present invention aims to solve this challenge.
上記目的を達成するために、本発明に係るワイヤレス給電システムは、磁気を利用して電力を送受電するワイヤレス給電システムであって、送電コイルを含む送電側共振回路を備えている送電装置と、受電コイルを含む受電側共振回路を備えている受電装置と、前記受電コイルを介して受電した電力が供給される負荷と、前記送電装置の入力端から負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと前記送電装置の入力端から電源装置側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和するインピーダンス処理を行うインピーダンスマッチング機構と、を備え、前記送電装置は、前記送電コイルと磁界結合可能に設けられ、前記送電コイルとの磁界結合における結合強さがそれぞれ異なるように設定され、互いに並列に接続されて前記送電コイルに電力を送電する複数の給電コイルをさらに備え、前記インピーダンスマッチング機構は、複数の前記給電コイルの少なくとも1つに電力を供給する。 To achieve the above object, the wireless power transfer system of the present invention is a wireless power transfer system that transmits and receives power using magnetism, and includes: a power transfer device having a power transfer-side resonant circuit including a power transfer coil; a power receiving device having a power receiving-side resonant circuit including a power receiving coil; a load to which power received via the power receiving coil is supplied; and an impedance matching mechanism that performs impedance processing to mitigate the difference between the load impedance, which is the impedance of the circuit from the input terminal of the power transfer device to the load side, and the input impedance, which is the impedance of the circuit from the input terminal of the power transfer device to the power supply device side; the power transfer device further includes a plurality of power transfer coils that are arranged to be magnetically coupled with the power transfer coil, each with a different coupling strength in magnetic field coupling with the power transfer coil, connected in parallel to each other, and that transfer power to the power transfer coil; and the impedance matching mechanism supplies power to at least one of the plurality of power transfer coils.
本発明は、負荷側回路のインピーダンスが変動した場合であっても、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端における反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、それに伴うシステム障害の虞を回避することができる。 This invention reduces the difference between the input impedance and the load impedance even when the impedance of the load circuit fluctuates, thereby suppressing the generation of reflected waves at the input terminal and avoiding a decrease in power transmission efficiency and the associated risk of system failure.
本発明の一実施形態に係るワイヤレス給電システム1及びワイヤレス給電システム1を用いたワイヤレス給電方法について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。 A wireless power supply system 1 according to one embodiment of the present invention and a wireless power supply method using the wireless power supply system 1 will be described with reference to the drawings. Note that, hereinafter, when referring to the number, numerical value, amount, range, etc. of components, unless otherwise specified or when it is clearly limited to a specific number in principle, the number is not limited to that specific number and may be more or less than the specific number.
また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。 In addition, when referring to the shape or positional relationship of components, etc., this includes things that are substantially similar or approximate to that shape, etc., unless otherwise specified or when it is clearly considered otherwise in principle.
また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。 In addition, drawings may exaggerate characteristic parts to make their features easier to understand, and the dimensional proportions of the components may not be the same as in reality. In addition, in cross-sectional views, hatching of some components may be omitted to make the cross-sectional structure of the components easier to understand.
<ワイヤレス給電システムの構成>
図1は、ワイヤレス給電システム1の構成を示す模式図である。ワイヤレス給電システム1は、磁界共鳴を利用して非接触で給電対象物2に電力を給電する。給電対象物2は、例えば、車両、ロボット飛翔体、水中ロボット、カプセル内視鏡、心臓ペースメーカー等であり、移動可能な機器又は移動不能な機器の何れであっても構わない。また、給電時に、給電対象物2は移動中又は停止の何れであっても構わない。ワイヤレス給電システム1は、送電装置3と、受電装置4と、を備えている。
<Configuration of wireless power supply system>
1 is a schematic diagram showing the configuration of a wireless power supply system 1. The wireless power supply system 1 uses magnetic field resonance to supply power to a power supply target 2 in a contactless manner. The power supply target 2 is, for example, a vehicle, a robotic air vehicle, an underwater robot, a capsule endoscope, a cardiac pacemaker, etc., and may be either a mobile device or an immobile device. Furthermore, during power supply, the power supply target 2 may be either moving or stationary. The wireless power supply system 1 includes a power transmitting device 3 and a power receiving device 4.
<送電装置の構成>
送電装置3は、給電コイル31と、送電コイル32と、コンデンサ33、34と、を備えている。
<Configuration of power transmission device>
The power transmission device 3 includes a power supply coil 31 , a power transmission coil 32 , and capacitors 33 and 34 .
給電コイル31及び送電コイル32は、電気伝導率の高い銅線等を円形に巻回して形成されている。なお、銅線内を流れる電流は、内部抵抗の影響によって銅線の中心部よりも表面付近を多く流れる。したがって、給電コイル31及び送電コイル32の線材に複数の銅線を撚り合わせたリッツ線を用いた場合には、同一径の1本の銅線と比べて、リッツ線の表面積が大きくなり、より多くの電流を流すことができ、電流損失を抑制できる。 The power supply coil 31 and the power transmission coil 32 are formed by winding a highly conductive copper wire or similar material into a circular shape. Due to the influence of internal resistance, the current flowing through the copper wire flows more near the surface than in the center of the wire. Therefore, if a litz wire made by twisting together multiple copper wires is used for the power supply coil 31 and the power transmission coil 32, the surface area of the litz wire is larger than that of a single copper wire of the same diameter, allowing for a larger current to flow and reducing current loss.
給電コイル31には、交流電源5から交流電力が供給される。交流電力は、例えば、周波数150kHz、電圧10Vに設定されるが、交流電源5の周波数及び電圧は任意に変更可能である。以下、給電コイル31の交流電源5側の接点を「入力端IE」という。なお、本実施形態では、給電コイル31と交流電源5とは、入力端IEを介して直接的に接続されている場合を例に説明するが、給電コイル31と交流電源5とは、入力端IEを介して直接的に接続されても、交流電源5と入力端IEとの間に設けられた同軸ケーブル等を介して間接的に接続されても構わない。この場合、もし電源のインピーダンスが同軸ケーブル等のインピーダンスと整合している場合は、同軸ケーブル等の電源側端は電力の反射等が生じないため問題にはならず、入力端IEは同軸ケーブル等の負荷側端を意味する。 The power supply coil 31 is supplied with AC power from the AC power source 5. The AC power is set, for example, to a frequency of 150 kHz and a voltage of 10 V, but the frequency and voltage of the AC power source 5 can be changed as desired. Hereinafter, the contact point of the power supply coil 31 on the AC power source 5 side will be referred to as the "input end IE." Note that in this embodiment, the power supply coil 31 and the AC power source 5 are described as being directly connected via the input end IE. However, the power supply coil 31 and the AC power source 5 may be connected directly via the input end IE or indirectly via a coaxial cable or the like provided between the AC power source 5 and the input end IE. In this case, if the impedance of the power supply matches the impedance of the coaxial cable or the like, the power supply end of the coaxial cable or the like does not cause power reflections or other problems, and the input end IE refers to the load end of the coaxial cable or the like.
給電コイル31及びコンデンサ33は、直列に接続されて給電側共振回路35を構成している。給電コイル31のインダクタンス及びコンデンサ33のキャパシタンスによって設定される共振周波数に応じた周波数の交流電圧が給電コイル31に流れると、給電コイル31を貫くように振動磁場が生じる。給電コイル31の詳しい構成については、後述する。 The power supply coil 31 and capacitor 33 are connected in series to form the power supply side resonant circuit 35. When an AC voltage with a frequency corresponding to the resonant frequency set by the inductance of the power supply coil 31 and the capacitance of the capacitor 33 flows through the power supply coil 31, an oscillating magnetic field is generated that penetrates the power supply coil 31. The detailed configuration of the power supply coil 31 will be described later.
給電コイル31と送電コイル32とは磁界結合しており、給電コイル31は、磁界共鳴方式により電力を送電コイル32に供給する。すなわち、給電コイル31のインダクタンス及びコンデンサ33のキャパシタンスに応じて設定される共振周波数と、送電コイル32のインダクタンス及びコンデンサ34のキャパシタンスに応じて設定される共振周波数とがほぼ等しく、給電コイル31と送電コイル32とが共振するように設計されている。これにより、給電コイル31に交流電流が流れることにより発生した特定周波数(共振周波数)の磁場の振動が、送電コイル32に伝わり同じ特定周波数で共振することで、送電コイル32に起電力が生じる。なお、給電コイル31から送電コイル32への電力の供給は、各コイルの位置関係による影響が低減される磁界共鳴方式が好適であるが、給電コイル31に交流電流が流れると、給電コイル31をコイル軸方向に貫くように生じる磁束を媒介にして、送電コイル32にも起電力が生じる電磁結合方式であっても構わない。また、磁界共鳴方式と電磁結合方式とを併用しても構わない。 The power supply coil 31 and the power transmission coil 32 are magnetically coupled, and the power supply coil 31 supplies power to the power transmission coil 32 using magnetic resonance. Specifically, the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 are designed to resonate at a resonant frequency set according to the inductance of the power supply coil 31 and the capacitance of the capacitor 33, which is approximately equal to the resonant frequency set according to the inductance of the power transmission coil 32 and the capacitance of the capacitor 34. As a result, magnetic field oscillations at a specific frequency (resonant frequency) generated by AC current flowing through the power supply coil 31 are transmitted to the power transmission coil 32, resonating at the same specific frequency, generating an electromotive force in the power transmission coil 32. Note that while magnetic resonance is preferred for power supply from the power supply coil 31 to the power transmission coil 32, as this reduces the influence of the relative positions of the coils, an electromagnetic coupling method may also be used, in which an electromotive force is also generated in the power transmission coil 32 via a magnetic flux that penetrates the power supply coil 31 in the coil axial direction when AC current flows through the power supply coil 31. Additionally, the magnetic resonance method and the electromagnetic coupling method may be used together.
送電コイル32及びコンデンサ34は、直列に接続されて送電側共振回路36を構成している。送電コイル32のインダクタンス及びコンデンサ33のキャパシタンスによって設定される共振周波数に応じた周波数の交流電圧が送電コイル32に流れると、後述する受電コイル41が共振して起電力が生じる。 The power transmission coil 32 and capacitor 34 are connected in series to form the power transmission side resonant circuit 36. When an AC voltage with a frequency corresponding to the resonant frequency set by the inductance of the power transmission coil 32 and the capacitance of the capacitor 33 flows through the power transmission coil 32, the power receiving coil 41 (described below) resonates, generating an electromotive force.
<受電装置の構成>
受電装置4は、給電対象物2内に設けられている。受電装置4は、受電コイル41と、コンデンサ42と、備えている。
<Configuration of power receiving device>
The power receiving device 4 is provided inside the power supply target 2. The power receiving device 4 includes a power receiving coil 41 and a capacitor 42.
受電コイル41は、送電コイル32とコイル軸方向に間隔を空けて設けられている。受電コイル41は、電気伝導率の高い銅線等を円形に巻回して形成されている。なお、受電コイル41も給電コイル31及び送電コイル32と同様に、線材にリッツ線を用いるのが好ましい。 The receiving coil 41 is spaced apart from the transmitting coil 32 in the coil axial direction. The receiving coil 41 is formed by winding a highly electrically conductive copper wire or the like in a circular shape. Like the feeding coil 31 and transmitting coil 32, the receiving coil 41 preferably uses Litz wire as the wire material.
受電コイル41とコンデンサ42とは、直列に接続されて受電側共振回路43を構成している。受電コイル41のインダクタンス及びコンデンサ42のキャパシタンスによって設定される共振周波数は、送電コイル32及びコンデンサ33の共振周波数と略一致するように設定されている。これにより、送電コイル32をコイル軸方向に貫くように生じた磁場の振動によって、受電コイル41に誘導電流が流れ、受電コイル41をコイル軸方向に貫くように振動磁場が生じる。このとき、送電コイル32及び受電コイル41の磁場が共鳴して強固に結合する。 The receiving coil 41 and capacitor 42 are connected in series to form the receiving-side resonant circuit 43. The resonant frequency, set by the inductance of the receiving coil 41 and the capacitance of the capacitor 42, is set to approximately match the resonant frequency of the transmitting coil 32 and capacitor 33. As a result, an induced current flows in the receiving coil 41 due to the oscillation of the magnetic field that penetrates the transmitting coil 32 in the coil axial direction, generating an oscillating magnetic field that penetrates the receiving coil 41 in the coil axial direction. At this time, the magnetic fields of the transmitting coil 32 and the receiving coil 41 resonate and are strongly coupled.
受電コイル41が共振受電した交流電力は、整流回路(AC-DCコンバータ)6及びDC-DCコンバータ7を介して負荷8に供給される。負荷8は、給電対象物2を構成するモータやバッテリ等である。 The AC power received by the receiving coil 41 through resonance is supplied to the load 8 via a rectifier circuit (AC-DC converter) 6 and a DC-DC converter 7. The load 8 is a motor, battery, or other component of the power supply target 2.
整流回路6は、4つのダイオード61がブリッジ上に配置され、受電コイル41が受電した交流電力に対して全波整流を行い、直流電圧を出力する。なお、符号62は、整流回路6が出力した直流電圧を平滑化させるコンデンサである。 The rectifier circuit 6 has four diodes 61 arranged in a bridge, performs full-wave rectification on the AC power received by the receiving coil 41, and outputs a DC voltage. Note that reference numeral 62 denotes a capacitor that smooths the DC voltage output by the rectifier circuit 6.
DC-DCコンバータ7は、整流された直流電圧を予め設定された定電圧(例えば、12V)に変換する。DC-DCコンバータ7から出力された電圧は、負荷8に印加される。なお、DC-DCコンバータ7は、必要な電圧に応じて配置されればよく、適宜省略しても構わない。 The DC-DC converter 7 converts the rectified DC voltage into a preset constant voltage (e.g., 12 V). The voltage output from the DC-DC converter 7 is applied to the load 8. Note that the DC-DC converter 7 only needs to be placed according to the required voltage, and may be omitted as appropriate.
