(57)【要約】【課題】  負荷に印加される電圧を所定の値に制御して安定的な電力伝送を実現することができ、また、多様な負荷に対して安定した電力伝送が可能で安価かつ小型な非接触電力伝送装置を提供することにある。【解決手段】  受電手段及び交流負荷と並列に設けられ、無効電力を生成する無効電力発生手段を備え、無効電力発生手段が、交流負荷に印加される交流電圧の実効値が所定の値となるように、無効電力の大きさを制御することを特徴とする。【選択図】図１
2015002598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電手段と受電手段との間の電磁誘導現象又は静電誘導現象によって、非接触にて、該給電手段から送られた交流電力を該受電手段に接続された交流負荷へ伝送する非接触電力伝送装置において、
該受電手段及び該交流負荷と並列に設けられ、無効電力を生成する無効電力発生手段を備え、
該無効電力発生手段が、該交流負荷に印加される交流電圧の実効値が所定の値となるように、該無効電力の大きさを制御することを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
給電手段と受電手段との間の電磁誘導現象又は静電誘導現象によって、非接触にて、該給電手段から送られた交流電力を直流電力に変換する整流手段を介して該受電手段に接続された直流負荷へ伝送する非接触電力伝送装置において、
該受電手段と該整流手段との間に設けられ、無効電力を生成する無効電力発生手段とを備え、
該整流手段の交流側の交流電圧の実効値が所定の値となるように、該無効電力の大きさを制御することを特徴とする非接触電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電磁誘導現象または静電誘導現象を利用して非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電磁誘導現象または静電誘導現象を利用して非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置が、提案されている。図５に示す非接触電力伝送装置は、電磁誘導を利用した非接触電力伝送装置の一般的な構成図である。図５の従来の非接触電力伝送装置３は、交流電源１００、給電コイル２１０、受電コイル２２０及び交流負荷３００で構成されている。非接触電力伝送装置３は、交流電源１００の出力に応じて給電コイル２１０が磁界を発生させ、給電コイル２１０が発生した磁界から電磁誘導によって受電コイル２２０に起電力が生じ、受電コイル２２０において電磁誘導によって得られた電力を、交流負荷３００が消費することになる。すなわち、磁気的に結合した給電コイル２１０と受電コイル２２０との間の電磁誘導によって交流電源１００の電力が交流負荷３００に供給される。
【０００３】
従来の非接触電力伝送装置では、給電コイル２１０と受電コイル２２０との間の距離が変化したり、交流負荷３００のインピーダンスが変化したりして、安定した電力伝送が困難な場合がある。このため、例えば、特許文献１や特許文献２に示されるように、受電コイルと交流負荷との間に制御可能な可変インピーダンスを挿入し、その可変インピーダンスの値を調整することで安定した電力を伝送できるようにしている。
【０００４】
特許文献１においては、安定した電力を伝送するために、受電コイルと負荷との間に挿入された可変コンデンサのインピーダンスを制御装置が変更する方法が提案されており、モータのような機械的な駆動手段により可変コンデンサのインピーダンスを変更するようにしている。
【０００５】
また、特許文献２においては、負荷のインピーダンスを調整する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１４１９７７号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８２９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に示されるような非接触電力伝送装置では、可変コンデンサのインピーダンスを変更するためには、モータのような機械的な駆動手段が必要となるのが一般的であり大型で高コストであるという課題がある。また、特許文献２に示されるような非接触電力伝送装置では、通常の負荷のインピーダンスは負荷の特性であらかじめ決まっていて任意に調整ができないため、この負荷のインピーダンスを調整する方法が適用できるシステムは実用的には非常に少ないという課題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、負荷に印加される電圧を所定の値に制御して安定的な電力伝送を実現することができ、また、多様な負荷に対して安定した電力伝送が可能で安価かつ小型な非接触電力伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の非接触電力伝送装置は、受電手段及び交流負荷と並列に設けられ、無効電力を生成する無効電