特許 7604296 非接触給電装置および非接触給電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-13

(45)【発行日】2024-12-23

(54)【発明の名称】非接触給電装置および非接触給電方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/70 20160101AFI20241216BHJP

   H02J 50/90 20160101ALI20241216BHJP

   H02J 50/10 20160101ALI20241216BHJP

【ＦＩ】

H02J50/70

H02J50/90

H02J50/10

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021049582

(22)【出願日】2021-03-24

(65)【公開番号】P2022148056

(43)【公開日】2022-10-06

【審査請求日】2023-12-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】安保 豊和

(72)【発明者】

【氏名】岡田 行史

【審査官】鈴木 智之

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－２８０８０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０３６３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２９５２７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０２９３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００５７３６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－２１６４８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３０２０９０２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１５－１３９２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３２９４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ５０／７０

Ｈ０２Ｊ ５０／９０

Ｈ０２Ｊ ５０／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

非接触トランスを用い、前記非接触トランスの二次側トランスを設けた回転体上に、前記非接触トランスを介して伝送された電力で回転駆動を行なう電動機を含む構造物を搭載する非接触給電装置において、
前記非接触トランスで発生する漏れ磁束の量と分布を検出する検出部と、
前記検出部で検出した漏れ磁束の量と分布に応じて前記非接触トランスの一次側トランスおよび二次側トランスの相対的な距離と傾きとを演算する演算部と、
前記演算部で算出した距離と傾きに応じて、前記一次側トランスおよび二次側トランスの少なくとも一方の姿勢位置を制御する制御部と、
を備える非接触給電装置。

【請求項2】

前記検出部は、前記非接触トランスの一次側トランスを配置した側に設置する、
請求項１記載の非接触給電装置。

【請求項3】

前記回転体上で回転する前記構造物の回転軸の回転角度の情報と前記電動機の駆動軸の回転角度の情報とを検出する回転角検出部をさらに備え、
前記演算部は、前記構造物の回転軸の回転角度の情報と前記電動機の駆動軸の回転角度の情報との差から前記電動機の駆動軸で生じている塑性変形を推定する推定演算を実行し、
前記制御部は、前記算出した塑性変形に対応して前記一次側トランスおよび二次側トランスの少なくとも一方の姿勢位置を制御する、
請求項１または２記載の非接触給電装置。

【請求項4】

非接触トランスを用い、前記非接触トランスの二次側トランスを設けた回転体上に、前記非接触トランスを介して伝送された電力で回転駆動を行なう電動機を含む構造物を搭載する装置での非接触給電方法において、
前記非接触トランスで発生する漏れ磁束の量と分布を検出する検出工程と、
前記検出工程で検出した漏れ磁束の量と分布に応じて前記非接触トランスの一次側トランスおよび二次側トランスの相対的な距離と傾きとを演算する演算工程と、
前記演算工程で算出した距離と傾きに応じて、前記一次側トランスおよび二次側トランスの少なくとも一方の姿勢位置を制御させる制御工程と、
を有する非接触給電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、非接触給電装置および非接触給電方法に関する。

【背景技術】

【0002】

非接触給電を行う装置として非接触トランスを使用する場合、特に大電力を給電する必要がある場合には、非接触トランスにも相応のサイズのものが必要となる。そして、大型の非接触トランスでは、一次側と二次側のトランス間の距離と傾きが変化することによって漏れ磁束が変化する。

【0003】

二次側トランスが重量のある構造物を載置した回転体である場合、当該構造物の回転に伴う揺動や、屋外であればさらに構造物が風などの外乱要因を受けることで、一次側と二次側のトランス間の距離と傾きが変動する事態が生じうる。
このような非接触トランスを用いた給電装置として、例えば回転体がアンテナを含む構造体である場合に、二次側トランス側は非接触給電による電力で回転駆動されるアンテナの駆動状態の解析精度を向上させるために、アンテナの駆動軸とアンテナ軸の各回転角度に対して時間方向にシフトさせる量の相関を推定して、より相関値が高くなるように制御する技術が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５８６９０３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非接触トランスで一時側と回転体の一部である二次側の各トランス間の距離と傾きが相対的に変化する場合、漏れ磁束が変化することは不可避となる。そして、この漏れ磁束の変化により誘起電圧が変動すると、伝送効率が低下する不具合を生じるものとなる。

