WO2013111430A1

WO2013111430A1 - 非接触給電システムと非接触給電方法

Info

Publication number: WO2013111430A1
Application number: PCT/JP2012/079798
Authority: WO
Inventors: 洋靖冨田; 基彦葛谷; 良裕片岡
Original assignee: 村田機械株式会社
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-08-01
Also published as: JPWO2013111430A1; JP5720971B2; TW201334350A

Abstract

　非接触給電システムでのインダクタンスを容易に調整できるようにする。走行経路に沿って敷設した給電線から台車のピックアップコイルへ非接触で給電する。磁気回路を構成する磁性体と、この磁性体に巻き回した主コイルと磁性体に巻き回した制御コイルとを備える可変インダクタを設けて、可変インダクタの制御コイルへ加える制御電流を制御することにより、主コイルのインダクタンスを制御する。

Description

非接触給電システムと非接触給電方法

　この発明は天井走行車、スタッカークレーン、有軌道台車等の台車への非接触給電システムに関する。

　クリーンルーム内等で走行する天井走行車、スタッカークレーン等の台車では、非接触給電が行われる。非接触給電では、給電線を台車の走行経路に沿って敷設し、交流電源から１０KHz程度の交流を流し、台車のピックアップコイルで受電する（特許文献１：特許4134523）。

　非接触給電では、台車のピックアップコイルを共振回路に組み込み、共振回路の共振周波数を給電線を流れる電流の周波数と一致させることが必要である。しかしながら共振周波数に合わせて、共振回路に組み込むコンデンサのキャパシタンス等を調整する等の作業は大変である。

特許4134523

　この発明の課題は、非接触給電システムでのインダクタンスを容易に調整できるようにすることにある。

　この発明の非接触給電システムは、走行経路に沿って敷設した給電線から台車のピックアップコイルへ非接触で給電する非接触給電システムであって、磁気回路を構成する磁性体と前記磁性体に巻き回した主コイルと前記磁性体に巻き回した制御コイルとを備える可変インダクタと、前記可変インダクタの制御コイルへ制御電流を制御しながら加えることにより前記主コイルのインダクタンスを制御する制御部とが、前記給電線側にもしくは前記台車内に設けられていることを特徴とする。制御電流は好ましくは直流である。

　磁性体に主コイルと制御コイルとを巻き回し、制御電流を加えると磁性体が磁化されて、主コイルのインダクタンスが変化する。このため、制御電流を制御することにより、主コイルのインダクタンスを制御できる。なお制御コイルに加える電流を制御電流と呼ぶ。上記の可変インダクタは制御電流によりインダクタンスを調整できるので、非接触給電システムでの給電側あるいは受電する台車側のインダクタンスを容易に調整できる。

　好ましくは、前記可変インダクタと前記制御部とが前記台車内に設けられ、前記可変インダクタの主コイルが前記ピックアップコイルとコンデンサとに直列にかつループ状に接続されて共振回路を構成し、前記制御部は、前記共振回路の共振周波数を給電線の周波数、即ち給電線を流れる電流の周波数に近づけるように、制御電流を制御する。このようにすると給電線を流れる電流の周波数で共振するように共振回路を調整でき、台車側での共振周波数の調整が容易になる。

　また好ましくは、前記可変インダクタの主コイルが前記給電線と直列に給電線の電源に接続され、前記制御部は、給電線を流れる電流と給電線に加えられている電圧との位相差を小さくするように、制御電流を制御する。前記の位相差をθとすると、給電線の電源から見た力率はcosθで表され、θが増すと無効電流が増加し、電源の負荷が増加する。ここで主コイルのインダクタンスを調整すると、電圧と電流との位相差を制御でき、電源の負荷を軽減できる。

　好ましくは、前記可変インダクタとして、台車内の第１の可変インダクタと、給電線側の第２の可変インダクタとが設けられ、
　前記制御部として、台車内の第１の制御部と、給電線側の第２の制御部とが設けられ、
　第１の可変インダクタの主コイルと、前記ピックアップコイルと、コンデンサとが直列にかつループ状に接続されて、共振回路を構成し、
　第１の制御部は、前記共振回路の共振周波数を制御するように、制御電流を制御するように構成され、
　第２の可変インダクタの主コイルが、前記給電線と直列に給電線の電源に接続され、
　第２の制御部は、給電線を流れる電流と給電線に加えられている電圧との位相差を小さくするように、制御電流を制御するように構成されている。

　またこの発明は、走行経路に沿って敷設した給電線から、台車のピックアップコイルへ、非接触で給電する非接触給電方法であって、
　磁気回路を構成する磁性体と、前記磁性体に巻き回した主コイルと、前記磁性体に巻き回した制御コイル、とを備える可変インダクタと、前記制御コイルへ制御電流を加える制御部とが、前記給電線側にもしくは前記台車内に設けられ、
　前記可変インダクタの制御コイルへ、制御部から制御電流を制御しながら加えることにより、前記主コイルのインダクタンスを制御するステップを実行することを特徴とする。

