KR101150738B1 - 이동체의 비접촉식 급전 시스템 - Google Patents

이동체의 비접촉식 급전 시스템 Download PDF

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마사히로 야마구치
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마사오미 야마다
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Abstract

이동체에 급전하는 비접촉식 급전 시스템에 있어서, 급전부와 수전부가 용이하게 저비용으로 제조될 수 있고 또한 급속 충전 및 큰 전력을 전송할 수 있다. 이러한 이동체의 비접촉식 급전 시스템은, 이동체 (1) 의 주행로 (30) 를 따라 제공되는 급전부 (24) 와 그 이동체에 제공되는 수전부 (7) 를 포함하고, 또한 상기 급전부와 상기 수전부는 급전을 위해 서로 면 대향하도록 급전한다. 비접촉식 급전 시스템에 있어서, 상기 급전부 (24) 는 주행로의 노면상에 공중에 또는 이동체 (1) 의 주행로 (30) 노면상에 고정되고, 상기 수전부 (7) 는, 이동체 (1) 가 급전부 (24) 가 설치되는 위치에서 정지되었을 때에, 그 사이에 미리 정해진 공극을 두고 급전부 (24) 에 면 대향하는 위치에 고정된다. 상기 급전부 (24) 및 수전부 (7) 각각은 장변 (45a) 이 이동체 (1) 의 이동 방향 (b) 을 따라 연장하는 판상 코어 (43) 로 구성된다. 상기 급전부는 지하 또는 공중에 배치되는 급전선 (25) 을 통하여 급전한다.

Description

이동체의 비접촉식 급전 시스템 {NON-CONTACT TYPE POWER FEEDER SYSTEM FOR MOBILE OBJECT}
본 발명은, 이동체 등이 주행하는 주행로 또는 노면 등의 트랙에 제공되는 급전부 (power feeder) 로부터, 예를 들어 트랙형 교통 시스템의 전기 차량이나 전기 자동차 등의 이동체에 제공되는 수전부 (power receiver) 에 비접촉식으로 급전 하는 급전장치에 관한 것이다.
종래에, 전기 구동식 이동체에 비접촉식으로 급전하는 다양한 비접촉식 급전 시스템이 개발되어 있다. 비접촉식 급전 시스템은, 공극을 두고 수전부와 대향하는 급전부로부터 수전부에 전자기 유도를 이용하여 비접촉식으로 전력을 충전하는 것이다. 미리 정해진 주행로를 고무 타이어로 주행하는 새로운 교통 시스템 등의 차량에서는, 급전부-무선 교통 시스템 (feeder-lineless traffic system) 을 실현하기 위해서 전술한 비접촉식 급전 시스템을 반드시 사용한다.
특허문헌 1 (일본공개특허공보 제 2000-152512 호) 에는, 다양한 종류의 차량 중에서 전기 차량 등의 차량에 장착한 배터리를 충전하는 충전 시스템이 개시되어 있다. 이러한 충전 시스템은, 지면을 파서 형성되는 지하 수용실에 제공되는 1 차 커플러와, 이 1 차 커플러를 차량에 장착한 2 차 커플러를 향하여 상승시켜 1 차 커플러를 수용실에서부터 지상 위로 돌출시키는 승강 수단을 구비하고 있다.
또한, 특허문헌 2 (일본공개특허공보 제 2005-269687 호) 에는, 차량용의 비접촉식 충전 시스템이 개시되어 있다. 이 충전 시스템은, 외부 전원에 연결되는 1 차 권선과 차량의 전력 배터리에 연결되는 2 차 권선을 전자기식으로 연결하여 그 전력 배터리를 충전하며, 상기 1 차 권선은, 차량이 주행하는 노면과 실질적으로 동일한 면에 차량이 주행하지 않는 위치에 설치되고, 차량에 장착한 2 차 권선의 바로 하부 위치까지 상승된다. 이러한 구성으로, 충전 시스템의 수리 및 점검을 편안한 자세로 행할 수 있다.
특허문헌 1 에 개시된 비접촉식 충전 시스템은, 지하 수용실에 제공되는 1 차 커플러를 2 차 커플러를 향하여 상승시키는데 비교적 긴 작동 시간을 필요로 한다. 따라서, 이러한 시스템은 역에 정지한 차량에 대하여 단시간내에 급속 충전해야하는 트랙형 교통 시스템 등에는 적합하지 않고, 즉 이러한 시스템은 전기 자동차용의 충전만을 위해 적절하게 사용될 수 있다.
또한, 특허문헌 2 에 개시된 비접촉식 급전 시스템은, 또한 1 차 권선을 차량의 하부면에 장착한 2 차 권선의 바로 하부 위치까지 상승시키는 조작을 필요로 하여, 그에 따라 여분의 시간을 필요로 한다. 트랙형 교통 시스템에 있어서, 역 정지 중에, 수십 초 내에 급속 충전이 필요하다. 2 차 권선을 작동시키는 시간이 길어지면, 충전 시간이 짧아져, 전력 충전이 충분하지 않다.
또한, 1 차 권선 및 2 차 권선은 현재까지 소형화되지 않아서, 좁은 공간에 설치할 수 없다. 급전부와 수전부와의 공극을 크게 하면, 큰 전력을 전송할 수 없고, 즉 그 사이의 공극을 크게 할 수가 없다. 그리하여, 차량이 상하 변동하면, 급전부와 수전부가 서로 접촉할 우려가 있다. 또한, 1 차 권선이 구동 기구를 반드시 사용하기 때문에, 전체 기구가 보다 복잡해지는 문제가 생긴다.
따라서, 본 발명은 전술한 배경 기술을 감안하여 발명된 것으로, 그리하여 본 발명의 목적은, 이동체에 급전하는 비접촉식 급전 시스템에 있어서, 전체 기구를 간소화하도록 구동 기구의 필요성을 없애고 또한 충분한 충전 시간을 얻도록 구동 기구를 작동시키는 시간에 대한 필요성을 없애는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 급전부 및 수전부의 소형화를 실현하여, 제조를 간단하게 하여 비용을 줄이며, 또한 급전부와 수전부 사이의 공극이 크더라도 큰 전력을 전송할 수 있도록 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따라서, 이동체의 주행로를 따라 제공되는 급전부와 이동체에 제공되는 수전부를 포함하는, 급전부로부터 이 급전부에 면 대향하는 수전부까지 급전하는 비접촉식 급전 시스템으로서, 상기 급전부는 차량이 주행하는 주행로의 노면상 또는 이동체 상방의 공중에 고정되고, 상기 수전부는, 차량이 급전부가 설치되는 위치에 정지되었을 때에 그 사이에 미리 정해진 공극을 두고 급전부에 면 대향하는 위치에 고정되며, 상기 급전부 및 수전부는 장변이 이동체의 이동 방향을 따라 배치되는 판상 코어로 각각 구성되고, 상기 급전부는 지하 또는 공중에 배설되는 급전선을 통하여 급전한다.
본 발명에 따라서, 급전부는 이동체의 주행로의 노면 또는 주행로의 상방의 공중에 고정되고 (예를 들어, 역사의 지붕에 고정됨), 또한 수전부는 이동체의 하부 또는 지붕 상면에 고정되며, 급전부 또는 수전부를 구동하는 기구가 없기 때문에, 전체 기구를 간소화할 수 있다. 급전부와 수전부는, 이동체가 급전부의 설치 위치에 정지했을 때에 그 사이에 미리 정해진 공극을 두고 서로 면 대향하도록 위치 고정되기 때문에, 급전부와 수전부를 구동하는 기구가 필요하지 않다.
본 발명에 따라서, 급전부와 수전부는, 장변이 이동체의 이동 방향으로 배치되는 판상 코어로 각각 구성되기 때문에, 수전부를 급전부에 대해 면 대향시키는 위치에 이동체를 정지시키는 것이 용이하고, 또한 이동체가 전술한 위치에서 다소 벗어나는 위치에 정지하더라도, 전력의 전송이 충분히 가능하다.
또한, 판상 코어의 외부면은 장변이 이동 방향으로 배치되는 형상으로 무리없이 형성될 수 있다. 따라서, 이동 방향으로 긴 장변을 갖는 대형의 판상 코어를 간단하게 구성할 수 있다. 전술한 판상 코어로 구성되는 비접촉식 급전 시스템은, 판상 코어의 전체 폭을 가능한 한 감소시키면서, 이동체의 길이를 조정함으로써 큰 전력 전송에 대한 시스템의 설계 자유도를 확보할 수 있다.
본 발명에 있어서, 이동체의 위치 검출 센서와, 상기 위치 검출 센서로부터의 위치 정보를 수신하여 이동체를 상기 급전부와 수전부가 서로 면 대향하는 위치에 정지시키는 제어 유닛을 제공할 수 있으며, 그리하여 이동체를 소망하는 위치에 정지시킬 수 있다.
