JP2007089279A - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷変動に対する電圧補償をすると共に、給電線ロスによる消費電力が少なくでき、受電ユニットが小型化できる非接触給電装置を提供する。
【解決手段】 一次電源１からの交流電流Ｉ１は給電線２を通り、非接触給電トランス３の一次側コイル３ａに流れ、一次側コイル３ａ近傍に磁界を発生させる。その磁界は非接触給電トランス３の二次側コイル３ｂに伝わり、二次側コイル３ｂには電流Ｉ２が流れる。電流Ｉ２は受電ユニット４に流れ、受電ユニット４の出力端に一定直流電圧出力Ｖを出力させる。一定直流電圧出力Ｖは負荷６にかかると共に、大容量コンデンサ５にもかかり、大容量コンデンサ５に充電を行う。最大負荷で動作する時は、大容量コンデンサ５に充電された電荷が負荷６に流れる。
【選択図】図１

Description

本発明は主に製造工場において使用される搬送装置の移動体を給電する非接触給電装置に関する。

製造工場などで使用される搬送装置の移動体は、非接触給電方式を用いて給電し、動力を得て自走する。非接触給電方式とは、給電回路と給電される移動体側の負荷の間に非接触給電トランスを設けて、一次側コイルに交流電流を流すことで発生する磁界により移動体に給電する方式である。この場合、移動体に設けられた二次側コイルと移動体側の負荷との間に受電ユニットを設け、二次側コイルから伝送された電力を、直流一定電圧になるように制御して出力する。

移動体の負荷変動が大きい場合（例えば待機時５００Ｗ、加速時２０ｋＷ）、いつ移動体が最大負荷となるか分からないため、非接触給電の一次側電源から給電線に供給する電流は、常に最大負荷に対応できるだけの電流が流れている。

一方、従来の負荷変動に対し電圧を補償する技術として、大容量コンデンサである電気二重層コンデンサで起動時の過渡的電流を補償する技術（例えば特許文献１参照）や、起動電流を電気二重層コンデンサで供給する技術（例えば特許文献２参照）や、モータ制動時の電力回生を電気二重層コンデンサで行う技術（例えば特許文献３参照）が開示されている。しかし、これらにはいずれも非接触給電方式に関する技術は含まれていない。
特開平９―２３３６９６号公報 特開２００２−３１７９９２号公報 特開２００２−３６９４０４号公報

非接触給電の一次側電源からは、常に最大負荷に対応できるだけの電流が流れているため待機時には余分な電流を供給することになり、給電線ロスが大きくなると共に、移動体に設置された受電ユニットも最大負荷への電流供給に耐えることができる大型なものが必要になるという問題があった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、移動体に設置された受電ユニットの直流出力端子に負荷変動補償のための大容量コンデンサを用いて、負荷変動に対する電圧の補償をすることで、給電線ロスを少なくでき、また受電ユニットを小型化できる非接触給電装置を提供する事を目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、軌道を有する少なくとも１つ以上の移動体を駆動するための交流電力を供給する電力供給手段と、前記電力供給手段から出力された交流電圧を前記移動体側と給電側とが非接触の状態のまま電力伝送する電力伝送手段と、前記電力伝送手段で電力伝送された前記交流電圧を直流一定電圧に変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段の出力端に接続された負荷とから構成される非接触給電装置において、前記電圧変換手段の出力端の端子間に接続されたコンデンサを具備する事を特徴とする非接触給電装置である。

また請求項２に記載の発明は、前記負荷がモータであり、移動体が減速するときに発生する余剰電力を前記大容量コンデンサに回生させる電力回生手段を具備することを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置である。

また請求項３に記載の発明は、前記電力伝送手段は、前記電力供給手段に接続された一次側コイルと、前記一次側コイルからの磁界を通じて電力を受け取り、変圧後に前記電圧変換手段に出力する二次側コイルとを具備し、前記二次側コイルに直列又は並列に各々接続され、該二次側コイルと共振条件を満たす共振コンデンサを具備する事を特徴とする請求項１又は２記載の非接触給電装置である。