　この発明では、可変インダクタのインダクタンスを制御電流により制御することにより、
・　ピックアップコイルでの受電効率を改善する、あるいは
・　給電線を流れる電流と電圧との位相差を小さくし、給電線の電源の負荷を軽減することができる。なおこの明細書で、非接触給電システムに関する記載はそのまま非接触給電方法にも当てはまる。

実施例の非接触給電システムのブロック図実施例での給電レールと受電部とを示す図実施例での可変インダクタを示す図実施例での、受電側のインダクタンス調整を示すフローチャート給電側の電圧波形と電流波形とを示す図実施例での、給電側のインダクタンス調整を示すフローチャート

　以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。この発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき、明細書の記載とこの分野での周知技術とを参酌し、当業者の理解に従って定められるべきである。

　図１～図６に実施例の非接触給電システム２を示す。各図において、４は天井走行車、スタッカークレーン、有軌道台車等の台車で、例えばクリーンルームの内部を走行して物品を搬送する台車である。６は非接触給電線（以下単に給電線６）で台車４の走行経路に沿って敷設され、走行経路を複数のゾーンに区分して、ゾーン毎に給電線６を設けても良い。８はインバータで、給電線６の交流電源であり、インバータ以外の交流電源でも良い。１０は可変インダクタ、１２は電流センサで給電線６を流れる電流を検出し、コイルあるいは抵抗等で構成される。１４は制御部で、可変インダクタ１０に加える制御電流を制御する。制御部１４は、給電線６の電圧波形と、電流センサ１２で求めた給電線６の電流波形との位相差を検出し、位相差が小さくなるように、制御電流を制御する。

　台車４はピックアップコイルを備えた受電部１８と、可変インダクタ２０とその制御部２４とを備え、受電部１８のピックアップコイルと可変インダクタ２０とコンデンサC1とにより共振回路を構成する。共振回路の出力電圧をVcとし、C2はコンデンサ、D1～D4は全波整流用のダイオード、２６は電力を一時的に貯蔵するキャパシタ、２８は負荷で、台車のモータ、制御回路等である。キャパシタ２６は負荷２８から回生した電力の貯蔵にも用いる。受電部１８での受電の効率は、共振回路の共振周波数を、給電線６の電流（以下単に給電電流と呼ぶ）の周波数に近づけることにより向上する。そこで制御部２４は可変インダクタの主コイルのインダクタンスを制御し、共振周波数を給電電流の周波数に近づける。なお給電線６から受電する台車４の数は台車４の走行によって変化し、台車４は加速時等には消費電力が大きくなり、減速時、停止時等には消費電力が小さくなる。

　図２に受電部１８を示し、例えば一対あるいは１本の給電線６が給電レール１９に取り付けられ、受電部では断面が例えばＥ字状の磁性体３０により磁気回路を構成し、ピックアップコイル３２がＥ字の中央の片の磁性体に巻き回され、ピックアップコイル３２には端子P1,P2が設けられている。なお受電部１８の構造は任意である。

　図３は可変インダクタ２０の構造を示し、可変インダクタ１０も同様である。３４，３５はフェライト等の磁性体で磁気回路を構成し、例えばＥ字状の磁性体３５のＥ字の中央の片に主コイル３６が巻き回されて端子P3,P4が取り付けられている。磁性体３５に制御コイル３８が２箇所に分かれて巻き回され、端子P5,P6が取り付けられている。２個の磁性体３４，３５を用いるのは、閉じた磁気回路を構成するためで、制御コイル３８を２箇所に設けるのは、主コイル３６から見て対称に制御コイル３８を設けるためである。しかし例えばリング状の磁性体に、１個の主コイルと１個の制御コイルとを巻き回した構造等でも良い。制御コイル３８には制御部から直流を加えるが、給電線を流れる電流に比べて周波数が充分低い交流、例えば１０～６０Hz程度の交流を加えても良い。

　可変インダクタンス１０，２０では、磁性体３４，３５の磁化の程度を制御電流により制御し、特に磁性体３４，３５を飽和磁化の近くまで磁化させる。すると主コイル３６と磁性体３４，３５との磁気的相互作用が影響を受け、主コイル３６のインダクタンスが変化する。実験によると、制御電流を大きくして行くと、主コイル３６のインダクタンスが制御電流に対して線形に減少する領域があり、この領域で制御電流を加えることにより、主コイルのインダクタンスを制御する。主コイル３６のインダクタンスを変化させると、図１の受電部１８及びコンデンサC1と主コイル３６とで構成するループ状の共振回路の共振周波数が変化する。そして共振周波数を変化させると、共振回路の出力電圧Vcにピークが生じ、このピークで共振電流も最大となる。またピークの周波数は、給電電流の周波数に等しい。

