JP2007149946A - 可飽和リアクトル及び該可飽和リアクトルを用いた非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可飽和リアクトルの温度上昇を効率的に抑制することにより、負荷に供給する電圧を許容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を提供すること。
【解決手段】地上設備から電力を受電する受電回路にピーク電圧抑制回路を並列に接続するとともに、ピーク電圧抑制回路に、閉磁回路をもつ磁性体コア９と、磁性体コア９の外周に配設された折曲部１１ａを有する複数の放熱板１１と、放熱板１１の折曲部１１ａと磁性体コア９とを巻回した巻き線１０とを有する可飽和リアクトル４を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、可飽和リアクトル及び該可飽和リアクトルを用いた非接触給電装置に関し、特に、可飽和リアクトルによってピーク電圧を抑制し、負荷に供給する電圧を負荷が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可飽和リアクトル及び該可飽和リアクトルを用いた非接触給電装置に関するものである。

非接触給電装置は、例えば、搬送装置で使用されている。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。
このような非接触給電装置においては、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２００〜４００ｍＴ）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。その結果、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あり、一般にフェライト材料の場合、負の温度係数をもち、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、低温で許容上限電圧以下に設定した場合、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。

通常、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、周囲温度変化や自己発熱等により大幅な温度変化が生じないよう、冷却用ファンを設けて可飽和リアクトルの温度上昇を抑制させている。
しかしながら、空気中の塵等が付着して吸気孔が目詰まりすると可飽和リアクトルの冷却不足が生じたり、冷却用ファンの故障時に可飽和リアクトルが冷却されない等の問題があった。
日本ＡＭＥ学会誌Ｖｏｌ．８ Ｎｏ．１可飽和リアクトルによる共振回路負荷端子電圧変動の抑制

本発明は、上記従来の非接触給電装置が有する問題点に鑑み、コアの温度上昇を効率的に抑制することにより、負荷に供給する電圧を許容上限以下の電圧で安定して給電できるようにした可飽和リアクトル及び該可飽和リアクトルを用いた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、本発明の可飽和リアクトルは、閉磁回路をもつ磁性体コアと、磁性体コアの外周に配設された複数の放熱板と、該放熱板に近接して磁性体コアを巻回した巻線とを有することを特徴とする。

この場合、コアの外周にアルミニウム製又は絶縁体製の取付座を設け、該取付座に放射状に放熱板を装着し、取付座とコアを巻線により一体に巻回することができる。

一方、本発明の非接触給電装置は、地上設備から搬送車等の移動体に電磁誘導により非接触で電力を供給する非接触給電装置において、地上設備から電力を受電する受電回路にピーク電圧抑制回路を並列に接続するとともに、該ピーク電圧抑制回路に、閉磁回路をもつ磁性体コアと、磁性体コアの外周に配設された複数の放熱板と、該放熱板に近接して磁性体コアを巻回した巻線とを有する可飽和リアクトルを設けたこと特徴とする。

この場合、放熱板をコ字状、Ｕ字状又は管状等の折曲部を有する形状に形成するとともに、該放熱板の折曲部と磁性体コアとを巻線にて巻回することができる。

また、放熱板を磁性体コアに接着することができる。

また、放熱板を冷却する冷却ファンを設けることができる。

また、放熱板に磁性体コアが嵌合する切欠部を形成し、該放熱板を巻線の間に挿入して磁性体コアに外嵌することができる。

また、コアの外周にアルミニウム製又は絶縁体製の取付座を設け、該取付座に放射状に放熱板を装着し、取付座とコアを巻線により一体に巻回することができる。

本発明の可飽和リアクトル及び非接触給電装置によれば、閉磁回路をもつ磁性体コアと、磁性体コアの外周に配設された複数の放熱板と、該放熱板に近接して磁性体コアを巻回した巻線とを有することから、電可飽和リアクトルの自己発熱を放熱板にて放熱し、冷却ファンがなくても可飽和リアクトルの温度上昇を抑制することができ、これにより、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するとともに、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安定かつ効率的な非接触給電を行うことができる。
また、冷却ファンなしでも温度変化による出力電圧変動を許容値以内に抑えられることから、塵挨の集積や飛散を嫌うクリーンルームのみならず、塵挨で吸気孔の目詰まりを起こしやすい一般の工場や倉庫など、また、メンテナンスの困難な天井裏のような場所や２４時間運転で止めることができない用途に使用し、安定して運転することができる。