また請求項４に記載の発明は、軌道を有する少なくとも１つ以上の移動体を駆動するための交流電力を供給する電力供給手段と、前記電力供給手段に接続された複数の電力伝送トランスと、前記複数の電力伝送トランスの二次側コイルに直列又は並列に各々接続され、該二次側コイルと共振条件を満たす共振コンデンサと、前記複数の電力伝送トランスの前記二次側コイルと前記共振コンデンサとの接続点に各々接続され、共振された前記交流電圧を整流する複数の整流手段と、前記複数の整流手段の合成出力を定電圧制御する定電圧制御手段とから構成され、前記定電圧制御手段の出力端に接続された負荷へ電力を供給する非接触給電装置において、前記定電圧制御手段の出力端に接続された大容量コンデンサを具備する事を特徴とする非接触給電装置である。

請求項１の発明によれば、電圧変換手段の出力端の端子間に接続された大容量コンデンサを設けているので、通常動作時に最大負荷に対応できるだけの電流を流す必要が無くなり、給電線ロスを少なくでき、電圧変換手段を小型化できる効果がある。また、請求項２の発明によれば、移動体が減速するときに発生する余剰電力を前記コンデンサに回生させる電力回生手段を設けているので、電力回生が行う事ができ、省エネ効果がある。

また、請求項３の発明によれば、二次側コイルと共振条件を満たす共振コンデンサを設けているので、電源投入時の突入電流を抑えることができる効果がある。また、請求項４の発明によれば、複数の電力伝送手段の出力端に各々複数の整流手段を具備し、複数の整流手段で整流された合成出力を定電圧制御手段に入力するので、交流電力の周波数や、交流電流の電流値が異なる複数の電力供給手段を組み合わせて使用する事ができる。

以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態の全体構成を示す回路図である。本実施形態の非接触給電装置は、電力供給のための一次電源１と、一次電源１と接続された給電線２と、一次電源１と給電線２を介し接続された非接触給電トランス３と、非接触給電トランス３からの電力を一定電圧に変換する受電ユニット４と、受電ユニット４の出力端の端子間に接続された大容量コンデンサ（電気二重層コンデンサ、高誘電体を用いたコンデンサなど）５と、受電ユニット４の出力端に接続された負荷６とから構成されている。非接触給電トランス３は一次電源１に給電線２を介し接続された一次側コイル３ａと、受電ユニット４の入力端と接続された二次側コイル３ｂとから構成されている。非接触給電トランス３の巻き数比は、一次巻数ｎ１：二次巻数ｎ２とする。

次に、上述した第１の実施形態の動作を説明する。待機時等の負荷の低い状態の時、一次電源１からの交流電流Ｉ１は給電線２を通り、非接触給電トランス３の一次側コイル３ａに流れ、一次側コイル３ａ近傍に磁界を発生させる。磁界は非接触給電トランス３の二次側コイル３ｂに伝わり、二次側コイル３ｂに誘導電圧が発生し、電流Ｉ２が流れる。電流Ｉ２は受電ユニット４に流れ、受電ユニット４の出力端に一定直流電圧出力Ｖを出力させる。一定直流電圧出力Ｖは負荷６にかかると共に、大容量コンデンサ５に充電をする。最大負荷で動作する時には、大容量コンデンサ５に充電された電荷が負荷６に流れ、負荷変動による不足電力分をまかなう。

この第１の実施形態で、受電ユニット４の出力端に最大負荷時の電流を補償出来るだけの大容量のコンデンサを接続することで、従来の非接触給電装置に比べて給電線電流を抑えることができる。給電線ロスは給電線の抵抗と給電線電流の二乗の積であるので、給電線電流を抑えることで、給電線ロスを大幅に減らすことができる。また、移動体に搭載された受電ユニットの大きさが小さくなり、または受電ユニットの個数を減らすことができるので、コスト、移動体サイズの低減が可能である。かつ、受電ユニット内のスイッチングロス等の電力損失も低減できるため、省エネ効果も有する。

