JP2010268532A

JP2010268532A - 永久磁石移動子を有する非接触給電装置

Info

Publication number: JP2010268532A
Application number: JP2009115258A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Hasegawa; 均長谷川; Takayuki Kashiwagi; 隆行柏木; Yasuaki Sakamoto; 泰明坂本; Taku Sasagawa; 卓笹川
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】商用周波数で動作し、非接触で効率よく電力を伝達する永久磁石移動子を有する非接触給電装置を提供する。
【解決手段】永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、回転磁界を生成する一次側巻線２と、この一次側巻線２に対向するように配置される永久磁石回転子３と、この永久磁石回転子３と一体化される二次側巻線４を有する移動体とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体（回転体を含む）に非接触で電力を伝達する永久磁石移動子を有する給電装置に関するものである。

磁気支持された装置や医療器具、湿潤な環境で使用する装置などでは、移動体や回転体に電線やケーブル、接触による給電をすることが難しい。また、通常の移動体や回転体でも、接触による給電では摩耗の問題や感電の危険等があり、非接触で効率よくエネルギーを伝達する手段が求められている。

かかる非接触で電力を伝達する手段には、（１）電磁誘導を利用した変圧器方式、（２）移動体や回転体の運動エネルギーを利用した発電機方式、（３）電磁波を利用した方式、などが考えられている。

上記した三つの方式の中では、（１）の変圧器方式が効率や空隙の広さ等で優れており、数十ｃｍ程度の空隙に対して、数ｋＷ程度の電力を供給する例が示されている（下記非特許文献１〜非特許文献３参照）。

一方で、変圧器方式の非接触給電では、通常の変圧器のような磁気回路が閉じている装置に比べて、大きな空隙が必ず存在するため、変圧器の励磁電流を一次側から供給する必要がある。

このため、効率よく電力を伝達するためには、電源周波数を数ｋＨｚ以上と高くする必要があり（高周波変圧器方式非接触給電装置）、電力変換装置の容量が大きくなり、導線や周囲の金属部分で発生する渦電流損失が増加する。また、商用周波数で使用する電気機器が使用できないため、コストが高くなってしまう。

Ｍ．Ｂａｕｅｒ，Ｐ．Ｂｅｃｋｅｒ，Ｑ．Ｚｈｅｎｇ，"ＩｎｄｕｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ（ＩＰＳ）ｆｏｒｔｈｅＴｒａｎｓｒａｐｉｄ"，Ｍａｇｌｅｖ２００６，Ｖｏｌ．２，ｐｐ．４７１，２００６紙屋雄史，中村幸司，中村達，大聖泰弘，高橋俊輔，山本喜多男，佐藤剛，松木英敏，成澤和幸，「電動車両用非接触急速誘導充電装置の開発と性能評価（第１報）」，自動車技術会春季学術講演会予稿集，２００７谷澤秀一，内藤信吾，「無接触給電搬送システムの技術と新市場」，ＤＡＩＦＵＫＵＮＥＷＳ，Ｎｏ．１６１，ｐｐ．１０，２００１

上記したように、高周波変圧器方式の非接触集電では、電力変換装置の容量が大きくなり、渦電流損失が増加してしまい、装置規模が大きくなる問題がある。また、鉄心（ヨーク）や導線も高周波対応の特殊な仕様となり、コストが高くなってしまう。

この問題を解決するには、商用周波数である数十Ｈｚから数百Ｈｚで動作する変圧器方式の非接触給電装置を提供すればよい。

また、商用周波数で効率よく動作させるためには、変圧器励磁電流を永久磁石の起磁力をもって補償することが考えられる。

本発明は、上記状況に鑑みて、商用周波数で動作しつつ、非接触で効率よく電力を伝達する永久磁石移動子を有する非接触給電装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、回転磁界を生成する一次側巻線と、この一次側巻線に対向するように配置される永久磁石移動子と、この永久磁石移動子と一体化される二次側巻線を有する移動体とを具備することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記移動子が回転子であることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記一次側巻線はベースに固定され、交流が通電されることを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記永久磁石移動子と前記二次側巻線とはヨークで一体化されることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記移動子が直線方向への移動子であることを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕又は〔５〕記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記一次側巻線を直線状に展開し、前記永久磁石移動子を直線方向に駆動することを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕又は〔５〕記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記永久磁石移動子が着磁された超電導体であることを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石移動子を有する非接触で電力を供給する装置により、低コストで装置規模を小型化できる非接触給電装置を提供することができる。

本発明の実施例を示す永久磁石回転子を有する非接触給電装置を示す断面図である。本発明の実施例を示す永久磁石回転子を有する非接触給電装置の分解斜視図である。変圧器励磁電流を永久磁石で補償する原理を説明回路図である。本発明の他の実施例を示す、一次巻線を直線状に展開した場合の非接触給電装置の構成を示す図である。