또한, 전술한 구성 이외에도, 이동체의 휠의 움직임을 정지시키는 휠 정지부가 이동체의 주행 노면에 매립되고 또한 급전부와 수전부가 서로 면 대향하는 위치 근방의 위치에 이동체가 도달했을 때에 주행면으로부터 돌출되도록 하여, 제어 유닛의 정지 기능 이외에도 휠 정지부에 의한 기계적 정지 기능을 사용할 수 있고, 그리하여 급전부와 수전부가 서로 면 대향하는 위치에 이동체를 확실하게 정지시킬 수 있도록 구성된다.
또한, 본 발명에 있어서, 급전부 또는 수전부는 서로 가까워지도록 또한 멀어지도록 이동가능하도록 설정될 수 있고, 그리하여 급전부와 수전부를 서로 면 대향시킨 후에, 급전부와 수전부 사이의 공극을 소망하는 값으로 설정할 수가 있어, 수전부에 인가되는 자속 밀도를 증가시킬 수 있어서, 충전 전력을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 급전부의 상면에 자석이 부착되고, 급전부를 이동체의 주행 노면에 형성한 오목부에 매립하고, 그 급전부를 스프링으로 지지시켜, 이동체가 급전부에 접근하고 있지 않을 때는 그 급전부의 자중으로 급전부가 주행 노면의 하부 위치에 유지되고, 이동체가 급전부에 접근할 때 자석과 이동체의 사이에서의 유효한 흡인 힘으로 상기 급전부가 주행 노면의 상방으로 돌출된다. 이러한 구성으로, 급전부는, 통상적으로 오목부내에 수용되고, 또한 이동체가 접근해 오면 어떠한 조작이 필요하지 않고 자동적으로 상방으로 돌출될 수 있어서, 높은 효율로 충전될 수 있다. 또한, 구동 기구가 필요하지 않기 때문에, 구성을 간소화시킬 수 있고 또한 비용을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 급전부와 수전부 각각은, 타원형으로 형성된 권선과, 권선의 타원 방향이 이동체의 이동 방향을 따라 연장하는 권선을 수용하는 오목부가 외부면에 형성되는 자성재의 판상 코어로 구성되고, 상기 판상 코어는 직사각형 표면을 갖는 다수의 판상 블록으로 구성되며, 상기 판상 블록은, 그 직사각형의 장변을 이동 방향으로 연장하도록 배열되고, 또한 이동 방향 또는 그 이동 방향에 수직한 방향으로 배치되거나 또는 상하로 서로 중첩되며, 상기 오목부는 권선의 타원부의 내측 및 외측의 판상 코어의 외부면에 판상 블록을 중첩시킴으로써 형성되는 두꺼운 벽부에 의해 형성된다. 구체적으로는, 권선의 타원부에 상당하는 판상 코어의 오목부는, 직사각형 표면을 가진 다수의 판상 블록이 그 직사각형의 장변을 이동 방향으로 배치한 상태에서 이동 방향 또는 이동 방향에 수직한 방향으로 배치되고, 권선의 타원부의 내측 및 외측에 위치하는 두꺼운 벽부는 판상 블록을 상하로 중첩시킴으로써 형성되도록 구성될 수 있다.
이러한 경우에, 급전부와 수전부는 실질적으로 하나의 동일한 구성을 가진다. 급전부는 그 권선 설치면을 이동체 측 쪽으로 대향시켜 이동체의 주행면에 형성되고, 수전부는, 이동체가 충전 위치에 정지했을 때에, 그 사이의 미리 정해진 공극을 두고 급전부에 면 대향하는 위치에, 그 권선 설치면을 급전부 쪽으로 대향시켜 배치된다.
충전을 위해 수전부를 급전부에 면 대향시키는 위치에 이동체를 정지시킨 후에, 급전부와 수전부 사이의 공극을 통과하는 주 자로를 가진 자속이 발생하도록 급전부의 1 차 권선에 교류가 공급된다.
전체 자속은 수전부의 2 차 권선을 상호연결하는 유효 자속과 이 2 차 권선을 상호연결하지 않는 누설 자속의 합이다. 2 차 권선을 상호연결하는 자속은 시간에 따라 변하기 때문에, 자기 유도에 의해 2 차 권선에 유도 기전력이 발생하여, 교류가 흘러, 2 차 권선에 접속된 부하에 전력이 전송된다.
전술한 구성에 있어서, 급전부 또는 수전부를 구성하는 판상 코어는, 직사각형 외부면을 갖는 다수의 판상 블록을 이동체의 이동 방향으로 또는 이동 방향에 수직한 방향으로 배열함으로써 또는 직사각형의 장변을 이동 방향으로 배치한 상태에서 판상 블록을 상하로 중첩함으로써 형성된다.
따라서, 판상 블록의 구성 패턴을 변경함으로써, 코어의 형상을 원하는 형상으로 다양하게 변경할 수 있다. 또한, 이러한 판상 블록을 서로 조합함으로써, 간단한 판상 형상으로 된 판상 코어를 저비용으로 용이하게 제조할 수 있다. 이러한 판상 코어는 실질적으로 얇은 평판 형상을 가지므로, 차량과 주행 노면 사이의 공간에 용이하게 배치될 수 있다.
권선은 판상 코어의 외부면에 형성된 오목부에 수용되는데, 이 권선의 타원 방향을 이동체의 이동 방향을 따라 연장시킨다. 판상 블록은 접착제, 절연 나사 (insulating screws) 등으로 서로 연결될 수 있다. 또한, 이동체의 주행면에 배치되는 급전부를 외부 환경으로부터 보호하기 위해, 급전부를 절연성 수지 케이스에 수납하고, 수지로 급전부를 덮도록 용융 수지를 상방으로부터 박스로 성형한 후, 고형화시킨다.
또한, 직사각형 표면을 가진 판상 블록은, 장변을 이동체의 이동 방향으로 연장시켜 배치되므로, 판상 코어의 외부면은 장변을 이동 방향으로 연장시킨 직사각형 형상으로 용이하게 형성될 수 있다. 따라서,대형 판상 코어는 이동 방향으로 연장되는 긴 장변을 갖도록 용이하게 형성될 수 있다. 또한, 전술한 판상 코어로 구성되는 비접촉식 급전 시스템은, 판상 코어의 전폭을 가능한 한 좁게 설정하면서, 이동체의 이동 방향의 길이를 조정함으로써, 큰 전력 전송 시스템을 구성하기 위한 자유도를 확보할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성에 의하면, 대형 판상 코어를 용이하게 형성할 수 있으므로, 급전부와 수전부 사이의 공극을 비교적 크게 설정할 수 있다. 즉, 이러한 공극은, 예를 들어 수 밀리 ~ 수십 밀리 범위로 설정될 수 있다.
전술한 구성에 있어서, 판상 코어는, 이 판상 코어에 의해 권선을 전체 원주에 걸쳐 지지할 수 있도록, 도 13 및 도 14 에 명확하게 도시한 바와 같이, 타원 방향으로의 권선의 양단부를 지지하는 바람직하게는 U 형상의 단면부 또는 특히 바람직하게는 편평한 U 형상의 단면부 (얇은 부분 (오목부), 즉 제방 형상의 두꺼운 벽부가 권선을 수용하는 오목부의 짧은 측 단부에 있는 단면 형상) 로 형성된다. 이러한 구성에 의하여, 공기 공간인 자로에 U 형상의 단면 코어를 배치함으로써, 전체의 자기 저항이 감소될 수 있고, 인덕턴스가 증가될 수 있다. 그리하여, 자속밀도가 증가될 수 있다. 오목부의 외측에 위치하는 부분에서 판상 코어의 단면적이 증가될 수 있어서, 권선 외측에서 자속밀도가 감소될 수 있다. 따라서, 코어 주변에서 누설하는 자속 밀도를 감소시킬 수 있기 때문에, 전자기 소음 및 그 주위의 금속의 유도 가열의 영향을 저감시킬 수 있다. 또한, 타원 방향으로의 권선의 양단부에 U 형상의 단면부를 제공함으로써, 타원 방향으로의 권선의 양단부에서도 자속이 용이하게 유도될 수 있고, 따라서 인덕턴스를 크게 할 수 있으며, 그로 인해 큰 전력을 전송할 수 있다.
전술한 구성에 있어서, 판상 코어내에 권선을 수용하는 오목부의 개구 폭을 급전부와 수전부 사이의 공극과 동일하거나 또는 더 크게 설정하면, 자속 누설을 유발하는 자로의 자기 저항을 증가시킬 수 있고, 그리하여, 자기 결합률 (magnetic coupling) 을 향상시킬 수 있으며, 그로 인해 큰 전력을 전송할 수 있다.
