WO2013145143A1 - 送電装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a power transmission device.
- a power generation unit that generates power to be fed, a feed element formed by a coil to which power generated by the power generation unit is fed, a resonance element coupled by electromagnetic induction by the feed element, and a power feed element
- a variable matching section including an impedance matching function at a feeding point, the feeding element is formed to be capable of changing the diameter, and the variable matching section is known to be capable of changing the diameter of the feeding element.
- a power generation unit that generates power to be supplied, a power transmission element that is supplied with power generated by the power generation unit, an impedance detection unit that detects impedance on the power supply side, A variable matching unit including an impedance matching function at a feeding point of the power transmitting element, a storage unit storing impedance characteristic estimation information for estimating the power receiving side impedance characteristic from the power transmitting side impedance characteristic, and at least detected 2.
- a power feeding apparatus that includes a control unit that obtains a state to be adjusted of a variable matching unit from impedance information and information in a reference table of a storage unit and outputs a control signal to the variable matching unit so as to obtain the obtained state (For example, refer to Patent Document 2).
- an AC power source a primary coil connected to the AC power source, a primary side resonance coil, a secondary side resonance coil, a secondary coil, a load connected to the secondary coil, an AC power source and 1
- a variable impedance circuit provided between the secondary coil and primary coil, primary resonance coil, secondary resonance coil, secondary coil and load constitute a resonance system and detect the state of the resonance system
- the impedance variable circuit adjusts the impedance so that the input impedance at the resonance frequency of the resonance system matches the impedance on the AC power source side from the primary coil based on the detection result of the state detection means.
- a non-contact power transmission device is known (see, for example, Patent Document 3).
- a wireless power transmission device that transmits power by generating magnetic field resonance between a power transmission unit including a power transmission coil and a power reception unit including a power reception coil, and is provided in either the power transmission unit or the power reception unit
- the change means for changing the power transmission efficiency by changing the predetermined power transmission / reception element, the transmission efficiency calculation means for calculating the transmission efficiency before and after the change by the change means, and the transmission efficiency calculation means,
- a determination means for determining whether or not the transmission efficiency has improved before and after the change by comparing the transmission efficiency before and after the change, and the determination by the determination means and the change by the change means are repeatedly executed.
- a wireless power transmission device that improves transmission efficiency is known (see, for example, Patent Document 4).
- the power receiving device can receive power wirelessly in a free position with respect to the power transmitting device.
- the impedance changes, impedance matching cannot be achieved, the reflected wave of power transmission increases, and transmission efficiency deteriorates.
- An object of the present invention is to provide a power transmission device that can suppress reflected waves of power transmission.
- the power transmission device includes a power supply circuit that generates an AC voltage, a power transmission coil that generates a magnetic field by inputting the AC voltage generated by the power supply circuit, a resonance coil, and a resonance capacitor.
- a magnetic field is generated by the electromagnetic resonance, a current flows due to electromagnetic induction, and the resonance for power transmission is reduced in a direction in which the standing wave ratio in the transmission line from the power supply circuit to the power transmission coil decreases.
- a control circuit for controlling the position or orientation of the power transmission coil with respect to the power supply.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a power transmission unit and a power reception unit according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a graph illustrating the impedance and standing wave ratio with respect to the transmission distance of the power transmission unit and the power reception unit in FIG. 1.
- FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the power feeding system according to the first embodiment.
- FIG. 4 is a graph showing conversion tables stored in the first memory and the second memory.
- FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a power feeding system according to the second embodiment.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a power transmission unit 101 and a power reception unit 102 according to the first embodiment.
- the power transmission unit 101 includes an inner power transmission coil 111 and an outer power transmission resonator 114.
- the power transmission resonator 114 includes a series connection circuit of a resonance coil 112 and a resonance capacitor 113, and the resonance frequency thereof is 1 / ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (L ⁇ C) ⁇ .
- L is the inductance of the power transmission resonator 114
- C is the capacitance value of the power transmission resonator 114.
- the power transmission coil 111 has, for example, one winding and an outer diameter of 209 mm.
- the resonance coil 112 has, for example, five turns, an outer diameter of 300 mm, and a winding pitch of 6 mm.
- the power receiving unit 102 includes an inner power receiving coil 121 and an outer power receiving resonator 124.
- the power receiving resonator 124 includes a series connection circuit of a resonance coil 122 and a resonance capacitor 123, and the resonance frequency thereof is 1 / ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (L ⁇ C) ⁇ .
- L is the inductance of the power receiving resonator 124
- C is the capacitance value of the power receiving resonator 124.
- the resonance coil 122 has, for example, five turns, an outer diameter of 300 mm, and a winding pitch of 6 mm.
- the power receiving coil 121 has, for example, one winding and an outer diameter of 209 mm.
- the coils 111, 112, 121, and 122 have a coil wire diameter of, for example, 3 mm.
- the power transmission unit 101 can perform wireless power transmission to the power reception unit 102.
- a high frequency AC voltage is applied to the power transmission coil 111 by a power supply circuit.
- the power supply circuit has an output AC voltage frequency of, for example, 2 MHz and an output impedance of, for example, 50 ⁇ . Then, a magnetic field is generated in the power transmission coil 111, and a current flows through the power transmission resonator 114 by electromagnetic induction. Since the frequency of the AC voltage applied by the power supply circuit is a resonance frequency of 1 / ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (L ⁇ C) ⁇ , the power transmission resonator 114 is in a resonance state.
