JP2015100161A - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力の損失を抑えることができる非接触給電システムの提供。
【解決手段】給電コイル２１を有する停車ステーション２０と、受電コイル１１を有する移動車両１０とを具備し、給電コイル２１から受電コイル１１に非接触給電を行う非接触給電システム１であって、給電コイル２１の周辺には、非接触給電の際に誘導電流が流れるレール２が配置されており、誘導電流によってレール２の周りに発生する磁束ｂと鎖交する集電コイル３１を備える集電装置３０を有する、という構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触給電システムに関するものである。

近年、給電コイルと受電コイルとを非接触で対向させて給電を行う非接触給電システムが注目されている。非接触給電システムは、磁界共鳴方式や電磁誘導方式を採用しており、移動車両の給電に応用が期待されている。例えば、下記特許文献１には、鉄道車両の非接触給電システムが開示されている。

この非接触給電システムは、車両の側窓の下方に設けられた受電コイル部と、停車場に車両が停車したときに車両側の受電コイル部と対向する給電コイル部と、を有する。受電コイル部は、車両長手方向に長く形成され、また、給電コイル部は、停車場のホームドアに設けられており、十分なコイル面積を確保できるようになっている。

特開２０１３−１７２５５８号公報

しかしながら、上記従来技術には、次のような問題がある。
特許文献１の技術は、鉄道車両に非接触給電システムを適用したものであるが、鉄道車両の停車場には、様々な導体（金属構造物）が存在している。このため、給電コイルと受電コイルとの間に発生する磁界によって、その導体に電流が発生してしまうことがある。非接触給電システムにおいて、この電流の発生は電力の損失であり、効率低下の要因となる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電力の損失を抑えることができる非接触給電システムの提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、給電コイルを有する給電装置と、受電コイルを有する受電装置とを具備し、前記給電コイルから前記受電コイルに非接触給電を行う非接触給電システムであって、前記給電コイルまたは前記受電コイルの周辺には、前記非接触給電の際に誘導電流が流れる導体が配置されており、前記誘導電流によって前記導体の周りに発生する磁束と鎖交する集電コイルを備える集電装置を有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、非接触給電の際に給電コイルと受電コイルとの間に発生する磁界の影響で、周辺に配置された導体に誘導電流が流れても、その誘導電流が発生する磁束を集電コイルと鎖交させて電力として回収することができる。

また、本発明においては、前記集電装置は、さらに、前記給電コイルと前記受電コイルとの間からの漏れ磁束と鎖交する第２集電コイルを備える、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、給電コイルと受電コイルとの間からの漏れ磁束を第２集電コイルと鎖交させて回収することができ、漏れ磁束を電力として回収することができる。

また、本発明においては、前記給電装置及び前記受電装置の少なくともいずれか一方は、移動車両であり、前記導体は、前記移動車両の軌道を形成するレールである、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、非接触給電の際に給電コイルと受電コイルとの間に発生する磁界の影響で、移動車両の軌道を形成するレールに誘導電流が流れても、その誘導電流が発生する磁束を集電コイルと鎖交させて電力として回収することができる。

また、本発明においては、前記集電コイルは、前記レールの両サイドに設けられている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、レールに発生した誘導電流がレールの長手方向に流れると、その長手方向に対して垂直に同心円状の磁界が形成されるため、レールの両サイドに集電コイルを設けることで、レールの周りに発生する磁束と鎖交しやすくすることができ、集電率を高めることができる。

また、本発明においては、前記集電コイルは、前記レールの長手方向に沿って複数設けられている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、レールに発生した誘導電流がレールの長手方向に流れると、その長手方向に磁界が発生する領域が形成されるため、レールの長手方向に沿って集電コイルを複数設けることで、レールに沿って電力を回収でき、集電率を高めることができる。

本発明によれば、電力の損失を抑えることができる非接触給電システムが得られる。

本発明の第１実施形態における非接触給電システムの全体構成図である。 本発明の第１実施形態における集電装置の集電コイルの配置を示す平面図である。 本発明の第２実施形態における集電装置の集電コイルの配置を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における非接触給電システム１の全体構成図である。
非接触給電システム１は、少なくともいずれか一方が移動可能な受電装置と給電装置との間で非接触給電を行うものであり、本実施形態では、図１に示すように、移動車両１０が受電装置であり、移動車両１０が停車する停車ステーション２０が給電装置である。停車ステーション２０には、金属製のレール２（導体）が敷設されている。本実施形態の移動車両１０は、不図示の電動機によって移動する電車であり、レール２に沿って移動可能な構成となっている。