또한, 전술한 구성에 있어서, 이동체의 이동 방향을 따라 연장되는 급전부의 길이를 이동 방향을 따라 연장되는 수전부의 길이보다 길게 설정하면, 이동체의 정지 위치의 수평 방향 이동에 대하여 수용 전력 강도 (robustness) 를 향상시킬 수 있다. 또한, 경량 및 컴팩트화가 요구되는 이동체 측의 수전부의 판상 코어의 길이를 증가시킬 필요가 없기 때문에, 판상 코어를 짧게 할 수 있고, 그로 인해 수전부를 경량 및 컴팩트하게 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 급전부에는 수 kHz ~ 수십 kHz 고주파 전류를 공급함으로써 시스템을 소형화할 수 있지만, 권선은 고주파 전류의 표피 효과로 인해 유발되는 저항 증가 및 발열 증가를 억제할 수 있는 리츠선 (Ritz wire) 으로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 판상 코어는 강자성 페라이트 또는 규소 강 등의 자성재로 만들어질 수 있다. 규소 강은 페라이트보다 손실이 크지만 비교적 낮은 주파수대에서는 사용가능하다. 철제 코어는 고주파 전류에 의해 소용돌이 전류가 발생하여 열을 발생시키기 때문에 부적절하다.
급전부를 이동체의 주행면상 또는 이 주행면 상방의 공중에 고정시키고, 이동체가 정지될 때에 그 사이에 미리 정해진 공극을 두고 급전부와 면 대향할 수 있는 위치에서 수전부를 이동체에 고정시키는 본 발명에 의하여, 급전부 또는 수전부를 구동하는 기구가 존재하지 않고, 그로 인해 전체 기구를 간소화할 수 있다.
또한, 급전부 및 수전부는 장변이 이동체의 이동 방향으로 배치되는 판상 코어로 구성되기 때문에, 판상 코어의 외부면은 장변이 이동 방향으로 연장하는 직사각형으로 용이하게 형성될 수 있다.
따라서, 이동 방향으로 연장하는 긴 장변을 갖는 대형의 판상 코어를 용이하게 형성할 수 있고, 그럼으로써 전술한 대형 판상 코어로 구성되는 비접촉식 급전 시스템은, 판상 코어의 전폭을 가능한 한 좁게 설정하면서, 이동체의 이동 방향으로 판상 코어의 길이를 조정함으로써 큰 전력 전송에 대한 설계의 자유도를 확보할 수 있다. 상기 판상 코어는 평판 형상을 하고 있기 때문에, 이 판상 코어는 이동체와 그 주행 노면 사이의 좁은 공간에 배치될 수 있다.
도 1 은, 본 발명을 트랙형 교통 시스템에 적용한 제 1 실시형태의 형상을 도시한 입면도,
도 2 는 제 1 실시형태의 구성을 도시한 평면도,
도 3 은 제 1 실시형태의 차량을 도시한 측면도,
도 4 는 도 3 에 도시한 일부의 확대도,
도 5a 는 제 1 실시형태에서 급전부 또는 수전부를 도시한 사시도,
도 5b 는 비접촉식 급전 시스템을 도시한 평면도,
도 5c 는 도 5b 의 선 A-A 을 따른 단면도,
도 6 은 제 1 실시형태의 충전 단계를 도시한 순서도,
도 7 은 제 1 실시형태의 변형예를 도시한 부분 확대 측면도,
도 8 은 본 발명의 제 2 실시형태의 구성을 도시한 측면도,
도 9 는 본 발명의 제 3 실시형태의 구성을 도시한 입면도,
도 10 은 본 발명의 제 4 실시형태의 구성을 도시한 입면도,
도 11 은 본 발명의 제 5 실시형태의 구성을 도시한 입면도,
도 12 는 본 발명의 제 6 실시형태의 구성을 도시한 입면도,
도 13 은 본 발명의 제 7 실시형태의 지상 급전부 및 탑재 수전부를 도시한 사시도,
도 14a 는 제 7 실시형태의 비접촉식 급전 시스템의 평면도,
도 14b 는 도 14a 의 선 B-B 을 따른 단면도,
도 14c 는 도 14a 의 선 C-C 을 따른 단면도,
도 15 는 제 7 실시형태의 비접촉식 급전 시스템에 부여되는 자속선을 도시한 차트,
도 16 은 제 7 실시형태의 시스템과 종래 시스템의 코어 폭방향의 자속 밀도 분포를 도시한 차트,
도 17 은 제 7 실시형태의 차량의 수평방향 위치 이동을 설명하는 도면,
도 18 은 본 발명의 제 8 실시형태의 비접촉식 급전 시스템을 도시한 단면 입면도,
도 19 는 판상 블록이 서로 연결되는 구조를 설명하는 도면, 및
도 20 은 급전부를 보호하는 구조를 도시한 종방향 단면 입면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 예시적으로 상세하게 설명한다. 이러한 실시형태에 기재되어 있는 구성품의 치수, 재료, 형상뿐만 아니라 그 상대적 위치는, 다르게 특정하지 않는 한, 본 발명의 기술적 범위를 제한하려는 취지가 아니다.
(실시형태 1)
본 발명의 제 1 실시형태를 도 1 ~ 도 5c 를 참조하여 설명한다.
도 1 을 참조하면, 트랙형 교통 시스템의 차량 (1) 은, 차량 하부의 4 개의 모서리에 휠로서 고무 타이어 (2) 가 장착되고 또한 미리 정해진 트랙 (본 실시형태에서는 주행 노면 (30)) 을 전력으로 주행하는 전기 차량이다.
도 2 를 참조하면, 차량 (1) 은, 고무 타이어 (2) 를 구동하는 모터 (3), 이 모터 (3) 에 구동 전류를 공급하는 2 차 전지 (예를 들어, 리튬 이온 2 차 전지) (5), 및 모터 (3) 를 제어하는 제어기 (6) 를 포함한다. 차량 (1) 의 전방 하부에는 수전부 (7) 가 형성되고, 이 수전부 (7) 에서 유도되는 기전력은 정류기 (4) 에 의해 직류로 변환된 후 2 차 전지 (5) 에 충전된다.
또한, 차량 (1) 에는, 차량 (1) 의 주행뿐만 아니라 차량의 다른 전체 구성품을 제어하는 차량 제어 유닛 (11) 이 탑재되어, 예를 들어, 위치 센서 (14) 에 의해 검출되는 주행 차량 (1) 의 위치에 따라서 원하는 위치에서 차량 (1) 이 정지되도록 제어를 실시한다.
또한, 차량 (1) 에는, 탑재 충전 제어 유닛 (12), 탑재 통신 유닛 (13) 및 차량 (1) 의 주행 위치를 검출하는 위치 센서 (14) 가 장착된다. 한편, 지상의 충전 장소 (예를 들어, 역 구내) 에는, 충전 전원 (21), 지상 충전 제어 유닛 (22) 및 지상 통신 장치 (23) 가 장착된 지상 충전 설비 (20) 가 배치된다.
탑재 통신 유닛 (13) 및 지상 통신 유닛 (23) 은, 탑재 통신 유닛 (13) 측 및 지상측간의 정보를 교환하도록, 적외선에 의해 서로 통신한다.
탑재 충전 제어 유닛 (12) 에는, 충전 종료 전압 설정 수단 및 전압 검출 수단에 의해 검출되는 2 차 전지 (5) 의 전압 검출값과 설정된 충전 종료 전압을 비교하는 비교 수단이 장착되고, 도 6 의 순서도에서 이중선 프레임으로 도시한 처리 단계를 실시한다.
도 1 을 참조하면, 주행 방향을 따라 주행 노면 (30) 의 중앙부에는 가이드 홈 (31) 이 형성되고, 차량 (1) 의 주행시 가이드 홈 (31) 에는 차량 차체에 장착되는 가이드 휠 (32) 이 삽입된다.
가이드 휠 (32) 은 차량 (1) 의 가이드 휠 (32) 에 의해 실시되는 차량 (1) 의 조타 기능을 가진다. 대안으로, 가이드 휠은, 차량 (1) 조타용 자동 조타 기구가 정상 상태에서 이상이 발생했을 때 또는 차량 (1) 에 어떠한 원인에 의해 외란이 생겼을 때, 차량이 트랙으로부터 이탈하지 않도록 하는 페일 세이프 기구 (fail-safe mechanism) 로서의 역할을 한다. 도면부호 15 는 차량 (1) 의 일단부에 형성되는 연결기를 나타낸다.