- a magnetic field is generated in the power transmission resonator 114, and a current flows through the power reception resonator 124 due to magnetic resonance at a resonance frequency of 1 / ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (L ⁇ C) ⁇ . Becomes a resonance state. Then, a magnetic field is generated in the power receiving resonator 124, and a current flows through the power receiving coil 121 by electromagnetic induction.
- a load can be connected to the power receiving coil 121 to supply power to the load.
- the load resistance is, for example, 10 ⁇ .
- the power transmission unit 101 can wirelessly transmit power to the power reception unit 102 by magnetic field resonance.
- the power transmission distance X is a distance between the power transmission unit 101 and the power reception unit 102.
- the power feeding system can transmit power up to a maximum power transmission distance X of several meters.
- FIG. 2 is a graph showing an impedance 201 and a standing wave ratio (SWR) 202 with respect to the transmission distance X of the power transmission unit 101 and the power reception unit 102 in FIG.
- An impedance 201 and a standing wave ratio 202 when the power transmission distance X is changed from 200 mm to 600 mm are shown.
- the impedance 201 is a combined impedance of the power transmission unit 101 and the power reception unit 102.
- the standing wave ratio 202 is a standing wave ratio in the transmission line from the power supply circuit to the power transmission coil 111, and indicates the magnitude of the reflected wave with respect to the traveling wave.
- the standing wave ratio 202 becomes the minimum value “1”, and the standing wave ratio 202 increases as the amplitude of the reflected wave increases.
- the standing wave ratio 202 is large, the amplitude of the reflected wave is large, so the traveling wave is attenuated by the reflected wave, and the transmission efficiency (power transmission efficiency) is deteriorated.
- the output impedance of the power supply circuit is, for example, 50 ⁇ .
- impedance matching can be achieved if the combined impedance 201 of the power transmitting unit 101 and the power receiving unit 102 is 50 ⁇ , which is the same as the output impedance of the power supply circuit.
- the transmission distance X in FIG. 2 is about 260 mm
- the combined impedance 201 of the power transmission unit 101 and the power reception unit 102 is 50 ⁇
- the impedance is matched
- the amplitude of the reflected wave is about 0
- the standing wave ratio 202 is The minimum value is about “1”.
- the power receiving unit 102 can receive power wirelessly in a free position with respect to the power transmitting unit 101. Therefore, the power transmission distance X is a value that can change.
- the transmission distance X When the transmission distance X is shorter than about 260 mm, the combined impedance 201 becomes smaller than 50 ⁇ , impedance mismatch occurs, the standing wave ratio 202 becomes larger, and the transmission efficiency deteriorates.
- the power transmission distance X when the power transmission distance X is longer than about 260 mm, the combined impedance 201 becomes larger than 50 ⁇ , impedance mismatch occurs, the standing wave ratio 202 becomes larger, and the transmission efficiency deteriorates. Therefore, even when the power transmission distance X changes, a technique is desired that adjusts the synthetic impedance 201 to minimize the standing wave ratio 202 and improve the transmission efficiency. Practically, it is preferable to adjust the impedance matching so that the standing wave ratio 202 is 3 or less.
- the power receiving unit 102 since the power receiving unit 102 is driven with a constant rated power, it is necessary to receive the rated power. For this purpose, the power transmission unit 101 needs to transmit power at such a power value that the power reception unit 102 receives the rated power.
- the transmission efficiency changes. In general, if the power transmission distance X is short, the transmission efficiency is high, and if the power transmission distance X is long, the transmission efficiency is low. Therefore, when the power transmission unit 101 transmits a constant power value, the power reception power of the power reception unit 102 increases if the power transmission distance X is short, and the power reception power of the power reception unit 102 decreases if the power transmission distance X is long. .
- the power transmission unit 101 needs to change the transmission power value according to the transmission distance X. At this time, since the power transmission distance X is unknown, establishment of a technique for detecting the power transmission distance X is desired.
- FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the power feeding system according to the first embodiment.
- the power supply system includes a power transmission device 301 and a power reception device 302.
- the power transmission device 301 includes a power supply circuit 311, a control circuit 319, a power transmission unit 101, a first memory 317, and a second memory 318.
- the power transmission unit 101 has the same configuration as the power transmission unit 101 of FIG. 1 and includes a power transmission coil 111 and a power transmission resonator 114.
- the power transmission resonator 114 includes a series connection circuit of a resonance coil 112 and a resonance capacitor 113.
- the power receiving apparatus 302 includes a power receiving unit 102 and a load 321.
- the power receiving unit 102 has the same configuration as the power receiving unit 102 in FIG. 1 and includes a power receiving coil 121 and a power receiving resonator 124.
- the power receiving resonator 124 includes a series connection circuit of a resonance coil 122 and a resonance capacitor 123.
- the load 321 is connected to the power receiving coil 121.
- the power supply circuit 311 includes an oscillator 312 and a power transmission amplifier 313, and generates an AC voltage S2.
- the oscillator 312 generates a high-frequency AC voltage S1 by oscillation.
- the power transmission amplifier 313 amplifies the AC voltage S1 with a gain GN, and outputs the amplified AC voltage S2 to the power transmission coil 111.
- the power transmission coil 111 generates a magnetic field by inputting the AC voltage S2 generated by the power supply circuit 311.
- a current flows through the power transmission resonator 114 due to electromagnetic induction, and the power transmission resonator 114 enters a resonance state. That is, since the frequency of the AC voltage applied by the power supply circuit 311 is a resonance frequency of 1 / ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (L ⁇ C) ⁇ , the power transmission resonator 114 is in a resonance state.