移動車両１０には、受電コイル１１が設けられている。一方で、停車ステーション２０には、給電コイル２１が設けられている。受電コイル１１は、地上側の給電コイル２１と対向可能な対向面１１ａを有し、移動車両１０の底部に設けられている。この受電コイル１１は、給電コイル２１と電磁的に結合することによって交流電力を非接触で受電する。

本実施形態の非接触給電システム１における給電コイル２１から受電コイル１１への非接触給電は、磁界共鳴方式に基づいて行われる。すなわち、給電コイル２１と受電コイル１１とには各々に共振回路を構成するための共振用コンデンサ（不図示）が接続されている。また、例えば共振用コンデンサの静電容量は、給電コイル２１と共振用コンデンサとからなる給電側共振回路の共振周波数と受電コイル１１と共振用コンデンサとからなる受電側共振回路の共振周波数とは同一周波数となるように設定されている。

移動車両１０には、受電コイル１１の他に、受電回路１２と、蓄電池１３とが設けられている。
受電回路１２は、給電コイル２１から受電した受電電力を直流電力に変換して蓄電池１３に供給する電力変換回路である。すなわち、この受電回路１２は、蓄電池１３の充電状態に応じた充電電流を蓄電池１３に供給することにより蓄電池１３を充電する。
蓄電池１３は、移動車両１０の駆動動力源として十分な電力を蓄えることが可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等である。

一方で、給電コイル２１は、受電コイル１１と対向可能な対向面２１ａを有し、一対のレール２の間に設けられている。停車ステーション２０には、給電コイル２１の他に、給電回路２２と、外部電源２３とが設けられている。
給電回路２２は、外部電源２３から供給される電力を磁界共鳴方式の非接触給電の共振周波数に応じた交流電力に変換して給電コイル２１に供給する電力変換回路である。
外部電源２３は、例えば商用電源、太陽電池、風力発電等であって、その電力を給電回路２２に供給するものである。

非接触給電システム１は、集電装置３０を有する。給電コイル２１の周りには、移動車両１０の軌道を形成するレール２が設けられており、給電コイル２１と受電コイル１１との間に発生する磁界ａによる影響で、レール２に誘導電流が発生してしまうことがある。この誘導電流の発生は、電力の損失であり、効率低下の要因となる。集電装置３０は、この現象から電力を回収することで、電力の損失を抑制するものである。本実施形態の集電装置３０は、集電コイル３１と、受電回路３２と、蓄電池３３と、を備えている。

集電コイル３１は、磁界ａの影響による誘導電流によってレール２の周りに発生する磁束ｂと鎖交するように配置されたものである。本実施形態の集電コイル３１は、その中心軸が上向きとなるような姿勢で配置されている。なお、集電コイル３１の姿勢は、レール２の周りに発生する磁束ｂと鎖交できれば任意に設定することができる。本実施形態のように、集電コイル３１がレール２の両サイドに設けられている場合、集電コイル３１の中心軸が上向きとなるような姿勢で配置すれば、集電コイル３１はより多くの磁束ｂと鎖交することが可能となる。

図２は、本発明の第１実施形態における集電装置３０の集電コイル３１の配置を示す平面図である。
集電コイル３１は、図２に示すように、レール２の長手方向（図２において紙面上下方向）に沿って複数設けられている。誘導電流は磁界ａの影響によって発生するため、集電コイル３１は、給電コイル２１を基準にして複数設けられている。本実施形態の集電コイル３１は、給電コイル２１を中心に、レール２の長手方向前後に所定範囲で複数設けられている。集電コイル３１を設ける範囲は、少なくとも給電コイル２１の長手方向における長さ以上の範囲とすることが好ましい。

図１に戻り、受電回路３２は、集電コイル３１によって回収した回収電力を直流電力に変換して蓄電池３３に供給する電力変換回路である。すなわち、この受電回路３２は、蓄電池３３の充電状態に応じた充電電流を蓄電池３３に供給することにより蓄電池３３を充電する。本実施形態の受電回路３２は、複数の集電コイル３１のそれぞれと電気的に接続されている。なお、受電回路３２は、各集電コイル３１毎に設けても、また、レール２の一方と他方でそれぞれに分けて設けてもよい。