<インピーダンスマッチング機構の構成>
次に、入力端IEから受電装置4側、即ち送電装置3、受電装置4、整流回路6、DC-DCコンバータ7及び負荷8を含む回路(負荷側回路)のインピーダンス(以下、「負荷側インピーダンス」という。)と入力端IEから交流電源5側の回路のインピーダンス(以下、「入力側インピーダンス」という。)との差分を緩和させるインピーダンスマッチング処理を行うインピーダンスマッチング機構9について、図2に基づいて説明する。なお、送電装置3及びインピーダンスマッチング機構9は、ワイヤレス送電システム11を構成している。
<Configuration of Impedance Matching Mechanism>
Next, an impedance matching mechanism 9 that performs impedance matching processing to reduce the difference between the impedance of the circuit (load side circuit) from the input terminal IE to the power receiving device 4, i.e., the impedance of the circuit including the power transmitting device 3, the power receiving device 4, the rectifier circuit 6, the DC-DC converter 7, and the load 8 (hereinafter referred to as the "load side impedance"), and the impedance of the circuit from the input terminal IE to the AC power source 5 (hereinafter referred to as the "input side impedance") will be described with reference to Fig. 2. The power transmitting device 3 and the impedance matching mechanism 9 constitute a wireless power transmission system 11.
インピーダンスマッチング機構9は、スイッチ91a、91bの切替制御により、3つの給電コイル31(31A、31B、31C)の少なくとも1つ以上に電力を供給する。なお、給電コイル31A、31B、31Cの何れかに電力を選択的に供給可能であれば、スイッチ91a、91bの代わりに他の構成を用いても構わない。 The impedance matching mechanism 9 supplies power to at least one of the three power supply coils 31 (31A, 31B, 31C) by controlling the switching of switches 91a and 91b. Note that other configurations may be used in place of switches 91a and 91b as long as they are capable of selectively supplying power to one of power supply coils 31A, 31B, and 31C.
給電コイル31は、互いに並列に設けられた3つの給電コイル31A、31B、31Cである。給電コイル31A、31B、31Cの各コイル軸31a、31b、31cと送電コイル32のコイル軸32aとは、通常状態において、略同軸上に位置する。なお、以下では、給電コイル31を給電コイル31A、31B、31Cに3分割した場合を例に説明するが、給電コイルの数は2つであっても、4つ以上であっても構わない。 The power supply coil 31 consists of three power supply coils 31A, 31B, and 31C arranged in parallel to one another. Under normal conditions, the coil axes 31a, 31b, and 31c of the power supply coils 31A, 31B, and 31C and the coil axis 32a of the power transmission coil 32 are positioned approximately coaxially. The following description will be given using an example in which the power supply coil 31 is divided into three power supply coils 31A, 31B, and 31C, but the number of power supply coils may be two, four, or more.
給電コイル31A、31B、31Cは、給電コイル31Aが送電コイル32に最も近く、この順で送電コイル32から離間するように配置されている。したがって、送電コイル32との磁界結合の結合強さは、給電コイル31Aが最も強く、給電コイル31Cが最も小さく設定される。給電コイル31と送電コイル32とを磁界共鳴方式で送電する場合、給電コイル31A、31B、31Cのインダクタンスをそれぞれ等しく設定することにより、効率的に送電を行うことができる。 The power supply coils 31A, 31B, and 31C are arranged so that the power supply coil 31A is closest to the power transmission coil 32, and the power supply coils 31B, 31C are arranged in this order so that they are further away from the power transmission coil 32. Therefore, the strength of the magnetic field coupling with the power transmission coil 32 is set to be strongest for the power supply coil 31A and weakest for the power supply coil 31C. When power is transmitted between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 using magnetic field resonance, efficient power transmission can be achieved by setting the inductances of the power supply coils 31A, 31B, and 31C to be equal.
スイッチ91a、91bは、給電コイル31A、31B、31Cに電流を供給するための3路スイッチである。スイッチ91a及び給電コイル31A、31B、31Cの各一方端側が、交流電源5に接続されている。スイッチ91aは、給電コイル31Cの他方端側とスイッチ91b側とを切替可能に構成されている。スイッチ91bは、給電コイル31Aの他方端側と給電コイル31Bの他方端側とを切替可能に構成されている。 Switches 91a and 91b are three-way switches for supplying current to power supply coils 31A, 31B, and 31C. One end of switch 91a and one end of power supply coils 31A, 31B, and 31C are connected to the AC power supply 5. Switch 91a is configured to be able to switch between the other end of power supply coil 31C and switch 91b. Switch 91b is configured to be able to switch between the other end of power supply coil 31A and the other end of power supply coil 31B.
給電コイル31Aに電力を供給する場合には、スイッチ91aをスイッチ91b側に切り替え、スイッチ91bを給電コイル31Aの他方端側に切り替える。また、給電コイル31Bに電力を供給する場合には、スイッチ91aをスイッチ91b側に切り替え、スイッチ91bを給電コイル31Bの他方端側に切り替える。さらに、給電コイル31Cに電力を供給する場合には、スイッチ91aを給電コイル31C側に切り替える。 When power is supplied to the power supply coil 31A, the switch 91a is switched to the switch 91b side, and the switch 91b is switched to the other end of the power supply coil 31A. When power is supplied to the power supply coil 31B, the switch 91a is switched to the switch 91b side, and the switch 91b is switched to the other end of the power supply coil 31B. When power is supplied to the power supply coil 31C, the switch 91a is switched to the power supply coil 31C side.
スイッチ91a、91bの切替制御は、コントローラ92によって制御される。コントローラ92は、例えば、CPU、メモリ等により構成される。なお、コントローラ92の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作することにより実現されても良い。コントローラ92は、記憶部93と、制御部94と、に機能分割される(図1参照)。 Switching control of switches 91a and 91b is controlled by controller 92. Controller 92 is composed of, for example, a CPU, memory, etc. The functions of controller 92 may be realized by control using software, or may be realized by operation using hardware. The controller 92 is functionally divided into a memory unit 93 and a control unit 94 (see Figure 1).
そして、給電コイル31A、31B、31Cの少なくとも何れか1つに電力を供給することにより、送電コイル32との距離に応じて、送電装置3の入力端IEから負荷側の回路インピーダンスである負荷側インピーダンスを調整することができる。 By supplying power to at least one of the power supply coils 31A, 31B, and 31C, the load-side impedance, which is the circuit impedance from the input terminal IE of the power transmission device 3 to the load side, can be adjusted according to the distance from the power transmission coil 32.
図3、図4に基づいてさらに具体的に説明する。図3は、ワイヤレス給電システム1に対応する回路図である。図3中の「V」は電源5の電圧、「Zs」は電源5のインピーダンス(入力側インピーダンス)、「R0」は給電コイル31の寄生抵抗、「L0」は給電コイル31のインダクタンス、「C0」はコンデンサ33のキャパシタンス、「I0」は給電コイル31を流れる電流、「R1」は送電コイル32の寄生抵抗、「L1」は送電コイル32のインダクタンス、「C1」はコンデンサ34のキャパシタンス、「I1」は送電コイル32を流れる電流、「k01」は給電コイル31及び送電コイル32の結合係数、「R2」は受電コイル41の寄生抵抗、「RL」は負荷8の負荷抵抗、「L2」は受電コイル41のインダクタンス、「C2」はコンデンサ42のキャパシタンス、「I2」は受電コイル41を流れる電流、「k12」は送電コイル32及び受電コイル41の結合係数である。 This will be described in more detail with reference to Figures 3 and 4. Figure 3 is a circuit diagram corresponding to the wireless power supply system 1. In FIG. 3 , “V” is the voltage of the power supply 5, “Z s ” is the impedance (input side impedance) of the power supply 5, “R 0 ” is the parasitic resistance of the power feeding coil 31, “L 0 ” is the inductance of the power feeding coil 31, “C 0 ” is the capacitance of the capacitor 33, “I 0 ” is the current flowing through the power feeding coil 31, “R 1 ” is the parasitic resistance of the power transmitting coil 32, “L 1 ” is the inductance of the power transmitting coil 32, “C 1 ” is the capacitance of the capacitor 34, “I 1 ” is the current flowing through the power transmitting coil 32, “k 01 ” is the coupling coefficient between the power feeding coil 31 and the power transmitting coil 32, “R 2 ” is the parasitic resistance of the power receiving coil 41, “R L ” is the load resistance of the load 8, “L 2 ” is the inductance of the power receiving coil 41, “C 2 ” is the capacitance of the capacitor 42, “I 2 ” is the current flowing through the power receiving coil 41, and “ k ” is the coupling coefficient between the power transmitting coil 32 and the power receiving coil 41.
図4は、図3に示す回路図に基づく等価回路図である。図4に示す等価回路図は、給電コイル31と送電コイル32とが共振するとともに送電コイル32と受電コイル41とが共振している状態を示している。給電コイル31と送電コイル32との間の相互インダクタンスL0は、k01√(L0L1)、送電コイル32と受電コイル41との間の相互インダクタンスL2は、k12√(L1L2)である。図4中の「Z0」は、電源5と給電コイル31の間、すなわち、送電装置3の入力端IEから負荷8側の回路のインピーダンス(負荷側インピーダンス)である。「Z1」は、給電コイル31と送電コイル32の間から負荷8側の回路のインピーダンスである。「Z2」は、給電コイル31と送電コイル32の間から負荷8側の回路のインピーダンスである。図4に示す等価回路により、以下の数式1~数式3が得られる。 Fig. 4 is an equivalent circuit diagram based on the circuit diagram shown in Fig. 3. The equivalent circuit diagram shown in Fig. 4 illustrates a state in which the power feeding coil 31 and the power transmitting coil 32 resonate and the power transmitting coil 32 and the power receiving coil 41 resonate. The mutual inductance L0 between the power feeding coil 31 and the power transmitting coil 32 is k01√ ( L0L1 ), and the mutual inductance L2 between the power transmitting coil 32 and the power receiving coil 41 is k12√ ( L1L2 ). " Z0 " in Fig. 4 is the impedance of the circuit between the power source 5 and the power feeding coil 31, i.e., the impedance of the circuit from the input end IE of the power transmitter 3 to the load 8 (load-side impedance). " Z1 " is the impedance of the circuit from the power feeding coil 31 and the power transmitting coil 32 to the load 8. " Z2 " is the impedance of the circuit from the power feeding coil 31 and the power transmitting coil 32 to the load 8. The following formulas 1 to 3 are obtained from the equivalent circuit shown in FIG.
そして、本発明におけるインピーダンスマッチングとは、負荷抵抗RLが変化した場合に、送電装置3の入力端IEから負荷8側を観た場合の回路の負荷側インピーダンスZ0を電源5の入力側インピーダンスZsに整合させ、かつ略一定に保つことを意味する。 In the present invention, impedance matching means that when the load resistance RL changes, the load side impedance Z0 of the circuit when looking at the load 8 side from the input terminal IE of the power transmission device 3 is matched to the input side impedance Zs of the power source 5 and kept approximately constant.
具体的には、ワイヤレス給電システム1では、負荷8の電力が大きく負荷8のインピーダンスが小さい場合は、式(1)から分かるように、給電コイル31と送電コイル32の間から負荷8側の回路のインピーダンスZ2が小さくなる。またこのとき、式(2)から分かるように、給電コイル31と送電コイル32の間から負荷8側の回路のインピーダンスZ1が大きくなり、式(3)から分かるように、負荷側インピーダンスZ0が小さくなる。すなわち、負荷側インピーダンスZ0が小さくなる一方で、入力側インピーダンスZsは変動しない。 Specifically, in the wireless power supply system 1, when the power of the load 8 is large and the impedance of the load 8 is small, the impedance Z2 of the circuit on the load 8 side between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 decreases, as can be seen from equation (1). At this time, the impedance Z1 of the circuit on the load 8 side between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 increases, as can be seen from equation (2), and the load-side impedance Z0 decreases, as can be seen from equation (3). In other words, while the load-side impedance Z0 decreases, the input-side impedance Zs does not change.
そこで、スイッチ91a~91dの切替制御により、送電コイル32に最も近い給電コイル31Aに電力を供給することにより、送電コイル32との磁界結合が密になり、結合係数k01が大きくなる。そして、給電コイル31と送電コイル32の間から負荷8側の回路のインピーダンスZ1が大きくなった割合と等しい割合で給電コイル31及び送電コイル32の結合係数k01を大きくすることにより、負荷側インピーダンスZ0を一定に保つことができる。このようにして、負荷側インピーダンスZ0を入力側インピーダンスZsと略等しいインピーダンスに制御し続けることにより、電力反射が抑制され、効率的なシステム駆動状況を実現することができる。 Therefore, by controlling the switches 91a to 91d to supply power to the power feeding coil 31A that is closest to the power feeding coil 32, the magnetic field coupling with the power feeding coil 32 becomes closer and the coupling coefficient k01 increases. Then, by increasing the coupling coefficient k01 between the power feeding coil 31 and the power feeding coil 32 at a rate equal to the rate at which the impedance Z1 of the circuit on the load 8 side between the power feeding coil 31 and the power feeding coil 32 increases, the load impedance Z0 can be kept constant. In this way, by continuing to control the load impedance Z0 to be approximately equal to the input impedance Zs , power reflection is suppressed, and an efficient system operating state can be achieved.
また、負荷8の電力が小さく負荷8のインピーダンスが大きい場合は、式(1)から分かるように、給電コイル31と送電コイル32の間から負荷8側の回路のインピーダンスZ2が大きくなる。またこのとき、式(2)から分かるように、給電コイル31と送電コイル32の間から負荷8側の回路のインピーダンスZ1は小さくなり、式(3)から分かるように、負荷側インピーダンスZ0は大きくなる。すなわち、負荷側インピーダンスZ0が大きくなる一方で、入力側インピーダンスZsは変動しない。 Furthermore, when the power of the load 8 is small and the impedance of the load 8 is large, the impedance Z2 of the circuit between the power feeding coil 31 and the power transmitting coil 32 on the side of the load 8 increases, as can be seen from equation (1). In this case, the impedance Z1 of the circuit between the power feeding coil 31 and the power transmitting coil 32 on the side of the load 8 decreases, as can be seen from equation (2), and the load-side impedance Z0 increases, as can be seen from equation (3). In other words, while the load-side impedance Z0 increases, the input-side impedance Zs does not change.