この場合、コアの外周にアルミニウム製又は絶縁体製の取付座を設け、該取付座に放射状に放熱板を装着し、取付座とコアを巻線により一体に巻回することにより、磁性体コアの外周に放射状の放熱板を容易かつ安定的に取り付けることができる。

また、放熱板をコ字状、Ｕ字状又は管状等の折曲部を有する形状に形成するとともに、該放熱板の折曲部と磁性体コアとを巻線にて巻回することにより、磁性体コアの外周に放射状の放熱板を容易かつ安定的に取り付けることができる。

また、放熱板を磁性体コアに接着することにより、放熱板を接着剤や接着テープ等にて仮固定した後、巻線を巻いて本固定し、放熱板施工の作業性を向上させることができる。

また、可飽和リアクトルを密閉した筐体に収納し、該筐体内に放熱板を冷却する冷却ファンを設けることにより、全閉内扇構造とすることで熱移送が効果的に行われ、目詰まりもなく局部的な温度上昇も防止できる。

また、放熱板に磁性体コアが嵌合する切欠部を形成し、該放熱板を巻線の間に挿入して磁性体コアに外嵌することにより、磁性体コアに巻線を巻いた後でも放熱板の取付が可能であり、これにより、現在稼動中の非接触給電装置に使用している可飽和リアクトルの改造を行う際に、巻線の巻き直しを行うことなく放熱板を取り付けることができる。

以下、本発明の可飽和リアクトル及び該可飽和リアクトルを用いた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２に、本発明の非接触給電装置の一実施例を示す。
この非接触給電装置は、地上設備から搬送車等の移動体に電磁誘導により非接触で電力を供給するもので、地上設備から電力を受電する受電回路にピーク電圧抑制回路を並列に接続するとともに、該ピーク電圧抑制回路に、閉磁回路をもつ磁性体コア９と、磁性体コア９の外周に配設された折曲部１１ａを有する複数の放熱板１１と、該放熱板１１の折曲部１１ａと磁性体コア９とを巻回した巻線１０とを有する可飽和リアクトル４を設けている。

図１において、１は給電線、２は受電コイルであり、受電コイル２は平行に敷設した給電線１を跨ぐように設置されている。
給電線１は、高周波電源装置（図示省略）に接続されており、この高周波電源装置から１０ｋＨｚ程度の高周波電流が供給されている。
また、共振回路を形成する共振コンデンサ３と受電コイル２とにより受電回路を形成し、受電回路と並列に可飽和リアクトル４からなるピーク電圧抑制回路を接続する。
そして、この受電回路の出力に整流素子５を接続し、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、インダクタンス６及び平滑コンデンサ７にて負荷８への電圧を平滑化する電圧平滑化回路が設けられている。

図７は、可飽和リアクトルの磁性体温度と飽和磁束密度特性との関係を一例として示すグラフであり、温度上昇に伴い飽和磁束密度が低下している。

図８は、従来使用されている可飽和リアクトルを示し、磁気閉回路をもつ磁性体コア９を巻線１０で巻いているため、表面積が少なく自己発熱による温度上昇が大きい。

ところで、放熱板１１は対流熱伝達において、単位時間に固体表面を通して伝わる熱量は、表面積Ａ及び放熱板と流体間の温度差に比例する。
（ニュートンの冷却の法則）
Ｑ＝ｈＡ（θｓ−θｆ）
θｓ：放熱板の温度（固体の温度）
θｆ：空気の温度（流体の温度）
ｈ：熱伝達率［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］
Ｑ：熱量［Ｗ］
この式から明らかなように、ｈ、θｓ−θｆが一定であれば放熱板の表面積Ａが大きいほど放熱量Ｑが増加する。

