专利名称：磁场共振方式的非接触供电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及非接触供电装置。例如，本发明涉及从地面侧的输电侧向车辆侧的受电侧以非接触状态供给电力的磁场共振方式的非接触供电装置。
背景技术：
根据需要开发了不借助电缆等机械接触对例如电动汽车等车辆从外部供给电力的非接触供电装置并将其实际应用。该非接触供电装置基于电磁感应的互感作用，从固定在地上侧的输电侧电路的输电线圈向搭载于车辆等移动体侧的受电侧电路的受电线圈在存在例如数十毫米以上 数百毫米以下程度气隙(air gap)的非接触状态下近邻着进行位置对应的同时供给电力(参照后述图4)。对于该种非接触供电装置，除了大功率供给需求，鉴于供电时的便利性要求扩大气隙、也就是大气隙化的需求很大，作为适应这些需求的一环，磁场共振方式的研究和开发正在进展之中。首先，针对图3(1)的现有技术进行描述。关于磁场共振方式，典型的是如图3(1)的现有技术中所示的那样，在使用了单个或者多个中继线圈2的非接触供电装置I中适用和实施。S卩，在该图3(1)所示的非接触供电装置I中，首先作为前提，在输电线圈3与受电线圈4之间的气隙G的磁路上配置有构成谐振电路5的中继线圈2。在图示例子中，中继线圈2分别配置在输电线圈3侧和受电线圈4侧。而且，两谐振电路5与输电线圈3等输电侧电路6以及受电线圈4等受电侧电路 7电绝缘，从而构成为独立的不同于输电侧电路6以及受电侧电路7的电路。而且，两谐振电路5在气隙G的磁路上供给励磁无功功率(excitingreactive power)。图中8为谐振电路5的谐振用电容器。而且，作为磁场共振方式，两谐振电路5的谐振频率设定为相等，从而使得中继线圈2间电磁耦合作为磁场共振用线圈，并且，使输电侧电路6的高频电源9的电源频率与该谐振频率相等。例如该图3(1)中现有技术所示，典型的磁场共振方式类型是在使用中继线圈2的非接触供电装置I中适用和实施。接着，针对图3(2)的现有技术进行描述。关于磁场共振方式，像如图3(2)的现有技术所示的那样，也可以在不同于图3(1) 中所示类型的非接触供电装置I的、不使用中继线圈2的非接触供电装置10中适用和实施。即，在该非接触供电装置10中，输电侧电路6中配置有输电线圈3和并联电容器 11，从而形成为并联谐振电路。而且，受电侧电路7中配置有受电线圈4和并联电容器12， 从而形成为并联谐振电路。
而且，在该类型中，作为磁场共振方式，输电线圈3和受电线圈4被用作磁场共振用线圈，从而两并联谐振电路的谐振频率设定为相等，并且，使输电侧电路6的高频电源9 的电源频率与该谐振频率相等。图中13、14为铁氧体芯(ferrite core)等磁芯,L为负载。而且，相比于在图3(1)那样的非接触供电装置I中适用和实施磁场共振方式的类型，在图3(2)那样的非接触供电装置10中适用和实施磁场共振方式的类型由于电阻值减少等原因，具有能够供给较大功率的优点。并且，随着大气隙G化，电磁耦合的耦合系数K 的降低能够通过线圈的Q值来补偿。即，通过采用具有远小于输电线圈3和受电线圈4的互感的电阻成分的输电线圈3、受电线圈4，能够维持线圈间效率。作为在图3(1)的非接触供电装置I中适用和实施磁场共振方式的类型，可列举例如下述专利文献I。关于在图3(2)所示的非接触供电装置10中适用和实施磁场共振方式的类型，参照例如同一专利文献I中的图3(1)、(2)。专利文献I :日本特开2010-173503号公报但是，该种图3(2)中所示现有的磁场共振方式的非接触供电装置10被指出了如下课题。磁场共振方式具有能够扩大气隙G的优点。