そこで、スイッチ91a~91dの切替制御により、給電コイル31B、31Cの何れかに電力を供給することで、送電コイル32と給電コイル31B、31Cとの距離に応じて、送電コイル32との磁界結合が疎になり、結合係数k01が小さくなる。そして、給電コイル31と送電コイル32の間から負荷8側の回路のインピーダンスZ1が小さくなった割合と等しい割合で給電コイル31及び送電コイル32の結合係数k01を小さくすることにより、負荷側インピーダンスZ0を一定に保つことができる。このようにして、負荷側インピーダンスZ0を入力側インピーダンスZsと略等しいインピーダンスに制御し続けることにより、電力反射が抑制され、効率的なシステム駆動状況を実現することができる。 Therefore, by supplying power to one of the power feeding coils 31B and 31C through switching control of the switches 91a to 91d, the magnetic field coupling with the power feeding coil 32 becomes weaker depending on the distance between the power feeding coil 32 and the power feeding coils 31B and 31C, and the coupling coefficient k01 decreases. The load-side impedance Z0 can be kept constant by reducing the coupling coefficient k01 between the power feeding coil 31 and the power transmitting coil 32 at a rate equal to the rate at which the impedance Z1 of the circuit on the load 8 side between the power feeding coil 31 and the power transmitting coil 32 decreases. By continuing to control the load-side impedance Z0 to be approximately equal to the input-side impedance Zs in this way, power reflection is suppressed, and an efficient system operating state can be achieved.
記憶部93には、DC-DCコンバータ7から出力されて負荷8に供給される負荷電圧と負荷電流との関係を示す関数、及び負荷電流と負荷側インピーダンスとの関係を示す関数がそれぞれ記憶されている。負荷8に供給される負荷電圧及び負荷電流は、DC-DCコンバータ7と負荷8との間に設けられた測定部95により、リアルタイム且つ連続的に測定される。なお、測定部95は、負荷電圧を測定するものに限定されず、負荷電流を測定するもの等、もしくはその両方であっても構わない。なお、本実施形態における負荷電圧および負荷電流は、DC-DCコンバータ7から出力電圧及び出力電流であり、換言すれば、負荷8の入力電圧及び入力電流である。また、測定部95は、コンデンサ62とDC-DCコンバータ7との間に配置可能である。この場合、負荷電圧および負荷電流とは、DC-DCコンバータ7の入力電圧及び入力電流である。またさらに、DC-DCコンバータ7を配置しない場合には、負荷電圧および負荷電流は、負荷8の入力電圧及び入力電流とする。 The memory unit 93 stores a function showing the relationship between the load voltage and load current output from the DC-DC converter 7 and supplied to the load 8, and a function showing the relationship between the load current and the load-side impedance. The load voltage and load current supplied to the load 8 are continuously measured in real time by a measurement unit 95 provided between the DC-DC converter 7 and the load 8. Note that the measurement unit 95 is not limited to measuring the load voltage, but may also measure the load current, or both. Note that the load voltage and load current in this embodiment are the output voltage and output current from the DC-DC converter 7, or in other words, the input voltage and input current of the load 8. The measurement unit 95 can be provided between the capacitor 62 and the DC-DC converter 7. In this case, the load voltage and load current are the input voltage and input current of the DC-DC converter 7. Furthermore, if the DC-DC converter 7 is not provided, the load voltage and load current are the input voltage and input current of the load 8.
具体的には、図5に示すように、負荷電圧と負荷電流との関係を示す関数は、DC-DCコンバータ7への入力電圧(例えば15V)がDC-DCコンバータ7の作動電力(例えば12V)以下であって、DC-DCコンバータ7が作動していないアイドリング状態(コンバータOFF)における負荷電圧と負荷電流との関係を示す関数と、DC-DCコンバータ7への入力電圧がDC-DCコンバータ7の作動電力を超えてDC-DCコンバータ7が作動している状態(コンバータON)における負荷電圧と負荷電流との関係を示す関数とを含む。 Specifically, as shown in Figure 5, the function showing the relationship between load voltage and load current includes a function that shows the relationship between load voltage and load current in an idling state (converter OFF) in which the input voltage to DC-DC converter 7 (e.g., 15 V) is equal to or less than the operating power (e.g., 12 V) of DC-DC converter 7 and DC-DC converter 7 is not operating, and a function that shows the relationship between load voltage and load current in a state (converter ON) in which the input voltage to DC-DC converter 7 exceeds the operating power of DC-DC converter 7 and DC-DC converter 7 is operating.
また、図6に示すように、負荷電流と負荷側インピーダンスとの関係を示す関数は、DC-DCコンバータ7がアイドリングしている状態(コンバータOFF)における負荷電流と負荷側インピーダンスとの関係を示す関数と、DC-DCコンバータ7が作動していない状態(コンバータON)における負荷電流と負荷側インピーダンスとの関係を示す関数とを含む。 Furthermore, as shown in Figure 6, the function showing the relationship between the load current and the load side impedance includes a function showing the relationship between the load current and the load side impedance when the DC-DC converter 7 is idling (converter OFF), and a function showing the relationship between the load current and the load side impedance when the DC-DC converter 7 is not operating (converter ON).
なお、負荷電圧と負荷電流との関係を示す関数及び負荷電流と負荷側インピーダンスとの関係を示す関数は、予め実験等により算出されるものであっても構わないし、図5、図6で例示した一次関数のグラフに限定されるものではない。 The function showing the relationship between load voltage and load current and the function showing the relationship between load current and load-side impedance may be calculated in advance through experiments, etc., and are not limited to the linear function graphs shown in Figures 5 and 6.
制御部94は、測定部95の測定値及び記憶部93に記憶された各種関数に基づいて、スイッチ91a、91bの切替を制御する。制御部94によるスイッチ91a、91bの切替制御の詳細は後述する。 The control unit 94 controls the switching of the switches 91a and 91b based on the measurement values of the measurement unit 95 and various functions stored in the memory unit 93. Details of the switching control of the switches 91a and 91b by the control unit 94 will be described later.
このようにして、本実施形態に係るワイヤレス給電システム1は、測定部95で測定した負荷側インピーダンスの変動に応じて、インピーダンスマッチング機構9により給電コイル31と送電コイル32との位置関係を即座に変えることができ、入力端IEにおける入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分をリアルタイムに緩和することができる。 In this way, the wireless power supply system 1 according to this embodiment can instantly change the positional relationship between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 using the impedance matching mechanism 9 in response to fluctuations in the load-side impedance measured by the measurement unit 95, thereby reducing the difference between the input-side impedance and the load-side impedance at the input terminal IE in real time.
<インピーダンスマッチング処理>
次に、インピーダンスマッチング機構9が実行するインピーダンスマッチング処理について、図面に基づいて説明する。
<Impedance matching processing>
Next, the impedance matching process performed by the impedance matching mechanism 9 will be described with reference to the drawings.
まず、負荷側インピーダンスが、DC-DCコンバータ7のオンオフに応じて変動する理由について説明する。なお、本実施形態では、負荷側インピーダンスが、DC-DCコンバータ7のオンオフに応じて変動する場合を例示して説明するが、負荷側インピーダンスの変動は、DC-DCコンバータ7のオンオフだけではなく、例えば、送電コイル32と受電コイル41との相対位置の変化、負荷8の駆動状況(出力)の変化等によっても生じ得るものであり、これら様々な要因による負荷側インピーダンスの変動の抑制に利用できることは言うまでもない。 First, we will explain why the load-side impedance fluctuates depending on whether the DC-DC converter 7 is on or off. In this embodiment, we will explain an example in which the load-side impedance fluctuates depending on whether the DC-DC converter 7 is on or off. However, fluctuations in the load-side impedance can occur not only due to the on/off of the DC-DC converter 7, but also due to, for example, changes in the relative position between the transmitting coil 32 and the receiving coil 41, changes in the driving status (output) of the load 8, etc. It goes without saying that this can be used to suppress fluctuations in the load-side impedance due to these various factors.
図5に示すように、DC-DCコンバータ7がアイドリングしている状態(コンバータOFF)では、DC-DCコンバータ7の出力電圧は、例えば作動電力である12V以下であり、負荷電流も非常に小さくなる。測定部95をDC-DCコンバータ7と負荷8との間に配置した場合の負荷電流(DC-DCコンバータ7の出力電流)は、ほぼゼロであり、測定部95をコンデンサ62とDC-DCコンバータ7との間に配置した場合の負荷電流(DC-DCコンバータ7の入力電流)は、作動電圧(例えば12V)に達するまで僅かながら増加する。そして、このときの負荷側インピーダンスは、図6に示すように、極めて大きくなる。また、測定部95をDC-DCコンバータ7と負荷8との間に配置した場合の負荷側インピーダンスは、ほぼ一定の値(装置の目的とする負荷の電力相当の値)であり、測定部95をコンデンサ62とDC-DCコンバータ7との間に配置した場合の負荷側インピーダンスは、僅かながら低下する。 As shown in Figure 5, when the DC-DC converter 7 is idling (converter OFF), the output voltage of the DC-DC converter 7 is, for example, below 12 V, which is the operating power, and the load current is also very small. When the measuring unit 95 is placed between the DC-DC converter 7 and the load 8, the load current (output current of the DC-DC converter 7) is nearly zero. When the measuring unit 95 is placed between the capacitor 62 and the DC-DC converter 7, the load current (input current of the DC-DC converter 7) increases slightly until it reaches the operating voltage (for example, 12 V). At this time, the load-side impedance becomes extremely large, as shown in Figure 6. Furthermore, when the measuring unit 95 is placed between the DC-DC converter 7 and the load 8, the load-side impedance is nearly constant (a value equivalent to the power of the load intended by the device), but when the measuring unit 95 is placed between the capacitor 62 and the DC-DC converter 7, the load-side impedance decreases slightly.
次に、図5に示すように、DC-DCコンバータ7が作動を開始(コンバータON)して負荷8に電力が供給された際には、DC-DCコンバータ7の出力電圧(負荷電圧)は、例えば12Vまで増加し、DC-DCコンバータ7の出力電流(負荷電流)は急増する。そして、このときの負荷側インピーダンスは、図6に示すように、急激に小さくなり、時間の経過とともに所定の値に漸近する。負荷8への電力供給が開始された時点から確実に負荷側インピーダンスの変動を抑制するためには、DC-DCコンバータ7が作動を開始する前のアイドリング状態において、負荷側インピーダンスの値を予め調整する。 Next, as shown in Figure 5, when DC-DC converter 7 starts operating (converter ON) and power is supplied to load 8, the output voltage (load voltage) of DC-DC converter 7 increases to, for example, 12 V, and the output current (load current) of DC-DC converter 7 increases sharply. Then, as shown in Figure 6, the load-side impedance at this time decreases sharply and gradually approaches a predetermined value over time. In order to reliably suppress fluctuations in load-side impedance from the moment power supply to load 8 begins, the value of the load-side impedance is adjusted in advance while the engine is idling, before DC-DC converter 7 starts operating.
このようして、負荷側インピーダンスが、DC-DCコンバータ7の作動状態に応じて変動する一方で、入力側インピーダンスは、所定値(例えば50Ω)で固定されているため、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとがマッチングせず、入力端IEにおいて反射波が発生して送電効率が低下したり、送電電力が足りずにシステム障害を招く虞がある。 As a result, while the load-side impedance fluctuates depending on the operating state of the DC-DC converter 7, the input-side impedance is fixed at a predetermined value (e.g., 50 Ω). This means that the input-side impedance and the load-side impedance do not match, which can result in reflected waves at the input terminal IE, reducing power transmission efficiency, or insufficient transmitted power, potentially causing a system failure.
そこで、コントローラ92は、負荷側インピーダンスの変動に応じて、送電装置3内の回路のインピーダンスを増減させる。 The controller 92 therefore increases or decreases the impedance of the circuit within the power transmission device 3 in response to fluctuations in the load-side impedance.
具体的には、まず、制御部94は、測定部95が測定した負荷電圧及び図5に示す関数に基づいて負荷電流を算出する。また、制御部94は、算出した負荷電流及び図6に示す関数に基づいて、負荷側インピーダンスを算出する。 Specifically, first, the control unit 94 calculates the load current based on the load voltage measured by the measurement unit 95 and the function shown in Figure 5. The control unit 94 also calculates the load-side impedance based on the calculated load current and the function shown in Figure 6.
次に、負荷側インピーダンスが入力側インピーダンスにマッチングするように、制御部94は、スイッチ91a、91bを切り替えて、給電コイル31A、31B、31Cの何れに電力を供給するかを判定し、送電装置3内の回路のインピーダンスを調整する。 Next, the control unit 94 switches the switches 91a and 91b to determine to which of the power supply coils 31A, 31B, and 31C to supply power, adjusting the impedance of the circuit within the power transmission device 3 so that the load impedance matches the input impedance.
例えば、DC-DCコンバータ7がアイドリングしており、負荷側インピーダンスが入力側インピーダンスに対して大きい状態では、図7(a)に示すように給電コイル31Aに電力を供給することにより、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合が密になり、係合係数が増大する。その結果、前述したように入力端IEにおける負荷側インピーダンスが小さくなり、入力側インピーダンスとの差分が緩和される。 For example, when the DC-DC converter 7 is idling and the load impedance is large relative to the input impedance, supplying power to the power supply coil 31A as shown in FIG. 7(a) tightens the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32, increasing the coupling coefficient. As a result, as described above, the load impedance at the input terminal IE decreases, reducing the difference with the input impedance.
一方、DC-DCコンバータ7が作動して、負荷側インピーダンスが入力側インピーダンスに対して低下した状態では、図7(b)に示すように、給電コイル31Aと比べて、送電コイル32から遠い給電コイル31Bに電力を供給することにより、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合が疎になり、係合係数が減少する。その結果、入力端IEにおける負荷側インピーダンスが大きくなり、入力側インピーダンスとの差分が緩和される。 On the other hand, when the DC-DC converter 7 is operating and the load impedance is lower than the input impedance, as shown in Figure 7(b), power is supplied to the power supply coil 31B, which is farther from the power transmission coil 32 than the power supply coil 31A. This loosens the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32, and reduces the coupling coefficient. As a result, the load impedance at the input end IE increases, reducing the difference with the input impedance.
