JP7237302B2 - 無線給電装置およびこれを用いた工場設備 - Google Patents

Description

本発明は、無線給電装置およびこれを用いた工場設備に関する。

例えばＡＧＶ（Automated Guided Vehicle）やロボットなどの可動装置を有する工場設備は、可動装置へ電力の供給が必要である。この電力の供給の手法として、電界結合を用いた非接触による無線給電が知られている（特許文献１）。このような電界結合を利用した工場設備は、無線給電により可動装置のバッテリなどの蓄電部に電力を充電する。可動装置は、蓄電部に蓄えた電力を用いて工場設備において作動する。電界結合を利用する無線給電装置では、高周波を生成する高周波電源部と送電電極部との間に整合回路を接続している。無線給電装置は、この整合回路によって、インピーダンスの虚数部を打ち消し、送電効率の向上を図っている。

しかしながら、無線給電の対象となる受電側が増加すると、インピーダンスが変化することから、複数の整合回路を用意し、対象となる受電側の数にあわせて整合回路を切り替える必要がある。特に、可動装置など受電側の数が増加すると、受電側の数にあわせた整合回路、およびこれらの整合回路を切り替えるためのスイッチング部が必要となる。また、受電側の数が増加すると、送電側から出力される電力も増大し、整合回路を構成する素子も大電力に対応可能なものが必要となる。その結果、受電側の数にあわせて多段化するほど整合回路の複雑化および素子の大型化を招くという問題がある。

特開２０１８－６８０７９号公報

そこで、受電側の数にかかわらず、整合回路およびスイッチ部が不要となり、構造の簡略化が図られる無線給電装置およびこれを用いた工場設備を提供することを目的とする。

本実施形態の無線給電装置は、整流回路部で整流された電力が蓄電部に蓄えられる。また、本実施形態では、制御回路部は、整流回路部で整流された電力の電圧および電流を一定に制御して蓄電部に提供する。これにより、制御回路部は、蓄電部に提供する電力の電圧および電流を一定に維持する擬似的な抵抗つまり負荷とみなされる。そして、本実施形態では、受電電極部と整流回路部との間に補正コイルを備えている。この補正コイルは、整流回路部における高周波の整流にともなって生成する虚数成分を打ち消す。上記の構成により、無線給電装置は、全体が高周波電源部に擬似的な負荷が接続した等価回路とみなされる。そのため、高周波電源部から出力された高周波の電力を、複数の受電電極部で受電する場合でも、高周波電源部に負荷とみなされる制御回路部が並列に接続した等価回路とみなされる。すなわち、高周波電源部の電圧を一定の振幅に設定することにより、負荷とみなされる制御回路部を定電圧の電源に並列に接続したのと等価になる。その結果、負荷とみなされる制御回路部に接続する受電電極部の数が変化しても、送電側または受電側において整合を図る必要がない。したがって、受電電極部の数に応じた整合回路、およびこれらを切り替えるためのスイッチ部が不要となり、構造の簡略化を図ることができる。

一実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図 一実施形態による無線給電装置の等価回路を示す概略図 一実施形態による無線給電装置において複数の受電側ユニットが接続した電気的な構成を示す概略図 補正コイルと電圧および電流の位相差との関係を示す概略図 一実施形態による無線給電装置および比較例において、負荷と入力インピーダンスとの関係を示す概略図 一実施形態による無線給電装置を適用した工場設備を示す模式図 一実施形態による無線給電装置を適用した工場設備における可動装置を図６の矢印VII方向から見た模式図

以下、無線給電装置およびこれを用いた工場設備の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は、一実施形態による無線給電装置１０を示している。無線給電装置１０は、送電側ユニット１１、および１つ以上の受電側ユニット１２を備えている。図１は、説明の簡単のために１つの受電側ユニット１２を示している。送電側ユニット１１は、高周波電源部１３および送電電極部１４を有している。高周波電源部１３は、例えばＥ級インバータであり、電圧の振幅が一定の高周波を生成する。高周波電源部１３で生成した高周波は、送電電極部１４へ供給される。送電電極部１４は、例えば金属板などで構成され、高周波電源部１３で生成した高周波を出力する。

