(57)【要約】      （修正有）【課題】高周波ケーブルの入力端に対する出力端の電圧上昇を従来よりも抑制する。【解決手段】交流電源の出力を高周波ケーブルを介して負荷に伝送する電力伝送装置であって、交流電源の出力端と高周波ケーブルの入力端との間に、給電電流を抑制する巻線比の変更が自在な多タップ型のトランスである、電流抑制回路を備える。【選択図】図１
2016081750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の出力を高周波ケーブルを介して負荷に伝送する電力伝送装置であって、
前記交流電源の出力端と前記高周波ケーブルの入力端との間に伝送電流を抑制する電流抑制回路を備える電力伝送装置。
【請求項２】
前記電流抑制回路はトランスである請求項１記載の電力伝送装置。
【請求項３】
前記トランスは、巻線比の変更が自在な多タップ型のトランスである請求項２記載の電力伝送装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力伝送装置を用いて前記負荷である給電コイルに交流電力を供給する非接触給電装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力伝送装置を用いて前記負荷である加熱用コイルに交流電力を供給する誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力伝送装置、非接触給電装置及び誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば数百ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの交流電力（高周波電力）を高周波電源から負荷に伝送する場合、高周波ケーブルが使用される。この高周波ケーブルは、一般的に所定の特性インピーダンス（例えば５０Ω）を有した同軸ケーブルである。また、このような高周波ケーブルを使用する電力伝送装置として、非接触給電装置や誘導加熱装置がある。
【０００３】
例えば非接触給電装置の場合、高周波電源と給電コイルとが高周波ケーブルによって接続され、高周波電源から給電コイルに高周波ケーブルを介して高周波電力が供給されることよって、給電コイルと対向配置されて受電コイルに高周波電力が非接触伝送される。下記特許文献１には、車両を用いた非接触給電装置の一例が開示されている。
なお、誘導加熱装置の場合には、高周波電源と加熱用コイルとが高周波ケーブルによって接続され、高周波電源から加熱用コイルに高周波ケーブルを介して高周波電力が供給されることよって、加熱用コイルに隣接する加熱対象物が誘導加熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２１９９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記高周波ケーブルを用いた高周波電力の伝送では、高周波ケーブルのインピーダンスの影響で高周波ケーブルの出力端（給電コイル側端部）の電圧が高周波ケーブルの入力端（高周波電源側端部）の電圧よりも大きくなる。この電圧上昇は、高周波ケーブルのインピーダンスが大きくなる程、つまり高周波ケーブルが長くなる程に大きくなることが知られている。
【０００６】
したがって、高周波ケーブルの出力端に接続される給電コイルとしては、高周波ケーブルの長さが長くなる程、高耐圧の共振回路部品（コイル，コンデンサ）を採用する必要があるので、このことが高周波ケーブルの長さを制限する要因になっている。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、高周波ケーブルの入力端に対する出力端の電圧上昇を従来よりも抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、電力伝送装置に係る第１の解決手段として、交流電源の出力を高周波ケーブルを介して負荷に伝送する電力伝送装置であって、前記交流電源の出力端と前記高周波ケーブルの入力端との間に伝送電流を抑制する電流抑制回路を備える、という手段を採用する。
【０００９】
本発明では、電力伝送装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電流抑制回路はトランスである、という手段を採用する。
【００１０】
本発明では、電力伝送装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記トランスは、巻線比の変更が自在な多タップ型のトランスである、という手段を採用する。
【００１１】
本発明では、非接触給電装置に係る解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの電力伝送装置を用いて前記負荷である給電コイルに交流電力を供給する、という手段を採用する。
