JP4122713B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有軌道台車等に非接触で電力を供給する給電装置に関し、詳しくは、該給電装置の回路構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体製造工場等、塵挨の発生が問題となるクリーンルームでは、物品を搬送するために、軌道上に搬送台車を走行させるようにした技術が知られている。
これら搬送台車の駆動源としては、通常はモータが使用され、このモータへの電力供給は、搬送台車の軌道に沿って架設された給電線からの電磁誘導によって行われる。
すなわち、電源装置と給電線等から成る一次側回路と、搬送台車のモータ等が接続される二次側回路とは非接触の状態に設けられて、該一次側回路へ交流電流を流し、電磁作用によって二次側回路へ給電が行われている。
この非接触給電方式には、二次側への給電を定電圧で行う装置と、定電流で行う装置とが知られている。
一般的には、給電線へ定電流方式で給電することが多く、というのも、負荷である有軌道台車が複数であっても、各有軌道台車に流れる電流は変化しないため、各有軌道台車で取り出せる電力が安定するからである。
有軌道台車が１台のみのシステムの場合には、給電線へ定電圧方式で給電することもある。というのも、定電圧方式では、負荷の状態に関わらず所定電圧、例えば、６００Ｖの定電圧に保つことができるため安全装置が簡単になり、構成がシンプルとなるからである。
尚、定電圧での給電装置と、定電流での給電装置とは、それぞれ特性の異なる専用の給電装置となり、よって、従来は、このどちらかの装置を選択して非接触給電装置を構成していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、定電流方式では、給電線の一端が外れたり、その接続が不十分であったりすると大きな抵抗を持ち、例えば、数ｋＶから数十ｋＶにもなる高電圧となるため、装置はおろか人間にも致命的障害を与える恐れが本質的にある。このため、安全装置が複雑になるという問題があった。
一方、定電圧方式では、給電線の一端が外れたりしても所定電圧以上流れないので本質的に安全ではあるが、複数の有軌道台車が配設されると、各有軌道台車を流れる電流が減るため、各有軌道台車で取り出せる電力が減るという問題があった。
そこで、本発明では、この定電圧方式の給電装置と、定電流方式の給電装置とのそれぞれの特性を鑑み、両給電装置の利点を活かした非接触給電装置を提供することを課題をする。
【０００４】
本発明は以上のような課題を解決すべく、次のような手段を用いるものである。
すなわち、請求項１記載の如く、有軌道台車の二次側回路に非接触で電力を供給する一次側回路を備えた給電装置において、該給電装置を、定電圧交流電源と、受動素子による変換回路とで構成し、
該変換回路は、４端子回路を構成し、４端子回路の入力端子の一方に第１リアクタと第１キャパシタとを直列に接続し、その出力側を分岐させ、一方には、第２キャパシタと第２リアクタとを直列に接続して、その出力側を４端子回路の出力端子の一方に接続し、分岐他方には、第３キャパシタを接続し、その出力側を４端子回路の入力端子の他方と出力端子の他方とを接続した共通端子に接続しており、
第１リアクタのリアクタンスをＬ_１、第１キャパシタのキャパシタンスをＣ_１、第３キャパシタのキャパシタンスをＣ_ｍ、定電圧交流電源の角周波数をω、Ｆ_１＝１−ω^２Ｌ_１Ｃ_１としたとき、
以下の数１の関係を満たすように、該変換回路の該受動素子の値を変更することにより、給電装置の一次側回路が定電流特性となり、
【数１】

また、以下の数２の関係を満たすように、該変換回路の該受動素子の値を変更することにより、給電装置の一次側回路における、前記第１リアクタと前記第１キャパシタとを直列に接続し、その出力側を分岐させた地点での電圧を定電圧として、給電装置の一次側回路が定電圧特性となる非接触給電装置とする。
【数２】