力発生手段を備え、無効電力発生手段が、交流負荷に印加される交流電圧の実効値が所定の値となるように、無効電力の大きさを制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項２の非接触電力伝送装置は、受電手段と整流手段との間に設けられ、無効電力を生成する無効電力発生手段とを備え、整流手段の交流側の交流電圧の実効値が所定の値となるように、無効電力の大きさを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明によれば、受電手段に無効電力発生装置を接続し、無効電力発生装置が発生する無効電力を調整することで負荷に印加される電圧を所定の値に制御して安定的な電力伝送を実現することができ、また、多様な負荷に対して安定した電力伝送が可能である非接触電力伝送装置が、安価かつ小型にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る非接触電力伝送装置の構成の一例を示す構成図である。
【図２】本発明に係る非接触電力伝送装置の第１の実施例における無効電力発生装置を示す構成図である。
【図３】本発明に係る非接触電力伝送装置の第２の実施例における無効電力発生装置を示す構成図である。
【図４】本発明に係る非接触電力伝送装置の第３の実施例の構成を示す構成図である。
【図５】従来の非接触電力伝送装置の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に示す本発明に係る非接触電力伝送装置１は、給電手段である給電コイル２１０と受電手段である受電コイル２２０との間の電磁誘導現象によって、非接触にて、給電コイル２１０から送られた交流電力を受電コイルに接続された交流負荷３００へ伝達するものである。尚、静電誘導現象によって非接触で電力を伝達する場合、給電手段としては給電電極を用い、受電手段としては受電電極を用いることになる。以下の説明では、給電コイル２１０及び受電コイル２２０を用いた電磁誘導現象による場合を説明するが、静電誘導現象による場合も無効電力発生手段の動作は、電磁誘導現象による場合と同様なので、説明を省略する。
【００１４】
そして、非接触電力伝送装置１は、交流電源１００、給電コイル２１０、受電コイル２２０、無効電力発生装置４００（４０１）及び交流負荷３００を備えている。交流電源１００の出力に応じて磁界を給電コイル２１０が磁界を発生し、受電コイル２２０において、給電コイル２１０が発生した磁界から電磁誘導によって起電力が発生し、その電力が交流負荷３００に伝送される。
【００１５】
交流電源１００は、交流電圧を発生する電圧源として動作する電源である。交流電源１００の電圧及び周波数は、非接触電力伝送装置１全体の構成に応じて所望の電力伝送特性が得られるように適切に選び、電圧波形は正弦波以外の複数の高調波成分を含む任意の波形でよく例えば矩形波としてもよい。
【００１６】
ここで、無効電力発生装置４００（４０１）は、受電コイル２２０及び交流負荷３００に並列に接続されている。無効電力発生装置４００（４０１）は、無効電力を生成する無効電力発生手段であり、交流負荷３００に印加される交流電圧の実効値が所定の値となるように、無効電力の大きさを制御するものである。尚、無効電力発生装置４００，４０１には各種の形態があるので、以下、実施例で具体的に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図２は、本発明に係る非接触電力伝送装置の第１の実施例における無効電力発生装置を示す構成図である。無効電力発生装置４００は、トランジスタやＩＧＢＴ等で構成され半導体スイッチングデバイス４１１，４１２、コンデンサ４２１，４２２、リアクトル４３０、受電コイル２２０が受電する受電電圧を検出する受電電圧センサ４４０、受電電圧の位相を検出する受電電圧位相検出回路４９２、半導体スイッチングデバイス４１１，４１２をオン／オフするためのゲート指令を生成するゲート指令生成回路４８０、受電電圧の位相を考慮しつつ電気信号として予め設定され指示される受電電圧の目標値である受電電圧指令と受電電圧センサ４４０が検出する受電電圧との偏差がゼロになるようにゲート指令生成回路４８０へ無効電力指令を出力する無効電力制御回路４６０、電気信号として予め設定され指示されるコンデンサ４２１，４２２間の直流電圧の目標値である直流電圧指令と直流電圧センサ４５０が検出する該直流電圧との偏差がゼロなるようにゲート指令生成回路４８０へ有効電力指令を出力する有効電力制御回路４７０を備えている。
【００１８】
次に、無効電力発生装置４００を含む非接触電力伝送装置１の動作を説明する。交流電源１００が発生した電圧に応じて給電コイル２１０に磁界を発生し、この磁界を受けて受電コイル２２０に電圧（起電力）を発生する。この受電コイル２２０が発生する電圧は、交流電源１００の電圧が一定であっても給電コイル２１０と受電コイル２２０との距離や交流負荷３００のインピーダンスの変化に応じて変化するが、無効電力発生装置４００が発生する無効電力を調整することで受電電圧を所定の値に制御するようにする。