【００１２】
本発明では、誘導加熱装置に係る第１の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの電力伝送装置を用いて前記負荷である加熱用コイルに交流電力を供給する、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電流抑制回路によって伝送電流が抑制されるので、高周波ケーブルの入力端に対する出力端の電圧上昇を従来よりも抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力伝送装置及び非接触給電装置の機能構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電力伝送装置の変形例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る非接触給電装置は、図１に示すように、整流回路１、インバータ回路２、スイッチング制御部３、電流抑制トランス４（電流抑制回路）、高周波ケーブル５及び給電コイル６を備えている。これら非接触給電装置を構成する各構成要素のうち、整流回路１、インバータ回路２及びスイッチング制御部３は、高周波電源Ｄ（交流電源）を構成している。
【００１６】
また、本実施形態に係る電力伝送装置は、非接触給電装置内に組み込まれて機能するものであり、電流抑制トランス４及び高周波ケーブル５から構成されている。このように構成された電力伝送装置及び非接触給電装置は、地上に設けられた給電施設に固定配置され、給電対象（例えば移動体）に備えられた受電装置に対して所定周波数の交流電力を非接触で給電する装置である。
【００１７】
なお、上記受電装置は、本実施形態に係る非接触給電装置が出力する高周波電力を受電する装置であり、図１に示すように、受電コイル７、整流回路８、充電回路９及びバッテリ１０等を備えている。
【００１８】
非接触給電装置における整流回路１は、例えばダイオードブリッジ及び平滑回路であり、外部の商用電源から供給される商用電力（例えば単相２００ボルト、５０Ｈｚ）を全波整流してインバータ回路２に出力する。インバータ回路２は、スイッチング制御部３によってスイッチング動作が制御されることにより、上記整流回路１から供給される直流電力を所定周波数ｆの交流電力に変換して電流抑制トランス４に出力する。上記交流電力は、例えば数百ｋＨｚオーダーの高周波電力である。
【００１９】
スイッチング制御部３は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号等のスイッチング信号をインバータ回路２に出力することにより当該インバータ回路２の動作を制御するものである。すなわち、このスイッチング制御部３は、インバータ回路２が出力する高周波電力の振幅及び周波数が所定の目標値となるように制御する。このようなスイッチング制御部３は、演算回路として機能するＣＰＵ（Central Processing Unit）、当該ＣＰＵが処理する制御プログラム等を記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵの演算結果等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）及びインバータ回路２とのインタフェース回路を備えている。
【００２０】
電流抑制トランス４は、インバータ回路２の出力端つまり高周波電源（交流電源）の出力端と高周波ケーブル５の入力端５ａとの間に設けられた変圧器である。この電流抑制トランス４は、後段の高周波ケーブル５に流れる高周波電流（伝送電流）を抑制するために設けられている。
【００２１】
すなわち、この電流抑制トランス４は、二次巻線の巻線数が一次巻線の巻線数よりも大きな昇圧トランスであり、インバータ回路２の出力端から一次巻線に入力された高周波電力を一次巻線と二次巻線の巻線比に応じた昇圧比で昇圧して二次巻線から高周波ケーブル５に出力する。このような電流抑制トランス４の昇圧機能によって、二次巻線から高周波ケーブル５の入力端５ａに出力される高周波電流（二次電流）は、インバータ回路２が一次巻線に出力する高周波電流（一次電流）よりも上記昇圧比の逆数分だけ小さくなる。
【００２２】
なお、この電流抑制トランス４については、中間タップを備えない対応の変圧器よりも、二次巻線に１あるいは複数の中間タップを備える多タップ型の変圧器が好ましい。すなわち、多タップ型の変圧器を採用した場合には、巻線比の変更が自在（容易）なので、一次電流に対する二次電流の比率（電流比）を容易に最適化することが可能となる。
【００２３】