【０００５】
また、請求項２記載の如く、第１キャパシタのキャパシタンスＣ _１ の値を、定電圧特性（Ｆ _１ ＝０）を示すＣ _１ ＝１／ω ^２ Ｌ _１ より大きく、定電流特性（Ｆ _１ ＝−Ｃ _１ ／Ｃ _ｍ ）を示すＣ _１ ＝Ｃ _ｍ ／（ω ^２ Ｌ _１ Ｃ _ｍ −１）より小さくすることにより、給電装置の一次側回路が定電流特性と定電圧特性との中間の特性となることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置とする。
【０００６】
そして、請求項３記載の如く、前記出力端子に給電線が接続され、前記変換回路の第２リアクタの一部、又は全部を該給電線のリアクタで兼ねることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例の非接触給電システムについて図面を参照しながら説明する。
図１は給電線５・５（図２参照）から非接触で電力を供給する方式の有軌道台車システム１を備えた工場内の斜視図であり、同図の符号１２は工場内の有軌道台車システム１を構成する軌道であり、符号１３は搬送台車、符号１１は該有軌道台車システム１へ電力を供給する電源装置を示している。
前記軌道１２は、搬送台車１３の移動経路に敷設されており、該軌道１２に沿って銅線などの導電線を絶縁材料で被覆した給電線５・５が配置され、軌道１２側部に複数のステーション１０・１０・・・が配置され、搬送台車１３がステーション１０・１０・・・間を移動して一方のステーション１０から他方のステーション１０へ物品を搬送できるようにしている。
【０００８】
前記給電線５・５の一端には前記電源装置１１が設けられて、所定の周波数、例えばおよそ１０ｋＨｚで電力を供給できるようにしている。この搬送台車１３は軌道１２上を循環するように設置されており、電源装置１１から給電線５に高周波電流を供給している。該搬送台車１３は、給電線５・５から電力を得るための受電ユニット９を有し、その受電ユニット９が取り出す電力を利用して、モータを駆動させ軌道１２上を移動する。
【０００９】
図２は、有軌道台車システム１の受電ユニット９の断面図であり、給電方法及び受電ユニット９と給電線５の構成を説明する。
軌道１２を構成するレール２０が基面２１上に固定され、該レール２０上を搬送台車１３の車輪がモーターの駆動によって走行する。
【００１０】
前記レール２０上には断面視略Ｕ字型の給電線ホルダ２４がレール２０に沿って長手方向に固定され、該給電線ホルダ２４上端に後述するピックアップコイル４と反対側方を開放したＣ字状の給電線保持部２４ａ・２４ａが形成され、該給電線保持部２４ａ・２４ａに一対の往路と復路となす給電線５・５が架設されている。
【００１１】
前記給電線５を囲むように受電ユニット９が配置されており、該受電ユニット９はブラケット２６が搬送台車１３に固定され、該ブラケット２６には図示しないガイドローラが取り付けられて、該ガイドローラがレール２０または給電線ホルダ２４に当接するように配置して、両者の位置決めをしてレール２０に沿って走行する時に互いに干渉せず所定の間隔を保ちながら走行できるようにしている。
前記受電ユニット９のブラケット２６内には、断面が略Ｅ字型をしたフェライト製のコア３が固定され、該コア３の中央の突出部３ａにピックアップコイル４が巻かれている。
【００１２】
コア３は、両側の突出部３ｂ・３ｂとその間の中央の突出部３ａの間に形成した２つの空間（凹部）において、開口側と反対側寄り、つまり閉塞側（奥側）の空間の図における左右略中央内に給電線保持部２４ａ・２４ａを位置させて、給電線５・５をそれぞれ一本ずつ収納するようにしている。この給電線５・５に高周波電流を流すことによって生成する交番磁界を、ピックアップコイル４で受けるようにしている。そして、電磁誘導現象を利用し、受電ユニット９が、その磁束の変化によってピックアップコイル４に発生する電圧から電力を取り出す。このようにして、給電線５から受電ユニット９に非接触で電力を供給し、走行用のモーターを駆動したり、制御機器に電力を供給したりする。
【００１３】
図３は前記電源装置１１に用いられる変換回路の具体的構成を示す回路図であり、同図の符号ａ１、ａ２が入力端子、符号ｂ１、ｂ２が出力端子、符号３２、３５はリアクタ、符号３３、３４、３６はキャパシタである。
【００１４】
図４は前記電源装置１１の具体的構成を示す回路図であり、同図の符号３１は該電源装置１１の電力供給源である定電圧交流電源、符号３７は給電線５・５のリアクタンスと等価のリアクタである。尚、第２リアクタ３５の一部、又は全部を給電線５・５のリアクタンスで兼ねてもよい。このようにすることにより、システムにより給電線５・５の長さが変化することに伴うリアクタンスの変化を、給電線５・５、及び第２リアクタ３５のリアクタンスの調整だけで、変換回路に用いられる他の素子の値を変えることなく対応することができる。
【００１５】
図５は図４に示すリアクタ３５、３７のリアクタンスを合成して等価回路を形成し、それに負荷を加えたものである。
変換回路は、Ｔ型の４端子インピーダンス変換回路であって、ＬＣの受動素子により構成され、入力端子ａ１に第１リアクタ３２と第１キャパシタ３３とを順に直列に接続する。この第１キャパシタ３３の出力側を分岐させ、分岐させた一方には、第２キャパシタ３４と第２リアクタ３５とを順に直列に接続し、該第２リアクタ３５の出力側を４端子回路の出力端子ｂ１に接続する。第１キャパシタ３３の出力側から分岐させた他方には、第３キャパシタ３６を接続し、該第３キャパシタ３６の出力側を４端子回路の入力端子の他方の端子ａ２と出力端子の他方の端子ｂ２とを接続した共通端子に接続する。
【００１６】
次に、図５の回路図について考える。前記第１リアクタ３２のリアクタンスをＬ₁ 第２リアクタ３５と給電線５・５のリアクタ３７のリアクタンスＬ_2a、Ｌ_2bの合成リアクタンスをＬ₂ とし、前記キャパシタ３３、３４、３６のキャパシタンスをそれぞれＣ₁ 、Ｃ₂ 、Ｃ_m 、負荷のインピーダンスをＺ_L とする。第１リアクタ３２と第１キャパシタ３５との合成インピーダンスＺ₁ 、第２キャパシタ３４と第２リアクタ３５と給電線５・５のリアクタ３７と負荷との合成インピーダンスＺ₂ とし、第３キャパシタ３６のインピーダンスＺ_m とすると、それぞれのインピーダンスＺ₁ 、Ｚ₂ 、Ｚ_m はそれぞれ下記（１）、（２）、（３）式で表せる。
【００１７】
【数３】