- a magnetic field is generated in the power transmission resonator 114, and a current flows through the power reception resonator 124 due to magnetic resonance at a resonance frequency of 1 / ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (L ⁇ C) ⁇ . Becomes a resonance state. Then, a magnetic field is generated in the power receiving resonator 124, and a current flows through the power receiving coil 121 by electromagnetic induction.
- the power receiving coil 121 supplies the received power to the load 321.
- the load 321 receives power supply and lights up, for example.
- the control circuit 319 includes a standing wave ratio detector 314, a motor control circuit 315, and a motor 316.
- the standing wave ratio detector 314 detects the standing wave ratio in the transmission line from the power supply circuit 311 to the power transmission coil 111. Specifically, the standing wave ratio detector 314 detects a traveling wave and a reflected wave in a transmission line from the power supply circuit 311 to the power transmission coil 111, and is standing based on the traveling wave amplitude and the reflected wave amplitude.
- the wave ratio S3 is calculated and output.
- the motor 316 controls the position of the power transmission coil 111 with respect to the power transmission resonator 114. That is, the motor 316 controls the alignment distance Y.
- the matching distance Y is a distance between the power transmission coil 111 and the power transmission resonator 114.
- the motor 316 changes the matching distance Y, the combined impedance 201 of the power transmission unit 101 and the power reception unit 102 changes, and the standing wave ratio 202 changes.
- the output impedance of the power supply circuit 311 is, for example, 50 ⁇ .
- impedance matching can be achieved if the combined impedance 201 of the power transmitting unit 101 and the power receiving unit 102 is 50 ⁇ , which is the same as the output impedance of the power supply circuit 311. Therefore, if the motor 316 controls the matching distance Y and the combined impedance 201 of the power transmission unit 101 and the power reception unit 102 is set to 50 ⁇ , the standing wave ratio S3 detected by the standing wave ratio detector 314 is “1” which is the minimum value. "become.
- the motor control circuit 315 inputs the standing wave ratio S3, and outputs a drive signal S4 for controlling the position of the power transmission coil 111 to the motor 316 in a direction in which the standing wave ratio S3 decreases. That is, the motor control circuit 315 outputs a drive signal S4 for controlling the matching distance Y such that the standing wave ratio S3 becomes the minimum value to the motor 316 by feedback control.
- the motor 316 controls the position of the power transmission coil 111 according to the drive signal S4.
- the motor 316 includes a position sensor that detects its own control amount, and outputs information on the matching distance Y corresponding to the current position of the power transmission coil 111 to the first memory 317.
- the first memory 317 converts the information of the matching distance Y output by the motor 316 into the power transmission distance X, and outputs the power transmission distance X to the second memory 318.
- the power transmission distance X is a distance between the power transmission resonator 114 and the power reception resonator 124. That is, the first memory 317 outputs the distance X between the power transmission resonator 114 and the power reception resonator 124 based on the position of the power transmission coil 111 controlled by the control circuit 319. Details thereof will be described later with reference to FIG.
- the second memory 318 outputs the transmission efficiency from the power transmission device 301 to the power reception device 302 based on the distance X between the power transmission resonator 114 and the power reception resonator 124 output from the first memory 317. To do. Furthermore, the second memory 318 outputs a gain GN for the power receiving apparatus 302 to receive a certain target power to the power transmission amplifier 313 based on the transmission efficiency. Details thereof will be described later with reference to FIG.
- the power transmission amplifier 313 amplifies the AC voltage S1 with a gain GN and outputs the AC voltage S2. Thereby, even when the power transmission distance X changes, the power receiving apparatus 302 can always receive a constant target power.
- FIG. 4 is a graph showing conversion tables stored in the first memory 317 and the second memory 318.
- the first memory 317 stores a conversion table for converting the matching distance Y to the power transmission distance X.
- the standing wave ratio S3 is controlled to the minimum value, the relationship between the matching distance Y and the power transmission distance X is uniquely determined as shown in FIG.
- the second memory 318 stores a conversion table for converting the transmission distance X into the transmission efficiency Z.
- the transmission efficiency Z is represented by the ratio between the received power of the load 321 of the power receiving apparatus 302 and the transmitted power of the power supply circuit 311 of the power transmitting apparatus 301.
- the relationship between the power transmission distance X and the transmission efficiency Z is uniquely determined as shown in FIG. These conversion tables are generated by prior simulation or actual measurement.
- the first memory 317 changes the matching distance Y output by the motor 316 to the power transmission distance X using the conversion table of FIG. 4 and outputs the power transmission distance X to the second memory 318.
- the second memory 318 converts the power transmission distance X output from the first memory 317 into the transmission efficiency Z using the conversion table of FIG. Further, the second memory 318 outputs a gain GN for the power receiving apparatus 302 to receive a certain target power based on the transmission efficiency Z.
- the power transmitting apparatus 301 increases the gain GN to transmit large power when the transmission efficiency Z is low, and decreases the gain GN when the transmission efficiency Z is high. It is enough to transmit small electric power. Therefore, the second memory 318 may obtain the gain GN by an arithmetic expression using the inverse of the transmission efficiency X as a coefficient.
- the power transmission amplifier 313 amplifies the AC voltage S1 with the gain GN and outputs the AC voltage S2, so that the load 321 of the power receiving device 302 can always receive a constant power even if the power transmission distance X changes. .
- the matching distance Y is controlled so that the standing wave ratio S3 becomes the minimum value, reflected waves of power transmission can be suppressed and transmission efficiency can be improved.