【００１９】
次に、無効電力発生装置４００の動作について説明する。無効電力発生装置４００は、半導体スイッチングデバイス４１１及び半導体スイッチングデバイス４１２をパルス幅変調などでオン／オフすることで任意の電圧Ｖａを出力する。より具体的には、無効電力制御回路４６０が、受電電圧位相検出回路４９２で検出した受電電圧の位相を考慮しつつ、受電電圧センサ４４０が検出した受電コイル２２０の電圧Ｖｒと所定の受電電圧指令（目標電圧）との偏差がゼロとなるように無効電力制御量をゲート指令生成回路４８０へ出力する。
【００２０】
また、有効電力制御回路４７０が、直流電圧センサ４５０が検出した直列に接続されたコンデンサ４２１及びコンデンサ４２２の両端電圧と所定の直流電圧指令（目標電圧）との偏差がゼロとなるように有効電力制御量をゲート指令生成回路４８０へ出力する。
【００２１】
ゲート指令生成回路４８０では、無効電力制御回路４６０が出力した無効電力制御量及び有効電力制御回路４７０が出力した有効電力制御量に応じて、半導体スイッチングデバイス４１１，４１２をオン／オフするためのゲート指令をパルス幅変調などにより出力する。ここで、実施例１では、ゲート指令のスイッチング周波数（変調周波数）は、交流電源１００の周波数の数十倍以上を想定しており、例えば交流電源１００の周波数が２０ｋＨｚとすれば無効電力発生装置４００のスイッチング周波数は５００ｋＨｚ程度以上となる。
【００２２】
ここで、コンデンサ４２１，４２２の電圧は有効電力の出入で変化するが、定常状態で電圧一定の場合は有効電力の出入はゼロである。給電コイル２１０と受電コイル２２０との距離や負荷インピーダンスが変化したときの過渡的な有効電力の出入による直流電圧の変動を抑制して必要な電圧維持するように有効電力制御回路４７０が動作することになる。
【００２３】
このように、無効電力発生装置４００が発生する無効電力を変化させることで受電電圧が制御できることになる。この制御の流れをしめすと、まず、給電コイル２１０と受電コイル２２０との距離が大きくなると、給電コイル２１０と受電コイル２２０間の相互インダクタンスが低下し、交流電源１００が一定の電圧を供給していても負荷（受電）側の電圧は低下するが、これは、給電コイル２１０と受電コイル２２０間の磁気抵抗が増加し受電コイル２２０に到達する磁束が減少するためである。
【００２４】
このとき、磁気回路（伝送空間）を伝わるエネルギーは、磁束と磁界強度との積であるので、磁束の減少を補うように磁界強度を強めて伝送エネルギーを維持し受電電圧を所定の値に制御することができる。そして、この磁界強度は、受電側から供給する無効電力の調整で制御可能であり、従って無効電力発生装置４００が発生する無効電力を変化させることで受電電圧が制御できることになる。
【００２５】
このように、実施例１の非接触電力伝送装置１によれば、受電手段である受電コイル２２０に無効電力発生手段である無効電力発生装置４００を接続し、無効電力発生装置４００が発生する無効電力を調整することで交流負荷３００（負荷）に印加される電圧を所定の値に制御して安定的な電力伝送を実現することができ、また、多様な負荷に対して安定した電力伝送が可能である非接触電力伝送装置１が、安価かつ小型にできる。
【００２６】
尚、実施例１では、無効電力発生装置４００を電圧型インバータで構成した例について説明したが、電流型インバータやアナログ増幅器を用いてもよく、受電側で無効電力を発生させれば同様の効果が得られる。
【実施例２】
【００２７】
実施例１では、無効電力発生装置４００のスイッチング周波数を交流電源１００の周波数の数十倍としたが、実施例２では、無効電力発生装置４０１のスイッチング周波数を交流電源の周波数と一致させている場合について説明する。図３は、本発明に係る非接触電力伝送装置の第２の実施例における無効電力発生装置を示す構成図である。
【００２８】
図３は、無効電力発生装置４０１は、半導体スイッチングデバイス４１１，４１２、コンデンサ４２１，４２２及びリアクトル４３０の部分並びに受電電圧センサ４４０及び直流電圧センサ４５０の部分は実施例１と同様であり説明を省略するが、受電電圧センサ４４０及び直流電圧センサ４５０の出力を受けてから半導体スイッチングデバイス４１１，４１２のゲート指令を生成するまでの制御回路部分が実施例１とは異なる。
【００２９】
図３において、半導体スイッチングデバイス４１１，４１２のゲート指令を生成するまでの制御回路部分は、受電電圧センサ４４０が検出する受電電圧の実効値を算出する受電電圧実効値算出回路４９１、電気信号として予め設定され指示される受電電圧の目標値である受電電圧指令と受電電圧実効値算出回路４９１が検出する受電電圧実効値との偏差がゼロになるように直流電圧指令を生成する無効電力制御回路４６１、無効電力制御回路４６１が生成した直流電圧指令と直流電圧センサ４５０が検出した直流電圧との偏差がゼロとなるように位相シフト指令を生成する有効電力制御回路４７１、受電電圧センサ４４０が検出する受電電圧の位相を検出する受電電圧位相検出回路４９２、受電電圧位相検出回路４９２が検出した受電電圧位相から有効電力制御回路４７１が出力した位相シフト指令分だけシフトさせた位相で受電電圧と同じ周波数のデューティー比５０％のパルス信号をゲート指令として半導体スイッチングデバイス４１１，４１２へ出力するゲート指令生成回路４８１で構成されている。