【0006】

そこで、目的は、漏れ磁束の変化を最小限に抑えて電力の伝送効率を高い状態で維持することが可能な非接触給電装置および非接触給電方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本実施形態の非接触給電装置は、非接触トランスを用い、前記非接触トランスの二次側トランスを設けた回転体上に、前記非接触トランスを介して伝送された電力で回転駆動を行なう電動機を含む構造物を搭載する非接触給電装置において、前記非接触トランスで発生する漏れ磁束の量と分布を検出する検出部と、前記検出部で検出した漏れ磁束の量と分布に応じて前記非接触トランスの一次側トランスおよび二次側トランスの相対的な距離と傾きとを演算する演算部と、前記演算部で算出した距離と傾きに応じて、前記一次側トランスおよび二次側トランスの少なくとも一方の姿勢位置を制御する制御部と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態に係る非接触給電装置の制御系の回路構成を示すブロック図。

【図2】同実施形態に係る非接触トランスの概要構造を示す部分断面図。

【図3】同実施形態に係る非接触トランスの相対位置を制御する処理内容を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下図面を参照して、アンテナを含む回転体構造物に非接触で給電する非接触給電装置に適用した実施形態について説明する。
［構成］
図１は、一実施形態に係る非接触給電装置の制御系の回路構成を示すブロック図である。非接触給電装置は、制御装置１０と、一次側位置制御機構１８と、一次側トランス１９と、駆動部２１と、駆動軸２２と、伝達軸２３と、アンテナ軸２４と、アンテナ２５と、二次側位置制御機構２６と、二次側トランス２７と、検出コイル３１とを備える。

【0010】

制御装置１０は、第１検出部１１と、第２検出部１２と、記録部１３と、演算部１４ととを備える。演算部１４は、回転角度演算部１５と、制御姿勢演算部１６と、出力部１７とを備える。

【0011】

駆動部２１は、二次側トランス２７を介して伝送されてきた電力を平滑化した電力により回転駆動される、例えばサーボモータなどの電動機である。駆動軸２２は、電動機の回転軸である。駆動軸２２での回転が、伝達軸２３を介してアンテナ軸２４に伝達される。伝達軸２３は、駆動軸２２によりどのように回転駆動されても良く、特定の回転に限定されない。例えば、駆動軸２２は、伝達軸２３を周期的に回転させる。また、駆動軸２２は、伝達軸２３を間欠的に回転させても良い。また、駆動軸２２は、正回転と逆回転とを交互に繰り返すように伝達軸２３を回転させても良い。また、駆動軸２２は、所定の目標物の位置に応じて伝達軸２３を回転させても良い。また、駆動軸２２や伝達軸２３は、回転方向に応じて複数用いても良い。以下では、駆動軸２２が予め定められた定周期で伝達軸２３を一定方向に回転させるものとして説明する。

【0012】

駆動軸２２は、伝達軸２３とアンテナ軸２４とを介して、アンテナ２５のエレベーション（Elevetion:仰角）方向の姿勢を変更する。また、駆動軸２２は、伝達軸２３とアンテナ軸２４とを介して、アンテナ２５のアジマス（Azimuth:方位角）方向の姿勢を変更しても良い。以下では、駆動軸２２は伝達軸２３とアンテナ軸２４を介して、アジマス方向にアンテナ２５の姿勢を変更するものとして説明する。

【0013】

アンテナ軸２４は、伝達軸２３によって駆動される軸である。アンテナ２５は、アンテナ軸２４によってアジマス方向およびエレベーション方向の姿勢を変更する。

【0014】

アンテナ２５は、アンテナ２５の姿勢により定まる方向に、所定の周波数の電波を送信する。また、アンテナ２５は、所定の目標物から反射された電波を受信する。

【0015】

第１検出部１１は、駆動軸２２の回転角度（以下「第１角度」と称する）を、予め定められた周期でサンプリングする。第１検出部１１は、サンプリングによって検出した第１角度情報を記録部１３に記録させる。