- the motor 316 demonstrated the case where the position of the coil 111 for power transmission was controlled (for example, linear movement) as an example, you may make it control the direction (for example, rotation) of the coil 111 for power transmission. Even if the direction of the power transmission coil 111 is changed, the combined impedance 201 of the power transmission unit 101 and the power reception unit 102 is changed and the standing wave ratio 202 is also changed, so that the same effect as described above can be obtained.
- the control circuit 319 has a position or orientation of the power transmission coil 111 with respect to the power transmission resonator 114 in a direction in which the standing wave ratio S3 in the transmission line from the power supply circuit 311 to the power transmission coil 111 decreases.
- the power supply circuit 311 also uses the first memory 317 and the second memory 318 to amplify and output the AC voltage S1 with a gain GN corresponding to the position or orientation of the power transmission coil 111 controlled by the control circuit 319.
- the power receiving device 302 can receive a certain amount of power.
- FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a power feeding system according to the second embodiment.
- the power receiving apparatus 302 includes a motor 521 instead of the load 321 in FIG.
- the motor 521 is connected to the power receiving coil 121.
- the power receiving coil 121 supplies the received power to the motor 521.
- the motor 521 moves the power receiving apparatus 302 to a position corresponding to the magnitude of the supplied power.
- the power receiving device 302 is a model helicopter, for example, and rises to a high altitude according to the magnitude of the received power.
- the power transmission device 301 can control the altitude of the power reception device 302 by controlling the transmission power value. In this case, the power transmission device 301 needs to transmit power for the power reception device 302 to move to the target altitude.
- the altitude of the power receiving apparatus 302 corresponds to the power transmission distance X. Therefore, the power transmission apparatus 511 may transmit power such that the power transmission distance X becomes the target distance.
- the power transmission device 301 further includes a target distance memory 511, a subtracter 512, and a phase compensation circuit 513.
- the target distance memory 511 stores the target distance X0.
- the power transmission device 301 can transmit power such that the power transmission distance X becomes the target distance X0.
- the subtracter 512 outputs a value X1 obtained by subtracting the power transmission distance X output from the first memory 317 from the target distance X0.
- the phase compensation circuit 513 performs phase compensation based on the value X1, and the output is input to the second memory 318.
- the subtracter 512 outputs a difference value X1 between the power transmission distance X output from the first memory 317 and the target distance X0, and a negative feedback is configured to suppress the difference value X1 to “0”.
- the difference value X1 is input to the phase compensation circuit 513.
- the phase compensation circuit 513 is designed so that the feedback loop is stabilized in consideration of the responsiveness of the motor 316 and the dynamic characteristics of the power receiving device 302.
- the output of the phase compensation circuit 513 is input to the second memory 318.
- the second memory 318 outputs the transmission efficiency Z as in the first embodiment, and further outputs the gain GN based on the transmission efficiency Z.
- the gain GN is controlled to a gain such that the power transmission distance X becomes the target distance X0.
- the power transmission amplifier 313 amplifies the AC voltage S1 with a gain GN and outputs the AC voltage S2.
- the motor 521 of the power receiving apparatus 302 controls the position of the power receiving apparatus 302 according to the received power value. As a result, the power receiving apparatus 302 is controlled to a position where the power transmission distance X becomes the target distance X0.
- the power supply circuit 311 amplifies and outputs the AC voltage S1 with a gain GN such that the difference value X1 between the power transmission distance X and the target distance X0 output from the first memory 317 approaches zero.
- the subtractor 512 outputs a difference value X1 between the power transmission distance X output from the first memory 317 and the target distance X0.
- the phase compensation circuit 513 can stabilize the feedback control by compensating the phase based on the difference value X1 output from the subtractor 512.
- both the adjustment of the combined impedance 201 and the control of the received power of the power receiving device 302 are basically performed only by the operation of the power transmitting device 301.
- the communication means between 301 and the power receiving apparatus 302 may be used as an auxiliary means.
- auxiliary means such as a distance sensor may be used separately.