また、負荷側インピーダンスがさらに低下すると、図7(c)に示すように、送電コイル32から最も遠い給電コイル31Cに電力を供給することにより、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合がさらに疎になり、係合係数が減少する。その結果、入力端IEにおける負荷側インピーダンスがさらに大きくなり、入力側インピーダンスとの差分が緩和される。 Furthermore, when the load-side impedance decreases further, as shown in Figure 7(c), by supplying power to the power supply coil 31C, which is farthest from the power transmission coil 32, the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 becomes weaker and the coupling coefficient decreases. As a result, the load-side impedance at the input end IE increases further, and the difference with the input-side impedance is alleviated.
なお、給電コイル31A、31B、31Cと送電コイル32の距離と係合係数の変化量との関数は、予め実験等により得たものを用いる。 The function of the distance between the power supply coils 31A, 31B, and 31C and the power transmission coil 32 and the change in the engagement coefficient is obtained in advance through experiments, etc.
このようにして、本実施形態に係るワイヤレス給電システム1は、磁気を利用して電力を送受電するワイヤレス給電システム1であって、送電コイル32を含む送電側共振回路36を備えている送電装置3と、受電コイル41を含む受電側共振回路43を備えている受電装置4と、受電コイル41を介して受電した電力が供給される負荷8と、送電装置3の入力端IEから負荷8側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと送電装置3の入力端IEから交流電源5側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和するインピーダンスマッチング機構9と、を備え、送電装置3は、送電コイル32と磁界結合可能に設けられ、送電コイル32との磁界結合における結合強さがそれぞれ異なるように設定され、互いに並列に接続されて送電コイル32に電力を送電する複数の給電コイル31A、31B、31Cをさらに備え、インピーダンスマッチング機構9は、複数の給電コイル31A、31B、31Cの少なくとも1つに電力を供給する。 In this way, the wireless power transfer system 1 according to this embodiment is a wireless power transfer system 1 that transmits and receives power using magnetism and includes a power transmitter 3 having a power transmitter-side resonant circuit 36 including a power transmitter coil 32; a power receiver 4 having a power receiver-side resonant circuit 43 including a power receiver coil 41; a load 8 to which the power received via the power receiver coil 41 is supplied; and an impedance matching mechanism 9 that reduces the difference between the load-side impedance, which is the impedance of the circuit from the input terminal IE of the power transmitter 3 to the load 8, and the input-side impedance, which is the impedance of the circuit from the input terminal IE of the power transmitter 3 to the AC power source 5. The power transmitter 3 is arranged to be magnetically coupled to the power transmitter coil 32, and further includes multiple power feed coils 31A, 31B, and 31C that are set to have different coupling strengths in the magnetic field coupling with the power transmitter coil 32 and are connected in parallel to transfer power to the power transmitter coil 32. The impedance matching mechanism 9 supplies power to at least one of the multiple power feed coils 31A, 31B, and 31C.
この構成により、負荷側インピーダンスと入力側インピーダンスとが一致しない場合に、インピーダンスマッチング機構9が、給電コイル31A、31B、31Cの何れかに電力を供給し、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合の結合強さの強弱(磁界結合の疎密)を変更することにより、送電装置3内の回路のインピーダンスが増減して、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端IEにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。 With this configuration, when the load impedance and input impedance do not match, the impedance matching mechanism 9 supplies power to one of the power supply coils 31A, 31B, and 31C, and changes the strength of the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 (how tight or loose the magnetic field coupling). This increases or decreases the impedance of the circuit within the power transmission device 3, reducing the difference between the input impedance and the load impedance. This suppresses the generation of reflected waves at the input terminal IE, and avoids system failures due to reduced power transmission efficiency or reduced transmitted power.
また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム1は、複数の給電コイル31A、31B、31Cが、互いに略同軸上に配置されたコイル軸31a、31b、31cをそれぞれ備え、送電コイル32との距離がそれぞれ異なるように設定されている構成とした。 Furthermore, the wireless power supply system 1 according to this embodiment is configured such that the multiple power supply coils 31A, 31B, and 31C each have coil axes 31a, 31b, and 31c that are arranged approximately coaxially with one another, and are set at different distances from the power transmission coil 32.
この構成により、給電コイル31A、31B、31Cと送電コイル32との磁界結合の結合強さが、給電コイル31A、31B、31Cの送電コイル32からの距離に反比例して弱くなるため、送電コイル32との磁界結合の結合強さが異なる給電コイル31A、31B、31Cの何れかに電力を供給することにより、送電装置3内の回路のインピーダンスを増減することができる。 With this configuration, the strength of the magnetic field coupling between the power supply coils 31A, 31B, and 31C and the power transmission coil 32 weakens in inverse proportion to the distance of the power supply coils 31A, 31B, and 31C from the power transmission coil 32. Therefore, by supplying power to one of the power supply coils 31A, 31B, and 31C that has a different magnetic field coupling strength with the power transmission coil 32, the impedance of the circuit within the power transmission device 3 can be increased or decreased.
また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム1は、給電コイル31から送電コイル32への電力の供給は、磁界共鳴方式により行われ、給電コイル31A、31B、31Cの各インダクタンス値は、略等しく設定されている構成とした。 Furthermore, in the wireless power supply system 1 according to this embodiment, power is supplied from the power supply coil 31 to the power transmission coil 32 using a magnetic field resonance method, and the inductance values of the power supply coils 31A, 31B, and 31C are set to be approximately equal.
この構成により、送電コイル32に対する相対位置が異なる給電コイル31A、31B、31Cから送電コイル32への磁界共鳴方式による電力供給を効率的に行うことができる。 This configuration enables efficient power supply from power supply coils 31A, 31B, and 31C, which are positioned differently relative to the power transmission coil 32, to the power transmission coil 32 using magnetic field resonance.
また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム1は、負荷8における負荷電流又は負荷電圧を測定する測定部95をさらに備え、インピーダンスマッチング機構9は、測定部95の測定結果に応じて、インピーダンスマッチング処理を行う構成とした。 The wireless power supply system 1 according to this embodiment further includes a measurement unit 95 that measures the load current or load voltage in the load 8, and the impedance matching mechanism 9 is configured to perform impedance matching processing in accordance with the measurement results of the measurement unit 95.
この構成により、DC-DCコンバータ7のオンオフ等に起因して負荷側インピーダンスが変動する場合であっても、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端IEにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。 With this configuration, even if the load-side impedance fluctuates due to factors such as the on/off switching of the DC-DC converter 7, the difference between the input-side impedance and the load-side impedance is mitigated, suppressing the occurrence of reflected waves at the input terminal IE and preventing system failures due to reduced power transmission efficiency and reduced transmitted power.
また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム1は、送電コイル32から受電コイル41への電力の供給は、磁界共鳴方式により行われる構成とした。 Furthermore, the wireless power supply system 1 according to this embodiment is configured so that power is supplied from the power transmitting coil 32 to the power receiving coil 41 using a magnetic field resonance method.
この構成により、送電コイル32から受電コイル41への電力供給を効率的に行うことができる。 This configuration allows for efficient power supply from the transmitting coil 32 to the receiving coil 41.
また、本実施形態に係るワイヤレス給電システム1を用いたワイヤレス給電方法は、送電コイル32を含む送電側共振回路36を備えている送電装置3と、受電コイル41を含む受電側共振回路43を備えている受電装置4と、受電コイル41を介して受電した電力が供給される負荷8と、送電装置3の入力端IEから負荷8側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと送電装置3の入力端IEから交流電源5側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和するインピーダンス処理を行うインピーダンスマッチング機構9と、を備え、磁気を利用して電力を送受電するワイヤレス給電システム1を用いたワイヤレス給電方法であって、送電装置3は、送電コイル32と磁界結合可能に設けられ、送電コイル32との磁界結合における結合強さがそれぞれ異なるように設定され、互いに並列に接続されて送電コイル32に電力を送電する複数の給電コイル31A、31B、31Cをさらに備え、インピーダンスマッチング機構9は、複数の給電コイル31A、31B、31Cの少なくとも1つに電力を供給する。 Furthermore, the wireless power supply method using the wireless power supply system 1 according to this embodiment includes a power transmitting device 3 having a power transmitting side resonant circuit 36 including a power transmitting coil 32, a power receiving device 4 having a power receiving side resonant circuit 43 including a power receiving coil 41, a load 8 to which power received via the power receiving coil 41 is supplied, and an impedance matching mechanism 9 that performs impedance processing to reduce the difference between the load side impedance, which is the impedance of the circuit from the input terminal IE of the power transmitting device 3 to the load 8 side, and the input side impedance, which is the impedance of the circuit from the input terminal IE of the power transmitting device 3 to the AC power source 5 side. The wireless power supply method uses the wireless power supply system 1 that transmits and receives power using magnetism, and the power transmitting device 3 is further provided with a plurality of power supply coils 31A, 31B, and 31C that are arranged to be capable of magnetically coupling with the power transmitting coil 32, are set to have different coupling strengths in the magnetic field coupling with the power transmitting coil 32, are connected in parallel to each other, and supply power to the power transmitting coil 32, and the impedance matching mechanism 9 supplies power to at least one of the plurality of power supply coils 31A, 31B, and 31C.
この構成により、負荷側インピーダンスと入力側インピーダンスとが一致しない場合に、インピーダンスマッチング機構9が、給電コイル31A、31B、31Cの何れかに電力を供給し、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合の結合強さの強弱(磁界結合の疎密)を変更することにより、送電装置3内の回路のインピーダンスが増減して、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端IEにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。 With this configuration, when the load impedance and input impedance do not match, the impedance matching mechanism 9 supplies power to one of the power supply coils 31A, 31B, and 31C, and changes the strength of the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 (how tight or loose the magnetic field coupling). This increases or decreases the impedance of the circuit within the power transmission device 3, reducing the difference between the input impedance and the load impedance. This suppresses the generation of reflected waves at the input terminal IE, and avoids system failures due to reduced power transmission efficiency or reduced transmitted power.
また、本実施形態に係るワイヤレス送電システム11は、受電装置4に磁気を利用して電力を送電するワイヤレス送電システム11であって、送電コイル32を含む送電側共振回路36を備え、受電装置4を介して電力を負荷8に送電する送電装置3と、負荷8における負荷電流又は負荷電圧に応じて、送電装置3の入力端IEから負荷8側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと送電装置3の入力端IEから交流電源5側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和するインピーダンスマッチング機構9と、を備え、送電装置3は、送電コイル32と磁界結合可能に設けられ、送電コイル32との磁界結合における結合強さがそれぞれ異なるように設定され、互いに並列に接続されて送電コイル32に電力を送電する複数の給電コイル31A、31B、31Cをさらに備え、インピーダンスマッチング機構9は、複数の給電コイル31A、31B、31Cの少なくとも1つに電力を供給する。 The wireless power transmission system 11 according to this embodiment transmits power to a power receiving device 4 using magnetism, and includes a power transmitting device 3 that includes a power transmitting side resonant circuit 36 including a power transmitting coil 32 and transmits power to a load 8 via the power receiving device 4, and an impedance matching mechanism 9 that reduces the difference between the load impedance, which is the impedance of the circuit from the input terminal IE of the power transmitting device 3 to the load 8, and the input impedance, which is the impedance of the circuit from the input terminal IE of the power transmitting device 3 to the AC power source 5, depending on the load current or load voltage of the load 8. The power transmitting device 3 further includes multiple power supply coils 31A, 31B, and 31C that are capable of magnetically coupling with the power transmitting coil 32, have different coupling strengths in the magnetic field coupling with the power transmitting coil 32, are connected in parallel, and transmit power to the power transmitting coil 32. The impedance matching mechanism 9 supplies power to at least one of the multiple power supply coils 31A, 31B, and 31C.
この構成により、負荷側インピーダンスと入力側インピーダンスとが一致しない場合に、インピーダンスマッチング機構9が、給電コイル31A、31B、31Cの何れかに電力を供給し、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合の結合強さの強弱(磁界結合の疎密)を変更することにより、送電装置3内の回路のインピーダンスが増減して、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとの差分が緩和されるため、入力端IEにおける反射波の発生が抑制され、送電効率の低下や、送電電力の減少に起因するシステム障害を回避することができる。 With this configuration, when the load impedance and input impedance do not match, the impedance matching mechanism 9 supplies power to one of the power supply coils 31A, 31B, and 31C, and changes the strength of the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 (how tight or loose the magnetic field coupling). This increases or decreases the impedance of the circuit within the power transmission device 3, reducing the difference between the input impedance and the load impedance. This suppresses the generation of reflected waves at the input terminal IE, and avoids system failures due to reduced power transmission efficiency or reduced transmitted power.
また、上述した実施形態では、負荷側インピーダンスが変動する要因として、DC-DCコンバータ7のオンオフに伴う負荷電流の変動を例に説明したが、負荷側インピーダンスが変動する要因はこれに限定されるものではない。 Furthermore, in the above-described embodiment, the cause of fluctuations in the load-side impedance was explained as being fluctuations in the load current caused by turning the DC-DC converter 7 on and off, but the cause of fluctuations in the load-side impedance is not limited to this.
例えば、給電対象物2の移動に伴って、負荷側インピーダンスが変動することも考えられる。これは、受電コイル41が送電コイル32に接近すると、送電コイル32と受電コイル41との磁気結合の結合強さが大きくなり、受電コイル41が送電コイル32から離れると、送電コイル32と受電コイル41との磁気結合の結合強さが小さくなり、送電コイル32と受電コイル41と磁気結合の結合状態が変動するためである。したがって、このような場合には、送電コイル32と受電コイル41との距離をモニタリングし、送電コイル32と受電コイル41との距離の変化に応じて入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとがマッチングするように、給電コイル31A、31B、31Cの何れに電力を供給するかを判定しても構わない。 For example, it is conceivable that the load-side impedance may fluctuate as the power supply target 2 moves. This is because, as the power receiving coil 41 approaches the power transmitting coil 32, the strength of the magnetic coupling between the power transmitting coil 32 and the power receiving coil 41 increases, and as the power receiving coil 41 moves away from the power transmitting coil 32, the strength of the magnetic coupling between the power transmitting coil 32 and the power receiving coil 41 decreases, causing the magnetic coupling state between the power transmitting coil 32 and the power receiving coil 41 to fluctuate. Therefore, in such cases, the distance between the power transmitting coil 32 and the power receiving coil 41 may be monitored, and a determination may be made to which of the power supply coils 31A, 31B, and 31C to supply power so that the input-side impedance and the load-side impedance match in accordance with changes in the distance between the power transmitting coil 32 and the power receiving coil 41.