【0016】

第２検出部１２は、第１検出部１１が実行するサンプリングとは非同期に、アンテナ軸２４の回転角度（以下「第２角度」と称する）を、予め定められた周期でサンプリングする。第２検出部１２は、サンプリングによって検出した第２角度情報を記録部１３に記録させる。

【0017】

検出コイル３１は、非接触トランスを構成する一次側トランス１９と二次側トランス２７間の間隙の距離と傾きとによって変動する漏れ磁束を検出するためのコイルである。検出コイル３１は、例えば一次側トランス１９と二次側トランス２７の外周近傍に沿って複数Ｎ個（例えばＮ＝４）が均等に分散するように配置される。検出コイル３１が検出した漏れ磁束情報は、第１検出部１１および第２検出部１２が実行するサンプリングとは非同期に、予め定められた周期でサンプリングされる。検出コイル３１は、サンプリングによって検出した漏れ磁束情報を記録部１３に記録させる。

【0018】

記録部１３は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やレジスタ等の揮発性メモリでも良いし、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ等の不揮発性メモリでも良い。記録部１３は、第１角度情報と、第２角度情報と、漏れ磁束情報とを記録する。記録部１３は、ＣＰＵ等のプロセッサを動作させるためのプログラムや各種固定データ等を記録しても良い。

【0019】

演算部１４の回転角度演算部１５と回転角度演算部１５の一部または全部は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のプロセッサを含むハードウェア機能部で構成しても良い。

【0020】

回転角度演算部１５は、第１角度情報と第２角度情報とを記録部１３から読出して取得する。回転角度演算部１５は、例えば第１角度情報を時間軸方向に複数のシフト量でシフトさせて、それぞれの相関を示す値、例えば相関係数をシフト量毎に算出する。回転角度演算部１５は、第１角度情報と第２角度情報との相関係数を相対的に高くするシフト量を推定し、推定したシフト量に基づいて第１角度情報と第２角度情報を同期させる。回転角度演算部１５は、同期した第１角度情報と第２角度情報を例えば周波数解析により解析し、アンテナ２５の駆動状態を推定する。回転角度演算部１５は、解析結果として駆動軸２２の駆動状態の情報を駆動部２１に出力して、駆動部２１による駆動軸２２の駆動状態を制御する。回転角度演算部１５は、解析結果である駆動軸２２の駆動状態の情報を制御姿勢演算部１６へも出力する。

【0021】

制御姿勢演算部１６は、漏れ磁束情報を記録部１３から読出して取得する。制御姿勢演算部１６は、時間軸に対応した漏れ磁束情報の量と分布から、非接触トランスを構成する一次側トランス１９と二次側トランス２７の間隙の相対的な距離と傾きとの変化を演算する。制御姿勢演算部１６は、算出した一次側トランス１９と二次側トランス２７の間隙の相対的な距離と傾きとの変化に基づいて、漏れ磁束がより小さく、かつ変化する量が少なくなるように、一次側トランス１９および二次側トランス２７の少なくとも一方の位置を制御する情報を演算する。本実施形態では、制御姿勢演算部１６は、一次側トランス１９および二次側トランス２７の双方に対して、その位置を制御するものとする。制御姿勢演算部１６は、算出した一次側トランス１９の位置制御情報を出力部１７により一次側位置制御機構１８へ出力させる。制御姿勢演算部１６は、算出した二次側トランス２７の位置制御情報を出力部１７により二次側位置制御機構２６へ出力させる。

【0022】

一次側位置制御機構１８は、例えば一次側トランス１９の傾きを制御する２機のモータと一次側トランス１９の二次側トランス２７に対する距離を制御する１機のモータの計３機のモータとそれらの各ドライバ回路、伝達機構および油圧アクチュエータなどの機構を含む。一次側位置制御機構１８は、出力部１７を介して制御姿勢演算部１６から与えられる位置制御信号に基づいて、一次側トランス１９の姿勢角度を変更させる。

