(57)【要約】【課題】受電機器から電力情報を受信して制御するので、複数の受電機器を同時に使うと、電力制御の更新周期が長くなり、回転機器では回転ムラが生じる。【解決手段】給電コイル２１ｃと共振コンデンサ２２ｃに高周波電流を供給するインバータ２３ｃと、インバータへ電圧を供給する直流電圧変換部２４ｃと、商用電源へ戻される無効電力を測定する第一の電力測定部２５ｃと、給電コイルに流れる遅相無効電力を測定する第二の電力測定部２６ｃと、共振コンデンサに流れる進相無効電力を測定する第三の電力測定部２７ｃと、インバータを制御する制御部２８ｃと、を備え、制御部は、第一の電力測定部が測定した無効電力と、第二の電力測定部が測定した遅相無効電力および第三の電力測定部が測定した進相無効電力に基づいて、進相無効電力と遅相無効電力が概等しく、且つ、商用電源へ戻される無効電力の値が最小となるようにインバータを制御する。【選択図】図１
2018137914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触受電機器を載置するための給電プレートと、
前記給電プレートの下方に配置された複数の給電コイルと、
複数の共振コンデンサと、
前記給電コイルおよび前記共振コンデンサに高周波電流を供給するインバータと、
前記インバータへ商用電源の交流電圧を直流電圧に変換して供給する直流電圧変換部と、有効電力と前記直流電圧変換部から商用電源へ戻される無効電力を測定する第一の電力測定部と、
前記給電コイルに流れる遅相無効電力を測定する第二の電力測定部と、
前記共振コンデンサに流れる進相無効電力を測定する第三の電力測定部と、
前記インバータの出力を制御する制御部と、
前記制御部に対する動作指令を出力する操作表示部と、
を備え、
前記制御部は、前記第一の電力測定部が測定した無効電力と、前記第二の電力測定部が測定した遅相無効電力および前記第三の電力測定部が測定した進相無効電力に基づいて、進相無効電力と遅相無効電力が概等しく、且つ、商用電源へ戻される無効電力の値が最小となるように前記インバータの出力を制御するように構成された非接触電力伝達装置。
【請求項２】
制御部は、進相無効電力と遅相無効電力が概等しくならない場合は、インバータを保護するために停止する請求項１に記載の非接触電力伝達装置。
【請求項３】
制御部は、タイマー部により給電動作開始からの経過時間を計測し、所定の時間が経過しても進相無効電力と遅相無効電力が概等しくならない場合は、インバータを保護するために停止する請求項１または２に記載の非接触電力伝達装置。
【請求項４】
制御部は、進相無効電力と遅相無効電力の差が所定の値以上の場合は、過大な電圧からインバータを保護するために停止する請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、高周波電磁界を利用して非接触受電機器に電力を給電する非接触電力伝達装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の非接触電力伝達装置は、非接触で電力を給電する給電部と、この電力を受電する非接触受電機器から負荷状態を含む信号を非接触で受信する受信部と、受信した負荷状態に応じて給電する電力量や周波数を調整する電力制御部を備え、常に最適な効率で電力を伝達するように制御を行っていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
あるいは、他の非接触電力伝達装置として、給電部側の状態を検出するだけで、負荷情報を受電機器側から送電機側へ伝送する無線通信部を不要にする方式も提案されていた（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
図７は、特許文献２記載された従来の非接触電力伝達装置のシステム構成を示すものである。図７に示すように、送電機２００は、整合検出部２３０によって検出した交流信号の変動に基づいて、送電コイルと共振コンデンサからなる送電共振器２４０の入力インピーダンスと、交流電源２１０の出力インピーダンスとを整合させる整合回路２２０を制御するインピーダンス制御部２５０を備えている。インピーダンス調整に際しては、受電機３００側の負荷３３０の情報を、送電機２００側へ信号伝送する必要がないように構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１９６０２８号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３５１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の非接触電力伝達装置の構成では、複数の非接触受電機器を同時に使える仕様としたとき、非接触受電機器ごとに給電仕様（共振周波数、消費電力など）が異なるため、どの非接触受電機器からの信号かを判別するため機器ＩＤを付与すると共に、該当する機器ＩＤの非接触受電機器にのみ送信を許可するプロトコルが必要となる。このため、非接触受電機器から受電している電力情報を受信する周期、すなわち、電力制御の更新周期は必然的に長くなり、例えば、非接触受電機器が、ブレンダーのような回転機器では回転ムラが生じるという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、複数の給電コイルで、複数の非接触受電機器へ同時に給電を行う場合でも、非接触受電機器から受電電力の情報を受信しなくても、給電装置側で非接触受電機器へ給電する電力を所定の値に制御することができる非接触電力伝達装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明に係る非接触電力伝達装置は、