また、本実施形態では、DC-DCコンバータ7がアイドリングしているときに、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとが予め整合されている構成を例示したが、例えば、DC-DCコンバータ7がアイドリングからオンに移行したとき、又はDC-DCコンバータ7がオンになった後に負荷側インピーダンスが安定したときに、入力側インピーダンスと負荷側インピーダンスとが予め整合されているように構成しても構わない。 Furthermore, in this embodiment, a configuration has been illustrated in which the input side impedance and the load side impedance are pre-matched when the DC-DC converter 7 is idling. However, it is also possible to configure the input side impedance and the load side impedance to be pre-matched, for example, when the DC-DC converter 7 transitions from idling to ON, or when the load side impedance stabilizes after the DC-DC converter 7 is turned ON.
<実験例>
次に、本実施形態に係るワイヤレス給電システム1の効果と実現性を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。本シミュレーションは、給電コイル31及び送電コイル32の直径をそれぞれ700mmに設定し、給電コイル31と送電コイル32とが共振状態を維持し、送電コイル32と受電コイル41とが共振状態を維持しているものとして、負荷8の負荷抵抗RLを変化させた場合に、インピーダンスが整合された状態となる給電コイル31と送電コイル32とのコイル軸31a(31b、31c)の軸方向の中心間距離Lを算出した。なお、負荷抵抗RLの数値は、整流回路6およびDC-DCコンバータ7の負荷抵抗の値を含むものとした。また、DC-DCコンバータ7の出力電圧を48Vとした場合の整流回路6およびDC-DCコンバータ7の負荷抵抗を考慮した負荷8の実負荷抵抗を併せて算出した。それらの結果を表1及び図8に示す。図8は、横軸に負荷抵抗RL、縦軸にインピーダンスが整合されたときの給電コイル31と送電コイル32との中心間距離Lを設定したグラフである。なお、表1及び図8において、負荷8がOFFのときは、便宜的に負荷抵抗RLを1000Ω以上(負荷8の実負荷抵抗1000Ω以上)とし、このときの中心間距離Lを500mmとしている。
<Experimental Example>
Next, a simulation was performed to verify the effects and feasibility of the wireless power transfer system 1 according to this embodiment. In this simulation, the diameters of the power transfer coil 31 and the power transmission coil 32 were each set to 700 mm, and the power transfer coil 31 and the power transmission coil 32 maintained a resonant state, and the power transmission coil 32 and the power receiving coil 41 maintained a resonant state. The distance L between the centers of the power transfer coil 31 and the power transmission coil 32 in the axial direction of the coil axes 31a (31b, 31c) at which impedances were matched was calculated when the load resistance RL of the load 8 was changed. The value of the load resistance RL included the values of the load resistances of the rectifier circuit 6 and the DC-DC converter 7. The actual load resistance of the load 8 was also calculated, taking into account the load resistances of the rectifier circuit 6 and the DC-DC converter 7 when the output voltage of the DC-DC converter 7 was set to 48 V. The results are shown in Table 1 and FIG. 8 . 8 is a graph in which the horizontal axis represents the load resistance R and the vertical axis represents the center-to-center distance L between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 when impedance is matched. In Table 1 and FIG. 8, when the load 8 is OFF, the load resistance R is set to 1000 Ω or more (the actual load resistance of the load 8 is 1000 Ω or more) for the sake of convenience, and the center-to-center distance L is set to 500 mm.
図8によれば、給電コイル31Aを送電コイル32から300mm、給電コイル31Bを送電コイル32から400mm、給電コイル31Cを送電コイル32から500mmの位置にそれぞれ配置した場合、測定部95で負荷電流を測定して負荷8の駆動電力の値を算出し、算出した負荷8の駆動電力に応じて、スイッチ91a~91dを切り替えることにより、給電コイル31A、31B、31Cを切り替える。具体的には、給電コイル31Aは、負荷8の駆動電力が200W以上のとき、給電コイル31Bは、負荷8の駆動電力が20W以上200W未満のとき、給電コイル31Cは、負荷8がOFF又は負荷8の駆動電力が20W未満のときに作動させる。 As shown in FIG. 8 , when power supply coil 31A is positioned 300 mm from power transmission coil 32, power supply coil 31B is positioned 400 mm from power transmission coil 32, and power supply coil 31C is positioned 500 mm from power transmission coil 32, the load current is measured by measurement unit 95 to calculate the drive power of load 8, and power supply coils 31A, 31B, and 31C are switched by switching switches 91a to 91d according to the calculated drive power of load 8. Specifically, power supply coil 31A is activated when the drive power of load 8 is 200 W or more, power supply coil 31B is activated when the drive power of load 8 is 20 W or more but less than 200 W, and power supply coil 31C is activated when load 8 is OFF or the drive power of load 8 is less than 20 W.
なお、給電コイル31の数を増やすことで、より精度の高いインピーダンスマッチング処理を実現できる。例えば、給電コイル31の数を6個に増やし、各給電コイル31の設置位置を送電コイル32からの中心間距離Lで250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mmに設定する。この場合、中心間距離Lが250mmの給電コイルは負荷8の駆動電力が700W以上のとき、中心間距離Lが300mmの給電コイルは負荷8の駆動電力が350W以上700W未満のとき、中心間距離Lが350mmの給電コイルは負荷8の駆動電力が200W以上350W未満のとき、中心間距離Lが400mmの給電コイルは負荷8の駆動電力が50W以上200W未満のとき、中心間距離Lが450mmの給電コイルは負荷8の駆動電力が10W以上50W未満のとき、中心間距離Lが500mmの給電コイルは負荷8がOFF又は負荷8の駆動電力が10W未満のときに作動させる。 Increasing the number of power supply coils 31 can achieve more accurate impedance matching. For example, the number of power supply coils 31 can be increased to six, and the installation positions of the power supply coils 31 can be set to 250 mm, 300 mm, 350 mm, 400 mm, 450 mm, and 500 mm in terms of center-to-center distance L from the transmission coil 32. In this case, a power supply coil with a center-to-center distance L of 250 mm is activated when the drive power of the load 8 is 700 W or more, a power supply coil with a center-to-center distance L of 300 mm is activated when the drive power of the load 8 is 350 W or more but less than 700 W, a power supply coil with a center-to-center distance L of 350 mm is activated when the drive power of the load 8 is 200 W or more but less than 350 W, a power supply coil with a center-to-center distance L of 400 mm is activated when the drive power of the load 8 is 50 W or more but less than 200 W, a power supply coil with a center-to-center distance L of 450 mm is activated when the drive power of the load 8 is 10 W or more but less than 50 W, and a power supply coil with a center-to-center distance L of 500 mm is activated when the load 8 is OFF or the drive power of the load 8 is less than 10 W.
また、複数の給電コイル31は必ずしも等間隔に配置する必要はなく、必要に応じて配置する給電コイル31の間隔を変更しても構わない。例えば、負荷8を起動して駆動電力が急激に増大する駆動電力が小さい領域に設置する給電コイル31の個数を、負荷8の駆動電力が大きくある程度安定した駆動電力が大きい領域に設置する給電コイル31の数より増やしても構わない。具体的には、給電コイル31を6個設ける場合、各給電コイル31の設置位置を送電コイル32からの中心間距離Lで300mm、400mm、440mm、470mm、490mm、500mmの位置に配置する。この場合、中心間距離Lが300mmに配置された給電コイル31は、負荷8の駆動電力が500W以上のとき、中心間距離Lが400mmに配置された給電コイル31は、負荷8の駆動電力が60W以上500W未満のとき、中心間距離Lが440mmの給電コイル31は、負荷8の駆動電力が30W以上60W未満のとき、中心間距離Lが470mmの給電コイル31は、負荷8の駆動電力が15W以上30W未満のとき、中心間距離Lが490mmの給電コイル31は、負荷8の駆動電力が5W以上15W未満のとき、中心間距離Lが500mmの給電コイル31は、負荷8がOFF又は負荷8の駆動電力が5W未満のときにそれぞれ作動する。 Furthermore, the multiple power supply coils 31 do not necessarily need to be arranged at equal intervals, and the intervals between the arranged power supply coils 31 may be changed as needed. For example, the number of power supply coils 31 installed in a region where the drive power is low and where the drive power increases suddenly when the load 8 is started may be greater than the number of power supply coils 31 installed in a region where the drive power of the load 8 is high and relatively stable. Specifically, when six power supply coils 31 are provided, the installation positions of the power supply coils 31 are 300 mm, 400 mm, 440 mm, 470 mm, 490 mm, and 500 mm in center-to-center distance L from the power transmission coil 32. In this case, the power supply coil 31 with a center-to-center distance L of 300 mm operates when the drive power of the load 8 is 500 W or more; the power supply coil 31 with a center-to-center distance L of 400 mm operates when the drive power of the load 8 is 60 W or more and less than 500 W; the power supply coil 31 with a center-to-center distance L of 440 mm operates when the drive power of the load 8 is 30 W or more and less than 60 W; the power supply coil 31 with a center-to-center distance L of 470 mm operates when the drive power of the load 8 is 15 W or more and less than 30 W; the power supply coil 31 with a center-to-center distance L of 490 mm operates when the drive power of the load 8 is 5 W or more and less than 15 W; and the power supply coil 31 with a center-to-center distance L of 500 mm operates when the load 8 is OFF or the drive power of the load 8 is less than 5 W.
<変形例1>
次に、本実施形態の変形例について説明する。なお、変形例は、以下に説明する構成を除いた他の構成は上述した実施形態の構成と同様である。
<Modification 1>
Next, a modified example of this embodiment will be described. Note that the modified example has the same configuration as the above-described embodiment except for the configuration described below.
インピーダンスマッチング機構9は、図9(a)、(b)に示すように、給電コイル31を送電コイル32に対して相対的に移動させるコイル移動機構96を備えていても構わない。 As shown in Figures 9(a) and 9(b), the impedance matching mechanism 9 may include a coil movement mechanism 96 that moves the power supply coil 31 relative to the power transmission coil 32.
コイル移動機構96は、プランジャー96aと、ケース96bと、を備えているソレノイドである。プランジャー96aの先端には、給電コイル31が接続されている。プランジャー96aが、コイル軸31a、31b、31cに対して垂直方向に進退出することにより、コイル軸31a、31b、31cと送電コイル32のコイル軸32aとが略平行状態を維持したまま、各コイル軸31a、31b、31cがコイル軸32aに対して相対的に離間又は近接(一致)するように給電コイル31をスライドさせる。 The coil movement mechanism 96 is a solenoid equipped with a plunger 96a and a case 96b. The tip of the plunger 96a is connected to the power supply coil 31. The plunger 96a moves forward and backward perpendicularly to the coil axes 31a, 31b, and 31c, sliding the power supply coil 31 so that the coil axes 31a, 31b, and 31c move relatively away from or closer to (align with) the coil axis 32a of the power transmission coil 32 while maintaining the coil axes 31a, 31b, and 31c substantially parallel to the coil axis 32a.
具体的には、図2(a)~(c)に示すように、コイル軸31a、31b、31cが送電コイル32のコイル軸32aと同軸上に位置するときの給電コイル31の位置を原位置とすると、図9(a)に示すように、プランジャー96aが退出して、給電コイル31が原位置からコイル軸31a、31b、31cに直交する方向に離れるように移動し、図9(b)に示すように、プランジャー96aが進出して、給電コイル31が原位置からコイル軸31a、31b、31cに直交する方向に離れるように移動する。 Specifically, as shown in Figures 2(a) to 2(c), if the position of the power supply coil 31 when the coil axes 31a, 31b, and 31c are coaxial with the coil axis 32a of the power transmission coil 32 is taken as the original position, as shown in Figure 9(a), the plunger 96a retracts and the power supply coil 31 moves away from the original position in a direction perpendicular to the coil axes 31a, 31b, and 31c, and as shown in Figure 9(b), the plunger 96a advances and the power supply coil 31 moves away from the original position in a direction perpendicular to the coil axes 31a, 31b, and 31c.
ここで、コイル軸31a、31b、31cと送電コイル32のコイル軸32aとが同軸上に位置する場合には、送電コイル32との磁界結合が密になる(結合強さ(結合係数)が大きくなる)。一方、コイル軸31a、31b、31cが、送電コイル32のコイル軸32aに対してコイル軸31aに直行する方向にオフセットしている場合には、送電コイル32との磁界結合が疎となる(結合強さ(結合係数)が小さくなる)。 Here, when coil axes 31a, 31b, and 31c are positioned coaxially with coil axis 32a of power transmission coil 32, the magnetic field coupling with power transmission coil 32 becomes tight (the coupling strength (coupling coefficient) becomes large). On the other hand, when coil axes 31a, 31b, and 31c are offset from coil axis 32a of power transmission coil 32 in a direction perpendicular to coil axis 31a, the magnetic field coupling with power transmission coil 32 becomes loose (the coupling strength (coupling coefficient) becomes small).
給電コイル31のコイル軸31a及び送電コイル32のコイル軸32aのオフセット量(プランジャー96aのストローク量)と送電装置3内の回路のインピーダンスの変化量との関数は、予め実験等により得たものを用いる。 The function between the offset amount (stroke amount of the plunger 96a) between the coil axis 31a of the power supply coil 31 and the coil axis 32a of the power transmission coil 32 and the change in impedance of the circuit within the power transmission device 3 is obtained in advance through experiments, etc.
なお、プランジャー96aのストローク範囲(片側)は、例えば、給電コイル31の半径以下に設定されている。これにより、給電コイル31がコイル軸31a、31b、31cに直交する何れかの方向に最大限移動した場合であっても、コイル軸31a、31b、31cの軸線方向から視て、給電コイル31の少なくとも一部が送電コイル32の少なくとも一部と重なる状態を保つことができる。 The stroke range (one side) of the plunger 96a is set, for example, to be equal to or less than the radius of the power supply coil 31. This allows at least a portion of the power supply coil 31 to remain overlapped with at least a portion of the power transmission coil 32 when viewed from the axial direction of the coil axes 31a, 31b, and 31c, even when the power supply coil 31 moves to its maximum extent in any direction perpendicular to the coil axes 31a, 31b, and 31c.
