JP2005268360A - レール型非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レールにおける任意の位置において電力を取出すことができ、電位差のある導電部が露出しない高い安全性を有し、電力の伝送効率が極めて良いレール型非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】受電ユニットを任意の位置で支持するための平行する２本のレールと、その２本のレールに沿って設けられた給電コイルと、その給電コイルに出力する交流電流が所定値となるように制御する制御部を有する給電ユニットと、組合わせることにより２本レールを貫通させるための２つの孔が形成される第１コアおよび第２コアと、その２つの孔に沿って周回する受電コイルと有する受電ユニットを備えるようにしたレール型非接触電力伝送装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は非接触電力伝送の技術分野に属する。特に、長いレールを有する給電ユニットと、そのレールの任意位置に任意個数の小型の受電ユニットを取付けて、その間で電力を伝送できるようにしたレール型非接触電力伝送装置に関する。

レールで支持しレールから電力を供給する照明器具が知られている。この照明器具ではレールにおける任意の位置に照明器具を配置でき、電源コードを見えなくするするため、展示物、等を照明するための照明器具として好適である（特許文献１）。しかし、ここで用いられる通電レールにおいては任意の位置で照明器具に配電できるように導電部が露出する構造となっている。ところが、不特定の人間が集まる展示会のような公共性の高い場所においては、不測の行為により電気的なコンタクト、コネクター、等から感電することや災害を招くことにも配慮する必要性がある。また、水周りや雨が降り掛かる恐れのある屋外においてそれらを使用するときには水の浸透による漏電の危険性を回避する必要がある。そこで、安全性を高めるためには電位差のある導電部が露出しないような通電方法が望まれる。

それを可能とするものとして、非接触電力伝送方式を適用したスライドレールによって移動ユニットに通電するようにした電気テルハーの提案がある（特許文献２）。しかし、この電気テルハーにおいては、通電のためのフィーダを１本としており、またコアによって閉ループの磁気回路を構成することが困難であるため電力の伝送効率が極めて悪いものとなっている。
特開平１１−２２１１４１ 特表２００３−５２８５５５

本発明の目的は、レールにおける任意の位置において電力を取出すことができ、電位差のある導電部が露出しないから高い安全性を有し、しかも電力の伝送効率が極めて良いレール型非接触電力伝送装置を提供することにある。

本発明の請求項１に係るレール型非接触電力伝送装置は、受電ユニットを任意の位置で支持するための平行する２本のレールと、その２本のレールに沿って設けられた給電コイルと、その給電コイルに交流電流を出力する給電回路とを有する給電ユニットと、組合わせることにより前記２本レールを貫通させるための２つの孔が形成される第１コアおよび第２コアと、その２つの孔に沿って周回する受電コイルと、その受電コイルに誘導される電力を入力する受電回路とを有する受電ユニットとを備え、前記第１コアと前記第２コアを前記組合わせるとき前記２本のレールが前記２つの孔を貫通するように挟み込むことによって前記２本のレールが前記受電ユニットを支持するようにしたものである。
また本発明の請求項２に係るレール型非接触電力伝送装置は、請求項１に係るレール型非接触電力伝送装置において、前記レールは前記給電コイルの導線を内部に密閉して電気絶縁性を付与するレールであるようにしたものである。
また本発明の請求項３に係るレール型非接触電力伝送装置は、請求項１または２に係るレール型非接触電力伝送装置において、前記給電コイルは導線を延長してＵターンさせ戻した１回巻のコイルであるようにしたものである。
また本発明の請求項４に係るレール型非接触電力伝送装置は、請求項１〜３のいずれかに係るレール型非接触電力伝送装置において、前記給電ユニットが前記給電コイルに出力する前記交流電流が所定値となるように制御する制御部を有するようにしたものである。

本発明の請求項１に係るレール型非接触電力伝送装置によれば、２本のレールによって受電ユニットが任意の位置で支持される。またその２本のレール沿って設けられた給電コイルにより受電ユニットにおける第１コアおよび第２コアは磁化されて閉ループの磁気回路が形成される。そして、そこに設けられた受電コイルには電磁誘導により効率的に電力が供給される。したがって、レールにおける任意の位置において電力を取出すことができ、電力の伝送効率が極めて良いレール型非接触電力伝送装置が提供される。
また本発明の請求項２に係るレール型非接触電力伝送装置によれば、レールにより給電コイルの導線が内部に密閉されて電気絶縁性が付与される。したがって、電位差のある導電部が露出せず高い安全性が得られる。
また本発明の請求項３に係るレール型非接触電力伝送装置によれば、給電コイルは導線を延長してＵターンさせ戻した１回巻のコイルである。したがって、給電コイルの製造や配設が容易である。
また本発明の請求項４に係るレール型非接触電力伝送装置によれば、制御部により給電コイルに出力する交流電流が所定値となるように制御される。したがって、レールに支持された受電ユニットの個数や各々の電力消費に依らず安定した電力供給を行うことができる。

