JP7078007B2 - 非接触給電設備 - Google Patents

Description

本発明は、非接触給電設備に関するものであり、特に複数の移動体が非接触給電による電力供給を受けて移動する非接触給電設備に関する。

従来、複数の移動体が設備内の移動経路に沿って移動する設備において、これらの移動体へ電力を非接触で供給することが行われている。特許文献１には非接触給電設備（無接触給電設備）の一例が示されている。この設備においては図５に示す通り移動体９０の移動経路Ｗに沿って交流電源９３に接続された送電線９２（誘導線路）が配線されている。移動経路Ｗに沿って移動する複数の移動体９０のそれぞれに設けられた受電コイル９１には、交流電流が流れている送電線９２から生じる磁束から誘起される起電力が発生する。これにより、送電線９２（送電側）を介して各移動体９０（受電側）へ非接触で電力が供給される。

特許第５４５５０７８号公報

ところが、特許文献１に記載されているような従来の非接触給電設備では、送電線９２を配線するためのコストが高くなるという問題があった。図５に示す通り、移動経路Ｗ内の複数の移動体９０の全てに対して給電を行えるようにするためには、送電線９２を移動経路Ｗの全域にわたって配線する必要がある。そのため、送電線９２が非常に長くなってしまい、送電線９２およびこれを固定するための部品（支持ブラケットなど）の資材コストおよび作業手間のコストが高くなってしまう。

また、移動体を利用する設備の中には、上述したような非接触給電の仕組みが導入されておらず、摺動電気接点（ブラシ状の金属端子など）を用いて接触を伴う形で移動体９０への電力供給が行われている既存設備もある。このような既存設備では金属端子同士の接触の際に火花が生じ、火災を引き起こすおそれがあった。そのため、こうした移動体９０への電力の供給が非接触給電によるものではない既存設備に対して改修が行われて、非接触給電の仕組みが追加される場合がある。

ところが、既存設備に対し従来の非接触給電の仕組みを追加する場合には、既存設備の一時的な稼働停止期間が長くなってしまうという問題もあった。非接触給電の仕組みを追加するにあたっては、通常は既存設備の稼働が一時的に停止され、既存設備が停止している間に送電線９２の配線などの作業が行われる。ここで、従来の非接触給電の仕組みにおいては前述の通り送電線９２が非常に長くなってしまうため、送電線９２および送電線９２を固定するための部品を設備内に設置するだけでも時間がかかってしまう。また移動体９０が既存設備の床面近く、あるいは床面と同じ高さで移動するような場合には、送電線９２が設備の床下に配線される必要があり、そのような場合には移動経路Ｗ全体にわたって設備の床下構造に対する作り変え作業が行われることになり、非常に長い作業時間が必要となる。そのため、既存設備を従来の非接触給電設備へと作り変える場合には、設備の稼働停止期間が非常に長くなってしまう。

そこで本発明は、非接触給電の仕組みを持たない既存設備からの作り変えが容易で稼働停止期間が短く済む非接触給電設備を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る実施形態の一例における非接触給電設備は、移動経路に沿って移動する複数の移動体を備える非接触給電設備であって、前記移動体のそれぞれは電力を消費する電力負荷を有しており、前記電力負荷の消費する電力が非接触で供給される非接触給電設備において、前記非接触給電設備には、交流電源と、前記移動経路に沿った少なくとも一箇所の給電区間に設置され前記交流電源に接続される送電線と、が設けられており、前記移動体のそれぞれには、前記電力負荷へ電力を供給する電力分配ユニットが設けられており、前記電力分配ユニットは、受電コイルと、前記受電コイルと並列に接続される２つの電力中継コイルと、前記受電コイルおよび前記２つの電力中継コイルと並列に接続される共振コンデンサと、を備え、前記受電コイルは、前記移動体が前記給電区画に位置する場合に前記送電線と磁束結合する位置に設けられており、前記電力中継コイルは、前記移動経路に沿った上流側および下流側にそれぞれ隣接する他の移動体の電力中継コイルと磁束結合する位置に設けられており、前記共振コンデンサは、前記受電コイルおよび前記２つの電力中継コイルのそれぞれと共に共振回路を形成することを特徴とする。

