JP5550137B2 - 無接触給電設備 - Google Patents

Description

本発明は、無接触給電設備、特に誘導線路または誘導コイルに交流電流を供給する電源装置に関するものである。

従来の上記誘導線路に交流電流を供給する電源装置の一例が、特許文献１に開示されている。
この電源装置は、交流を整流し平滑された直流電源のプラス出力端子から直流電流（DC電流）が供給されるＤＣチョークと、ＤＣチョークを介して直流電流がセンタータップに供給される高周波インダクタと、高周波インダクタのコイル両端に並列に接続された誘導路
(トラック)および共振コンデンサと、高周波インダクタコイルにそれぞれ一端を接続された第１および第２スイッチと、これら各スイッチの他端から流れる直流電流を感知するLEM装置と、LEM装置によって駆動される限流制御器により直流電流を制限する構成となっている。

高周波インダクタに接続される誘導路および共振コンデンサは、所定周波数で共振する共振回路を形成するように選定されており、誘導路が接続された正常時には、所定周波数で誘導路に電流が流れるように共振制御器が第１および第２スイッチを交互に１８０゜ずれてスイッチングすることで直流電流は所定の値となる。しかし、誘導路が接続されず共振回路が形成されない異常時には、共振制御器の動作も異常となり2つのスイッチの一方のみが連続的にオン状態となって過大な直流電流（過電流）が発生するので、限流制御器は、このような過電流の上限値を制限している。

このように電源装置の限流制御器は、直流電流を制限するので、誘導路が接続されていないなどの異常時にも過電流が発生してスイッチング素子等が破壊されることがない。

特許第２６６７０５４号公報（図３）

しかし、従来の無接触給電設備では、直流電流を感知するLEM装置によって駆動される限流制御器を用いて直流電流を制限するので、高価なLEM装置や複雑な限流制御器を必要とすることからコストや信頼性などの点で問題があった。

そこで本発明は、誘導路が接続されていないなどの異常時にも、安価な構成で電源装置のスイッチング素子が破壊されることがないような無接触給電設備を提供することを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、装置が移動し留まる所定位置に配置され、交流電流が供給される誘導コイルを有する給電ユニットを備え、前記装置に、前記誘導コイルに発生する磁束により起電力が誘起される受電コイルを有する受電ユニットを設け、前記装置の負荷に電力を供給する無接触給電設備であって、商用電源の一極に一端を接続された交流電流制限素子と、前記交流電流制限素子の他端および前記商用電源の他極に接続され交流を整流して直流電流を供給する整流器と、前記交流電流制限素子の両端を短絡する短絡スイッチと、前記整流器のプラス出力端子に一端が接続されたＤＣチョークと、前記ＤＣチョークの他端にセンタータップが接続されたセンタータップ付き一次コイルおよび前記誘導コイルに接続された二次コイルおよび前記短絡スイッチを駆動する回路に接続された三次コイルからなる絶縁トランスと、前記二次コイルと並列に接続され、前記誘導コイルと所定周波数で共振回路を形成する共振コンデンサと、前記センタータップ付き一次コイルの一端と前記整流器のマイナス出力端子との間に接続された第１スイッチング素子と、前記センタータップ付き一次コイルの他端と前記整流器のマイナス出力端子との間に接続された第２スイッチング素子とを備え、前記誘導コイルと前記共振コンデンサとの共振によって前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子が前記二次コイルを通じて前記誘導コイルに前記所定周波数で交流電流が流れるように交互に作動するようになっており、前記給電ユニットに対向した位置に前記受電ユニットが存在したとき、前記所定周波数が低下すると前記短絡スイッチを駆動する回路が作動して前記短絡スイッチが前記交流電流制限素子を短絡することを特徴とするものである。

上記構成によれば、電源投入時は交流電流制限素子を介して制限された電流が整流器から直流としてＤＣチョークを経てセンタータップ付き一次コイルに供給され、第１スイッチング素子が駆動されると、センタータップ付き一次コイルの一端から直流電流が第１スイッチング素子と流れ、次に第２スイッチング素子が駆動されると、センタータップ付き一次コイルの他端から直流電流が第２スイッチング素子と流れる。このように、第１、第２スイッチング素子が交互に駆動されることにより、センタータップ付き一次コイルの一端と他端から交互に電流が流れ、二次コイルには交互に逆向きの電流が流れることで、誘導コイルと共振コンデンサが所定周波数で共振する。

