JP3473455B2 - 移動体の給電線重畳通信装置 - Google Patents
移動体の給電線重畳通信装置Info
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Description
重畳通信装置の改良に関し、電力を移動体に供給する給
電線に、信号を重畳させて移動体から安定した信号を受
信できるものである。
地上側に接地された電源部に走行レールに沿って配線さ
れた給電線が接続されており、地上側には走行レールに
移動可能に設けられた移動体に指令を与える固定された
送信部が設置されている。
の動作を以下に説明する。移動体を運転させるために電
源装置から給電線に高調波電流を供給する。信号送信部
は、変調器を介して送信用コイルから送信信号を給電線
を流れる高調波電流に重畳して送信する。
信用コイルで受信すると、信号受信回路は指令信号を受
信する。また、給電用コイルが受信した電力を負荷に供
給する。
動体の給電線重畳通信装置は下記の問題が考えられる。
第1に、給電線に低レベルの信号電力を重畳させると、
電力電流が送信用コイルの磁気的結合により信号送信部
に流れ込み、信号送信部からの信号電流の流れに影響を
与え、信号の送信機能が低下するという問題があった。
0KHz程度で行われている。よって、移動体で電力と
分離して信号を抽出するには、電力周波数と信号周波数
とを離した方が良いので、信号周波数を数MHz以上に設
定することが望ましい。が、数MHz以上に設定すると、
給電線の表皮効果により信号のインピーダンスが非常に
高くなり信号電力を送りにくくなる。そこで、信号周波
数は100〜300KHz程度の設定になるので、上記
給電線重畳通信装置の構成では、受信部におけるS/N
比が悪くなり、パワーが大きく、大きな装置になるとい
う問題点があった。
されたもので、信号が安定して送信できると共に、信号
回路のS/N比が高く、パワーの少ない移動体の給電線
重畳通信装置を提供するものである。
の給電線重畳通信装置は、移動体を走行させる走行レー
ルに沿って設けられると共に、上記移動体に電流を供給
する給電線と、上記移動体に供給する第1の周波数で交
流電力を発生する電力発生手段と、コンデンサを有し、
この電力発生手段の電圧の特定周波数を濾過すると共
に、上記給電線に電流を流すフィルター手段と、上記移
動体に設けられると共に、上記給電線から電磁誘導によ
り電力を受け取る受電手段と、上記第1の周波数の10
倍程度でかつ整数倍でない第2の周波数の信号電圧を発
生する信号発生手段と、この信号発生手段の該信号電圧
を、送信用コンデンサを介して上記給電線に流れる電流
に電磁誘導により重畳させる送信用電磁結合手段と、上
記移動体に設けられると共に、上記給電線から電磁誘導
により上記信号電流を受信する信号受信手段と、を備
え、上記フィルター手段を構成するコンデンサの両端に
上記給電線を接続することによりループを形成し、上記
移動体は上記給電線から電力を非接触で受電するととも
に信号を非接触で受信するようにしたことを特徴とする
ものである。
装置は、上記送信用コンデンサの静電容量値をC2 、
上記送信用電磁結合手段のインダクタンス値をL4 、
上記第2の周波数値をf2とした場合、(2πf2 )2
L4C2≒1の関係を有するようにしたことを特徴とする
ものである。
の形態を図1から図5によって説明する。図1は移動体
の給電線重畳通信装置の全体構成図、図2は給電線の電
流波形図である。図1において、例えば10KHzの第
1の周波数により方形波電圧を発生する電力発生手段と
しての電圧型のインバータ100の出力にインバータ1
00の方形波電圧を、図2に示す正弦波にせしめるリア
クトル102とコンデンサ104とから成るLCフィル
タが設けられている。
絶縁材料で被覆された給電線106により例えば長さ2
0〜100mのループが形成されており、信号送出手段
としての信号送出回路120は、インバータ100の出
力近傍に固定して設けられており、給電線106に沿っ
て移動可能な移動体130は、給電線106から電力及
び信号を非接触で受電及び受信される。
して例えば105KHzの信号電源(信号発生手段)1
22を送信用コンデンサ124を介して、トロイダルコ
ア126に巻き回されたコイル128に接続されてい
る。トロイダルコア126の空間部には、給電線106
を貫通せしめて送信用電磁結合手段を形成して電磁誘導
作用により信号電流を図2に示すように電力電流に重畳
されるように構成されている。
を非接触で受電する受電手段としての受電部140と、
信号送出回路120からの信号を給電線106を介して
非接触で受信する信号受信手段としての信号受信部15
0とを備えており、受電部140には、E字型に形成さ
れたフェライトから成るコア142を有し、コア142
の各凹部には給電線106を各1本挿通し、中央突出部
にコイル144が巻き回されており、コイル144の両
端が負荷146及びコンデンサ148に接続されること
で、給電線106を流れる高周波電流が生成する交番磁
界をコイル144に誘導して電力周波数においてコンデ
ンサ148と並列共振させて負荷146に非接触で電力