本発明の永久磁石移動子を有する非接触給電装置は、回転磁界を生成する一次側巻線と、この一次側巻線に対向するように配置される永久磁石移動子と、この永久磁石移動子と一体化される二次側巻線を有する移動体とを具備する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す永久磁石回転子を有する非接触給電装置を示す断面図、図２はその永久磁石回転子を有する非接触給電装置の分解斜視図である。

これらの図において、１はベース、２はベース１に固定される一次側巻線、３は永久磁石回転子、４は二次側巻線、５は永久磁石回転子３と二次側巻線４とを機械的に一体化するヨーク（バックアイアン）（ここでは、移動子としての回転子）である。なお、永久磁石回転子３の永久磁石としては着磁された超電導体を用いることができる。

ヨーク５は、空隙漏れ磁束を最小に抑えるために設置することが望ましい。ただし、一次側と二次側の吸引力が問題となるような装置やヨーク５が磁気飽和してしまうような強力な永久磁石を使用する場合は、ヨーク５は必要ない。

例えば三相に結線された一次側巻線２に電力を供給すると、一次側巻線２と永久磁石回転子３間の空隙に回転磁界が発生する。この回転磁界により、永久磁石回転子３は回転運動を起こす。永久磁石回転子３の回転磁界により、二次側巻線４に鎖交磁束が発生し、二次側巻線４に誘起電圧が発生する。この二次側巻線４の誘起電圧により発生する電力を二次側で利用することができる。

なお、一次側巻線２はベース１に固定されたコイルであり、交流を通電することにより回転磁界を得ているが、一次側巻線２を実際に回転する磁石回転子に置き換えても上記の効果を得ることができる。

本発明の構成では、大きな空隙に対して商用周波数で効率よく電力を伝達できるが、一次側巻線２と二次側巻線４との間に回転子を有しない方式との違いについて説明する。

図３は変圧器励磁電流を永久磁石で補償する原理を説明する回路図であり、図３（ａ）は永久磁石回転子を有しない方式の等価回路を、図３（ｂ）は本発明の永久磁石回転子を有する方式の等価回路をそれぞれ示している。

図３（ａ）を見ると、変圧器相互インダクタンスＭ部分に流れる励磁電流ｉ_mは一次電流ｉ₁により供給されることになる。一方、図３（ｂ）によると、永久磁石回転子が存在することにより、励磁電流ｉ_pmが永久磁石回転子により補償供給されることとなる。

図３（ａ）のような場合では、一次周波数が低い場合、励磁電流ｉ_mが大きくなり、効率よく二次電流ｉ₂を得ることができない。このため、一次周波数を十分に高くしなければならない。

一方、図３（ｂ）のような場合では、永久磁石回転子により励磁電流ｉ_pmが補償されているため、一次周波数が低い場合でも、二次電流ｉ₂を得ることができる。

図４は本発明の他の実施例を示す、一次側巻線を直線状に展開した場合の非接触給電装置の構成を示す図である。

この図において、１１は直線状に展開した一次側巻線を示す。

図１においては、一次側巻線２による回転磁界の発生により電力を伝達したが、図４においては、一次側巻線１１を直線状に展開することにより、一次側巻線１１上には移動磁界（例えば、ＵＶＷ相の交流電圧）が生じ、図１に示した実施例と同様な効果を得ることができる。

図４の実施例では、一次側巻線１１を直線状に展開した方向について、二次側を任意に移動することができ、例えば、搬送装置、自動車、列車等の移動体に電力を非接触で供給することが可能である。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の永久磁石移動子を有する非接触給電装置は、移動体や回転体への効率良く電力を供給することができる給電装置として利用可能である。

１ベース
２一次側巻線
３永久磁石回転子
４二次側巻線
５ヨーク（バックアイアン）
１１直線状に展開した一次側巻線

Claims

（ａ）回転磁界を生成する一次側巻線と、
（ｂ）該一次側巻線に対向するように配置される永久磁石移動子と、
（ｃ）該永久磁石移動子と一体化される二次側巻線を有する移動体とを具備することを特徴とする永久磁石移動子を有する非接触給電装置。
請求項１記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記移動体が回転体であることを特徴とする永久磁石移動子を有する非接触給電装置。
請求項１又は２記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記一次側巻線はベースに固定され、交流が通電されることを特徴とする永久磁石移動子を有する非接触給電装置。
請求項１又は２記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記永久磁石移動子と前記二次側巻線とはヨークで一体化されることを特徴とする永久磁石移動子を有する非接触給電装置。
請求項１記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記移動子が直線方向への移動子であることを特徴とする永久磁石移動子を有する非接触給電装置。
請求項１又は５記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記一次側巻線を直線状に展開し、前記永久磁石移動子を直線方向に駆動することを特徴とする永久磁石移動子を有する非接触給電装置。
請求項１又は５記載の永久磁石移動子を有する非接触給電装置において、前記永久磁石移動子が着磁された超電導体であることを特徴とする永久磁石移動子を有する非接触給電装置。