상기 페일 세이프 기구에 대해 간단하게 설명한다. 페일 세이프 기구는, 자동 조타 기구를 구비한 트랙형 교통 시스템의 차량에 적용된다. 자동 조타 기구는, 산출된 차량 위치를 나타내고 또한 트랙을 따라 미리 정해진 간격으로 놓인 다수의 지상 프로브로부터 전송되는 프로브간의 지상 위치 데이타 및 거리를 GPS (Global Position System) 데이타, 타이어의 회전수를 나타내는 펄스 신호 및 구동 모터의 속도를 나타내는 펄스 신호 등으로 보완하여 얻어지는 순간 차량 위치 데이터를 수신한다. 이러한 데이터의 사용으로, 차량 위치를 검출하여, 자동 조타용 조타 패턴을 결정하도록 저장부에 저장된 주행 트랙 데이터와 비교한다.
하지만, 안내 휠 및 안내 레일 등에 따른 기계적 조타 방법을 이용하지 않는다면, 전술한 자동 조타는 불충분하다. 즉, 전술한 자동 조타 기구가 고장났을 경우 또는 바람, 우천, 또는 눈 등의 환경 외란의 경우에 발생되는 비상시에, 차량의 폭주 또는 탈선에 대한 안전 대책을 확보할 필요가 있다.
그리하여, 안전성을 보장하기 위해 다음과 같은 페일 세이프 기구가 포함된다. 즉, 홈 형상의 보호 트랙이 트랙을 따라서 형성되어, 차량 차체의 하부에 제공되는 보호 휠이 차량 주행시 보호 트랙에 삽입된다. 이 보호 휠은 보호 트랙과의 사이에 공극을 두는데, 즉 차량은 보호 트랙의 가이드 벽과 보호 휠이 접촉하지 않고 주행한다. 이러한 공극은 차량이 트랙으로부터 벗어나는 허용 한계보다 작게 설정된다.
전술한 페일 세이프 기구에 의해, 자동 조타 기구에 이상이 발생할 때, 또는 차량 (1) 에 외란이 발생할 때, 차량을 조타하도록 보호 휠이 보호 트랙과 접촉하게 된다. 그럼으로써, 차량의 조타 기구에 고장이 발생했을 경우 또는 어떠한 외란이 차량에 가해졌을 경우에도, 차량을 안전하게 보호할 수 있다 (일본공개특허공보 제 2006-175962 호 참조).
도 1 을 참조하면, 지상측으로부터 차량 (1) 에 다양한 신호를 전달하는 신호선 (33) 이 주행 노면 (30) 에 배치된다. 우측 고무 타이어 (2) 와 가이드 홈 (31) 사이의 주행 노면 (30) 에 지상 급전부 (24) 가 배치되고, 이 지상 급전부 (24) 는 급전선 (25) 을 개재하여 스위치 (26) 에 의해 충전 전원 (21) 과 접속된다. 주행 노면 (30) 에 배치되는 지상 급전부 (24) 는, 우측 고무 타이어 (2) 와 가이드 홈 (31) 사이의 폭 (a, 예를 들어 600 ㎜) 보다 작은 폭 (W) 을 가진다.
다음으로, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 에 대한 구성을 도 5a ~ 도 5c 를 참조하여 설명하고, 이 도면에서 지상 급전부 (24) 의 구성은, 탑재 수전부 (7) 의 구성과 실질적으로 동일하고, 즉 E 형 코어 (43) 및 권선 (44) 으로 구성된다. E 형 코어 (43) 는, 강자성 페라이트로 만들어지는 다수의 판상 블록 (45) 으로 구성되고, 이 판상 블록은, 차량의 이동 방향 (b) 또는 이동 방향 (b) 에 수직한 방향으로 적절하게 배열되거나 또는 접착제나 절연 나사에 의해 서로 연결되는 판상 블록 (45) 에 인접하여, 상하로 서로 중첩된다. 본 실시형태에서 지상 급전부 (24) 또는 탑재 수전부 (7) 는 48 개의 판상 블록 (45) 으로 각각 구성된다. 이러한 판상 블록 (45) 은 표준 구성품으로서 저비용으로 용이하게 상업적으로 구입가능하다.
판상 블록 (45) 은 직사각형 표면을 형성하는 평판 형상이다. 모든 판상 블록 (45) 은 장변 (45a) 이 이동 방향 (b) 으로 연장하고 또한 단변 (45b) 이 이동 방향 (b) 에 수직한 방향으로 연장하도록 배치된다. 따라서, 지상 급전부 (24) 또는 탑재 수전부 (7) 는, 장변이 이동 방향 (b) 을 따라 연장하는 직사각형 표면을 갖는 평판 형상의 부재로 제조되고, 그리하여 이는 바람직하다. 도 5b 에서, 사선부에 돌출부 (47) 를 형성하도록 2 개의 판상 블록 (45) 을 서로 중첩함을 알아야 한다.
권선 (44) 은, 타원 형상으로 형성되고, E 형 코어 (43) 의 돌출부 (47) (사선부) 의 사이에 형성된 오목부 (48) 에 타원 형상의 방향이 이동 방향 (b) 으로 연장하도록 수용된다. 공극 (46) 은 판상 블록의 모서리에 권선 (44) 의 곡률 반경을 형성하도록 제공된다.
전술한 바와 같이 구성되는 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 는 도 5c 에 도시된 바와 같이, 비접촉식 급전 시스템을 구성하도록, 그 사이에 공극 (g) 을 두고 서로 면 대향된다. 탑재 수전부 (7) 는, 차량 (1) 이 이동 방향으로 진입하여 지상 급전부 (24) 의 바로 위의 위치까지 왔을 때, 지상 급전부 (24) 에 평행하게 공극 (g) 을 두고 면 대향하는 위치에서 차량 (1) 에 장착된다.
차량 (1) 이 탑재 수전부 (7) 를 지상 급전부에 면 대향시키는 충전 위치에 도달하면, 지상 급전부 (24) 의 1 차 코어 (43a) 및 탑재 수전부 (7) 의 2 차 코어 (43b) 사이의 주 자로로서 공극 (g) 을 통과하는 자속을 유도하도록, 지상 급전부 (24) 의 1 차 권선 (44a) 에 교류가 공급된다. 교류는 수 kHz ~ 수십 kHz 범위의 고주파 전류이고, 이는 자속 밀도를 증가시켜, 코어의 소형화를 가능하게 한다. 전체 자속은, 탑재 수전부 (7) 의 2 차 권선 (44b) 과 상호연결되는 유효 자속과, 2 차 권선 (44b) 과 상호연결되지 않는 누설 자속의 합이다. 2 차 권선 (44b) 과 상호연결되는 자속은 시간에 따라 변하고, 그에 따라, 전자기 유도에 의해 2 차 권선 (44b) 에서 유도 기전력이 유도되어, 2 차 권선 (44b) 에 교류가 흐르게 된다. 그리하여, 2 차 권선 (44b) 에 연결되는 부하에 전력이 전송된다.
전술한 바와 같이 구성되는 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 에 의하여, 다수의 판상 블록 (45) 을 조합함으로써 대형의 E 형 코어 (43) 를 저렴하게 형성할 수 있다.
또한, 지상 급전부 및 탑재 수전부가 간단하고 얇은 판 형상을 가짐으로써, 이러한 지상 급전부 및 탑재 수전부는 차량 (1) 과 주행 노면 (30) 사이의 좁은 공간에 용이하게 삽입될 수 있다. 또한, 판상 블록 (45) 은 장변 (45a) 을 이동 방향 (b) 으로 연장시켜 배치하고, 권선의 타원 방향을 이동 방향 (b) 쪽으로 설정한다. 따라서, E 형 코어 (43) 는 이동 방향 (b) 으로 긴 길이를 가지므로, 이동 방향 (b) 에 수직한 방향으로 좁은 폭을 가질 수 있으며, 그럼으로써, 구성품의 배치 및 치수 설계에 대한 자유도를 높일 수 있다.
대형의 코어를 용이하게 형성할 수 있기 때문에, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 사이의 공극 (g) 을 통하여 그 사이에서 큰 전력을 전송할 수 있다. 또한, 공극 (g) 을 크게 설정할 수 있기 때문에, 차량 (1) 이 정지하게 되는 위치가 지상 급전부 (24) 로부터 이동 방향 (b) 으로 △x 만큼 수평방향으로 이동되더라도, 큰 전력을 전송할 수 있다. 또한, 공극 (g) 이 다소 변동하더라도, 인덕턴스는 크게 변화하지 않고, 그럼으로써 큰 전력을 전송할 수 있다.