また好ましくは、前記移動体のそれぞれが、電力を蓄積可能かつ前記電力負荷へ電力を供給可能な蓄電器を備えており、前記電力分配ユニットが、前記蓄電器へ電力を供給可能であるとよい。

また好ましくは、前記移動経路に沿った方向内において、前記給電区間一つ分が占める長さが、前記移動体一つ分の寸法以下であるとよい。

本発明に係る実施形態の一例における非接触給電設備によれば、互いに隣接する移動体同士の間では電力中継コイルにより電力の中継が可能となるため、送電線が移動体の移動経路全域に設けられていなくとも、隣接して連なる一連の移動体のいずれかが送電線の設けられた給電区画に位置していれば、その一連の移動体全体に対して電力が供給されることになる。そのため、送電線が移動経路全域にわたって設けられる必要がなく、送電線を配線するための作業は給電区画に対してのみ行われればよい。したがって送電線を配線するための作業にかかる資材コストおよび作業手間のコストは少なく済む。また既存設備を非接触給電設備へ作り変えるにあたっても、作り変え作業にかかる作業時間は短く済むので、設備の一時停止期間が短く済む。

本発明に係る実施形態の一例における非接触給電設備を示す平面図。 図１のＡ－Ａ矢視図。 電力分配ユニットを含む回路図。 実施形態の別例における電力分配ユニットを含む回路図。 従来の非接触給電設備の構成を示す平面図。

図１に、本発明に係る実施形態の一例における非接触給電設備１０の平面図を示す。この非接触給電設備１０においては、複数の台車２０（移動体の一例）が一直線に連なって並んでおり、これらの台車２０が移動経路Ｗに沿って移動する。

図２に図１のＡ－Ａ矢視図を示す。図２に表れている通り、台車２０が備えるパレット２１の上面は非接触給電設備１０の床面１２と同じ高さであり、パレット２１下面より下方、すなわち非接触給電設備１０の床下には電力を消費する電力負荷としての駆動装置２２（モータなど）が設けられている。

非接触給電設備１０の床下空間の底面１５上には移動経路Ｗに沿って延びる一対のレール１６が配設されている。台車２０が移動経路Ｗに沿って移動する際には、パレット２１下面に設けられた一対の車輪２４がこのレール１６上に接して回転する。

この非接触給電設備１０の利用例としては自動車の生産工程を挙げることができる。非接触給電設備１０が自動車の生産工程において使用される場合、例えばパレット２１上に自動車の車体フレーム（図示せず）が配置される。そして作業員がパレット２１上面に立って車体フレームに対して部品の取り付けなどの作業を行うことができる。図示は省略するが移動経路Ｗの側方あるいは天井側には自動車の部品が取り付けられるべき順番に従って並んでおり、台車２０が移動するにつれて作業員により車体フレームへ部品が順番通りに取り付けられていく。非接触給電設備１０の床下の駆動装置２２は、台車２０を移動させるための動力としても使用できる他に、パレット２１上の車体フレームを昇降させたり旋回させたりして作業員の取り付け作業を補助することができる。

非接触給電設備１０内の移動経路Ｗには、作業員によってパレット２１上での作業が行われる（駆動装置２２への電力供給が必要な）作業エリアよりも上流側が入場区画１１、下流側が退去区画１９となっており、台車２０は入場区画１１から作業エリアへ進入し、退去区画１９へ至った台車２０は図示しない帰還ルートを経て入場区画１１へ戻されて再度作業エリアで使用される。例えば、退去区画１９から移動経路Ｗに沿って進行した先に入場区画１１が存在するよう、移動経路Ｗ全体が循環した形状に設計されていたり、退去区画１９へ至った台車２０を一旦移動経路Ｗから取り除いて、不具合の有無を検査した上で入場区画１１まで台車２０を搬送する帰還用の装置が設けられたりすることで、台車２０は退去区画１９から入場区画１１へと帰還することができる。

