JPH04345008A - 無接触給電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばプラント内を搬
送する電気式無人搬送車等に給電する装置に関し、特に
電極着脱により給電のできない環境や、通常の雰囲気下
でも相対移動するものの間での給電において、損傷、摩
耗、疲労の点から電極による接触給電やケーブル（リー
ド線）引き回し給電ができない場合にも給電できる無接
触給電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来からの磁気結合による分割コア型の
無接触給電装置は、図６に示す外鉄変圧器形か、図７に
示す内鉄変圧器形の構成が採られてきた。給電側巻線Ｗ
ａ、給電側コアＡ、給電側嵌合装置Ｄからなる給電部と
、受電側巻線Ｗｂ、受電側コアＢ、受電側嵌合装置Ｅか
らなる受電部とを、僅かな空隙を介して嵌合させて、無
接触で給電するものである（例えば、特開昭５８−７４
０２１号公報参照）。つまり、コアや巻線配置は、平面
突き合わせタイプの変圧器の概念に従ったものであった
。なお、固定部から回転部へ無接触で電力を給電する装
置としては、実公昭５５−１５２９７号公報や特開昭６
１−２８１５０８号公報等に開示されたものもあるが、
いずれも回転中の回転部に給電するもので、本願の目的
である電気式無人搬送車などへの給電装置としては適用
できないものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そのため、コア材料飽
和磁束密度の範囲内で通過磁束数を増すために断面積を
増そうとすれば構造上、コアの体格を大きくせざるを得
なかった。また、前述のような突き合わせによる嵌合で
は、磁束漏れを生じやすく伝達効率の向上を計ることが
困難であった。そこで、本発明は、磁気結合部のコア利
用率を向上するとともに、漏れ磁束を減少させることに
より同一体積当りの伝達電力および効率を従来型に比べ
飛躍的に増大させた無接触給電装置を提供することを目
的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
、本発明は、一次側巻線を有する一次側コアと、二次側
巻線を有する二次側コアとが相互に着脱自在であって、
それらの形状と配置を他励直流機型回転電機のロータと
ステータの形状を模したものにするものである。すなわ
ち、巻線を巻回した複数の歯を複数備える給電側コアと
受電側コアのそれぞれの前記歯頭面どうしが空隙を介し
て対向し、磁気的結合により電力を無接触で給電する給
電装置において、給電時に歯頭面が円周面上で相互に対
向するようにしたことを特徴とするものである。

【０００５】

【作用】上記手段により、一次、二次磁束の方向を嵌合
方向と垂直に近い向きになるので、磁気結合部のコア利
用率が向上するとともに、漏れ磁束が減少するので同一
体積当りの伝達電力および効率を従来の変圧器型に比べ
飛躍的に増大させることができるものである。

【０００６】

【実施例】実施例として、まず図１に回転電動機型テー
パレス同軸相互巻線配置を採ったものを示す。給電側コ
アＡおよび受電側コアＢは、必要個数のスロットと歯（
ティース）を持った高周波用（方形波１０ＫＨｚ以上）
磁性材料、例えばフェライトやアモルファス合金である
。給電側コアＡの歯頭面ＴＡと受電側コアＢの歯頭面Ｔ
Ｂとが、円周に沿って対向しており、各歯には図示する
ように給電側巻線Ｗａと、受電側巻線Ｗｂが巻回されて
いる。図では簡単化のため半回転しか巻かれていないが
、実際は所定回数巻回されて次の歯に移るようになって
いる。また、その飽和磁束密度内で起磁力（ＡＴ）を増
すとともに、高周波による表皮効果と通常のオーミック
ロスと巻線間の浮遊静電容量を下げるため巻線Ｗａ、Ｗ
ｂは板状ないしは角状の純銅とする。さて、原理は他励
直流機を回転拘束した状態と全く同じで、実際にはコア
Ａ、Ｂのいずれが、給電側（高周波電流の供給側）であ
ってもよいが、ここでは便宜上Ａを給電側として、受電
側Ｂを外部からＡに挿入する場合を考える。コアＡ、Ｂ
は嵌合、離脱が充分にできる範囲での狭い空隙と、コア
を保護し、巻線電気絶縁を補償する非磁性体保護膜を挟
んで対向する。その対向位置は、それぞれのティースが
対向し、磁束鎖交が最大になる状態でなければならない
が、これは、もともとの構造が回転電動機状になってい
るため、嵌合時に受電側（二次側）巻線に適切な電流を
流し（場合によっては、直流を流す、あるいは抵抗を通
して短絡する）、安定な状態（すなわちティースがずれ
ずに対向する状態）にコアＢを回転させることにより実
現できる。すなわち、コアＢを回動可能に位置決めすれ
ばよいことになるが、例えばコアＢの軸方向の中心を紐
で吊るして、コアＡの中心に位置させるようにすればよ
いことになり、極めて簡単に位置決めできることになる
。図中コアＢの中央の孔Ｃは、後述の給電装置制御にお
いて二次側の負荷状態によって、シーケンスあるいはク
ローズドループのフィードバック情報を給電側に送るた
めの光パルス信号の通過路である。これを用いた制御法
は後に示す。