本発明のレール型非接触電力伝送装置について図１〜図１０を参照して説明する。図１はレール型非接触電力伝送装置における全体構成を示す図である。図１において、１０１は給電部、１０２は電流検出部、１０３は給電コイル、２００ａ，２００ｂ，２００ｃ，２００ｄは受電部である。
給電部１０１は給電コイル１０３を通じで電磁誘導により受電部２００ａ〜２００ｄに電力を伝送する部分である。給電部１０１は、そための給電回路、給電コイル１０３に流れる電流を検出して給電回が給電コイル１０３に出力する交流電流が所定値となるように制御する制御回路、等を備える。

電流検出部１０２は給電コイル１０３に流れる電流を検出する部分である。電流検出部１０２としては、受電部２００ａ等と同様の構成、すなわちダミーの受電部を適用することができる。しかし、電力を取出す必要はなく電流を検出するだけでよいから、検出により給電部１０１の負荷が増加しない、より簡易な構成を適用することができる。たとえば、周知の電流検出器を適用することができる。電流検出部１０２の出力は給電部１０１によって入力が行われ、前述したように、給電部１０１の制御回路によりコイル１０３に出力する交流電流が所定値となるように制御が行われる。給電コイル１０３に流れる電流は、制御を行わないときには、受電部２００ａ〜２００ｄの個数によって変化する。
なお、図１に示す一例おいては、電流検出部１０２は給電部１０１とは別個に設けられいるが、給電部１０１に内蔵してもよい。

給電コイル１０３は、図１に示すように、複数個の受電部２００ａ〜２００ｄに電力を伝送できるように長く延長されたコイルである。一般的に、コイルにおける巻線の巻回数は複数回であると考えられているが、本発明のレール型非接触電力伝送装置における給電コイル１０３においては、巻線の巻回数を１回巻とすると好適である。１回巻とすることにより給電コイル１０３の製造が極めて容易と成る。すなわち、導線を延長してＵターンさせて戻したものを給電コイル１０３とすることができる。このような給電コイル１０３の導線としては、機械的な強度があって大容量の電流が流せる平角銅線を使用すると好適である。コイルとしての機能だけでなく、行きと戻りの平角銅線を平行に配設し、受電部２００ａ〜２００ｄを任意の位置に配置するためのレールとしての機能を持たせることができる。勿論、電位差のある導電部を露出させないためには、電気絶縁性の被覆を必要とする。

受電部２００ａ〜２００ｄは、給電コイル１０３を介して電磁誘導により給電部１０１から電力の供給を受ける部分である。受電部２００ａ〜２００ｄの構成の一例を図２に示す。図２に示すように、受電部２００ａ〜２００ｄは、受電コイル２０１、受電回路２０２、コア２０３，２０４、支持部材２０５，２０６、筐体２０７を備える。
受電コイル２０１は、長く延長されたコイルである給電コイル１０３から電磁誘導による電力供給を受けるコイルである。図２に示す一例においては、受電コイル２０１は、ＦＰＣ（flexible print circuit）により形成したコイルである。ＦＰＣには受電コイル２０１だけでなく、受電回路２０２やその他の回路が１枚のＦＰＣ上に形成されている。

コア２０３とコア２０４はフェライト材料から成るＥ形状のコアである。コア２０３とコア２０４は密着、離脱が可能なように対向して設けられ、密着したときにはＥ形状における突起部の密着面において対称となるように筐体２０７に配置されている。また支持部材２０５と支持部材２０６は非磁性の電気絶縁材料から成るＥ形状の支持部材である。コア２０３，２０４と同様に、支持部材２０５と支持部材２０６は密着、離脱が可能なように対向して設けられ、密着したときにはＥ形状における突起部の密着面において対称となるように筐体２０７に配置されている。

図２に示す一例において、筐体２０７は開閉が可能な蓋様体と箱様体とから成る。図２には蓋様体を開いた状態が示されている。図２に示すように、コア２０３と支持部材２０５は蓋様体によって支持され、コア２０４と支持部材２０６は箱様体によって支持されている。そして、蓋様体を閉じたときにはコア２０３とコア２０４および支持部材２０５と支持部材２０６は密着する。また蓋様体を開いたときにはコア２０３とコア２０４および支持部材２０５と支持部材２０６は離脱する。