【0023】

二次側位置制御機構２６は、例えば二次側トランス２７の傾きを制御する２機のモータと二次側トランス２７の一次側トランス１９に対する距離を制御する１機のモータの計３機のモータとそれらの各ドライバ回路、伝達機構および油圧アクチュエータなどの機構を含む。二次側位置制御機構２６は、出力部１７を介して制御姿勢演算部１６から与えられる位置制御信号に基づいて、二次側トランス２７の姿勢角度を変更させる。

【0024】

図２は、一次側トランス１９と二次側トランス２７である非接触トランスの基本構造を例示する部分断面図である。図２では平板リング状の非接触トランスを例にとって基本構造を説明する。

【0025】

図中、下側の一次側トランス１９において、断面コ字状の上方が開口となったリング状の上のケース１９Ａに対し、当該開口を覆うように平板状のキャップ１９Ｂが配設される。ケース１９Ａおよびキャップ１９Ｂで閉鎖されたリング状の空間内で、二次側トランス２７寄りに同心円状の２本のコイル１９Ｃ、１９Ｄが配される。同空間内で、コイル１９Ｃ、１９Ｄ以外を充填してコイル１９Ｃ、１９Ｄの位置を固定するべく、フェライトコア１９Ｅが配される。換言すると、ケース１９Ａおよびキャップ１９Ｂで形成された空間内にフェライトコア１９Ｅが配置され、フェライトコア１９Ｅの上面側に形成された２条の同心リング形状の溝部に嵌合するように、コイル１９Ｃ、１９Ｄが配置される。

【0026】

一次側トランス１９上に対向して設置される二次側トランス２７は、一次側トランス１９とその上下で対称となるように、ケース２７Ａ、キャップ２７Ｂ、コイル２７Ｃ、２７Ｄ、およびフェライトコア２７Ｅが配置される。

【0027】

二次側トランス２７は、駆動部２１、駆動軸２２、伝達軸２３、アンテナ軸２４、およびアンテナ２５を含んで回転する構造物の基部の一部を構成するため、一次側トランス１９と二次側トランス２７の間の間隙の距離、および一次側トランス１９に対する二次側トランス２７の傾きが変動する。

【0028】

本実施形態に係る非接触給電装置が、例えば回転体に搭載された構造物の一部をアンテナで構成するような機材を備えた移動車両である移動アンテナ車両と、この移動アンテナ車両の電源となる移動電源車両とで実現される場合を考える。その場合、移動アンテナ車両は、駆動部２１、第２検出部１２、伝達軸２３、アンテナ軸２４、アンテナ２５、二次側位置制御機構２６、および二次側トランス２７を備える。

【0029】

一方の移動電源車両は、第１検出部１１、第２検出部１２、記録部１３、演算部１４、回転角度演算部１５、制御姿勢演算部１６、出力部１７、一次側位置制御機構１８、および一次側トランス１９を備えられる。

【0030】

移動アンテナ車両では、荷台部のアンテナ回転部直下の下方が、二次側トランス２７を上底面に露出するように配置した空間を有するものと考えられる。一方の移動電源車両は、当該空間に挿入して設置する端子ユニットの上面に、二次側トランス２７と対向するように一次側トランス１９を配置した構成となる。

【0031】

検出コイル３１で検出する漏れ磁束情報を制御装置１０に出力する情報伝達経路を考える。一次側トランス１９や二次側トランス２７の例えば外周近傍に複数の検出コイル３１を配置することで、有線の信号線で情報を伝達でき、構成を簡略化できると共に、無線伝送時に生じるノイズの影響を回避できる点で有利となる。

【0032】

［動作］
図３は、非接触トランスを用いての給電動作中に、制御装置１０の演算部１４が繰り返し実行する一連の処理内容を説明するフローチャートである。

【0033】

その当初に制御姿勢演算部１６が、記録部１３から直近で記録された漏れ磁束情報を読出して取得する（ステップＳ１０１）。これと平行して回転角度演算部１５が、記録部１３から直近で記録された第１角度情報と第２角度情報とを読出して取得する（ステップＳ１０２）。

