JP7482545B2

JP7482545B2 - 非接触給電システム及び自立走行型電動移動体

Info

Publication number: JP7482545B2
Application number: JP2022116717A
Authority: JP
Inventors: 敬三渡辺; 和博木村; 健一相良; 将貴横澤; 文博佐藤
Original assignee: HIKARIDENSHI CO., LTD
Current assignee: HIKARIDENSHI CO., LTD
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2024-05-14
Anticipated expiration: 2042-07-21
Also published as: JP2024014113A

Description

本発明は、移動体の非接触給電システムに関する。

移動体の非接触給電システムおよび移動体の従来技術としては、例えば、特許文献１に開示された無人搬送車の運行制御システムが知られている。特許文献１に記載の無人搬送車は、
予め設定された循環経路に沿って自動走行し、複数の停止位置で停止して荷物の積み下ろしをしている間に非接触給電を行い、無人搬送車の稼働率を向上させるものである。

また特許文献２に開示された無人搬送車では、送電装置は、荷移載機に設けられ、受電部と対向可能な送電部を有する。そして無人搬送車が荷移載機に所定の位置まで接近したとき、送電部の送電を開始するとともに、受電部による受電および蓄電装置への充電を可能とする。受電部の送電部への接近により、受電発生を示す値が閾値を越えるとき、無人搬送車の停車位置を決定する、ことで無人搬送車の稼働率を向上させるものである。

また特許文献３に開示された搬送装置では、複数の給電装置を備える場合に、給電側コイルの電気的特性（例えば、インダクタンス、受電側コイルとの間の結合係数など）が異なり、受電電圧の周波数特性が変化して、電力伝送効率が変動し、充電時間がばらつくことによる、搬送装置の稼働率の低下の対策が開示されている。即ち、複数の給電部と、少なくとも一つの受電部と、パラメータ設定部とを具備する非接触給電装置において、パラメータ設定部は、複数の給電部の各々の交流電源の給電周波数、並びに、給電部側および受電部側のうちの少なくとも一方に形成される共振回路のインピーダンスのうちの少なくとも一つであるパラメータを、複数の給電部の各々の給電素子の電気的特性に合わせて設定するものである。

特開２０１７－２０４９４７号公報特開２０１９－２１３３８５号公報国際公開第２０２０／０３９５７０号

特許文献１および特許文献２に開示された無人搬送車の運行制御システムは、無人搬送車の停車時に給電するものである。この場合、十分な給電をするためには、給電時間が長くなる、また一定の時間で給電を終了すると、給電が不十分になる、等、無人搬送車の稼働率の低下を招く可能性がある。また、特許文献３に開示された搬送装置では軌道上を運行する送受電装置間の距離が一定な搬送装置では移動中の給電が可能である。しかし本発明の実施形態の一例である、送受電装置間の距離（ギャップ）が常時変動する自律走行型電動移動体では、十分な電力伝送量が得られない場合があり、稼働率の低下を招く可能性がある。

本発明は、上記した課題に鑑みて、移動体の稼働率の向上に資する、移動体の非接触給電システムを開示する。さらに移動体への大電力給電システムにおける課題である、漏洩磁界の低減策を開示する。

上記の課題を解決する技術は、移動体が給電装置に対して相対的に移動中であっても非接触給電を行う技術、給電装置と移動体との間の距離（ギャップ）が常時変動しても安定な非接触給電を行う技術、また大電力を給電する必要のある場合であっても、電磁ノイズである磁界漏洩の少ない非接触給電技術である。

本発明に係る非接触給電システムは、移動中に、非接触により給電可能な給電素子を有する給電部、を備える給電装置と、
非接触により受電可能な受電素子を有する受電部と、負荷部と、を備える移動体と、
を備え、移動中に、前記給電部から前記受電部へ非接触により給電される、前記移動体の非接触給電システムにおいて、
前記給電装置は、前記移動体との間の双方向の通信を行う通信マスター部と、前記給電装置への前記移動体の接近および逸脱を検出する近接検出部と、を備え
前記移動体は、前記給電装置との間の双方向の通信を行う通信スレーブ部と、前記給電素子と前記受電素子との間の距離（ギャップ）の検出を行う距離検出部と、を備え、
前記距離検出部が前記受電素子と前記給電素子の間の距離を計測して前記通信スレーブ部が前記通信マスター部へ送信し、
前記移動体の移動に伴って前記給電装置と前記移動体との間の前記距離が常時変動する場合に十分な電力伝送量を得るようにした非接触給電システムである。

前記近接検出部が前記移動体の接近を検出し、前記通信マスター部が通信回線を開設し、前記距離検出部が前記給電装置を検出するとともに、前記給電素子と前記受電素子との間の前記距離を測定し、前記通信マスター部と前記通信スレーブ部との間の通信接続を確立し、前記近接検出部が前記移動体の逸脱を検出し、前記通信スレーブ部が前記給電装置への前記通信接続を切断し、前記通信マスター部が前記移動体への前記通信回線を閉鎖する。

前記給電装置は、前記近接検出部の出力および前記移動体から前記給電装置に送信される前記距離の出力に基づき、前記給電装置を構成する給電電源部から前記給電素子へ、給電周波数を変えながら一定の電圧を入力した時の、前記受電素子の受電電圧の電圧周波数特性における極大電圧給電周波数を演算する演算部と、前記演算に基づき前記給電周波数を連続的に可変制御する周波数制御部と、を備え、前記距離の変動に伴う前記受電電圧の変動を、前記給電周波数で制御可能に構成される。

