专利名称：非接触电力传输装置及其设计方法
技术领域：
本发明涉及非接触电力传输装置及其设计方法，更具体而言，涉及共振式的非接触电力传输装置及其设计方法。
背景技术：
图5表示从第1铜线线圈51向相对于该第1铜线线圈51离开配置的第2铜线线圈52通过电磁共振来传输电力的非接触电力传输装置的概要。这样的装置例如在非专利文献1以及专利文献1中被公开。在图5中，通过基于第1及第2铜线线圈51、52的电磁共振将在与交流电源53连接的初级线圈M中产生的磁场增强，并将通过在第2铜线线圈 52附近被增强的磁场的电磁感应作用而在次级线圈55中产生的电力向负载56供给。已经确认了在将半径30cm的第1及第2铜线线圈51、52相互离开配置的情况下，可以将作为负载56的60W的电灯点亮。专利文献1 国际公开专利W0/2007/008646 A2非专利文献1 =NIKKEI ELECTRONICS 2007. 12. 3 117 页 1 页。在图5所示的共振式非接触电力传输装置中，由于作为共振线圈的各个铜线线圈 51、52的两端为开路，所以共振系统的共振频率由第1及第2铜线线圈51、52的电感以及杂散电容决定。因此，难以预测共振系统的共振频率，只能够通过对共振频率进行实际测量来把握该共振频率。为了在共振式非接触电力传输装置中将交流电源53的电力高效率地向负载56供给，交流电源53需要以适合于共振系统的共振频率的频率输出交流电压。但是，对共振系统的共振频率进行实际测量是非常费事的。例如，在要将非接触电力传输装置设计成使交流电源输出具有如ISM频带那样的特定的频率的交流电压时，在以假设的规格制造该装置后对共振系统的实际的共振频率进行测量，来确认测量出的共振频率是否能够与所希望的共振频率对应，在不能对应的情况下存在必须更改共振线圈的规格的费事的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种不用对共振系统的共振频率进行实际测量而能够容易地设定成所希望的共振频率，并且能够将交流电源的电力高效地向负载供给的非接触电力传输装置及其设计方法。为了实现上述目的，按照本发明的第1方式提供一种非接触电力传输装置。该非接触电力传输装置具有交流电源和共振系统。所述共振系统具有与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈、连接有负载的次级线圈。非接触电力传输装置具有第1电容器和第2电容器。第1电容器与所述初级侧共振线圈并联连接。第2电容器与所述次级侧共振线圈并联连接。作为所述初级侧共振线圈和所述第1电容器之间的谐振频率的第1谐振频率被设定成与作为所述次级侧共振线圈和所述第2电容器之间的谐振频率的第2谐振频率相同。所述交流电源的交流电压的频率被设定成与所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率一致。为了实现上述目的，按照本发明的第2方式提供一种非接触电力传输装置的设计方法。非接触电力传输装置具有交流电源和共振系统。所述共振系统具有与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈、连接有负载的次级线圈。所述设计方法包括将第1电容器与所述初级侧共振线圈并联连接；将第2电容器与所述次级侧共振线圈并联连接；将作为所述初级侧共振线圈和所述第1电容器之间的共振频率的第1共振频率设定成与作为所述次级侧共振线圈和所述第2电容器之间的共振频率的第2共振频率相同；分别设定所述初级侧及次级侧共振线圈的规格、以及所述第1及第2电容器的规格； 分别计算所述第1及第2共振频率；将所述交流电源的输出电压的频率调整成与所述第1 及第2共振频率一致。
图1是本发明的一实施方式的非接触电力传输装置的概略构成图。图2是表示未对共振线圈连接电容器的情况下的共振系统的输入阻抗以及电力传输效率与交流电源的交流电压的频率之间的关系的曲线图。图3是表示对共振线圈连接了电容器的情况下的共振系统的输入阻抗以及电力传输效率与交流电源的交流电压的频率之间的关系的曲线图。图4是表示初级侧共振线圈以及次级侧共振线圈的其他例子的示意图。图5是以往的非接触电力传输装置的概略构成图。