図２に、本発明の可飽和リアクトルの第１実施例を示す。
この可飽和リアクトル４は、磁気閉回路をもつ磁性体コア９の外周にコ字状の放熱板１１を複数個配置し、放熱板１１の折曲部１１ａと磁性体コア９とを巻線１０にて巻き、放熱効果を増大させている。
ここで、可飽和リアクトル４の自己発熱原因は、鉄損（磁性体コアのヒステリシス損と渦電流損の総和）と銅損（巻線の抵抗によって失われる損失）によるもので、鉄損が発生する磁性体コア９と、銅損が発生する巻線１０にて自己発熱が発生する。
この磁性体コア９及び巻線１０にて発生した自己発熱を効率よく放熱するために、磁性体コア９及び巻線１０に放熱板１１を密着させ、放熱板１１による表面積増大効果にて放熱を促進させることにより、磁性体コア９及び巻線１０の温度上昇を抑制する。
通常、可飽和リアクトル４の温度上昇による電圧変動は、負荷供給電圧の許容電圧変動以下となるように、可飽和リアクトル４の温度上昇を抑制する。
例えば、磁性体コア９がフェライトで負荷供給電圧変動が１０％程度の場合、常温に対し３０〜４０℃程度の温度上昇に抑制する。温度抑制効果は、表面積増大効果による影響が大きく、放熱板サイズによる影響が大きい。フェライトコアの容積が３８ｃｍ^３、放熱板１１の表面積５５０ｃｍ^２の可飽和リアクトル４で測定したところ、常温に対し２０〜３０℃程度の温度上昇に抑制され、本発明の可飽和リアクトル４が実用的な大きさで実現可能であることがわかった。

図２（ｂ）〜（ｅ）は、図２（ａ）に示す可飽和リアクトル４で使用する放熱板の一例であり、図２（ｂ）に示す放熱板１１は、磁性体コア９との接触面積が多く、主として磁性体コア９の放熱に寄与する構造であり、開放構造として放熱板１１で発生する渦電流損の低減効果により自己発熱を抑制することができる。
図２（ｃ）に示す放熱板１１は、磁性体コア９との接触面積が多く、主として磁性体コア９の放熱に寄与する構造であり、開放構造として放熱板１１で発生する渦電流損の低減効果により自己発熱を抑制することができる。
図２（ｄ）に示す放熱板１１は、巻線１０との接触面積が多く、主として巻線１０の放熱に寄与する構造であり、閉構造とすることで外部からの力による放熱板１１の変形を防ぐことができる。
図２（ｅ）に示す放熱板１１は、磁性体コア９との接触面積が多く、主として磁性体コア９の放熱に寄与する構造であり、閉構造とすることで外部からの力による放熱板１１の変形を防ぐことができる。
これらの放熱板１１は、可飽和リアクトル４の使用環境に応じて使い分けを行う。

図３に、本発明の可飽和リアクトルの第２実施例を示す。
この可飽和リアクトル４は、平板状の放熱板１１に磁性体コア９が嵌合する切欠部１１ｂを形成し、該放熱板１１を巻線１０の間に挿入して磁性体コア９に切欠部１１ｂを外嵌している。同様に、複数の放熱板１１を磁性体コア９の外周に放射状に配設し固定する。
これにより、磁性体コア９に巻線１０を巻いた後でも放熱板１１の取付が可能であり、現在稼動中の非接触給電装置に使用している可飽和リアクトル４の改造を行う際に、巻線１０の巻き直しを行うことなく放熱板１１を取り付けることができる。

図４に、本発明の可飽和リアクトルの第３実施例を示す。
この可飽和リアクトル４は、コア９の外周にアルミニウム製又は絶縁体製の取付座１２を設け、該取付座１２に放射状に放熱板１１を装着し、取付座１２とコア９を巻線１０により一体に巻回している。
なお、取付座１２をアルミニウム製とする場合、図４（ｄ）に示すように、円筒状の取付座１２に軸方向のスリット状の切欠部１２ｃを形成することにより、渦電流による発熱を減少させることができる。

