JP2014514897A - 誘導エネルギー伝送のための装置 - Google Patents

Abstract

静止３相一次系と可動３相二次系との間の誘導エネルギー伝送のための装置は、該３相において等長の磁束経路とこれに対応するほぼ一定の電力伝送とを伴う磁気的に対称な形に設計される。静止鉄芯部および電気的に直列に接続される２つの可動鉄芯部（３、５）は、各々、正三角形または星として設計され、該星は正三角形に広がるとともに、互いに対して同じ角度で延びる等長のアーム（３ａ、３ｂ、３ｃ；５ａ、５ｂ、５ｃ）と、前記アームの端から始まる支持ポスト（３ａｙ、３ｂｙ、３ｃｙ；５ａｙ、５ｂｙ、５ｃｙ）と、さらに互いから同じ距離に配置された一次および二次巻線（４、６）とを有する。２つの静止鉄芯部（３）はそれぞれの支持ポスト（３ａｙ、３ｂｙ、３ｃｙ）において磁気レール（２）によって結合され、該磁気レールは平行に延び、可動支持ポスト（５ａｙ、５ｂｙ、５ｃｙ）の凹所（８）に収容されている強磁性走行用ローラ（７）を利用して該磁気レール上で可動鉄芯部（５）は転がることができあるいは位置することができる。簡単なデザインの該装置は、エネルギー伝送に関して高度の効率を有する。稼働していない状態だけでエネルギーを伝送する場合、静止鉄芯部と可動鉄芯部とは、磁気レール無しで一方を他方の上に直接置くこともできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導エネルギー伝送のための装置に関する。この装置では、トラックは３相一次系を備え、該トラック上で転がるか、または静止する物体は、該一次系に誘導結合され得る３相二次系を備える。

変圧器原理に従って電気エネルギーを伝送するための装置は、ＡＣ電圧を利用してエネルギーを伝送するというタスクを有する。これは、２つの異なる電気回路の導線が周りに巻かれている磁気回路を利用して行われる。変圧器の一次コイルにＡＣ電圧が加えられると、同様にＡＣ電圧が二次コイルに生じる。該電圧の比は一次コイルおよび二次コイルの巻数の比に比例する。

ドイツ国特許発明第４２３６３４０号（ＤＥ４２３６３４０Ｃ２）は、誘導エネルギー伝送装置を開示しており、この装置では、エネルギーは非接触でエアーギャップを横断して伝送される。この場合、エアーギャップの寸法を一定に保つこと、および不純物が無いようにトラックを保つことが必要である。

接触式誘導エネルギー伝送は、国際公開第２０１０／０５７７９９号（ＷＯ２０１０／０５７７９９Ａ１）に従って提案されている。電気エネルギーは、電流源に接続されているトラックまたは道路の上で転がる車輪を用いて伝送される。エアーギャップを回避するために、該車輪は磁気透過性のエラストマーにより囲まれる。

ドイツ国特許出願公開第３３０４７１９号（ＤＥ３３０４７１９Ａ１）は変圧器原理に基づく３相送電システムを開示しており、このシステムでは第１巻線は第１磁石芯部材の周りに巻かれ、第２巻線は第２磁石芯部材の周りに巻かれ、該第１および第２磁石芯部材は相対的に移動させられ得る。この可動式エネルギー伝送のための−磁気的非対称−タイプの変圧器では、負荷下において鉄芯の部分が飽和し、その結果として効率に悪影響が及ぶことを防ぐために、可動二次系の位置が異なる故に複雑な装置および補助巻線への電流の供給が必要である。さらに、可動エネルギーの伝送中、非対称変圧器の使用には相当なノイズの発生が伴う。

本発明は、トラックと、前記トラック上で移動するかまたは静止している物体との間で電気エネルギーを３相伝送するための、単純なデザイン（ｄｅｓｉｇｎ）で高度の効率を示す装置を明示するという目的に基づく。

