JP2005261200A - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 二次側の供給電力を効率良く抽出し得る非接触給電装置を得る。
【解決手段】 移動体が走行する走行路に沿うと共に、所定の弛みを有するように架線した交流電流を流す給電線３と、移動体には、給電線３から電磁誘導作用を生じるためのコア１０５及びコイル７を有すると共に、給電線３に対して並設して負荷に電力を供給する少なくとも第１及び第２のピックアップユニット２０２と、コア１０５には、コイル７を巻回するのに用いる少なくとも二つの溝状の切り欠き部１０５ｅと、を備えたものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、案内レールに沿って架線された給電線を流れる交流から電磁誘導作用により電力を取り込むための給電部を備えた非接触給電装置の改良に関するものである。

従来、天井に架設された案内レールに沿って走行し、工場あるいは倉庫内のステーション間において荷の搬送作業をするモノレール式の搬送装置（移動体）が提案されている。この種の搬送装置の給電方法として、特許文献１に記載のように案内レールに配線された給電線に対向させた状態にピックアップユニットを移動体に取り付け、このピックアップユニットを用い、給電線を流れる交流（高周波電流）から電磁誘導作用を利用して電力を取り込む非接触給電装置が知られている。

この非接触給電装置では、図４に示すように給電部１は、移動体が走行する走行路に沿うと共に、相互に平行な往復経路をとって、所定の弛みを有するように架線した交流電流を流す二本の給電線３と、給電線３を覆うように対向配置されると共に、移動体に固定されたピックアップユニット２とを備え、ピックアップユニット２には、Ｅ型形状のコア５と、その中央脚部５ａに巻回されると共に、負荷（図示せず）が接続された受電用の二次コイル７とを備えている。

ここで、給電部１における給電線３とコア５との間に形成された隙間ｇは、ピックアップユニット２が移動する時に、コア５のＸ方向の位置が変動しても給電線３とコア５とが接触しないようにするために設けられている。かかる給電部１は、給電線３を流れる高周波電流によりコア５には同図に矢印で示すような磁束の向きの磁気回路が形成され、この磁気回路に基づき二次コイル７に電流が誘起されて負荷（図示せず）に電力を給電線３から無接触により給電するものである。

特開平０５−２０７６０６号公報

しかしながら、上記のように構成された非接触給電装置はピックアップユニット２の移動に伴い、給電線３の弛みなどのために、図４に示すＹ方向に給電線３とコア５との相対位置がａ〜ｂの範囲で変動し、例えば、該位置変動は最大５０ｍｍとなる（実測値）。給電線３と二次コイル７との相互インダクタンスＭは、二次コイル７の巻回数を９回として電線直径を４ｍｍ、二次コイル７の長さＬを３６ｍｍとすると、位置ａで３０μHから位置ｂで１８μHと６０％に減少する（実測値）。なお、給電線３の直径は９ｍｍ、隙間ｇは２０ｍｍである。一方、二次コイル７の自己インダクタンスＬ2は一定値である。従って、二次側の負荷への供給電力が相互インダクタンスＭの２乗に比例して約３６％変動するので、一定の電力を負荷に供給できないという問題点があった。

かかる課題を解決するのに、給電線３と二次コイル７との電磁的な結合度が変化しないように、コア５の中央部５ａに二次コイル７を形成する電線を多数巻回する手段がある。しかしながら、二次コイル７を多数巻回し過ぎると、二次コイル７の自己インダクタンスＬ2が巻数の２乗に比例して増加し、二次側負荷電流は二次コイル７の巻数に反比例すると共に、自己インダクタンスＬ2に反比例して減少する。よって、二次コイル７の巻回数を増加し過ぎると、負荷への供給電力が低下するので、適切でない。これを数式により示せば下記となる。

即ち、非接触給電装置の等価回路を図５に示し、この等価回路より下記の回路方程式を得る。
SＭ（ｉ₁−ｉ₂）＝ S（Ｌ₂−Ｍ）ｉ₂＋Ｖc1・・・・・（１）
Ｖc1＝（ｉ₂−ｉ₃）／SＣ₁＝ ｉ₃×Ｒ・・・・・・・（２）
ｉ₁＝ｉ₀／ｎ・・・・・・・・（３）
ここに、Ｓ：ラプラス演算子、 ｉ₀：一次側電流（Ａ）、ｉ₁：二次側換算の一次側電流（Ａ）、ｉ₂：二次側電流値（Ａ）、ｉ₃：二次側負荷電流値（Ａ）、 Ｒ：負荷の抵抗値（Ω）、ｎ：巻数比、Ｃ₁：共振コンデンサの静電容量（Ｆ）、Ｖc1：コンデンサ電圧（Ｖ）。
上記（１），（２）式より、
SＭｉ₁＝ SＬ₂ｉ₂＋ ｉ₃×Ｒ・・・・・・・・（４）
上記（２）式より、
ｉ₂＝（１＋SＣ₁Ｒ） ｉ₃・・・・・・・・（５）
（５）式を（４）式に代入してまとめると、
ｉ3／ ｉ1＝ SＭ／（S²Ｃ₁ＲＬ₂＋ SＬ₂＋ Ｒ）・・（６）
ここで、二次側回路のＬ₂とＣ₁とが共振状態であると、
S²Ｃ₁Ｌ₂＋１＝０・・・・（７）
ここで、（７）式を（６）式に代入すると、二次側負荷電流ｉ₃は下式となる。
ｉ₃＝（Ｍ× ｉ₁）／ Ｌ₂＝（Ｍ× ｉ₀）／（ Ｌ₂×ｎ）・・・・（８）
よって、負荷Ｒの負荷電力Ｗは下式となる。
Ｗ＝ ｉ₃ ²×Ｒ・・・・（９）