【００３０】
このような構成の無効電力発生装置４０１とすることで、半導体スイッチングデバイス４１１，４１２のオン／オフによるインバータの出力電圧Ｖａは受電電圧と同じ周波数の矩形波となる。この出力電圧Ｖａの位相は、有効電力制御回路４７１が受電電圧の位相からのシフト量（位相差）として決定し、出力電圧Ｖａの振幅は直流電圧で決まる。そして、無効電力の発生量は、出力電圧Ｖａの振幅すなわち直流電圧で調整可能であり、有効電力の発生量は出力電圧Ｖａと受電電圧Ｖｒとの位相差で調整可能であるため、無効電力発生装置４０１が発生する無効電力を調整することで、受電電圧を所定の値に制御することが可能である。
【００３１】
実施例２の無効電力発生装置４０１では、実施例１の効果に加え、無効電力発生装置４０１のスイッチング周波数を交流電源の周波数と一致させて、実施例１の場合よりもスイッチング周波数を低くすることで、スイッチングによるエネルギー損失を低減するとともにスイッチング動作が遅い安価な半導体スイッチングデバイスを採用することができる。
【実施例３】
【００３２】
実施例１及び実施例２では、交流負荷３００の場合を説明したが、実施例３では、負荷が蓄電池やＬＥＤ照明などのような直流負荷の場合に、無効電力発生装置４０２が受電した交流電力を直流電力に変換（整流）しつつ直流負荷に電力を供給する非接触電力伝送装置２について説明する。すなわち、無効電力を生成する無効電力発生手段を受電手段と整流手段との間に設けるところを、実施例３における無効電力発生装置４０２では、無効電力発生手段としての機能と、整流手段としての機能を備え、且つ、直流負荷が蓄電池３０１であるため、充電機能をも兼ね備えた上で設けている。図４は、本発明に係る非接触電力伝送装置の第３の実施例の構成を示す構成図である。
【００３３】
図４の非接触電力伝送装置２における無効電力発生装置４０２は、受電コイル２２０が受電した交流電力を直流電力に変換して蓄電池３０１を充電するとともに、無効電力を発生する無効電力発生手段である。無効電力発生装置４０２は、実施例１の無効電力発生装置４００に対して、コンデンサ４２１と負荷である蓄電池３０１との間に、電流センサ４５１を追加している点及び有効電力制御回路４７２が蓄電池３０１の充電電流を制御する機能を備えるところが異なる。
【００３４】
無効電力発生装置４０２の有効電力制御回路４７２の動作は、直流電圧センサ４５０が検出する蓄電池３０１の電圧が、電気信号として予め設定され指示される充電電圧指令を超過せず、且つ電流センサ４５１が検出する蓄電池３０１の電流が、電気信号として予め設定され指示される充電電流指令を超過しないように充電電力が最大となる有効電力制御量をゲート指令生成回路４８２へ出力する。
【００３５】
無効電力発生装置４０２が、このように動作することで、実施例１の効果に加え、蓄電池３０１を充電しながら受電電圧を所定の値に制御することができ、効率が高い非接触電力伝送装置を得ることができる。尚、直流負荷として蓄電池３０１の充電を例として説明したが、直流負荷がＬＥＤ照明等その他の直流負荷でも同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上のように、本発明によれば、負荷に印加される電圧を所定の値に制御して安定的な電力伝送を実現することができ、また、多様な負荷に対して安定した電力伝送が可能で安価かつ小型な非接触電力伝送装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１・・・・・非接触電力伝送装置
２・・・・・非接触電力伝送装置
３・・・・・非接触電力伝送装置
１００・・・交流電源
２１０・・・給電コイル
２２０・・・受電コイル
３００・・・交流負荷
３０１・・・蓄電池
４００・・・無効電力発生装置
４０１・・・無効電力発生装置
４０２・・・無効電力発生装置
４１１・・・半導体スイッチングデバイス
４１２・・・半導体スイッチングデバイス
４２１・・・コンデンサ
４２２・・・コンデンサ
４３０・・・リアクトル
４４０・・・受電電圧センサ
４５０・・・直流電圧センサ
４５１・・・電流センサ
４６０・・・無効電力制御回路
４６１・・・無効電力制御回路
４６２・・・無効電力制御回路
４７０・・・有効電力制御回路
４７１・・・有効電力制御回路
４７２・・・有効電力制御回路
４８０・・・ゲート指令生成回路
４８１・・・ゲート指令生成回路
４８２・・・ゲート指令生成回路
４９１・・・受電電圧実効値算出回路
４９２・・・受電電圧位相検出回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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