【０００７】さらに望ましい実施例として、コア嵌合面
にテーパを付け、アラインメントとポテンシアル勾配の
不均一により嵌合、離脱を容易にした構成を図２に示す
。なお、テーパは図示したような直線状に限られず、曲
線状でもよい。図２は凸型を受電側、凹型を給電側とし
た例であるが、テーパ無しの物の場合と同様にその逆も
可能である。板状（角状）コイルをスロットに沿って巻
くが、当然ながら中心軸方向に磁束密度が均一でないた
めに、単相巻きであっても二次側巻線の流し方によって
は、嵌合および着脱力を生じさせることができる。

【０００８】以上は、とくに単相構成に関して例を挙げ
たが、もちろん、高周波三相構成にし、単位体積あたり
の伝達効率を更に上げたり、電力の流れを双方向にした
り、整流リップルを改善することもできる。

【０００９】次に発明にある給電装置を制御、駆動する
代表例を図３に示す。商用周波数電源ＡＣから主変圧器
Ｔｒを通して供給される交流電圧は、限流抵抗Ｒ１を経
てサイリスタブリッジＴＨＢの入力となり、後術の二次
側電圧フィードバックに基く位相制御により波形チョッ
ピング制御を受ける。チョッピング後の波形は、電圧脈
動を減少させるためキャパシタＣ１及びリアクタＬ１、
さらにはインバータ回路ＩＮＶ中のキャパシタＣ２によ
り平滑、直流化される。こうしてインバータ回路ＩＮＶ
の入力電圧Ｖｄｃは、負荷側電圧Ｖ２　が電圧指令値Ｖ
ｒｅｆと一致するようにその振幅が制御される。インバ
ータ回路ＩＮＶには５０％デューティの高周波電圧を作
るための基準パルス信号発生器とプリドライバ、そして
ＭＯＳＦＥＴ（あるいは、ＩＧＢＴ）スイッチがあり（
図示せず）、振幅約Ｖｄｃ、周波数１０ＫＨｚ以上のパ
ルス波形が作られる。この高周波電圧が、前述の給電（
一次）巻線に加えられ、巻線比に従って磁気結合により
受電（二次）巻線に高周波矩形波電圧を生じさせる。こ
の誘導電圧は、高周波損失とオン電圧降下の小さいダイ
オードブリッジＨＤＢで整流され、キャリア成分や、漂
遊容量の存在に起因する高周波振動成分の除去ためＬＣ
フィルタを通ったのちに、負荷側（二次側）電圧Ｖ２と
なる。この電圧は限流リアクトルＬ２と逆流阻止ダイオ
ードＤを経て負荷に供給される。

【００１０】ここでは最も単純なシステムの制御として
、Ｖ２をフィードバックし、指令Ｖｒｅｆと突き合わせ
るという単一ループ制御を考える。具体的にはＶ２を抵
抗Ｒ２で分圧した電圧が、一次側サイリスタＴＨＢ遮断
のためのベースオフセット電圧Ｖｏｆｆ　に足し合わさ
れオペアンプ（ＯＰ１）に入力される。ＯＰ１の増幅後
出力は電圧／周波数変換器（ＶＦ）に入力され、図４に
示す変換ゲインでパルス周波数に変換される。このパル
スは、発光ＬＥＤにより光パルスとなり前述の光フィー
ドバック用穴Ｃを通して給電（一次）側にフィードバッ
クされる。給電コアには同ＬＥＤに対向する箇所に受光
用フォトトランジスタＰＴｒが配置され発光パルス（赤
外）を受けてこれを電圧に変換する。この電圧はレベル
変換後、周波数／電圧変換器（ＦＶ）により図４のゲイ
ンで前述のオフセット分にＶ２に相当する電圧を足した
電圧値に変換される。ここで、このオフセット分の意味
を述べると、相互のコアが離れている時は（給電）一次
側の励磁を止めて無効電力の消費を無くさなければなら
ない。また、なんらかの理由（例えば負荷短絡）により
Ｖ２が零になることがありうる。この二つの状態に対し
ては電力の供給を停止しなければならないため、コア嵌
合が完了していることをＶｏｆｆ　の存在によって給電
（一次側）に知らせることが必要である。