本発明によれば、該目的は、特許請求項１または特許請求項６の特徴に従って設計されている装置によって達成される。

本発明の有利な発展形は、従属請求項の主題である。

３相静止一次系と可動３相二次系との間での誘導エネルギー伝送のための装置において、本発明の基本的思想は、３相において可動二次系のそれぞれの位置に関係なく等しい長さの磁束経路と、これに対応するほぼ一定の電力伝送とを伴う磁気的対称デザインにある。本発明によれば、強磁性の静止および可動の鉄芯部は、正三角形の形をしているか、あるいは星の形をしており、該星は、正三角形に広がるとともに、互いに対して同じ角度で延びる等長のアーム（ｌｉｍｂ）と、前記アームの端から延びる支持ポストと、さらに互いから同じ距離に配置された一次巻線または二次巻線とを有する。すなわち、該一次および二次巻線は、正三角形の仮想頂点に位置する。転がることのできる物体の移動中にエネルギーを伝送するために、距離を置いて前後して配置された２つの静止鉄芯部は、一次側でそれぞれの支持ポストにおいて平行な強磁性トラックレール（磁気レール）によって結合され、該トラックレールは同じ平面内に位置し、該可動支持ポストの凹所に収容された強磁性ランニングローラを利用して、該トラックレールの上で該可動鉄芯部が転がることができるか、あるいは異なるポイントに位置することができる。

３相可動エネルギー伝送のためにここで提案される変圧器の対称的デザインの故に、積層鉄芯内の経路は３相の全てについて同じである。その結果として、対称的磁束および、それによる、−特に強磁性走行用ローラにより生じるエアーギャップの最小化とも影響しあって−エネルギー伝送の高度の効率が達成されるとともに可動二次系の各位置で漂遊磁束が最小化される。すなわち、対称的に負荷をかける場合には磁気的対称デザインの故に磁気レール上の二次系の位置に無関係に二次系のヨークへの対称的磁束分配と、ほぼ一定でさらに低ノイズの電力伝送が保証される。

本発明の１つの改良形では、距離を置いて配置された２つの静止鉄芯部は、一次巻線を備えて直列に結合され、磁気レールと関連して、電圧源に隣接し得るトラックセグメントを形成する。２つ以上のトラックセグメントが、互いから磁気的に絶縁されるように、相前後して配置され得る。

本発明の１つの改良形では、一次巻線および二次巻線は、支持ポスト上に、あるいは星形鉄芯部のアーム上に前記鉄芯部の中心点から同じ距離を置いて、あるいは三角形鉄芯部のアーム上で中心に配置される。

本発明のさらなる改良形では、磁気レールはトラックに組み込まれ、静止鉄芯部および一次巻線は地下に配置される。

本発明の有利な発展形では、磁気レールまたは走行用ローラは、一次系と二次系との間のエアーギャップをさらに減少させるために、強磁性の、強くて弾力性を有する材料で被覆されている。その上、結果として転がり特性が改善される。

本発明のさらなる特徴によれば、転がることのできる物体の単なる静止の状態では、磁気レールと走行用ローラとの相互接続は、誘導エネルギー伝送のために省略され得る。この場合、移動する物体に配置されているけれども走行用ローラ無しで形成されている可動鉄芯部は、それの支持ポストを介して、トラックまたは駐車エリアに合体されている静止鉄芯部の支持ポストの上に直接下げられる。

静止鉄芯部および可動鉄芯部は、再び、正三角形の形をしているか、あるいは星の形をしており、該星は、正三角形に広がるとともに、互いに対して同じ角度で延びる等長のアームと、前記アームの端から延びる支持ポストと、さらに互いから同じ距離に配置された一次巻線または二次巻線を有する。

転がることのできる物体は車両であり、該車両は再充電可能なバッテリーによって完全に又は部分的に電気的に駆動され、該車両において水平におよび鉛直に調整可能な可動鉄芯部は、該車両が移動しているかあるいは静止している状態において、再充電可能バッテリーを再充電するために該鉄芯部が磁気レール上にまたは直接に該静止鉄芯部上に下げられ得るように、配置され、トラックセグメントの一次巻線には、該一次巻線が可動鉄芯部と接触しているときにだけ電流が供給される。

本発明のさらなる実施態様においては、二次系に信号を供給するための手段と、一次系においてこの信号を識別するための手段とが設けられ、一次系において該信号は、一次系と二次系との間に閉磁路が存在するときにだけ識別され得る。

３相エネルギー伝送装置の代わりに、対応する構造上の調整を加えて、本発明の本原理に従って４つ以上の相で形成される多相装置を用いることも可能であることは言うまでもないことである。