　台車４側での処理を図４に示す。図１の制御回路２４は出力電圧Vcを監視し、Vcが低下する等の兆候が生じると、制御電流を例えば複数段階に変化させる。このようにして、給電線の周波数を行き過ぎたのか給電線の周波数に不足しているのかを求め、共振回路の周波数を給電線の周波数と一致させる。なお出力電圧Vcを監視する代わりに、共振回路を流れる電流を監視しても良い。また制御電流を制御するとは、制御コイルへ加える電圧を制御すること等を含んでいる。このようにすると、最適な周波数となるようにコンデンサC1等を選別したりする必要がなく、初期的に最適な周波数が得られるだけでなく、常時最適な周波数が得られる。

　図５，図６に、給電線側の制御部と可変インダクタとでの処理を示し、図５のV0は給電線に加わる電圧で、インバータ８は、同じ周波数で、給電線へ電圧を加えるパルス幅を調整することにより、出力電力の実効値を変化させる。i0は給電電流で、制御部は給電線の電位と電流センサの信号とから、電圧V0の波形と電流i0の波形とを監視している。S0，S1，S2は電流i0が０となる点で、T0,T1,T2，T3は電圧パルスが立ち上がる点と立ち下がる点である。電圧波形と電流波形の位相差が０で、点S1等は点T1，T2等の中点となる。なお点T0，T1，T2等に代えて、電圧パルスの中心の点等を用いても良い。

　位相差をθとすると電源の力率はcosθとなり、cosθを１に近づけることにより、電源の負荷を軽減できる。ここで図１の可変インダクタンス１０の主コイル側インダクタンスを増すと電流の位相が進み、インダクタンスを減らすと電流の位相が遅れる。そこで図１の制御部１４は電圧V0と電流i0との位相差を検出し、可変インダクタンス１０の制御コイルへの制御電流を制御することにより位相差θを小さくし、電源の負荷を軽減する。

２　非接触給電システム　　４　台車　　６　非接触給電線
８　インバータ　　１０，２０　可変インダクタ　　１２　電流センサ
１４，２４　制御部　　１８　受電部　　１９　給電レール
２６　キャパシタ　　２８　負荷　　３０　磁性体
３２　ピックアップコイル　　３４，３５　磁性体　　３６　主コイル
３８　制御コイル　　C1，C2　コンデンサ　　D1～D4　ダイオード
P1～P8　端子

Claims

　走行経路に沿って敷設した給電線から、台車のピックアップコイルへ、非接触で給電する非接触給電システムであって、
　磁気回路を構成する磁性体と、前記磁性体に巻き回した主コイルと、前記磁性体に巻き回した制御コイル、とを備える可変インダクタと、
　前記可変インダクタの制御コイルへ制御電流を制御しながら加えることにより、前記主コイルのインダクタンスを制御する制御部、
　とが前記給電線側にもしくは前記台車内に設けられていることを特徴とする、非接触給電システム。
　前記可変インダクタと前記制御部とが前記台車内に設けられ、
　前記可変インダクタの主コイルと、前記ピックアップコイルと、コンデンサとが直列にかつループ状に接続されて、共振回路を構成し、
　前記制御部は、前記共振回路の共振周波数を給電線の周波数に近づけるように、制御電流を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項１の非接触給電システム。
　前記可変インダクタの主コイルが、前記給電線と直列に給電線の電源に接続され、
　前記制御部は、給電線を流れる電流と給電線に加えられている電圧との位相差を小さくするように、制御電流を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項１の非接触給電システム。
　前記可変インダクタとして、台車内の第１の可変インダクタと、給電線側の第２の可変インダクタとが設けられ、
　前記制御部として、台車内の第１の制御部と、給電線側の第２の制御部とが設けられ、
　第１の可変インダクタの主コイルと、前記ピックアップコイルと、コンデンサとが直列にかつループ状に接続されて、共振回路を構成し、
　第１の制御部は、前記共振回路の共振周波数を制御するように、制御電流を制御するように構成され、
　第２の可変インダクタの主コイルが、前記給電線と直列に給電線の電源に接続され、
　第２の制御部は、給電線を流れる電流と給電線に加えられている電圧との位相差を小さくするように、制御電流を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項１の非接触給電システム。
　走行経路に沿って敷設した給電線から、台車のピックアップコイルへ、非接触で給電する非接触給電方法であって、
　磁気回路を構成する磁性体と、前記磁性体に巻き回した主コイルと、前記磁性体に巻き回した制御コイル、とを備える可変インダクタと、前記制御コイルへ制御電流を加える制御部とが、前記給電線側にもしくは前記台車内に設けられ、
　前記可変インダクタの制御コイルへ、制御部から制御電流を制御しながら加えることにより、前記主コイルのインダクタンスを制御するステップを実行することを特徴とする、非接触給電方法。