【００１８】
ここで、ωは定電圧交流電源３１の角周波数、ｊは虚数単位（ｊ² ＝−１）であり、また、Ｆ₁ 、Ｆ₂ はそれぞれ、下記（４）、（５）式で定義されるものとする。
Ｆ₁ ＝１−ω² Ｌ₁ Ｃ₁ （４）
Ｆ₂ ＝１−ω² Ｌ₂ Ｃ₂ （５）
そして、定電圧交流電源３１の電圧をＥ、第１リアクタ３２、及び第１キャパシタ３３を流れる電流をＩ、第２キャパシタ３４、第２リアクタ３５、及び負荷３７を流れる電流をＩ₀ 、第３キャパシタ３６を流れる電流をＩ_m 、キャパシタ３３・３４間の分岐点における電位をＶ₁ とすると、電圧Ｅ、電位Ｖ₁ 、電流Ｉ_m は、それぞれ下記の（６）、（７）、（８）式で表せる。
【００１９】
【数４】

【００２０】
また、この（６）式を（７）式、（８）式にそれぞれ代入すると、下記（９）、（１０）式が得られる。
【００２１】
【数５】

【００２２】
上記（１０）式を変形すると、次の（１１）式が得られる。
【００２３】
【数６】

【００２４】
そうして、この（１１）式を（９）式に代入すると、下記の（１２）式、又は（１３）式が得られる。
【００２５】
【数７】

【００２６】
また、（１２）式を構成する項に、上記（２）、（３）式を代入すると、以下の（１４）、（１５）式となり、（１６）式が導き出せる。
【００２７】
【数８】

【００２８】
上記（１６）式の第１項は定数、第２項は変数となり、ここで、Ａを変数として、該（１６）式を下記（１７）式のように簡略化して表記する。
【００２９】
【数９】

【００３０】
そして、前記（１２）式に、（１６）、（１７）式を代入すると、（１８）式が得られる。
【００３１】
【数１０】

【００３２】
ここで、本回路が定電流回路、すなわち、前記第２リアクタ３５に流れる電流Ｉ₀ が一定となるための条件は、前記（１７）式の第２項の変数部分が次の（１９）式に示すように０となること、つまり、下記の（２０）式の関係式を満たすことである。
【００３３】
【数１１】