図２において示す点線ａ，ｂは給電コイル１０３の経路を示している。コア２０３とコア２０４をＥ形状における突起部の密着面において対称となるように密着するとき、その密着により形成される２つの孔の部分において、給電コイル１０３が貫通するように密着を行うことができる。これにより、給電コイル１０３が生成する磁束によって、コア２０３とコア２０４には閉ループの磁気回路が形成される。また図２に示すように、受電コイル２０１はＥ形状のコア２０３における中央の突起部を囲むように導線が巻かれたコイルである。したがって、コア２０３とコア２０４を密着すると受電コイル２０１はその形成された磁気回路を囲むコイルとなり、給電コイル１０３と受電コイル２０１との間では効率的に電磁誘導を行うことができる。

この受電部と給電部を組合わせて給電状態とする過程についてさらに説明する。図３はその過程の一例を示す模式図である。図３に示すように、受電部２００ａ〜２００ｄにおいて、受電コイル２０１は２つのＥ形状のコア２０３，２０４が突起部を向かい合わせて密着したことにより形成される２つの孔を周回するように導線が巻かれたコイルである。給電部１０１から長く延長されたコイル１０３は、見かけ上は、行きと戻りの２本の導線ａ，ｂ（実際は電気的に接続された１本の導線である）によって構成されるコイルである。

受電部と給電部を組合わせたときには、図３に示すように、受電部のコアにおける２つの孔における一方の孔に導線ａを貫通させ、他方の孔に導線ｂを貫通させる。このとき受電コイル２０１とコイル１０３は共に、Ｅ形状のコアにおける中央の突起部を囲むコイルとなる。その結果、電磁誘導により給電部１０１から受電部２００ａ〜２００ｄに電力の伝送が行われ、たとえば受電部２００ａ〜２００ｄにおけるＥＬシート３００を点灯させることができる。

図４には受電部と給電部を組合わせる過程が、一例としての各部位の寸法と共に、図によって示されている。図４においては、左側からステップの番号Ｓ１〜Ｓ４、ステップの内容、断面図、平面図、受電コイルの順番に図が配置されている。
まず、図４のステップＳ１（給電部平角線）において、給電部１０１の給電コイル１０３が内壁、外壁、天井、床、台、等の所定の場所に設けられる。すでに説明したように、給電コイル１０３に平角線を適用することができる。その平角線の長さは、たとえば、１０００ｍｍである。勿論、本発明はこの長さに限定されない、給電コイル１０３は長く延長されたコイルであってその長さは任意である。

次に、ステップＳ２（受電部ハネ上げ）において、Ｅ形状のコア２０３，２０４が２つに分離される。図２に示す受電部の一例においては蓋様体を開くことに相当する。Ｅ形状のコア２０３，２０４における各々の寸法は、たとえば、幅が１５ｍｍ、高さが２５ｍｍ、奥行きが７ｍｍの外形寸法である。勿論、本発明はこの寸法に限定されない。また、Ｅ形状のコア２０３には受電コイル２０１が配置されている。
次に、ステップＳ３（受電部挟み込み）において、受電部を給電コイル１０３に近づけ潜らすようにして、形状のコア２０３，２０４における２つの凹部に２つの平角線の各々を挟み込む。

次に、ステップＳ４（給電状態磁束発生）において、２つの平角線の各々を挟み込んだ状態で、分離されたＥ形状のコア２０３，２０４を戻して密着する。給電コイル１０３に交流電量を流すとコア２０３，２０４には、図４に示すような、閉ループの磁気回路が形成され、電磁誘導により受電コイル２０１から電力を取出すことができる。図４における中央の列の図、すなわち平面図に示すように、受電コイル２０１は長く延長された給電コイル１０３の任意の位置において電力を取出すことができる。言い換えると、長く延長された給電コイル１０３の任意の位置に受電部を配置することができる。

組合わせて給電状態とする受電部と給電部の別の形態を図５に示す。図３、図４においては、給電コイル１０３の２つの平角線ａ，ｂを縦に（上下に）並べたが、図５に示す一例においては、２つの平角線ａ，ｂは横（左右に）並べた形態と成っている。たとえば、垂直な壁に平角線ａ，ｂを縦に取付けたときには、平角線ａ，ｂの前面と背面からコア２０３，２０４によって挟み込むことによって給電状態とすることができる。これに対して、垂直な壁に平角線ａ，ｂを横に取付けたときには、平角線ａ，ｂの上側と下側からコア２０３，２０４によって挟み込むことによって給電状態とすることができる。どちらの形態を採用するかは、給電コイル１０３を設置する場所、受電部２００ａ〜２００ｄの形態、等による。