前記給電装置は、前記近接検出部の出力および前記移動体から前記給電装置に送信される前記距離の出力に基づき、前記移動体との相対位置関係を決定し、前記相対位置関係に応じて予め設定された給電開始周波数と前記極大電圧給電周波数との間で前記給電周波数を制御可能に構成される。

前記給電装置と前記移動体の前記相対位置関係に応じて給電制御を行い、前記相対位置関係に応じて給電電力量を変えるように構成される。

前記給電素子は共振型の送電コイルを備え、前記送電コイルに近接して前記送電コイルと直列接続されるように構成される漏洩磁界のキャンセルコイルを備え、前記送電コイルの巻回数をＴｔ、前記キャンセルコイルの巻回数をＴｃ、前記送電コイルの幅に対する前記キャンセルコイルの幅の比をＷｃ比、としたときに、前記Ｔｔと前記Ｔｃとの比であるＴｔ：Ｔｃ、およびＷｃ比が、特定の関係を満足する組から一つを選択して構成される。

前記給電素子は共振型の送電コイルを備え、前記送電コイルに近接して前記送電コイルと直列接続されるように構成される漏洩磁界のキャンセルコイルを備え、前記受電素子は負荷整合コイルと非共振型の受電コイルと、を備え、前記送電コイルの巻回数をＴｔ、前記キャンセルコイルの巻回数をＴｃ、前記受電コイルの巻回数をＴｒ、前記負荷整合コイルの巻回数をＴｂ、としたときに、Ｔｔ：Ｔｃ：Ｔｂ：Ｔｒ＝２：１：３：２であり、前記送電コイルの幅に対する前記キャンセルコイルの幅の比をＷｃ比が、Ｗｃ＝０．５５±０．０５である、ように構成される。

本発明に係る自立走行型電動移動体は、給電装置は、非接触により給電可能な給電素子を有する給電部と、移動体との間の双方向の通信を行う通信マスター部と、
前記給電装置への前記移動体の接近および逸脱を検出する近接検出部と、を備え、
前記移動体は、移動中に、非接触により受電可能な受電素子を有する受電部と、負荷部と、を備え、
移動中に、前記給電部から前記受電部へ非接触により給電される、前記移動体の非接触給電システムにおいて用いられる電動移動体であって、
前記移動体は、前記給電装置との間の双方向の通信を行う通信スレーブ部と、前記給電素子と前記受電素子との間の距離（ギャップ）の検出を行う距離検出部と、を備え、
前記距離検出部が前記受電素子と前記給電素子の間の距離を計測して前記通信スレーブ部が前記通信マスター部へ前記距離を送信し、前記給電装置が、前記近接検出部の出力及び前記に基づいて決定される前記移動体との相対位置関係に応じて給電周波数を可変制御することで、
前記移動体の移動に伴って前記給電装置と前記移動体との間の前記距離が常時変動する場合に十分な電力伝送量を得るようにした自律走行型電動移動体である。
前記移動体は、充電制御部と、蓄電部と、をさらに備え、前記負荷部への電力は前記充電制御部および前記蓄電部を介して供給され、前記負荷部は、ガイド自走もしくは自律走行するための電動モーターを少なくとも備え、前記移動体は無人搬送車である、ように構成される。

本発明によれば、送受電装置間の距離（ギャップ）が常時変動する自律走行型電動移動体の移動中に給電が可能であり、給電装置と移動体の間の距離（Ｇａｐ）の変動に強く、移動体の稼働率向上を図ることが可能である。また、漏洩磁界を抑制することが可能な、非接触給電システム、およびそれを備える移動体を提供することができる。

非接触給電システムのブロック構成図給電装置と移動体の相対位置関係を示す説明図各相対位置関係における各部の動作および給電と受電の状態を示す説明図給電素子と受電素子の構成図ＡＴ比とＷｃ比の関係の説明図送電コイルとキャンセルコイルの巻回数比と好適なＷｃ比の説明図送電コイルとキャンセルコイルの巻回数比と最適なＷｃ比の説明図送電コイルと負荷整合コイルの特性説明図受電電圧、受電電力、インピーダンス特性の説明図給電部と受電部の間の距離と給電周波数の関係の説明図ＡＧＶへの適用例の説明図

［非接触給電システムの構成例］
図１は、非接触給電システム１０の全体ブロック構成図である。本実施の形態の非接触給電システム１０は、少なくとも一つの給電装置２０と、少なくとも一つの移動体３０と、を備えている。

給電装置２０は、少なくとも給電部２１と、給電制御部２２と、給電電源部２３と、を備え、給電部２１は近接検出部２１１と、給電素子２１２と、を備え、給電制御部２２は、演算部２２１と、周波数制御部２２２と、通信マスター部２２３と、を備え、給電電源部２３は高周波電源部２３２と、を備える。高周波電源部２３２は、例えば、直流電力を供給する直流電源部と、直流電力を交流電力に変換する電力変換部とを備え（いずれも図示せず）、周波数制御部２２２から入力される給電周波数で、給電素子２１２に対して交流電力を供給する。給電制御部２２の備える通信マスター部２２３は給電部２１に備えていてもよいが、複数の給電部２１を備える場合を考慮すると、通信マスター部２２３は給電制御部２２に備えていることが好ましい。

移動体３０は、少なくとも受電部３１と、受電制御部３２と、負荷部３３と、を備え、受電部３１は距離検出部３１１と、受電素子３１２と、通信スレーブ部３１３と、整流回路部３１４と、を備える。給電素子２１２は受電素子３１２と対向可能に設けられ、高周波電源部２３２から出力された交流電力を受電素子３１２に給電する。受電部３１の備える通信スレーブ部３１３は、受電制御部３２に備えていてもよい。