【００３４】
ここで、前記（２０）式のＦ₁ は前記（４）式で定義されるように、第１リアクタ３２のリアクタンスＬ₁ と、第１キャパシタ３３のキャパシタンスＣ₁ と、定電圧交流電源３１の角周波数ωとにより決定される定数で、よって、該第１リアクタ３２と第３キャパシタ３６とはそのままにして、第１キャパシタ３３のキャパシタンスＣ₁ を、前記（２０）式の関係式を満たすように選ぶ。
これにより、給電線５・５への給電が定電流で行われるのである。
【００３５】
次に、本回路が定電圧回路、すなわち、前記電位Ｖ₁ が一定となるための条件を検討する。前記（１８）式を前記（７）式に代入すると、次の（２１）式が得られる。
【００３６】
【数１２】

【００３７】
前記（２１）式において、下記の条件式（２２）式を満たすとき、出力電位Ｖ₁ は定電位となる。
【００３８】
【数１３】

【００３９】
前記（２２）式を展開すると、次の（２３）式から（２４）式へと変形できる。
【００４０】
【数１４】

【００４１】
すなわち、前記（２４）式において、Ｆ₁ ＝０のとき、出力電位Ｖ₁ は定電位となるのである。
この（２４）式のＦ₁ は前記（４）式で定義され、第１リアクタ３２のリアクタンスＬ₁ と、第３キャパシタ３６のキャパシタンスＣ_m とはそのままで、第１キャパシタ３３を、Ｆ₁ ＝０になるように選ぶ。
これにより、給電線５・５への給電が定電圧特性で行われるのである。
【００４２】
さらに、本発明では、前記定電流回路と前記定電圧回路との中間の特性を有する回路にも変更可能である。
つまり、前記（４）式を基に、第１キャパシタ３３のキャパシタンスＣ₁ の値を、定電圧特性（Ｆ₁ ＝０）を示すＣ₁ ＝１／ω² Ｌ₁ より大きく、定電流特性（Ｆ₁ ＝−Ｃ₁ ／Ｃ_m ）を示すＣ₁ ＝Ｃ_m ／（ω² Ｌ₁ Ｃ_m −１）より小さくする。
【００４３】
以上述べてきたように、第１キャパシタ３３のキャパシタンスＣ₁ の値を変えることで、変換回路を定電流特性と、定電圧特性と、定電流特性と定電圧特性の中間の特性との３種類の特性にすることができる。
特に、変換回路を定電流特性と定電圧特性の中間の特性にすることで、定電流回路を用いた電源装置のように複数の負荷を給電線５・５に設けても電流の変化が少なく、定電圧回路を用いた電源装置のように給電線が外れるなどにより負荷が急に大きくなっても所定電圧、例えば低電圧である６００Ｖ以下となる電源装置１１とすることができる。このため、過電圧に対する安全装置が簡便なものでよくなる。
【００４４】
尚、電源装置１１を定電流特性と定電圧特性の中間の特性となるようにしても、電源装置１１の定電圧交流電源３１を高周波電圧源インバータで構成し、給電線５・５に流れる電流を電流検出手段により検出し、所定の電流値となるように高周波電源インバータの出力Ｄｕｔｙを変える、つまり、＋電圧と、０と、―電圧とを切り替える時間の比を変えて所定の電流値とする制御装置を備えることにより、給電線電流を一定にすることができる。
【００４５】
本実施例では、第１キャパシタ３３のキャパシタンスＣ₁ の値のみを変えることで、変換回路の特性を変えようとしているが、変換回路に用いられるそれぞれの素子の値を調整してそれぞれの特性を変えるようにしてやればよい。例えば、定電流特性にするのに、第３キャパシタ３６のキャパシタンスＣ_m を前記（２０）式の関係式を満たすようにすればよい。また、定電圧特性にするのに、第１リアクタ３２と第１キャパシタ３３とを変えてＦ₁ ＝０を満たすようにすればよい。また、定電圧特性と定電流特性の中間の特性にするのに、前記（２４）式において、Ｆ₁ ＝０を満たすように第３キャパシタ３６のキャパシタンスＣ_m を変えてやればよい。また、その他等価回路によっては、必要な素子のリアクタンス、及びキャパシタンスの値を変えるようにする。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は以上の如く構成したので、以下の効果を奏するものである。
すなわち、請求項１のように、変換回路は、４端子回路を構成し、４端子回路の入力の一端を第１リアクタと第１キャパシタとを直列に接続し、その出力側を分岐させ、一方には、第２キャパシタと第２リアクタとを直列に接続して、その出力側を４端子回路の出力の一端に接続し、他方には、第３キャパシタを接続し、その出力側を４端子回路の入力の他端と出力の他端とを接続した共通端子に接続し、所定の関係を満たすように、該変換回路の該受動素子の値を変更することで、給電装置の特性を定電流特性、定電圧特性とに変えることができる
また、該変換回路をリアクタ、及びキャパシタの受動素子のみで構成でき、回路構成が簡単になって、故障が減り、信頼性の向上を図ることができる。
【００４７】
また、請求項２のように、所定の関係を満たすように、該変換回路の該受動素子の値を変更することで、給電装置の特性を定電流特性、定電圧特性、定電流と定電圧との中間の特性とに変えることができる。特に、定電圧特性と定電流特性の中間の特性とすることで、たとえ上記給電装置に接続される給電線が外れても所定電圧に抑えることが可能であり、複雑な安全装置が不要となる。その上、定電流に近い特性で給電線に給電することができ、複数の有軌道台車に安定した電力を供給することができる。
【００４８】
そして、請求項３のように、前記変換回路の第２リアクタの一部、又は全部を、変換回路の出力端子に接続される給電線のリアクタで兼ねるようにすることで、給電線の長さが変化しても、変換回路に用いられる他の素子の値を変えることなく対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】給電線５・５から非接触で電力を供給する方式の有軌道台車システム１を備えた工場内の斜視図。
【図２】有軌道台車システム１の受電ユニット９の断面図。
【図３】 電源装置１１に用いられる変換回路の具体的構成を示す回路図。
【図４】 電源装置１１の具体的構成を示す回路図。
【図５】 図４に示すリアクタ３５、３７のリアクタンスを合成して等価回路を形成し、それに負荷を加えた回路図。
【符号の説明】
１ 有軌道台車システム１
５ 給電線
１３ 台車
３１ 定電圧交流電源
３２ 第１リアクタ
３３ 第１キャパシタ
３４ 第２キャパシタ
３５ 第２リアクタ
３６ 第３キャパシタ