非接触受電機器を載置するための給電プレートと、
前記給電プレートの下方に配置された複数の給電コイルと、
複数の共振コンデンサと、
前記給電コイルおよび前記共振コンデンサに高周波電流を供給するインバータと、
前記インバータへ商用電源の交流電圧を直流電圧に変換して供給する直流電圧変換部と、有効電力と前記直流電圧変換部から商用電源へ戻される無効電力を測定する第一の電力測定部と、
前記給電コイルに流れる遅相無効電力を測定する第二の電力測定部と、
前記共振コンデンサに流れる進相無効電力を測定する第三の電力測定部と、
前記インバータの出力を制御する制御部と、
前記制御部に対する動作指令を出力する操作表示部と、
を備え、
前記制御部は、前記第一の電力測定部が測定した無効電力と、前記第二の電力測定部が測定した遅相無効電力および前記第三の電力測定部が測定した進相無効電力に基づいて、進相無効電力と遅相無効電力が概等しく、且つ、商用電源へ戻される無効電力の値が最小となるように前記インバータの出力を制御するように構成されたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の非接触電力伝達装置は、複数の給電コイルで、複数の非接触受電機器へ同時に給電を行う場合でも、非接触受電機器から受電電力の情報を受信しなくても、給電装置側で非接触受電機器へ給電する電力を所定の値に制御することができる。従って、複数の非接触受電機器を同時に使える仕様としても、電力制御の更新周期が長くならず、ブレンダーのような回転機器も安定して回転させることが可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における非接触電力伝達装置を示す要部ブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における非接触電力伝達装置を示す模式平面図
【図３】本発明の実施の形態１における非接触電力伝達装置の等価回路図
【図４】本発明の実施の形態１における非接触電力伝達装置の周波数と電力伝達効率の関係を示す特性図
【図５】本発明の実施の形態１における非接触電力伝達装置の給電コイルの電圧と電流の位相差を例示する波形図
【図６】本発明の実施の形態２における非接触電力伝達装置を示す要部ブロック図
【図７】従来の非接触電力伝達装置の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る第１の態様の非接触電力伝達装置は、
非接触受電機器を載置するための給電プレートと、
前記給電プレートの下方に配置された複数の給電コイルと、
複数の共振コンデンサと、
前記給電コイルおよび前記共振コンデンサに高周波電流を供給するインバータと、
前記インバータへ商用電源の交流電圧を直流電圧に変換して供給する直流電圧変換部と、有効電力と前記直流電圧変換部から商用電源へ戻される無効電力を測定する第一の電力測定部と、
前記給電コイルに流れる遅相無効電力を測定する第二の電力測定部と、
前記共振コンデンサに流れる進相無効電力を測定する第三の電力測定部と、
前記インバータの出力を制御する制御部と、
前記制御部に対する動作指令を出力する操作表示部と、
を備え、
前記制御部は、前記第一の電力測定部が測定した無効電力と、前記第二の電力測定部が測定した遅相無効電力および前記第三の電力測定部が測定した進相無効電力に基づいて、進相無効電力と遅相無効電力が概等しく、且つ、商用電源へ戻される無効電力の値が最小となるように前記インバータの出力を制御するように構成されたものである。
【００１２】
上記のように構成された本発明に係る非接触電力伝達装置は、給電プレートに複数の給電コイルで複数の非接触受電機器へ同時に給電を行う場合でも、非接触受電機器から受電電力の情報を受信しなくても、給電装置側で非接触受電機器へ給電する電力を所定の値に制御することができる。
【００１３】
第２の発明は、特に、第１の発明において、制御部は、進相無効電力と遅相無効電力が概等しくならない場合は、インバータを保護するために停止するように構成されたものである。
【００１４】
これにより、インバータに用いるパワー半導体素子などへの過大な電圧の印加や、過大な電流が流れることを防止することができる。
【００１５】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、制御部は、タイマー部により給電動作開始からの経過時間を計測し、所定の時間が経過しても進相無効電力と遅相無効電力が概等しくならない場合は、インバータを保護するために停止するように構成されたものである。
【００１６】
これにより、インバータに用いるパワー半導体素子などが発熱により破壊されることを防止することができる。
【００１７】
第４の発明は、特に、第１から第３のいずれか１つの発明において、制御部は、進相無効電力と遅相無効電力の差が所定の値以上の場合は、過大な電圧からインバータを保護するために停止するように構成されたものである。