図２は、給電装置２０と移動体３０の相対位置（以下ではＰｏｓと略記する）の関係を示す説明図であり、図３は各Ｐｏｓにおける各部の動作および給電と受電の状態を示す説明図である。

図２において、移動体３０は図の左側より給電装置２０に接近して進入し、図の右側へ給電装置２０から離脱する場合を示している。本例では、移動体３０の移動方向である給電素子２１２の長手方向の両端の位置に近接検出部２１１を２箇所備えている。例えば光学式で近接検出部２１１を構成する場合には、給電部２１の外装面に実質的に出っ張らないように設置することができる。近接検出部２１１は１箇所でもよいが、本例のように給電素子２１２の両端に近接検出部２１１設けると、移動体３０の侵入および離脱の方向および往復運動を検出できる。また、本例では移動体３０の移動方向である受電素子３１２の両端に距離検出部３１１を２箇所設けている。例えば光学式で距離検出部３１１を構成する場合には、移動体３０の外装面に実質的に出っ張らないように設置することができる。距離検出部３１１は１箇所でもよいが、本例のように受電素子３１２の両端に距離検出部３１１設けると、移動体３０の進行方向や往復移動、給電素子２１２との平行度を判別できる。なお、平行度は最低２箇所の距離検出部３１１があれば判別できるが、移動体３０の距離検出部３１１の変形や汚れ、経時変化、他を考慮して３箇所以上設けてもよい。

図２および図３を参照して、給電装置２０と移動体３０の状態とＰｏｓの関係を説明する。図２に示すように、給電装置２０の近接検出部２１１からの検出情報および移動体３０の距離検出部３１１からの距離情報を用いて、給電装置２０と移動体３０のＰｏｓを検出する。そして演算部２２１において、距離情報からＰｏｓ別の極大電圧給電周波数（以下ではｆｍａｘと略記する）を演算する。ここでｆｍａｘとは、給電装置２０を構成する給電電源部２２から給電素子２１２へ、給電周波数を変えながら一定の電圧を入力した時の、受電素子３１２の受電電圧の電圧周波数特性における極大電圧給電周波数である。続けて、各Ｐｏｓ別の給電装置２０と移動体３０の状態とＰｏｓの関係を説明する。

（Ｐｏｓ－０）給電装置２０と移動体３０のＰｏｓが離れており、給電装置２０の近接検出部２１１は移動体３０を検出しておらず、移動体３０の距離検出部３１１は給電装置２０を検出していない状態である。そこから移動体３０が給電装置２０に接近してくると、近接検出部２１１－２が移動体３０を検出し、所定の通信可能距離以内であれば移動体３０に向けて、閉鎖していた通信回線を開設する。このＰｏｓでは、給電装置２０は移動体３０への給電を行わない。

（Ｐｏｓ－１）給電装置２０の、移動体３０の進行方向後端の近接検出部２１１－２が移動体３０の一部を検出しており、移動体３０の進行方向前端の近接検出部２１１－１は移動体３０の一部を検出していない。移動体３０の、進行方向前端の距離検出部３１１－１が給電装置２０を検出し、移動体３０の進行方向後端の距離検出部３１１－２は給電装置２０を検出しておらず、給電素子２１２と受電素子３１２の重なり合いが不十分な状態である。距離検出部３１１で検出した距離が所定の通信範囲内であれば、移動体３０の通信スレーブ部３１３が給電装置２０の通信マスター部２２３との通信を接続し、距離検出部３１１－１が受電素子３１２と給電素子２１２の間の距離を計測して通信スレーブ部３１３が通信マスター部２２３へ送信する。

前記距離が所定の給電範囲内であれば、給電装置２０から移動体３０へＰｏｓ－１の給電開始周波数で給電を開始するとともに、Ｐｏｓ－１の給電開始周波数とＰｏｓ－１のｆｍａｘの範囲内で、給電周波数を制御することで給電電力を制御する。実用上は、前記距離に依存しない固定値でのＰｏｓ－１給電であってもよいが、Ｐｏｓ－１給電は、次に説明するＰｏｓ－２給電よりも電力量は小さい。給電電力の固定値は、給電周波数をＰｏｓ－１給電周波数に固定することで実施する。

（Ｐｏｓ－２）給電装置２０の近接検出部２１１が移動体３０の検出から非検出に移行しており、移動体３０の、進行方向前端の距離検出部３１１－１および進行方向後端の距離検出部３１１－２が、ともに給電装置２０を検出しており、移動体３０と給電装置２０の平行度が計測可能で、平行度も給電制御に用いることができ、給電素子２１２と受電素子３１２の重なり合いが十分な状態である。移動体３０の通信スレーブ部３１３が給電装置２０の通信マスター部２２３との通信の接続を継続しており、距離検出部３１１が受電素子３１２と給電素子２１２との間の距離の計測を継続しており、給電装置２０へ送信を継続している。

給電装置２０から移動体３０へＰｏｓ－２給電開始周波数で給電を開始するとともに、Ｐｏｓ－２の給電開始周波数とＰｏｓ－２のｆｍａｘの範囲内で、給電周波数を制御することで給電電力を制御する。このようにすることで、前記距離の変動に伴う受電素子３１２の受電電圧の変動を、給電周波数で制御可能に構成することができる。

ここで、給電周波数を制御する、とは、距離の変動に伴い変動するｆｍａｘに一致させることを意味するものではない。給電周波数をｆｍａｘの近傍で適切な受電電圧となるように制御することを意味する。