このようなコイル移動機構96によって給電コイル31を送電コイル32に対して相対的移動させる機構は、スイッチ91a、91bを電気的に切り替える構成と比べて応答性が劣るため、例えば、スイッチ91a、91bの切替制御によってインピーダンスを大まかに調整した上で、給電コイル31を送電コイル32に対して相対的移動させてインピーダンスを微調整することにより、インピーダンスをスムーズに最適化することができる。なお、給電コイル31を送電コイル32に対して相対的移動させてインピーダンスを大まかに調整した上で、スイッチ91a、91bの切替制御によってインピーダンスを微調整することにより、インピーダンスを最適化しても構わない。 This mechanism for moving the power supply coil 31 relative to the power transmission coil 32 using the coil movement mechanism 96 has poorer responsiveness than a configuration that electrically switches the switches 91a and 91b. Therefore, the impedance can be smoothly optimized by, for example, roughly adjusting the impedance by controlling the switching of the switches 91a and 91b, and then fine-tuning the impedance by moving the power supply coil 31 relative to the power transmission coil 32. It is also possible to optimize the impedance by roughly adjusting the impedance by moving the power supply coil 31 relative to the power transmission coil 32, and then fine-tuning the impedance by controlling the switching of the switches 91a and 91b.
<変形例2>
上述した変形例1では、給電コイル31のコイル軸31aが送電コイル32のコイル軸32aに直交する方向にオフセットするように、コイル移動機構96が給電コイル31を移動させる構成を例示したが、コイル移動機構96は、給電コイル31をコイル軸31a、31b、31c及びコイル軸32aの軸方向と平行に移動させる構成であっても構わない。
<Modification 2>
In the above-described first modification, the coil moving mechanism 96 moves the power supply coil 31 so that the coil axis 31 a of the power supply coil 31 is offset in a direction perpendicular to the coil axis 32 a of the power transmission coil 32. However, the coil moving mechanism 96 may be configured to move the power supply coil 31 in the axial direction of the coil axes 31 a, 31 b, 31 c and the coil axis 32 a.
例えば、図2(a)~(c)に示すように、コイル軸31a、31b、31cが送電コイル32のコイル軸32aと同軸上に位置するときの給電コイル31の位置を原位置とすると、図10(a)に示すように、プランジャー96aが退出して、給電コイル31を原位置からコイル軸31a、31b、31cと平行な方向で且つ送電コイル32から離れるように移動し、図10(b)に示すように、プランジャー96aが進出して、給電コイル31が原位置からコイル軸31a、31b、31cと平行な方向で且つ送電コイル32に接近するように移動するコイル移動機構96の構成が考えられる。 For example, as shown in FIGS. 2(a) to 2(c), if the position of the power supply coil 31 is defined as the original position when the coil axes 31a, 31b, and 31c are coaxial with the coil axis 32a of the power transmission coil 32, the coil movement mechanism 96 may be configured such that, as shown in FIG. 10(a), the plunger 96a retracts, moving the power supply coil 31 from the original position in a direction parallel to the coil axes 31a, 31b, and 31c and away from the power transmission coil 32, and as shown in FIG. 10(b), the plunger 96a advances, moving the power supply coil 31 from the original position in a direction parallel to the coil axes 31a, 31b, and 31c and closer to the power transmission coil 32.
前述したように、給電コイル31A、31B、31Cは、送電コイル32に接近するほど送電コイル32との磁界結合が密になり(結合係数が大きくなり)、給電コイル31A、31B、31Cは、送電コイル32から離れるほど送電コイル32との磁界結合が疎になる(結合係数が小さくなる)。 As mentioned above, the closer the power supply coils 31A, 31B, and 31C are to the power transmission coil 32, the closer the magnetic field coupling with the power transmission coil 32 becomes (the larger the coupling coefficient becomes), and the farther the power supply coils 31A, 31B, and 31C are from the power transmission coil 32, the looser the magnetic field coupling with the power transmission coil 32 becomes (the smaller the coupling coefficient becomes).
コイル移動機構96が給電コイル31を移動させる量(プランジャー96aのストローク量)と送電装置3内の回路のインピーダンスの変化量との関数は、予め実験等により得たものを用いる。 The function between the amount by which the coil movement mechanism 96 moves the power supply coil 31 (stroke amount of the plunger 96a) and the amount of change in impedance of the circuit within the power transmission device 3 is obtained in advance through experiments, etc.
このようなコイル移動機構96によって給電コイル31を送電コイル32に対して相対的移動させる機構は、スイッチ91a~91dを電気的に切り替える構成と比べて応答性が劣るため、例えば、スイッチ91a~91dの切替制御によってインピーダンスを大まかに調整した上で、給電コイル31を送電コイル32に対して相対的移動させてインピーダンスを微調整することにより、インピーダンスの値が大きく変化した場合でもスムーズに最適化することができる。 This type of mechanism for moving the power supply coil 31 relative to the power transmission coil 32 using a coil movement mechanism 96 has poorer responsiveness than a configuration that electrically switches the switches 91a to 91d. Therefore, for example, by roughly adjusting the impedance using the switching control of the switches 91a to 91d and then fine-tuning the impedance by moving the power supply coil 31 relative to the power transmission coil 32, smooth optimization can be achieved even when the impedance value changes significantly.
具体的には、まず、給電コイル31Aを送電コイル32からの中心間距離Lで300mmの位置に配置し、給電コイル31Bを送電コイル32からの中心間距離Lで400mmの位置に配置し、給電コイル31Cを送電コイル32から中心間距離Lで500mmの位置に配置し、給電コイル31A、31B、31Cを1つのユニットに構成し、コイル移動機構96が、給電コイル31A、31B、31Cをコイル軸31a、31b、31cと平行に±50mmの範囲で移動可能に構成される。すなわち、給電コイル31Aは、中心間距離Lが250~350mmの範囲内で移動可能であり、給電コイル31Bは、中心間距離Lが350~450mmの範囲内で移動可能であり、給電コイル31Cは、中心間距離Lが450~550mmの範囲内で移動可能である。 Specifically, first, power supply coil 31A is positioned at a center-to-center distance L of 300 mm from power transmission coil 32, power supply coil 31B is positioned at a center-to-center distance L of 400 mm from power transmission coil 32, and power supply coil 31C is positioned at a center-to-center distance L of 500 mm from power transmission coil 32. Power supply coils 31A, 31B, and 31C are configured as a single unit, and coil movement mechanism 96 is configured to move power supply coils 31A, 31B, and 31C parallel to coil axes 31a, 31b, and 31c within a range of ±50 mm. That is, power supply coil 31A is movable within a center-to-center distance L range of 250 to 350 mm, power supply coil 31B is movable within a center-to-center distance L range of 350 to 450 mm, and power supply coil 31C is movable within a center-to-center distance L range of 450 to 550 mm.
そして、例えば、負荷8の駆動電力が300W以上1000W未満の場合には、給電コイル31Aを使用し、負荷8の駆動電力が30W以上300W未満の場合には、給電コイル31Bを使用し、負荷8がOFF又は負荷8の駆動電力が50W未満のときは給電コイル31Cを使用し、その後、給電コイル31A、31B、31Cを送電コイル32に対して相対的に移動させることによってインピーダンスの最適化を図る。 For example, when the drive power of the load 8 is 300 W or more and less than 1000 W, the power supply coil 31A is used; when the drive power of the load 8 is 30 W or more and less than 300 W, the power supply coil 31B is used; and when the load 8 is OFF or the drive power of the load 8 is less than 50 W, the power supply coil 31C is used, and then the power supply coils 31A, 31B, and 31C are moved relative to the power transmission coil 32 to optimize the impedance.
また、コイル移動機構96によって給電コイル31を送電コイル32に対して相対的移動させてインピーダンスを大まかに調整した上で、スイッチ91a~91dの切替制御によってインピーダンスを微調整することにより、インピーダンスを最適化しても構わない。この場合、インピーダンスの微調整を高速に行うことができるため、インピーダンスの急激な変化した場合でもスムーズに最適化することができる。 In addition, the impedance can be optimized by roughly adjusting the impedance by moving the power supply coil 31 relative to the power transmission coil 32 using the coil movement mechanism 96, and then fine-tuning the impedance by controlling the switches 91a to 91d. In this case, the impedance can be fine-tuned quickly, allowing for smooth optimization even in the event of a sudden change in impedance.
具体的には、給電コイル31A、31B、31Cを互いに50mm離間して配置して成る給電コイル31を一つのユニットとし、コイル移動機構96が、給電コイル31A、31B、31Cをコイル軸31a、31b、31cと平行に且つ送電コイル32から離れる向きに100mm又は200mmだけ移動可能に構成される。 Specifically, the power supply coil 31, which is made up of power supply coils 31A, 31B, and 31C arranged 50 mm apart from one another, is treated as a single unit, and the coil movement mechanism 96 is configured to be able to move the power supply coils 31A, 31B, and 31C by 100 mm or 200 mm in a direction parallel to the coil axes 31a, 31b, and 31c and away from the power transmission coil 32.
そして、例えば、給電コイル31Aは中心間距離Lが200mmの位置に配置され、給電コイル31Bは中心間距離Lが250mmの位置に配置され、給電コイル31Cは中心間距離Lが300mmの位置に配置された状態で、負荷8の駆動電力が700W以上の場合には、給電コイル31Bを使用し、負荷8の駆動電力が350W以上700W未満の場合は給電コイル31Cを使用することによってインピーダンスの最適化を図る。 For example, with power supply coil 31A positioned at a center distance L of 200 mm, power supply coil 31B positioned at a center distance L of 250 mm, and power supply coil 31C positioned at a center distance L of 300 mm, power supply coil 31B is used when the drive power of load 8 is 700 W or more, and power supply coil 31C is used when the drive power of load 8 is 350 W or more but less than 700 W, thereby optimizing impedance.
また、コイル移動機構96が、給電コイル31A、31B、31Cを送電コイル32から離れる向きに100mmそれぞれ移動させることにより、給電コイル31Aは中心間距離Lが300mmの位置に配置され、給電コイル31Bは中心間距離Lが350mmの位置に配置され、給電コイル31Cは中心間距離Lが400mmの位置に配置された状態で、負荷8の駆動電力が350W以上700W未満の場合は給電コイル31A、負荷8の駆動電力が200W以上350W未満の場合は給電コイル31B、負荷8の駆動電力が50W以上200W未満の場合は給電コイル31Cを使用することによってインピーダンスの最適化を図る。 Furthermore, by using the coil movement mechanism 96 to move each of the power supply coils 31A, 31B, and 31C by 100 mm in a direction away from the power transmission coil 32, the power supply coil 31A is positioned at a center-to-center distance L of 300 mm, the power supply coil 31B is positioned at a center-to-center distance L of 350 mm, and the power supply coil 31C is positioned at a center-to-center distance L of 400 mm, the impedance is optimized by using the power supply coil 31A when the drive power of the load 8 is 350 W or more and less than 700 W, the power supply coil 31B when the drive power of the load 8 is 200 W or more and less than 350 W, and the power supply coil 31C when the drive power of the load 8 is 50 W or more and less than 200 W.
さらに、コイル移動機構96が、給電コイル31A、31B、31Cを送電コイル32から離れる向きに200mmそれぞれ移動させることにより、給電コイル31Aは中心間距離Lが400mmの位置に配置され、給電コイル31Bは中心間距離Lが450mmの位置に配置され、給電コイル31Cは中心間距離Lが500mmの位置に配置された状態で、負荷8の駆動電力が50W以上200W未満の場合は給電コイル31A、負荷8の駆動電力が10W以上50W未満の場合は給電コイル31B、負荷8がOFF又は負荷8の駆動電力が10W未満の場合は給電コイル31Cを使用することによってインピーダンスの最適化を図る。 Furthermore, the coil movement mechanism 96 moves each of the power supply coils 31A, 31B, and 31C by 200 mm in a direction away from the power transmission coil 32, thereby positioning the power supply coil 31A at a position with a center-to-center distance L of 400 mm, the power supply coil 31B at a position with a center-to-center distance L of 450 mm, and the power supply coil 31C at a position with a center-to-center distance L of 500 mm. Impedance is optimized by using power supply coil 31A when the drive power of the load 8 is 50 W or more but less than 200 W, power supply coil 31B when the drive power of the load 8 is 10 W or more but less than 50 W, and power supply coil 31C when the load 8 is OFF or the drive power of the load 8 is less than 10 W.
<変形例3>
上述した実施形態では、コイル軸31a、31b、31cが略同軸上に配置された給電コイル31A、31B、31Cから成る給電コイル31を例示したが、給電コイル31の構成はこれに限定されるものではない。
<Modification 3>
In the above-described embodiment, the power supply coil 31 is illustrated as being made up of power supply coils 31A, 31B, and 31C whose coil axes 31a, 31b, and 31c are arranged substantially coaxially. However, the configuration of the power supply coil 31 is not limited to this.
例えば、給電コイル31は、図11(a)~(c)に示すように、コイル軸31a、31b、31cが略平行で互いに離間するようにオフセットして配置された給電コイル31A、31B、31Cを備えたものであっても構わない。 For example, as shown in Figures 11(a) to (c), the power supply coil 31 may include power supply coils 31A, 31B, and 31C, in which the coil axes 31a, 31b, and 31c are arranged substantially parallel to each other and offset from each other.
このとき、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合は、対向する面積が大きいほど密となる。したがって、図11(a)に示すように、給電コイル31Aは、コイル軸31aとコイル軸32aとが同軸上に位置するため、送電コイル32との磁界結合が最も密になる。また、図11(b)に示すように、給電コイル31Bは、コイル軸31bがコイル軸32aから離れるため、送電コイル32との磁界結合が疎となり、さらに、図11(c)に示すように、給電コイル31Cは、コイル軸31cがコイル軸32aから最も離れるため、送電コイル32との磁界結合が最も疎となる。このような構成により、スイッチ91a、91bの切替制御により、給電コイル31A、31B、31Cの少なくとも何れか1つに選択的に電力が供給されるため、給電コイル31と送電コイル32との結合強さ(結合係数)を調整することができる。 At this time, the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 becomes denser as the opposing area increases. Therefore, as shown in FIG. 11( a), the power supply coil 31A has the closest magnetic field coupling with the power transmission coil 32 because its coil axis 31a and coil axis 32a are coaxial. As shown in FIG. 11( b), the power supply coil 31B has the weakest magnetic field coupling with the power transmission coil 32 because its coil axis 31b is farther from the coil axis 32a. Furthermore, as shown in FIG. 11( c), the power supply coil 31C has the weakest magnetic field coupling with the power transmission coil 32 because its coil axis 31c is farthest from the coil axis 32a. With this configuration, power is selectively supplied to at least one of the power supply coils 31A, 31B, and 31C by controlling the switching of the switches 91 a and 91 b, so the strength of coupling (coupling coefficient) between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 can be adjusted.
