JP2005522974A - 電力の誘導伝達のための装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、二次誘導性を有する移動可能なコンシューマーへの電力の誘導伝達のための装置に関する。この二次誘導性は固定された一次誘導性に対して相対的に移動可能である。この二次誘導性には、整流器とスイッチングレギュレータとがその下流に接続され、規定された値の第1の直流を生成する。少なくとも一つの追加的な直流を生成するために、前記スイッチングレギュレータの出力(A,B)が、容量性の電圧分割器(C21,C22)として構成され、この電圧分割器(C21,C22)の全体の電圧は、第1の直流電圧ULである。追加の電圧UL2が容量性の電圧分割器(C21,C22)のタップ点(E)で利用可能である。電圧分割器(C21,C22)のタップ点(E)は、前記二次誘導性(L11,L12)のリークオフ点(C)と連結されている。二次誘導性(L11,L12)はダイオードD2を介して同一の細分比を有する。ダイオードD2のアノードは、リークオフ点(C)に接続されている。この方法で、安定した低い出力電圧が、大きな努力なしに、追加的に利用できる。その低い出力電圧の低い電圧への変換のためには、対応する低い伝達比を有する直流変換器で十分である。

Description

本発明は、電力の誘導伝達のための装置に関するものである。
電力の誘導伝達のための装置は、機械的ないしは電気的に何ら接触することなく、移動可能なコンシューマー(エネルギー消費体)に電気エネルギーを伝達するために機能する。この装置は、一次側と二次側とを備え、それらは変圧器の原理に類似した方法で電磁気的に結合されている。一次側は、給電電子システムと、ある範囲に沿って取り付けられる導電性ループとを備えている。1以上のコンシューマーと、関連するコンシューマーのエレクトロニクスシステムとが二次側のコンシューマー側又はコンシューマーシステムを形成する。一次側と二次側とができるだけ接近して結合した変圧器とは対照的に、ここでは疎結合システムを扱う。このことは相対的に高いkHzの範囲の動作周波数の結果として可能となる。この方法で、数センチメートルまでの大きな空隙でも橋絡することができる。この結果、二次側の動作周波数は、並列振動性回路の共振周波数となるように決められる。この並列振動性回路は、コンシューマー側コイルに並列に接続されたコンデンサにより形成される。
この型のエネルギー供給システムの利点として、磨耗がないこと、維持が不要であること、接触しても安全であること、すぐ使用できることが挙げられる。典型的な用途としては、製造技術における自動材料転送システムと、エレベータや電動バスなどの個人輸送システムがある。
コンシューマー側の基礎的な回路図が国際公開第92/17929号に記載され、図1に簡略化した形で示されている。整流器1がコンシューマー側インダクタンスL1とコンデンサC1との下流に接続されている。コンデンサC1は、コンシューマー側インダクタンスL1に並列に接続され、振動性回路を形成する。公知の型のスイッチングレギュレータが、インダクタンスL2、ダイオードD1、コンデンサC2および電子スイッチSを備え、レギュレータ2と共に、前記整流器1に接続されている。レギュレータ2は、本質的に、基準電圧源と比較器とを備え、この比較器は、コンデンサC2の両端の電圧が第1の所定値を超えたときに制御線3を介して電子スイッチSを閉じる。また、この電圧が、前記第1の電圧よりわずかだけ低い第2の電圧より下がると、前記電子スイッチを閉じる。この結果、コンデンサC2と、端子AおよびBでこのコンデンサC2に並列に接続されている負荷4との両者の両端の電圧ULがほぼ所定の目標電圧をとる。負荷4は、典型的には電気駆動システムである。
多くの用途において、制御電子システムには、電気駆動ユニットの形態の主負荷4と共に、電気が供給されなければならない。そこでは、必要な電圧レベルはかなり異なる。この駆動ユニットへの電気の供給のための電圧の典型的な値は、ほぼ560Vに達するのに対して、制御電子領域の電圧は1桁以上低く、例えば、24Vである。第2の著しく低い出力電圧を供給することのできる方法は、主負荷4に並列に、端子AおよびBにDC/DCコンバータを接続することである。しかし、ここで述べているような、例えば560V
