(57)【要約】【課題】二次コイルとは独立して共振回路を有する二次側回路を、これに磁気的結合をする一次コイルに相対的に近づけた場合に、二次側回路に発生する過電流を減少する非接触給電装置を提供する。【解決手段】共振コイル１３に鉄心を有する有芯リアクトル１８を用い、一次コイル１１と二次コイル１２の距離に応じて変化する二次コイル１２の電気量によって決定される制御入力によって有芯リアクトル１８の実効インダクタンスを変えて、共振コイル１３、コンデンサ１５及び有芯リアクトル１８によって形成される共振回路の共振周波数ｆ２を高周波電源１４の発振周波数ｆ１から離し、二次コイル１２を含む二次側回路に過大電流が流れるのを防止した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電源に接続される一次コイルと、該一次コイルに磁気結合し負荷が接続された二次コイルと、前記二次コイル側に配置された共振コイルと、該共振コイルに接続されるコンデンサとを有し、前記一次コイルから前記二次コイルに非接触で電力を供給する非接触給電装置において、
前記共振コイルに鉄心を有する有芯リアクトルを用い、前記一次コイルと前記二次コイルの距離に応じて変化する前記二次コイルの電気量によって決定される制御入力によって前記有芯リアクトルの実効インダクタンスを変えて、前記共振コイル、前記コンデンサ及び前記有芯リアクトルによって形成される共振回路の共振周波数ｆ２を前記高周波電源の発振周波数ｆ１から離し、前記二次コイルを含む二次側回路に過大電流が流れるのを防止したことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
請求項１記載の非接触給電装置において、前記有芯リアクトルはギャップ付きコアであって、補助コイルを有し、前記補助コイルに前記制御入力に応じた電流を流して、該有芯リアクトルの実効インダクタンスを変えていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項３】
請求項２記載の非接触給電装置において、前記コアはＥ形コア部材と、該Ｅ形コア部材と対となるＩ形コア部材からなって、前記Ｅ形コア部材の中央に前記有芯リアクトルの巻線が施され、前記Ｅ形コア部材の両側に、前記補助コイルの巻線が分割して施されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項４】
請求項１記載の非接触給電装置において、前記有芯リアクトルは可飽和リアクトルであって、補助コイルを有し、前記補助コイルに前記制御入力に応じた電流を流して、該有芯リアクトルの実効インダクタンスを変えていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１記載の非接触給電装置において、前記電気量は、前記二次コイルに接続された前記負荷の電圧及び前記負荷への電流のいずれか１又は２であることを特徴とする非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次コイルと距離をおいて配置される二次コイルに共振回路を有する非接触給電装置に係り、特に、一次コイルと二次コイルの距離が小さくなっても、共振回路に流れる電流を抑制する非接触給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場内の作業車や自動車に無接触で電力を送る装置として、特許文献１に記載のように、一次コイルと二次コイルを隙間を設けて配置し、二次側に共振用コンデンサが接続された共振コイル（三次コイル）を設け、一次コイルより二次コイルに電力を供給する非接触給電装置が提案されている。
【０００３】
また、特許文献２には、走行路に沿って配置された給電線路を一次側とし、地上移動体に設けられた鉄心に巻回したピックアップコイルを二次側として、ピックアップコイルの出力端子に共振コンデンサを並列接続して共振回路を形成し、更にピックアップコイルの電圧が上昇すると、磁気飽和して自己インダクタンスが低下する可飽和リアクトルをピックアップコイルに並列接続し、負荷が軽負荷になるに伴って可飽和リアクトルに流れる電流を増大させて、ピックアップコイルの電圧の上昇を規制する地上移動体の非接触給電装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３１８７４２号公報
【特許文献２】特許第３４４２９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の技術において、一次コイルと二次コイルの距離が短くなると共振コイルに流れる電流が増大し、共振コイルが過剰に発熱を起こすと共に、共振回路に存在する抵抗によって、電力消費が発生する。
【０００６】