蓄電池３３は、停車ステーション２０側に設けられた十分な電力を蓄えることが可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等である。蓄電池３３に蓄えられた電力は、例えば停車ステーション２０に設けられた不図示の照明装置やホームドア等の駆動電力として使用することができる。なお、集電装置３０は、回収した電力を給電回路２２に供給し、非接触給電の電力の一部として使用させる構成であってもよい。

次に、このように構成された非接触給電システム１の給電動作及び集電装置３０の集電動作について説明する。
非接触給電システム１は、図１に示すように、移動車両１０と停車ステーション２０との間で非接触給電を行うものである。給電に関しては、給電コイル２１と受電コイル１１との間の電力伝送に磁界共鳴方式を採用しており、移動車両１０及び停車ステーション２０の両方に設けられた共鳴コイルの位置ずれに強く、高効率且つ長距離の電力伝送を実現できる。

非接触給電では、給電コイル２１と受電コイル１１との間に発生する磁界ａによって、レール２に誘導電流が発生してしまうことがある。この誘導電流の発生は、電力の損失であり、効率低下の要因となる。このため、非接触給電システム１は、レール２に流れる誘導電流が発生する磁束ｂを、集電コイル３１を備える集電装置３０によって電力として回収するようになっている。

集電装置３０は、誘導電流によってレール２の周りに発生する磁束ｂと鎖交する集電コイル３１を備える。この構成によれば、非接触給電の際に給電コイル２１と受電コイル１１との間に発生する磁界ａの影響で、周辺に配置されたレール２に誘導電流が流れても、その誘導電流が発生する磁束ｂを集電コイル３１と鎖交させて電力として回収することができる。具体的には、集電コイル３１に磁束ｂが鎖交すると、電流が発生し、その電流を受電回路３２で整流し、蓄電池３３に回収することができる。

本実施形態の集電コイル３１は、レール２の両サイドに設けられている。レール２に発生した誘導電流は、レール２の長手方向（図１において紙面垂直方向）に流れる。そうすると、レール２の長手方向に対して垂直に同心円状の磁界が形成される。このため、レール２の両サイドに集電コイル３１を設けることで、レール２の周りに発生する磁束ｂと鎖交しやすくすることができ、集電率を高めることができる。また、レール２に発生した誘導電流がレール２の長手方向に流れると、その長手方向に磁界が発生する領域が所定長さで形成されるため、図２に示すように、レール２の長手方向に沿って集電コイル３１を複数設けることで、レール２に沿って電力を回収でき、集電率を高めることができる。

このように、上述の本実施形態によれば、給電コイル２１を有する停車ステーション２０と、受電コイル１１を有する移動車両１０とを具備し、給電コイル２１から受電コイル１１に非接触給電を行う非接触給電システム１であって、給電コイル２１の周辺には、非接触給電の際に誘導電流が流れるレール２が配置されており、誘導電流によってレール２の周りに発生する磁束ｂと鎖交する集電コイル３１を備える集電装置３０を有する、という構成を採用することによって、レール２に流れる電流が発生する磁束を電力として回収し、電力の損失を抑えることができる非接触給電システム１が得られる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
図３は、本発明の第２実施形態における集電装置３０の集電コイル３１の配置を示す平面図である。
第２実施形態では、図３に示すように、集電コイル３１の配置が上記実施形態と異なる。

第２実施形態の集電装置３０は、レール２の周りに発生する磁束と鎖交する集電コイル３１（以下、第１集電コイル３１ａと称する）と、さらに、給電コイル２１と受電コイル１１との間から直接漏れ出す漏れ磁束ｃと鎖交する集電コイル３１（以下、第２集電コイル３１ｂと称する）と、を備える。第２集電コイル３１ｂは、一対のレール２の内側であって、給電コイル２１に隣接して配置されている。なお、第２集電コイル３１ｂは、図１に示す受電回路３２と接続されており、電力を蓄電池３３に回収できるようになっている。

図３に戻り、第２集電コイル３１ｂは、その中心軸が上向きとなるような姿勢で配置されている。本実施形態のように、給電コイル２１と受電コイル１１との対向方向に中心軸を沿わせる姿勢で配置すれば、第２集電コイル３１ｂはより多くの漏れ磁束ｃと鎖交することが可能となる。第２集電コイル３１ｂを設ける範囲は、少なくとも給電コイル２１の長手方向における長さ以上の範囲とすることが好ましく、また、レール２から電力を回収する第１集電コイル３１ａよりも回収範囲が狭いため、第１集電コイル３１ａを設ける範囲以下とすることが好ましい。