そして、台車２０が電力の供給を受ける必要のある作業エリアの始端（入場区画１１の下流側、図１では左端）が給電区画１３となっており、この給電区画１３に移動経路Ｗに沿って延びる送電線３０が設置されている。送電線３０は交流電源３２に接続されており、送電線３０には交流電流が流れる。

パレット２１の下面には駆動装置２２の他に図３に示す電力分配ユニット４０が設けられており、駆動装置２２が消費する電力はこの電力分配ユニット４０を介して供給される。図３の回路図に示すように、電力分配ユニット４０は受電パッド４１と、後方電力中継パッド４２と、前方電力中継パッド４３とを有する。電力分配ユニット４０はこの他に変圧器４６、整流器４８を有している。

受電パッド４１、後方電力中継パッド４２、前方電力中継パッド４３は、それぞれ受電コイル４１ａ、後方電力中継コイル４２ａ、前方電力中継コイル４３ａを備えている。そしてこれらの受電コイル４１ａ、後方電力中継コイル４２ａ、前方電力中継コイル４３ａは並列に接続されており、共振コンデンサ４５と共に共振回路を形成している。そして、これらのコイル群（受電コイル４１ａ、後方電力中継コイル４２ａ、前方電力中継コイル４３ａ）は変圧器４６および整流器４８を経て駆動装置２２へと接続されている。

変圧器４６は、コイル群から入力される交流電圧をそれと異なる交流電圧に変換して整流器４８へと出力する回路であり、例えばコイル群へ接続される巻き線と、この巻き線とは異なる巻き数で整流器４８へ接続される巻き線とが同一の環状磁性体コア（例えば円環形状のフェライトコア）に巻き付けられたトランスを用いることができる。

整流器４８は変圧器４６から入力される交流電圧を直流電圧へ変換して駆動装置２２（電力負荷）へと出力する回路であり、例えばダイオードブリッジや平滑コンデンサを含む回路を用いることができる。

受電コイル４１ａは、台車２０が給電区画１３内に位置している場合に、その台車２０の受電コイル４１ａが送電線３０と磁束結合する位置に設けられている。具体的には、図２に示す通り、受電パッド４１が備える受電コイル４１ａは、パレット２１下面に取り付けられた断面視Ｅ字状（底辺と、底辺から同じ方向に延びる３つの突起を有する形状）の磁性体コア４１ｂ（例えばフェライトコア）に対して、Ｅ字の中央の突起へ巻き付けられている。そして図１，図２に示す通り、送電線３０は給電区画１３において、パレット２１より下側で移動経路Ｗに沿って延びるように配線されている。そして受電パッド４０は、台車２０が給電区画１３内に位置している場合に、そのＥ字状磁性体コア４１ｂの谷部（左右突起のそれぞれと中央突起の間）を送電線３０が通るように配置されている。図１に示すように送電線３０が台車２０の移動方向Ｗ（図１中の右方向）に対して左側（図１中の上側）に配線されているならば、受電パッド４１もパレット２１の左側に配置される。

上述のように受電パッド４１の受電コイル４１ａが給電区画１３において送電線３０と磁束結合するように配置されているため、給電区画１３に台車２０が位置している間、受電コイル４１ａは、交流電流の流れる送電線３０から発せられる磁束により誘起される起電力を生じる。受電コイル４１ａに起電力が生じることにより、受電コイル４１ａと共振コンデンサ４５が形成する共振回路には交番電圧が発生し、その交番電圧（例えば２４０Ｖ交流）は変圧器４６により駆動装置２２へ印加されるために適切な高さの電圧（例えば２４Ｖ）へと変圧され、さらに整流器４８で直流電圧に変換された上で、駆動装置２２へと印加される。このようにして、駆動装置２２が消費する電力が送電線３０から非接触で供給される。