電源投入時は交流電流制限素子を介して電流が制限されているので、誘導路または誘導コイルが接続されていないなどの異常時にも異常電流（過電流）が発生することなく、第１、第２スイッチング素子が破壊されることがない。

前記給電ユニットに対向した位置に前記受電ユニットが存在したとき、受電コイルの存在により誘導コイルのインピーダンスが増加するので、共振コンデンサと誘導コイルの共振周波数が低下し、自己発振する周波数も低下する。このとき、短絡スイッチを駆動する回路は前記低下した周波数において作動するので、商用交流電流は制限されることなく整流器から直流としてＤＣチョーク以降の回路に供給される。

装置の受電コイルが存在しない時は交流電流制限素子が電流を制限するので、誘導コイル部分の電力損失が減少する。

本発明の無接触給電設備は、電源投入時にトラック(誘導路) が接続されていないなどの異常があっても、スイッチング素子等が異常電流（過電流）によって破壊されることがない。また、装置の受電コイルが存在するときにのみ短絡スイッチが交流電流制限素子を短絡するので、装置が存在しない時は誘導コイルの電流が制限されて、電力損失が減少する（エネルギーロスを軽減できる）、という効果を有している。

本発明の実施の形態における無接触給電設備の回路図である。 本発明の他の実施の形態における無接触給電設備の回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態における無接触給電設備の回路図である。
図１に示すように、一次側（給電側）は給電装置１２と給電ユニット１３から構成され、二次側（受電側）は受電ユニット１５から構成されている。前記給電ユニット１３は、前記受電ユニット１５を備えた装置（図示せず）が移動し留まる所定位置に配置されている。図１には、一点鎖線により装置の移動経路６０を示している。

前記給電装置１２は交流の商用電源（通常１００V）に接続され、商用電圧は交流電流制限素子であるコンデンサ１６と、これに並列に接続された短絡スイッチであるリレー接点１７を介して整流器１１に印加され、整流器１１はDCチョーク２１以降の回路に直流電流を供給する。
さらに前記給電装置１２は、
整流器１１のプラス出力端子に一端が接続され、直流電流が供給されるＤＣチョーク２１と、
ＤＣチョーク２１の他端にセンタータップ２２ａが接続されたセンタータップ付き一次コイル２２、給電ユニット１３の誘導コイル４２に接続された二次コイル２３、および短絡スイッチ駆動回路（後述する）に接続された三次コイル３３からなる絶縁トランス２４と、
絶縁トランス２４の二次コイル２３と並列に接続され、給電ユニット１３の誘導コイル４２と所定周波数で共振回路を形成する共振コンデンサ２５と、
センタータップ付き一次コイル２２の一端２２ｂにアノードが接続された第１定電流ダイオード２８と、整流器１１のマイナス出力端子にアノードが接続されカソードが第１定電流ダイオード２８のカソードに接続された第１ツェナーダイオード２９と、
センタータップ付き一次コイル２２の他端２２ｃにアノードが接続された第２定電流ダイオード２７と、整流器１１のマイナス出力端子にアノードが接続されカソードが第２定電流ダイオード２７のカソードに接続された第２ツェナーダイオード３２と、
センタータップ付き一次コイル２２の一端２２ｂにコレクタが接続され、整流器１１のマイナス出力端子にエミッタが接続され、ゲートが第２定電流ダイオード２７および第２ツェナーダイオード３２の接続点に接続されたダイオード内蔵型の第１（ＮＰＮ）トランジスタ（第１スイッチング素子の一例）３５と、
前記センタータップ付き一次コイル２２の他端２２ｃにコレクタが接続され、整流器１１のマイナス出力端子にエミッタが接続され、ゲートが第１定電流ダイオード２８および第１ツェナーダイオード２９の接続点に接続されたダイオード内蔵型の第２（ＮＰＮ）トランジスタ（第２スイッチング素子の一例）３６と、
アノードが第１トランジスタ３５のゲートに接続され、カソードが第２定電流ダイオード２７のアノードに接続された第２ダイオード３１と、
アノードが第２トランジスタ３６のゲートに接続され、カソードが第１定電流ダイオード２８のアノードに接続された第１ダイオード２６と、
三次コイル３３に接続されたコイル３８とコンデンサ３９からなるフィルタ回路と、このフィルタ回路を介して三次コイル３３の交流電流を整流器１９で整流し、定電流ダイオード２０を介してリレー１８を駆動する短絡スイッチ駆動回路１０と、これら部品が配置された空冷用の冷却フィン（図示せず）と、
から構成されている。