即便是在例如输电线圈3与受电线圈 4之间的电磁耦合的耦合系数K为O. I以下这样的大气隙G的前提下，磁场共振方式也能够通过非接触供电实现大功率供给。但是，现有的磁场共振方式的非接触供电装置10被指出如下问题在大气隙G的前提下，对输电线圈3进行励磁的励磁视在功率变得极大，因此需要大容量的高频电源9， 造成成本负担过大。例如，针对图3⑵的非接触供电装置10进行仿真时，如果在K值为O. 05的情况下试图对受电侧电路7进行大约2kW程度(输出电压V2420VX5A)的大功率供给，那么输电侧电路6的励磁视在功率将超过130kVA(l. 4kVX96A)。即，面向输电线圈3的输入电压V1需要为超过I. 4kV的高电压，需要在输电侧电路 6的谐振电路中生成该高电压。结果，需要通过高频电源9及/或变压器来供给该高电压。 这样，使用输电线圈3和受电线圈4作为磁场共振用线圈类型的磁场共振方式被指出如下问题需要高压且大容量的逆变电源(inverter power)及/或升压变压器，电源装置的成本增高。
发明内容
本发明的磁场共振方式的非接触供电装置是为了解决上述现有技术、即图3 (2) 所示磁场共振方式的非接触供电装置10的课题而完成的装置。而且，本发明的目的在于提供一种磁场共振方式的非接触供电装置，第一，不需使用高压且大容量的电源装置，第二，能够实现气隙扩大和大功率供给，第三，还能够防止电磁波损伤。本发明的技术方案如下。第一方案如下。第一方案的磁场共振方式的非接触供电装置基于电磁感应的互感作用，从输电侧电路的输电线圈向受电侧电路的受电线圈在存在气隙的非接触状态下近邻着进行位置对应的同时供给电力。而且，该输电侧电路中配置有该输电线圈和与该输电线圈并联连接的并联电容器，从而形成为并联谐振电路。而且，该受电侧电路中配置有该受电线圈和与该受电线圈并联连接的并联电容器，从而也形成为并联谐振电路。而且，两该并联谐振电路的谐振频率设定为相等，并且，使该输电侧电路的高频电源的电源频率与该谐振频率相等。而且，该输电侧电路中，该高频电源侧的电路部分与该并联电容器以及输电线圈侧的电路部分通过电场耦合用电容器的电场耦合连接。第二方案如下。在第一方案的磁场共振方式的非接触供电装置中，该电场耦合用电容器发挥升压功能，从而在将该高频电源侧的电路部分保持为低压的同时，使该输电线圈侧的电路部分
闻压化。第三方案如下。在第二方案的磁场共振方式的非接触供电装置中的该输电侧电路中，该高频电源侧的电路部分与该电场耦合用电容器、该并联电容器以及该输电线圈侧的电路部分经由绝缘变压器连接。第四方案如下。在第二方案的磁场共振方式的非接触供电装置中，该输电线圈等该输电侧电路固定配置在地面、路面、地板面或者其他地上侧。而且，该受电线圈等该受电侧电路搭载在车辆或其它移动体侧。第五方案如下。在第四方案的磁场共振方式的非接触供电装置中，通过停止供电方式供电。从而在供电时该受电线圈相对于固定的该输电线圈在存在气隙的同时近邻着进行位置对应后停止。并且，该输电线圈和该受电线圈由能够成对的对称结构构成。第六方案如下。在第四方案的磁场共振方式的非接触供电装置中，该输电线圈以及该受电线圈分别由被绝缘的线圈导线在同一平面内卷绕多次形成为涡旋状而形成，从而形成为整体平坦、厚度薄的扁平的扁平结构。第七方案如下。在第二方案的磁场共振方式的非接触供电装置中，基于该受电线圈的输出电压相对于面向该输电线圈的输入电压的频率响应来设定该谐振频率。该频率响应在与电磁耦合的耦合系数对应的同时表示双峰特性，从而将该谐振频率设定为与特定的耦合系数相关的双峰特性的两峰的中间频率。关于作用本发明具有如下⑴ (10)的作用。(I)非接触供电装置中，受电线圈在与输电线圈存在气隙的状态下近邻着进行位置对应的同时进行供电。(2)在进行供电时，输电线圈中通电，形成磁通。从而在气隙中形成磁通的磁路。(3)而且，利用上述(2)中感应出的磁场，基于电磁感应的互感作用，从输电线圈
