JP3900822B2 - 非接触で給電される移動体の電源回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触で給電されて走行する移動体の電源回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば工場等の施設内において、主に機器、部品等を搬送する役割を持つ移動体（台車等）を用いる搬送システムが構築されている場合がある。このようなシステムとして、例えば車輪を備える移動体が、敷設されているレール上を、モータ等で自力走行するものが知られている。これに限らず、例えば搬送台車を磁気にて浮上させる構成等であってもよいが、とにかく、移動体自体が走行の為に電力を必要とする構成において、従来では、移動体にバッテリーを搭載した構成が知られている。
【０００３】
しかしながら、このようなバッテリーを搭載した移動体を、長時間連続運転するには、大型のバッテリーを搭載する必要がある。また、連続運転するにも限界があり、バッテリーの充電や交換作業が必要となる。
これに対して、移動体（台車）にはバッテリーを搭載せずに、台車への給電を、搬送路に沿って設けた高周波の正弦波電流を流す誘導線路と、誘導線路と数ミリのギャップで向き合う形で台車に取付けた鉄心を有するコイルに誘起される高周波電力として給電する方法が提案されている。
【０００４】
しかしながら、この方法では、例えば長距離の搬送路に複数の高周波電源で通電する場合やループ状の搬送路に通電する場合、通電が途切れない形で誘導線路を敷設することができない為、搬送路中に台車に電力供給できない区間が存在してしまう。
【０００５】
これに対して、例えば特開平８−９８４３８号公報に記載の方法が提案されている。この方法では、上記誘導線路で電力供給する構成において、台車に車載バッテリー６（鉛蓄電池等）を搭載し、走行中でもバッテリーの充電を行えると共に、上記誘導線路による電力供給ができない部分（無給電区間）においてはバッテリーによって走行することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平８−９８４３８号公報の方法では、以下に述べる問題点があった。
（１）バッテリーは、充放電繰り返し回数に限界がある為、バッテリーの定期交換の必要がある（例えば１〜２年おきに交換）。
（２）バッテリーは、充電に時間が掛かるため、台車が頻繁に無給電区間を通過すると、バッテリー容量が低下する。
（３）バッテリーは、低温に弱いため、屋外での使用や、冷凍庫での使用が制限される。
（４）バッテリーは、内部抵抗が高いため、急速な放電ができず、台車の発進時や加速時に必要な瞬間的に大きなパワーが得られない。
（５）特開平８−９８４３８号公報の回路では、バッテリーが放電された状態では、高周波誘導による給電は、まずバッテリーの充電に費やされるため、台車を直ちに始動することができない。
【０００７】
本発明の課題は、非接触で給電される移動体において、駆動装置への給電と電池の充電を同時に行うことができ、どのような状態であっても移動体を問題なく走行させることができる電源回路を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による電源回路は、移動体の走行路に沿って設けられる給電線から非接触で給電される該移動体の電源回路において、充放電できる電池を有し、前記給電線からの給電を受けられるときには、前記非接触で給電された電力を前記駆動装置側に供給すると共にその一部が該電池の充電に用いられるように分配し、前記給電線からの給電を受けられないときには、該電池により前記駆動装置への給電を行わせる給電／充放電回路を有するように構成する。
【０００９】
上記構成の電源回路は、充放電できる電池を備えることで、給電線が設けられいない区間（無給電区間）においても、この電池により移動体を走行可能とすると共に、給電線が設けられている区間ではこの電池を充電するが、その際に、給電される電力の一部のみが電池の充電に用いられるようにすることで、電池側に充電電流が流れ過ぎて駆動装置側に供給する電力が不足する（走行できない）ような事態が起こらないようにできる。
【００１０】
例えば、前記電池への充電電流を制限する制限抵抗を設けることで、たとえ電池が空（完全放電）に近い状態であっても、移動体が走行（始動）できなくなるようなことはなくなる。
また、例えば、前記給電／充放電回路の後段にＤＣ−ＤＣコンバータを備える構成である場合には、前記制限抵抗の値は、前記電池の状態に係わらず、該制限抵抗の両端に掛かる電圧を加えることによって前記ＤＣ−ＤＣコンバータの最低入力電圧を下回らないようにできる値とする。
【００１１】
このように制限抵抗の抵抗値を適切な値としておくことで、たとえ電池が空（完全放電）に近い状態で電圧が下がっていても、ＤＣ−ＤＣコンバータの最低入力電圧を下回らないようにでき、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して駆動装置側に電力供給するのに、何等問題が起こらないようにできる。
【００１２】
また、例えば、前記電池として、電気二重層コンデンサを用いることにより、急速充電できるので移動体が頻繁に無給電区間を通過しても問題ない、急速放電できるので発進時や加速時に必要な瞬間的に大きなパワーが得られる、容量が大きいので比較的長い間無給電で走行できる、等の様々な効果が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本例による移動体に搭載される電源回路の構成の一例を示す図である。
【００１４】