なお、フィルタ回路を構成するコイル３８とコンデンサ３９は、給電ユニット１３の誘導コイル４２に供給される誘導電流の所定周波数で直列共振するように設定されている。

上記給電装置１２の構成により、センタータップ付き一次コイル２２の一端２２ｂから第１ツェナーダイオード２９に電流が流れることで第２トランジスタ３６は駆動され、また、センタータップ付き一次コイル２２の他端２２ｃから第２ツェナーダイオード３２に電流が流れることで第１トランジスタ３５は駆動される。

上記構成による動作を、まず正常時において説明する。
１．給電装置１２に商用電源が接続されると、リレー１８の接点１７は開状態であるので、商用電圧はインピーダンスによる電圧降下を目的としたコンデンサ１６を介して整流器１１に印加されて、ＤＣチョーク２１に制限された直流電流が供給される。この状態では、第１トランジスタ３５、第２トランジスタ３６ともにオフの状態にある。

２．ＤＣチョーク２１に供給された直流電流は、部品の定格が同じでも、定電流ダイオード２７，２８の順方向電圧、トランジスタ３５，３６の特性のバラツキなどで電流の流れやすさに差が出る。ここでは、センタータップ付き一次コイル２２の他端２２ｃから第２ツェナーダイオード３２に電流が流れて、第１トランジスタ３５の電圧が閾値電圧以上となり、第１トランジスタ３５が先にオン（導通）状態となるものとする。

３．第１トランジスタ３５が先にオン（導通）状態となると、ＤＣチョーク２１へ供給された直流電流は一次コイル２２のセンタータップ２２ａから一端２２ｂ、第１トランジスタ３５と流れる。すると、一次コイル２２の一端２２ｂの電圧は概略０Vとなるため、第２トランジスタ３６の電荷はダイオード２６を介して放電されるので、第２トランジスタ３６は完全にオフ（非導通）状態となる。

４．つぎに、一次コイル２２に流れる第１トランジスタ３５の電流は、二次コイル２３を通じて、共振コンデンサ２５および、これと共振回路を形成する給電ユニット１３の誘導コイル４２に電流を供給するので、誘導コイル４２と共振コンデンサ２５は所定の周波数で共振を開始し、二次コイル２３の両端の電圧は一定時間の後に逆転するので、これに対応して一次コイル２２の他端２２ｃの電圧が一端２２ｂの電圧よりも低くなる。

５．そうすると、第１トランジスタ３５の電荷がダイオード３１を介して一次コイル２２の他端２２ｃへ放電されるので、第１トランジスタ３５の電圧が閾値電圧を下回った時点で、第１トランジスタ３５はオフ（非導通）状態となる。

６．第１トランジスタ３５がオフ（非導通）状態となると、一次コイル２２の一端２２ｂの電圧は概略０Vから正電位に急激に立ち上がる。そうすると、一次コイル２２の一端２２ｂから第１ツェナーダイオード２８を介して第２トランジスタ３６へ電流が急激に流れるので、第２トランジスタ３６の電圧が閾値電圧以上となり、第２トランジスタ３６がオン（導通）状態となる。

７．第２トランジスタ３６がオン（導通）状態となると、ＤＣチョーク２１へ供給された直流電流は一次コイル２２のセンタータップ２２ａから一端２２ｃ、第２トランジスタ３６と流れる。すると、一次コイル２２の一端２２ｃの電圧は概略０Vとなるため、第１トランジスタ３５の電荷はダイオード３１を介して放電されるので、第１トランジスタ３６は完全にオフ（非導通）状態となる。

８．つぎに、一次コイル２２に流れる第２トランジスタ３６の電流は、二次コイル２３を通じて、給電ユニット１３の誘導コイル４２と共振コンデンサ２５に電流を供給するので、誘導コイル４２と共振コンデンサ２５は所定の周波数（例えば１０ｋHz）で共振を継続する。

以上の動作を繰り返すことにより、給電装置１２は誘導コイル４２と共振コンデンサ２５による所定の周波数で発振することとなる。
このように、第１トランジスタ３５と第２トランジスタ３６が交互にオンし、その度に一次コイル２２に流れる電流の向きは逆になる。