5侧向受电线圈侧供给电力。(4)输电侧电路中，由输电线圈和并联电容器形成并联谐振电路。而且，受电侧电路中，由受电线圈和并联电容器形成并联谐振电路。而且，采用了如下磁场共振方式使两并联谐振电路的谐振频率和高频电源的电源频率相等。(5)如上所述，采用了使用输电线圈和受电线圈作为磁场共振用线圈的磁场共振方式。而且，鉴于扩大气隙的需求，面向输电线圈的励磁视在功率变大，从而需要大的输入电压和电流。(6)于是，首先，由于通过并联谐振电路能够得到大电流，因此在电源装置侧保持小电流和小容量的情况下，能够实现输电线圈侧的大功率化。(7)与此同时，在本发明中，输电侧电路的高频电源侧和输电线圈等侧之间通过电场耦合用电容器连接。从而，通过该电场耦合用电容器的升压功能，能够在将高频电源侧保持为低压的同时，使输电线圈等侧高压化。能够在电源装置侧保持低压和小容量的情况下， 实现输电线圈侧的高压化以及大功率化。(8)当然，由于采用了磁场共振方式，能够在扩大气隙的前提下实现大功率供给。 而且，由于气隙中未设置独立的谐振电路，因此能够相应地提供大功率。(9)并且，经由绝缘变压器连接输电侧电路的高频电源时，共模电流被削减，从而减少了对外辐射的不必要的电磁波。(10)于是，本发明的磁场共振方式的非接触供电装置发挥如下效果。发明的效果第一效果第一，不需使用高压且大容量的电源装置，能够提高输电线圈电压。该磁场共振方式的非接触供电装置采用输电线圈和受电线圈作为磁场共振用线圈的类型，为了扩大气隙，输电线圈需要大的励磁视在功率。于是，在本发明中，通过电场耦合用电容器的电场耦合将输电线圈等侧与输电侧电路的高频电源侧连接，从而，在将高频电源侧保持为低压且小容量的同时，使输电线圈等侧高压化。与此同时，由于与输电线圈并联地连接有谐振电容器，因此能够使高频电源侧保持小电流和小容量的同时，使输电线圈等侧大功率化。因此，解决了前述该种现有技术中需要高压和大容量的逆变电源、变压器从而导致电源装置成本高的问题。本发明中，不需要高频电源的高压化以及大容量化，而且也不需要变压器进行升压，也不需要高压化，能够实现输电线圈的高压化。电源装置侧保持低压和小容量即可实现大幅的成本削减。第二效果第二，能够实现气隙扩大和大功率供给。本发明的磁场共振方式的非接触供电装置采用输电线圈和受电线圈作为磁场共振用线圈的类型。于是，首先，有效利用磁场共振方式的特征，能够实现在扩大气隙、即大气隙化的前提下的大功率供给，从而提高供电时的便利性。与此同时，相比前述现有技术的使用中继线圈类型的磁场共振方式的非接触供电装置，能够提供更大的功率。第三效果第三，还能够防止电磁波损伤。该非接触供电装置中多使用数十kHz以上 数百kHz以下程度的高频交流，这样的话，线圈中流过包含高次谐波的电流，从而共模电流也包含高次谐波。于是，存在由于基于由该共模电流形成的磁场向外部辐射的电磁波对近邻周边带来电波妨碍或对人体造成机能损伤的危险。对比，在本发明中，在输电侧电路中设置绝缘变压器，从而阻止了共模电流，减少了不必要的电磁波辐射，因此能够降低产生电磁波损伤的危险。通过该第一、第二、第三效果可知，本发明所发挥的效果显著并且巨大，能够完全解决该种现有实例中存在的课题。