具体实施例方式下面，参照图1 图3对本发明的非接触电力传输装置10的一实施方式进行说明。如图1所示，非接触电力传输装置10具有以非接触方式将从交流电源11供给的电力向负载17传输的共振系统12。共振系统12具有与交流电源11连接的初级线圈13、 初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15、次级线圈16。次级线圈16与负载17连接。交流电源11将交流电压向初级线圈13供给。该交流电源11还可以是通过将从直流电源输入的直流电压转换成交流电压并向初级线圈13供给的构成。可以自由改变交流电源11输出的交流电压的频率。初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15分别以并联的方式连接有电容器18。 初级侧共振线圈14和与该初级侧共振线圈14连接的电容器18之间的谐振频率(第1谐振频率)、以及次级侧共振线圈15和与该次级侧共振线圈15连接的电容器18之间的谐振频率(第2谐振频率)被设定成相同。下面，将2个电容器18中的与初级侧共振线圈14 并联连接的电容器18称为第1电容器18，将与次级侧共振线圈15并联连接的电容器18称为第2电容器18。初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15的规格相同。两电容器18 均为可变电容器，并且两电容器18的电容值被调整成彼此相同。并且，交流电源11的输出电压的频率被设定成与初级侧共振线圈14和第1电容器18之间的谐振频率、以及次级侧共振线圈15和第2电容器18之间的谐振频率一致。非接触电力传输装置10通过从交流电源11向初级线圈13施加交流电压使初级线圈13产生磁场。非接触电力传输装置10利用基于初级侧共振线圈14和次级侧共振线圈15的磁场共振将在初级线圈13中产生的磁场增强，并通过次级侧共振线圈15附近的被增强的磁场的电磁感应作用使次级线圈16产生电力，并将该电力向负载17供给。初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16由电线形成。对构成各个线圈13、14、15、16的电线例如使用绝缘乙烯包覆线。将各个线圈13、14、 15,16的直径和匝数与应该传输的电力的大小等对应，进行适当设定。在该实施方式中，初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16形成为相同直径。接下来对上述非接触电力传输装置10的设计方法以及制造方法进行说明。首先，对构成共振系统12的初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15的规格进行设定。作为规格例如，除了构成初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15的电线的材质以外，还有电线的粗细、线圈的直径、匝数、两个共振线圈14、15之间的距离等制作以及设置两共振线圈14、15所需的值。接着，对初级线圈13以及次级线圈16的规格进行设定。 作为规格，除了构成两个线圈13、16的电线的材质以外，还有电线的粗细、线圈的直径、匝数。通常使用铜线作为电线。接下来，对共振系统12的共振频率进行设定。作为共振频率，例如使用2 7MHz 的频率。然后，在分别对设定规格的初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15并联连接了电容器18后，分别计算用于使初级侧共振线圈14和第1电容器18之间的谐振频率、以及次级侧共振线圈15和第2电容器18之间的谐振频率分别与预先设定的共振系统12的共振频率一致的电容器18的电容值。然后，对各个电容器18的电容值进行调整，使各个电容器18的电容值与上述那样计算出的电容值一致，并结束非接触电力传输装置10的设计。 该设计方法基于以下通过实验发明者得出的见解“在对共振线圈(初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15)分别并联连接了电容器18的情况下，共振系统12的共振频率与初级侧共振线圈14和第1电容器18之间的谐振频率、以及次级侧共振线圈15和第2电容器 18之间的谐振频率几乎一致”的第1见解，以及“共振系统12整体的电力传输特性不被初级线圈13的阻抗影响”的第2见解。将成为第1见解的根据的测定结果表示成图2以及图3的曲线图。图2以及图3 是将电阻值50 Ω的电阻作为负载17与次级线圈16连接，并改变从交流电源11向初级线圈13供给的正弦交流电压的频率的情况下的共振系统12的输入阻抗Zin以及电力传输效率Π的测定结果。图2表示未对初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15分别连接电容器18的情况下的测定结果。