【００１８】
これにより、非接触受電機器へ所定電力値以上の不要な電力の給電や、受電電波形が異様に歪むことを防止することができる。
【００１９】
以下、本発明に係る非接触電力伝達装置の一実施の形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。例えば、既に良く知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００２０】
なお、発明者は、当業者が本発明を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するものであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１の非接触電力伝達装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１における非接触電力伝達装置を示す要部ブロック図であり、非接触電力伝達装置に１台の非接触受電機器が載置され、１個の給電コイルから給電した場合を例示している。図２は、本発明の実施の形態１における非接触電力伝達装置を示す模式平面図であり、非接触電力伝達装置に２台の非接触受電機器が載置された場合を例示している。図３は、本発明の実施の形態１における非接触電力伝達装置の等価回路図、図４は、本発明の実施の形態１における非接触電力伝達装置の周波数と電力伝達効率の関係を示す特性図、図５は、本発明の実施の形態１における非接触電力伝達装置の給電コイルの電圧と電流の位相差を例示する波形図である。
【００２２】
図１に示すように、本開示に係る実施の形態１の非接触受電機器１０は、受電コイル１２と、共振コンデンサ１３、負荷部１４とを備える。負荷部１４としては、例えば、ヒー
タなどの加熱装置やモータなどの回転装置と、それらの装置を駆動する駆動回路と、駆動回路などを制御する制御回路など（図示せず）が含まれる。
【００２３】
一方の非接触電力伝達装置の給電側は、図１および図２に示すように、非接触受電機器１０を載置可能で透磁性材料で作られた給電プレート１５と、給電プレート１５に印刷された非接触受電機器１０を載置する位置をガイダンスするための載置領域表示部１６とを備えている。また、給電プレート１５の下方に配置されて非接触受電機器１０に電力を供給する複数の給電コイル２１ａ〜２１ｋと、複数の給電コイル２１ａ〜２１ｋのそれぞれに接続された複数の共振コンデンサ２２ａ〜２２ｋと、複数の給電コイル２１ａ〜２１ｋと複数の共振コンデンサ２２ａ〜２２ｋのそれぞれに高周波電流を供給する電流型インバータ２３ａ〜２３ｋと、を備えている。また、インバータ２３ａ〜２３ｋのそれぞれへ商用電源１７の交流電圧を直流電圧に変換して供給する直流電圧変換部２４ａ〜２４ｋと、を備えている。さらに、有効電力と直流電圧変換部２４ａ〜２４ｋから商用電源１７へ戻される無効電力をそれぞれに測定する第一の電力測定部２５ａ〜２５ｋと、給電コイル２１ａ〜２１ｋに流れる遅相無効電力をそれぞれに測定する第二の電力測定部２６ａ〜２６ｋと、共振コンデンサ２２ａ〜２２ｋに流れる進相無効電力をそれぞれに測定する第三の電力測定部２７ａ〜２７ｋと、を備えている。インバータ２３ａ〜２３ｋの出力をそれぞれに制御する制御部２８ａ〜２８ｋと、使用者の操作に応じて制御部２８ａ〜２８ｋに対して、所定電力の供給開始又は停止の動作指令を出力する操作表示部２９と、を備えている。
【００２４】
なお、給電プレート１５は傷等が付きにくい強度を有する材料を用いることが好ましく、例えば、結晶化ガラスやセラミック、あるいは、汎用エンジニアプラスチックなどが適している。
【００２５】
実施の形態１では、給電コイル２１ａ〜２１ｋはインバータ２３ａ〜２３ｋの高周波出力により励起されて高周波電磁界を発生させ、非接触受電機器１０の受電コイル１２は、対向する任意の数の給電コイル２１ａ〜２１ｋのいずれかの給電コイル２１ａ〜２１ｋから高周波電磁界による磁束が鎖交して電流が流れ、非接触で電力を受電し、負荷部１４に電力を供給するように構成している。
【００２６】
図２に示すように、複数の給電コイル２１ａ〜２１ｋは、各々がリング状に形成されており、給電プレート１５の直下において、所定間隔を有してマトリクス状に並んで配設されている。また、左縦列に４個、中央縦列に３個、右縦列に４個、合計１１個の給電コイル２１ａ〜２１ｋを並べて配設している。なお、図２に示す給電コイル２１ａ〜２１ｋは、説明を容易にするために上面から目視可能に模式的に記載したが、本実施の形態では、上面から目視可能ではない。なお、給電コイル２１ａ〜２１ｋの形状と、配列の方法は本実施の形態１の構成だけに制限されるものではない。
【００２７】
また、使用者が視認可能な表示部である載置領域表示部１６は、非接触受電機器１０に電力を供給する複数の給電コイル２１ａ〜２１ｋのそれぞれに対応してその近傍に配置されており、合計１１個が配設されている。
【００２８】
なお、図２では、非接触受電機器１０が給電コイル２１ｃに対向する位置に載置している状態を示しており、非接触受電機器１１が給電コイル２１ｉと給電コイル２１ｊに対向する位置に載置している状態を示している。
【００２９】