図面を参照して本発明の代表的実施態様が詳しく説明される。

一次系の形をしているトラックセグメントと、車両上に保持されて前記トラックセグメント上で転がることのできる二次系との間の３相誘導エネルギー伝送のための装置の略図を示す。 可動鉄芯部で作られた二次系の斜視図を示し、該可動鉄芯部は、正三角形の形をしていて、静止状態においてエネルギーを伝送するためにだけ設けられる。 走行用ローラが合体されている二次系の支持ポストの拡大概略側面図を示す。

３相変圧器の一次系を表すトラックセグメント１は、平行にかつ１平面内に配置された３本の磁気レール２と、第１および第２の強磁性−第１および第２の−静止鉄芯部３とを備え、該静止鉄芯部は、前記トラックセグメントに結合されていて、３つのアーム３ａ、３ｂおよび３ｃから一体的に形成されている。アーム３ａ、３ｂ、３ｃは、各々、同じ長さを有して星形に対称的に共通の中心点Ｚ１、Ｚ３から延び、各々の場合に、互いに１つの角度を成して配置された２つの−隣接する−アームは各々同一の二等辺三角形を形成する。アーム３ａ、３ｂ、３ｃの端点は、正三角形の頂点に対応する。各アームの端から遠ざかって延びる支持ポスト３ａ’、３ｂ’、３ｃ’は、各々、３つの磁気レール２のうちの１本の下面に結合され、各々、電圧源（図示せず）に接続された一次巻線４を担持している。従って、一次巻線４は、星形の静止鉄芯部３上に、すなわち、幾何学的に正三角形の頂点に、配置されている。磁気レール２は、実質的に平らな状態のトラック面に組み込まれているが、トラックセグメント１の、互いに距離を置いて位置している２つの強磁性鉄芯部３は、地下に配置されている。互いに距離を置いて磁気レール２に結合されている２つの静止鉄芯部３は、電気的に並列に接続されている。その結果として、二次アーム内の磁束は、磁気レール上の二次系の位置に大きく依存しない。トラック上で移動することができて３相転がり変圧器の可動二次系を備えている物体へのエネルギー伝送のための長尺の静止一次系を作るために、磁気的に互いから絶縁させられている複数のトラックセグメント１が、トラックにおいて相前後して合体され得る。

転がることのできる物体の移動中にエネルギーを伝送するために設けられる可動二次系は、図１に示されているように、互いに関して星形に向けられた、等しい長さを有して互いに関して同じ角度で中心点Ｚ２から各々延びる３つのアーム５ａ、５ｂ、５ｃを有する可動強磁性鉄芯部５と、前記アームの端からトラックレール２の方向に延びる支持ポスト５ａ’、５ｂ’および５ｃ’とを備える。アーム５ａ、５ｂ、５ｃの端点は正三角形の頂点に対応する。転がることのできる物体内の負荷（図示せず）に接続されている二次巻線６は、各々、可動鉄芯部５の中心点Ｚ３から同じ距離においてアーム５ａ、５ｂ、５ｃに取り付けられている。磁気レール２上での二次系の移動可能性は円柱状の走行用ローラ７により保証されている。該走行用ローラは、支持ポスト５ａ’、５ｂ’、５ｃ’内に形成され、−可動アームおよび支持ポストと同様に−強磁性材料から構成され、磁気レール２のほうに向いている該ポストの自由側に狭いギャップを残す円柱状凹所８内に組み込まれている。したがって、図３に示されているように、その狭い円柱状の部分（ｓｅｃｔｉｏｎ）だけが支持ポスト５ａ’、５ｂ’、５ｃ’の主面から突出している強磁性走行用ローラ７は、鉄芯部５の固有の構成部分である。その結果として、可動鉄芯部５と静止鉄芯部３の磁気レール２との間には非常に狭いエアーギャップが存在するだけである。従って、そのエアーギャップに起因するエネルギー伝送損失は少ない。エアーギャップ損失を減少させるために、弾力性を有する磁気透過性コーティング（図示せず）、例えば強磁性エラストマー、で該トラックレールを被覆することも可能である
図１において点付きの破線に関連して例示されているように、全ての可能な磁束経路−ここでは、例えば、Ｚ１からＺ２への（あるいはＺ３からＺ２への）−は、３相変圧器の上記のデザインにおいては等しい長さの経路である。このことは、Ｚ１からＺ２までのおよびＺ３からＺ２までの３つの磁気成分回路内の磁気抵抗が各々同じである。その結果として対称的な電気負荷の下でほぼ等しい大きさの磁束が二次回路に生成されるということを意味する。ここで提案されている３相誘導エネルギー伝送のための磁気的に対称なデザインでは、静止鉄芯部３と関連して可動鉄芯部５の各位置で等しい大きさの磁束が存在し、その結果として、効率の程度を低下させる非対称的飽和が該変圧器の各部分に入り込むことはあり得ない。従って、対称的な負荷の下では、静止一次系と可動二次系との間の高度の電気エネルギー伝送効率が保証される。さらに、非対称的磁気特性を有する、従来技術から知られている変圧器デザインでは、必要とされる電流が複雑な配置の補助巻線にそれぞれ対応して供給されるが、このような複雑な補助巻線の配置は省略される。さらに、ここで提案されている磁気的に対称的な３相変圧器デザインは、公知の非対称的デザインとの関係で相当減少させられているノイズの形成により区別される。