（Ｐｏｓ－３）給電装置２０の、移動体３０の進行方向前端の近接検出部２１１－１が移動体３０の一部を検出しているが、移動体３０の進行方向後端の近接検出部２１１－２は移動体３０の一部を検出していない。移動体３０の進行方向後端の距離検出部３１１－２は給電装置２０を検出し、移動体３０の進行方向前端の距離検出部３１１－１は給電装置２０を検出しておらず、給電素子２１２と受電素子３１２の重なり合いが不十分な状態である。移動体３０の通信スレーブ部３１３が給電装置２０の通信マスター部２２３との通信の接続を継続しており、移動体３０の進行方向の後端側の距離検出部３１１－２が前記距離の計測を継続しており、給電装置２０へ送信を継続している。

給電装置２０から移動体３０へＰｏｓ－３の給電開始周波数で給電を開始するとともに、Ｐｏｓ－３の給電開始周波数とＰｏｓ－３のｆｍａｘの範囲内で、給電周波数を制御することで給電電力を制御する。実用上は、前記距離に依存しない固定値でのＰｏｓ－３給電であってもよいが、Ｐｏｓ－３給電は、上記に説明するＰｏｓ－２給電よりも電力量は小さい。給電電力の固定値は、給電周波数をＰｏｓ－３給電周波数に固定することで実施する。

（Ｐｏｓ－０）移動体３０は給電装置２０から逸脱し、近接検出部２１１および距離検出部３１１は、ともに移動体３０および給電装置２０を検出しない状態となる。このＰｏｓになると、移動体３０は通信スレーブ部３１３からの通信を切断する。給電装置２０は通信マスター部２２３からの通信回線を閉鎖し、移動体３０への給電を停止する。

このように、距離検出部と通信スレーブ部は受電部に備えられ、近接検出部と通信マスター部は給電装置に備えられ、移動体の近接検出や通信制御を給電装置で行い、距離の測定や給電可能領域にあることを移動体で行うという機能分離をすることで、給電装置と移動体が相対的な移動中においても、給電装置と移動体の相対位置関係がわかるので、給電に適した相対位置関係の時に十分な給電を行い、不要な給電電力を消費することなく、安全で確実な非接触給電が可能であり、稼働率を向上することができる。給電装置と移動体との間の距離に応じて、移動体の受電電圧の電圧周波数特性における極大電圧給電周波数を演算する演算部を備え、演算に基づき給電周波数を連続的に可変制御する周波数制御部と、を備え、相対位置関係に応じた給電開始周波数と極大電圧給電周波数との間で給電周波数を制御することで、給電装置と移動体との間の距離が常時変動しても移動体の受電電圧の変動を抑えた最適な給電周波数にて安定で確実な非接触給電が可能であり、稼働率を向上することができる。

また給電対象とする移動体以外のもの（人、動物、対象外の移動体、等）が、給電装置を横切ったり、留まったりしても通信部が応答しないので給電を行わない、移動体が給電装置に対して斜めに進入した場合でも平行度測定の結果から給電を行わない、ので確実かつ安全であり、不必要な給電電力を消費しない非接触給電をすることができる。給電素子と受電素子との間の距離の検出値が、例えば１２０ｍｍ以上のように通信範囲外の場合や、平行度が例えば＋／－１０度以上と大きい場合には、移動体側で通信接続を切断し、給電装置は通信切断情報を受けて給電を停止することが出来る。このように、給電装置側を通信接続のマスター、受電装置側を通信接続のスレーブとすることで、確実かつ安全であり、不必要な給電電力を消費しない非接触給電を実現することができる。

［給電素子および受電素子の構成例］
図４（１）に、給電部２１の給電素子２１２と受電部３１の受電素子３１２の構成を例示する。給電素子２１２は送電コイル４１で構成され、共振容量（図示せず）を備えている。受電素子３１２は負荷整合コイル４２と受電コイル４３で構成され、負荷整合コイル４２は共振容量（図示せず）を備えている。なお、受電コイル４３は共振容量を備えていない。図における縦方向への各コイルの隙間は、見やすくするために拡大して描いているが、負荷整合コイル４２と受電コイル４３は実質的な隙間を有していない。各コイルからの漏洩磁界を少なくするために、いずれのコイル４１、４２、４３は８の字形状に構成されており、送電コイル４１と負荷整合コイル４２の互いの反対側には、各々のコイルに近接して、軟磁性材料、たとえばフェライト製の板状の磁性体（図示せず）を備えている。本実施の形態の例では、負荷整合コイル４２が送電コイル４１から見て、受電コイル４３の遠い側に配置されているが、受電コイル４３の近い側に配置されていてもよいし、受電コイル４３を構成する同一面上に配置されていてもよい。また本実施の形態の例では、各コイルが平面渦巻状コイルで構成されているが、スパイラル（螺旋）コイルやヘリカル（ソレノイド）コイルで構成されていてもよい。
なお、前記送電コイル及びキャンセルコイルは、平行部を有し、その形状は、長円もしくは、長方形その他の（縦軸長）／（横軸長）が１を超える細長い形状であることが好ましい。また、前記送電コイルの長さと前記キャンセルコイルの長さは、実質的に等しく、例えば長さ比０．８～１．２が好ましい。さらに、前記負荷整合コイルと前記受電コイルは、円形、長円形、もしくは略四角形の形状が好ましく、前記負荷整合コイルと前記受電コイルのサイズは、概ね同一のサイズが好ましい。これらにより磁界の漏洩を極小化に寄与することができる。