また、図１では、非接触受電機器１０の受電コイル１２が給電コイル２１ｃに対向する位置に載置している状態を示しており、給電コイル２１ｃに接続された共振コンデンサ２２ｃと、給電コイル２１ｃと共振コンデンサ２２ｃに高周波電流を供給する電流型インバ
ータ２３ｃと、インバータ２３ｃのそれぞれへ商用電源１７の交流電圧を直流電圧に変換して供給する直流電圧変換部２４ｃと、を備えている。さらに、有効電力と直流電圧変換部２４ｃから商用電源１７へ戻される無効電力をそれぞれに測定する第一の電力測定部２５ｃと、給電コイル２１ｃに流れる遅相無効電力をそれぞれに測定する第二の電力測定部２６ｃと、共振コンデンサ２２ｃに流れる進相無効電力をそれぞれに測定する第三の電力測定部２７ｃと、を備えている。また、インバータ２３ｃの出力をそれぞれに制御する制御部２８ｃと、使用者の操作に応じて制御部２８ｃに対して、所定電力の供給開始又は停止の動作指令を出力する操作表示部２９と、を備えている。
【００３０】
［非接触電力伝達における理論特性］
このような構成で非接触電力伝達を行う場合、一般的には、給電コイルと受電コイルとの距離が遠く離れた（垂直方向の空間ギャップが大きく、あるいは、平面上の相対位置が大きくずれて載置された）場合は、給電コイルから発生した磁束の大半は受電側と結合することはない、すなわち電力伝達に寄与しないことになる。そして、電力の大半は消費されることなく商用電源１７へ無効電力として戻されることになる。このような構成の直結型の磁界共振結合における等価回路を図３に示す。
【００３１】
図３の等価回路で、商用電源と直流電圧変換部、および、インバータはＺ１とｅの直列回路で、給電コイルはＬ１とＣ１とＲ１の直列回路で表している。同様に、受電コイルはＬ２とＣ２とＲ２の直列回路で、負荷部はＺ２で表している。そして、二つのＬＣＲ直列回路が相互インダクタンスＭで結合している。
【００３２】
また、このような等価回路において、電源から負荷への電力伝達効率の周波数特性は、図４に例示するように、給電コイルと受電コイルが近接して相互インダクタンスＭが十分に大きい時には図４（ａ）に示すように２つの共振周波数ｆ１、ｆ２が存在し、給電コイルと受電コイルが離れて相互インダクタンスＭが所定の値より小さくなると図４（ｂ）に示すように１つの共振周波数ｆ０になる。そして、さらにコイル同士が離れていくにつれて共振周波数は変わらずに電力伝達効率が落ちてゆくという特性を持っている。
【００３３】
インダクタンスＬ１の回路とインダクタンスＬ２の回路間の相互インダクタンスＭの場合、その回路間の結合係数ｋは、下記の（数１）のように定義される。
【００３４】
【数１】
2018137914.tif 000003
【００３５】
上記の共振周波数が１つになる境界条件となる回路間の結合係数ｋｃは、給電コイルのＱ値をＱ１、受電コイルのＱ値をＱ２、給電コイルと受電コイル間の結合係数をｋＬ１Ｌ２の場合、下記の（数２）となることを回路解析的に説明することができる。
【００３６】
【数２】
2018137914.tif 000004
【００３７】
つまり、（数１）の結合係数ｋが（数２）の結合係数ｋｃより小さい時に図４（ｂ）に示すように１つの共振周波数ｆ０になる。
【００３８】
また、結合係数ｋとＱ２の積が１０より大きいときに８０％以上の効率で電力を伝達できることが理論的に示されている。従って、本実施の形態１の非接触電力伝達装置では、所定の値以上のＱ値の受電コイルを設計製作し、給電コイルと受電コイル間の空間ギャップも広め（所定の値）にして結合係数が小さくなるように構成している。
【００３９】
［無効電力の測定］
無効電力は瞬時電流と、位相を９０°遅らせて入力した瞬時電圧と、力率角の正弦との積を、商用電源の１周期での積算することで求められる。従って、無効電力をＱｐ、瞬時電力をｐ、力率角をφの場合、下記の（数３）のように表され、ひずみ波でも無効電力を測定することができる。
【００４０】
【数３】
2018137914.tif 000005
【００４１】
また、共振周波数ｆｒにおいては、下記の（数４）となり、インピーダンスは最小値となるため、同じ量の磁束からより多くの電力を取り出すことができる。
【００４２】
【数４】
2018137914.tif 000006
【００４３】
本発明の実施の形態１では非接触受電機器から受電電力の情報を受信することなく、給電装置側で非接触受電機器へ給電する電力を所定の値に制御するために、上記した説明の無効電力の測定値を用いる。すなわち、電力伝達に寄与せず商用電源１７へ戻される電力量が最小となるようにインバータを制御する。
【００４４】
第一の電力測定部２５ａ〜２５ｋで、直流電圧変換部２４ａ〜２４ｋから商用電源１７へ戻される無効電力（すなわち、逆潮流）Ｑｐａ〜Ｑｐｋを上記の（数３）を用いて測定している。乗算方式としては、部品点数が少なく安価な低速時分割方式、あるいは、高速Ａ／Ｄコンバータを用いたデジタル乗算方式を用いることができる。
【００４５】
給電コイル２１ａ〜２１ｋに流れる電流の位相は電圧より遅れるので、第二の電力測定部２６ａ〜２６ｋではこの給電コイル２１ａ〜２１ｋに流れる遅相無効電力Ｑｌａ〜Ｑｌｋを測定している。
【００４６】
共振コンデンサ２２ａ〜２２ｋに流れる電流の位相は電圧より進むので、第三の電力測定部２７ａ〜２７ｋではこの共振コンデンサ２２ａ〜２２ｋに流れる進相無効電力Ｑｃａ〜Ｑｃｋを測定している。