から24Vへの変換比のためのDC/DCコンバータは(製造するのに)高価であり、し
たがってコストが高い。
もう一つの方法は、請求項1の前提部の基礎を形成するドイツ国特許出願公開第100 14 954 A1号に提案されている。第2の著しく低いDC電圧を得るために、第2の二次コイルがコンシューマー側コア上に設けられる。この二次コイルは第2の整流器に接続される。引用した明細書では言及されていないが、電圧を安定させるために、多分、第2のレギュレータが前記第2の整流器の下流に接続されなければならないであろう。その結果、前記コンシューマーエレクトロニクスシステムは、有効に低電圧レベルで再現される。コンシューマー側に第2の二次コイルを適用することの必要性は、また、コンシューマー側の構成の設計の自由度を制限する。
陰極線管の陽極のためにキロボルト範囲の高電圧を生成するための高電圧発生器が米国特許第6,005,435号から既知であり、この文献では、高い先鋭度(flank steepness:フランクステープネス)を有するレギュレータパラメータの形態で出力電圧を細分割するために出力側で必要なRC並列構成部品が、2個の個別のRC並列構成部品の直列接続により形成されている。この結果、より小型の回路アセンブリと共に用いられるコンデンサの絶縁耐力に対する要件がより緩やかとなる。
ドイツ国特許出願公開第38 32 442 A1号が、牽引車を移動させるための電流を供給するための装置を教示している。この牽引車は、ヘビーデューティの牽引からタッピングされて電気的接続ケーブルから取り出され交流電圧を整流し、低電圧変換器(コンバータ)により、600Vの中間回路のDC電圧に変換する。3×380Vの正弦波交流電圧が、2個の全く同一の交流逆整流器およびその下流に接続されたLCフィルタにより、このDC電圧から生成される。この結果として、低電圧変換器は2個の直列接続GTOサイリスタを備えている。このGTOサイリスタは、2個の全く同一のキャパシタンスを介して入力側と出力側とで接続されている。これらのキャパシタンスは、互いに直列に接続され、これらの接続点は、互いに接続されている。この低電圧変換器のための回路構成は、その入力絶縁耐力を二倍にする働きをする。
この従来技術に基づいて進めるとき、本発明のための課題は、二次側のコンシューマーシステムへの極めてわずかな侵襲のみを伴うように、この一般的な型の装置の場合に、少なくとも一つの二次出力電圧を使用可能として、可能な限り単純な構成とすることである。
この課題は、請求項1に示唆される特徴を有する装置により解決される。本発明の更に有利なような展開は従属項中に見出される。
本発明の重要な利点は、追加の出力電圧を得るために、ほんのわずかな追加の構成要素を必要とし、回路の接続形態に大きな変化を何ら必要としない態様に存する。コンシューマーシステム自身への侵襲は、それが二次コイルの一つの取り出し点に制限されているので最小限である。エネルギー伝達の効率も、コンシューマーエレクトロニクスの変更の結果としての何ら著しい損傷を経験しない。本発明を実現するのに必要な、キャパシタンスの直列回路への細分割化は、それぞれ独立のキャパシタンスの両端間における電圧低下がより低く生じるという好ましい方向の副次的効果を有し、それにより、このことが、使用されるコンデンサの絶縁耐力に関するより厳しくない要件を示している。
追加的な特別の利点として、本発明により、制御エレクトロニクスを提供するための300Vより小さい入力電圧を有するDC/DCコンバータを使用することができる。このようなDC/DCコンバータは、主供給電圧電源により駆動される装置の品目において多数用いられ、したがってそれらは安価に入手できる。
特に望ましく、安価でコンパクトな解決法は、駆動ユニットを動かす機能を有する変換器(コンバータ)と一緒に単一の構成要素として本発明に従った装置を実現することであり、そこにおいて、このような組み合わせの概念は、この一般的な型の従来の装置にも適用できる。