图I是针对本发明涉及的磁场共振方式的非接触供电装置用于说明实施发明的方式的电路图。图2用于说明磁场共振方式的非接触供电装置，⑴是用于说明其原理的电路说明图，(2)是输出电压的频率响应图。图3用于说明磁场共振方式的非接触供电装置，表示现有技术，(I)是其一个例子的电路说明图，(2)是其他例子的电路说明图。图4用于非接触供电装置的一般性说明，⑴是整体侧视图，⑵是构成框图。符号说明I-非接触供电装置(现有实例)，2-中继线圈，3-输电线圈，4-受电线圈，5-谐振电路，6-输电侧电路，7-受电侧电路，8-电容器，9-高频电源，10-非接触供电装置(现有实例)，11-并联电容器，12-并联电容器，13-磁芯，14-磁芯，15-非接触供电装置(本发明)， 16-蓄电池，17-扼流圈，18-马达，19-整流器，20-逆变器，21-电场耦合用电容器，22-电场耦合用电容器，23-绝缘变压器，24-电容器，A-地上，B-车辆，C-供电站，G-气隙，L-负载，V1-输人电压，V2-输出电压,Φ -磁通。
具体实施例方式以下，针对用于实施本发明的方式，详细地进行说明。关于非接触供电装置15首先，参照图4、图I以及图2(1)等对作为本发明前提的非接触供电装置15进行一般性说明。非接触供电装置15基于电磁感应的互感作用，从输电侧电路6的输电线圈3向受电侧电路7的受电线圈4在存在气隙G的非接触状态下近邻着进行位置对应的同时供给电力。输电侧电路6固定配置在地上A侧，受电侧电路7搭载于车辆B侧等移动体侧。非接触供电装置15的详细说明针对该种非接触供电装置15，一般性地进一步详细说明。首先，针对电路进行描述。称作供电侧、搬运侧或者I次侧的输电侧电路6在供电站C等供电区域中固定配置在地面、路面、地板面或其它的地上A侧。而称作受电侧、接收侧或者2次侧的受电侧电路7搭载于电动汽车(EV车)或者电车等车辆B或者其它移动体侧。受电侧电路7除了可用于驱动，也可用于非驱动，典型的是如图4中所示那样与车载蓄电池16连接，但是也存在如图I、图2(1)中所示的那样与各种负载L直接连接的情况。接着，针对供电进行描述。输电侧电路6的输电线圈3与受电侧电路7的受电线圈4之间，在进行供电时，在存在数十毫米以上 数百毫米以下、例如50mm以上 150mm以下程度的微小间隙空间、即气隙G的同时，于非接触状态下近邻着对应定位。在供电时，如图4、图I以及图2(1)所示，受电线圈4相对于固定的输电线圈3从上侧或者横侧或者其他方向等对应定位后停止(例如停车)的停止供电方式为典型方式。 在停止供电方式的情况下，输电线圈3和受电线圈4构成为可在上下、或者左右、或者其他方向等成对的对称结构。相对于此，也能够是受电线圈4在输电线圈3上等低速移动的同时进行供电的移动供电方式。作为移动供电方式的一个例子，可列举对在高速道路上行驶中的电动汽车充电的例子。接着，针对线圈等进行描述。输电侧电路6的输电线圈3与高频电源9连接。高频电源9由用于转换频率等的逆变电源(inverter power)构成,将例如数kHz以上 数十kHz以下、更进一步为数十kHz 以上 数百kHz以下程度的高频交流作为供电交流、亦即作为励磁电流向输电线圈3通电。 图I的输电侧电路6中，17为扼流圈，11为与输电线圈3并联谐振用的并联电容器。图4的例子中，受电侧电路7的受电线圈4能够与蓄电池16连接，利用通过供电充电后的蓄电池16驱动移动用马达18。相对于此，在图I、图2(1)的例子中，其它的负载 11中被供给电力。图4中19为将交流转换为直流的整流器(整流部以及平滑部)，20为将直流转换为交流的逆变器。图I的受电侧电路7中，12为与受电线圈4并联谐振用的并联电容器。输电线圈3以及受电线圈4形成为卷绕为涡旋状且扁平的扁平结构。即、输电线圈3以及受电线圈4以如下方式形成被绝缘包覆的线圈导线在同一平面内维持并排的平行位置关系的同时，卷绕多次形成圆形或方形的涡旋状。从而，输电线圈3以及受电线圈4 形成为整体上没有凹凸的、平坦的、厚度薄的、扁平的扁平结构，并且形成为环状，亦即大致的法兰盘状。