【００４７】
図５は本発明の実施の形態１の非接触電力伝達装置における給電コイルの電圧と電流の位相差を例示する波形図であり、図５（ａ）に力率が良い場合と、図５（ｂ）に力率が悪い場合のインバータの出力電圧（ｖ１、ｖ２）と電流（ｉ１、ｉ２）の関係を例示する。
【００４８】
図５において、給電コイルの漏れインダクタンスが大きすぎると電圧位相に対して電流位相が遅れて（図５（ｂ）に示すφ２）、無効電流が多くなり（図５（ｂ）に示すｉ２）、効率も悪化する。従って、電圧位相と電流位相は近いほうが良い（図５（ａ）に示すφ１）が、給電コイルと受電コイルは給電プレートや非接触受電機器の筐体外郭などを挟んで対向しているため、漏れインダクタンスは必然的に大きくなる。そこで、共振コンデンサをコイルと直列に接続し共振回路とする。共振回路では共振周波数でコイルからコンデンサへとエネルギーが出入りすることになり、上記の電力伝達に寄与しない磁界成分、すなわち、無効電力を供給することができる。商用電源は主に非接触受電機器へ伝達される電力と、共振回路の損失分だけを供給すればよい。このため、無効電流が多い状態でも８０％程度の効率で電力を伝達することができる。
【００４９】
なお、本発明の実施の形態１において、非接触受電機器の定格消費電力を非接触で給電することを本給電と呼称する。この本給電に先立って、非接触受電機器の載置状態（載置の有無、給電コイルと受電コイルの平面上の相対的な位置ズレ、給電コイルと受電コイルの垂直方向の空間ギャップ）の影響を測定しながら本給電の電力よりも１桁以下の微小な電力を給電することを予備給電と呼称する。
【００５０】
以上のように構成された実施の形態１の非接触電力伝達装置について、以下その給電動作及び作用について説明する。
【００５１】
［給電準備］
まず、使用者が操作表示部２９の「電源入ボタン」を操作すると、載置領域表示部１６が給電プレート１５に非接触受電機器１０を載置する位置をガイダンスする。使用者が載置領域表示部１６を参照しながら、図２に示すように、非接触受電機器１０を給電コイル２１ｃに対向する位置に載置する。使用者は操作表示部２９によって、給電コイル２１ｃのアイコンと、非接触受電機器１０の種別に該当する「種別アイコン」を選択して、載置位置と種別を指示する（アイコン類とボタン類は図示せず。）。
【００５２】
次に、使用者が操作表示部２９の給電開始ボタンを操作すると、操作表示部２９は給電コイル２１ｃに接続された制御部２８ｃに対して給電指令を出力する。制御部２８ｃは、上記の給電指令を入力すると、給電に関する一連のシーケンス動作を開始する。
【００５３】
［予備給電］
商用電源１７の交流電圧は直流電圧変換部２４ｃ内のダイオードブリッジと平滑コンデンサを用いて直流に変換され、チョークコイルを介してインバータ２３ｃへ入力されている。制御部２８ｃの出力に基づいて、インバータ２３ｃ内の半導体スイッチを用いて２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波電力に変換し、例えば１Ｗ〜１０Ｗまでの高周波電力が給電コイル２１ｃと共振コンデンサ２２ｃの並列回路に供給される（この電力を供給することを予備給電と呼称する。）。
【００５４】
給電コイル２１ｃがインバータ２３の出力により励起されて高周波磁界を発生させる。給電プレート１５に載置されている非接触受電機器１０の受電コイル１２に、発生した高周波磁界による磁束が鎖交して電流が流れ、非接触受電機器１０において非接触で電力を受電することが可能となる。ただし、非接触受電機器１０が所望する有効電力に対して１桁以下の微小な電力を給電することとなるので、非接触受電機器１０の負荷部１４に実質的に影響を与えるものではない。
【００５５】
このとき、制御部２８ｃは、第一の電力測定部２５ｃが測定した有効電力と無効電力Ｑｐｃと、第二の電力測定部２６ｃが測定した遅相無効電力Ｑｌｃおよび第三の電力測定部
２７ｃが測定した進相無効電力Ｑｃｃを入力して、遅相無効電力Ｑｌｃと進相無効電力Ｑｃｃの値が概等しく、有効電力が設定された電力で、且つ、商用電源１７へ戻される無効電力Ｑｐｃの値が最小となるようにインバータ２３ｃの出力を制御する。詳細に説明すると、制御部２８ｃは、同じ量の磁束からより多くの電力を取り出すため、遅相無効電力Ｑｌｃと進相無効電力Ｑｃｃの値が概等しくすると共に、電力伝達効率を最大化するために、電力伝達に寄与せず商用電源１７へ戻される電力量が最小となるようにインバータ２３ｃを制御する。
【００５６】
本発明の実施の形態１では、第一の非接触受電機器１０が所望する電力（負荷部１４の消費電力）を非接触で電力伝達するのに最適な結合係数ｋｃ、および、コイルのＱ値Ｑ１、Ｑ２を設計して、共振周波数は１つになるように構成しているので、制御部２８ｃは、図４（ｂ）に示すグラフの右側（周波数の高い）から、あるいは、グラフの左側（周波数の低い）から、適当な刻み値で共振周波数ｆ０へ近づけるように制御するだけで良い。
【００５７】
制御部２８ｃは、遅相無効電力Ｑｌｃと進相無効電力Ｑｃｃの値が概等しく、且つ、無効電力Ｑｐｃの値が最小の制御状態が所定の時間継続したと判断した場合は、予備給電を終了し本給電に移行する。
【００５８】
［本給電］