【００１１】具体的には、先述のＦＶ出力とＶｏｆｆ　
の大小関係をコンパレータ（ＣＭＰ）によって比較し、
（Ｖ２＋Ｖｏｆｆ　）＜Ｖｏｆｆ　と判断したときは、
ＴＨＢのゲート信号を遮断するという方法を採る。オペ
アンプＯＰ２にはＦＶ出力と、逆極性のオフセットキャ
ンセル分電圧そして電圧指令（Ｖｒｅｆ　）が入力され
、増幅後の差分信号はリミッタを経た後、ＺＤＴ（零点
検出器）により得られる商用周波数零点に同期したタイ
マ計測によるゲート制御回路の位相信号となる。これで
Ｖ２に関するフィードバックが形成される。制御および
保護機能に関しては、バッテリ温度、充電電流、供給実
効値など、より多くの二次側情報をフィードバックし、
制御に反映した方が望ましいが、その場合は光フィード
バックの時分割や、マルチチャンネル化などの技術で対
応することができる。給電側の制御方式についても、Ｖ
２に応じてＰＷＭ制御する方法もあり、その場合は、巻
線をセンタタップ付きにするとかコア偏磁に対する配慮
を行う。

【００１２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば無接
触給電のコア及び巻線を、変圧器ではなく回転電動機の
概念に基いて構成するため、嵌合状態での一次、二次磁
束の結合が強まり、給電コア単位体積当りの伝達電力と
伝達効率が向上するとともに、コア嵌合面にテーパを付
け一次、二次巻線に適当な電流を流す事により反発求引
力を生じ相互のコアの着脱を容易にすることができる。 したがって、爆発性雰囲気、気密性の要求の高い水中や
真空中など、電極着脱により給電のできない環境下での
給電、例えば化学プラント、爆発性ガス発生現場、ガソ
リンスタンドでの給電、宇宙作業、潜水艦給電、水中ポ
ンプの給電などや、更には通常の雰囲気下でも相対移動
するものの間での給電において、損傷、摩耗、疲労の点
から電極による接触給電やケーブル（リード線）引き回
し給電ができない場合（例えば、マシニングセンタＡＴ
Ｃ部からｔｏｏｌ部への給電、パレット上割り出し軸へ
の給電、旋盤の回転チャックへの給電、ロボットの各軸
への給電など）などにも適用できるようになる。このよ
うに、本発明は、従来考えられなかったケースでの無接
触給電が可能とするもので、産業界に貢献するところ極
めて大きなものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例（テーパレス形）

【図２】本発
明の実施例（テーパ形）

【図３】本発明の実施例（制御回路）

【図４】本発明の実施例（光フィードバックの説明）

【
図５】外鉄変圧器形の従来例

【図６】内鉄変圧器形の従来例

【符号説明】

Ａ　　コア Ｂ　　コア Ｗａ　　巻線 Ｗｂ　　巻線 Ｃ　　　　孔

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】巻線を巻回した複数の歯を複数備える給電
   側コアと受電側コアのそれぞれの前記歯頭面どうしが、
   給電時に空隙を介して対向するような位置に位置決めさ
   れ、磁気的結合により電力を無接触で給電する給電装置
   において、前記給電側コアと受電側コアのそれぞれの歯
   の歯頭面が、嵌合、離脱が可能な空隙を介して円周面上
   で相互に対向するようにしたことを特徴とする無接触給
   電装置。
2. 【請求項２】前記歯頭面が相互に向きあう円は、中心軸
   に沿ってその直径が変化するようにしたことを特徴とす
   る請求項１記載の無接触給電装置。
3. 【請求項３】前記給電側、受電側巻線に所定の電流を流
   して、給電側コアと受電側コア間に回転力を生じさせる
   手段を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の
   無接触給電装置。
4. 【請求項４】前記給電側、受電側巻線に所定の電流を流
   して、給電側コアと受電側コア間に反発力あるいは求引
   力を生じさせる手段を設けたことを特徴とする請求項２
   記載の無接触給電装置。
5. 【請求項５】少なくとも受電側の電圧または電流に対応
   する信号を含む受電側状態信号を光信号に変換する手段
   を備えるとともに、前記光信号を給電側に帰還させるた
   めの孔を給電側コアおよび受電側コアの少なくとも一方
   の中心部に設けたことを特徴とする請求項１、２、３ま
   たは４記載の無接触給電装置。