また、特許文献２記載の技術は、給電線路とピックアップコイルとの距離は略一定であるので給電線路とピックアップコイル間との磁気的結合は一定である。また、特許文献２においては、軽負荷になるとピックアップコイルに過電圧が発生するので、これを防止するために、過電圧によって自己飽和する可飽和リアクトルを用いるが、本願発明とは課題が異なり、更に引用文献２では、ピックアップコイルとは別に共振コイルを用いてはいないので、本願発明とはその構成も異なる。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、二次コイルとは独立して共振回路を有する二次側回路に、これに磁気的結合をする一次コイルを相対的に近づけた場合に、二次側回路に発生する過電流を減少する非接触給電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】
前記目的に沿う本発明に係る非接触給電装置は、高周波電源に接続される一次コイルと、該一次コイルに磁気結合し負荷が接続された二次コイルと、前記二次コイル側に配置された共振コイルと、該共振コイルに接続されるコンデンサとを有し、前記一次コイルから前記二次コイルに非接触で電力を供給する非接触給電装置において、
前記共振コイルに鉄心を有する有芯リアクトルを用い、前記一次コイルと前記二次コイルの距離に応じて変化する前記二次コイルの電気量によって決定される制御入力によって前記有芯リアクトルの実効インダクタンスを変えて、前記共振コイル、前記コンデンサ及び前記有芯リアクトルによって形成される共振回路の共振周波数ｆ２を前記高周波電源の発振周波数ｆ１から離し、前記二次コイルを含む二次側回路に過大電流が流れるのを防止した。
【０００９】
本発明に係る非接触給電装置において、前記有芯リアクトルはギャップ付きコアであって、補助コイルを有し、前記補助コイルに前記制御入力に応じた電流を流して、該有芯リアクトルの実効インダクタンスを変えるようにしてもよい。
【００１０】
また、本発明に係る非接触給電装置において、前記コアはＥ形コア部材と、該Ｅ形コア部材と対となるＩ形コア部材からなって、前記Ｅ形コア部材の中央に前記有芯リアクトルの巻線が施され、前記Ｅ形コア部材の両側に、前記補助コイルの巻線が分割して施されているのが好ましい。
【００１１】
本発明に係る非接触給電装置において、前記有芯リアクトルは可飽和リアクトルであって、補助コイルを有し、前記補助コイルに前記制御入力に応じた電流を流して、該有芯リアクトルの実効インダクタンスを変えているのが好ましい。
【００１２】
そして、本発明に係る非接触給電装置において、前記電気量は、例えば前記二次コイルに接続された前記負荷の電圧及び前記負荷への電流のいずれか１又は２である。なお、共振コイルを流れる電流を検知することによって、前記可飽和リアクトルのインダクタンス（インピーダンス）を変えることもできる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る非接触給電装置においては、一次コイルと、二次コイル及び共振コイルを含む二次側回路が近づいて二次側の電流が増加しようとしても、有芯リアクトルの実効インダクタンスが変わり、自動的に共振コイルの共振周波数がずれる。従って、一次コイルから二次コイルに向かう磁束が減少し、過電流、過電圧の発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態に係る非接触給電装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態について説明する
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る非接触給電装置１０は、一次コイル１１、一次コイル１１と隙間を有して配置された二次コイル１２、及び二次コイル側に配置された共振コイル１３を有して、一次コイル１１から二次コイル１２に非接触で電力を供給している。なお、二次コイル１２及び共振コイル１３を有して、二次側回路が構成されている。
【００１６】
一次コイル１１は例えば、直径が１０〜５０ｃｍ、５〜２０ターン程度の巻線によって構成され、インバータ回路１４から１０〜２０ｋＨｚ程度の高周波電源が供給されている。一次コイル１１に磁気結合する二次コイル１２は、一次コイル１１とは略同心上に形成され、一次コイル１１と略同一直径で、負荷電圧に応じて、５〜２０ターンの巻数を有している。共振コイル１３は、二次コイル１２と同一直径で同一巻数としてもよいが、共振コイル１３のリアクタンスを小さくすると、直列に接続された共振コンデンサ１５の容量が大きくなるので、巻数が大きい程（例えば、１５〜４０ターン）好ましい。
【００１７】
この実施の形態においては、第２の二次コイル１６が設けられ、整流回路１７を介して直流に変換され、有芯リアクトル１８の電源に使用されている。二次コイル１２は中間タップが設けられ、両波整流回路１９を介して負荷である電池２０に接続されている。なお、電池２０への充電電圧は二次コイル１２の巻数によって決定されるが、二次コイル１２の電圧が低い場合は昇圧回路、二次コイル１２の電圧が高い場合は降圧回路を設けることができる。
【００１８】
共振コイル１３には直列に共振コンデンサ１５と鉄心を有する有芯リアクトル１８が接続されている。ギャップ付きの有芯リアクトル１８のコア（例えば、磁性鋼板、又はフェライトコア）はスペーサ２１を有して対向配置されるＥ形コア部材２２とＩコア部材２３からなって、Ｅ形コア部材２２の中央に有芯リアクトル１８の巻線２５が巻かれている。Ｅ形コア部材２２の両側には、補助コイル（制御コイル）２６、２７が巻回されている。補助コイル２６、２７は同一巻数、同一巻方向となって、制御素子（この実施の形態ではパワーＭＯＳ）２８から供給される電流が流れている。