受電側ユニット１２は、受電電極部２１、共振コイル２２、整流回路部２３、補正コイル２４、蓄電部２５および制御回路部２６を備えている。受電電極部２１は、送電電極部１４と対向して設けられている。対向する送電電極部１４と受電電極部２１との間は、電界結合による非接触によって電力が伝達される。すなわち、受電電極部２１は、送電電極部１４から出力された高周波を電界結合によって受け取る。共振コイル２２は、この受電電極部２１との間に共振関係を有している。送電電極部１４と受電電極部２１との間は、非接触であることから、空気が満たされたコンデンサを形成している。共振コイル２２を設けることにより、一対の送電電極部１４および受電電極部２１と共振コイル２２とは、共振するＬＣ回路を構成する。

整流回路部２３は、整流コイル３１、整流コイル３２、整流コイル３３、ダイオード３４およびダイオード３５を有している。整流回路部２３は、受電電極部２１において受け取った高周波の電力を整流する。この整流回路部２３に含まれるダイオード３４およびダイオード３５は、高周波を整流する際に周期のずれ、つまり位相差を招く。すなわち、ダイオード３４およびダイオード３５は、整流回路部２３における整流時において虚数成分を生成する原因となる。補正コイル２４は、受電電極部２１と整流回路部２３との間に設けられている。この補正コイル２４は、上述のように整流回路部２３で生成する虚数成分を打ち消す。すなわち、受電電極部２１と整流回路部２３との間に補正コイル２４を挿入することにより、ダイオード３４およびダイオード３５の寄生容量が打ち消される。その結果、整流回路部２３で生成する虚数成分は、この補正コイル２４によって打ち消される。これにより、無線給電装置１０は、全体における虚数成分が打ち消される。

蓄電部２５は、整流回路部２３で整流された電力を蓄える。蓄電部２５は、例えば図示しないバッテリやキャパシタなどを有しており、整流回路部２３で直流にされた電力を蓄える。制御回路部２６は、整流回路部２３で整流された電力を一定の電圧および電流に維持して蓄電部２５に供給する。制御回路部２６は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータを有している。これにより、受電電極部２１から受け取り整流回路部２３で整流された電力は、抵抗値が一定の抵抗Ｒとみなされる制御回路部２６を通して蓄電部２５に蓄えられる。

上述のように制御回路部２６において蓄電部２５に供給する電力の電圧および電流を一定に維持することにより、図１に示すように整流回路部２３は負荷つまり抵抗の値が一定の抵抗Ｒとみなすことができる。そうすると、本実施形態による無線給電装置１０は、図２（Ａ）に示すように高周波電源部１３に抵抗Ｒが一定値の制御回路部２６が接続した回路と等価とみなされる。

また、一実施形態による無線給電装置１０は、図３に示すように２つ以上の受電側ユニット１２に電界結合によって電力を供給することができる。この場合、無線給電装置１０は、図２（Ｂ）に示すように高周波電源部１３に一定値の抵抗Ｒが並列に接続した回路と等価とみなされる。そのため、図１示すように高周波電源部１３から１つの受電側ユニット１２に電力を供給する場合も、図３に示すように高周波電源部１３から２つ以上の受電側ユニット１２に電力を供給する場合も、単に高周波電源部１３に並列に接続する抵抗Ｒの数が増減するにすぎないとみなされる。これにより、送電側ユニット１１から電力を受け取る受電側ユニット１２の数が変化しても、送電側ユニット１１および受電側ユニット１２の双方においてインピーダンスの変化が生じない。その結果、一実施形態による無線給電装置１０は、送電側ユニット１１または受電側ユニット１２において他方との間で整合を図る必要がなく、整合回路および整合回路の切り替えにともなうスイッチが不要となる。