<変形例4>
給電コイル31は、例えば、図12(a)~(c)に示すように、球状に配置された8つの給電コイル31A~31Hを備えたものであっても構わない。
<Modification 4>
The power supply coil 31 may include eight power supply coils 31A to 31H arranged in a spherical shape, as shown in FIGS. 12(a) to 12(c), for example.
給電コイル31は、中心が一致した状態で互いに傾斜する給電コイル31A~31Hから成る。給電コイル31A~31Hは、1つのコイルを8つに分割したものであり、実質的に直列に接続されている。給電コイル31A~31H間の接続関係の詳細は省略するが、図2と同様に図示しないスイッチ等によって、交流電源5からの電力を給電コイル31A~31Hの少なくとも何れか1つに供給可能に接続されている。 The power supply coil 31 is made up of power supply coils 31A to 31H that are inclined to each other with their centers aligned. Power supply coils 31A to 31H are each a single coil divided into eight sections, which are essentially connected in series. Details of the connections between power supply coils 31A to 31H are omitted, but similar to Figure 2, they are connected by switches (not shown) or the like so that power from the AC power supply 5 can be supplied to at least one of the power supply coils 31A to 31H.
図12(a)に示すように、給電コイル31Aは、コイル軸31aと送電コイル32のコイル軸32aとが略一致した状態で、すなわち送電コイル32に対して傾斜することなく送電コイル32内に収容されている。また、図12(b)に示すように、給電コイル31Cは、送電コイル32に対して約45度傾いた状態で、その一部が送電コイル32内に収容されている。そして、図12(c)に示すように、給電コイル31Eは、送電コイル32に対して約90度傾いた状態で、その一部が送電コイル32内に収容されている。さらに、給電コイル31B、31D、31F~31Hは、送電コイル32に対して約22.5度、約67.5度、約112.5度、約135度、約157.5度だけそれぞれ傾いた状態で、その一部が送電コイル32内に収容されている。 As shown in FIG. 12(a), the power supply coil 31A is housed within the power transmission coil 32 with its coil axis 31a substantially aligned with the coil axis 32a of the power transmission coil 32, i.e., without tilting relative to the power transmission coil 32. As shown in FIG. 12(b), the power supply coil 31C is housed within the power transmission coil 32 with a portion thereof tilted at approximately 45 degrees relative to the power transmission coil 32. As shown in FIG. 12(c), the power supply coil 31E is housed within the power transmission coil 32 with a portion thereof tilted at approximately 90 degrees relative to the power transmission coil 32. Furthermore, the power supply coils 31B, 31D, and 31F to 31H are housed within the power transmission coil 32 with a portion thereof tilted at approximately 22.5 degrees, approximately 67.5 degrees, approximately 112.5 degrees, approximately 135 degrees, and approximately 157.5 degrees, respectively, relative to the power transmission coil 32.
このとき、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合は、対向する面積が大きいほど密となる。すなわち、給電コイル31Aは、コイル軸31aとコイル軸32aとが同軸上に位置するため、送電コイル32との磁界結合が最も密になる。給電コイル31Eは、送電コイル32との磁界結合が最も疎になる。 At this time, the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 becomes denser as the opposing area increases. That is, the power supply coil 31A has the closest magnetic field coupling with the power transmission coil 32 because the coil axes 31a and 32a are coaxial. The power supply coil 31E has the weakest magnetic field coupling with the power transmission coil 32.
このような構成により、例えば、給電コイル31A、31C、31Eの3つを適宜切り替えて、インピーダンスマッチング処理を実行することができる。すなわち、DC-DCコンバータ7がアイドリングしており、負荷側インピーダンスが入力側インピーダンスに対して大きい状態では、図12(a)に示すように給電コイル31Aに電力を供給することにより、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合が密になり、送電装置3内の回路のインピーダンスが減少する。その結果、入力端IEにおける負荷側インピーダンスが小さくなり、入力側インピーダンスとの差分が緩和される。 With this configuration, impedance matching can be performed by appropriately switching between the three power supply coils 31A, 31C, and 31E, for example. That is, when the DC-DC converter 7 is idling and the load impedance is large relative to the input impedance, supplying power to the power supply coil 31A as shown in FIG. 12(a) strengthens the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32, reducing the impedance of the circuit within the power transmission device 3. As a result, the load impedance at the input terminal IE decreases, reducing the difference with the input impedance.
一方、DC-DCコンバータ7が作動して、負荷側インピーダンスが入力側インピーダンスに対して低下した状態では、図12(b)に示すように、給電コイル31Aと比べて、送電コイル32に対して傾斜する給電コイル31Cに電力を供給することにより、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合が疎になり、送電装置3内の回路のインピーダンスが増大する。その結果、入力端IEにおける負荷側インピーダンスが大きくなり、入力側インピーダンスとの差分が緩和される。 On the other hand, when the DC-DC converter 7 is operating and the load impedance is lower than the input impedance, as shown in Figure 12(b), by supplying power to the power supply coil 31C, which is inclined relative to the power transmission coil 32 compared to the power supply coil 31A, the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 becomes weaker, and the impedance of the circuit within the power transmission device 3 increases. As a result, the load impedance at the input terminal IE increases, and the difference with the input impedance is alleviated.
また、負荷側インピーダンスがさらに低下すると、図12(c)に示すように、送電コイル32に対して直交する給電コイル31Eに電力を供給することにより、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合がさらに疎になり、送電装置3内の回路のインピーダンスがさらに増大し、その結果、入力端IEにおける負ンピーダンスが大きくなり、入力側インピーダンスとの差分が緩和される。 Furthermore, as the load-side impedance decreases further, as shown in Figure 12(c), supplying power to the power supply coil 31E, which is orthogonal to the power transmission coil 32, further weakens the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32, further increasing the impedance of the circuit within the power transmission device 3. As a result, the negative impedance at the input terminal IE increases, and the difference with the input-side impedance is alleviated.
このような構成により、給電コイル31A~31Hの少なくとも何れか1つに選択的に電力が供給されるため、給電コイル31と送電コイル32との結合強さを調整することができる。 With this configuration, power is selectively supplied to at least one of the power supply coils 31A to 31H, making it possible to adjust the coupling strength between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32.
また、本変形例に係る球状の給電コイル31を構成する給電コイルの個数は、8つに限定されず、2つ以上であればいくつであっても構わない。また、本変形例に係る給電コイル31A~31Hの送電コイル32に対する傾きは、0度~180度の範囲で設定しているが、コイルの位相を考慮して、-90度~+90度の範囲で設定しても構わない。 Furthermore, the number of power supply coils constituting the spherical power supply coil 31 according to this modification is not limited to eight, and may be any number equal to or greater than two. Furthermore, the inclination of the power supply coils 31A to 31H relative to the power transmission coil 32 according to this modification is set in the range of 0 to 180 degrees, but may be set in the range of -90 to +90 degrees, taking into account the phase of the coils.
また、給電コイル31は、送電コイル32内に収容されたものに限定されず、送電コイル32外に配置されても構わない。また、給電コイル31A~31Hの一部が送電コイル32内に配置され、その他の給電コイル31A~31Hが送電コイル32外に配置されても構わない。なお、給電コイル31の送電コイル32に対する傾きが、結合係数k01が等比級数になるように切り替え可能に構成されることにより、各給電コイル31の角度でのインピーダンス調整範囲が略一定になり、インピーダンス整合をさらに安定して行うことができる。 Furthermore, the power feeding coil 31 is not limited to being housed within the power feeding coil 32, but may be arranged outside the power feeding coil 32. Alternatively, some of the power feeding coils 31A to 31H may be arranged inside the power feeding coil 32, and the other power feeding coils 31A to 31H may be arranged outside the power feeding coil 32. Note that by configuring the inclination of the power feeding coil 31 with respect to the power feeding coil 32 to be switchable so that the coupling coefficient k01 is a geometric progression, the impedance adjustment range for each angle of the power feeding coil 31 becomes approximately constant, and impedance matching can be performed more stably.
<変形例5>
上述した実施形態では、略同形に形成された給電コイル31A、31B、31Cから成る給電コイル31を例示したが、給電コイル31A、31B、31Cは、互いに異なる形状であっても構わない。
<Modification 5>
In the above-described embodiment, the power supply coil 31 is illustrated as being made up of power supply coils 31A, 31B, and 31C formed in substantially the same shape, but the power supply coils 31A, 31B, and 31C may have different shapes.
例えば、図13(a)~(c)に示すように、給電コイル31A、31B、31Cは、略同一平面上でコイル径が拡縮する螺旋形状を呈していても構わない。このとき、コイル軸31a、31b、31cが略同軸上に配置されるとともに、給電コイル31A、31B、31Cがこの順でコイル径が徐々に小径に設定され、且つコイル高さが高くなるように形成されている。具体的には、給電コイル31Aは、送電コイル32と略同一のコイル径に設定されており、給電コイル31Aの内周に給電コイル31B、31Cが配置され、給電コイル31Bの内周に給電コイル31Cが配置されている。また、給電コイル31と送電コイル32とを磁界共鳴方式で送電する場合、異なるコイル径の給電コイル31A、31B、31Cのインダクタンスがそれぞれ等しくなるようにコイルの巻数を、給電コイル31A、31B、31Cがこの順で徐々に増やすのが好ましい。 13(a) to 13(c), the power supply coils 31A, 31B, and 31C may have a spiral shape in which the coil diameter expands and contracts on approximately the same plane. In this case, the coil axes 31a, 31b, and 31c are arranged approximately coaxially, and the power supply coils 31A, 31B, and 31C are formed so that their coil diameters become gradually smaller and their coil heights increase in this order. Specifically, the power supply coil 31A has approximately the same coil diameter as the power transmission coil 32, and the power supply coils 31B and 31C are arranged on the inner periphery of the power supply coil 31A, and the power supply coil 31C is arranged on the inner periphery of the power supply coil 31B. Furthermore, when power is transmitted between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 using the magnetic field resonance method, it is preferable to gradually increase the number of turns of the power supply coils 31A, 31B, and 31C in this order so that the inductances of the power supply coils 31A, 31B, and 31C, which have different coil diameters, are equal.
このとき、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合は、コイル径の差が少ないほど密となる。したがって、図13(a)に示すように、給電コイル31Aは、送電コイル32と略同じコイル径であるため、送電コイル32との磁界結合が最も密になる。また、図13(b)に示すように、給電コイル31Bは、送電コイル32より小径のコイル径であるため、送電コイル32との磁界結合が疎となり、さらに、図13(c)に示すように、給電コイル31Cは、送電コイル32よりさらに小径のコイル径であるため、送電コイル32との磁界結合が最も疎となる。このような構成により、スイッチ91a、91bの切替制御により、給電コイル31A、31B、31Cの少なくとも何れか1つに選択的に電力が供給されるため、給電コイル31と送電コイル32との結合強さを調整することができる。 At this time, the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 becomes tighter as the difference in coil diameter decreases. Therefore, as shown in FIG. 13( a), the power supply coil 31A has approximately the same coil diameter as the power transmission coil 32, and therefore has the tightest magnetic field coupling with the power transmission coil 32. As shown in FIG. 13( b), the power supply coil 31B has a smaller coil diameter than the power transmission coil 32, and therefore has a looser magnetic field coupling with the power transmission coil 32. Furthermore, as shown in FIG. 13( c), the power supply coil 31C has an even smaller coil diameter than the power transmission coil 32, and therefore has the loosest magnetic field coupling with the power transmission coil 32. With this configuration, power is selectively supplied to at least one of the power supply coils 31A, 31B, and 31C by controlling the switching of the switches 91 a and 91 b, and the strength of the coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 can be adjusted.
<変形例6>
例えば、図14(a)~(c)に示すように、給電コイル31は、同一平面上で外周から中心に向かって徐々にコイル径が小さくなるように構成されても構わない。このとき、コイル軸31a、31b、31cが略同軸上に配置されるとともに、給電コイル31A、31B、31Cが略同一平面上に配置され、さらに、給電コイル31A、31B、31Cがこの順でコイル径が徐々に小径に設定されている。具体的には、給電コイル31Aは、送電コイル32と略同一のコイル径に設定されており、給電コイル31Aの内周に給電コイル31B、31Cが配置され、給電コイル31Bの内周に給電コイル31Cが配置されている。また、給電コイル31と送電コイル32とを磁界共鳴方式で送電する場合、異なるコイル径の給電コイル31A、31B、31Cのインダクタンスがそれぞれ等しくなるようにコイルの巻数を、給電コイル31A、31B、31Cがこの順で徐々に増やすのが好ましい。
<Modification 6>
14( a) to 14(c), the power supply coil 31 may be configured so that the coil diameter gradually decreases from the outer periphery toward the center on the same plane. In this case, the coil axes 31a, 31b, and 31c are arranged substantially coaxially, the power supply coils 31A, 31B, and 31C are arranged substantially coaxially, and the power supply coils 31A, 31B, and 31C have gradually smaller coil diameters in this order. Specifically, the power supply coil 31A has substantially the same coil diameter as the power transmission coil 32, the power supply coils 31B and 31C are arranged on the inner periphery of the power supply coil 31A, and the power supply coil 31C is arranged on the inner periphery of the power supply coil 31B. Furthermore, when power is transmitted between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 using the magnetic field resonance method, it is preferable to gradually increase the number of turns of the power supply coils 31A, 31B, and 31C in this order so that the inductances of the power supply coils 31A, 31B, and 31C, which have different coil diameters, are equal to each other.