Claims (3)

1. 有軌道台車の二次側回路に非接触で電力を供給する一次側回路を備えた給電装置において、該給電装置を、定電圧交流電源と、受動素子による変換回路とで構成し、
   該変換回路は、４端子回路を構成し、４端子回路の入力端子の一方に第１リアクタと第１キャパシタとを直列に接続し、その出力側を分岐させ、一方には、第２キャパシタと第２リアクタとを直列に接続して、その出力側を４端子回路の出力端子の一方に接続し、分岐他方には、第３キャパシタを接続し、その出力側を４端子回路の入力端子の他方と出力端子の他方とを接続した共通端子に接続しており、
   第１リアクタのリアクタンスをＬ_１、第１キャパシタのキャパシタンスをＣ_１、第３キャパシタのキャパシタンスをＣ_ｍ、定電圧交流電源の角周波数をω、Ｆ_１＝１−ω^２Ｌ_１Ｃ_１としたとき、
   以下の数１の関係を満たすように、該変換回路の該受動素子の値を変更することにより、給電装置の一次側回路が定電流特性となり、
   

   

   また、以下の数２の関係を満たすように、該変換回路の該受動素子の値を変更することにより、給電装置の一次側回路における、前記第１リアクタと前記第１キャパシタとを直列に接続し、その出力側を分岐させた地点での電圧を定電圧として、給電装置の一次側回路が定電圧特性となる非接触給電装置。
   

   
2. 第１キャパシタのキャパシタンスＣ_１の値を、定電圧特性（Ｆ_１＝０）を示すＣ_１＝１／ω^２Ｌ_１より大きく、定電流特性（Ｆ_１＝−Ｃ_１／Ｃ_ｍ）を示すＣ_１＝Ｃ_ｍ／（ω^２Ｌ_１Ｃ_ｍ−１）より小さくすることにより、給電装置の一次側回路が定電流特性と定電圧特性との中間の特性となることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 前記出力端子に給電線が接続され、前記変換回路の第２リアクタの一部、又は全部を該給電線のリアクタで兼ねることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。

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