三角形可動鉄芯部９の例を用いる図２に示されているように、可動鉄芯部９（および／または静止鉄芯部のうちの１つ）のアーム９ａ、９ｂ、９ｃが、接しているアームの頂点から強磁性レール２の方向に延びる支持ポスト９ａ’、９ｂ’、９ｃ’を有する正三角形の形をしているときにも同様に、エネルギー伝送系の対称的なデザインが保証される。この例では、二次巻線は、走行用ローラ７を伴って形成されている支持ポスト９ａ’、９ｂ’、９ｃ’上に配置される。しかし、一次および二次巻線はアーム上にも配置され得る。原理的には、星形あるいは三角形に形成される鉄芯部は、同じエネルギー伝送装置において互いに組み合され得る。

誘導エネルギー伝送のための上記の装置は、例えば、電気駆動装置またはハイブリッド駆動装置を備えている車両のバッテリーを再充電するために使用される。一次系は駐車エリアまたはトラックに組み込まれ、その場合、複数の上記トラックセグメントは、比較的長い距離の場合のエネルギー伝送と一次系への電流のそれぞれの供給とをも実行できるように互いから磁気的に絶縁させられた形で一列に並べられ得る。二次系は、車両がトラックセグメントに沿って移動するかあるいはトラックセグメントの上で停車したならば直ちに二次系が下げられることができるとともにトラックまたは駐車エリアに組み込まれている一次系の強磁性レールの上に下げられることができるように、給電されるべき車両の下に取り付けられることができる。該車両がその上で現在停められているかあるいは移動しているそれぞれのトラックセグメントだけが電流を供給される。

図１の実例とは対照的に、図２に示されている可動鉄芯部５は、稼働していない状態では、トラックまたは駐車エリアに（単独で磁気レール無しに）配置される静止鉄芯部の支持ポスト上に直接搭載されるので、支持ポスト５ａ’、５ｂ’、５ｃ’上の走行用ローラを有しない。

エネルギーは信号に基づいてそれぞれのトラックセグメントに供給される。該信号は、二次系に入力されて、静止および可動鉄芯部の間に閉磁路が形成されたときにだけ一次系において識別される。二次系から一次系へ送られる信号は、一次系の、その静止鉄芯３が特に可動鉄芯部５と閉磁路を形成する巻線だけに電流が供給されることを保証する。一次コイルに目標を定めた電流の供給は、該閉磁路とともに、人間にとっては許容できないほど強い誘導を伴う漂遊磁界の形成を阻止する。

１ トラックセグメント
２ 磁気レール
３ 星形または三角形の静止鉄芯部
３ａ、３ｂ、３ｃ 静止アーム
３ａ’、３ｂ’、３ｃ’ 静止支持ポスト
４ 一次巻線
５ 星形または三角形の可動鉄芯部
５ａ、５ｂ、５ｃ 可動アーム
５ａ’、５ｂ’、５ｃ’ 可動支持ポスト
６ 二次巻線
７ 強磁性走行用ローラ
８ 凹所
Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３ ３または５の中心点

Claims (9)