を供給するように構成されている。
な形状、材料から成るコア152を有し、中央突出部に
コイル154が巻き回されており、コイル154の両端
が信号受信回路156に接続されることで、給電線10
6を流れる高周波電流が生成する交番磁界を電磁誘導に
よりコイル154に誘導せしめる受信用電磁結合手段を
成し、このコイル154の出力が信号受信回路156に
供給されるように構成されている。
って説明する。図3において、L2は給電線106の給
電線等価コイル、L4は送信用コイル128と給電線1
06との送信側相互誘導を示す送信側等価コイル、L5
は電力受電コイル144と給電線106との受電側相互
誘導を示す受電部側等価コイル、L6は信号受信コイル
154と給電線106との受信側相互誘導を示す受信側
等価コイルである。なお、受電部側コイルL5とコンデ
ンサC3とにより並列共振回路Pwが形成されている。
る電気的な等価回路で示すと図4となる。図4の等価回
路になる理由は、図3において、インバータ100は電
圧形のため短絡とみなせる。信号周波数105KHzに
対しては、コンデンサC1が短絡とみなせるのは、コン
デンサC1のインピーダンスが十分低いからである。並
列共振回路Pwが短絡とみなせるのは、並列共振回路P
wは電力周波数10KHzで共振するようにしているの
で、インピーダンスが十分低いからである。
的な等価回路で示すと図5となる。図5の等価回路にな
る理由は、図3において、送信側等価コイルL4が短絡
とみなせるのは、電力周波数10KHzに対するインピ
ーダンスは低いためである。また、送信用コンデンサC
2が開放とみなせるのは、送信用コンデンサC2は送信側
等価コイルL4と信号周波数で共振させるので、静電容
量は十分低くなり、該インピーダンスは1/ωC2で、
電力周波数ではインピーダンスが高くなるからである。
また、受信側等価コイルL6が短絡とみなせるのは、イ
ンダクタンスが十分小さく、該インピーダンスが電力周
波数において非常に小さくなるからである。なお、図5
において、抵抗RLは負荷146の等価抵抗である。
信側等価コイルL4が短絡とみなせ、且つ、送信用コン
デンサC2が開放とみなせるから電力電流Iwが信号送
出回路120の信号電源122に流れ込みが極めて少な
くなるのである。
妥当性を各コイルのインダクタンス,各コンデンサの静
電容量に数値を代入して確認する。図3において、コイ
ルL1のインダクタンスは20μH、コンデンサC1の静
電容量はコイルL1とコンデンサC1とを電源周波数10
KHzで共振させると、周知のLC直列回路の共振周波
数fr=1/{2π(L1C1)1/2}より12.7μFと
なる。給電線等価コイルL2のインダクタンスは例えば
長さが50mの場合、実測値で50μH、送信側等価コ
イルL4及び受信側等価コイルL6のインダクタンスは実
測値でそれぞれ3μH程度となる。
等価コイルL4と送信用コンデンサC2とを信号周波数
105KHzで共振させると、周知のLC直列回路の共
振周波数fr=1/{2π(L4C2)1/2}より0.77
μFとなる。受電側等価コイルL5は実測で100μH、
コンデンサC3の静電容量は受電側等価コイルL5とコン
デンサC3とを電力周波数10KHzで共振させると、
周知のLC並列回路の共振周波数fr=1/{2π(1
/L5C3−R2/L5 2)1/2}より2.5μFとなる。
インピーダンス、すなわち、コンデンサC1とコイルL1
との並列共振回路Piの|ZRi|、受電側並列回路Pw
の|Zw|、給電線等価コイルL2の|ZL2|を計算する。 |ZRi|=|ωL1/(1―ω2L1C1)|=0.12Ω・・・・(1) |Zw|=|ωL5/(1―ω2L5C3)|=0.61Ω・・・・・(2) |ZL2|=ωL2=33Ω・・・・・・(3)
回路Pwのインピーダンスは、給電線等価コイルのイン
ピーダンスに比べて極めて低いので、並列共振回路Pi
及び受電側並列回路Pwを短絡とみなすことができる。
ス|Z|すなわち、給電線等価コイルL2の|ZL2|、送信側
等価コイルL4の|ZL4|、受信側等価コイルL6の|ZL
6|、送信用コンデンサC2の|ZC2|を計算する。
ダンスは、給電線等価コイルL2のインピーダンスに対
して無視できるので、送信側等価コイルL4の回路は短
絡とみなせる。送信用コンデンサC2のインピーダンス
は、送信側等価コイルL4のインピーダンスに比べて極
めて大きいので、解放とみなすことができる。
の入力部に並列に受信用コンデンサ200を接続して、
この受信用コンデンサ200を受信側等価コイルL6と
並列回路を成して、信号周波数により共振させるように
構成にすれば、信号受信回路156の受信レベルが増大
するため、より信頼性の高い信号の送受信が可能とな
る。
を図4によって説明する。図4おいて、送信用コンデン
サC2と送信側等価コイルL4は周波数fr=1/{2π
(L4C2)1/2}を信号周波数で送信するように構成さ
れている。かかる構成によれば、給電線106を流れる
信号周波数における電流I3は給電線等価コイルL2及び
受信側等価コイルL6のインダクタンスには無関係にな
る。かかる理由を以下に説明する。