而且，输电线圈3在气隙G的相反侧、S卩外侧具备铁氧体芯等磁芯13，受电线圈4 也在外侧具备铁氧体芯等磁芯14 (参照图3)。磁芯13、14由强磁性体构成，形成为扁平的平板状并且为环状也就是大致法兰盘状的扁平的扁平结构，相对于输电线圈3、受电线圈4形成为稍大的表面积，并且同心配置。 而且，磁芯13、14在增大线圈电感并强化电磁耦合的同时，感应形成的磁通φ，进行收集以及定向。接着，针对电磁感应的互感作用进行描述。非接触供电装置15在供电时，在隔着气隙G近邻着对应位置的输电线圈3和受电线圈4之间，利用在输电线圈3形成磁通，在受电线圈4中产生感应电动势。从而从输电线圈3向受电线圈4供给电力，这是公知公用的做法。
S卩，如图I、图2(1)所示，通过从高频电源9向输电侧电路6的输电线圈3施加供电交流、亦即励磁电流进行通电，产生自感电动势，在输电线圈3的周围产生磁场,从而在相对于其线圈面为直角方向上形成磁通Φ。而且，如此形成的磁通φ通过贯穿并交链(interlinkage)受电侧电路7的受电线圈4，在受电线圈4产生感应电动势，形成磁场。这样，利用感应出的磁场来输送和接收电力，从而能够供给数kW以上，并且进一步为数十kW以上 数百kW以下程度的电力。输电线圈3侧的磁通φ的磁电路与受电线圈4侧的磁通φ的磁电路在相互之间也形成磁通φ的磁电路、亦即磁路，从而电磁耦合。非接触供电装置15中，基于这样的电磁感应的互感作用，进行非接触供电。以上为关于非接触供电装置15的一般性说明。本发明概要以下，参照图I、图2(1)对本发明的磁场共振方式的非接触供电装置15进行说明。 首先，本发明的概要如下。该非接触供电装置15中，输电侧电路6中配置有输电线圈3和与输电线圈3并联连接的并联电容器11，从而形成为并联谐振电路。而且，受电侧电路7中配置有受电线圈4 和与受电线圈4并联连接的并联电容器12，从而也形成为并联谐振电路。而且，该非接触供电装置15采用磁场共振方式。即，两并联谐振电路的谐振频率设定为相等，并且，使输电侧电路6的高频电源9的电源频率与该谐振频率相等。而且，本发明的非接触供电装置15中的输电侧电路6中，高频电源9侧的电路部分与并联电容器11以及输电线圈3侧的电路部分通过电场耦合用电容器21、22的电场耦合连接。该电场耦合用电容器21、22发挥升压功能，从而在将高频电源9侧的电路部分保持为低压的同时，使输电线圈3等侧的电路部分高压化。于是，通过谐振带来的输电线圈3的大电流化以及该种电场耦合用电容器21、22 带来的高压化，使得输电线圈3的励磁视在功率增大。以上为本发明的概要。以下，针对该种本发明进一步详细描述。关于磁场共振方式首先，参照图I、图2(1)以及图3(2)等针对作为本发明的非接触供电装置15的前提的磁场共振方式进行说明。作为非接触供电方式，已知如前所述的利用电磁感应的互感作用的方式，近年来， 该种方式中并用磁场共振方式的技术受到瞩目。针对非接触供电并用磁场共振方式，即便在大的气隙G的前提下，也能实现大功率供给。而且，在作为本发明前提的磁场共振方式中，在供电时，使通过相互磁通φ电磁耦合并且相互之间具有相同谐振频率的输电线圈3侧和受电线圈4侧在存在气隙G的状态下近邻着进行位置对应。而且，从高频电源9供给与谐振频率的频率相同的励磁电流。由此， 在输电线圈3和受电线圈4之间产生磁场共振现象，从而能够在实现扩大气隙G的同时，进行大功率供电。这样，在作为本发明前提的磁场共振方式中，首先，输电侧电路6中通过输电线圈 3和并联电容器11形成并联谐振电路，并且，受电侧电路7中通过受电线圈4和并联电容器12形成并联谐振电路。而且，输电侧电路6的并联谐振电路的谐振频率、受电侧电路7的并联谐振电路的谐振频率、输电侧电路6的高频电源9的电源频率相等。以上是关于磁场共振方式的描述。关于频率设定接着，参照图2(2)等针对上述频率的设定进行说明。首先，输电侧电路6的并联谐振电路的谐振频率f i (Hz)由输电线圈3的自感L1⑶ 和并联电容器11的电容C1 (F)确定。而且，受电侧电路7的并联谐振电路的谐振频率f2 (Hz)由受电线圈4的自感L2⑶ 和并联电容器12的电容C2 (F)确定。于是，设定该两谐振频率与f2相等。谐振频率与f2通过以下数式1、2得出。数式