また、受電コイル４１ａと並列に接続されている後方電力中継コイル４２ａおよび前方電力中継コイル４３ａは、これらが属する台車２０に隣接する他の台車２０の電力中継コイル４２ａ，４３ａと磁束結合する位置に設けられている。具体的には図１に示すように、後方電力中継コイル４２ａを含む後方電力中継パッド４２は台車２０の後方（移動経路Ｗの上流側）に配置され、前方電力中継コイル４３ａを含む前方電力中継パッド４３は台車２０の前方（下流側）に配置されている。そして、各台車２０の後方電力中継パッド４２が、その台車２０の上流側に隣接する他の台車２０の前方電力中継パッド４３と向かい合う（磁束結合する）ように配置されている。

後方電力中継パッド４２（および前方電力中継パッド４３）は、後方電力中継コイル４２ａの形状および位置が振動などの外力によりズレることがないように、後方電力中継コイル４２ａを筐体で囲み後方電力中継コイル４２ａの形状を固定したパッドであり、ここではその筐体が直方体形状である。図２に示すように、後方電力中継パッド４２は、その直方体形状の筐体の一面が、搬送経路Ｗに沿った方向の上流側（後方）へ臨むように配置されている。

後方電力中継パッド４２内の、後方電力中継コイル４２ａは、搬送経路Ｗに沿った方向の上流側（後方）へ向けて磁束を発生させる、または上流側で発生する磁束と磁束結合するように配置されている。例えば、搬送経路Ｗに沿った方向の軸を中心とする渦を描くように導線が巻き回されて後方電力中継コイル４２ａを構成する巻線が配置されているとよい。

同様に前方電力中継パッド４３も、その直方体形状の筐体の一面が、搬送経路Ｗに沿った方向の下流側（前方）へ臨むように配置されている。そして前方電力中継コイル４３ａは搬送経路Ｗに沿った方向の下流側（前方）へ向けて磁束を発生させる、または下流側で発生する磁束と磁束結合するように配置されている。

図３に示す通り、後方電力中継コイル４２ａおよび前方電力中継コイル４３ａが受電コイル４１ａと並列に接続されているため、後方電力中継コイル４２ａおよび前方電力中継コイル４３ａには受電コイル４１ａと同じ電圧が印加されることになる。すなわち、台車２０が図１に示す給電区画１３に位置していて、送電線３０から発せられる磁束により受電パッド４１の受電コイル４１ａに誘導電圧が生じているとき、その誘導電圧は後方電力中継コイル４２ａおよび前方電力中継コイル４３ａにも印加される。

さらに、共振コンデンサ４５は後方電力中継コイル４２ａおよび前方電力中継コイル４３ａに対しても並列に接続されているため、後方電力中継コイル４２ａと共振コンデンサ４５、および前方電力中継コイル４３ａと共振コンデンサ４５によっても共振回路が形成される。

このため、給電区画１３に位置する台車２０が備える後方電力中継コイル４２ａおよび前方電力中継コイル４３ａには、受電コイル４１ａと同じく交番電圧が発生し、それぞれ上流側および下流側へ向けて交番磁束を発生させる。そして、図１に示すように、各台車２０が備える前方電力中継パッド４３が、下流側に隣接する他の台車２０が備える後方電力中継パッド４２と向かい合っているため、下流側の他の台車２０の後方電力中継コイル４２ａが、上流側の台車２０の前方電力中継コイル４３ａと磁束結合することになる。すると下流側の台車２０の後方電力中継コイル４２ａにも交番電圧が発生することになり、下流側の台車２０の電力分配ユニット４０を通じて、下流側の台車２０の駆動装置２２へも電力が供給されることになる。このように、本実施形態によれば、給電区画１３に位置していない台車２０にも、各台車２０の電力分配ユニット４０を介して、送電線３０からの電力が間接的に供給されることとなる。