次に、図面を参照して第２の実施形態について説明する。図２は第２の実施形態の全体構成を示す回路図である。第２の実施形態の回路は、第１の実施形態の回路に加えて、該回路の負荷６の両端に入力端が接続されたモータ駆動ドライバ７と、モータ駆動ドライバ７の出力に接続されたモータ負荷８と、モータ負荷８に入力端を接続され、出力端が大容量コンデンサ５の両端に接続された回生制御回路９とから構成されている。

次に、上述した第２の実施形態の動作を説明する。第１の実施形態と同様に負荷６に一定直流電圧出力Ｖがかかり、同時にモータ駆動ドライバ７の入力端にも一定直流電圧出力Ｖがかかる。モータ駆動ドライバ７の出力から出た電流はモータ負荷８に流れ、モータが回転する。モータ減速時、回生制御回路９がモータの減速による発電電力をモータ負荷８から回生し、回生した電力を大容量コンデンサ５に充電する。よって、大容量コンデンサ５を使用することにより、モータ減速時や、昇降機構を備えた装置においての降下時の発電エネルギーを有効に利用できる省エネ効果がある。

次に、図面を参照して第３の実施形態について説明する。図３は第３の実施形態の全体構成を示す回路図である。第３の実施形態の回路は、第１の実施形態の回路の二次側コイル３ｂの一端と受電ユニット４の入力端の一端との間に共振コンデンサＣが接続された回路である。ここで、二次側コイル３ｂの自己インダクタンスＬと、共振コンデンサＣの静電容量値Ｃｓと、給電線電流の周波数ｆとの関係が次の（１）式で表されるように、共振コンデンサＣの静電容量値Ｃｓを選ぶ。

ｆ ＝ （１／２π）・（Ｌ×Ｃｓ）^{―（１／２）} … （１）

上記の構成によれば、受電ユニット４に入力される電圧値は、負荷によらずほぼ一定値を示す。この電圧値が所望の値でなければ、昇圧チョッパ、または降圧チョッパを設け、出力電圧が所望の値になるように制御する。

次に、図面を参照して第４の実施形態について説明する。図４は第４の実施形態の全体構成を示す回路図である。第４の実施形態の回路は、第１の実施形態の回路の二次側コイル３ｂに並列に共振コンデンサＣが接続された回路である。ここで、二次側コイル３ｂの自己インダクタンスＬと、共振コンデンサＣの静電容量値Ｃｐと、給電線電流の周波数ｆとの関係が次の（２）式で表されるように、共振コンデンサＣの静電容量値Ｃｐを選ぶ。

ｆ ＝ （１／２π）・（Ｌ×Ｃｐ）^{―（１／２）} … （２）

上記の構成によれば、受電ユニット４に入力される電流値は負荷によらず、ほぼ一定値を示す。

次に、電源投入時に大容量コンデンサ５が３００Ｖまで充電される時について述べる。一次電源１から投入された交流電流Ｉ１は給電線２を通り、非接触給電トランス３の一次側コイル３ａに流れ、一次側コイル３ａ近傍に磁界を発生させる。磁界は非接触給電トランス３の二次側コイル３ｂに伝わり、二次側コイル３ｂには電流Ｉ２が流れる。ここで、二次側コイル３ｂと共振コンデンサＣが並列共振しているので、受電ユニット４に入力する電流Ｉ２´は一定値になる。一定値の電流Ｉ２´は受電ユニット４に入力され、受電ユニット４の出力端に一定直流電圧出力Ｖを出力させる。

一定直流電圧出力Ｖは負荷６にかかると共に、大容量コンデンサ５にもかかり、大容量コンデンサ５を充電する。通常は大容量コンデンサ５を充電する際に過大な電流が流れるが、受電ユニット４に入力される電流が一定電流であることから、大容量コンデンサへの過大な突入電流は流れない。よって、突入電流抑制回路を不要にする効果がある。なお、そのときの電流Ｉ２´は交流電流Ｉ１と、非接触給電トランス３の相互インダクタンスＭと、二次側コイル３ｂの自己インダクタンスＬと、非接触給電トランス３の一次巻数ｎ１と二次巻数ｎ２とから（３）式のように表される。