次に、補正コイル２４の作用について説明する。
図１に示す本実施形態の無線給電装置１０の回路構成において、電圧および電流の位相差すなわち虚数成分は、図４に示すように補正コイル２４のインダクタンスによって変化することが分かる。すなわち、補正コイル２４のインダクタンスが変化すると、位相差すなわち虚数成分がほぼ「０」となる値Ａが生じる。このように、受電電極部２１と整流回路部２３との間に、位相差すなわち虚数成分を「０」とするインダクタンスの補正コイル２４を挿入することにより、図１に示す回路構成における虚数成分は打ち消される。その結果、上述のように本実施形態の無線給電装置１０の回路構成は、高周波電源部１３に抵抗Ｒが接続した回路と等価とみなすことができる。これにより、図５に示すように、制御回路部２６の負荷に相当する抵抗Ｒが変化しても、インピーダンスはほぼ「０」となる。図５に示す例の場合、抵抗Ｒがｒ１からｒ２まで約２倍に変化しても、本実施形態の無線給電装置１０における入力インピーダンスはほぼ「０」を維持する。これに対し、補正コイル２４を備えない従来例の場合、抵抗Ｒの変化に応じて入力インピーダンスは比例的に増加する。この図５に示す例からも、本実施形態の無線給電装置１０は、負荷に相当する抵抗Ｒが変化しても、インピーダンスがほぼ「０」となることが明らかである。

次に、上記の構成による無線給電装置１０を用いた工場設備について説明する。
図６および図７に示すように工場設備４０は、固定側４１および可動装置４２を備えている。固定側４１は、無線給電装置１０の送電側ユニット１１に相当し、電源となる高周波電源部１３および送電電極部１４を有している。送電電極部１４は、例えば工場などの床面４３や壁面などに設けられている。可動装置４２は、この工場設備４０に設定されている走行路４４に沿って移動する。図６に示す例の場合、可動装置４２は、３台の可動装置４２ａ、４２ｂ、４２ｃを有している。

可動装置４２は、図７に示すように受電側ユニット１２、制御部４５および駆動部４６を有している。制御部４５は、蓄電部２５から駆動部４６へ供給する電力を制御して、駆動部４６で発生する駆動力を制御する。駆動部４６は、モータ４７および車輪４８を有しており、モータ４７によって車輪４８を回転駆動する。可動装置４２は、駆動部４６で発生する駆動力によって走行路４４に沿って移動する。可動装置４２は、例えば図６に示すように送電電極部１４と反対側の端面に荷物などを搭載する荷台４９を有している。

本実施形態の工場設備４０の場合、送電電極部１４は、可動装置４２が移動する走行路４４の一部に設けられている。可動装置４２は、走行路４４に沿って移動する際に、走行路４４の一部に設けられた送電電極部１４と対向することにより、送電電極部１４から駆動用の電源となる電力を受け取る。可動装置４２は、受電電極部２１で受け取った電力を、整流して蓄電部２５に蓄える。送電電極部１４の全長は、１台の可動装置４２の全長よりも長く設定されている。送電電極部１４の全長を延長することにより、２台以上の可動装置４２が送電電極部１４から同時に電力を受け取ることができる。

送電電極部１４は、一対の並列するレール状に設けられている。送電電極部１４は、直線状に限らず、工場設備４０の構造に応じた曲線状や屈曲状であってもよい。送電電極部１４は、例えばアルミニウム、銅、あるいは鉄などの金属材料によって板状に形成されている。無線給電装置１０を構成する受電電極部２１は、可動装置４２に設けられている。受電電極部２１は、送電電極部１４と同様に金属材料によって板状に形成されている。受電電極部２１は、一対の送電電極部１４に対応して可動装置４２に一対設けられている。送電電極部１４と受電電極部２１とは、所定の間隔を形成しつつ非接触で対向している。

このような構成により、１台以上の可動装置４２は、同時に送電電極部１４から電界結合を利用して電力を受け取ることができる。この場合、上述のように無線給電装置１０は、非接触の送電電極部１４および受電電極部２１を挟んでいるものの、高周波電源部１３に対して抵抗Ｒが並列に接続した回路と等価とみなされる。すなわち、図６に示す可動装置４２ａ～４２ｃを含む工場設備４０は、電気的な構成が図３に示す無線給電装置１０として表される。そのため、電力を受け取る可動装置４２の数が変化しても、送電側ユニット１１である固定側４１と受電側ユニット１２である可動装置４２側との間で電気的な整合を図る必要がない。その結果、受電する対象となる数が変化する可動装置４２の数にあわせた整合回路およびこれらを切り替えるためのスイッチなどは必要としない。