この実施形態によれば、図１に示す通り送電線３０が配線（設置）される給電区画１３は搬送経路Ｗのうち作業エリア始端のごく一部分のみに配置されていればよい。具体的には図１に示す通り、給電区間１３が占める長さ（移動経路Ｗに沿って占有する長さ）は、台車２０の一台分の長さ寸法（移動経路Ｗに沿った方向の寸法）以下である。つまり図５に示すような従来の非接触給電設備とは異なり、搬送経路Ｗの全域にわたって送電線３０が配線されていなくともよい。そのため、本実施形態の非接触給電設備１０では送電線３０が短くて済み、送電線３０およびこれを固定するための部品の資材コストおよび作業手間のコストが安価に抑えられる。

また、非接触給電の仕組みが導入されていない既存設備に対して本実施形態のような非接触給電の仕組みを導入するにあたっては、床下構造に対する作り変え作業は給電区画１３となるごく一部分に対して行えばよいので、既存設備の一時的な稼働停止期間はごく短くて済む。なお非接触給電の仕組みを導入するにあたっては、既存設備において使用されていた移動体を、受電コイル４１ａ、後方電力中継コイル４２ａ、前方電力中継コイル４３ａを備えた台車２０へ取り替える必要があるが、これについては既存設備を稼働させたまま、退去区画１９へ至った従来の移動体を取り除くとともに、入場区画１１から本実施形態の台車２０を作業エリアへ１台ずつ進入させていけばよいため、送電線３０を配線した後は、既存設備を稼働させつつ、非接触給電の仕組みを導入することができる。

図４に、本発明に係る実施形態の別例における非接触給電設備１０を示す。この非接触給電設備１０においては、電力分配ユニット４０の整流器４８と駆動装置２２との間に、バッテリ２５（蓄電器）が接続されている。

バッテリ２５は送電線３０または他の台車２０から電力分配ユニット４０を介して供給される電力を蓄積するとともに、蓄積した電力を駆動装置２２へ供給する。このバッテリ２５が存在することにより、他の台車２０との間の間隔が大きく開いていて送電線３０からも他の台車２０からも電力の供給を受けられない台車２０であっても、バッテリ２５に蓄積された電力により、駆動装置２２が必要とする電力を賄うことができる。なお、一般的なバッテリの出力電圧は高くても２４Ｖ程度なのに対し、自動車生産工程において自動車の車体フレームを昇降・旋回させるリフタ装置など（駆動装置２２の具体例の一つ）の動作電圧は２００Ｖ以上が必要なこともあるため、バッテリ２５と駆動装置２２との間に昇圧を行う装置がさらに設けられていてもよい。

この構成であれば、台車２０同士を常に密着させて移動させる必要がないので、例えば一部の台車２０が一時的に移動を停止している場合には、それより下流側の台車２０を、停止している台車２０から離して移動させることも可能となる。このように、バッテリ２５を設けることで、複数の台車２０について、全ての台車２０が常にひと纏まりとなって移動する形態に限られない、多様な形態の移動を行わせることができる。

また、バッテリ２５が設けられていることにより、複数の台車２０のいずれもが送電線３０から電力供給を受けていない期間があっても問題ないため、給電区画１３の長さを図１に示すものよりもさらに短くすることができる。

詳しく説明すると、バッテリ２５が設けられていない場合には、以下に説明するように給電区画１３がある程度の長さになっていることが望ましい。すなわち、１つの台車２０の受電パッド４１が給電区画１３を通り抜けた後、その上流側（後続）の台車２０の受電パッド４１がすぐに給電区画１３へ進入できるように、前方（下流側）の台車２０の受電パッド４１の後方端から、後方（上流側）の台車の受電パッド４１の前方端までの長さ、すなわち、台車２０の１台分の長さ寸法から受電パッド４１の長さ寸法を引いた分の長さよりも、給電区画１３が長いことが望ましい。この長さは図１に示すように台車２０の１台分よりは短いものの、台車２０の半分よりは長い（ただし受電パッド４１が大きければ半分以下で済む場合もある）。

これに対し、バッテリ２５が設けられている場合には、１つの台車２０の受電パッド４１が給電区画１３を通り抜けた後、しばらくの間どの台車２０の受電パッド４１も送電線３０と磁束結合しない期間があっても問題なく各台車２０は動作できるため、給電区画１３の長さを、台車２０の１台分の長さ寸法から受電パッド４１の長さ寸法を引いた分の長さよりも短くすることができる。例えば給電区画１３の長さが台車２０の半分よりも短くてよい。