1. 誘導エネルギー伝送のための装置であって、トラックは、一次巻線（４）で作られた３相一次系を備え、該一次巻線（４）は、静止強磁性鉄芯部（３）に取り付けられ、前記トラック上で転がるかあるいは静止する物体は、３相二次系を備え、該３相二次系は、前記一次系に誘導結合されることができ、かつ、二次巻線（６）で作られ、該二次巻線（６）は、可動強磁性鉄芯部（５）に取り付けられている、誘導エネルギー伝送のための装置であって、前記３相内で等長の磁束経路と、これに対応して移動中にほぼ一定の電力を伝送することとを伴う磁気的に対称的なデザインを特徴とし、前記静止および前記可動鉄芯部（３、５）は、正三角形の形または星の形をしており、前記星は正三角形に広がるとともに、互いに対して同じ角度で延びる等長のアーム(３ａ、３ｂ、３ｃ；５ａ、５ｂ、５ｃ)と、前記アームの端から延びる支持ポスト（３ａ’、３ｂ’、３ｃ’；５ａ’、５ｂ’、５ｃ’）と、さらに互いから同じ距離に配置された一次巻線または二次巻線（４、６）とを有し、距離を置いて前後して配置されて電気的に並列に接続された複数の静止鉄芯部（３）が、前記それぞれの支持ポスト（３ａ’、３ｂ’、３ｃ’）において平行な磁気レール（２）によって結合され、当該磁気レール（２）の上では、前記可動鉄芯部（５）が、前記可動支持ポスト（５ａ’、５ｂ’、５ｃ’）の凹所（８）に収容された強磁性走行用ローラ（７）を利用して転がることができるかあるいは位置することができる、装置。
2. 一次巻線（４）が設けられていて電気的に直列に接続されている２つの静止鉄芯部（３）はトラックセグメント（１）を形成し、前記トラックセグメントは、前記磁気レール（２）と関連して電圧源に隣接することができることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. ２つ以上の前記トラックセグメント（１）は、互いから磁気的に絶縁させられるように相前後して配置されることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
4. 前記磁気レール（２）はトラックに組み込まれ、前記静止鉄芯部（３）および一次巻線（４）は地下に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記磁気レール（２）または前記走行用ローラ（８）は強磁性の、強くて弾力性を有する材料で被覆されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 誘導エネルギー伝送のための装置であって、トラックは、一次巻線（４）で作られた３相一次系を備え、該一次巻線（４）は、静止強磁性鉄芯部（３）に取り付けられ、前記トラック上で転がるかあるいは静止する物体は、３相二次系を備え、該３相二次系は、前記一次系に誘導結合されることができ、かつ、二次巻線（６）で作られ、該二次巻線（６）は、可動強磁性鉄芯部（５）に取り付けられている、誘導エネルギー伝送のための装置であって、前記３相内で等長の磁束経路と、これに対応して移動中にほぼ一定の電力を伝送することとを伴う磁気的に対称的なデザインを特徴とし、前記静止および前記可動鉄芯部（３、５）は、正三角形の形または星の形をしており、前記星は正三角形に広がるとともに、互いに対して同じ角度で延びる等長のアーム(３ａ、３ｂ、３ｃ；５ａ、５ｂ、５ｃ)と、前記アームの端から延びる支持ポスト（３ａ’、３ｂ’、３ｃ’；５ａ’、５ｂ’、５ｃ’）と、さらに互いから同じ距離に配置された一次巻線または二次巻線（４、６）とを有する、装置。
7. 前記一次巻線（４）および前記二次巻線（６）は、前記支持ポスト（３ａ’、３ｂ’、３ｃ’；５ａ’、５ｂ’、５ｃ’）上に、または前記星形鉄芯部の前記アーム上に前記鉄芯部の中心点（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）から同じ距離を置いて、あるいは前記三角形鉄芯部（３、５）の前記アーム上の中央に配置されることを特徴とする、請求項１または６に記載の装置。
8. 転がることのできる前記物体は、再充電可能なバッテリーによって完全に又は部分的に電気的に駆動される車両であり、その車両において、水平におよび鉛直に調整可能な前記可動鉄芯部（５）は、前記車両が移動しているかあるいは静止している状態において前記再充電可能なバッテリーを再充電するために、前記走行用ローラ（８）を用いて、前記磁気レール（２）上にまたは直接に前記静止鉄芯部（３）上に下げられ得るように配置され、前記トラックセグメント（１）の前記一次巻線（４）は、前記一次巻線が前記可動鉄芯部（５）と接触しているときだけ電流を供給されることを特徴とする、請求項１または６に記載の装置。
9. 前記二次系に信号を供給するための手段と、前記一次系においてこの信号を識別するための手段とが設けられ、前記一次系において前記信号は、前記一次系と二次系との間に閉磁路が存在するときにだけ識別され得ることを特徴とする、請求項８に記載の装置。

Images