このとき、給電コイル31と送電コイル32との磁界結合は、コイル径の差が少ないほど密となる。したがって、図14(a)に示すように、給電コイル31Aは、送電コイル32と略同じコイル径であるため、送電コイル32との磁界結合が最も密になる。また、図14(b)に示すように、給電コイル31Bは、送電コイル32より小径のコイル径であるため、送電コイル32との磁界結合が疎となり、さらに、図14(c)に示すように、給電コイル31Cは、送電コイル32よりさらに小径のコイル径であるため、送電コイル32との磁界結合が最も疎となる。このような構成により、スイッチ91a、91bの切替制御により、給電コイル31A、31B、31Cの少なくとも何れか1つに選択的に電力が供給されるため、給電コイル31と送電コイル32との結合強さ(結合係数)を調整することができる。 At this time, the magnetic field coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 becomes tighter as the difference in coil diameter decreases. Therefore, as shown in FIG. 14( a), the power supply coil 31A has approximately the same coil diameter as the power transmission coil 32, and therefore has the tightest magnetic field coupling with the power transmission coil 32. As shown in FIG. 14( b), the power supply coil 31B has a smaller coil diameter than the power transmission coil 32, and therefore has a looser magnetic field coupling with the power transmission coil 32. Furthermore, as shown in FIG. 14( c), the power supply coil 31C has an even smaller coil diameter than the power transmission coil 32, and therefore has the loosest magnetic field coupling with the power transmission coil 32. With this configuration, power is selectively supplied to at least one of the power supply coils 31A, 31B, and 31C by controlling the switching of the switches 91 a and 91 b, so the strength of coupling (coupling coefficient) between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 can be adjusted.
また、上述した実施形態では、インピーダンスの虚部をゼロにして無効電力の発生を抑制するために、給電コイル31、送電コイル32及び受電コイル41を全て共振状態とした場合を例に説明した。しかしながら、例えば、給電コイル31にコンデンサ33を接続させない場合であっても、入力インピーダンスに無効電力が生じるものの、送電自体は可能であるから、送電コイル32及び受電コイル41のみを共振状態としても構わない。 In the above-described embodiment, the power supply coil 31, power transmission coil 32, and power receiving coil 41 are all placed in a resonant state in order to reduce the imaginary part of the impedance to zero and suppress the generation of reactive power. However, even if the capacitor 33 is not connected to the power supply coil 31, for example, reactive power will be generated in the input impedance, but power transmission itself is still possible. Therefore, only the power transmission coil 32 and power receiving coil 41 may be placed in a resonant state.
また、上述した実施形態では、ワイヤレス給電システム1を、給電コイル31、送電コイル32及び受電コイル41を備えている3コイルシステムの構成を例に説明したが、給電コイル31を設けず、送電コイル32及び受電コイル41のみを有する2コイルシステムのワイヤレス給電システムとしてもよい。この場合には、送電コイル32を複数の送電コイル部に分割し、各送電コイル部と受電コイル41との相対位置を変える構成とすることで、負荷側インピーダンスを制御することができる。 In addition, in the above-described embodiment, the wireless power supply system 1 has been described as a three-coil system configuration including the power supply coil 31, the power transmission coil 32, and the power receiving coil 41. However, the wireless power supply system may also be a two-coil system having only the power transmission coil 32 and the power receiving coil 41 without the power supply coil 31. In this case, the load-side impedance can be controlled by dividing the power transmission coil 32 into multiple power transmission coil sections and changing the relative positions of each power transmission coil section and the power receiving coil 41.
なお、送電コイル32及び受電コイル41から成る2コイルシステムは、負荷側インピーダンスを変動させるために、送電コイル32の位置を移動させると、送電コイル32のコイル軸32aと受電コイル41のコイル軸とが同軸に位置せずに送電効率が低下する虞があるのに対し、給電コイル31、送電コイル32及び受電コイル41から成る3コイルシステムは、給電コイル31を介して送電コイル32に送電することにより、送電コイル32と受電コイル41との位置関係を変えることなく、給電コイル31と送電コイル32との磁気結合の結合強さを調整することで、負荷側インピーダンスを制御することができ、良好な送電効率を維持することができる。 In a two-coil system consisting of a power transmission coil 32 and a power receiving coil 41, if the position of the power transmission coil 32 is moved to vary the load-side impedance, the coil axis 32a of the power transmission coil 32 and the coil axis of the power receiving coil 41 will not be aligned coaxially, which could result in a decrease in power transmission efficiency. In contrast, a three-coil system consisting of a power supply coil 31, a power transmission coil 32, and a power receiving coil 41 transmits power to the power transmission coil 32 via the power supply coil 31, and by adjusting the strength of the magnetic coupling between the power supply coil 31 and the power transmission coil 32 without changing the relative positions of the power transmission coil 32 and the power receiving coil 41, it is possible to control the load-side impedance and maintain good power transmission efficiency.
また、上述した実施形態では、ワイヤレス給電システム1を、給電コイル31、送電コイル32及び受電コイル41を備えている3コイルシステムの構成を例に説明したが、受電コイル41に加えて第2受電コイルを備えた4コイルシステムを採用したワイヤレス給電システムの構成としても良い。この場合には、受電コイル41は、送電コイル32とほぼ等しい共振周波数に設定され、磁界共鳴方式により電力が伝送される。受電コイル41と第2受電コイルは非接触に配置され、電磁結合(電磁誘導)方式又は磁界共鳴方式により電力が伝送される。なお、4コイルシステムは、送電コイル32及び受電コイル41が、他の電気回路と独立した共振用のコイルであるため、駆動中に共振周波数が変化することがないため設計が容易であり、また電力の伝送距離を長くすることができる。 In the above-described embodiment, the wireless power transfer system 1 has been described as a three-coil system including the power transfer coil 31, the power transmission coil 32, and the power receiving coil 41. However, the wireless power transfer system may also be configured as a four-coil system including a second power receiving coil in addition to the power receiving coil 41. In this case, the power receiving coil 41 is set to a resonant frequency approximately equal to that of the power transmitting coil 32, and power is transferred using magnetic field resonance. The power receiving coil 41 and the second power receiving coil are arranged in a non-contact manner, and power is transferred using electromagnetic coupling (electromagnetic induction) or magnetic field resonance. In a four-coil system, the power transmitting coil 32 and the power receiving coil 41 are resonant coils independent of other electrical circuits, so the resonant frequency does not change during operation, making the design easier and enabling a longer power transmission distance.
また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、上記以外にも種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。 Furthermore, the present invention can be modified in various ways other than those described above without departing from the spirit of the present invention, and it goes without saying that the present invention also covers such modifications.
1 :ワイヤレス給電システム
11 :ワイヤレス送電システム
2 :給電対象物
3 :送電装置
31 :給電コイル
31A~31H:給電コイル
31a~31c:(給電コイルの)コイル軸
32 :送電コイル
32a:(送電コイルの)コイル軸
33、34:コンデンサ
35 :給電側共振回路
36 :送電側共振回路
4 :受電装置
41 :受電コイル
42 :コンデンサ
43 :受電側共振回路
5 :交流電源(電源装置)
6 :整流回路
61 :ダイオード
62 :コンデンサ
7 :DC-DCコンバータ
8 :負荷
9 :インピーダンスマッチング機構
91a、91b:スイッチ
92 :コントローラ
93 :記憶部
94 :制御部
95 :測定部
96 :直動機構
96a:プランジャー
96b:ケース
IE :入力端
1: Wireless power feeding system 11: Wireless power transmission system 2: Power feeding target object 3: Power transmitting device 31: Power feeding coils 31A to 31H: Power feeding coils 31a to 31c: Coil axis (of power feeding coil) 32: Power transmitting coil 32a: Coil axis (of power transmitting coil) 33, 34: Capacitor 35: Power feeding side resonant circuit 36: Power transmitting side resonant circuit 4: Power receiving device 41: Power receiving coil 42: Capacitor 43: Power receiving side resonant circuit 5: AC power supply (power supply device)
6: Rectifier circuit 61: Diode 62: Capacitor 7: DC-DC converter 8: Load 9: Impedance matching mechanism 91a, 91b: Switch 92: Controller 93: Storage unit 94: Control unit 95: Measuring unit 96: Linear motion mechanism 96a: Plunger 96b: Case IE: Input terminal
Claims (6)
送電コイルを含む送電側共振回路と、前記送電コイルと磁界結合可能に設けられ、入力端から供給される電力を磁界共鳴方式により前記送電コイルに送電する複数の給電コイルと、を備えている送電装置と、
受電コイルを含む受電側共振回路を備え、前記受電コイルが受電した電力を負荷に供給する受電装置と、
前記送電装置の入力端から負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと、前記送電装置の入力端から電源装置側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和するインピーダンス処理を行うインピーダンスマッチング機構と、
を備え、
複数の前記給電コイルは、前記送電コイルとの磁界結合における結合強さがそれぞれ異なるように設定され、互いに並列に接続されて前記送電コイルに電力を送電し、
前記インピーダンスマッチング機構は、複数の前記給電コイルの少なくとも1つに電力を供給し、
複数の前記給電コイルは、互いに異なる向きに設定されて、前記送電コイルのコイル軸に対する角度がそれぞれ異なるコイル軸をそれぞれ備えていることを特徴とするワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system that transmits and receives power using magnetism,
a power transmitting device including: a power transmitting-side resonant circuit including a power transmitting coil; and a plurality of power feeding coils that are arranged to be magnetically coupled with the power transmitting coil and feed power supplied from an input terminal to the power transmitting coil by a magnetic field resonance method;
a power receiving device including a power receiving side resonant circuit including a power receiving coil, the power receiving device supplying the power received by the power receiving coil to a load;
an impedance matching mechanism that performs impedance processing to reduce the difference between a load-side impedance, which is the impedance of a circuit from an input end of the power transmitting device to a load side, and an input-side impedance, which is the impedance of a circuit from the input end of the power transmitting device to a power supply device side;
Equipped with
the plurality of power supply coils are set to have different coupling strengths in magnetic field coupling with the power transmission coil, are connected in parallel with each other, and transmit power to the power transmission coil;
the impedance matching mechanism supplies power to at least one of the plurality of power supply coils ;
a plurality of the power supply coils are oriented in different directions and have coil axes that are angled differently relative to the coil axis of the power transmission coil ;
送電コイルを含む送電側共振回路と、前記送電コイルと磁界結合可能に設けられ、入力端から供給される電力を磁界共鳴方式により前記送電コイルに送電する複数の給電コイルと、を備えている送電装置と、
受電コイルを含む受電側共振回路を備え、前記受電コイルが受電した電力を負荷に供給する受電装置と、
前記送電装置の入力端から負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと、前記送電装置の入力端から電源装置側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和するインピーダンス処理を行うインピーダンスマッチング機構と、
を備え、
複数の前記給電コイルは、前記送電コイルとの磁界結合における結合強さがそれぞれ異なるように設定され、互いに並列に接続されて前記送電コイルに電力を送電し、
前記インピーダンスマッチング機構は、複数の前記給電コイルの少なくとも1つに電力を供給し、
複数の前記給電コイルは、前記送電コイルのコイル軸と略平行で且つ互いに異なる距離だけオフセットされたコイル軸をそれぞれ備えていることを特徴とするワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system that transmits and receives power using magnetism,
a power transmitting device including: a power transmitting-side resonant circuit including a power transmitting coil; and a plurality of power feeding coils that are arranged to be magnetically coupled with the power transmitting coil and that feed power supplied from an input terminal to the power transmitting coil by a magnetic field resonance method;
a power receiving device including a power receiving side resonant circuit including a power receiving coil, the power receiving device supplying the power received by the power receiving coil to a load;
an impedance matching mechanism that performs impedance processing to reduce the difference between a load-side impedance, which is the impedance of a circuit from an input end of the power transmitting device to a load side, and an input-side impedance, which is the impedance of a circuit from the input end of the power transmitting device to a power supply device side;
Equipped with
the plurality of power supply coils are set to have different coupling strengths in magnetic field coupling with the power transmission coil, are connected in parallel with each other, and transmit power to the power transmission coil;
the impedance matching mechanism supplies power to at least one of the plurality of power supply coils ;
a plurality of the power supply coils each having a coil axis that is substantially parallel to a coil axis of the power transmission coil and offset by different distances from each other ;
送電コイルを含む送電側共振回路と、前記送電コイルと磁界結合可能に設けられ、入力端から供給される電力を磁界共鳴方式により前記送電コイルに送電する複数の給電コイルと、を備えている送電装置と、
受電コイルを含む受電側共振回路を備え、前記受電コイルが受電した電力を負荷に供給する受電装置と、
前記送電装置の入力端から負荷側の回路のインピーダンスである負荷側インピーダンスと、前記送電装置の入力端から電源装置側の回路のインピーダンスである入力側インピーダンスとの差分を緩和するインピーダンス処理を行うインピーダンスマッチング機構と、
を備え、
複数の前記給電コイルは、前記送電コイルとの磁界結合における結合強さがそれぞれ異なるように設定され、互いに並列に接続されて前記送電コイルに電力を送電し、
前記インピーダンスマッチング機構は、複数の前記給電コイルの少なくとも1つに電力を供給し、
複数の前記給電コイルは、略同軸上に配置されたコイル軸をそれぞれ備え、
各給電コイルのコイル径及びコイル高さは、それぞれ異なるように設定されていることを特徴とするワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system that transmits and receives power using magnetism,
a power transmitting device including: a power transmitting-side resonant circuit including a power transmitting coil; and a plurality of power feeding coils that are arranged to be magnetically coupled with the power transmitting coil and feed power supplied from an input terminal to the power transmitting coil by a magnetic field resonance method;
a power receiving device including a power receiving side resonant circuit including a power receiving coil, the power receiving device supplying the power received by the power receiving coil to a load;
an impedance matching mechanism that performs impedance processing to reduce the difference between a load-side impedance, which is the impedance of a circuit from an input end of the power transmitting device to a load side, and an input-side impedance, which is the impedance of a circuit from the input end of the power transmitting device to a power supply device side;
Equipped with
the plurality of power supply coils are set to have different coupling strengths in magnetic field coupling with the power transmission coil, are connected in parallel with each other, and transmit power to the power transmission coil;
the impedance matching mechanism supplies power to at least one of the plurality of power supply coils ;
the plurality of power supply coils each have a coil axis that is arranged substantially coaxially,
A wireless power supply system characterized in that the coil diameters and coil heights of the respective power supply coils are set to be different from one another .
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