本発明の実施の形態が、以下に図面を用いて説明される。図2に示す本発明の実施の形態は、第2の出力電圧UL2を利用できるようにすることを目的とする。第2の出力電圧UL2は、電圧ULのほぼ半分である。電圧ULは、主負荷4にとって必要であり、端子AおよびBの間にまだ変化しない大きさ、約500Vから約600Vの範囲の例えば560Vで提供される。したがって、コンシューマー側インダクタンスL1は、2つの等しい大きさのインダクタンスL11およびL12に細分割される。インダクタンスL11およびL12は互いに直列に接続され、これらの和が図1のインダクタンスL1に対応する。このインダクタンスL1の細分割は、コイルまたはコアにその他の変更を加えることなく、コイルの中央取り出し点Cの手段により実現される。
同じ方法で、図1のコンデンサC1およびC2が、二つの等しい大きさのコンデンサC11およびC12、またはC21およびC22の直列接続に細分割される。ここで、周知のように、部分的キャパシタンスは、それぞれ全体のキャパシタンスの2倍の値を有しなければならない。コンデンサC11およびC12の接続点、すなわち細分割のタップ点D(又はE)は、コンシューマー側コイルの中央取り出し点C、すなわち、インダクタンスL11およびL12の接続点、すなわちこの細分割のタップ点に接続される。すなわち、これらの二つの接続点C,Dは、共同接合部を形成する。この処理は、整流器1に接続されるその外部接続に関してコンシューマー側発振回路の特性に関して何も変化させない。
図2のコンシューマー側振動性回路の下流に接続された4個のダイオードD11ないしD14は、公知の方法で、図1に概略的にのみ示した整流器1を形成する。この回路のこの部分は何の変化も経験していない。すなわち、ダイオードD1、電子スイッチSおよびレギュレータ2は同様な構成で、レギュレータ2は、端子AおよびBの間から負荷4の両端間に掛かる電圧ULを取り出し、制御線3を介したスイッチSの適切な駆動の結果として、この電圧ULを所定の値に一定に保つ。明確化のために、レギュレータ2はもはや図2に描かれていない。
追加要素の形態として、かなり大きなオーム値を有する等しい大抵抗の抵抗器R21およびR22が、各場合の回路中のコンデンサC21およびC22に並列に接続されている。さらに、L11およびL12からなるコンシューマーシステムのインダクタンスの中央取り出し点Cは、ダイオードD2を介してコンデンサC21およびC22ならびに抵抗器R21およびR22の接続点Dに接続されている。ここで、ダイオードD2は、電流がCからD、すなわちコンシューマー側振動性回路から出力側のRC構成部品にだけ流れることができるように、接続されている。
C22とR22とからなる並列回路の両端間の部分電圧UL2は、C21とR21とからなる並列回路の両端間の部分電圧UL1にほぼ等しい。したがって、主負荷4の両端に印加される出力電圧ULの半分の大きさの部分電圧UL2がDC/DCコンバータ5の導入口に供給され、これからUL2の約1/10の大きさの約20Vから約30Vの範囲の出力電圧USが生成される。変圧器5を接続するための追加の出力端子が図2中Eで表される。設計電圧の代表的な値は、UL1=UL2=280VおよびUS=24Vである。
回路の機能のモードは、第1に、元来の出力コンデンサC2を、2個の互いに直列に接続された等しい大きさのコンデンサC21およびC22に細分割した結果として、全体の出力電圧ULを半分にすることから進行する。しかし、ULの他に必要となる低電圧USを生成するために、単にDC/DCコンバータをコンデンサC21またはC22の一方の両端間の適当な低い公称入力電圧に接続することはできない。その理由は、このことの結果として生じる負荷の非対称性により、問題のキャパシタンスの両端間の電圧がブレークダウンする可能性があるからである。