制御部２８ｃの出力に基づいて、インバータ２３ｃ内の半導体スイッチを用いて２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波電力に変換し、非接触受電機器１０が所望する有効電力（例えば１０Ｗ〜１００Ｗまでの高周波電力）が給電コイル２１ｃと共振コンデンサ２２ｃの並列回路に供給される（この電力を供給することを本給電と呼称する。）。
【００５９】
給電コイル２１ｃがインバータ２３の出力により励起されて高周波磁界を発生させる。給電プレート１５に載置されている非接触受電機器１０の受電コイル１２に、発生した高周波磁界による磁束が鎖交して電流が流れ、非接触受電機器１０において非接触で電力を受電することが可能となる。
【００６０】
このとき、制御部２８ｃは、第一の電力測定部２５ｃが測定した有効電力と無効電力Ｑｐｃと、第二の電力測定部２６ｃが測定した遅相無効電力Ｑｌｃおよび第三の電力測定部２７ｃが測定した進相無効電力Ｑｃｃを入力して、遅相無効電力Ｑｌｃと進相無効電力Ｑｃｃの値が概等しく、有効電力が設定された電力で、且つ、商用電源１７へ戻される無効電力Ｑｐｃの値が最小となるようにインバータ２３ｃの出力を制御する。
【００６１】
［給電停止］
使用者が、操作表示部２９の「給電停止ボタン」を操作する。すると、操作表示部２９は給電停止指令を制御部２８ｃへ出力する。制御部２８ｃは、上記の給電停止指令を入力すると、インバータ２３ｃの動作を停止させて、給電に関する一連のシーケンス動作を停止させる。
【００６２】
［異常停止］
制御部２８ｃは、予備給電と本給電の動作時に遅相無効電力Ｑｌｃと進相無効電力Ｑｃｃの値が概等しくならない場合は、インバータ２３ｃを保護するために給電に関する一連のシーケンス動作を停止し、操作表示部２９に「給電エラー」を表示して、使用者へ知らせる。これにより、インバータ２３ｃに用いるパワー半導体素子などへの過大な電圧の印加や、過大な電流が流れることを防止することができる。
【００６３】
また、制御部２８ｃ内のタイマー部（図示せず）により、予備給電と本給電の動作時に給電動作開始からの経過時間を計測し、所定の時間が経過しても遅相無効電力Ｑｌｃと進
相無効電力Ｑｃｃの値が概等しくならない場合に制御部２８ｃは、インバータ２３ｃを保護するために給電に関する一連のシーケンス動作を停止し、操作表示部２９に「給電エラー」を表示して、使用者へ知らせる。これにより、インバータ２３ｃに用いるパワー半導体素子などが発熱により破壊されることを防止することができる。
【００６４】
さらに、遅相無効電力Ｑｌｃと進相無効電力Ｑｃｃの値の差が所定の値以上の場合に制御部２８ｃは、過大な電圧からインバータ２３ｃを保護するために給電に関する一連のシーケンス動作を停止し、操作表示部２９に「給電エラー」を表示して、使用者へ知らせる。これにより、非接触受電機器１０へ所定電力値以上の不要な電力の給電や、受電電波形が異様に歪むことを防止することができる。
【００６５】
以上のように、実施の形態１の非接触電力伝達装置において、第一の電力測定部２５ｃが測定した無効電力Ｑｐｃと、第二の電力測定部２６ｃが測定した遅相無効電力Ｑｌｃおよび第三の電力測定部２７ｃが測定した進相無効電力Ｑｃｃに基づいて、遅相無効電力Ｑｌｃと進相無効電力Ｑｃｃの値が概等しく（同じ量の磁束からより多くの電力を取り出す）、且つ、商用電源１７へ戻される無効電力Ｑｐｃの値が最小となる（電力伝達効率を最大化する）ようにインバータ２３ｃの出力を制御する。
【００６６】
なお、上記説明では、給電プレート１５に載置された１つの非接触受電機器１０に対して給電を行う場合を説明したが、給電プレート１５に載置された複数の非接触受電機器に対して同時に給電を行う場合においても、前述の動作、作用が複数の非接触受電機器のそれぞれに対して個別に同時に行われるものである。
【００６７】
これにより、給電プレートに複数の給電コイルで、複数の非接触受電機器へ同時に給電を行う場合でも、非接触受電機器から受電電力の情報を受信しなくても、給電装置側で非接触受電機器へ給電する電力を所定の値に制御することができる。
【００６８】
従って、複数の非接触受電機器を同時に使える仕様としても、電力制御の更新周期が長くならず、ブレンダーのような回転機器も安定して回転させることが可能となるものである。
【００６９】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２の非接触電力伝達装置について、図２と図６を参照しながら説明する。ここでは、実施の形態２では実施の形態１と異なる部分のみを説明し、実施の形態１と同一の構成要素については説明を省略する。図６は本発明の実施の形態１における非接触電力伝達装置に１台の非接触受電機器が載置され、２個の給電コイルから電力伝達した場合を例示する要部ブロック図である。なお、図２に示すように、複数の給電コイル２１ａ〜２１ｋはマトリクス状に並んで配設されているが、説明を容易にするために側面から目視可能に模式的に上下に記載した。
【００７０】
図６に示すように、本開示に係る実施の形態２の非接触受電機器１１は、受電コイル３０と、共振コンデンサ３１、負荷部３２とを備える。負荷部３２としては、例えば、ヒータなどの加熱装置やモータなどの回転装置と、それらの装置を駆動する駆動回路と、駆動回路などを制御する制御回路（図示せず）などが含まれる。
【００７１】