［漏洩磁界キャンセルコイルの構成例］
給電素子２１２は、送電コイル４１とは別に、各コイル４１、４２、４３からの漏洩磁界を減少させるキャンセルコイル４４を備えることもできる。図４（２）および（３）に、キャンセルコイル４４を備える給電素子２１２の構成を例示する。前記の構成は、負荷整合コイル４２が無い場合も同様の構成となる。本実施の形態の例では、送電コイル４１、キャンセルコイル４４、受電コイル４３および負荷整合コイル４２は、８の字形状に構成されており、給電素子２１２を構成する送電コイル４１とキャンセルコイル４４は、一繋がりに直列接続で構成されている。このように構成すると、給電素子２１２への給電用の高周波電源部２３２が１台で済む、送電コイル４１とキャンセルコイル４４の間の結合が無く安定な給電が可能となる、他、実用上の効果が大きく好適である。しかし、送電コイル４１とキャンセルコイル４４が一繋がりに直列接続であることは必須ではない。本実施の形態の例では、送電コイル４１、キャンセルコイル４４ともに、同一面上に構成されているが、必須の要件ではない。例えば、漏洩磁界を減少させるために、キャンセルコイル４４を、図の上下方向および、もしくは、左右方向にずらして配置することもできる。また本実施の形態の例では、各コイルが平面渦巻状コイルで構成されているが、スパイラル（螺旋）コイルやヘリカル（ソレノイド）コイルで構成されていてもよい。

図５は、送電コイル４１の構成面上および構成面に垂直な方向の遠方（例えば３ｍまたは１０ｍ離れた地点）において、送電コイル４１により発生される漏洩磁界を最小化するための、キャンセルコイル４４と送電コイル４１のＡＴ比（送電コイル４１に流す電流と巻回数の積で、キャンセルコイル４４に流す電流と巻回数の積を、除した比率）と、Ｗｃ比（送電コイル４１の短手方向の幅で、キャンセルコイル４４の短手方向の幅を、除した比率）の関係を示したものである。

図５より、ＡＴ比が１に近づくとＷｃ比は小さくなり、キャンセルコイル４４の幅は小さくてよいこと、即ちコイル構成を小さくできることがわかる。その逆に、ＡＴ比が小さくなるとＷｃ比は大きくなること、即ちコイル構成が大きくなることがわかる。それゆえ、少なくともＡＴ比を０．２以上に大きくとることが、コイル構成のサイズの面で好ましい。すなわち、ＡＴ比≧０．２、であることが好適である。

互いに近接配置される送電コイル４１とキャンセルコイル４４に流す電流を変えるためには、各々の電源を別に設ける必要があるが、送電コイル４１とキャンセルコイル４４の間の相互作用の影響があるため、異なる電源で構成することには困難性がある。それゆえ、送電コイル４１とキャンセルコイル４４に流す電流を同じとし、同一の電源を用いて、直列接続で駆動することが好適である。

また、キャンセルコイル４４の巻回数が送電コイル４１の巻回数よりも多くなる、すなわちＡＴ比≧１となると、漏洩磁界を極小化するＷｃ比が小さくなり、生産時のコイルの幅や取り付け位置、他のばらつきの影響を受けやすくなり好ましくない。さらに、８の字コイルによる磁界漏洩キャンセル効果は、コイルの内径と外形の比の影響を受け、（コイルの内径）／（コイルの外形）≧０．３、が好適である。以上の内容を考慮すると、１≧Ｔｃ／Ｔｔ≧０．２、が好適である。

このことは実現可能なＡＴ比に制限を与える。例えば後述する、［無人搬送車の非接触給電システムの構成例］の場合、平面渦巻状コイルで各コイルを構成し、給電電力６００Ｗのように比較的に大電力を供給する場合、コイル線径が５ｍｍ程度と太くなるため、ＴｔやＴｃを６ターン以上のような大きい巻回数を用いることが困難になる。また、給電周波数が１００ｋＨｚに近い、またそれ以上の場合には、送電コイル４１のインダクタンスが１００μＨ程度以上と大きくなり、高周波電源部２３２の出力電圧を高くすることが必要となる、他、実用化に際して困難となる。なお、スパイラル（螺旋）コイルやヘリカル（ソレノイド）コイルで各コイルを構成すれば、コイルの内外形比を１に近くすることが可能となり、コイルの内外径比面での制約はゆるくなるが、コイル巻回数に依存するコイルインダクタンス、高周波電源２３２の出力電圧面での困難さは変わらない。

上記の内容に鑑みて、送電コイル４１の巻回数Ｔｔ、キャンセルコイル４４の巻回数Ｔｃ、送電コイル４１とキャンセルコイル４４を直列接続する場合のＡＴ比、およびその場合のＷｃ比を整理して図６に示す。Ｔｔは１から１０、Ｔｃは１から４までを示す。

図６の内容に加え、上記してきた内容に鑑みると図７に示す組み合わせ、すなわち以下の組み合わせから選択された組が好適であることがわかる。
No. ＴｔＴｃＷｃ比ＡＴ比 .
組１１１０．３８１
組２２１０．５５０．５
組３３１０．７１０．３３
組４３２０．４８０．６７
組５４１０．８５０．２５
組６４３０．４６０．７５
組７５１０．９７０．２
組８５２０．６２０．４
組９５３０．５０．６
組１０５４０．４３０．８

このように構成すると、送電コイル４１および受電コイル４３を８の字コイルに構成しても漏洩磁界の低減が不十分な場合に、キャンセルコイル４４を用いてさらに漏洩磁界の少ない非接触給電システムを実現することができる。