このことを回避するために、本発明は、コンシューマー側インダクタンスL1と、それに並列に接続された同調コンデンサC1とが、部分インダクタンスL11およびL12ならびに部分コンデンサC11およびC12に適宜細分割化され、その結果生成された2個の部分振動性回路が共に接続される接合部Cが2個の出力キャパシタンスの接続接合部Dに接続されるという特徴を提供する。この対策の結果、追加のDC/DCコンバータ5のための部分電圧を取り出すために設けられているコンデンサC22の両端間の電圧のブレークダウンを回避することができる。しかし、部分インダクタンスL12、整流ダイオードD13、インダクタンスL2、およびスイッチSを経由する配線経路上の短絡が、C22の両端間のDC電圧のためにスイッチSを閉じる状態で生じ得る。追加のダイオードD2の仕事は、この短絡経路を介してのコンデンサC22の放電を防止することである。
この回路は、上述した対策により単独ですでに満足に機能する。すなわち、端子AおよびB間に印加される電圧の半分がC22の両端から追加的に取り出すことができ、DC/DCコンバータ5に供給することができる。しかし、何らかの理由で、主負荷4がコンシューマーエレクトロニクスシステムから分離された場合には、電圧UL2の不変性は最早保証されないことがある。というのは、レギュレータ2は、図1では全体電圧UL=UL1+UL2を観察しているのに対して、この場合には、主負荷が切り離されたあとに残されたオーム負荷のみがC22に並列に接続されることがあるからである。
主負荷4の分離の場合にも安定した部分電圧UL2を保証するためには、二つの等しい大きさの抵抗器R21およびR22が、それぞれコンデンサC21およびC22に並列に接続されることで、その結果、端子AおよびBの間のオーム負荷の存在が保証される。この負荷は全般の期間で対称ではなく、非対称の程度は、主として、DC/DCコンバータ5の端子FおよびGで取り出される電力の大きさに依存する。このことは、これらの端子から取り出すことのできる電力が、特に、主負荷4を接続せずにコンシューマーエレクトロニクスシステムを動作させる場合に制限されることを意味する。始めに既述した様に、追加の電圧USは、主負荷4に比べて低い電力の要求のみを有する制御エレクトロニクスシステムを動作させる場合のみに必要である。追加的な抵抗器R21およびR22は相対的に高いオーム値、すなわち、10ないし100kΩのオーダーのオーム値を有することができる。
上記で説明した実施の形態は、コンシューマー側振動性回路と出力側のRC要素との対称的な細分割を提供したが、出力電圧ULの半分よりも大きいかまたは小さい追加電圧を取り出すことができるように、非対称な細分割比を選択することも可能である。
数個の追加電圧が必要な場合には、2以上の電圧への細分割を保証することも基本的に考え得る。このような修正または拡張は、当業者である技術的な熟練者にとっては、上述した例に関する知識を用いて、容易に達成可能である。このような修正または拡張は、本発明の要素の一つである。
図3は、3相コンバータ7により付勢される非同期モータ6の形態の主負荷4を有する上述したコンシューマーエレクトロニクスシステムの相互接続の一つの適切な形態を示す。このコンシューマーエレクトロニクスシステムは図3にブロック8の形態で図示され、それは、図2により明らかにされる回路の全ての構成部品からコンシューマー側インダクタンスL11+L12、DC/DCコンバータ5および主負荷4を除いた構成部品を含む。3相コンバータ7により駆動されるモータ6を有する図3に示す構成は、本発明に従ってコンシューマーエレクトロニクスシステム8の端子AおよびBへの接続をなす主負荷4の典型的な形態である。
これにより生じる問題は、モータ6の発電機動作、例えばブレーキ手順中に、電力が3相コンバータ7を介してコンシューマーエレクトロニクスシステム8の方向に逆流する可能性があることである。従来技術に従ったコンシューマーエレクトロニクスシステムの場合、図1に示すように、このことは出力コンデンサC2の両端間の電圧の増加を生じ、この増加が、コンシューマー側からのこれ以上の出力電圧ULの増加に何らの寄与も生じさせないために、レギュレータ2にスイッチ2を閉じさせる。この電圧増加は、レギュレータ2がそれを処理できる限り破壊的ではない。