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Abstract
送電装置は、交流電圧を生成する電源回路(311)と、前記電源回路により生成された交流電圧を入力することにより磁界を発生させる送電用コイル(111)と、共振用コイル及び共振用容量を含み、前記送電用コイルにより磁界が発生すると、電磁誘導により電流が流れ、共振状態となる送電用共振器(114)と、前記電源回路から前記送電用コイルまでの伝送線路における定在波比が小さくなる方向に、前記送電用共振器に対する前記送電用コイルの位置又は向きを制御する制御回路(319)とを有する。
Description
本発明は、送電装置に関する。
給電すべき電力を生成する電力生成部と、電力生成部で生成される電力が給電されるコイルにより形成される給電素子と、給電素子により電磁誘導により結合する共鳴素子と、電力の給電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む可変整合部と、を有し、給電素子は、径を変更可能に形成され、可変整合部は、給電素子の径を変更可能である給電装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、給電すべき電力を生成する電力生成部と、電力生成部で生成される電力が給電される送電素子と、給電側のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、制御信号に応じて、電力の送電素子の給電点におけるインピーダンス整合機能を含む可変整合部と、送電側のインピーダンス特性から受電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を参照テーブルとして格納する記憶部と、少なくとも検出されたインピーダンス情報と、記憶部の参照テーブルの情報から可変整合部の調整すべき状態を求め、求めた状態となるように制御信号を可変整合部に出力する制御部と、を有する給電装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。
また、交流電源と、交流電源に接続された1次コイルと、1次側共鳴コイルと、2次側共鳴コイルと、2次コイルと、2次コイルに接続された負荷と、交流電源と1次コイルとの間に設けられたインピーダンス可変回路とを備え、1次コイル、1次側共鳴コイル、2次側共鳴コイル、2次コイル及び負荷は共鳴系を構成し、共鳴系の状態を検出する状態検出手段を備え、インピーダンス可変回路は、状態検出手段の検出結果に基づいて共鳴系の共鳴周波数における入力インピーダンスと、1次コイルより交流電源側のインピーダンスとが合うようにインピーダンスが調整される非接触電力伝送装置が知られている(例えば、特許文献3参照)。
また、送電コイルを含む送電ユニットと受電コイルを含む受電ユニットとの間で磁界共鳴を発生させることによって電力を送電する無線電力伝送装置であって、送電ユニットおよび受電ユニットの何れかに設けられた、所定の送受電要素を変更することで、電力の伝送効率を変化させる変更手段と、変更手段による変更の前後の伝送効率を算出する伝送効率算出手段と、伝送効率算出手段によって算出された、変更の前後の伝送効率を比較することで、該変更の前後で伝送効率が改善したか否かを判定する判定手段と、を備え、判定手段による判定と、変更手段による変更と、が繰り返し実行されることで、伝送効率を改善する無線電力伝送装置が知られている(例えば、特許文献4参照)。
磁界共鳴方式の給電システムでは、受電装置は、送電装置に対してフリーポジションで無線受電することができる。しかし、受電装置の位置が変化すると、インピーダンスが変化してしまい、インピーダンス整合がとれなくなり、送電の反射波が大きくなり、伝送効率が悪化してしまう。
本発明の目的は、送電の反射波を抑制することができる送電装置を提供することである。
送電装置は、交流電圧を生成する電源回路と、前記電源回路により生成された交流電圧を入力することにより磁界を発生させる送電用コイルと、共振用コイル及び共振用容量を含み、前記送電用コイルにより磁界が発生すると、電磁誘導により電流が流れ、共振状態となる送電用共振器と、前記電源回路から前記送電用コイルまでの伝送線路における定在波比が小さくなる方向に、前記送電用共振器に対する前記送電用コイルの位置又は向きを制御する制御回路とを有する。
送電用コイルの位置又は向きを制御することにより、送電の反射波を抑制し、伝送効率を向上させることができる。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態による送電部101及び受電部102の構成例を示す図である。送電部101は、内側の送電用コイル111及び外側の送電用共振器114を有する。送電用共振器114は、共振用コイル112及び共振用容量113の直列接続回路を有し、その共振周波数は1/{2×π×√(L×C)}である。ここで、Lは送電用共振器114のインダクタンスであり、Cは送電用共振器114の容量値である。送電用コイル111は、例えば、巻き数が1回であり、外径が209mmである。共振用コイル112は、例えば、巻き数が5回であり、外径が300mmであり、巻線ピッチが6mmである。
図1は、第1の実施形態による送電部101及び受電部102の構成例を示す図である。送電部101は、内側の送電用コイル111及び外側の送電用共振器114を有する。送電用共振器114は、共振用コイル112及び共振用容量113の直列接続回路を有し、その共振周波数は1/{2×π×√(L×C)}である。ここで、Lは送電用共振器114のインダクタンスであり、Cは送電用共振器114の容量値である。送電用コイル111は、例えば、巻き数が1回であり、外径が209mmである。共振用コイル112は、例えば、巻き数が5回であり、外径が300mmであり、巻線ピッチが6mmである。
受電部102は、内側の受電用コイル121及び外側の受電用共振器124を有する。受電用共振器124は、共振用コイル122及び共振用容量123の直列接続回路を有し、その共振周波数は1/{2×π×√(L×C)}である。ここで、Lは受電用共振器124のインダクタンスであり、Cは受電用共振器124の容量値である。共振用コイル122は、例えば、巻き数が5回であり、外径が300mmであり、巻線ピッチが6mmである。受電用コイル121は、例えば、巻き数が1回であり、外径が209mmである。