同図において、給電線１０は、上記誘導線路と略同様に、移動体の走行路に沿って設けられ、高周波の正弦波電流が流される電線である。
移動体（以下、搬送台車を例にする）には、受電コア２ａ、２ｂ、整流回路３、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、ＤＣ／ＤＣコンバータ５、インバータ６、ダイオードＤ５、Ｄ６、制限抵抗７、電気二重層コンデンサ８より成る電源回路１が備えられ、この電源回路１よりモータ９に電力供給され、モータ９が駆動されて、搬送台車は走行する。例えば、搬送台車には車輪が備えられ、走行路としてはレールが敷設されており、このレール上を搬送台車は走行する。
【００１５】
尚、モータ９はＡＣモータに限るものではないので電源回路の構成は同図に示すものに限らない。
同図において、まず、受電コア２ａ、２ｂは、鉄心などの磁性体にコイルが巻かれた構成で、給電線１０との間隔が所定の値（例えば数mm（ミリメートル）程度）となるように搬送台車上の任意の位置に配置されている。尚、同図では、受電コアを２つ用いて、これらを直列に接続した構成（誘電電力が大きくなる）を示したが、これに限るわけではなく、例えば受電コアは１つであってもよい。
【００１６】
上記の通り、給電線１０には高周波電流が流されており、これが受電コア２ａ、２ｂのコイルで電磁誘導されて、非接触で電源回路１側に高周波電流が供給されることになる。受電コア２ａ、２ｂを介して供給される高周波電流は、整流回路３により直流電流に変換される。整流回路３は、例えば図示のようにダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、及びコンデンサＣから成るＡＣ−ＤＣ変換を行う回路であり、コンバータとも呼ばれる。尚、整流回路には、ダイオードを用いる構成の他にサイリスタを用いるものが知られている。
【００１７】
整流回路３からの出力電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４により、電気二重層コンデンサ８の充電電圧に変換される。
本例の電源回路の特徴は、ダイオードＤ５、Ｄ６、制限抵抗７、及び電気二重層コンデンサ８より成る回路（給電／充放電回路と呼ぶ）にある。すなわち、例えば、電気二重層コンデンサ８が空（完全放電）状態であった場合、もし制限抵抗７が無いと、ＤＣ／ＤＣコンバータ４から出力される電力（電流）は、まず、電気二重層コンデンサ８の充電の為に費やされるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ５側にはモータ９を駆動するのに必要な電力が供給されず、搬送台車が始動されないことになる（モータ９は、当該搬送台車を自力走行させる為の駆動装置の一例である）。更に、ＤＣ／ＤＣコンバータ５には入力電圧の下限（最低入力電圧）がある。この為、もし制限抵抗７が無いと、電気二重層コンデンサ８が満充電状態であるときには電気二重層コンデンサ８の両端に現われる電圧は上記下限値を充分に越える値となっていても、電気二重層コンデンサ８が空（完全放電）の状態では、電気二重層コンデンサ８の両端に現われる電圧値は、当然、満充電状態のときよりかなり低くなるので、上記下限値を下回ってしまう。
【００１８】
本例では、制限抵抗７（充電電流制限用抵抗）を設けたことにより、ダイオードＤ５を介して電気二重層コンデンサ８に供給される充電電流が絞られると共に、電気二重層コンデンサ８がどのような状態であっても常にＤＣ／ＤＣコンバータ５の最低入力電圧を越える電圧を印加することができる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５への入力電圧は「電気二重層コンデンサ８の電圧＋制限抵抗７に掛かる電圧」となるので、この値が電気二重層コンデンサ８が空（完全放電）のときでも上記下限値を上回るように制限抵抗７の抵抗値を決定しておけばよい。
【００１９】
また尚、上記説明では、電気二重層コンデンサ８が空（完全放電）の状態を例にしたが、これに限らず、ある程度放電している状態（電圧が下がり、充電が必要な状態）でも同じである。
このように、図１の回路によれば、たとえ電気二重層コンデンサ８が空（完全放電）の状態であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ４から出力される電力のほとんどが、電気二重層コンデンサ８の充電に費やされるということはなく、更にＤＣ／ＤＣコンバータ５の最低入力電圧を下回ることなく、直ちに台車を始動することができる。すなわち、どのような状態においても、コンデンサの充電とモータ９への十分な給電を同時に行うことができる。
【００２０】
更に、上述した説明では、電気二重層コンデンサを用いるものとして説明したが、これに限るものではなく、モータ９を十分に駆動できるものであれば他のコンデンサを用いてもよい。また、その他各種２次電池を用いるようにしてもよい。ここでは、これら全てを含むものを「（繰り返し）充放電できる電池」と表現する。
【００２１】
但し、電気二重層コンデンサを用いる場合には、以下のメリットが得られる。
（１）充放電繰り返し回数に制限がない為、定期交換の必要がない。
（２）急速に充電されるので、台車が頻繁に無給電区間を通過しても、何等支障はない。
（３）低温に強いため、屋外や冷凍庫の中でも使用できる。
（４）急速放電できるので、発進時や加速時に必要な瞬間的に大きなパワーが得られる。
（５）ハイパワー密度／小形高エネルギー密度を特徴とし、容量が大きいので、比較的長い無給電区間を走行できる。
（６）完全放電しても、何等問題なく、再充電できる。
【００２２】