图3表示对初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15分别连接了电容器18的情况下的测定结果。作为构成共振系统12的各个线圈13、14、15、16的电线，使用了尺寸(截面面积) 为OAsq(平方mm)的汽车用薄壁乙烯绝缘低压电线(AVS线)。而且，将初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16以下面的规格形成。初级线圈13以及次级线圈16 阻数...2匝；直径...直径300mm ；密绕。两共振线圈14、15 匝数...45匝；直径...直径300_ ；密绕。初级侧共振线圈14与次级侧共振线圈15之间的距离200mm。并且，作为输入电压，从交流电源11将IOVpp (振幅5V)，频率IMHz 7MHz的正弦交流电压向初级线圈13供给。
此外，电力传输效率η表示负载17的消耗功率相对于向初级线圈13输入的输入功率的比例，以％表示的情况是通过下面的方式求得的。电力传输效率η =(负载的消耗功率)/(向初级线圈13输入的输入功率)Χ100[% ]。如图2所示那样，在未对共振线圈14、15分别连接电容器18的情况下，共振系统 12的输入阻抗Zin以产生2个极大点以及2个极小点的方式变化。输入阻抗Zin的2个极大点以及2个极小点中的、输入电压(交流电源11的交流电压)的频率较低的一方的极大点表示并联谐振，该输入电压的频率较高的一方的极小点表示串联谐振。共振系统12 的共振频率，即，电力传输效率Π成为峰值的输入电压的频率为与表示并联谐振的输入阻抗Zin的极大点对应的频率和与表示串联谐振的输入阻抗Zin的极小点对应的频率之间的值。另一方面，如图3所示那样，在对共振线圈14、15分别连接了电容器18的情况下， 共振系统12的输入阻抗Zin以产生一个极大点以及一个极小点的方式变化。另外，共振系统12的共振频率，S卩，电力传输效率η成为峰值的输入电压的频率与对应于表示并联谐振的输入阻抗Zin的极大点的输入电压的频率几乎一致。在改变与次级线圈16连接的负载 17的电阻值并进行了同样的测量的情况下，也得到了相同的结果。由此，若将交流电源11 的交流电压的频率设置成分别与初级侧共振线圈14和第1电容器18之间的谐振频率、以及次级侧共振线圈15和第2电容器18之间的谐振频率一致，即使不对共振系统12的共振频率进行测量，也能够以该共振频率将交流电源11的交流电力向负载17传输。其中，对共振线圈14、15分别连接了电容器18的情况下的共振系统12的共振频率，与未连接电容器 18的情况下的共振频率相比变得较低。当制造非接触电力传输装置10时，以设定的规格形成初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16，并组装共振系统12。然后，将分别与初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15并联连接的电容器18的电容值调整为设计上设定的电容值。另外，将对初级线圈13施加的交流电源11的交流电压的频率设定成分别与初级侧共振线圈14和第1电容器18之间的谐振频率、以及次级侧共振线圈15和第2电容器18 之间的谐振频率一致。“将交流电源11的交流电压的频率设定成分别与初级侧共振线圈14 和第1电容器18之间的谐振频率、以及次级侧共振线圈15和第2电容器18之间的谐振频率一致”不仅是指交流电源11的交流电压的频率分别与初级侧共振线圈14和第1电容器 18之间的谐振频率、以及次级侧共振线圈15和第2电容器18之间的谐振频率完全一致的情况。例如，若在非接触电力传输装置10的电力传输效率为80%以上、或者从初级线圈13 向交流电源11的反射电力为5%以下等的、作为非接触电力传输装置实现所希望的性能的范围内，则交流电源11的交流电压的频率与初级侧共振线圈14和第1电容器18之间的谐振频率(或者次级侧共振线圈15和第2电容器18之间的谐振频率)之间的差是被允许的。 例如，若交流电源11的交流电压的频率与初级侧共振线圈14和第1电容器18之间的谐振频率(或者次级侧共振线圈15和第2电容器18之间的谐振频率)之间的差在士 10%的范围内，并优选在士5%的范围内、或者在士500kHz的范围内即可，如果是这样的范围内的差，则视为两频率一致。本实施方式具有下面的优点。