［各コイルの巻回数の関係の説明］
各々のコイルの巻回数Ｔｔ、Ｔｂ、Ｔｒと、送電コイル４１の電流Ｉｔ、負荷整合コイル４２の電流Ｉｂの関係を図８に示す。図８では、前記の各コイル巻回数の比をわかりやすくするために、Ｔｔ＝２の場合を示している。負荷整合コイル４２を用いると、受電部３１の負荷変動へのマッチング範囲が広くなるので、負荷変動による共振周波数変動が少なくなる。Ｔｂは、電流による発熱を低減する、また送電コイル４１と負荷整合コイル４２の電流を同程度にして同一の線材を用い生産を容易にする、および、Ｔｂの増加に伴い負荷整合コイル４２の端子間電圧が高くなることを考慮すると、２＊Ｔｔ≧Ｔｂ≧Ｔｔ、とすることが好適である。受電コイル４３の巻回数Ｔｒも、同様の理由で、１．５＊Ｔｔ≧Ｔｒ≧Ｔｔ、とすることが好適である。また、Ｔｔ：Ｔｂ＝２：３、のように整数比とすると、引き回し配線を同じ側から取り出せるので生産上で好適である。次に記述する［無人搬送車の非接触給電システムの構成例］では、上記に鑑み、各コイルの巻回数の比率は、Ｔｔ：Ｔｂ：Ｔｒ＝２：３：２、の比率で構成されている。

［無人搬送車の非接触給電システムの構成例］
図１１に、移動体３０として無人搬送車５１（以降ＡＧＶと略記：Automatic Guided
Vehicle）に適用した場合の実施の形態を例示する。図１に示すように本実施の構成においては、無人搬送車５１は前記の構成に加えるに、受電した電力を蓄える蓄電部５３と、蓄電部５３の蓄電量に応じて充電制御を行う充電制御部５２と、を備え、前記負荷部３３は、ガイド自走もしくは自律走行するための電動モーター（図示せず）を少なくとも備える。図１１（１）は、単一の給電装置２０、給電素子２１２を備える場合であり、これまで記載したように、受電素子３１２を構成する受電コイル４３が給電素子２１２を構成する送電コイル４１の範囲内にあれば、送電コイル４１からの給電のみで、負荷部３３に電力を供することができる。受電コイル４３が送電コイル４１から外れた場合には、送電コイル４１からの給電電力を蓄えた蓄電部５３からの電力供給で動作することができる。

本実施の形態において、
給電周波数は、約８０ｋＨｚないし９０ｋＨｚ
各コイルの導線径は、約φ５ｍｍ（φ０．０８ｍｍ、９００本のリッツ線）
送電コイル４１のサイズは、長さ１ｍ、幅１０ｃｍ、巻回数２で８の字形状
キャンセルコイル４４のサイズは、長さ１ｍ、幅５．５ｃｍ、巻回数１で８の字形状
負荷整合コイル４２のサイズは、長さ３０ｃｍ、幅１０ｃｍ、巻回数３で８の字形状
受電コイル４３のサイズは、長さ３０ｃｍ、幅１０ｃｍ、巻回数２で８の字形状
に構成されている。すなわち、各コイルの巻回数の比率は、送電コイル４１の巻回数Ｔｔ、キャンセルコイル４４の巻回数Ｔｃ、負荷整合コイル４２の巻回数Ｔｂ、受電コイル４３の巻回数Ｔｒとするとき、Ｔｔ：Ｔｃ：Ｔｂ：Ｔｒ＝２：１：３：２、の比率で構成されており、送電コイル４１とキャンセルコイル４４は、一つながりに直列接続で構成されている。（送電コイル４１および負荷整合コイル４２の共振容量は図示せず）

負荷整合コイル４２は、送電コイル４１からみて受電コイル４３の反対側に受電コイル４３に近接して備えられている。給電素子２１２の送電コイル４１とキャンセルコイル４４と、に近接して、軟磁性材料である板状のフェライト（図示せず）が、送電コイル４１とキャンセルコイル４４を含めたコイル外形よりも大きいサイズで備えられている。また受電素子３１２の負荷整合コイル４２と、受電コイル４３と、に近接して、軟磁性材料である板状のフェライト（図示せず）が、負荷整合コイル４２と、受電コイル４３を含めたコイル外形よりも大きいサイズで備えられている。給電素子２１２および受電素子３１２の備える板状のフェライトは互いに対向して備えられている。

図９に、給電装置２０を構成する給電電源部２３から給電素子２１２へ、給電周波数を変えながら一定の電圧（一例として３７Ｖの場合を例示する）を入力した時の、給電部２１と受電部３１の間の関係を示す。図９（１）は、受電素子３１２の受電電圧の周波数特性であり、図９（２）は、受電素子３１２の受電電力の周波数特性であり、図９（３）は、給電電源部２３からみた負荷インピーダンスである。図９に示すように、並列共振に近い周波数ｆ３よりも高い周波数および低い周波数に、直列共振に近い周波数ｆ１とｆ２が生じる。ｆ１およびｆ２の周波数は、前記の極大電圧給電周波数ｆｍａｘとなる。給電素子２１２と受電素子３１２の間の電力伝送に用いる給電周波数ｆ０は、前記ｆ３と前記ｆ１の間で前記ｆ１に近い周波数、もしくは前記ｆ３と前記ｆ２の間で前記ｆ２に近い周波数で制御するのが好適である。

