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【発明の名称】 移動体の非接触給電装置
【発明者】 【氏名】畑井 彰

【氏名】西澤 勇治

【氏名】足立 敏治
【要約】 【課題】オン損失のアンバランスが少ない簡易な移動体の非接触給電装置を得ること。

【解決手段】移動体には、線路３より誘導起電力が生じる複数のピックアップコイル５，１０５と並列共振する共振コンデンサ７，１０７と、を設けて負荷３０に電力を供給する移動体の非接触給電装置であって、ピックアップコイル５，１０５から抽出された電力に基いてスイッチング素子１５，１１５により負荷３０の端子電圧を一定電圧値に維持する複数の定電圧手段２５０，３５０と、負荷３０の端子電圧を検出する電圧検出手段１００と、この電圧検出手段１００により検出した電圧値が予め定めた一定値になるようにスイッチング素子１５，１１５を制御する制御部１００とを備えたものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 移動体が走行する走行路に沿って、交流電流を流す線路を敷設し、上記移動体には、該線路より誘導起電力が生じる複数のピックアップコイルと、このピックアップコイルと並列共振する共振コンデンサと、を設けて負荷に電力を供給する移動体の非接触給電装置であって、上記各ピックアップコイルから抽出された電力に基いてスイッチング手段により上記負荷の端子電圧を一定電圧値に維持する複数の定電圧手段と、上記負荷の端子電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段により検出した電圧値が予め定めた一定値になるようにスイッチング手段をオン・オフ制御する共通の制御手段と、を備えたことを特徴とする移動体の非接触給電装置。
【請求項２】 上記制御手段は、上記スイッチング手段をすべて同一のタイミングによりオン・オフ制御をすることを特徴とする請求項１に記載の移動体の非接触給電装置。
【請求項３】 上記制御手段は、上記電圧検出手段の検出電圧が第１の電圧値以上において上記スイッチング手段をすべてオン又はオフし、上記検出電圧が上記第１の電圧値よりも低い第２の電圧値以上において、上記スイッチング手段の少なくとも一つをパルス変調する、ことを特徴とする請求項１に記載の移動体の非接触給電装置。
【請求項４】 上記スイッチング手段は、上記共振コンデンサと並列に接続された、ことを特徴とする請求項３に記載の移動体の非接触給電装置。
【請求項５】 上記スイッチング手段は、上記共振コンデンサと直列に接続された、ことを特徴とする請求項３に記載の移動体の非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は磁界によりコイルに生じる誘導起電力を利用して非接触で電力を伝送する移動体の非接触給電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の移動体の非接触給電装置を特開平９−１３０９０５号公報によって説明する。該公報によれば、図６に示すように非接触給電装置は、一次側電源ユニット１から車体（移動体）の案内レールに沿って共振電流を流す給電線としての機能をも有する線路３を設け、移動体には、線路３から非接触で給電されるピックアップユニット（コイル）５と、該ピックアップコイル５と線路３の共振電流の周波数と同じ周波数で共振せしめる共振コンデンサ７を有すると共に、定電圧回路により一定電圧を負荷３０に給電する二次側電源ユニット５０に関する技術が公開されている。該定電圧回路は、全波整流ブリッジ９の出力がリアクトル１１を介してスイッチング素子１５に接続されており、スイッチング素子１５の両端には、ダイオード１３を介してコンデンサ１７に接続されている。コンデンサ１７の両端には、この両端電圧ＶDcを一定の値にすべくスイッチング素子１５をオン・オフ制御する電圧制御部４０が接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、負荷３０の容量は種々のものがあり、二次側電源ユニット５０を負荷３０の容量に応じてその都度設計、製作することは作業効率等の観点から望ましいことではない。そこで、予め定められた定格容量が同一の二次側電源ユニット５０，１５０・・・を複数製作しておいて、図７に示すように複数の二次側電源ユニット５０，１５０の出力を並列接続して、負荷３０の容量に対応することが考えられる。
【０００４】かかる場合、移動体には、電力を線路３上から抽出するために、線路３に沿って（縦方向）に二次側電源ユニット５０，１５０が配置されることになり、各二次側電源ユニット５０，１５０のピックアップコイル５，１０５は、定電流源により電力を抽出することになる。これは、定電圧源とすると、各二次側電源ユニット５０，１５０の入力電圧が電圧変動などで、変動するからである。さらに、各二次側電源ユニット５０，１５０の出力は相互干渉を避けるために、逆流防止用ダイオード１５５，１５９を介してコンデンサ１６０に接続されている。