負荷電力Ｗは上記（８），（９）式より二次コイル７の巻回数、相互インダクタンス等により変化する。これを前記条件（給電線３の直径９ｍｍ，隙間ｇを２０ｍｍ，二次コイル７の電線直径４ｍｍ）にて、二次コイル７の巻回数と出力電力比との比を実験により確認すると、図６に示す曲線を得る。図６から明らかのように巻数を巻回しすぎると、負荷に供給される電力が低下する。

また、図７（ａ）に示すように二次側の供給電力の増加を図るために、複数のピックアップユニット２を用いて給電部１０を構成する場合、限られたスペースに設置するために、ピックアップユニット２どおしを近接して配置するのが一般である。かかる構成において、二次コイル７に電流が図７（ｂ）の方向に流れる
と、反時計回りの磁束φ１と、時計回りの磁束φ２が発生し、二つのコア５間に給電線３の中央部３ａに磁束φ１、φ２が加算するように鎖交する。該磁束φ１、φ２により給電線３の中央部３ａに渦電流が流れて鉄損が生じ、該中央部３ａの温度を上昇が高くなり、給電線３の抵抗値が増加して二次側負荷電力が低下するという問題点があった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、二次側の供給電力を効率良く抽出し得る非接触給電装置を提供するものである。

第１の発明に係る非接触給電装置は、移動体が走行する走行路に沿うと共に、所定の弛みを有するように架線した交流電流を流す給電線と、上記移動体には、上記給電線から電磁誘導作用を生じるためのコア及びコイルを有すると共に、上記給電線に対して並設して負荷に電力を供給する少なくとも第１及び第２のピックアップユニットと、上記コアには、上記コイルを巻回するのに用いる少なくとも二つの溝状の切り欠き部と、を備えたことを特徴とするものである。

第２の発明に係る非接触給電装置のコイルは筒型の非磁性体のボビンに巻かれ、ボビンを切り欠き部に係合させた、ことを特徴とするものである。

第３の発明に係る非接触給電装置は、移動体が走行する走行路に沿うと共に、所定の弛みを有するように架線した交流電流を流す給電線と、上記移動体には、上記給電線から電磁誘導作用を生じるためのコア及びコイルを有すると共に、上記給電線に対して並設して負荷に電力を供給する少なくとも第１及び第２のピックアップユニットと、上記第１のピックアップユニットと上記第２のピックアップユニットとの対向側の上記コイル端部に設けられると共に、上記コイルに電流が流れて発生する磁束が上記コアを介して通過する磁性体部材と、を備えたことを特徴とするものである。

第１の発明によれば、コアには、コイルを巻回するのに用いる少なくとも二つの溝状の切り欠き部を備えたので、給電線とコイルと鎖交する磁束が減少して給電線に生ずる温度上昇を抑え、給電効率を向上できるという効果がある。

第２の発明によれば、第４の発明の効果に加え、コイルは筒型の非磁性体のボビンに巻かれ、ボビンを切り欠き部に係合させたので、ボビンにコイルを巻いた後に、コアの切り欠き部に係合することにより、作業性が良くなるという効果がある。

第３の発明によれば、第１のピックアップユニットと第２のピックアップユニットとの対向側のコイル端部に設けられると共に、コイルに電流が流れて発生する磁束がコアを介して通過する磁性体部材を設けたので、給電線とコイルと鎖交する磁束が減少して給電線に生ずる温度上昇を抑え、給電効率を向上できるという効果がある。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図１によって説明する。図１は、この発明の実施の形態１によるコアの中央部に二次コイルを巻回した断面図、図２は図１に示す二次コイルを有するピックアップユニットを二つ近接配置した側面図である。図１及び図２において、給電部３００を構成するピックアップユニット２０２は、略Ｅ型形状のコア１０５を有しており、コア１０５の中央部１０５ａには、二つの溝状の切り欠き１０５ｅを設け、この切り欠き１０５ｅに電線が９回巻回されて二次コイル７が形成されており、中央部１０５ａの側面部１０５ｃがピックアップユニット２０２の磁気遮蔽として作用するように形成されている。ここで、切り欠き１０５ｅの幅と深さは、二次コイル７を挿入できる空間があれば足り、特に、幅ができるだけ短い方が磁気遮蔽としての作用をより奏する。