Ｉ２´ ＝ （Ｍ／Ｌ）・（ｎ１／ｎ２）・Ｉ１ … （３）

次に、図面を参照して第５の実施形態について説明する。図５は第５の実施形態の全体構成を示す回路図である。第５の実施形態の回路は、一次電源１が給電線２を介し、直列接続された２つの非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の一次側コイルに接続されており、２つの非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の直列接続された二次側コイルＴ１ｂ、Ｔ２ｂの出力端が受電ユニット４の入力端に接続されている。また、２つの二次側コイルＴ１ｂ、Ｔ２ｂに並列に共振コンデンサＣ１、Ｃ２が接続されている。

非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の巻き数比は、両方とも一次巻数ｎ１：二次巻数ｎ２である。非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の二次側コイルＴ１ｂ、Ｔ２ｂの自己インダクタンスは両方ともＬとし、非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の相互インダクタンスを両方ともＭとする。受電ユニット４の出力端以降の回路は第１の実施形態の回路と同様である。

この時、一次電源１からの交流電流Ｉ１ａが給電線２を通り、非接触給電トランスＴ１の一次側コイルＴ１ａと、非接触給電トランスＴ２の一次側コイルＴ２ａとに同位相で流れると、非接触給電トランスＴ１の二次側コイルＴ１ｂと、非接触給電トランスＴ２の二次側コイルＴ２ｂとに交流電流が同位相で流れ、受電ユニット４への入力電圧Ｖ２ａは、二次側コイルＴ１ｂ、Ｔ２ｂの線間電圧を足し合わせたものとなる。また入力電流Ｉ２ａは受電ユニット４に流れ、受電ユニット４の出力端に一定直流電圧出力Ｖｃを出力させる。一定直流電圧出力Ｖｃは負荷６にかかると共に、大容量コンデンサ５にもかかり、大容量コンデンサ５に充電を行う。

次に、図面を参照して第６の実施形態について説明する。図６は第６の実施形態の全体構成を示す回路図である。第６の実施形態の回路は、一次電源１の一端が給電線２を介し非接触給電トランスＴ１の入力端の一端に接続されている。非接触給電トランスＴ１の入力端の他端は非接触給電トランスＴ２の入力端の一端に接続され、非接触給電トランスＴ２の入力端の他端は一次電源１の他端と接続されている。非接触給電トランスＴ１の二次側コイルＴ１ｂには共振コンデンサＣ１が並列に接続されると共に、ブリッジ型全波整流回路ＤＢ１の入力端に接続されている。また、非接触給電トランスＴ２の二次側コイルＴ２ｂには共振コンデンサＣ２が並列に接続されると共に、ブリッジ型全波整流回路ＤＢ２の入力端に接続されている。ブリッジ型全波整流回路ＤＢ１、ＤＢ２の各出力端は共通に接続され、該共通接続部が受電ユニット４ａの入力端に接続されている。受電ユニット４ａの出力端以降の回路は第１の実施形態の回路と同様である。

非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の巻き数比は、両方とも一次巻数ｎ１：二次巻数ｎ２である。非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の二次側コイルＴ１ｂ、Ｔ２ｂの自己インダクタンスは両方ともＬとし、非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の相互インダクタンスを両方ともＭとする。