전술한 바와 같은 제 1 실시형태에 있어서, 차량 (1) 은 충전을 하기 위해 역사 등의 지상 충전 설비 (20) 에서 정지한다. 이때, 차량 제어 유닛 (11) 은, 차량 (1) 의 하부에 장착된 탑재 수전부 (7) 가 주행 노면 (30) 에 형성된 지상 급전부 (24) 의 바로 위에 위치하는 위치에서 차량 (1) 이 정지하도록, 위치 센서 (14) 에 의해 순간적인 차량 (1) 의 위치를 검출하면서, 차량 (1) 을 제어한다. 이때, 지상 충전 제어 유닛 (22) 은, 지상 급전부 (24) 의 바로 위 위치 근방에 배치된 탑재 수전부 (7) 를 검출하고, 고무 타이어 (2) 의 정지 위치 전후로 주행 노면 (30) 에 형성된 오목부 (35) 로부터 휠 정지부 (34) 를 돌출시킨다. 휠 정지부 (34) 에 대한 구동 기구는 종래에 공지되었고, 즉 예를 들어 전기 실린더 및 링크 기구를 조합하여 구성될 수 있다.
그리하여, 차량 제어 유닛 (11) 에 의한 정지 제어와 휠 정지부 (34) 에 의한 기계적 정지 동작을 병용하여, 차량 (1) 은 탑재 수전부 (7) 가 지상 급전부 (24) 의 바로 위에 위치되는 위치에서 확실하게 정지될 수 있다.
또한, 탑재 수전부 (7) 를 상하로 이동시키는 간편한 구동 유닛이, 탑재 수전부 (7) 와 지상 급전부 (24) 사이의 공극을 미세하게 조정하도록 제공된다. 이러한 구동 유닛은 간편하고 종래에 공지될 수 있다. 예를 들어, 탑재 수전부 (7) 를 상하로 이동시키도록 탑재 수전부 (7) 를 지지하는 나사가 회전되는 기구를 사용할 수 있다. 그럼으로써, 탑재 수전부 (7) 및 지상 급전부 (24) 사이의 공극이 작아지면, 자속 밀도가 증가하고, 충전 전력이 증가될 수 있다. 전술한 기구에 의해 탑재 수전부 (7) 및 지상 급전부 (24) 사이의 공극이 작게 설정될 수 있다.
탑재 수전부 (7) 및 지상 급전부 (24) 사이의 공극 (g) 은, 차량 (1) 의 부하 변동 또는 고무 타이어 펑크 등을 감안하여, 차량 (1) 의 상하 변동 (△h) 보다 큰 값으로 설정된다. 예를 들어, 공극 (g) 은 약 50 ~ 70 ㎜ 범위의 값으로 설정된다.
이러한 실시형태의 구성에 있어서, 충전 조작은 도 6 을 참조하여 설명되고, 이 도면에서, 삼중선 프레임은 차량 제어 유닛 (11) 에 의해 실시되는 처리 단계를 나타내고, 이중선 프레임은 탑재 충전 제어 유닛 (12) 에 의해 실시되는 처리 단계를 나타내며, 단일선 프레임은 지상 충전 제어 유닛 (22) 에 의해 실시되는 처리 단계를 나타낸다. 먼저, 위치 센서 (14) 에 의해 차량 (1) 의 위치를 검출하면서 미리 설정된 충전 가능 위치, 즉 탑재 수전부 (7) 가 지상 급전부 (24) 에 비접촉식으로 면 대향하는 위치에서 차량이 정지한다 (단계 1).
위치 센서 (14) 를 사용하는 대신에, 탑재 통신 유닛 (13) 및 지상 통신 유닛 (23) 간의 통신을 통하여 차량의 위치를 검출할 수 있는 방법을 사용할 수 있음을 알아야 한다.
다음으로, 위치 센서 (14) 에 의해 또는 탑재 통신 유닛 (13) 및 지상 통신 유닛 (23) 간의 통신으로, 충전 위치에 정지한 차량 (1) 을 검출한 후, 차량 제어 유닛은 차량 (1) 을 비상 브레이크 (EB) 해제 불가 모드로 변경하여, 차량이 시동되지 않도록 비상 브레이크를 가한 상태에서 차량 (1) 을 유지한다 (단계 2).
그 후에, 차량 제어 유닛 (11) 은 충전 허용 신호를 차량 충전 제어 유닛 (12) 을 개재하여 충전 제어 유닛 (22) 에 송신하여 (단계 3), 지상 충전 제어 유닛 (22) 이 이 신호를 수신한다 (단계 4).
그 후에, 충전 전원 (21) 에 의해 충전을 개시한다 (단계 5). 탑재 2 차 전지 (5) 의 충전이 개시되면, 차량 충전 제어 유닛 (12) 은, 2 차 전지 (5) 의 충전 전압과 미리 설정된 충전 종료 전압의 설정값을 비교하고, 점차적으로 증가하는 2 차 전지 (5) 의 충전 전압이 상기 설정값보다 높아지면, 차량 충전 제어 유닛 (12) 은 탑재 통신 장치 (13) 를 개재하여 충전 종료 신호를 지상 충전 제어 유닛 (22) 으로 송신하고, 지상 충전 제어 유닛이 충전 종료 신호를 수신하면 (단계 6), 충전 전원 (21) 에 의해 차량 (1) 에 대한 충전이 정지된다.
다음으로, 지상 충전 제어 유닛 (22) 으로부터 차량 시동 허용 신호가 차량 충전 제어 유닛 (12) 에 전송되고 (단계 7), 이 차량 시동 허용 신호는 차량 충전 제어 유닛 (12) 을 개재하여 차량 제어 유닛 (11) 에 의해 수신된다 (단계 8). 그 후에, 차량 제어 유닛 (11) 은 현재의 모드를 비상 브레이크 (EB) 해제 가능 모드로 변경한 후, 차량 (1) 을 시동시킨다.
전술한 바와 같이, 지상 급전부 (24) 를 차량 (1) 의 주행 노면 (30) 에 고정시키고, 탑재 수전부 (7) 를 차량 (1) 에 고정시키며, 지상 급전부 (24) 또는 탑재 수전부 (7) 를 구동하는 기구가 제공되지 않는 제 1 실시형태에 의하여, 전체 기구를 간소화할 수 있다. 또한, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 를 고정시키기 때문에, 충전하기 위한 처리 단계 수를 줄일 수 있고, 또한 충전 시간을 연장할 수 있으며 급속 충전을 할 수 있다.
또한, 차량 (1) 은 이 차량 (1) 의 위치를 검출하는 위치 센서 (14) 및 차량 제어 유닛 (11) 을 포함하기 때문에, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 가 서로 면 대향하는 위치에 차량을 정확하게 정지시킬 수 있다.
또한, 휠 정지부 (34) 로 구성되는 기계적 정지 기구를 제공할 수 있기 때문에, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 가 서로 면 대향하는 위치에 차량 (1) 을 확실하게 정지시킬 수 있다. 또한, 차량 (1) 이 정지한 후에, 지상 급전부 (24) 를 간편한 기구로 이동시킬 수 있기 때문에, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 간의 공극이 줄여들 수 있고, 그럼으로써 자속 밀도가 증가하여, 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 판상 블록 (45) 을 조합함으로써 원하는 형상의 판상 코어를 저비용으로 용이하게 제조할 수 있다. 판상 코어는 평판 형상이기 때문에, 차량 (1) 의 하부 및 주행 노면 (30) 사이에 용이하게 배치될 수 있다. 게다가, 판상 블록 (45) 은 장변 (45a) 이 이동 방향 (b) 으로 연장하도록 배열되고, 또한 권선 (44) 의 타원 방향이 이동 방향 (b) 으로 배향되기 때문에, E 형 코어 (43) 는 이동 방향 (b) 으로 긴 길이를 갖고, 그럼으로써 큰 전력을 전송 할 수 있다. 따라서, E 형 코어의 폭 (W) 은 이동 방향 (b) 에 수직한 방향으로 감소될 수 있으므로, 구성품의 배치 및 치수 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다. 또한, 공극 (g) 이 크게 설정될 수 있기 때문에, 지상 급전부 (24) 의 폭 (W) 은 고무 타이어 (2) 와 가이드 홈 (31) 사이의 공극보다 작게 설정될 수 있다.
전술한 바와 같이 대형 코어를 용이하게 형성할 수 있기 때문에, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 사이의 공극 (g) 을 크게 설정하더라도 큰 전력을 전송할 수 있다. 또한, 공극 (g) 을 크게 설정할 수 있기 때문에, 차량 (1) 의 정지 위치를 지상 급전부 (24) 로부터 이동 방향 (b) 으로 이동하더라도, 큰 전력을 전송할 수 있다. 즉, 공극 (g) 이 다소 변동하더라도, 인덕턴스는 크게 변하지 않고, 그럼으로써 큰 전력을 전송할 수 있다.
게다가, 위치 센서 (14) 에 의해 또는 탑재 통신 유닛 (13) 및 지상 통신 유닛 (23) 간의 통신을 통하여, 충전 가능 위치에 위치한 차량을 검출하여, 차량 (1) 을 비상 브레이크 (EB) 해제 불가 모드로 변경함으로써, 충전중 차량 (1) 이 시동되는 것을 방지할 수 있다.