９．これに伴い、三次コイル３３には交互に逆向きの起電力が発生する。ここで、コンデンサ３９とコイル３８からなるフィルタ回路の共振周波数は前記所定の周波数とほぼ一致しているので、コンデンサ３９とコイル３８の合計インピーダンスは概略０Ωとなって、三次コイル３３の交流電圧はインピーダンスにより降下することなく整流器１９に印加され、整流器１９のプラス出力端子に接続された定電流ダイオード２０が一定電流（リレーコイル定格電流に相当する）をリレー１８に供給するので、リレー１８が駆動されてリレー接点１７が閉となる。

１０．リレー接点１７が閉となると、商用電圧はコンデンサ１６を介することなく整流器１１に印加されるので、コンデンサ１６がインピーダンスによる電圧降下で電流を制限することなくなり、給電ユニット１３には、受電ユニット１５に接続される負荷に必要な電力が供給されることとなる。

なお、給電ユニット１３に対向した位置に受電ユニット１５が移動してくると、誘導コイル４２に発生する磁束により、誘導コイル４２の周波数に共振する受電コイル５１に大きな起電力が発生し、この起電力により発生した交流電流は整流器５４へ供給され、整流器５４で整流された直流電流が装置の負荷へ供給される。このとき、装置の受電コイル５１の存在により、誘導コイル４２のインピーダンスが増加するので、誘導コイル４２に流れる交流電流の周波数は前記所定周波数（共振コンデンサ２５と誘導コイル４２からなる回路の共振周波数）はより低下し（例えば、９ｋＨｚに低下し）、自己発振する周波数もこれに伴い低下する。ここで、短絡スイッチ駆動回路１０のコンデンサ３９とコイル３８からなるフィルタ回路の共振を鋭くして、共振周波数を、この低下した所定周波数（例えば、９ｋＨｚ）に設定すると、その場合、給電ユニット１３に対向して受電ユニット１５が存在する時にのみ、リレー１８が駆動されてリレー接点１７が閉となる。

次に、同構成による動作を、誘導コイル４２が接続されていない、あるいは、誘導コイル４２の両端が短絡されているような異常時において説明する。
１１．給電装置１２に商用電源が接続されると、リレー１８の接点１７は開状態であるので、商用電圧はインピーダンスによる電圧降下を目的としたコンデンサ１６を介して整流器１１に印加されて、ＤＣチョーク２１に制限された直流電流が供給される。この状態では、第１トランジスタ３５、第２トランジスタ３６ともにオフの状態にある。

１２．ＤＣチョーク２１に供給された直流電流は、部品の定格が同じでも、定電流ダイオード２７，２８の順方向電圧、トランジスタ３５，３６の特性のバラツキなどで電流の流れやすさに差が出る。ここでは、センタータップ付き一次コイル２２の他端２２ｃから第２ツェナーダイオード３２に電流が流れて、第１トランジスタ３５の電圧が閾値電圧以上となり、第１トランジスタ３５が先にオン（導通）状態となるものとする。

１３．第１トランジスタ３５が先にオン（導通）状態となると、ＤＣチョーク２１へ供給された直流電流は一次コイル２２のセンタータップ２２ａから一端２２ｂ、第１トランジスタ３５と流れる。すると、一次コイル２２の一端２２ｂの電圧は概略０Vとなるため、第２トランジスタ３６の電荷はダイオード２６を介して放電されるので、第２トランジスタ３６は完全にオフ（非導通）状態となる。

１４．つぎに、一次コイル２２に流れる第１トランジスタ３５の電流は、二次コイル２３を通じて共振コンデンサ２５に電流を供給するが、誘導コイル４２が接続されていない、あるいは、誘導コイル４２の両端が短絡されている場合には共振は発生せず、第１トランジスタ３５のオン（導通）状態が継続する。

１５．そうすると、第１トランジスタ３５の電流は回路の時定数により上昇して最終的にはコンデンサ１６のインピーダンスによる電圧降下によって定まる制限された電流値となるが、第１および第２トランジスタ３５、３６の定格電流は、この制限された電流値より大きく選定されているので、これらトランジスタが破壊される事はない。

以上のように本実施の形態によれば、誘導コイル４２が接続されていない、あるいは、誘導コイル４２の両端が短絡されているような異常時においては、リレー１８の接点１７が閉とならないので、第１および第２トランジスタ３５、３６の電流はコンデンサ１６のインピーダンスによる電圧降下によって定まる制限された電流値となり、これらトランジスタが破壊される事はない。