具体的には、コア９の外周に筒状の放熱板取付座１２を嵌め込み、次に、取付座１２の溝１２ａにコ字状溝型の放熱板１１を嵌め込む。次に、巻線１０により、コア９と放熱板取付座１２と放熱板１１を一体に巻きつけてコイルを形成する。
なお、放熱板取付座１２と放熱板１１は、先に一体に組立てからコア９に嵌め込んでもよい。
また、図５（ｅ）に示すような平板形状の放熱板１１の場合は、取付座１２をコア９に嵌め込んだものにコイルを巻きつけてから放熱板１１を嵌め込むとコイル巻作業の効率がよい。嵌め込み面間や、コイルと放熱板１１の隙間は接着剤かワニスで一体化する。

図５（ａ）は、コア９に放熱板取付座１２を嵌め込んだ状態を示したものであり、取付座１２は溝型放熱板用の形状で、取付座１２の溝１２ａの形状は、巻線１０に合せてＵ字状かコ字状である。
この可飽和リアクトル４には、図５（ｄ）に示すような溝型の放熱板１１が取着される。

図５（ｂ）、（ｃ）は、放熱板取付座１２に平板状の放熱板１１を一部取り付けた状態を示したもので、図５（ｂ）はコイル巻付け用溝１２ｂのないもの、図５（ｃ）はコイル巻付け用溝１２ｂのあるものを示す。取付座１２は何れもアルミニウム製又は絶縁体製（合成樹脂製）である。
これらの可飽和リアクトル４には、図５（ｅ）に示すような平板状の放熱板１１が取着される。

図５（ｄ）、（ｅ）は放熱板の形状を示しており、図５（ｄ）は溝型の放熱板１１、図５（ｅ）は矩形平板の放熱板１１である。放熱板１１の材質は、放熱性の良いアルミニウムや銅等の金属製又は合成樹脂製などである。

かくして、本実施例の可飽和リアクトル及び非接触給電装置によれば、閉磁回路をもつ磁性体コア９と、磁性体コア９の外周に配設された複数の放熱板１１と、該放熱板１１に近接して磁性体コア９を巻回した巻線１０とを有することから、電可飽和リアクトル４の自己発熱を放熱板１１にて放熱し、冷却ファンがなくても可飽和リアクトル４の温度上昇を抑制することができ、これにより、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するとともに、無負荷時の無効電流は可飽和リアクトル４で抑制した、無負荷から全負荷までの領域で安定かつ効率的な非接触給電を行うことができる。
また、冷却ファンなしでも温度変化による出力電圧変動を許容値以内に抑えられることから、塵挨の集積や飛散を嫌うクリーンルームのみならず、塵挨で吸気孔の目詰まりを起こしやすい一般の工場や倉庫など、また、メンテナンスの困難な天井裏のような場所や２４時間運転で止めることができない用途に使用し、安定して運転することができる。

この場合、コア９の外周にアルミニウム製又は絶縁体製の取付座１２を設け、該取付座１２に放射状に放熱板１１を装着し、取付座１２とコア９を巻線１０により一体に巻回することにより、磁性体コア９の外周に放射状の放熱板１１を容易かつ安定的に取り付けることができる。

また、放熱板１１をコ字状、Ｕ字状又は管状等の折曲部を有する形状に形成するとともに、該放熱板１１の折曲部と磁性体コア９とを巻線１０にて巻回することにより、磁性体コア９の外周に放射状の放熱板１１を容易かつ安定的に取り付けることができる。

また、放熱板１１を磁性体コア９に接着することにより、放熱板１１を接着剤や接着テープ等にて仮固定した後、巻線１０を巻いて本固定し、放熱板施工の作業性を向上させることができる。

また、可飽和リアクトル４を密閉した筐体（図示省略）に収納し、該筐体内に放熱板１１を冷却する冷却ファンを設けることにより、全閉内扇構造とすることで熱移送が効果的に行われ、目詰まりもなく局部的な温度上昇も防止できる。

また、放熱板１１に磁性体コア９が嵌合する切欠部を形成し、該放熱板１１を巻線１０の間に挿入して磁性体コア９に外嵌することにより、磁性体コア９に巻線１０を巻いた後でも放熱板１１の取付が可能であり、これにより、現在稼動中の非接触給電装置に使用している可飽和リアクトル４の改造を行う際に、巻線１０の巻き直しを行うことなく放熱板１１を取り付けることができる。

以上、本発明の可飽和リアクトル及び該可飽和リアクトル用いた非接触給電装置について、複数の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。