충전 종료시 지상 충전 제어 유닛 (22) 이 충전 전원 (21) 의 통전을 중지한 후, 차량 제어 유닛 (11) 이 차량 충전 제어 유닛 (12) 으로부터 충전 종료 지령을 수신하면 차량 (1) 이 시동되기 때문에, 충전 종료 전에 차량 (1) 이 시동되는 것을 방지할 수 있다.
상기 실시형태에서는 탑재 수전부 (7) 를 상하로 가동시키지만, 그 대신에 지상 급전부 (24) 를 상하로 가동시키도록 설정할 수도 있다. 즉, 도 7 은 이러한 가동 지상 급전부 (24) 를 나타내는 확대 측면도이다. 도 7 을 참조하면, 주행 노면 (30) 에 지상 급전부 (24) 를 수용하는 오목부 (53) 를 형성하고, 이 오목부 (53) 에 지상 급전부 (24) 를 수용한다. 지상 급전부 (24) 는 오목부 (53) 의 하부면에 부착되는 스프링 (52) 에 의해 지지된다. 하지만, 스프링 (52) 은 약하고, 즉 지상 급전부 (24) 의 자중이 스프링 (52) 의 탄성력을 무력화하여, 차량 (1) 이 접근하기 전에는 지상 급전부 (24) 는 오목부 (53) 내에 유지된다. 또한, 지상 급전부 (24) 의 상면에는 영구자석 (51) 이 장착된다.
차량 (1) 이 지상 급전부 (24) 에 접근하여, 지상 급전부 (24) 의 바로 위에서 이 지상 급전부에 탑재 수전부 (7) 가 대향하면, 영구자석 (51) 이 탑재 수전부 (7) 를 흡인하는 자력을 발생시키므로, 지상 급전부 (24) 에 상향 힘이 작용한다. 그리하여, 상기 자력과 스프링 (52) 의 탄성력이 지상 급전부 (24) 의 자중을 무효화하고, 지상 급전부 (24) 가 상방으로 돌출한다. 따라서, 지상급 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 사이의 공극이 좁아져서, 충전 효과를 향상시킬 수 있다. 또한, 전술한 가동 시스템은 어떠한 구동 유닛을 필요로 하지 않으므로, 저비용으로 조립될 수 있다.
(실시형태 2)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태를 도 8 를 참조하여 설명하고, 이 도면은 제 2 실시형태의 트랙형 교통 시스템의 차량 구성을 도시하는 측면도이다. 도 8 을 참조하면, 전술한 바와 같이 제 1 실시형태와 동일 구성을 갖는 부분에는 동일한 도면 부호를 사용한다. 이는 이하에 설명되는 모든 후속의 도면에도 적용된다. 본 실시형태에 있어서, 탑재 수전부 (7a, 7b, 7c) 는 차량 (1) 의 전방부, 중앙부 및 후방부 등의 3 개의 부분으로 각각 배치되고, 지상 급전부 (24a, 24b, 24c) 는 정지한 차량 (1) 의 탑재 수전부 (7a, 7b, 7c) 에 면 대향하는 3 개의 위치에서 주행 노면 (30) 에 제공된다. 탑재 수전부 (7a, 7b, 7c) 는, 상기 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 평판 형상이고, 2 차 전지 (5) 및 제어기 (6) 등의 탑재 구성품과 주행 노면 (30) 사이의 장소에 용이하게 배치될 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 다수의 비접촉식 급전 시스템을 사용함으로써 충전을 동시에 할 수 있으므로, 충전 시간이 한정되어 있는 역 등에 차량의 정지시 급속 충전을 할 수 있다.
(실시형태 3)
다음으로 본 발명의 제 3 실시형태를 도 9 를 참조하여 설명하고, 이 도면은 역 등에 정지중인 차량의 형상을 도시하는 입면도이다. 도 9 를 참조하면,역 등의 플랫폼 (61) 에 수직 형성된 지주 (62) 에 의해 지지되는 지붕 (63) 에 지상 급전부 (24) 가 형성된다. 충전 전원 (21) 에 접속되는 급전선 (25) 은 지주 (62) 및 지붕 (63) 내부를 통하여 배치되고 또한 지상 충전 제어 유닛 (22) 을 개재하여 지상 급전부 (24) 에 접속된다.
한편으로는, 차량의 지붕 상면에 형성되는 탑재 수전부 (7) 는, 차량 (1) 이 플랫폼 (61) 에 정지할 때, 지상 급전부 (24) 에 미리 정해진 공극을 두고 면 대향한다. 본 실시형태에 있어서, 탑재 수전부 (7) 는 전술한 바와 같이 평판 형상이기 때문에, 차량 (1) 의 지붕에 용이하게 장착된다. 상기 제 2 실시형태에서 설명한 바와 같이, 차량 (1) 의 종방향으로 다수의 탑재 수전부가 배치될 수 있음을 알아야 한다.
지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 로 이루어지는 비접촉식 급전 시스템을 차량 (1) 의 지붕 위에 배치하는 본 실시형태에 의하면, 차량의 하부의 좁은 공간에 비접촉식 급전 시스템을 배치할 필요가 없어진다. 따라서, 차량 (1) 의 하부에 여분의 설치 공간을 둘 수 있다. 그리하여, 이 공간을 다른 구성품을 수용하도록 사용할 수 있다. 또한, 역사 등의 지붕을 사용하여 지상 급전부 (24) 를 설치할 수 있으므로, 특별한 지상 설비를 형성할 필요가 없다.
또한, 사람이 접근하기 어려운 역사의 지붕에 비접촉식 급전 시스템을 배치할 수 있고, 즉 공중 자기장이 사람으로부터 멀리 형성되어, 안전성을 향상시킬 수 있다.
(실시형태 4)
다음으로 본 발명의 제 4 실시형태를 도 10 을 참조하여 설명하고, 이 도면은 충전 장소에서 정지되는 차량의 형상을 나타내는 입면도이다. 도 10 을 참조하면, 본 실시형태는 사이드 가이드 형상의 트랙형 교통 시스템에 적용된다. 차량 (1) 의 주행 노면 (30) 의 양측에는, 주행 노면 (30) 을 따라 연장되는 가이드 벽 (72) 이 배치되고, 차량 (1) 의 양측에 장착된 가이드 휠 (71) 은 가이드 벽 (72) 에 의해 안내되어 차량 (1) 을 조타한다.
이러한 사이드 가이드 형상의 트랙형 교통 시스템에 있어서, 차량 (1) 의 하부에 탑재 수전부 (7) 가 형성되고, 탑재 수전부 (7) 에 면 대향하는 위치에서 주행 노면 (30) 에 지상 급전부 (24) 가 설치된다. 본 실시형태에서는, 상기 제 l 실시형태 및 제 3 실시형태에서와 같이 ,주행 노면 (30) 의 중앙부에 가이드 홈이 없기 때문에, 지상 급전부 (24) 는 큰 폭 (W) 을 가질 수 있다. 또한, 신호 선이 설치되는 위치를 좌측 고무 타이어 (2) 쪽으로 이동시키면, 지상 급전부 (24) 의 폭 (W) 을 더 크게 설정할 수 있다. 따라서, 지상 급전부 (24) 로부터 탑재 수전부 (7) 에 큰 전력을 전송할 수 있고, 뿐만 아니라 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 간의 공극을 크게 설정할 수 있다. 그럼으로써, 차량 (1) 의 높이 변동 및 차량의 정지시의 위치 이동에 대한 큰 허용값을 얻을 수 있다.
(실시형태 5)
다음으로, 본 발명의 제 5 실시형태를 도 11 을 참조하여 설명하고, 이 도면은 본 발명의 제 5 실시형태의 차량의 형상을 나타내는 입면도이다. 도 11 을 참조하면, 본 실시형태는, 전철이나 노면 전차 등과 같이 스틸 휠 (81) 가지고 또한 레일 (82) 상에서 주행하는 차량에 관한 것이다. 본 실시형태에 있어서, 차량 차체의 하부에 탑재 수전부 (7) 가 형성되고, 레일 (82) 간의 노면에 지상 급전부 (24) 가 설치된다. 본 실시형태에 있어서, 상기 제 2 실시형태에 기재된 바와 같이, 탑재 수전부 (7) 및 지상 급전부 (24) 로 각각 이루어지는 다수의 비접촉식 급전 시스템은 차량 (1) 의 종방향으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 3 실시형태에 기재된 바와 같이, 탑재 수전부 (7) 는 차량 (1) 의 지붕에 형성될 수 있고, 지상 급전부 (24) 는 차량 (1) 을 차폐하도록 지붕의 하부면에 형성된다.