コイル111、112、121及び122は、コイル線の直径が例えば3mmである。
送電部101は、受電部102に対して無線送電を行うことができる。送電用コイル111には、電源回路により高周波数の交流電圧が印加される。電源回路は、出力交流電圧の周波数が例えば2MHzであり、出力インピーダンスが例えば50Ωである。すると、送電用コイル111に磁界が発生し、電磁誘導により、送電用共振器114に電流が流れる。電源回路により印加される交流電圧の周波数は1/{2×π×√(L×C)}の共振周波数であるので、送電用共振器114は共振状態になる。すると、送電用共振器114に磁界が発生し、1/{2×π×√(L×C)}の共振周波数の磁界共鳴により、受電用共振器124に電流が流れ、受電用共振器124は共振状態になる。すると、受電用共振器124に磁界が発生し、電磁誘導により、受電用コイル121に電流が流れる。受電用コイル121には負荷を接続し、負荷に電力を供給することができる。負荷の抵抗は、例えば10Ωである。
以上のように、送電部101は、磁界共鳴により、受電部102に対して、非接触で無線送電することができる。送電距離Xは、送電部101と受電部102との間の距離である。給電システムは、最大、数m程度の送電距離Xまで送電が可能である。
図2は、図1の送電部101及び受電部102の送電距離Xに対するインピーダンス201及び定在波比(SWR:Standing Wave Ratio)202を示すグラフである。送電距離Xを200mmから600mmまで変化させた時のインピーダンス201及び定在波比202を示す。インピーダンス201は、送電部101及び受電部102の合成インピーダンスである。定在波比202は、電源回路から送電用コイル111までの伝送線路における定在波比であり、進行波に対する反射波の大きさを示す。反射波の振幅が0のとき、定在波比202が最小値の「1」になり、反射波の振幅が大きくなるほど、定在波比202が大きくなる。定在波比202が大きくなると、反射波の振幅が大きいため、進行波が反射波により減衰し、伝送効率(送電効率)が悪化する。
電源回路の出力インピーダンスは、例えば50Ωである。この場合、送電部101及び受電部102の合成インピーダンス201が、電源回路の出力インピーダンスと同じ50Ωになれば、インピーダンス整合がとれる。例えば、図2の送電距離Xが約260mmにおいて、送電部101及び受電部102の合成インピーダンス201が50Ωになり、インピーダンス整合状態となり、反射波の振幅が約0になり、定在波比202が最小値の約「1」になる。
受電部102は、送電部101に対してフリーポジションで無線受電可能である。したがって、送電距離Xは、変化し得る値である。
送電距離Xが約260mmより短くなると、合成インピーダンス201が50Ωより小さくなり、インピーダンス不整合となり、定在波比202が大きくなり、伝送効率が悪化する。これに対し、送電距離Xが約260mmより長くなると、合成インピーダンス201が50Ωより大きくなり、インピーダンス不整合となり、定在波比202が大きくなり、伝送効率が悪化する。そこで、送電距離Xが変化した場合でも、合成インピーダンス201を調整することにより、定在波比202を最小値にし、伝送効率を向上させる技術が望まれる。実用的には、定在波比202が「3」以下になるように、インピーダンス整合を調整することが好ましい。
また、受電部102は、一定の定格電力で駆動するため、定格電力を受電する必要がある。そのためには、送電部101は、受電部102が定格電力を受電するような電力値で送電を行う必要がある。しかし、送電距離Xが変わると、伝送効率が変化してしまう。一般的に、送電距離Xが短ければ伝送効率は高く、送電距離Xが長ければ伝送効率は低くなる。したがって、送電部101は、一定電力値を送電した場合には、送電距離Xが短ければ、受電部102の受電電力が大きくなり、送電距離Xが長ければ、受電部102の受電電力が小さくなる。したがって、受電部102が一定の定格電力を受電するには、送電部101は、送電距離Xに応じて送電電力値を変える必要がある。その際、送電距離Xが不明であるので、送電距離Xを検出する技術の確立が望まれる。
以下、本実施形態では、定在波比202を最小値になるようにインピーダンス201を調整し、送電距離Xを検出して送電距離Xに応じて送電電力値を制御する方法を説明する。
図3は、第1の実施形態による給電システムの構成例を示す図である。給電システムは、送電装置301及び受電装置302を有する。送電装置301は、電源回路311、制御回路319、送電部101、第1のメモリ317及び第2のメモリ318を有する。送電部101は、図1の送電部101と同じ構成を有し、送電用コイル111及び送電用共振器114を有する。送電用共振器114は、共振用コイル112及び共振用容量113の直列接続回路を有する。
受電装置302は、受電部102及び負荷321を有する。受電部102は、図1の受電部102と同じ構成を有し、受電用コイル121及び受電用共振器124を有する。受電用共振器124は、共振用コイル122及び共振用容量123の直列接続回路を有する。負荷321は、受電用コイル121に接続される。
電源回路311は、発振器312及び送電アンプ313を有し、交流電圧S2を生成する。発振器312は、高周波数の交流電圧S1を発振により生成する。送電アンプ313は、ゲインGNで交流電圧S1を増幅し、その増幅した交流電圧S2を送電用コイル111に出力する。
送電用コイル111は、電源回路311により生成された交流電圧S2を入力することにより磁界を発生させる。送電用コイル111により磁界が発生すると、電磁誘導により、送電用共振器114に電流が流れ、送電用共振器114は共振状態になる。すなわち、電源回路311により印加される交流電圧の周波数は1/{2×π×√(L×C)}の共振周波数であるので、送電用共振器114は共振状態になる。すると、送電用共振器114に磁界が発生し、1/{2×π×√(L×C)}の共振周波数の磁界共鳴により、受電用共振器124に電流が流れ、受電用共振器124は共振状態になる。すると、受電用共振器124に磁界が発生し、電磁誘導により、受電用コイル121に電流が流れる。受電用コイル121は、受電した電力を負荷321に供給する。負荷321は、電力の供給を受け、例えば点灯する。
