JP2005176439A - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷に供給する電圧を許容できる上限以下の電圧にして安定した非接触給電を可能とする非接触給電装置を提供すること。
【解決手段】電磁誘導により地上設備から搬送車に非接触で電力を供給する非接触給電装置において、受電コイルの発生電圧を整流後の電圧位相制御により負荷に供給する電圧を安定させる手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触給電装置に関し、特に、半導体工場等のクリーンルーム内で稼働する搬送装置に非接触で、ピーク電圧を抑制し、負荷に供給する電圧を許容できる上限以下の電圧で安定して給電できるようにした非接触給電装置に関するものである。

従来、半導体工場等のクリーンルーム内で稼働する搬送装置に非接触で給電する給電装置としては、床面から一定の距離を離し、２列の並行に敷設した給電線にＥ型のコアの中央脚部にコイルを巻いた受電コイルを配し、給電線に流す高周波電流により生じる磁界を受電コイルに誘導するようにして電力伝達を行う方式の非接触給電装置が提案されている。
この非接触給電装置において、受電コイルの２次回路は、共振コンデンサと可飽和リアクトルを受電コイルに並列に接続し、共振回路電圧が、可飽和リアクトルのコアを磁気飽和する値まで上昇してコアが飽和すると、コアの比透磁率がコアの磁性材料固有の値（概ね２０００〜４０００）からほぼ１まで急激に低下し、可飽和リアクトルのインダクタンスも比透磁率に比例して低下する。可飽和リアクトルは、飽和しない領域では巻き線の抵抗（概ね１Ω以下）に対し、インダクタンスは数１０ｍＨあり、電圧位相に対し、電流位相はほぼ９０度遅れている。この結果、高周波の交流の１サイクル内で、電圧がほぼゼロの近傍で可飽和リアクトルに飽和電流が流れ、共振回路を短絡する。
これにより共振回路の無負荷電圧抑制を行い、併せて、無負荷の共振回路に流れる無効電流も抑制するようにしている。

ところで、可飽和リアクトルの飽和磁束密度は材料特性により決まる固有の値で、一般にフェライト材料の場合、負の温度係数を持ち、常温から自己発熱により８０〜１００℃程度まで上昇した場合、飽和磁束密度が２０％前後低下する。このため可飽和リアクトルだけで電圧を安定化させる場合、温度特性を考慮した飽和電圧の設定が必要になる。
また、過渡的に変化する１次電流に追従しきれない変動幅の上限を考慮し、低温で装置を起動した直後に過渡的な１次電流が生じても、負荷に供給する電圧を許容上限電圧以下に設定する必要がある。このため、装置を連続使用し、自己発熱により温度が安定した状態での負荷供給電圧が負荷に供給する最適電圧を下回ることがある。

このため、この非接触で負荷に電力を常時給電する場合、搬送車の走行レール近傍に、走行レールと並行して給電線を敷設する必要があり、この給電線の磁束を電流に変換する受電コイルの発生電圧は、受電コイルのインダクタンスと共振回路を形成する共振コンデンサの容量、負荷状態によって大きく変動する。
受電コイルと並列に接続した可飽和リアクトルにより、無負荷時の発生電圧により可飽和リアクトルのコアを磁気的に飽和させ、共振回路を一時的に短絡することで回路の発生電圧を抑制することが可能であるが、可飽和リアクトルによる電圧安定は、定常状態においては安定するが、１次側給電線の電流の振動現象、他の搬送車の給電区間への侵入等の過渡的な電流変化には追従できず、共振回路の発生電圧が変動するという問題があった。
また、可飽和リアクトルに使用するフェライトコアは、使用する温度により磁気飽和する磁束密度が変化するため、周囲温度変化、自己発熱等により大幅な温度変化が生じないよう、冷却を考慮した設置が必要になるという問題があった。

本発明は、上記従来の非接触給電装置の有する問題点に鑑み、可飽和リアクトルを設ける目的を電圧の安定化を２次的なものとして捕らえ、無負荷時の共振回路の電流を抑制するために共振回路と並列に設け、可飽和リアクトルの自己発熱や温度変化、過渡的な電圧変化を本実施例に示す位相制御回路でピーク電圧を抑制し、負荷に供給する電圧を許容できる上限以下の電圧にして安定した非接触給電を可能とする非接触給電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の非接触給電装置は、電磁誘導により地上設備から搬送車に非接触で電力を供給する非接触給電装置において、受電コイルの発生電圧を整流後の電圧位相制御により負荷に供給する電圧を安定させる手段を備えたことを特徴とする。