図１０にＰｏｓ－２における、前記給電周波数ｆ０と前記距離Ｄの関係を例示する。図１０に示すように、前記ｆ２に近い前記給電周波数ｆ０で制御するほうが、前記距離Ｄに関する周波数変動が、前記ｆ１に近い周波数で制御するよりも少なくなり、よりギャップ変動に対して安定な周波数制御が可能となる。本実施の形態では、前記給電周波数ｆ０（ｋＨｚ）と前記距離Ｄ（ｍｍ）の間に、
ｆ０＝０．００１８＊Ｄ＾２－０．２０９＊Ｄ＋９０．６２７関係式（１）
の関係を見出した。演算部２２１では、本関係式（１）を用いて、前記距離を前記給電周波数ｆ０に変換して制御する。また、演算部２２１で逐次演算処理する代わりに、種々の前記距離に対する前記ｆ０を演算して不揮発性記憶部に格納しておき、測定される前記距離に応じて前記記憶部から読み出して適用することもできる。

このように構成すると、既定の給電範囲内であれば給電することができ、［無人搬送車の非接触給電システムの構成例］のように充電制御部５２、蓄電部５３、負荷部３３を備えており、負荷電流の少ない定電流充電の場合のように、極大電圧での給電が不要な場合には、給電周波数を極大電圧給電周波数から外れた給電周波数で駆動することが可能となり、無駄な電力を消費することなく、無駄な漏洩磁界を発生させることなく、安全かつ安定で確実な非接触給電が可能であり、稼働率を向上することができる。また、給電装置２０と無人搬送車５１が相対的な移動中で、その距離が常時変動しても電力伝送量を一定に維持するように、給電部２１の給電周波数を安定に制御することができる。

複数の給電部２１を備えることで、無人搬送車５１に給電しながら動作可能な距離を拡張することもできる。図１１（２）において、給電部２１が２個、無人搬送車５１は図の左側から右側へ移動している場合で説明する。給電装置２０は２個の給電部２１を備え、各々の給電部２１は給電素子２１２と、さらに給電スイッチ２１３と、を備え、給電スイッチ２１３を用いて給電装置２０が給電する給電素子２１２を切り替えていくものである。給電電源部２３を構成する給電切替制御部２３１は、複数の給電素子２１２が各々備える近接検出部２１１からの情報を受けて、給電スイッチ２１３を切り替えて、給電する給電素子２１２を選択する。

この動作は、第一の給電部２１の備える、無人搬送車５１の移動方向の近接検出部２１１－１が無人搬送車５１を検出中に、第二の給電部２１の備える、無人搬送車５１の移動方向反対側の近接検出部２１１－２が無人搬送車５１を検出することで、給電素子２１２を切り替えて給電を継続するものである。途切れることなく給電を継続するには、第一の給電部２１の備える近接検出部２１１－１と第二の給電部２１の備える近接検出部２１１－２の間の距離が、無人搬送車５１の備える距離検出部３１１－１と３１１－２との間の距離よりも短いことが好適である。また、第一の給電部２１の備える近接検出部２１１－１と第二の給電部２１の備える近接検出部２１１－２の間の距離が、無人搬送車５１の備える距離検出部３１１－１と３１１－２との間の距離よりも長い場合でも、通信マスター部２２３の通信回線の閉鎖から開設（Ｐｏｓ－０からＰｏｓ－１）へ移行することにより再度給電を開始することで継続が可能となる。第一の給電部２１と第二の給電部２１の間における無人搬送車５１の移動方向の戻り検出は、無人搬送車５１の受電素子３１２の受電電圧もしくは受電電力の変化を検出することにより、再度給電素子２１２を切り替えることで可能である。

このように構成すると、無人搬送車に給電可能な給電素子からのみの給電により、無駄な漏洩磁界を発生させることなく、長い距離においてより多くの給電が可能となり移動体の稼働率の向上が可能となる。

１０非接触給電システム
２０給電装置
２１給電部
２１１近接検出部
２１２給電素子
２１３給電スイッチ
２２給電制御部
２２１演算部
２２２周波数制御部
２２３通信マスター部
２３給電電源部
２３１給電切替制御部
２３２高周波電源部
３０移動体
３１受電部
３１１距離検出部
３１２受電素子
３１３通信スレーブ部
３１４整流回路部
３２受電制御部
３３負荷部
４１送電コイル
４２負荷整合コイル
４３受電コイル
４４キャンセルコイル
５１無人搬送車
５２充電制御部
５３蓄電部