高周波ケーブル５は、入力端５ａが電流抑制トランス４の出力端（二次巻線）に接続される一方、出力端５ｂが給電コイル６の入力端に接続される電力ケーブルである。この高周波ケーブル５は、所定インピーダンスを有する同軸ケーブルであり、電流抑制トランス４から入力される高周波電力を給電コイル６に伝送する。なお、高周波ケーブル５は、同軸ケーブルに限定されるものではなく、例えば撚線ケーブル、平行二線ケーブルあるいはバスバーであってもよい。
【００２４】
ここで、非接触給電装置における給電コイル６は、給電効率を極力向上させるために移動体等の給電対象に近接させた状態で設けられる。これに対して、高周波電源（交流電源）は、例えば安定動作を確保する必要から給電コイル６から離間した位置に配置される。すなわち、高周波電源と給電コイル６とでは、設計条件が異なるので異なる環境下に置かざるを得ず、このために高周波ケーブル５によって高周波電源と給電コイル６とを接続せざるを得ない。
【００２５】
従来の非接触給電装置では、高周波電源と給電コイルとを高周波ケーブルを用いて直接接続していたが、本実施形態に係る非接触給電装置では、上述したようにインバータ回路２の出力端つまり交流電源の出力端と高周波ケーブル５の入力端５ａとの間に電流抑制トランス４を設ける。すなわち、本実施形態に係る非接触給電装置は、電流抑制トランス４及び高周波ケーブル５から構成された電力伝送装置を備えている。
【００２６】
給電コイル６は、上記移動体等の給電対象の所定箇所（受電コイル７が設けられている箇所）と対向する位置に設けられている。この給電コイル６は、高周波ケーブル５から供給される高周波電力に基づいて高周波磁界を周囲に発生させる。すなわち、給電コイル６は、上記高周波磁界によって受電コイル７と所定の結合係数で結合し、高周波電力を非接触で受電コイル７に伝送する。なお、このような給電コイル６については、コンデンサを直列あるいは並列に設けることにより、直列共振回路あるいは並列共振回路としてもよい。この場合、直列共振回路及び並列共振回路の共振周波数は、高周波電力の周波数と同一に設定される。
【００２７】
一方、受電装置における受電コイル７は、移動体等の給電対象に設けられ、上記給電コイル６と電磁気的に結合することにより高周波電力を受電して整流回路８に出力する。なお、この受電コイル７が給電コイル６から受電する高周波電力は、電力伝送装置を介して高周波電源から給電コイル６に供給された高周波電力に給電コイル６と受電コイル７との結合係数（１以下の定数）を乗じた電力である。
【００２８】
整流回路８は、例えばダイオードブリッジ及び平滑回路から構成されており、上記受電コイル７から入力された高周波電力を全波整流かつ平滑化して充電回路９に出力する。充電回路９は、上記整流回路８から入力された直流電力をバッテリ１０に充電させる回路である。すなわち、この充電回路９は、バッテリ１０の充電状態（充電率）に応じて充電電流あるいは充電電圧等を調節することにより、バッテリ１０を満充電状態とする。
【００２９】
バッテリ１０は、リチウムイオン電池等の二次電池であり、上記充電回路９から供給される直流電力を充電して蓄える。また、図示しないが、このバッテリ１０は、移動体等の給電対象に備えられた電力需要部（例えばモータや各種電気回路）に必要電力を供給する。
【００３０】
次に、このように構成された電力伝送装置及び非接触給電装置の動作について詳しく説明する。
【００３１】
本実施形態に係る非接触給電装置では、高周波電源Ｄが外部の商用電源から供給された商用電力に基づいて生成した高周波電力を電力伝送装置が直接の負荷である給電コイル６に伝送する。すなわち、整流回路１が商用電力（交流電力）から生成した直流電力をインバータ回路２及びスイッチング制御部３が高周波電力に変換し、当該高周波電力を電力伝送装置が給電コイル６に伝送する。
【００３２】
そして、給電コイル６は、非接触給電装置の負荷である受電装置に高周波電力を非接触給電する。すなわち、受電装置では、給電コイル６と電磁気的に結合した受電コイル７が高周波電力を受電して整流回路８に出力し、当該整流回路８が上記高周波電力（交流電力）を整流することによって直流電力に変換して充電回路９に出力する。そして、充電回路９は、上記直流電力をバッテリ１０の充電率に応じて調節しつつ当該バッテリ１０に供給することにより充電させる。
【００３３】
以上が本実施形態に係る電力伝送装置及び非接触給電装置の全体的な動作であるが、本実施形態に係る電力伝送装置では、電流抑制トランス４がインバータ回路２から入力された高周波電力を昇圧して高周波ケーブル５に出力するので、すなわち周知のトランスの電気素子としての性質（入力電力と出力電力とが固有損失を無視した場合に等しくなる）に起因して、高周波ケーブル５の入力端５ａに出力される高周波電流（二次電流）は、インバータ回路２が電流抑制トランス４に出力する高周波電流（一次電流）よりも小さくなる。
