(57)【要約】【課題】従来の固定共振周波数に対し、電圧安定方法として共振周波数を変化させることにより、受電回路のインダクタンスが変化した場合でもその補正を行い、受電回路に接続された負荷に供給される電圧を一定に維持するとともに、負荷に必要な電圧を必要なときにだけ供給することができる非接触給電方法を提供すること。【解決手段】電源３に接続された給電線１から受電回路に電磁誘導により非接触で電力を供給する非接触給電方法において、スイッチングの時間率で容量が変化する可変容量コンデンサ５を設け、受電回路側の電圧を検出して該電圧が低下したときに時間率を変化させ、可変容量コンデンサ５の動作点を所定の電圧を発する位置まで移動させる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源に接続された給電線から受電回路に電磁誘導により非接触で電力を供給する非接触給電方法において、スイッチングの時間率で容量が変化する可変容量コンデンサを設け、受電回路側の電圧を検出して該電圧が低下したときに時間率を変化させ、該可変容量コンデンサの動作点を所定の電圧を発する位置まで移動させることを特徴とする非接触給電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触給電方法に関し、特に、受電回路のインダクタンスが変化した場合でもその補正を行い、受電回路に接続された負荷に供給される電圧を一定に維持するとともに、負荷に必要な電圧を必要なときにだけ供給することができる非接触給電方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非接触給電装置は、例えば、半導体工場のクリーンルーム内の搬送装置で使用されている。
このような非接触給電装置において、受電回路に共振を利用した非接触で負荷に電力を給電する場合、共振回路と並列に負荷を接続した場合、回路構成は簡単であるが、小負荷時には負荷にかかる電圧が増大し、大負荷時には負荷の電圧が減少し、負荷の電圧が安定しないという問題が発生する。
また、この非接触給電方法では、無負荷時にも共振回路には電流が流れることから、受電コイルや共振コンデンサの内部抵抗で発熱し損失が発生するという問題があり、さらに、受電コイルと１次線路との相対位置が変わり、受電コイルを通る磁束が減少し、等価的に受電コイルのインダクタンスが減少した場合においても、共振状態が変化し負荷に供給する電圧が変化するという問題もあった。
【０００３】
また、共振を利用した非接触給電で、共振コンデンサと並列に非線形特性を有するリアクトルを接続し、リアクトルの端子電圧が一定値を超えると、リアクトルの磁気回路の飽和により、共振コンデンサと該リアクトルの合成インピーダンスが共振点から外れ、回路と並列に接続された負荷の電圧を一定に維持する非接触給電方法が提案されている（特開平１１−１６８８４３号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の非接触給電方法は、無負荷状態においても共振回路内には負荷時と同程度の電流が流れることから、受電コイルや共振コンデンサの内部抵抗で発熱し損失が発生するという問題があり、また、リアクトルの特性はコア材料に依存する温度依存性が大きいことから、周囲条件や自己発熱によって特性が変化するという問題もあった。
【０００５】
本発明は、上記従来の非接触給電方法が有する問題点に鑑み、従来の固定共振周波数に対し、電圧安定方法として共振周波数を変化させることにより、受電回路のインダクタンスが変化した場合でもその補正を行い、受電回路に接続された負荷に供給される電圧を一定に維持するとともに、負荷に必要な電圧を必要なときにだけ供給することができる非接触給電方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の非接触給電方法は、電源に接続された給電線から受電回路に電磁誘導により非接触で電力を供給する非接触給電方法において、スイッチングの時間率で容量が変化する可変容量コンデンサを設け、受電回路側の電圧を検出して該電圧が低下したときに時間率を変化させ、該可変容量コンデンサの動作点を所定の電圧を発する位置まで移動させることを特徴とする。
【０００７】
この非接触給電方法は、スイッチングの時間率で容量が変化する可変容量コンデンサを設け、受電回路側の電圧を検出して該電圧が低下したときに時間率を変化させ、該可変容量コンデンサの動作点を所定の電圧を発する位置まで移動させることから、受電回路のインダクタンスが変化した場合でもその補正を行うことができ、これにより、受電回路に接続された負荷に供給される電圧を一定に維持するとともに、負荷に必要な電圧を必要なときにだけ供給することができる。