また、図５に示す一例においては、２つの平角線ａ，ｂは非磁性体で電気絶縁性を有するプラスチック等の材料によって被覆（モールド）されている。すなわち、給電コイル１０３の導線が内部に密閉されて電気絶縁性が付与される。したがって、電位差のある導電部が露出せず高い安全性が得られる。

上述の説明（図１〜図４を参照した説明）においては、受電部２００ａ〜２００ｄの支持方法については説明していない。ここでは、受電部２００ａ〜２００ｄを任意の位置で支持するための長い支持体のことをレールと呼ぶことにする。図５に示すように、２つの平角線ａ，ｂを非磁性体で電気絶縁性を有する材料によって被覆したものは、受電部２００ａ〜２００ｄを支持する支持体、すなわち２本のレールとすることができる。

この２本のレールにおける断面の形状を、２つのＥ形状のコア２０３，２０４が突起部を向かい合わせて密着したことにより形成される２つの孔の形状と一致させるか、むしろ多少小さくする。これにより、受電部２００ａ〜２００ｄを２本のレールに支持させたときに、過剰な遊びによる不適切な位置への変位を無くすことができる。図５における左側の図には、支持させたときの状態の一例が断面図として示されている。この断面図に示すように、２つのＥ形状のコア２０３，２０４が形成する２つの孔の上部は受電コイル２０１が占める。そして２つの孔における残りの空間をほぼ充たすように２本のレールが占める。

２つの平角線ａ，ｂを内蔵する２本のレールは、たとえば、断面が凹形状の棒材（図９（Ａ）参照）と、その凹部に平角線を配置した後にその凹部を密閉するための蓋材によって構成することができる（図９（Ｂ）参照）。
この２本のレールを垂直な壁や水平な台に固定するためには、固定部材を準備しておくと便利である。たとえば、平角線ａ，ｂが１本となって接続されているＵターン部分を非磁性体で電気絶縁性を有する材料によって被覆するとともに、２本のレールを支持するようにした固定部材の一例を図１０（Ａ）に設計図として示す。図１０（Ａ）における左上の図は固定体の正面図、左下の図は固定体の側面図、右上の図は蓋体の正面図、右下の図は蓋体の側面図である。

また、受電部２００ａ〜２００ｄを２本のレールに任意の位置で支持させたときの受電部と受電部の間にできる空き領域において２本のレールを支持するようにした固定部材の一例を図１０（Ｂ）に設計図として示す。図１０（Ｂ）における上の図は正面図、下の図は側面図である。左右方向に各種の長さのものを並べて示してある。空き領域の長さに合わせて選択組合わせすることができる。

次に、給電部１０１における給電回路について説明する。図６は給電回路の一例を示すブロック図である。また、図７は給電回路の一例を示す回路図である。図６と図７は異なる形式の図であるが、実質は同一の回路を表した図である。主として、図６を参照して説明する。

給電回路は、オートとマニュアルから成る２つのモードのいずれかにおいて動作する。給電部１０１による電力の伝送と、受電部における電力の消費量とが適合するように自動制御するモードがオートであり、手動で制御するモードがマニュアルである。図６において、スイッチＳＷ−２はオートとマニュアルの切替えスイッチとなっている。スイッチＳＷ−２がマニュアルのときには、ＩＣ−３の１番ピンと２番ピンが接続され３番ピンと４番ピンが開放される。これによりＩＣ−４の３番ピンにはＤ．ＳＥＴ ＶＲ４において手動設定した電圧が印加される。これにより給電回路はマニュアル（手動）で動作する。
一方、スイッチＳＷ−２がオートのときには、ＩＣ−３の１番ピンと２番ピンが開放され３番ピンと４番ピンが接続される。これによりＩＣ−４の３番ピンには電流検出部１０２（図１参照）が検出した電流値に対応する電圧が印加される。これにより給電回路はオート（自動）で動作する。