一方の非接触電力伝達装置の給電側は、図６に示すように、非接触受電機器１１を載置可能で透磁性材料で作られた給電プレート１５と、給電プレート１５の下方に配置されて非接触受電機器１１に電力を供給する複数の給電コイル２１ａ〜２１ｋと、複数の給電コイル２１ａ〜２１ｋのそれぞれに接続された複数の共振コンデンサ２２ａ〜２２ｋと、複数の給電コイル２１ａ〜２１ｋと複数の共振コンデンサ２２ａ〜２２ｋのそれぞれに高周
波電流を供給する電圧型インバータ３３ａ〜３３ｋと、インバータ３３ａ〜３３ｋのそれぞれへ商用電源１７の交流電圧を直流電圧に変換して供給する直流電圧変換部３４ａ〜３４ｋと、を備えている。さらに、直流電圧変換部３４ａ〜３４ｋから商用電源１７へ戻される第一の無効電力をそれぞれに測定する第一の電力測定部３５ａ〜３５ｋと、給電コイル２１ａ〜２１ｋと共振コンデンサ２２ａ〜２２ｋの直列回路に流れる第二の無効電力をそれぞれに測定する第四の電力測定部３６ａ〜３６ｋと、インバータ３３ａ〜３３ｋの出力をそれぞれに制御する制御部３８ａ〜３８ｋと、使用者の操作に応じて制御部３８ａ〜３８ｋに対して、所定電力の供給開始又は停止の動作指令を出力する操作表示部２９とを備える。
【００７２】
実施の形態２では、給電コイル２１ｉ、２１ｊはインバータ３３ｉ、３３ｊの高周波出力により励起されて高周波電磁界を発生させ、非接触受電機器１１の受電コイル３０は、この二つの高周波電磁界による合成磁束が鎖交して電流が流れ、非接触で電力を受電し、負荷部３２に電力を供給するように構成している。
【００７３】
ここで、第一の電力測定部３５ａ〜３５ｋは実施の形態１の第一の電力測定部２５ａ〜２５ｋと同じように有効電力と直流電圧変換部３４ａ〜３４ｋから商用電源１７へ戻される第一の無効電力を測定（逆潮流の測定）する。第四の電力測定部３６ａ〜３６ｋは給電コイル２１ａ〜２１ｋと共振コンデンサ２２ａ〜２２ｋの直列回路に流れる第二の無効電力を測定する。なお、本実施の形態では給電コイル２１ａ〜２１ｋに流れる遅相無効電力と、共振コンデンサ２２ａ〜２２ｋに流れる進相無効電力を分離してインバータ３３ａ〜３３ｋの制御に用いるため、力率角が進み位相の場合と、遅れ位相の場合で制御部内の測定結果の記憶メモリを無効電力の遅相成分Ｑｌｘと無効電力の進相成分Ｑｃｘに分けて、記憶するように構成している。
【００７４】
以上のように構成された実施の形態２の非接触電力伝達装置について、以下その給電動作及び作用について説明する。
【００７５】
［給電準備］
まず、使用者が操作表示部２９の「電源入ボタン」を操作すると、載置領域表示部１６が給電プレート１５に非接触受電機器１０を載置する位置をガイダンスする。使用者が載置領域表示部１６を参照しながら、図２に示すように、非接触受電機器１０を給電コイル２１ｉ、２１ｊに均等に対向する位置に載置する。使用者は操作表示部２９によって、給電コイル２１ｉ、２１ｊのそれぞれのアイコンと、第二の非接触受電機器１１の種別に該当する「種別アイコン」を選択して、載置位置と種別を指示する（アイコン類とボタン類は図示せず。）。
【００７６】
次に、使用者が操作表示部２９の給電開始ボタンを操作すると、操作表示部２９は給電コイル２１ｉ、２１ｊにそれぞれ接続された制御部３８ｉ、３８ｊに対して給電指令を出力する。制御部３８ｉ、３８ｊは、上記の給電指令を入力すると、給電に関する一連のシーケンス動作をそれぞれ開始する。
【００７７】
［予備給電］
商用電源１７の交流電圧は直流電圧変換部３４ｉ、３４ｊ内のダイオードブリッジと平滑コンデンサを用いて直流にそれぞれ変換されてインバータ３３ｉ、３３ｊへ入力されている。制御部３８ｉ、３８ｊの出力に基づいて、インバータ３３ｉ、３３ｊ内の半導体スイッチを用いて２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波電力に変換し、例えば１Ｗ〜１０Ｗまでの高周波電力が給電コイル２１ｉと共振コンデンサ２２ｉの直列回路、および、給電コイル２１ｊと共振コンデンサ２２ｊの直列回路にそれぞれ供給される（この電力を供給することを予備給電と呼称する。）。
【００７８】
給電コイル２１ｉ、給電コイル２１ｊがインバータ３３ｉ、３３ｊの高周波出力により励起されて高周波磁界を発生させる。給電プレート１５に載置されている非接触受電機器１１の受電コイル３０に、発生した二つの高周波磁界による合成磁束が鎖交して電流が流れ、非接触受電機器１１において非接触で電力を受電することが可能となる。ただし、非接触受電機器１１が所望する有効電力に対して１桁以下の微小な電力を給電することとなるので、非接触受電機器１１の負荷部３２に実質的に影響を与えるものではない。
【００７９】
このとき、制御部３８ｉ、３８ｊは、第一の電力測定部３５ｉが測定した第一の無効電力Ｑｐｉ、第一の電力測定部３５ｊが測定した第一の無効電力Ｑｐｊと、第四の電力測定部３６ｉが測定した第二の無効電力の遅相成分Ｑｌｉ、第四の電力測定部３６ｊが測定した第二の無効電力の遅相成分Ｑｌｊ、及び、無効電力の進相成分Ｑｃｉ、Ｑｃｊを入力して、下記の（数５）と（数６）が共に成立し、有効電力が第二の非接触受電機器１１の所望の電力で、且つ、商用電源１７へ戻される無効電力Ｑｐｉ、Ｑｐｊの値がおのおの最小となるようにインバータ３３ｉ、３３ｊの出力を制御する。
【００８０】
【数５】
2018137914.tif 000007
【００８１】
【数６】