制御回路319は、定在波比検出器314、モーター制御回路315及びモーター316を有する。定在波比検出器314は、電源回路311から送電用コイル111までの伝送線路における定在波比を検出する。具体的には、定在波比検出器314は、電源回路311から送電用コイル111までの伝送線路における進行波及び反射波を検出し、進行波の振幅及び反射波の振幅を基に定在波比S3を算出して出力する。モーター316は、送電用共振器114に対する送電用コイル111の位置を制御する。すなわち、モーター316は、整合距離Yを制御する。整合距離Yは、送電用コイル111と送電用共振器114との間の距離である。モーター316が整合距離Yを変化させると、送電部101及び受電部102の合成インピーダンス201が変化し、定在波比202が変化する。
電源回路311の出力インピーダンスは、例えば50Ωである。この場合、送電部101及び受電部102の合成インピーダンス201が、電源回路311の出力インピーダンスと同じ50Ωになれば、インピーダンス整合がとれる。したがって、モーター316が整合距離Yを制御し、送電部101及び受電部102の合成インピーダンス201を50Ωにすれば、定在波比検出器314が検出する定在波比S3が最小値の「1」になる。
モーター制御回路315は、定在波比S3を入力し、定在波比S3が小さくなる方向に、送電用コイル111の位置を制御するための駆動信号S4をモーター316に出力する。すなわち、モーター制御回路315は、フィードバック制御により、定在波比S3が最小値になるような整合距離Yに制御するための駆動信号S4をモーター316に出力する。モーター316は、駆動信号S4に応じて、送電用コイル111の位置を制御する。また、モーター316は、自己の制御量を検出する位置センサを有し、送電用コイル111の現在位置に対応する整合距離Yの情報を第1のメモリ317に出力する。
第1のメモリ317は、モーター316により出力された整合距離Yの情報を送電距離Xに変換し、送電距離Xを第2のメモリ318に出力する。送電距離Xは、送電用共振器114と受電用共振器124との間の距離である。すなわち、第1のメモリ317は、制御回路319が制御した送電用コイル111の位置を基に、送電用共振器114と受電用共振器124との間の距離Xを出力する。その詳細は、後に図4を参照しながら説明する。
第2のメモリ318は、第1のメモリ317により出力された送電用共振器114と受電用共振器124との間の距離Xを基に、送電装置301から受電装置302への伝送効率を出力する。さらに、第2のメモリ318は、その伝送効率を基に、受電装置302が一定の目標電力を受電するためのゲインGNを送電アンプ313に出力する。その詳細は、後に図4を参照しながら説明する。送電アンプ313は、ゲインGNで交流電圧S1を増幅し、交流電圧S2を出力する。これにより、送電距離Xが変化した場合でも、受電装置302は、常に一定の目標電力を受電することができる。
図4は、第1のメモリ317及び第2のメモリ318に記憶される変換テーブルを示すグラフである。第1のメモリ317は、整合距離Yを送電距離Xに変換するための変換テーブルを記憶する。定在波比S3が最小値に制御された場合、整合距離Yと送電距離Xとの関係は、図4に示すように一意に決まる。
第2のメモリ318は、送電距離Xを伝送効率Zに変換するための変換テーブルを記憶する。伝送効率Zは、受電装置302の負荷321の受電電力と送電装置301の電源回路311の送電電力との比で表される。送電距離Xと伝送効率Zとの関係は、図4に示すように一意に決まる。これらの変換テーブルは、事前のシミュレーション又は実測により生成される。
第1のメモリ317は、図4の変換テーブルを用いて、モーター316により出力される整合距離Yを送電距離Xに変化し、送電距離Xを第2のメモリ318に出力する。第2のメモリ318は、図4の変換テーブルを用いて、第1のメモリ317により出力された送電距離Xを伝送効率Zに変換する。さらに、第2のメモリ318は、その伝送効率Zを基に受電装置302が一定の目標電力を受電するためのゲインGNを出力する。受電装置302が一定の電力を受電するためには、送電装置301は、伝送効率Zが低いときには、ゲインGNを大きくして大きな電力を送電し、伝送効率Zが高いときには、ゲインGNを小さくして小さな電力を送電すればよい。そこで、第2のメモリ318は、伝送効率Xの逆数を係数とした演算式によりゲインGNを求めてもよい。
送電アンプ313は、ゲインGNで交流電圧S1を増幅し、交流電圧S2を出力することにより、受電装置302の負荷321は、送電距離Xが変わっても、常に一定の電力を受電することができる。また、定在波比S3が最小値になるように整合距離Yが制御されるので、送電の反射波を抑制し、伝送効率を向上させることができる。
なお、モーター316は、送電用コイル111の位置を制御(例えば直進移動)する場合を例に説明したが、送電用コイル111の向き(例えば回転)を制御するようにしてもよい。送電用コイル111の向きを変えても、送電部101及び受電部102の合成インピーダンス201が変化し、定在波比202も変化するので、上記と同じ効果が得られる。
本実施形態によれば、制御回路319は、電源回路311から送電用コイル111までの伝送線路における定在波比S3が小さくなる方向に、送電用共振器114に対する送電用コイル111の位置又は向きを制御することにより、定在波比S3を最小にし、伝送効率を向上させることができる。また、電源回路311は、第1のメモリ317及び第2のメモリ318を用いて、制御回路319が制御した送電用コイル111の位置又は向きに応じたゲインGNで交流電圧S1を増幅して出力することにより、送電距離Xが変わっても、受電装置302に一定の電力を受電させることができる。
(第2の実施形態)