(1)非接触电力传输装置10具有交流电源11和共振系统12，共振系统12具有与交流电源11连接的初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15、连接有负载17的次级线圈16。对初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15分别并联连接了电容器18。将初级侧共振线圈14和第1电容器18之间的谐振频率、以及次级侧共振线圈15和第2电容器18之间的谐振频率设定成相同。另外，将交流电源11的交流电压的频率设定成与各个共振线圈(初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15)和与其对应的电容器18之间的谐振频率一致。若决定了初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15的规格、和电容器18的电容值，则可以计算出各个共振线圈14、15和电容器18之间的谐振频率，因此不用对非接触电力传输装置10的共振频率进行实际测量，就能够将从交流电源11输出的电力高效地向负载17供给。另外，例如，当必须在决定了共振线圈14、15的规格和交流电源11的交流电压的频率的条件下设计非接触电力传输装置10时，通过使用具有使各个共振线圈14、15 和电容器18之间的谐振频率与共振系统12的共振频率一致那样的电容值的电容器18，能够容易地设计非接触电力传输装置10。另外，作为共振系统12的共振频率，设为主要为了以通信以外的目的利用电波的用途而设定的IMS频带的频率的设计也变得容易。(2)使用可变电容器作为电容器18。在决定了共振线圈14、15的规格和交流电源 11的交流电压的频率的条件下制造非接触电力传输装置10时，为了使该交流电压的频率与共振系统12的共振频率一致，需要使用具有使各个共振线圈14、15和电容器18之间的谐振频率与共振系统12的共振频率一致的电容值的电容器18。但是，在使用固定了电容值的电容器的情况下，存在尚未出售具有所需电容值的电容器的情况。若不使用出售品而专门订购、或者亲自制造具有所希望的电容值的电容器作为电容器18，则使非接触电力传输装置10的成本变高。为了避免这样的成本变高，必须对应出售的电容器的电容值来改变交流电源11的交流电压的频率、或者共振线圈14、15的规格。但是，若使用可变电容器作为电容器18，则能够使用出售的电容器使交流电源11的交流电压的频率与各个共振线圈14、 15和电容器18之间的谐振频率一致。另外，即使在制造共振线圈14、15的规格不同的非接触电力传输装置10时，由于可以通过改变可变电容器18的电容值进行对应，所以也无需对应共振线圈14、15的规格而准备电容值不同的多个电容器。(3)在对初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15分别连接了电容器18的情况下，与未对初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15分别连接电容器18的情况相比，共振系统12的共振频率变小。因此，可以使用廉价的交流电源作为交流电源11。另外，在连接了电容器18的情况下，与未连接电容器18的情况相比，能够使初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15小型化。本发明不限定于上述实施方式，例如，还可以像下面那样具体化。电容器18并不局限于可变电容器，还可以使用固定了容量值的电容器。若具有所希望的固定电容值的电容器作为出售品存在，与使用可变电容器的情况相比，可以降低非接触电力传输装置10的成本。交流电源11并不局限于能够自由改变该交流电压的频率的构成，还可以为输出具有恒定的频率的交流电压的构成。对于对次级线圈16连接了能够以多个等级改变使用电力的负载17的非接触电力传输装置10，还可以构成为能够对应多个等级的使用电力对两电容器18的电容值进行调整。在将电线卷绕形成线圈13、14、15、16时，各线圈13、14、15、16的形状并不局限于圆筒状。例如还可以为，三角筒形状、四角筒形状、六角筒形状等多角筒形状或椭圆筒形状等简单形状的筒形状、或者为具有是非对称图形的形状的截面的筒形状。初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15并不局限于将电线筒状卷绕而成的线圈，例如，如图4所示，还可以为将电线在一平面上卷绕而成的形状。线圈13、14、15、16分别可以为将电线密绕而邻接的卷绕部接触的构成，还可以是按使卷绕部不接触的方式将卷绕部隔开间隔来卷绕电线的构成。