また、コンデンサ３９とコイル３８からなるフィルタ回路の共振を鋭くして、共振周波数を、給電ユニット１３に対向した位置に受電ユニット１５が存在する時の低下した所定周波数（例えば、９ｋＨｚ）として設定した場合には、受電ユニット１５が存在しない時はコンデンサ１６が電流を制限するので、受電ユニット１５が存在しないときのエネルギーロスを小さくすることができる。

なお、本実施の形態では、共振コンデンサ２５に給電ユニット１３を接続しているが、図２に示すように、共振コンデンサ２５に移動体の移動経路６１に沿って敷設した誘導線路６２を接続するようにしてもよい。このとき、受電ユニット１５は移動体に搭載され、誘導線路６２から受電される。なお、誘導線路６２から複数の受電ユニット１５に給電されるとき、受電ユニット１５に接続される負荷の電力により、給電装置１２の共振コンデンサ２５に接続される回路のインピーダンスが増減し、共振周波数が変化することから、受電ユニット１５に誘起される起電力が変化する。移動体側は、周波数が変わって起電力が変化しても負荷に給電できる定格にしておく必要がある。

本発明は、安価な構成で電源装置のスイッチング素子が破壊されることがなく、かつ、エネルギーロスを軽減できる無接触給電設備を提供するので、工場の生産設備、物品搬送設備、および、携帯用の電気、電子機器への給電や、電動自転車、バイク、自動車などに使われるバッテリーの充電に有用である。

１０ 短絡スイッチ駆動回路
１１ 整流器
１２ 給電装置
１３ 給電ユニット
１５ 受電ユニット
１６ コンデンサ
１７ リレー接点
１８ リレー
１９ 整流器
２０ 定電流ダイオード
２１ ＤＣチョーク
２２ センタータップ付き一次コイル
２２ａ センタータップ
２２ｂ 一端
２２ｃ 他端
２３ 二次コイル
３３ 三次コイル
２４ 絶縁トランス
２５ 共振コンデンサ
２６、２７ ダイオード
２８ 第１定電流ダイオード
２９ 第１ツェナーダイオード
３１ 第２定電流ダイオード
３２ 第２ツェナーダイオード
３５ 第１トランジスタ
３６ 第２トランジスタ
４２ 誘導コイル
５１ 受電コイル
５３ 共振コンデンサ
５４ 整流器
６０、６１ 移動経路
６２ 誘導線路
X 移動の方向

Claims (1)

1. 装置が移動し留まる所定位置に配置され、交流電流が供給される誘導コイルを有する給電ユニットを備え、
   前記装置に、前記誘導コイルに発生する磁束により起電力が誘起される受電コイルを有する受電ユニットを設け、前記装置の負荷に電力を供給する無接触給電設備であって、
   商用電源の一極に一端を接続された交流電流制限素子と、
   前記交流電流制限素子の他端および前記商用電源の他極に接続され交流を整流して直流電流を供給する整流器と、
   前記交流電流制限素子の両端を短絡する短絡スイッチと、
   前記整流器のプラス出力端子に一端が接続されたＤＣチョークと、
   前記ＤＣチョークの他端にセンタータップが接続されたセンタータップ付き一次コイルおよび前記誘導コイルに接続された二次コイルおよび前記短絡スイッチを駆動する回路に接続された三次コイルからなる絶縁トランスと、
   前記二次コイルと並列に接続され、前記誘導コイルと所定周波数で共振回路を形成する共振コンデンサと、
   前記センタータップ付き一次コイルの一端と前記整流器のマイナス出力端子との間に接続された第１スイッチング素子と、
   前記センタータップ付き一次コイルの他端と前記整流器のマイナス出力端子との間に接続された第２スイッチング素子とを備え、
   前記誘導コイルと前記共振コンデンサとの共振によって前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子が前記二次コイルを通じて前記誘導コイルに前記所定周波数で交流電流が流れるように交互に作動するようになっており、
   前記給電ユニットに対向した位置に前記受電ユニットが存在したとき、前記所定周波数が低下すると前記短絡スイッチを駆動する回路が作動して前記短絡スイッチが前記交流電流制限素子を短絡すること
   を特徴とする無接触給電設備。