本発明の非接触給電装置によれば、受電コイルの発生電圧を整流後の電圧位相制御により負荷に供給する電圧を安定させる手段を備えているから、負荷に供給する電圧を装置の許容する上限電圧以下に抑制し、無負荷時の無効電流は可飽和リアクトルで抑制した、無負荷から全負荷までの領域で効率的な非接触給電を行うことができ、特に高周波電源の数サイクルで電圧が急変するような過渡状態でも負荷電圧が上昇しすぎることがなく、負荷の機器を安定に動作できる効果がある。

以下、本発明の非接触給電装置の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１〜図５は本発明の非接触給電回路の一実施例を示す。
図において、１は受電コイルで、この受電コイル１は平行に敷設した給電線２を跨ぐ様に設置する。
この給電線２は、高周波電源装置（図示省略）に接続し、この高周波電源装置により該給電線２に、１０ｋＨｚ程度の高周波電流を流すようにする。
また、受電コイル１と、共振回路を形成するコンデンサ３及び可飽和リアクトル４から受電回路を形成し、この受電回路の出力に整流素子５を接続して受電回路の出力を、該整流素子５にて整流するようにする。

また、整流素子５の出力側には、スイッチングトランジスタ６を接続し、該スイッチングトランジスタ６の出力を平滑コンデンサ９で平滑し、平滑コンデンサ９と並列的に接続した負荷１０に供給するように接続する。

このスイッチングトランジスタ６には、インダクタンス７を直列的に接続し、このインダクタンス７により、前記平滑コンデンサ９に流れ込むピーク電流を制限するようにし、また、平滑コンデンサ９と並列的にダイオード８を接続し、このダイオード８によりインダクタンス７の電流を還流させるように形成する。
また、スイッチングトランジスタ６は、制御回路２０のベース駆動信号１３によりベース駆動を行うようにする。

なお、このインダクタンス７及びダイオード８は、図１に示すように、本実施例の非接触給電回路を単独で動作させる場合、必須条件ではなく、図５に示すように、本実施例の回路を並列接続する場合において、給電能力を増強する際、各受電コイルから負荷に流れる電流の均衡を図るために必要となる。

図２は、図１に示す実施例における制御回路２０の詳細を示す説明図で、制御回路２０の入力電圧１１を減衰器２１に入力できるようにし、減衰器２１で分圧し、差動増幅器２２で適切な電圧に変換した後、これを比較器２３でゼロと比較し、交流波形のゼロ交差点を境界に変化する信号を得るようにする。この信号の立ち上がり、立ち下りの両方でパルスを発生するパルス発生器２４でプリップフロップ２５のセットパルスを発生するようにする。

一方、制御回路２０の出力電圧１２は、減衰器２７、差動増幅器２８で適切な電圧に変換し、基準電圧と比較するようにする。この場合、出力設定電圧は基準電圧と減衰器２７の減衰量の積になる。
比較器２９の信号を、パルス発生器３０で、基準電圧を超え、信号の立ち上がりでパルスを発生する。基準電圧よりも下がる比較器２９の立下りではパルスは発生しない。
電源投入時にはパワーオンリセット回路３１により、フリップフロップの状態をリセットし、スイッチングトランジスタ６の誤点弧を防止する。フリップフロップのリセットはパルス発生器３０とリセットパルス入力（外部入力信号）１５の論理和でリセットする。また、パルス発生器３０のリセットパルス信号１４は、外部出力として出力するようにする。

非接触給電装置にかかる負荷が小さい場合、本実施例における制御回路２０の各部の波形は、図３に示すようになる。
この場合、スイッチングトランジスタ６のコレクタ電圧の波形は、交流の全波整流波形となる。ベース駆動回路２６で、フリップフロップ２５の信号を増幅し、トランジスタを点弧するようになる。
スイッチングトランジスタ６が点弧してもコレクタ電流は直ちに流れることはなく、コレクタ電圧が平滑コンデンサ９の電圧よりも上昇した時点からコレクタ電流が流れ、出力電圧が上昇する。しかし、負荷が小さいため、出力電圧は急激に上昇し、出力電圧が出力設定電圧を超えた時点でリセットパルスが発生し、スイッチングトランジスタを消弧するものとなる。

このように、非接触給電装置にかかる負荷が小さい場合、半サイクルの中で、交流のゼロ交差でスイッチングトランジスタを点弧し、交流電圧が上昇し、コレクタ電流が流れ、出力電圧が上昇した点で消弧するスイッチング動作を繰り返す。
スイッチングトランジスタ６を消弧する位相は、入力電圧が高いときは進相し、また負荷が小さくなれば進相し、早く消弧する位相制御となる。
非接触給電の受電回路は電源の内部インピーダンスが、一般の商用電源に比較して大きく、コレクタ電流が流れ始めると、コレクタ電圧が内部インピーダンスの電圧降下分だけ低下する。負荷電圧はこの電圧が低下した状態で検出するため、スイッチングトランジスタの消弧した瞬間にコレクタ電圧が上昇するが、この影響を受けることなく、出力電圧は制限される。また、点弧をゼロ交差点で行うため、内部インピーダンスの影響を受けることなく点弧することができる。