る。 I3=I1×Z2/(Z2+Z3)・・・・・・・・・・・
・・・・(20) ここに、I1=E/Z0,Z2=jωL4,Z3=jω(L2
+L6) Z0=(1/jωC2)+{(−ω2L4LT/(Z2+
Z3))・・・(21) (2πf2)2L4C2≒1の関係を有すると、 よって、I3=E/(1/jωC2)・・・・・・・・・
・・・・・・・(22)
6に流れる信号電流I3は信号電源の電圧E、信号周波
数,送信用コンデンサC2の静電容量のみで決まる一定
電流となり、信号回路から見たインピーダンスを低くす
ることができ、給電線106のインピーダンスとは無関
係に、低いレベルの信号電圧値でも大きな信号電流を給
電線106に重畳することができるため、小型化で信頼
性の高い信号受信回路を得ることができる。
2,上記送信用電磁結合手段のインダクタンス値をL4,
この送信用電磁結合手段から見たインダクタンス値、す
なわち、例えば給電線等価コイルのインダクタンス値、
受電側等価コイルL5等の和をLT,上記第2の周波数値
をf2とすると、(2πf2)2{L4LT/(L4+
LT)}C2≒1の関係を有するように構成すれば、信号
電源から見たインピーダンスは非常に低い電圧で信号を
送ることができ、効率良く信号電流を給電線106に重
畳することができる。
を105KHzに設定したが、以下の理由による。第1
に、電力周波数に対して信号周波数を10倍以上にとれ
ば電力に重畳された信号波をフィルタ等で十分に分離す
ることが可能である。第2に、信号周波数を電力周波数
の整数倍にしないのは電力周波数の整数倍の高調波成分
が給電線106に流れるため、信号周波数との合致を防
ぐためである。
走行レールに沿って設けられると共に、上記移動体に電
流を供給する給電線と、上記移動体に供給する第1の周
波数で交流電力を発生する電力発生手段と、コンデンサ
を有し、この電力発生手段の電圧の特定周波数を濾過す
ると共に、上記給電線に電流を流すフィルター手段と、
上記移動体に設けられると共に、上記給電線から電磁誘
導により電力を受け取る受電手段と、上記第1の周波数
の10倍程度でかつ整数倍でない第2の周波数の信号電
圧を発生する信号発生手段と、この信号発生手段の該信
号電圧を、送信用コンデンサを介して上記給電線に流れ
る電流に電磁誘導により重畳させる送信用電磁結合手段
と、上記移動体に設けられると共に、上記給電線から電
磁誘導により上記信号電流を受信する信号受信手段と、
を備え、上記フィルター手段を構成するコンデンサの両
端に上記給電線を接続することによりループを形成し、
上記移動体は上記給電線から電力を非接触で受電すると
ともに信号を非接触で受信するようにしたので、信号発
生手段から信号が安定して給電線を介して送信できると
共に、移動体におけるS/N比が高く、信号発生手段の
パワーが少なくても良いという効果がある。
加え、送信用コンデンサの静電容量値をC2 、送信用
電磁結合手段のインダクタンス値をL4 、第2の周波
数値をf2とした場合、(2πf2 )2L4C2≒1の関
係を有するようにしたので、電力発生手段からの電力電
流が送信用電磁結合手段を介して信号発生手段に流れ込
みにくくなるという効果がある。
線重畳通信装置の全体構成図である。
電流波形図である。
気的な等価回路である。
回路である。
回路。
線、122 信号電源(信号発生手段)、124 送信
用コンデンサ、130 移動体、140 受電部(受電
手段)、150 信号受信部(信号受信手段)、200
受信用コンデンサ。
Claims (2)
- 【請求項1】 移動体を走行させる走行レールに沿って
設けられると共に、上記移動体に電流を供給する給電線
と、 上記移動体に供給する第1の周波数で交流電力を発生す
る電力発生手段と、コンデンサを有し、 この電力発生手段の電圧の特定周波
数を濾過すると共に、上記給電線に電流を流すフィルタ
ー手段と、 上記移動体に設けられると共に、上記給電線から電磁誘
導により電力を受け取る受電手段と、 上記第1の周波数の10倍程度でかつ整数倍でない第2
の周波数の信号電圧を発生する信号発生手段と、 この信号発生手段の該信号電圧を、送信用コンデンサを
介して上記給電線に流れる電流に電磁誘導により重畳さ
せる送信用電磁結合手段と、 上記移動体に設けられると共に、上記給電線から電磁誘
導により上記信号電流を受信する信号受信手段と、 を備え、 上記フィルター手段を構成するコンデンサの両端に上記
給電線を接続することによりループを形成し、 上記移動体は上記給電線から電力を非接触で受電すると
ともに信号を非接触で受信するようにした ことを特徴と
する移動体の給電線重畳通信装置。 - 【請求項2】 上記送信用コンデンサの静電容量値をC
2,上記送信用電磁結合手段のインダクタンス値をL4,
上記第2の周波数値をf2とした場合、 (2πf2 )2L4C2≒1の関係を有するようにしたこ
とを特徴とする請求項1に記載の移動体の給電線重畳通
信装置。
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1998
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