しかし、図2に示した本発明に従う回路の場合、モータ6の発電機動作の場合に出力電圧UL=UL1+UL2にこのような増加を生じることは許されない。その理由は、出力電圧の増加は、DC/DCコンバータ5の入力電圧UL2の安定性を損なうからである。出力電圧が著しく増加すると、部分電圧UL2の対応する著しい増加の結果として、DC/DCコンバータ5の導入口を破壊することさえある。
この理由のために、互いに直列な2個のコンデンサC31およびC32からなる追加のキャパシタンスの並列接続に加えて、コンシューマーエレクトロニクスシステム8の出力端子Aと3相コンバータ7との間にダイオードD3が追加される図3の相互接続が、3相コンバータ7の導入口と並列に設けられる。モータ6のブレーキモードでの動作の結果としての3相コンバータ7の導入口での電圧の増加は、この場合、コンデンサC31およびC32の充電を生じる。その理由は、出力側のコンデンサC21およびC22の随伴する充電を伴う、コンシューマーエレクトロニクスシステム8の出口での電圧の増加を生じるこの出口への逆電流がダイオードD3により阻止されるからである。コンデンサC31とC32とは、3相コンバータ7から逆流するエネルギーを受け入れるために必要であり、キャパシタンスの2個の直列接続されたコンデンサへの分割は本質的ではないが、より低い絶縁耐力のコンデンサで本発明を実現するために適切である。
コンシューマーエレクトロニクス8、3相コンバータ7およびこれらの間に接続された要素、すなわち図3の例ではダイオードD3およびコンデンサC31およびC32、が一つの構成ユニット中に組み合わされていれば特に適切である。このことは、これらが少なくとも一つの共有する筐体中に収容されることを意味する。さらに、これらは一つの共有する基板上に配列できれば好都合である。このことの結果として、空間、重量および構成部品が節約され、かくて、コンシューマーエレクトロニクスシステム8と3相コンバータ7とが独立したユニットでそれぞれが自身の筐体を有しケーブルとプラグで互いに接続されなければならない従来例に比べて、よりコンパクトでより安価な解決方法が創出される。
このことは、コンシューマーエレクトロニクスシステム8が第2の出力電圧を取り出せる場合のみならず、図1に示す従来のコンシューマーエレクトロニクスシステムと、駆動ユニット6を動かすために設けられる3相コンバータ7とを組み合わせる場合にも適用できる。一つの共有する構成部品を与える上述したシステムの構成部品の組み合わせは、独立した構成ユニットの形態での実施の形態に関して、常に空間、重量およびコストの節約をもたらす。他の特別な利点として、図3に従い、3相コンバータ7からコンシューマーエレクトロニクスシステム8を切り離すときの電力の逆流の場合に必要な追加の要素D3、C31およびC32を含む、2つの出力電圧を有するコンシューマーエレクトロニクスシステム8を、高価な支出なしで共有される構成ユニット中に統合することができる。
従来例におけるコンシューマーエレクトロニクスシステムの基礎的な回路図である。 本発明に係る実施の形態における、第2の出力電圧を有するコンシューマーエレクトロニクスシステムの回路図である。 本発明に係る実施の形態における、3相コンバータにより動かされる駆動ユニットの形態の負荷を有するコンシューマーエレクトロニクスシステムの接続を示す図である。

Claims (14)

  1. 位置が固定された一次インダクタンスに対して相対的に移動可能な二次インダクタンスを有する移動可能なコンシューマーへの電気エネルギーの誘導伝達のための装置であって、所定の大きさの第1のDC電圧を生成するために整流器とスイッチングレギュレータとが前記二次インダクタンスの下流に接続され、さらに少なくとも一つの追加的なDC電圧を生成するための手段を含み、
    前記スイッチングレギュレータの出口(A,B)側が、追加的なDC電圧UL2を生成するために容量性の電圧細分割器(C21,C22)の形態で構成され、前記出口の全体の電圧が第1のDC電圧ULで、前記追加的なDC電圧UL2が前記電圧細分割器(C21,C22)の電圧細分割のタップ点(E)から利用でき、前記電圧細分割器(C21,C22)の前記タップ点(E)が、前記電圧細分割器(C21,C22)と同一の細分割比で細分割される前記二次インダクタンス(L11,L12)の細分割のタップ点(C)にダイオードD2を介して接続され、前記ダイオードD2のアノードは前記タップ点(C)に接続されることを特徴とする装置。