初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16无需全部形成为相同的直径。例如还可以是，初级侧共振线圈14和次级侧共振线圈15为相同的直径，初级线圈13和次级线圈16为不同、或者与两共振线圈14、15为不同的直径。构成线圈13、14、15、16的电线不局限于绝缘乙烯包覆线，还可以使用漆包线、或者在卷绕裸线后进行树脂浇铸。构成线圈13、14、15、16的电线并不局限于截面为圆形的一般铜线，还可以是截面为矩形的板状的铜线。构成线圈13、14、15、16的电线的材料并不局限于铜，例如还可以使用铝或银。还可以代替使用电线形成初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16，而使用设置于基板上的布线图案来形成初级线圈13、初级侧共振线圈14、 次级侧共振线圈15以及次级线圈16。符号的说明10...非接触电力传输装置，11...交流电源，12...共振系统，13...初级线圈， 14...初级侧共振线圈，15...次级侧共振线圈，16...次级线圈，17...负载，18...电容器。
权利要求
1.一种非接触电力传输装置，具有交流电源和共振系统，并且所述共振系统具有与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和连接有负载的次级线圈， 其特征在于，具有第1电容器，其与所述初级侧共振线圈并联连接；和第2电容器，其与所述次级侧共振线圈并联连接，作为所述初级侧共振线圈和所述第1电容器之间的谐振频率的第1谐振频率被设定成与作为所述次级侧共振线圈和所述第2电容器之间的谐振频率的第2谐振频率相同，所述交流电源的交流电压的频率被设定成与所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率一致。
2.根据权利要求1所述的非接触电力传输装置，其特征在于， 所述第1及第2电容器为可变电容器。
3.一种非接触电力传输装置的设计方法，该非接触电力传输装置具有交流电源和共振系统，并且所述共振系统具有与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和连接有负载的次级线圈，该非接触电力传输装置的设计方法，其特征在于，包括将第1电容器与所述初级侧共振线圈并联连接； 将第2电容器与所述次级侧共振线圈并联连接；将作为所述初级侧共振线圈和所述第1电容器之间的共振频率的第1共振频率设定成与作为所述次级侧共振线圈和所述第2电容器之间的共振频率的第2共振频率相同； 分别设定所述初级侧及次级侧共振线圈的规格、以及所述第1及第2电容器的规格； 分别计算所述第1及第2共振频率；将所述交流电源的输出电压的频率调整成与所述第1及第2共振频率一致。
4.一种非接触电力传输装置的设计方法，该非接触电力传输装置具有交流电源和共振系统，并且所述共振系统具有与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和连接有负载的次级线圈，该非接触电力传输装置的设计方法，其特征在于，包括将第1电容器与所述初级侧共振线圈并联连接； 将第2电容器与所述次级侧共振线圈并联连接；将作为所述初级侧共振线圈和所述第1电容器之间的共振频率的第1共振频率设定成与作为所述次级侧共振线圈和所述第2电容器之间的共振频率的第2共振频率相同； 设定所述交流电源的交流电压的频率、所述初级侧共振线圈及次级侧共振线圈的规格；分别对所述第1及第2电容器的电容值进行调整，以使得所述第1及第2共振频率与所述交流电源的交流电压的频率一致。
全文摘要
本发明公开了一种非接触电力传输装置。该非接触电力传输装置具有交流电源和共振系统。所述共振系统具有与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和连接有负载的次级线圈。非接触电力传输装置具有第1电容器和第2电容器。作为所述初级侧共振线圈和所述第1电容器之间的谐振频率的第1谐振频率被设定成与作为所述次级侧共振线圈和所述第2电容器之间的谐振频率的第2谐振频率相同。所述交流电源的交流电压的频率被设定成与所述第1谐振频率和所述第2谐振频率一致。
文档编号H02J17/00GK102227860SQ20098014788
公开日2011年10月26日 申请日期2009年11月27日 优先权日2008年12月1日
发明者中田健一, 山本幸宏, 市川真士, 石川哲浩, 迫田慎平, 铃木定典, 高田和良 申请人:丰田自动车株式会社, 株式会社丰田自动织机