【００１９】
制御素子２８には、整流回路１７からの電源がドレーンＤに供給され、ソースＳには補助コイル２６、２７が接続されている。なお、図１においてＥはアースを示す。
両波整流回路１９によって形成された直流電源は、定電圧回路２９を介して、電圧検出回路３０と電流検出回路３１に供給されている。なお、電圧検出回路３０によって検出される電圧と、電流検出回路３１によって検出される電流が、二次コイル１２の電気量（制御量）となる。
【００２０】
電圧検出回路３０には出力電圧Ｖを抵抗３２、３３によって按分された電圧がかかり、そのまま電流増幅（電圧増幅）されて制御素子２８のゲートＧにダイオード３５を介して供給される。また、電池２０に接続される負荷電流は小抵抗３６によって電圧に変換され、電流検出回路３１に供給され、ダイオード３７を介して制御素子２８のゲートＧに供給される。なお、３８、３９はノイズ除去用のコンデンサである。
【００２１】
従って、この非接触給電装置１０においては、一次コイル１１と二次コイル１２を含む二次側回路が一定の距離（例えば１０〜２５ｃｍの範囲の一距離）で、かつ有芯リアクトル１８の補助コイル２６、２７に電流を流さない状態で、インバータ回路１４の周波数、又は共振コンデンサ１５の容量を調整し、二次コイル１２及び共振コイル１３に適正電流が流れるようにする。なお、通常共振コイル１３と共振コンデンサ１５による共振周波数ｆ２は、インバータ回路１４の発振周波数ｆ１より少しの範囲で大きくなっている。
【００２２】
この状態で、一次コイル１１と二次コイル１２の距離が小さくなると、通常は二次コイル１２及び共振コイル１３には過電流が流れる又は過電圧がかかるようになるが、これを電流検出回路３１及び電圧検出回路３０にて制御入力として検出し、制御素子２８で所定大きさに増幅して、補助コイル２６、２７に流す。これによって、有芯リアクトル１８の実効インダクタンスが変化して小さくなり、有芯リアクトル１８、共振コイル１３及び共振コンデンサ１５によって形成される共振回路の共振周波数ｆ２が上昇する。これによって、インバータ回路１４の発振周波数ｆ１から共振周波数ｆ２が遠ざかる。
【００２３】
これにより、一次コイル１１によって二次側に供給される電力が減少し、整流回路１７から供給される電圧及び電流が減少する。結果として、一次コイル１１と二次側回路との距離が小さくなっても、負荷や共振回路に過電流が流れることを防止できる。
【００２４】
ここで、有芯リアクトル１８に使用するコアは、磁場の強さに対して非直線のもの（即ち、磁場が強くなると、Ｂ（磁束密度）／Ｈ（磁界）の勾配が小さくなるコア）を選び、強磁場によって磁気飽和しないように、Ｅ形コア部材２２とＩ形コア部材２３との隙間に非磁性のスペーサ２１を設けておくのがよい。一次コイル１１と二次コイル１２の間隔に対するフィードバック量は、制御素子２８のゲインによって調整でき、一次コイル１１と二次コイル１２の間隔が変わっても、常時同一の電圧、電流が負荷に流れるようにするのがよい。
【００２５】
前記実施の形態において、有芯リアクトル１８のコアとして、磁気飽和しにくいコアを用いたが、磁気飽和するコアを用いてもよい。この場合はコアの特性を変えることになり、ギャップはある場合とない場合がある。このコアは、半周期の間でコアが飽和するので、有芯リアクトル１８は可飽和リアクトルとして作用し、スイッチング動作をするが、実効インダクタンスが実質的に変わるので、有芯リアクトル１８、共振コイル１３及び共振コンデンサ１５によって形成される共振回路の共振周波数が大きくなり、結果として、負荷電流、負荷電圧を適正に制御できる。
【００２６】
本発明は以上に述べた実施の形態に限定されるものではなく、素子や回路の変更があっても、本発明の要旨が生かされている限り、本発明は適用される。
例えば、この実施の形態においては、第２の二次コイルを設けたが省略し、電力を通常の回路（例えば、整流回路）から供給を受けることもできる。
また、有芯リアクトルに並列に別の固定リアクトルを接続することもできる。
更に、この実施の形態では、負荷電流と負荷電圧の両方を検出して有芯リアクトルの補助コイルに流す電流を変えているが、負荷電流又は負荷電圧の片側のみでもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１０：非接触給電装置、１１：一次コイル、１２：二次コイル、１３：共振コイル、１４：インバータ回路、１５：共振コンデンサ、１６：第２の二次コイル、１７：整流回路、１８：有芯リアクトル、１９：両波整流回路、２０：電池、２１：スペーサ、２２：Ｅ形コア部材、２３：Ｉ形コア部材、２５：巻線、２６、２７：補助コイル、２８：制御素子、２９：定電圧回路、３０：電圧検出回路、３１：電流検出回路、３２、３３：抵抗、３５：ダイオード、３６：小抵抗、３７：ダイオード、３８、３９：コンデンサ
【図１】
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