上記ダイオードＤ５、Ｄ６、制限抵抗７、及び電気二重層コンデンサ８より成る回路を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ５に入力される電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５によりインバータ６の入力電圧に変換される。尚、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、負荷変動（モータ９の負荷変動）に対応する役割も持つ。
【００２３】
インバータ６は、直流を、任意の周波数／電圧を持つ交流に変換するＤＣ−ＡＣ変換（逆変換）回路であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ５より出力される直流電力を、モータ９を駆動する周波数／電圧を持つ交流電力に変換する。給電線１０による電力供給が受けられる区間では、このようにしてモータ９に電力供給されて、搬送台車は走行することができる。
【００２４】
上記のように、台車が給電区間（走行路沿いに給電線１０が存在し、給電を受けられる区間）を走行しているときには、給電された電力によりモータ９を駆動すると共に、電気二重層コンデンサ８の充電を行える。
一方、１つの電源で対応できる給電線１０の長さには限界があるので、例えば図２に示すように（図２は、移動体を用いた搬送システムの一例において、特に無給電区間の一例を説明する為の図である）、搬送台車１１が、走行路（図示の例では、レール１３）上を進行中に、ある電源１２−１による給電線１０−１から、別の電源１２−２による給電線１０−２に乗り移る間は、給電線１０による電力供給が途切れる区間（無給電区間）を走行することになる。尚、このような場合に限らず、例えば作業員の通り道を確保する必要がある場合、走行中の台車を一時格納するステーションを設けている場合等、様々な事情により、無給電区間が存在してしまうことになる。
【００２５】
搬送台車１１が、このような無給電区間を走行している間は、電気二重層コンデンサ８の放電によりモータ９に電力供給される。すなわち、給電線１０からの給電がストップすると、電気二重層コンデンサ８は放電を開始し、ダイオードＤ６を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ５側に電力供給される。その際、電気二重層コンデンサ８の端子電圧は、（少なくとも満充電時、及びその後しばらく放電を続けても）上記ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力電圧の下限（最低入力電圧が決まっている）を下回らないように構成されている。よって、必要に応じて、電気二重層コンデンサ８は、複数個の電気二重層コンデンサが直列に接続された構成としてもよい。
【００２６】
尚、台車の走行は、車輪に限るものではなく、例えば上記特開平８−９８４３８号公報のような磁気浮上台車であってもよい。この場合、モータ９は、リニアモータとなる。これら以外でも、移動体が、給電線１０との距離（特に、受電コア２ａ、２ｂと給電線１０との距離）をほぼ一定に保って走行できる構成であれば、何でもよい。
【００２７】
また、尚、上記移動体を用いる搬送システムは、工場等の施設内に限らず、屋外であっても構築できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明による非接触で給電される移動体の電源回路によれば、電池の状態に係わらず電池の充電を行うと共に移動体を走行可能にできる。更に電池として電気二重層コンデンサを用いることにより、台車が頻繁に無給電区間を通過しても、無給電区間が長くても、台車の走行に何等支障なく使用することができるようになる等、種々のメリットが得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】移動体に搭載される電源回路の構成の一例を示す図である。
【図２】移動体を用いた搬送システムの一例において、特に無給電区間の一例を説明する為の図である。
【符号の説明】
１ 電源回路
２ａ、２ｂ 受電コア
３ 整流回路
４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
６ インバータ
７ 制限抵抗
８ 電気二重層コンデンサ
９ モータ
１０ 給電線
１１ 搬送台車
１２−１、１２−２ 電源
Ｃ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６ ダイオード

Claims (2)

1. 移動体の走行路に沿って設けられる給電線から非接触で給電される該移動体の電源回路において、
   充放電できる電池を有し、前記給電線からの給電を受けられるときには、前記非接触で給電された電力を駆動装置側に供給すると共にその一部が該電池の充電に用いられるように分配し、前記給電線からの給電を受けられないときには、該電池により前記駆動装置への給電を行わせる給電／充放電回路を有し、
   前記給電／充放電回路は、前記電池への充電電流を制限する制限抵抗を有し、
   前記給電／充放電回路の後段にＤＣ−ＤＣコンバータを備え、前記制限抵抗の値は、前記電池の状態に係わらず、該制限抵抗の両端に掛かる電圧を加えることによって前記ＤＣ−ＤＣコンバータの最低入力電圧を下回らないようにできる値とすることを特徴とする電源回路。
2. 前記電池は、電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１記載の電源回路。

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