上記のように構成された非接触給電装置の給電部３００の動作を図１及び図２によって説明する。
いま、二つのピックアップユニット２０２を併設した状態において、二次コイル１０７に電流が図２に示す方向に流れると、矢印のようにコア１０５の側面部１０５ｃに磁束Φ１と磁束Φ２とが流れるが、磁束Φ１は、ピックアップユニット２０２のコア１０５の側面部１０５ｃ→中央部１０５ａ→切り欠き１０５ｅの経路で流れる。一方、磁束Φ２は、同様にピックアップユニット２１２のコア１０５の側面部１０５ｃ→中央部１０５ａ→切り欠き１０５ｅの経路で流れる。よって、磁束Φ１，Φ２は、各ピックアップユニット２０２のコア１０５内を流れて、給電線３の中央部３ａにほとんど鎖交しなくなるので、給電線３の中央部３ａに渦電流が流れにくくなり鉄損が減少する。従って、複数のピックアップユニット２０２が近接配置されても、給電線３の中央部３ａの磁束Φ１，Φ２による温度上昇を抑えることができる。これを実験により確認すると、ピックアップユニット２０２どうしの間隔を３０ｍｍにして、給電線３に周波数１５Ｋｚの８０Ａの電流を流して二次コイル１０７の負荷に３０Ａを流して、給電線３の中央部３ａの表面における飽和温度を測定すると、従来、１５１℃上昇していたものが、上記ピックアップユニット２０２の構成によれば、４９℃の温度上昇に留まることが確認できたのである。

なお、二次コイル７を予め非磁性体の筒型ボビンに巻き、これを図１に示すコア１０５の切り欠き１０５ｅに係合させて、コア１０５の中央部１０５ａに固定してもほぼ同様の作用を奏する。

また、図３に示すように二つのピックアップユニット２の内側側面部に磁性体から成る二枚の遮蔽板３０１を、各二次コイル７と当接して配置することにより、各二次コイル７に発生する磁束φ１、φ２は図３（ｂ）に示すように遮蔽板３０１の内部を通るので、二つのピックアップユニット２を接近させても給電線３の
発生損失を抑えて温度上昇を抑制することができる。また、上記実施の形態によるＥ型コアには、U型コアを二つ用いてＥ型形状にしても良い。

以上のように、この発明の非接触給電装置は二次側の供給電力を効率良く抽出し得るので、天井に架設された案内レールに沿って走行し、工場あるいは倉庫内のステーション間において荷の搬送作業をするモノレール式の搬送装置（移動体）として有用である。

この発明の実施の形態１によるコアの中央部にコイルを巻き回した断面図である。 図２に示すピックアップユニットを二つ近接配置した側面図である。 コイルの側面に磁性体板を設けた断面図（ａ）、コイルの磁束の流れを示す磁気回路の説明図（ｂ）である。 従来の給電部の正面図である。 非接触給電装置の等価回路図である。 ピックアップユニットにおけるコイルの巻数と負荷に供給される出力電力比の曲線である。 図４に示すピックアップユニットを二つ近接配置した斜視図（ａ）、コイルの磁束の流れを示す磁気回路の説明図（ｂ）である。

符号の説明

２，２０２ ピックアップユニット、 ３ 給電線、 ５，１０５ コア、 ５ａ，１０５ａ 中央部、 ５ｃ，１０５ｃ 側面部、 ７，１０７ 二次コイル（コイル）、 １０５ｅ 切り欠き、 ３０１ 磁性体部材。

Claims (3)

1. 移動体が走行する走行路に沿うと共に、所定の弛みを有するように架線した交流電流を流す給電線と、
   上記移動体には、上記給電線から電磁誘導作用を生じるためのコア及びコイルを有すると共に、上記給電線に対して並設して負荷に電力を供給する少なくとも第１及び第２のピックアップユニットと、
   上記コアには、上記コイルを巻回するのに用いる少なくとも二つの溝状の切り欠き部と、を備えたことを特徴とする非接触給電装置。
2. 上記コイルは筒型の非磁性体のボビンに巻かれ、上記ボビンを上記切り欠き部に係合させた、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 移動体が走行する走行路に沿うと共に、所定の弛みを有するように架線した交流電流を流す給電線と、
   上記移動体には、上記給電線から電磁誘導作用を生じるためのコア及びコイルを有すると共に、上記給電線に対して並設して負荷に電力を供給する少なくとも第１及び第２のピックアップユニットと、
   上記第１のピックアップユニットと上記第２のピックアップユニットとの対向側の上記コイル端部に設けられると共に、上記コイルに電流が流れて発生する磁束が上記コアを介して通過する磁性体部材と、
   を備えたことを特徴とする非接触給電装置。

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