なお、以上の実施形態においては給電区画１３を台車２０の移動経路Ｗの始端にのみ設けているが、例えば給電区画１３を終端（退去区画１９の上流側）にも設けてよい。例えば各台車２０同士の間隔がある程度開いており上流側台車２０の前方電力中継パッド４３から下流側台車２０の後方電力中継パッド４２への電力伝送効率が十分高くならない場合には、各台車２０間で電力が中継されていくうちに、下流側へ行くほど電力は減衰していく。そのため、作業エリアが非常に大きいと、作業エリア始端の給電区画１３の送電線３０から供給される電力が退去区画１９手前の台車２０まで十分に伝送されない場合がある。そのような場合には、給電区画１３が始端だけでなく終端にも設けられることで、移動経路Ｗの全体にわたって各台車２０へ十分な電力が供給されるようになる。また、給電区画１３の送電線３０により全ての台車２０が消費する電力の総計が供給される必要があるが、台車２０の数が多い場合には一箇所の給電区画１３だけではその総計電力を賄えない場合がある。その場合には、複数の給電区画１３が共同で総計電力を賄うようにするとよい。その他、作業エリアの広さや各台車２０間の電力伝送効率、設備レイアウトの都合などに応じて、給電区画１３が３箇所以上設けられてもよい。その場合、各給電区画１３の一つ一つが占める大きさ（移動経路Ｗに沿って占有する長さ）は、台車２０の一台分の長さ寸法（移動経路Ｗに沿った方向の寸法）よりも短くてよい。

１０ 非接触給電設備
１３ 給電区画
２０ 台車
２１ パレット
２２ 駆動装置
２５ バッテリ
３０ 送電線
４０ 電力分配ユニット
４１ 受電パッド
４１ａ 受電コイル
４１ｂ 磁性体コア
４２ 後方電力中継パッド
４２ａ 後方電力中継コイル
４３ 前方電力中継パッド
４３ａ 前方電力中継コイル
４５ 共振コンデンサ
４６ 変圧器
４８ 整流器
９０ 移動体
９１ 受電コイル
９２ 送電線
９３ 交流電源
Ｗ 移動経路

Claims (3)

1. 移動経路に沿って移動する複数の移動体を備える非接触給電設備であって、前記移動体のそれぞれは電力を消費する電力負荷を有しており、前記電力負荷の消費する電力が非接触で供給される非接触給電設備において、
   前記非接触給電設備には、交流電源と、前記移動経路に沿った少なくとも一箇所の給電区間に設置され前記交流電源に接続される送電線と、が設けられており、
   前記移動体のそれぞれには、前記電力負荷へ電力を供給する電力分配ユニットが設けられており、
   前記電力分配ユニットは、受電コイルと、前記受電コイルと並列に接続される２つの電力中継コイルと、前記受電コイルおよび前記２つの電力中継コイルと並列に接続される共振コンデンサと、を備え、
   前記受電コイルは、前記移動体が前記給電区画に位置する場合に前記送電線と磁束結合する位置に設けられており、
   前記電力中継コイルは、前記移動経路に沿った上流側および下流側にそれぞれ隣接する他の移動体の電力中継コイルと磁束結合する位置に設けられており、
   前記共振コンデンサは、前記受電コイルおよび前記２つの電力中継コイルのそれぞれと共に共振回路を形成すること
   を特徴とする非接触給電設備。
2. 前記移動体のそれぞれが、電力を蓄積可能かつ前記電力負荷へ電力を供給可能な蓄電器を備えており、前記電力分配ユニットが、前記蓄電器へ電力を供給可能であること
   を特徴とする請求項１に記載の非接触給電設備。
3. 前記移動経路に沿った方向内において、前記給電区間一つ分が占める長さが、前記移動体一つ分の寸法以下であること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の非接触給電設備。

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