一次電源１からの交流電流Ｉ１は非接触給電トランスＴ１の一次側コイルＴ１ａと、非接触給電トランスＴ２の一次側コイルＴ２ａとに流れ、各々のコイル近傍に磁界を発生させる。非接触給電トランスＴ１の一次側コイルＴ１ａ近傍の磁界により、二次側コイルＴ１ｂに電流Ｉ２ａが流れる。ここで電流Ｉ２ａは、非接触給電トランスＴ１の二次側コイルＴ１ｂと共振コンデンサＣ１とで共振された後に、ブリッジ型全波整流回路ＤＢ１で整流される。非接触給電トランスＴ２の一次側コイルＴ２ａ近傍の磁界により、二次側コイルＴ２ｂに電流Ｉ２ｂが流れる。電流Ｉ２ｂは、非接触給電トランスＴ２の二次側コイルＴ２ｂと共振コンデンサＣ２とで共振された後に、ブリッジ型全波整流回路ＤＢ２で整流される。整流された電流Ｉ２ａ、Ｉ２ｂは足し合わされ、足し合わされた電流Ｉ２ｔは式（４）で表され、受電ユニット４ａに入力端に流れる。電流Ｉ２ｔは受電ユニット４ａに流れ、受電ユニット４ａの出力端に一定直流電圧出力Ｖｃを出力させる。一定直流電圧出力Ｖｃは負荷６にかかると共に、大容量コンデンサ５にもかかり、大容量コンデンサ５に充電を行う。

Ｉ２ｔ ＝ ２・（Ｍ／Ｌ）・（ｎ１／ｎ２）・Ｉ１ａ … （４）

次に、図面を参照して第７の実施形態について説明する。図７は第７の実施形態の全体構成を示す回路図である。第７の実施形態の回路は、一次電源１ａの出力端が給電線を介し非接触給電トランスＴ１の入力端に接続されている。非接触給電トランスＴ１の二次側コイルＴ１ｂには共振コンデンサＣ１が接続されると共に、ブリッジ型全波整流回路ＤＢ１の入力端に接続されている。一次電源１ｂの出力端は給電線を介し非接触給電トランスＴ２の入力端に接続されている。非接触給電トランスＴ２の二次側コイルＴ２ｂは共振コンデンサＣ２が接続されると共に、ブリッジ型全波整流回路ＤＢ２の入力端に接続されている。ブリッジ型全波整流回路ＤＢ１、ＤＢ２の各出力端は共通に接続され、該共通接続部が受電ユニット４ａの入力端に接続されている。受電ユニット４ａの出力端以降の回路は第１の実施形態の回路と同様である。ここでは、一次電源１ａ、１ｂは各々周波数ｆａ、ｆｂ（≠ｆａ）の交流電源で、各々交流電流Ｉ１１、Ｉ１２（≠Ｉ１１）を出力するものとして説明する。

非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の巻き数比は、両方とも一次巻数ｎ１：二次巻数ｎ２である。非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の二次側コイルＴ１ｂ、Ｔ２ｂの自己インダクタンスは両方ともＬとし、非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の相互インダクタンスを両方ともＭとする。

一次電源１ａからの交流電流Ｉ１１は非接触給電トランスＴ１の一次側コイルＴ１ａに流れ、コイル近傍に磁界を発生させる。非接触給電トランスＴ１の一次側コイルＴ１ａ近傍の磁界により、二次側コイルＴ１ｂに電流Ｉ２１が流れる。ここで電流Ｉ２１は、非接触給電トランスＴ１の二次側コイルＴ１ｂと共振コンデンサＣ１とで共振され、ブリッジ型全波整流回路ＤＢ１で整流される。一次電源１ｂからの交流電流Ｉ１２は非接触給電トランスＴ２の一次側コイルＴ２ａに流れ、コイル近傍に磁界を発生させる。非接触給電トランスＴ２の一次側コイルＴ２ａ近傍の磁界により、二次側コイルＴ２ｂに電流Ｉ２２が流れる。電流Ｉ２２は、非接触給電トランスＴ２の二次側コイルＴ２ｂと共振コンデンサＣ２とで共振され、ブリッジ型全波整流回路ＤＢ２で整流される。整流された電流Ｉ２１、Ｉ２２は足し合わされ、足し合わされた電流Ｉ２ｔは受電ユニット４ａに入力端に流れる。電流Ｉ２ｔは受電ユニット４ａに流れ、受電ユニット４ａの出力端に一定直流電圧出力Ｖｃを出力させる。一定直流電圧出力Ｖｃは負荷６にかかると共に、大容量コンデンサ５にもかかり、大容量コンデンサ５に充電を行う。