また、反対に非接触給電装置にかかる負荷が大きい場合の動作を図４に示す。
負荷が大きく出力電圧が出力設定電圧を超えない場合、リセットパルスが発生せず、スイッチングトランジスタは常時点弧となる。このときのコレクタ電流は、スイッチングトランジスタがなく、整流ダイオード５で直接に平滑コンデンサ９を充電する場合と等価になり、交流電圧のピーク近傍で間欠的に電流が流れる。
インダクタンス７がある場合には、ピーク電流が抑制され、電流の流れる期間が増加するのは、チョークインプット型平滑回路と同等である。
このように重負荷領域ではスイッチングトランジスタ６は、スイッチング動作をしないため、スイッチング損失は発生せず、またノイズは出ないものとなる。

非接触給電装置にかかる負荷が、中間程度の負荷の状態では、スイッチングする消弧位相が徐々に遅れ、やがて負荷が大きい重負荷の動作に至る。

また、大容量の非接触給電装置においては、図５に示すように、受電コイル１を複数（図示の実施例では３個使用しているが、特に限定されるものではない。）使用する。
このように、受電コイル１を複数使用する大容量の用途では、非接触給電回路を並列接続し、リセットパルスは共有する。
この受電コイル１が、同一の給電線上に配置される場合、或いは異なる給電線で励磁される場合の両方においても、リセットパルスを共有することで各受電コイル１で負荷１０の不均衡が生じることを防止できる。
並列接続した場合、平滑コンデンサの容量は接続台数に比例して増加する。この場合においてインダクタンス７がない場合、急激な電流が整流ダイオード５、スイッチングトランジスタ６に流れ、破損する危険性がある。しかし、図示の実施例のように、インダクタンス７を入れることでピーク電流を抑制し、負荷の不均衡を防ぐことができる。

本実施例においては、スイッチング素子を、バイポーラトランジスタを使用場合について説明したが、このバイポーラトランジスタの代わりに、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や絶縁ゲートトランジスタ（ＩＧＢＴ）でも使用可能である。これらの素子では逆方向の還流ダイオードが内臓されている場合があるが、その場合、コレクタ電圧（ＦＥＴではドレイン電圧）は平滑コンデンサの充電電圧と等電位になる期間が存在するが、それによってコレクタ電流が流れることはなく、動作は本質的に変わらない。

以上、本発明の非接触給電装置について、実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、各実施例に記載した構成を適宜組み合わせる等、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明の非接触給電装置は、負荷に供給する電圧を装置の許容する上限電圧以下に抑制し、無負荷時の無効電流は可飽和リアクトルで抑制した、無負荷から全負荷までの領域で効率的な非接触給電を行うことができるという特性を有していることから、半導体工場等のクリーンルーム内で稼働する搬送装置の非接触給電装置の用途に好適に用いることができるほか、各種製造工場等で稼働する搬送装置の非接触給電装置に広く用いることができる。

本発明の非接触給電装置の第１実施例の全体を示す非接触給電回路の説明図である。 同制御回路の説明図である。 負荷が小さい場合の制御回路の各部の波形説明図である。 負荷が大きい場合の制御回路の動作説明図である。 受電コイルを複数使用する大容量の用途を示す回路図である。

符号の説明

１ 受電コイル
２ 給電線
３ 共振コンデンサ
４ 可飽和リアクトル
５ 整流素子
６ スイッチングトランジスタ
７ インダクタンス
８ ダイオード
９ 平滑コンデンサ
１０ 負荷
１１ 入力電圧
１２ 出力電圧
１３ ベース駆動信号
１４ リセットパルス出力（外部出力）
１５ リセットパルス入力（外部入力信号）
２０ 制御回路
２１ 減衰器
２２ 差動増幅器
２３ 比較器
２４ パルス発生器
２５ プリップフロップ
２６ ベース駆動回路
２７ 減衰器
２８ 差動増幅器
２９ 比較器
３０ パルス発生器

Claims (1)

1. 電磁誘導により地上設備から搬送車に非接触で電力を供給する給電装置であって、受電コイルの発生電圧を整流後の電圧位相制御により負荷に供給する電圧を安定させる手段を有するように構成したことを特徴とする非接触給電装置。
   

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