【0034】

回転角度演算部１５は、例えば第１角度情報を時間軸方向に複数のシフト量でシフトさせて、それぞれの相関を示す相関係数をシフト量毎に算出する。回転角度演算部１５は、第１角度情報と第２角度情報との相関係数を相対的に高くするシフト量を推定し、推定したシフト量に基づいて第１角度情報と第２角度情報を同期させる（ステップＳ１０３）。

【0035】

回転角度演算部１５は、同期した第１角度情報と第２角度情報を解析によりアンテナ２５の駆動状態を推定する。回転角度演算部１５は、解析結果として駆動軸２２の駆動状態の情報、具体的には駆動軸２２の駆動電流を示す情報を駆動部２１に出力して、駆動部２１による駆動軸２２の駆動状態を制御する。回転角度演算部１５は、解析結果である駆動軸２２の駆動状態の情報を制御姿勢演算部１６へも出力する（ステップＳ１０４）。

【0036】

制御姿勢演算部１６は、記録部１３から取得した直近の漏れ磁束情報の時間軸に対応した量と分布から、一次側トランス１９と二次側トランス２７の間隙の距離と傾きにより両者の位置がどのように変化しているかを推定を示す情報を演算する（ステップＳ１０５）。

【0037】

制御姿勢演算部１６は、算出した一次側トランス１９と二次側トランス２７の位置の変化を推定する情報に加えて、回転角度演算部１５が駆動部２１に出力した、駆動部２１による駆動軸２２の駆動状態を制御する情報も勘案する。制御姿勢演算部１６は、統合的に非接触トランスで発生する漏れ磁束がより小さく、かつ変化する量が少なくなるように、一次側トランス１９および二次側トランス２７双方の位置を制御する情報を演算する（ステップＳ１０６）。

【0038】

制御姿勢演算部１６は、算出した一次側トランス１９の位置制御情報を出力部１７により一次側位置制御機構１８へ出力させる。制御姿勢演算部１６は、算出した二次側トランス２７の位置制御情報を出力部１７により二次側位置制御機構２６へ出力させる（ステップＳ１０７）。

【0039】

制御装置１０の演算部１４では、アンテナ２５の運用を続けている間、ステップＳ１０１～Ｓ１０７の処理を繰り返し実行することで、非接触トランスで発生する漏れ磁束をより低く、かつ変化の少ないものとして、電力の伝送効率を高い状態で維持するよう制御を続行する。

【0040】

［実施形態の効果］
以上詳述した如く本実施形態によれば、漏れ磁束の変化を最小限に抑え、電力の伝送効率を高い状態で維持することが可能となる。
ことが可能となる。

【0041】

また、本実施形態においては、漏れ磁束による非接触トランスの一次側トランス１９と二次側トランス２７の位置推定だけでなく、駆動軸２２の回転角とアンテナ軸２４の回転角とにより回転量の差を求めて、駆動軸２２で生じている物理的な塑性変形を推定する。そして、推定した結果に基づいて一次側トランス１９、二次側トランス２７の位置を一次側位置制御機構１８、二次側位置制御機構２６により制御させるものとした。これにより、駆動軸２２とアンテナ軸２４で発生する共振周波数のずれを抑制できる。

【0042】

なお、本実施形態では、二次側に設ける非接触の給電対象として、アンテナを含む回転体構造物である場合について説明したが、本発明は給電対象を制限するものではない。

【0043】

その他、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。こうした新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0044】

１０…制御装置、１１…第１検出部、１２…第２検出部、１３…記録部、
１４…演算部、１５…回転角度演算部、１６…制御姿勢演算部、１７…出力部、
１８…一次側位置制御機構、１９…一次側トランス、１９Ａ…ケース、
１９Ｂ…キャップ、１９Ｃ、１９Ｄ…コイル、１９Ｅ…フェライトコア、
２１…駆動部、２２…駆動軸、２３…伝達軸、２４…アンテナ軸、２５…アンテナ、
２６…二次側位置制御機構、２７…二次側トランス、２７Ａ…ケース、
２７Ｂ…キャップ、２７Ｃ、２７Ｄ…コイル、２７Ｅ…フェライトコア、
３１…検出コイル。

【図1】

【図2】

【図3】