その結果、給電装置の能力内で負荷を平準化するとともに、給電装置の受電部分を小型化し、かつ地上給電設備容量を低減し、給電区間長を増大させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の非接触給電方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１〜図２に、本発明の非接触給電方法の一実施例を示す。
この非接触給電方法は、電源に接続された給電線から受電回路に電磁誘導により非接触で電力を供給する非接触給電方法において、受電回路側の電圧を検出し、該電圧が低下したときに時間率を変化させ、動作点を所定の電圧を発する位置まで移動させることにより、受電回路に接続された負荷に供給される電圧を一定に維持するようにしている。
【００１０】
非接触給電装置の構成を図１、図２で説明する。非接触給電の構成は給電線１から受電コイル２に、給電線１の周囲に生じる磁界を電磁誘導により電力を伝達する。給電線１は高周波電源３で、高周波電流を給電線路に流す。
受電側には固定容量の共振コンデンサ４、可変容量の共振コンデンサ５の並列の容量と受電コイル２、のインダクタンスとで共振回路を構成する。受電コイルには結合効率、コイルの巻線、コアの損失を含めた等価的な内部抵抗３が存在する。
なお、負荷は共振回路と並列に接続されている。
【００１１】
図３及び図５に、受電回路の詳細を示す。
受電回路は、可変容量のコンデンサ５、固定容量の共振コンデンサ４、逆方向に直列接続されたスイッチング素子６、７、及び該スイッチング素子６、７に並列接続したダイオード８、９から構成されている。
スイッチング素子６、７はバイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、ＩＧＢＴ等が使用可能である。給電線に流す高周波電流の周波数が低い場合にはサイリスタも使用することが可能である。
電流は、整流ダイオード１０で整流するとともに、平滑コンデンサ１１で平滑にされ、負荷１２に接続される。
【００１２】
スイッチング素子６、７の制御は、負荷１２の電圧、回路電流１４を検出し、制御装置１３によってスイッチング素子６、７のべース回路あるいはゲート回路を制御する。
スイッチング素子６、７がバイポーラトランジスタの場合はトランジスタのべース電流制御を行い、電界効果トランジスタやＩＧＢＴの場合にはゲート電圧制御を行う。以下の説明ではバイポーラトランジスタとして説明を行う。
２つのスイッチング素子６、７のべースは、単一の駆動信号で同時にオン・オフを行う。また、制御周期は給電線に流す周波数か、それよりも高い周波数でオン・オフ動作を行う。
スイッチング周波数が給電線周波数よりも低い場合、負荷１２にかかる電圧がスイッチング周波数に同期して変動する。
一定周期でスイッチング素子をスイッチングすると、制御周期Ｔに対し、スイッチング素子６、７を導通する期間Ｔｏｎの比率をＤとすると、
Ｄ＝Ｔｏｎ／Ｔ
となる。
可変容量コンデンサ５の容量をＣｓ、固定容量コンデンサ４の容量をＣｒ、受電コイル２のインダクタンスをＬ、初期電圧をＶｏとすると、可変容量コンデンサ５の電圧はＶ（ｃｓ）は下記の式により求めることができる。
【００１３】
【数１】
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【００１４】
ここで、ｉ（ｃｓ）は、可変容量コンデンサ５の電流を示す。これは、電流を積分する時間を制御することでコンデンサに蓄積する電荷量を制御し、回路を導通する時間比率Ｄに依存する。
言い換えると、可変容量コンデンサ５は、Ｄ＝１の場合に容量がＣｓのコンデンサとして振る舞い、Ｄ＝０の場合に容量がゼロとして振る舞う、スイッチングの時間率で容量を変化する可変容量コンデンサとなる。
【００１５】
図４に基づき、受電回路の動作について説明する。
受電回路の周波数特性は、負荷が小さい場合の特性曲線は曲線１９、負荷が大きい場合は曲線２０に示すように、負荷の大きさに応じて負荷にかかる電圧が低下する。
なお、負荷に供給できる最大電力は負荷インピーダンスと受電回路の内部抵抗３と一致する点であることは公知である。
【００１６】
１次側の給電線１を駆動する高周波電源３の周波数２２の点に対し、可変容量コンデンサ５をスイッチングする時間率Ｄ＝０の共振点を該高周波電源周波数２２よりも高い周波数２５に選定し、時間率Ｄ＝１の場合を該高周波電源周波数２２よりも低い周波数２４に選定する。
可変容量コンデンサ５の容量は等価的にゼロからＣｓまでの間で変化し、その動作点は、曲線１９の上を動作点１５から動作点１６までの間を移動する。
時間率は、動作点が移動する周波数範囲を、高周波電源周波数２２よりも低い周波数２３〜周波数２４までの区間２１で移動するように制限する。
【００１７】
低い方の周波数２４は、負荷の回路が動作しうる最低周波数に設定し、共振回路の損失を低減する。
動作点１５は、負荷が増大すると、負荷の大きさによって動作点１７に移動する。