본 실시형태에 따라서, 차량 (1) 의 스틸 휠 (81) 간의 전폭에 탑재 수전부 (7) 를 장착하기 위한 공간 및 레일 (82) 간의 폭에 지상 급전부 (24) 를 설치하기 위한 공간이 얻어질 수 있으므로, 탑재 수전부 (7) 및 지상 급전부 (24) 는 큰 폭을 가질 수 있다. 그로 인해, 큰 전력을 전송할 수 있고, 뿐만 아니라 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 사이의 큰 공극을 얻을 수 있다. 따라서, 차량 (1) 의 높이 변동 및 차량 정지시의 위치 이동에 대한 큰 허용값을 얻을 수 있다.
(실시형태 6)
다음으로, 본 발명의 제 6 실시형태를 도 12 를 참조하여 설명하고, 이 도면은 충전 장소에 위치된 차량의 형상을 나타내는 입면도이다. 도 12 를 참조하면, 본 실시형태의 형상은, 지상 급전부 (24) 를 주행 노면 (30) 의 지하에 매립 하는 것을 제외하고 상기 실시형태 1 과 동일하다. 본 실시형태에 있어서, 다수의 탑재 수전부는 차량의 종방향으로 형성될 수 있고, 다수의 지상 급전부 (24) 는 주행 노면 (30) 을 따라 설치된다. 또한, 본 실시형태는, 상기 제 5 실시형태에서 설명한 바와 같이, 스틸 휠을 가지고 또한 레일상을 주행하는 차량에 적용할 수도 있다.
지상 급전부 (24) 가 주행 노면 (30) 의 지하에 매립되는 본 실시형태에 의하면, 돌출물이 없어져서, 지상 급전부 (24) 의 보호를 도모할 수 있다. 또한, 지상 급전부 (24) 의 위치가 낮기 때문에, 탑재 수전부 (7) 가 낮은 위치에 배치될 수 있고, 탑재 수전부 (7) 상방의 공간이 확장되어, 이 공간을 효과적으로 사용할 수 있다.
(실시형태 7)
다음으로, 본 발명의 제 7 실시형태를 도 13 ~ 도 17 을 참조하여 설명하고, 도 13 은 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 의 사시도, 도 14a 는 본 실시형태에서 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 가 서로 면 대향되는 비접촉식 급전 시스템의 평면도, 도 14b 는 도 14a 의 선 B-B 를 따른 단면도, 도 14c 는 도 14a 의 선 C-C 를 따른 단면도, 도 15 는 비접촉식 급전 시스템에 부여되는 자속선을 나타내는 선도, 도 16 은 본 실시형태의 급전 시스템 및 종래의 급전 시스템의 코어 폭방향의 자속밀도 분포를 나타내는 선도, 도 17 은 차량의 수평방향 위치 이동을 나타내는 도면이다.
본 실시형태의 형상은, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 의 형상만을 제외하고 상기 제 1 실시형태와 동일하다. 따라서, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 의 형상만을 설명하고, 다른 구성품의 형상에 대한 설명은 생략한다. 도 13 을 참조하면, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 는 서로 동일하고, 또한 이들은 상기 제 1 실시형태의 판상 블록 (45) 과 동일한 치수 및 형상을 갖는 다수의 판상 블록 (95) 을 조합하여 구성되는 판상 코어 (93) 를 포함한다. 공극 (96) 은 공극 (46) 과 동일한 목적으로 형성된 것이다. 도 14a 에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 는 총 68 개의 판상 블록 (95) 으로 이루어진다.
판상 코어 (93) 의 형상은, E 형 코어가 아니라, 상기 제 1 실시형태의 E 형 코어 (43) 의 양단부에, 타원 방향에서 볼 때, 권선 (94) 의 양단부를 지지하는 U 형상의 단면부 (131) 를 추가한 형상이다. 권선은 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 타원 형상을 가진다. 판상 코어 (93) 는, 권선 (94) 을 수용하기 위해 장변이 이동 방향 (b) 으로 연장되는 직사각형 오목부 (98) 와, 이 오목부 (98) 의 내측 및 외측에 이동 방향 (b) 을 따라 형성되는 돌출부 (97) (2 층의 판상 블록 (95) 으로 구성) 를 갖는다. 권선 (94) 은 타원 방향이 이동 방향 (b) 으로 배향되는 오목부 (98) 에 수용된다. 이러한 U 형상의 단면부 (131) 의 추가로, 판상 코어 (93) 는 그 전체 원주에서 권선을 지지하는 지지면을 가진다.
도 14 에 도시된 바와 같이, 비접촉식 급전 시스템은, 지상급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 를 그 사이에 형성된 공극 (g) 을 두고 서로 평행하게, 권선을 수용하는 측의 표면이 서로 대향하도록 배치한 형상이다. 도 15 에서는 비접촉식 급전 시스템에 부여되는 자속선을 나타낸다. 도시되지 않은 차량 (1) 이 진입하여 탑재 수전부 (7) 를 지상 급전부 (24) 에 면 대향시키도록 정지하면, 지상 급전부 (24) 의 1 차 권선 (94a) 에 교류 (이 경우에 고주파 교류) 가 공급되므로, 도 15 에 도시된 바와 같이, 1 차 코어 (93a) 및 2 차 코어 (93b) 사이의 공극 (g) 을 통과하는 주 자로를 가진 자속이 유도된다.
전체 자속은, 2 차 권선 (94b) 을 상호연결하는 유효 자속 (m1) 및 2 차 권선 (94b) 을 상호연결하지 않는 누설 자속 (m2) 의 합이다. 2 차 권선 (94b) 을 상호연결하는 자속이 시간에 따라 변하기 때문에, 전자기 유도에 의해 2 차 권선 (94b) 에 유도 기전력이 발생하므로, 교류가 흘러, 2 차 권선 (94b) 에 접속된 부하에 큰 전력이 전송된다.
도 15 에 도시된 바와 같이, x-y (또는 x'-y') 사이의 거리는, 1 차 코어 (93a) 및 2 차 코어 (93b) 의 폭방향으로 (이동 방향 (b) 에 수직한 방향) x-x' 사이의 거리보다 커도록 설정된다. 즉, x-y (x'-y')/x-x'≥1 으로 설정하여, 누설 자속을 유도하는 자로의 자기 저항을 증가시킨다. 그럼으로써, 누설 자속이 저감될 수 있어서, 자기 결합율은 증가될 수 있고, 그럼으로써 큰 전력을 전송할 수 있다.
도 16 은, 본 실시형태의 비접촉식 급전 시스템 및 종래의 E 형 코어를 사용하는 종래의 비접촉식 급전 시스템의 코어 폭방향의 공극 (g) 중앙에서의 자속 밀도 분포를 나타내는 선도이고, 즉 도 16 은 동일한 권선 전류 조건 하에서 코어 폭방향의 자속밀도 분포의 3 차원 해석 결과를 나타낸다. 본 실시형태에 있어서, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 각각의 판상 코어 (93) 에 U 형상의 단면부 (131) 를 추가하기 때문에, 권선 (94) 을 수용하는 오목부 (98) 의 외측에 위치되는 돌출부 (97) 의 단면적이, 3 차원으로 볼 때, 종래의 E 형 코어보다 크다. 그럼으로써, 권선 (94) 의 외측의 자속밀도는 종래의 시스템에 비하여 작고, 또한 종래에 공기 공간을 가진 자로에 U 형상의 단면 형상의 코어를 배치하기 때문에, 전체의 자기 저항이 작아져, 인덕턴스를 증가시키고, 권선 (94) 의 내측에서의 자속 밀도가 증가할 수 있다.
따라서, 본 실시형태에 따라서, 인덕턴스가 종래의 E 형 코어보다 클 수 있기 때문에, 큰 전력을 전송할 수 있고, 또한 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 각각의 주변의 자속 밀도가 감소될 수 있으므로, 전자기 소음 및 유도 과열에 의한 의 영향을 저감할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서, U 형상의 단면부 (131) 를 제공함으로써, 단부에서도 자속이 용이하게 형성되므로, 인덕턴스가 증가하여, 큰 전력을 전송할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서, 상기 U 형상의 단면부 각각은 높이 방향으로 평탄화되고, 타원 방향에서 볼 때 하부면이 짧은 측 방향으로 연장하고 있다.
이동체의 수평방향 위치 이동을 설명하는 도 17 을 참조하면, 탑재 수전부 (7) 및 지상 급전부 (24) 사이의 수평방향 위치 이동 (△x) 을 유발할 수 있는데, 즉 도시하지 않은 차량 (1) 이 이동 방향 (b) 으로 진입하고 지상 급전부 (24) 의 상방의 위치에 정지할 때, 탑재 수전부 (7) 는 지상 급전부 (24) 의 바로 위가 아닌 위치에 배치된다. 하지만, 이러한 경우에라도, 본 실시형태에 있어서, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 각각은, 장변이 이동 방향 (b) 으로 연장하는 직사각형 형상을 가진 대형의 판상 코어 (93) 로 구성되어 있고, 또한 자기 결합율은 전술한 바와 같이 높아질 수 있으므로, 비교적 큰 공극 (g) 을 얻을 수 있다. 그리하여, 수평방향 위치 이동 (△x) 이 유발되더라도 인덕턴스는 실질적으로 변경되지 않으므로, 큰 전력을 전송할 수 있다.