本発明の可飽和リアクトル及び該可飽和リアクトル用いた非接触給電装置は、可飽和リアクトルの放熱に放熱板を利用することにより、冷却ファンがなくても可飽和リアクトルの温度上昇を抑制することができ、冷却ファンの故障等の影響を受けにくい特性を有していることから、例えば、工場等で２４時間稼動するような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。

本発明の非接触給電装置を示し、（ａ）は第１実施例の回路図、（ｂ）は第２実施例の回路図である。 同非接触給電装置の可飽和リアクトルを示し、（ａ）は全体の斜視図、（ｂ）はコ字状の放熱板の斜視図、（ｃ）はＵ字状の放熱板の斜視図、（ｄ）は管状の放熱板の斜視図、（ｅ）は角型管状の放熱板の斜視図、（ｆ）は放熱板の取り付け工程を示す斜視図である。 過飽和リアクトルの第２実施例を示し、（ａ）は放熱板の取り付け工程を示す斜視図、（ｂ）は同断面図である。 過飽和リアクトルの第３実施例を示し、（ａ）は軸直角方向断面図、（ｂ）は軸方向断面図、（ｃ）は組立工程図、（ｄ）は取付座の変形例を示す説明図である。 可飽和リアクトルの第４実施例を示し、（ａ）は溝型放熱板用の可飽和リアクトルを示す正面図、（ｂ）は平板状放熱板用の可飽和リアクトルを示す断面図、（ｃ）は平板状放熱板用の可飽和リアクトルの他の実施例を示す断面図、（ｄ）は溝型放熱板を示す２面図、（ｅ）は平板状放熱板を示す２面図である。 可飽和リアクトルのコアを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。 可飽和リアクトルの磁性体の温度と飽和磁束密度特性の関係を示すグラフである。 従来の可飽和リアクトルを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は断面図である。

符号の説明

１ 給電線
２ 受電コイル
３ 共振コンデンサ
４ 可飽和リアクトル
５ 整流素子
６ インダクタンス
７ 平滑コンデンサ
８ 負荷
９ 磁性体コア
１０ 巻線
１１ 放熱板
１１ａ 折曲部
１１ｂ 切欠部
１２ 取付座
１２ａ 放熱板用溝
１２ｂ コイル巻付け用溝

Claims (8)

1. 閉磁回路をもつ磁性体コアと、磁性体コアの外周に配設された複数の放熱板と、該放熱板に近接して磁性体コアを巻回した巻線とを有することを特徴とする可飽和リアクトル。
2. コアの外周にアルミニウム製又は絶縁体製の取付座を設け、該取付座に放射状に放熱板を装着し、取付座とコアを巻線により一体に巻回したことを特徴とする請求項１記載の可飽和リアクトル。
3. 地上設備から搬送車等の移動体に電磁誘導により非接触で電力を供給する非接触給電装置において、地上設備から電力を受電する受電回路にピーク電圧抑制回路を並列に接続するとともに、該ピーク電圧抑制回路に、閉磁回路をもつ磁性体コアと、磁性体コアの外周に配設された複数の放熱板と、該放熱板に近接して磁性体コアを巻回した巻線とを有する可飽和リアクトルを設けたこと特徴とする非接触給電装置。
4. 放熱板をコ字状、Ｕ字状又は管状等の折曲部を有する形状に形成するとともに、該放熱板の折曲部と磁性体コアとを巻線にて巻回したことを特徴とする請求項３記載の非接触給電装置。
5. 放熱板を磁性体コアに接着したことを特徴とする請求項３又は４記載の非接触給電装置。
6. 放熱板を冷却する冷却ファンを設けたことを特徴とする請求項３、４又は５記載の非接触給電装置。
7. 放熱板に磁性体コアが嵌合する切欠部を形成し、該放熱板を巻線の間に挿入して磁性体コアに外嵌したことを特徴とする請求項３、４、５又は６記載の非接触給電装置。
8. コアの外周にアルミニウム製又は絶縁体製の取付座を設け、該取付座に放射状に放熱板を装着し、取付座とコアを巻線により一体に巻回したことを特徴とする請求項３、４、５、６又は７記載の非接触給電装置。

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