上記構成の第２実施形態によれば、非接触給電の際に給電コイル２１と受電コイル１１との間に発生する磁界ａ（図１参照）の影響で、レール２の周りに発生する磁束ｂ（図１参照）は第１集電コイル３１ａと鎖交させ、給電コイル２１と受電コイル１１との間からの漏れ磁束ｃは第２集電コイル３１ｂと鎖交させて回収することができる。このように、第２実施形態によれば、第２集電コイル３１ｂを設けることで、漏れ磁束ｃを電力として回収することができるため、電力の損失をより抑えることができる非接触給電システム１が得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、給電コイル２１または受電コイル１１の周りに配置される導体としてレール２を例示したが、この構成に限定されるものではない。例えば、このような導体としては、移動車両１０または停車ステーション２０に設けられている金属ワイヤー、金属配線、鉄骨等が挙げられる。したがって、これらの導体の周りに集電コイル３１を配置してもよい。しかし、電車であれば、レール２が最も磁界ａに近づき影響を受けるため、レール２から電力を回収する方が効率がよい。
また、レール２から電力を効率よく回収するため、集電コイル３１を配置した範囲のレール２を、絶縁体の配置若しくは空隙の形成により、他の範囲のレール２から電気的に分断し、発生した誘導電流がグランドに容易に落ちないように構成してもよい。

また、例えば、上記実施形態では、地上側の停車ステーション２０から給電して移動車両１０の底部に給電すると説明したが、給電の方向性は問わない。例えば、壁から移動車両１０の側部あるいは前部あるいは後部に給電してもよいし、天井から移動車両１０の屋根部に給電する構成であってもよい。

また、例えば、上記実施形態では、受電コイル１１が移動車両１０に設けられ、給電コイル２１が停車ステーション２０に設けられる場合を例示したが、この構成に限定されることなく、例えば受電コイル１１が停車ステーション２０に設けられ、給電コイル２１が移動車両１０に設けられていてもよい。また、集電装置３０は、移動車両１０側に設けられていてもよく、また、移動車両１０及び停車ステーション２０の両側に設けられていてもよい。また、移動車両１０に集電装置３０を設けた場合、回収した電力を移動車両１０の電動機や車内照明等の駆動電力に利用することができる。

また、本発明は、受電装置及び給電装置の少なくともいずれか一方が、移動車両であっても、船舶や潜水艦、航空機等の移動体等であっても適用することができる。

また、例えば、本発明は大きな位置ずれを許容可能な磁界共鳴方式の非接触給電と組み合わせることにより特に効果を発揮するが、電磁誘導方式など他の方式の非接触給電と組み合わせてもよい。

また、例えば、上記各実施形態の構成の置換、組み合わせは適宜可能である。

１…非接触給電システム、２…レール（導体）、１０…移動車両（受電装置）、１１…受電コイル、２０…停車ステーション（給電装置）、２１…給電コイル、３０…集電装置、３１…集電コイル、３１ａ…第１集電コイル、３１ｂ…第２集電コイル、ａ…磁界、ｂ…磁束、ｃ…漏れ磁束

Claims (5)

1. 給電コイルを有する給電装置と、受電コイルを有する受電装置とを具備し、前記給電コイルから前記受電コイルに非接触給電を行う非接触給電システムであって、
   前記給電コイルまたは前記受電コイルの周辺には、前記非接触給電の際に誘導電流が流れる導体が配置されており、
   前記誘導電流によって前記導体の周りに発生する磁束と鎖交する集電コイルを備える集電装置を有する、ことを特徴とする非接触給電システム。
2. 前記集電装置は、さらに、前記給電コイルと前記受電コイルとの間からの漏れ磁束と鎖交する第２集電コイルを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電システム。
3. 前記給電装置及び前記受電装置の少なくともいずれか一方は、移動車両であり、
   前記導体は、前記移動車両の軌道を形成するレールである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の非接触給電システム。
4. 前記集電コイルは、前記レールの両サイドに設けられている、ことを特徴とする請求項３に記載の非接触給電システム。
5. 前記集電コイルは、前記レールの長手方向に沿って複数設けられている、ことを特徴とする請求項３または４に記載の非接触給電システム。

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