  2. 請求項1に記載の装置であって、キャパシタンスが前記二次インダクタンス(L12,L22)に並列に接続されており、前記キャパシタンスは2つのコンデンサ(C11,C12)の直列接続により形成され、これらのコンデンサの細分割比は前記二次インダクタンス(L1,L12)の前記タップ点(C)における細分割比と同じで、これらのコンデンサ(C11,C12)の細分割の接続点は前記タップ点(C)に接続されていることを特徴とする装置。
  3. 請求項1または2に記載の装置であって、前記容量性の電圧細分割器は、2個の直列に接続されたコンデンサ(C21,C22)を備え、前記コンデンサ(C21,C22)の接続点が前記タップ点(E)を形成することを特徴とする装置。
  4. 請求項3に記載の装置であって、前記容量性の電圧細分割器は、更に2つの直列に接続された抵抗器(R21,R22)を備え、これらの抵抗器の細分割の比は、前記コンデンサ(C21,C22)の細分割の比と等しく、前記2つのコンデンサ(C21,C22)のタップ点(E)と前記2つの抵抗器(R21,R22)の細分割のタップ点とが互いに接続されていることを特徴とする装置。
  5. 請求項4に記載の装置であって、前記抵抗器(R21,R22)のオーム値が、それらの中で変換される電力が、出口(A,B)で開放することのできる公称電力に比較して無視できる程度に小さくなる大きなオーム値を有することを特徴とする装置。
  6. 請求項1ないし5のいずれか1項に記載の装置であって、前記追加的なDC電圧UL2が前記出口(A,B)での全体の電圧ULの略半分の大きさであることを特徴とする装置。
  7. 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の装置であって、前記出口(A,B)での全体の電圧ULが約500ボルトから約600ボルトの範囲であることを特徴とする装置。
  8. 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の装置であって、DC/DCコンバータ(5)が、前記電圧細分割器(C21,C22)の前記タップ点(E)に接続され、前記DC/DCコンバータ(5)は、前記追加のDC電圧UL2を略1/10に電圧を縮小させることを特徴とする装置。
  9. 請求項8に記載装置であって、前記DC/DCコンバータ5の出力電圧USが20ボルトから30ボルトの範囲であることを特徴とする装置。
  10. 請求項1ないし9のいずれか1項に記載の装置であって、前記二次インダクタンス(L11,L12)に接続されたコンシューマーエレクトロニクスシステム(8)の出口(A,B)に接続された負荷(4)が、電気駆動ユニット(6)に電力を供給するための3相コンバータ(7)を含むことを特徴とする装置。
  11. 請求項10に記載の装置であって、前記3相コンバータ(7)がダイオード(D3)を介して前記コンシューマーエレクトロニクスシステム(8)の出口(A,B)に接続され、前記ダイオード(D3)のアノードが前記コンシューマーエレクトロニクスシステム(8)の出力端子(A)に接続されていることを特徴とする装置。
  12. 請求項11に記載の装置であって、前記3相コンバータ(7)の入り口に並列にコンデンサ(C31,C32)が接続されていることを特徴とする装置。
  13. 請求項10ないし12のいずれか1項に記載の装置であって、前記3相コンバータ(7)は、前記コンシューマーエレクトロニクスシステムと一つの構成ユニットを形成するように組み合わされていることを特徴とする装置。
  14. 請求項13に記載の装置であって、前記3相コンバータ(7)および前記コンシューマーエレクトロニクスシステム(8)が、共有する回路基板上に共に配列されていることを特徴とする装置。

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