따라서, 다수의 판상 블록 (95) 을 조합하여 판상 코어 (93) 를 구성하는 본 실시형태에 따라서, 대형 판상 코어 (93) 를 간편하고 저렴하게 제조할 수 있다. 또한, 이동 방향 (b) 에 수직한 방향의 코어 폭을 좁게 하더라도, 이동 방향 (b) 의 코어 길이를 조정함으로써 큰 전력 전송을 위한 설계 자유도를 크게 할 수 있다. 또한, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 사이의 공극 (g) 를 크게 설정할 수 있더라도, 자기 결합율을 증가시킬 수 있다. 게다가, 지상 급전부 (24) 및 탑재 수전부 (7) 사이의 수평방향 위치 이동 (△x) 이 유발되더라도 큰 전력을 전송할 수 있다.
(실시형태 8)
다음으로, 본 발명의 제 8 실시형태를 도 18 을 참조하여 설명하고, 이 도면은 제 8 실시형태의 비접촉식 급전 시스템을 나타내는 입면도이다. 도 18 을 참조하면, 본 실시형태에 있어서, 지상 급전부 (101) 에는 판상 블록이 추가되어, 탑재 수전부 (102) 보다 판상 블록 1 개에 대응하는 길이만큼 차량 (1) 의 이동 방향 (b) 으로 더 길다. 그럼으로써, 차량의 정지시의 수평방향 위치 이동에 대한 기전력에 대한 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 컴팩트화가 요구되는 탑재 수전부 (102) 는 지상 급전부 (101) 보다 이동 방향 (b) 으로 더 짧기 때문에, 탑재 수전부 (102) 를 컴팩트하게 형성할 수 있다.
지상 급전부 (101) 또는 탑재 수전부 (102) 의 코어를 구성하도록 판상 블록 (105) 을 서로 조합하는 방법에 있어서, 접착제 또는 절연 볼트에 의해 서로 연결할 수 있음을 알아야 한다. 하지만, 도 19a 및 도 19b 에 도시된 바와 같이, 양단부에서 서로 끼워맞출 수도 있다. 즉, 도 19a 에서, 판상 블록 (115) 의 일단부에 형성되는 오목부 (115a) 는 이 판상 블록 (115) 이 접하게 되는 판상 코어 (116) 의 일단부로부터 돌출하는 돌출부 (116a) 에 끼워맞춰져서, 판상 블록 (115, 116) 둘 다를 연결한다.
도 19b 에서, 판상 블록 (125) 의 일단부로부터 하방으로 돌출하는 돌출부 (125a) 는, 이 판상 블록 (125) 이 접하게 되는 판상 블록 (126) 의 일단부에 형성되는 오목부 (126a) 에 밀접하게 끼워맞춰져서, 판상 블록 둘 다를 연결한다.
또한, 지상 급전부 (101) 를 주행 노면 (30) 상에 설치하는 경우에, 지상 급전부 (101) 를 이 주행 노면에 노출시키면, 이 지상 급전부는 먼지 또는 어떠한 다른 외부 환경에 의해 열화될 수 있다. 그리하여, 지상 급전부를 외부 환경으로부터 고립한 상태에서 설치할 필요가 있다. 도 20 은 이러한 고립의 일예를 도시한다. 도 20 을 참조하면, 지상 급전부 (141) 는 수지 케이싱 (142) 에 수용된 후 그 위에 용융 절연성 수지로 덮은 후, 절연성 수지 코팅 (143) 으로 고화시킨다. 그럼으로써, 지상 급전부 (141) 는 외부 환경으로부터 고립되어, 성능 저하를 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 전기 차량 등의 이동체에 급전하는 비접촉식 급전 시스템에 있어서, 용이하게 저비용으로 제조될 수 있는 급전부 및 수전부를 포함하며, 구동 기구를 없애, 급속 충전을 실시할 수 있고 큰 전력을 전송할 수 있다.

Claims (12)

  1. 이동체의 주행 노면을 따라 배치되는 급전부와, 상기 이동체에 장착되는 수전부를 포함하며, 서로 면 대향하는 급전부와 수전부 사이에 급전하는, 이동체의 비접촉식 급전 시스템에 있어서,
    상기 급전부는 상기 이동체의 주행 노면상 또는 그 주행 노면 상방의 공중에 고정되고, 상기 수전부는, 이동체가 급전부의 설치 위치에서 정지했을 때, 그 사이에 미리 정해진 공극을 두고 수전부가 급전부에 면 대향하는 위치에 고정되며,
    상기 급전부 및 수전부 각각은 장변이 이동체의 이동 방향을 따라 연장되는 판상 코어로 구성되고,
    상기 급전부는 지하 또는 공중에 배치되는 급전선을 통하여 급전되고,
    상기 급전부 및 수전부 중 하나는 서로 가까워지도록 또한 멀어지도록 이동가능하고,
    상기 급전부의 상면에 자석이 부착되고, 급전부는 주행 노면에 형성한 오목부에 수용되고, 그 급전부를 탄성 스프링으로 지지시켜, 이동체가 급전부에 접근하고 있지 않을 때는 그 급전부의 자중으로 급전부가 주행 노면 하방의 위치에 위치되고, 이동체가 급전부에 접근할 때는 자석과 이동체의 사이에서의 유효한 흡인 힘으로 상기 급전부가 주행 노면 상방으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 이동체의 비접촉식 급전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이동체는, 상기 이동체의 위치를 검출하는 위치 검출 센서와, 상기 위치 검출 센서에 의해 검출된 위치 데이타를 수신하여 상기 급전부와 수전부가 서로 면 대향하는 위치에서 이동체를 정지시키는 제어 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 이동체의 비접촉식 급전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 이동체가 급전부와 수전부가 서로 면 대향하는 위치에 도달했을 때, 차량 휠을 정지시키는 휠 정지부가 주행 노면에 매립되고 또한 상기 이동체가 급전부와 수전부가 서로 면 대향하는 위치에 도달했을 때, 주행 노면으로부터 돌출되는 것을 특징으로 하는 이동체의 비접촉식 급전 시스템.
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  6. 제 1 항에 있어서, 상기 급전부와 수전부 각각은, 타원형 권선과, 권선의 타원 방향이 이동체의 이동 방향을 따라 연장하는 권선을 수용하는 오목부가 외부면에 형성되는 자성재의 판상 코어로 구성되고,
    상기 판상 코어는 다수의 판상 블록으로 구성되며, 상기 판상 블록은, 이 판상 블록의 장변을 이동 방향으로 연장시킨 상태에서, 이동 방향 또는 그 이동 방향에 수직한 방향으로 배치되거나 또는 상하로 서로 중첩되며,
    상기 판상 코어의 오목부는 권선의 타원부의 내측 및 외측의 판상 코어의 외부면에 판상 블록이 서로 중첩되는 두꺼운 벽부에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이동체의 비접촉식 급전 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 권선의 타원부에 대응하는 판상 코어의 오목부는, 직사각형 표면을 갖는 다수의 판상 블록이, 판상 블록의 직사각형의 장변을 이동 방향으로 연장시킨 상태에서 이동 방향 또는 이동 방향에 수직한 방향으로 배열되도록 구성되고, 상기 타원부의 내측 및 외측에 위치하는 두꺼운 벽부는 판상 블록을 상하로 서로 중첩시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 이동체의 비접촉식 급전 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 판상 코어에는 상기 권선의 타원 방향 양단부를 지지하는 U 형상의 단면부가 형성되어, 이 판상 코어에 의해 권선을 전체 원주에서 지지하도록 하는 것을 특징으로 하는 이동체의 비접촉식 급전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 U 형상의 단면부 각각은 높이 방향으로 평탄화되고, 타원 방향에서 볼 때 하부면이 짧은 측 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 이동체의 비접촉식 급전 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 판상 코어에 권선의 타원 방향으로 권선의 양단부를 지지하는 U 형상의 단면부 각각은, 오목부의 짧은 측면 방향에서 볼 때, 권선을 수용하는 오목부의 양측에 제방 형상의 두꺼운 부분을 갖는 단면 구조인 것을 특징으로 하는 이동체의 비접촉식 급전 시스템.
  11. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 판상 코어의 오목부는, 상기 급전부 및 수전부 사이의 공극과 동일하거나 또는 그 보다 크게 설정되는 개구 폭을 구비하는 것을 특징으로 하는 이동체의 비접촉식 급전 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 급전부는 상기 수전부보다 긴 이동 방향으로의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 이동체의 비접촉식 급전 시스템.
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