Claims

移動中に、非接触により給電可能な給電素子を有する給電部、を備える給電装置と、
非接触により受電可能な受電素子を有する受電部と、負荷部と、を備える移動体と、
を備え、移動中に、前記給電部から前記受電部へ非接触により給電される、前記移動体の非接触給電システムにおいて、
前記給電装置は、前記移動体との間の双方向の通信を行う通信マスター部と、前記給電装置への前記移動体の接近および逸脱を検出する近接検出部と、を備え、
前記移動体は、前記給電装置との間の双方向の通信を行う通信スレーブ部と、前記給電素子と前記受電素子との間の距離（ギャップ）の検出を行う距離検出部と、を備え、
前記距離検出部が前記受電素子と前記給電素子の間の距離を計測して前記通信スレーブ部が前記通信マスター部へ前記距離を送信し、
前記給電装置が、前記近接検出部の出力及び前記距離に基づいて決定される前記移動体との相対位置関係に応じて給電周波数を可変制御することで、前記移動体の移動に伴って前記給電装置と前記移動体との間の前記距離が常時変動する場合に十分な電力伝送量を得るようにした非接触給電システム。
前記近接検出部が前記移動体の接近を検出し、前記通信マスター部が通信回線を開設し、
前記距離検出部が前記給電装置を検出するとともに、前記給電素子と前記受電素子との間の前記距離を測定し、
前記通信マスター部と前記通信スレーブ部との間の通信接続を確立し、
前記近接検出部が前記移動体の逸脱を検出し、前記通信スレーブ部が前記給電装置への前記通信接続を切断し、
前記通信マスター部が前記移動体への前記通信回線を閉鎖する、請求項１に記載の非接触給電システム。
前記給電装置は、前記近接検出部の出力および前記移動体から前記給電装置に送信される前記距離の出力に基づき、前記給電装置を構成する給電電源部から前記給電素子へ、給電周波数を変えながら一定の電圧を入力した時の、前記受電素子の受電電圧の電圧周波数特性における極大電圧給電周波数を演算する演算部と、
前記演算に基づき前記給電周波数を連続的に可変制御する周波数制御部と、を備え、
前記距離の変動に伴う前記受電電圧の変動を、前記給電周波数で制御可能に構成され、
前記給電装置は、前記近接検出部の出力および前記移動体から前記給電装置に送信される前記距離の出力に基づき、前記移動体との相対位置関係を決定し、
前記相対位置関係に応じて、予め設定された給電開始周波数と前記極大電圧給電周波数との間で前記給電周波数を制御可能に構成された、請求項１に記載の非接触給電システム。
前記給電装置と前記移動体との間の、下記に記載する前記相対位置関係に応じて、前記移動体が前記給電装置の給電範囲外、および、通信範囲外の場合は、給電を行わない
前記受電素子の前記移動体の進行方向前端が前記給電素子内に収まり、後端が前記給電素子内から外れる場合は、固定給電周波数のＰｏｓ－１給電を行う
前記受電素子の両端が前記給電素子の範囲内に収まる場合は、前記給電素子と前記受電素子の間の前記距離の変動に応じて制御された前記給電周波数のＰｏｓ－２給電を行う
前記受電素子の前記移動体の進行方向後端が前記給電素子内に収まり、前端が前記給電素子内から外れる場合は、固定給電周波数のＰｏｓ－３給電を行う
ように設定され、Ｐｏｓ－２給電量≧Ｐｏｓ－１給電量、Ｐｏｓ－３給電量である請求項３に記載の非接触給電システム。
前記給電素子は共振型の送電コイルを備え、
前記給電素子は前記送電コイルに近接して前記送電コイルと直列接続されるように構成される、漏洩磁界のキャンセルコイルを備え、
前記送電コイルと、前記キャンセルコイルと、は８の字形状に構成され、
前記送電コイルの巻回数をＴｔ、前記キャンセルコイルの巻回数をＴｃ、前記送電コイルの幅に対する前記キャンセルコイルの幅の比をＷｃ比、としたときに、前記Ｔｔと前記Ｔｃとの比Ｔｔ：Ｔｃ、と前記Ｗｃ比が、以下の関係を満足する組から一つを選択して構成された、請求項１に記載の非接触給電システム。
組Ｎｏ．Ｔｔ：ＴｃＷｃ比ただしＷｃ比は、±０．０５以内である。
組１１１０．３８
組２２１０．５５
組３３１０．７１
組４３２０．４８
組５４１０．８５
組６４３０．４６
組７５１０．９７
組８５２０．６２
組９５３０．５
組１０５４０．４３
前記給電素子は共振型の送電コイルを備え、
前記給電素子は前記送電コイルに近接して、前記送電コイルと直列接続されるように構成される、漏洩磁界のキャンセルコイルを備え、
前記受電素子は共振型の負荷整合コイルと、非共振型の受電コイルと、を備え、
前記送電コイルと、前記キャンセルコイルと、前記負荷整合コイルと、前記受電コイルと、は８の字形状に構成され、
前記送電コイルの巻回数をＴｔ、前記キャンセルコイルの巻回数をＴｃ、前記負荷整合コイルの巻回数をＴｂ、前記受電コイルの巻回数をＴｒ、前記送電コイルの幅に対する前記キャンセルコイルの幅の比をＷｃ比、としたときに、
前記各コイルの巻回数の比が、Ｔｔ：Ｔｃ：Ｔｂ：Ｔｒ＝２：１：３：２であり、
前記Ｗｃ比は、Ｗｃ＝０．５５±０．０５である、請求項１に記載の非接触給電システム。
前記移動体は、充電制御部と、蓄電部と、をさらに備え、前記負荷部への電力は前記充電制御部および前記蓄電部を介して供給され、
前記負荷部は、ガイド自走もしくは自律走行するための電動モーターを少なくとも備え、
前記移動体は無人搬送車である、請求項１ないし６のいずれか一項記載の非接触給電システム。
給電装置は、非接触により給電可能な給電素子を有する給電部と、移動体との間の双方向の通信を行う通信マスター部と、前記給電装置への前記移動体の接近および逸脱を検出する近接検出部と、を備え、
前記移動体は、移動中に、非接触により受電可能な受電素子を有する受電部と、負荷部と、を備え、移動中に、前記給電部から前記受電部へ非接触により給電される、前記移動体の非接触給電システムにおいて用いられる電動移動体であって、
前記移動体は、前記給電装置との間の双方向の通信を行う通信スレーブ部と、前記給電素子と前記受電素子との間の距離（ギャップ）の検出を行う距離検出部と、を備え、
前記距離検出部が前記受電素子と前記給電素子の間の距離を計測して前記通信スレーブ部が前記通信マスター部へ前記距離を送信し、前記給電装置が、前記近接検出部の出力及び前記距離に基づいて決定される前記移動体との相対位置関係に応じて給電周波数を可変制御することで、前記移動体の移動に伴って前記給電装置と前記移動体との間の前記距離が常時変動する場合に十分な電力伝送量を得るようにした自律走行型電動移動体。