ＩＣ−４（ＯＳＣ、ＰＷＭ）は矩形波を出力する発信回路である。ＩＣ−４が出力する矩形波は、ドライブ回路を介してＰ．Ｏ−ＳＷ（スイッチング用トランジスタ２ＳＫ２９５２）をスイッチングし電力増幅され、２０ＫＨｚから１ＭＨｚの交流電流を給電コイル１０３に流す。このＩＣ−４は、その３番ピンに印加される電圧によってその矩形波のデューティ比を変化させることができる。デューティ比とは、信号レベルとしてＨ（高い電圧）とＬ（低い電圧）を繰り返す矩形波の周期（Ｈの時間とＬの時間を加算した時間）に対するアクティブの時間（この場合はＨの時間）の比率である。したがって、デューティ比が大きいときには伝送できる電力が大きく、デューティ比が小さいときには伝送できる電力が小さい。

オートのときには、電流検出部１０２が検出する電流値は、電力の消費量が小さいとき、すなわち負荷（インピーダンス）が小さいときには大きくなる。したがって、ＩＣ−４の３番ピンに印加される電圧が大きくなり、デューティ比が小さくなり、伝送できる電力が小さくなる。反対に、電流検出部１０２が検出する電流値は、電力の消費量が大きいとき、すなわち負荷（インピーダンス）が大きいときには小さくなる。したがって、ＩＣ−４の３番ピンに印加される電圧が小さくなり、デューティ比が大きくなり、伝送できる電力が大きくなる。この制御により、長く延長した２本のレールに任意個数の受電部を配置しても、消費される電力に適合する電力を給電回路によって供給することができる。

次に、受電部における受電回路２０２について説明する。図８は受電回路の一例を示す回路図である。図８において、受電回路２４０は、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４から成るダイオード整流ブリッジ，ＩＣ−１，等を有する。
受電ユニットのコイル（ＦＰＣコイル）は電磁誘導により交流の起電力を生じ、ダイオード整流ブリッジにその電力を供給する。ダイオード整流ブリッジにおいてその電力が整流されキャパシターＣ１に蓄積される。ＩＣ−１はその入力端子がキャパシターＣ１に接続された安定化電源用の３端子レギュレータである。ＩＣ−１の出力端子はキャパシターＣ２に接続されており、安定化された電力はキャパシターＣ２に蓄積される。

レール型非接触電力伝送装置における全体構成を示す図である。 受電部の構成の一例を示す図である。 受電部と給電部を組合わせて給電状態とする過程の一例を示す模式図である。 受電部と給電部を組合わせる過程と、一例としての各部位の寸法を示す図である。 組合わせて給電状態とする受電部と給電部の別の形態を示す図である。 給電回路の一例を示すブロック図である。 給電回路の一例を示す回路図である。 受電回路の一例を示す回路図である。 ２つの平角線を内蔵する２本のレールを構成するための凹形状の棒材と、密閉するための蓋材を示す図である。 ２本のレールを支持するようにした固定部材の一例を示す図である。

符号の説明

１０１ 給電部
１０２ 電流検出部
１０３ 給電コイル
２００ａ，２００ｂ，２００ｃ，２００ｄ 受電部
２０１ 受電コイル
２０２ 受電回路
２０３，２０４ コア
２０５，２０６ 支持部材
２０７ 筐体
３００ ＥＬシート
ａ，ｂ 平角線

Claims (4)

1. 受電ユニットを任意の位置で支持するための平行する２本のレールと、その２本のレールに沿って設けられた給電コイルと、その給電コイルに交流電流を出力する給電回路とを有する給電ユニットと、
   組合わせることにより前記２本レールを貫通させるための２つの孔が形成される第１コアおよび第２コアと、その２つの孔に沿って周回する受電コイルと、その受電コイルに誘導される電力を入力する受電回路とを有する受電ユニットとを備え、
   前記第１コアと前記第２コアを前記組合わせるとき前記２本のレールが前記２つの孔を貫通するように挟み込むことによって前記２本のレールが前記受電ユニットを支持するようにしたことを特徴とするレール型非接触電力伝送装置。
2. 請求項１記載のレール型非接触電力伝送装置において、前記レールは前記給電コイルの導線を内部に密閉して電気絶縁性を付与するレールであることを特徴とするレール型非接触電力伝送装置。
3. 請求項１または２記載のレール型非接触電力伝送装置において、前記給電コイルは導線を延長してＵターンさせ戻した１回巻のコイルであることを特徴とするレール型非接触電力伝送装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のレール型非接触電力伝送装置において、前記受電ユニットが前記給電コイルに出力する前記交流電流が所定値となるように制御する制御部を有することを特徴とするレール型非接触電力伝送装置。
   
   

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