上述した第６および第７の実施形態の回路のように複数の非接触給電トランスＴ１、Ｔ２の各出力端の端子間に各々共振コンデンサＣ１、Ｃ２を接続させ、該各出力端にブリッジ型全波整流回路ＤＢ１、ＤＢ２を各々接続させる回路構成にすることで、非接触給電トランスＴ１の二次側コイルＴ１ｂと共振コンデンサＣ１との間で共振条件が満たすと共に、非接触給電トランスＴ２の二次側コイルＴ２ｂと共振コンデンサＣ２との間で共振条件を満たしていれば、複数の一次電源を接続する時も、さらに給電線にかかる電流値が非接触給電トランス毎に異なっている時も、また一次電源の周波数がそれぞれ異なっている時も、全波整流後の電流を足し合わせた電流を受電ユニット４ａに入力させる事ができ、またこの時の電流も負荷によらず、ほぼ一定にできる効果がある。

本発明は、主に製造工場において使用される搬送装置の移動体を給電する非接触給電装置に用いて好適である。

本発明の第１の実施形態にかかる非接触給電装置の全体構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態にかかる非接触給電装置の全体構成を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態にかかる非接触給電装置の全体構成を示す回路図である。 本発明の第４の実施形態にかかる非接触給電装置の全体構成を示す回路図である。 本発明の第５の実施形態にかかる非接触給電装置の全体構成を示す回路図である。 本発明の第６の実施形態にかかる非接触給電装置の全体構成を示す回路図である。 本発明の第７の実施形態にかかる非接触給電装置の全体構成を示す回路図である。

符号の説明

１ … 一次電源
２ … 給電線
３ … 非接触給電トランス
４ … 受電ユニット
５ … 大容量コンデンサ
６ … 負荷

Claims (4)

1. 軌道を有する少なくとも１つ以上の移動体を駆動するための交流電力を供給する電力供給手段と、前記電力供給手段から出力された交流電圧を前記移動体側と給電側とが非接触の状態のまま電力伝送する電力伝送手段と、前記電力伝送手段で電力伝送された前記交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換手段とから構成され、前記電圧変換手段の出力端に接続された負荷へ電力を供給する非接触給電装置において、
   前記電圧変換手段の出力端に接続された大容量コンデンサを具備する事を特徴とする非接触給電装置。
2. 前記負荷がモータであり、移動体が減速するときに発生する余剰電力を前記大容量コンデンサに回生させる電力回生手段を具備することを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置。
3. 前記電力伝送手段は、
   前記電力供給手段に接続された一次側コイルと、
   前記一次側コイルからの磁界を通じて電力を受け取り、変圧後に前記電圧変換手段に出力する二次側コイルとを具備し、
   前記二次側コイルに直列又は並列に各々接続され、該二次側コイルと共振条件を満たす共振コンデンサを具備する事を特徴とする請求項１又は２記載の非接触給電装置。
4. 軌道を有する少なくとも１つ以上の移動体を駆動するための交流電力を供給する電力供給手段と、前記電力供給手段に接続された複数の電力伝送トランスと、前記複数の電力伝送トランスの二次側コイルに直列又は並列に各々接続され、該二次側コイルと共振条件を満たす共振コンデンサと、前記複数の電力伝送トランスの前記二次側コイルと前記共振コンデンサとの接続点に各々接続され、共振された前記交流電圧を整流する複数の整流手段と、前記複数の整流手段の合成出力を定電圧制御する定電圧制御手段とから構成され、前記定電圧制御手段の出力端に接続された負荷へ電力を供給する非接触給電装置において、
   前記定電圧制御手段の出力端に接続された大容量コンデンサを具備する事を特徴とする非接触給電装置。

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