【００３４】
例えば、電流抑制トランス４の昇圧比を「ｎ」、電流抑制トランス４の入力電圧を「Ｖ１」、電流抑制トランス４の入力電流を「Ｉ１」とした場合、高周波ケーブル５の入力端５ａの電圧、つまり電流抑制トランス４の出力電圧Ｖ２は入力電圧Ｖ１のｎ倍になる一方、電流抑制トランス４の出力電流Ｉ２（高周波ケーブル５の入力端電流）は、入力電流Ｉ１の１/ｎとなる。
【００３５】
すなわち、電流抑制トランス４の昇圧効果をも加味した高周波ケーブル５の出力端電圧Ｖ３は、高周波ケーブル５のインピーダンスを「Ｚ」とすると、下式（１）によって表される。この式（１）の右辺において、第１項は電流抑制トランス４の昇圧効果に相当する項であり、第２項は高周波ケーブル５のインピーダンスＺに起因する昇圧効果に相当する項である。
Ｖ３＝ｎ・Ｖ１＋（１/ｎ）・Ｚ・Ｉ１
【００３６】
一例として、Ｖ１＝１１０〔Ｖ〕、Ｉ１＝１５０〔Ａ〕、ｎ＝３、ｆ＝１００〔ｋＨｚ〕とし、また高周波ケーブル５のインピーダンスＺが誘導性リアクタンスＸＬのみからなり、インダクタンスＬ＝５〔μＨ〕とする。また、出力端電圧Ｖ３は、上式（１）に各数値を代入することにより、以下に示すように約４８７〔Ｖ〕となる。
Ｖ３＝３×１１０＋（１/３）×２π×１００×１０３×５×１０−６×１５０
＝３３０＋１５７＝４８７〔Ｖ〕
【００３７】
これに対して、電流抑制トランス４を設けない場合（つまり従来の場合）は、上式（１）においてｎ＝１、またＩ２＝Ｉ１＝１５０〔Ａ〕とした場合である。この場合の出力端電圧Ｖ３は、以下に示すように約５８１〔Ｖ〕となる。
Ｖ３＝１×１１０＋（１/１）×２π×１００×１０３×５×１０−６×１５０
＝１１０＋４７１＝５８１〔Ｖ〕
【００３８】
すなわち、式（１）の右辺の第１項は、電流抑制トランス４を設けることによって電流抑制トランス４を設けない場合よりも大きな値となるが、式（１）の右辺の第１項は、電流抑制トランス４による出力電流Ｉ２の低減の影響で大幅に小さな値となる。
【００３９】
このような本実施形態によれば、電流抑制トランス４を設けて高周波ケーブル５に流れる電流、つまり電流抑制トランス４の出力電流Ｉ２を抑制することによって、高周波ケーブル５の出力端電圧Ｖ３を従来よりも抑制することが可能である。この結果として、本実施形態によれば、高周波ケーブル５を従来よりも長くすることが可能、あるいは高周波ケーブル５の負荷である給電コイル６の高耐圧化を抑制することが可能である。
【００４０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では非接触給電装置について説明したが、本願発明はこれに限定されない。本願発明に係る電力伝送装置は、高周波ケーブルを利用して交流電力を伝送する各種アプリケーションに適用可能である。
【００４１】
本願発明に係る電力伝送装置は、例えば図２に示すような誘導加熱装置にも適用可能である。この誘導加熱装置は、整流回路１、インバータ回路２、スイッチング制御部３、電流抑制トランス４、高周波ケーブル５及び加熱用コイル１１を備えており、加熱用コイル１１の周囲に形成されて高周波磁界によって加熱対象物Ｗを誘導加熱する。なお、この図２では、便宜上、図１の非接触給電装置の構成要素と同一機能の構成要素には同一符合を付している。
【００４２】
このような誘導加熱装置では、電力伝送装置の負荷は加熱用コイル１１であり、電力伝送装置が上述した非接触給電装置の場合と同様な作用を奏することにより、高周波ケーブル５を従来よりも長くすることが可能、あるいは高周波ケーブル５の負荷である加熱用コイル１１の高耐圧化を抑制することが可能である。
【００４３】
（２）上記実施形態では、本発明の電流抑制回路として電流抑制トランス４を採用したが、本発明はこれに限定されない。電流抑制回路に必要な最も主要な機能は、高周波ケーブルの入力端に出力する高周波電流を抑制することなので、電流抑制トランス４（変圧器）以外の単一あるいは複数の回路素子からなる回路を電流抑制回路として採用してもよい。
【００４４】
例えば、電流抑制トランス４に代えて抵抗器を採用してもよい。抵抗器は、周知のように原理的に電力損失を伴う回路素子であるが、高周波電流を抑制することが可能である。なお、抵抗器を採用する場合には、高周波ケーブル５に出力する高周波電流の大きさの調節が自在（容易）な可変抵抗器を採用することが好ましい。
【符号の説明】
【００４５】
１…整流回路、２…インバータ回路、３…スイッチング制御部、４…電流抑制トランス（電流抑制回路）、５…高周波ケーブル、５ａ…入力端、５ｂ…出力端、６…給電コイル、７…受電コイル、８…整流回路、９…充電回路、１０…バッテリ、１１…加熱用コイル、Ｄ…高周波電源（交流電源）、Ｗ…加熱対象物
【図１】
2016081750.tif 000003
【図２】
2016081750.tif 000004