2018137914.tif 000008
【００８２】
本発明の実施の形態２では、第二の非接触受電機器１１が所望する電力（負荷部３２の消費電力で、負荷部１４の消費電力より大きい。）を非接触で電力伝達するのに最適な結合係数ｋｃ、および、コイルのＱ値Ｑ１、Ｑ２を設計して、共振周波数は１つになるように構成しているので、制御部３８ｉ、３８ｊは、図４（ｂ）に示すグラフの右側（周波数の高い）から、あるいは、グラフの左側（周波数の低い）から、適当な刻み値で共振周波数ｆ０へ近づけるように制御するだけで良い。
【００８３】
制御部３８ｉ、３８ｊは、上記の（数５）と（数６）が共に成立した、第二の無効電力の遅相成分Ｑｌｉと無効電力の進相成分Ｑｃｉが等しく、第二の無効電力の遅相成分Ｑｌｊと無効電力の進相成分Ｑｃｊが等しく、且つ、商用電源１７へ戻される無効電力Ｑｐｉ、Ｑｐｊの値がおのおの最小となるようにインバータ３３ｉ、３３ｊの出力を制御する。この制御状態が所定の時間継続したと判断した場合は、予備給電を終了し本給電に移行する。
【００８４】
［本給電］
制御部３８ｉ、３８ｊの出力に基づいて、インバータ３３ｉ、３３ｊ内の半導体スイッチを用いて２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波電力に変換し、非接触受電機器１１が所望する有効電力（例えば１０Ｗ〜１００Ｗまでの高周波電力）が給電コイル２１ｉと共振コンデンサ２２ｉの直列回路に供給され、また、給電コイル２１ｊと共振コンデンサ２２ｊの直列回路に供給される（この電力を供給することを本給電と呼称する。）。
【００８５】
給電コイル２１ｉと給電コイル２１ｊがインバータ３３ｉ、３３ｊの高周波出力により励起されて高周波磁界を発生させる。給電プレート１５に載置されている非接触受電機器１１の受電コイル３０に、発生した二つの高周波磁界による合成磁束が鎖交して電流が流れ、非接触受電機器１１において非接触で電力を受電することが可能となる。
【００８６】
このとき、制御部３８ｉ、３８ｊは、第二の無効電力の遅相成分Ｑｌｉと無効電力の進相成分Ｑｃｉが等しく、第二の無効電力の遅相成分Ｑｌｊと無効電力の進相成分Ｑｃｊが等しく、且つ、商用電源１７へ戻される無効電力Ｑｐｉ、Ｑｐｊの値がおのおの最小となるようにインバータ３３ｉ、３３ｊの出力を制御する。
【００８７】
［給電停止］
使用者が、操作表示部２９の「給電停止ボタン」を操作すると、操作表示部２９は停止指令を制御部３８ｉ、３８ｊへ出力する。制御部３８ｉ、３８ｊは、上記の給電指令を入力すると、インバータ３３ｉ、３３ｊの動作を停止させて、給電に関する一連のシーケンス動作を停止する。
【００８８】
なお、上記説明では、給電プレート１５に載置された１つの非接触受電機器１１に対して給電を行う場合を説明したが、給電プレート１５に載置された複数の非接触受電機器に対して同時に給電を行う場合においても、前述の動作、作用が複数の非接触受電機器のそれぞれに対して個別に同時に行われるものである。
【００８９】
なお、使用者が載置領域表示部１６に合わせて、給電コイル２３に正しく対向する位置に第二の非接触受電機器１１を載置しなかった場合、すなわち、位置ズレ時の給電においても、所定に範囲内の位置ズレ量であれば、第二の無効電力の遅相成分Ｑｌｉと無効電力の進相成分Ｑｃｉが等しく、第二の無効電力の遅相成分Ｑｌｊと無効電力の進相成分Ｑｃｊが等しく、且つ、商用電源１７へ戻される無効電力Ｑｐｉ、Ｑｐｊの値がおのおの最小となるようにインバータ２３ｃの出力を制御することで、第二の非接触受電機器１１が所望する有効電力を給電することが可能であるという利点も有している。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
以上のように、本開示に係る非接触電力伝達装置は、受電機器が受電する電力の情報を受信しなくても、給電装置側で受電機器へ給電する電力を所定の値に制御することができる。従って、複数の非接触受電機器を同時に使える仕様としても、電力制御の更新周期が長くならず、ブレンダーのような回転機器も安定して回転させることが可能となる。
搭載できる。
【符号の説明】
【００９１】
１０、１１  非接触受電機器
１２  受電コイル
１３  共振コンデンサ
１４、３２  負荷部
１５  給電プレート
１６  載置領域表示部
２１ａ〜２１ｋ  給電コイル
２２ａ〜２２ｋ  共振コンデンサ
２３ａ〜２３ｋ  インバータ（電流型）
２４ａ〜２４ｋ  直流電圧変換部
２５ａ〜２５ｋ  第一の電力測定部
２６ａ〜２６ｋ  第二の電力測定部
２７ａ〜２７ｋ  第三の電力測定部
２８ａ〜２８ｋ  制御部
２９  操作表示部
３０  受電コイル
３１  共振コンデンサ
３３ａ〜３３ｋ  インバータ（電圧型）
３４ａ〜３４ｋ  直流電圧変換部
３５ａ〜３５ｋ  第一の電力測定部
３６ａ〜３６ｋ  第四の電力測定部
３８ａ〜３８ｋ  制御部
【図１】
2018137914.tif 000009
【図２】
2018137914.tif 000010
【図３】
2018137914.tif 000011
【図４】
2018137914.tif 000012
【図５】
2018137914.tif 000013
【図６】
2018137914.tif 000014
【図７】
2018137914.tif 000015