权利要求
1.一种磁场共振方式的非接触供电装置，其基于电磁感应的互感作用，从输电侧电路的输电线圈向受电侧电路的受电线圈在存在气隙的非接触状态下近邻着进行位置对应的同时供给电力，所述磁场共振方式的非接触供电装置的特征在于，该输电侧电路中配置有该输电线圈和与该输电线圈并联连接的并联电容器，从而形成为并联谐振电路，而且，该受电侧电路中配置有该受电线圈和与该受电线圈并联连接的并联电容器，从而形成为并联谐振电路，两该并联谐振电路的谐振频率设定为相等，并且，使该输电侧电路的高频电源的电源频率与该谐振频率相等，该输电侧电路中，该高频电源侧的电路部分与该并联电容器以及输电线圈侧的电路部分通过电场耦合用电容器的电场耦合连接。
2.根据权利要求I所述的磁场共振方式的非接触供电装置，其特征在于，该电场耦合用电容器发挥升压功能，从而在将该高频电源侧的电路部分保持为低压的同时，使该输电线圈侧的电路部分高压化。
3.根据权利要求2所述的磁场共振方式的非接触供电装置，其特征在于，该输电侧电路中，该高频电源侧的电路部分与该电场耦合用电容器、该并联电容器以及该输电线圈侧的电路部分经由绝缘变压器连接。
4.根据权利要求2所述的磁场共振方式的非接触供电装置，其特征在于，该输电线圈等该输电侧电路固定配置在地面、路面、地板面或者其它地上侧，而且，该受电线圈等该受电侧电路搭载在车辆或其它移动体侧。
5.根据权利要求4所述的磁场共振方式的非接触供电装置，其特征在于，通过停止供电方式供电，从而在供电时该受电线圈相对于固定的该输电线圈在存在气隙的同时近邻着进行位置对应后停止，并且，该输电线圈和该受电线圈由能够成对的对称结构构成。
6.根据权利要求4所述的磁场共振方式的非接触供电装置，其特征在于，该输电线圈以及该受电线圈分别由被绝缘的线圈导线在同一平面内卷绕多次形成为涡旋状而形成，从而形成为整体平坦、厚度薄的扁平的扁平结构。
7.根据权利要求2所述的磁场共振方式的非接触供电装置，其特征在于，基于该受电线圈的输出电压相对于面向该输电线圈的输入电压的频率响应来设定该谐振频率，该频率响应在与电磁耦合的耦合系数对应的同时表示双峰特性，从而将该谐振频率设定为与特定的耦合系数相关的双峰特性的两峰的中间频率。
全文摘要
本发明提供一种磁场共振方式的非接触供电装置，第一，不需使用高压且大容量的电源装置，第二，能够实现气隙扩大和大功率供给，第三，还能够防止电磁波损伤。该非接触供电装置(15)中，输电侧电路(6)中配置有输电线圈(3)和并联电容器(11)，从而形成为并联谐振电路。而且，受电侧电路(7)中配置有受电线圈(4)和并联电容器(12)，从而形成为并联谐振电路。而且，两并联谐振电路的谐振频率设定为相等，并且，使输电侧电路(6)的高频电源(9)的电源频率与该谐振频率相等。而且，输电侧电路(6)中，高频电源(9)侧的电路部分与并联电容器(11)以及输电线圈(3)侧的电路部分通过电场耦合用电容器(21、22)的电场耦合连接。
文档编号H02J17/00GK102593958SQ20111032766
公开日2012年7月18日 申请日期2011年10月20日 优先权日2011年1月5日
发明者佐藤刚, 冲米田恭之, 山本喜多男, 望月正志, 阿部馨介 申请人:昭和飞行机工业株式会社