図5は、第2の実施形態による給電システムの構成例を示す図である。以下、第2の実施形態(図5)が第1の実施形態(図3)と異なる点を説明する。受電装置302は、図3の負荷321の代わりにモーター521を有する。モーター521は、受電用コイル121に接続される。受電用コイル121は、受電した電力をモーター521に供給する。モーター521は、供給された電力の大きさに応じた位置に受電装置302を移動させる。受電装置302は、例えば、模型ヘリコプターであり、受電した電力の大きさに応じた高度に浮上する。送電装置301は、送電電力値を制御することにより、受電装置302の高度を制御することができる。この場合、送電装置301は、受電装置302が目標高度に移動するための電力を送電する必要がある。受電装置302の高度は、送電距離Xに対応する。したがって、送電装置511は、送電距離Xが目標距離になるような電力を送電すればよい。
図5は、第2の実施形態による給電システムの構成例を示す図である。以下、第2の実施形態(図5)が第1の実施形態(図3)と異なる点を説明する。受電装置302は、図3の負荷321の代わりにモーター521を有する。モーター521は、受電用コイル121に接続される。受電用コイル121は、受電した電力をモーター521に供給する。モーター521は、供給された電力の大きさに応じた位置に受電装置302を移動させる。受電装置302は、例えば、模型ヘリコプターであり、受電した電力の大きさに応じた高度に浮上する。送電装置301は、送電電力値を制御することにより、受電装置302の高度を制御することができる。この場合、送電装置301は、受電装置302が目標高度に移動するための電力を送電する必要がある。受電装置302の高度は、送電距離Xに対応する。したがって、送電装置511は、送電距離Xが目標距離になるような電力を送電すればよい。
送電装置301は、さらに、目標距離メモリ511、減算器512及び位相補償回路513を有する。目標距離メモリ511は、目標距離X0を記憶する。送電装置301は、送電距離Xが目標距離X0になるような電力を送電することができる。減算器512は、目標距離X0から、第1のメモリ317が出力する送電距離Xを減算した値X1を出力する。位相補償回路513は、値X1を基に位相補償を行い、その出力は第2のメモリ318に入力される。
減算器512は、第1のメモリ317が出力する送電距離Xと目標距離X0との差分値X1を出力し、差分値X1を「0」に抑制するようなネガティブフィードバックが構成される。差分値X1は、位相補償回路513に入力される。位相補償回路513は、モーター316の応答性及び受電装置302の動特性を考慮し、フィードバックループが安定化するように設計される。位相補償回路513の出力は、第2のメモリ318に入力される。第2のメモリ318は、第1の実施形態と同様に伝送効率Zを出力し、さらに伝送効率Zを基にゲインGNを出力する。ゲインGNは、送電距離Xが目標距離X0になるようなゲインに制御される。送電アンプ313は、ゲインGNで交流電圧S1を増幅し、交流電圧S2を出力する。受電装置302のモーター521は、受電した電力値に応じて、受電装置302の位置を制御する。その結果、受電装置302は、送電距離Xが目標距離X0になる位置に制御される。
以上のように、電源回路311は、第1のメモリ317により出力された送電距離Xと目標距離X0との差分値X1が0に近づくようなゲインGNで交流電圧S1を増幅して出力する。減算器512は、第1のメモリ317により出力された送電距離Xと目標距離X0との差分値X1を出力する。位相補償回路513は、減算器512により出力された差分値X1を基に位相を補償することにより、フィードバック制御を安定化させることができる。
なお、第1及び第2の実施形態では、基本的に送電装置301のみの動作で合成インピーダンス201の調整と受電装置302の受電電力の制御の双方を行うものとして説明したが、別途、送電装置301及び受電装置302間の通信手段を補助的手段として用いるようにしてもよい。また、送電距離Xの検出に関して、別途、距離センサ等の補助的手段を用いるようにしてもよい。
上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
送電用コイルの位置又は向きを制御することにより、送電の反射波を抑制し、伝送効率を向上させることができる。
Claims (7)
- 交流電圧を生成する電源回路と、
前記電源回路により生成された交流電圧を入力することにより磁界を発生させる送電用コイルと、
共振用コイル及び共振用容量を含み、前記送電用コイルにより磁界が発生すると、電磁誘導により電流が流れ、共振状態となる送電用共振器と、
前記電源回路から前記送電用コイルまでの伝送線路における定在波比が小さくなる方向に、前記送電用共振器に対する前記送電用コイルの位置又は向きを制御する制御回路と
を有することを特徴とする送電装置。 - 前記電源回路は、前記制御回路が制御した前記送電用コイルの位置又は向きに応じたゲインで交流電圧を増幅して出力することを特徴とする請求項1記載の送電装置。
- さらに、前記制御回路が制御した前記送電用コイルの位置又は向きを基に、前記送電装置の前記送電用共振器と受電装置の受電用共振器との間の距離を出力する第1のメモリを有し、
前記電源回路は、前記第1のメモリにより出力された前記送電装置の前記送電用共振器と前記受電装置の受電用共振器との間の距離に応じたゲインで交流電圧を増幅して出力することを特徴とする請求項1記載の送電装置。 - さらに、前記第1のメモリにより出力された前記送電装置の前記送電用共振器と前記受電装置の受電用共振器との間の距離を基に、前記送電装置から前記受電装置への伝送効率を出力する第2のメモリを有し、
前記電源回路は、前記第2のメモリにより出力された前記伝送効率に応じたゲインで交流電圧を増幅して出力することを特徴とする請求項3記載の送電装置。 - 前記電源回路は、受電装置が前記送電装置から目標電力値を受電するようなゲインで交流電圧を増幅して出力することを特徴とする請求項2記載の送電装置。
- 前記電源回路は、前記第1のメモリにより出力された前記送電装置の前記送電用共振器と前記受電装置の受電用共振器との間の距離と目標距離との差分が0に近づくようなゲインで交流電圧を増幅して出力することを特徴とする請求項3記載の送電装置。
- さらに、前記第1のメモリにより出力された前記送電装置の前記送電用共振器と前記受電装置の受電用共振器との間の距離と目標距離との差分を出力する減算器と、
前記減算器により出力された差分を基に位相を補償する位相補償回路とを有することを特徴とする請求項6記載の送電装置。
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