この状態が継続すると、低い電圧により負荷の回路が正常に機能しなくなるため、制御回路１３は負荷の電圧を検出し、動作点１７が動作点１５と同一電圧を発生するようになるまでスイッチングに時間率Ｄを変化させ、動作点１７を動作点１８に移動させる。
【００１８】
また、回路電流１４が最大電力の得られる範囲内であれば、同様の操作を行うことにより、負荷１２の電圧が変動した場合でも、変動を打ち消すように時間率Ｄを変化させることにより、線形性を維持しながら、負荷１２にかかる電圧を一定に維持することができる。
【００１９】
回路の共振状態は、時間率を任意に変化することで共振点を１次の高周波電源３の周波数に接近させることができるが、給電線１と受電コイル２の位置関係が変化し、受電コイル２を通過する磁束数が減少した場合、等価的に受電コイル２のインダクタンスが低下する。
従来の共振コンデンサの容量を固定した回路では、受電コイルのインダクタンスが変化した場合、その補正が行えず、負荷に供給しうる電力が低下するが、本実施例では、インダクタンスが変化しても負荷電圧に応じて動作点を移動し、同一の電圧を発生させることができる。
【００２０】
無負荷時の共振回路に流れる電流は電圧位相と電流位相が異なり、無効電力を生じる。給電線を駆動する高周波電源からみると、無効電力に対しても電源は電流を流す。
例えば、複数の搬送車が給電線上に存在する場合、高周波電源の給電能力は有効電力でなく、無効電力を含めた皮相電力に相当する電流を供給する必要がある。
これに対し、本実施例の非接触給電方法では、負荷に必要な電圧を必要なときにだけ供給することができるため、共振回路の無負荷又は小負荷時の無効電流を低減することで、同一給電能力の電源に対し、給電区間を延長したり、あるいは同一給電線上の搬送車の台数を増加させることができる。
なぜならば、搬送車はすべてが同一の消費電力ではなく、走行の加速中や昇降装置を上げるときの消費電力とは多いが、待機中や一定速度の走行中の消費電力は少なく、適切な運行制御をすることにより、給電区間内の搬送車が同時に最大電力を消費しないようにできるためである。
【００２１】
なお、本実施例では、負荷１２を共振回路と並列接続したが、図６に示すように、直列接続することも可能である（図において、同一部材は同一符号を記すことによりその説明を省略する）。
このような直列接続の場合、回路動作は定電圧動作から定電流動作に置き換えることで、上記と同様の作用を得ることができる。
【００２２】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明の非接触給電方法は、この実施例の記載に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜に変更することが可能である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の非接触給電方法によれば、スイッチングの時間率で容量が変化する可変容量コンデンサを設け、受電回路側の電圧を検出して該電圧が低下したときに時間率を変化させ、該可変容量コンデンサの動作点を所定の電圧を発する位置まで移動させることから、受電回路のインダクタンスが変化した場合でもその補正を行うことができ、これにより、受電回路に接続された負荷に供給される電圧を一定に維持するとともに、負荷に必要な電圧を必要なときにだけ供給することができる。
その結果、給電装置の能力内で負荷を平準化するとともに、給電装置の受電部分を小型化し、かつ地上給電設備容量を低減し、給電区間長を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非接触給電方法で使用する非接触給電装置の断面図である。
【図２】同非接触給電装置の回路図である。
【図３】受電回路の詳細を示す回路図である。
【図４】受電回路の動作を示す図である。
【図５】受電回路の全体図である。
【図６】負荷を直列に配設した受電回路の例を示す回路図である。
【符号の説明】
１　　給電線
２　　受電コイル
３　　高周波電源
４　　固定容量の共振コンデンサ
５　　可変容量の共振コンデンサ
６　　スイッチング素子
７　　スイッチング素子
８　　ダイオード
９　　ダイオード
１０　整流ダイオード
１１　平滑コンデンサ
１２　負荷
１３　制御装置
１４　回路電流
１５　動作点
１６　動作点
１７　動作点
１８　動作点
１９　負荷が小さい場合の特性曲線
２０　負荷が大きい場合の特性曲線
２１　区間
２２　高周波電源周波数
２３　高周波電源より低い周波数
２４　高周波電源より低い周波数
２５　高周波電源より高い周波数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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