以上説明したように、一実施形態の無線給電装置１０では、制御回路部２６は、蓄電部２５に提供する電力の電圧および電流を一定に維持する擬似的な抵抗Ｒとみなされる。そして、本実施形態では、受電電極部２１と整流回路部２３との間に補正コイル２４を備えている。この補正コイル２４は、整流回路部２３における高周波の整流にともなって生成する虚数成分を打ち消す。上記の構成により、無線給電装置１０は、全体が高周波電源部１３に擬似的な抵抗Ｒとなる制御回路部２６が接続した等価回路とみなされる。そのため、高周波電源部１３から出力された高周波の電力を、複数の受電電極部２１で受電する場合でも、高周波電源部１３に抵抗Ｒとみなされる制御回路部２６が並列に接続した等価回路とみなされる。すなわち、高周波電源部１３の電圧を一定の振幅に設定することにより、抵抗Ｒとみなされる制御回路部２６を高周波電源部に並列に接続したのと等価になる。その結果、抵抗Ｒとみなされる制御回路部２６に接続する受電電極部２１の数が変化しても、送電側または受電側において整合を図る必要がない。したがって、受電側ユニット１２または可動装置４２の数に応じた整合回路、およびこれらを切り替えるためのスイッチ部が不要となり、構造の簡略化を図ることができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
上述の一実施形態では、無線給電装置１０を適用する工場設備の一例として、可動装置４２をＡＧＶにする例について説明した。しかし、可動装置４２は、ＡＧＶに限らず、例えば搬送ロボットや多軸ロボットなど、電力を受け取って駆動される装置であれば適用することができる。また、一実施形態では、送電側ユニット１１から電力を受け取る受電側ユニット１２として１台または３台を例に説明したが、受電側ユニット１２は２台または４台以上であってもよい。可動装置４２についても、１台または３台に限らず、任意の数に設定することができる。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１０は無線給電装置、１３は高周波電源部、１４は送電電極部、２１は受電電極部、２２は共振コイル、２３は整流回路部、２４は補正コイル、２５は蓄電部、２６は制御回路部、４０は工場設備、４１は固定側、４２は可動装置を示す。

Claims (3)

1. 電圧の振幅が一定の高周波を生成する高周波電源部（１３）と、
   前記高周波電源部（１３）で生成した高周波を出力する送電電極部（１４）と、
   前記送電電極部（１４）と対向して設けられ、前記送電電極部（１４）から出力された高周波により、電界結合によって非接触で前記送電電極部（１４）から電力を受け取る受電電極部（２１）と、
   前記受電電極部（２１）に接続し、前記受電電極部（２１）と共振関係にある共振コイル（２２）と、
   前記受電電極部（２１）に接続し、前記受電電極部（２１）で受け取った電力を整流する整流回路部（２３）と、
   前記受電電極部（２１）と前記整流回路部（２３）との間に設けられ、前記整流回路部（２３）における高周波の整流で生成する虚数成分を打ち消す補正コイル（２４）と、
   前記整流回路部（２３）の出力側に接続し、前記整流回路部（２３）で整流された電力を蓄える蓄電部（２５）と、
   前記蓄電部（２５）に供給する電圧および電流を一定に維持する制御回路部（２６）と、
   を備える無線給電装置。
2. 前記蓄電部（２５）は、前記送電電極部（１４）および前記受電電極部（２１）を挟んで前記高周波電源部（１３）に複数接続している請求項１記載の無線給電装置。
3. 請求項１または２記載の前記無線給電装置（１０）を備える工場設備であって、
   前記高周波電源部（１３）および前記送電電極部（１４）を有する固定側（４１）と、
   前記受電電極部（２１）、前記共振コイル（２２）、前記整流回路部（２３）、前記補正コイル（２４）、前記蓄電部（２５）および前記制御回路部（２６）を有するとともに、前記固定側（４１）から提供された電力を受け取る１台以上の可動装置（４２）と、
   を備える工場設備。

Images