【０００５】上記のように構成された非接触給電装置の動作を図７によって説明する。いま、二次側電源ユニット５０（１５０）はピックアップコイル５（１０５）と共振コンデンサ７（１０７）から成る共振回路により一次側から定電流で電力を取り出し、全波整流ブリッジ９（１０９）で整流してリアクトル１１（１１１）及びダイオード１３（１１３）を介してコンデンサ１７（１１７）へと供給し、逆流防止用ダイオード１５５（１５９）を介してコンデンサ１６０及び負荷３０に電力を供給する。一方、電圧制御部４０（１４０）はコンデンサ１７（１１７）の両端電圧Ｖ１１（Ｖ２１）を検出して該電圧Ｖ１１（Ｖ２１）を一定にすべくスイッチング素子１５（１１５）をオン・オフ制御する。
【０００６】ここで、二つの移動体が直線線路を走行しており、コンデンサ１６０の両端電圧ＶDCを３００Ｖに一定制御する場合、負荷３０の抵抗値を１０Ωとすると、負荷に流れる電流ＩR０は３０Ａとなる。この負荷電流ＩR０を各二次側電源ユニット５０，１５０により負担することになり、この負担電流をＩＲ1，ＩＲ2とすると、ＩＲ1＝ＩＲ22＝１５Ａとなり、各スイッチング素子１５，１１５を図８（ａ）に示すように５０％デューティ（duty）でオン・オフすることになる。かかる場合、各スイッチング素子１５，１１５のオン損失はほぼ同一となる。
【０００７】しかしながら、図９の（ａ）に示すように移動体に設けられた二次側電源ユニット１５０が直線部で、二次側電源ユニット５０が曲線部を走行しているとすると、二次側電源ユニット５０において、図９の（ｂ）に示すように線路３が一点鎖線のようにピックアップコイル５の中心部から外側に位置することになる。ここで、共振コンデンサ７，１０７は、線路３がピックアップコイル５の中心部において所望の共振周波数となるように設定されており、ピックアップコイル５の外側になると、線路３とピックアップコイル５の磁気的結合度が低下してピックアップコイル５のインダクタンス値が変化し共振周波数が図１０に示すように所望の周波数から外れる。よって、曲線部を走行している二次側電源ユニット５０の共振電流Ｉ21が低下することになる。なお、ピックアップコイル５の外側になっても、給電線３とピックアップコイル５の磁気的結合度が低下しないようにピックアップコイル５をコアに多数回巻くことも考えられるが、二次側の電流が巻数に反比例して減少するので、実用的でない。
【０００８】かかる場合、二次側電源ユニット５０の共振電流Ｉ21は３０Ａから２０Ａに低下し、二次側電源ユニット１５０の共振電流Ｉ22は、直線部を走行しているから３０Ａのままとなる。各二次側電源ユニット５０，１５０は定電圧源を出力して負荷３０を駆動するから、同一の出力電流が流れることになり、負荷電流ＩRoが３０Ａであるので、これを半分づつ負担して各二次側電源ユニット５０，１５０は１５Ａを供給することになる。
【０００９】よって、図８の（ｂ）に示すように各二次側電源ユニット５０，１５０の出力電流ＩＲ1，ＩＲ２と、共振電流Ｉ21，Ｉ22と、スイッチング素子１５のオン・オフ時間との関係は、各スイッチング素子１５，１１５がオンしている時（オン時間）に電流が遮断され、オフしている時（オフ時間）に電流が流れるので、下式となる。
ＩR1（ＩR2）＝Ｉ21（Ｉ22）×｛オフ時間／（オフ時間＋オン時間）｝・・・（１）
一方、スイッチング素子１５，１１５のオン時間／（オン時間＋オフ時間）であるデューティ（duty）は下記の関係を有する。
オフ時間／（オフ時間＋オン時間）＝１−duty ・・・・・（２）
よって、デューティ（duty）を用いて（１）式を整理すると、下式となる。
duty＝１−（ＩR1／Ｉ21）・・・・・（３）
上記（３）式にＩR1＝１５Ａ，Ｉ21＝２０Ａを代入して、デューティ（duty）を求めると、下記となる。
duty＝１−（１５／２０）＝０．２５即ち、デューティ（duty）は２５％となる。なお、二次側電源ユニット１５０は直線部を走行しているので、共振電流Ｉ22は３０Ａのままである。よって、デューティ（duty）は５０％のままとなる。
【００１０】スイッチング素子１５，１１５がオンしているときの損失で1周期あたりのオン損失Lossを下式により求める。
Loss≒ID×VCE(ON)×duty・・（４）
ここで、ＩD：スイッチング素子１５，１１５に流れる電流（Ａ）
ＶCE(ON)：スイッチング素子１５，１１５のオン時の飽和電圧（Ｖ）
上記（４）式によりスイッチング素子１５のオン損失Loss1を、電流２０Ａが流れ、該電流値でのＶCE(ON)を２．５Vとし、デューティ（duty）０．２５を代入して求める。
Loss1≒２０×２．５×０．２５=１２．５Ｗ同様に、スイッチング素子１１５のオン損失Loss2を電流３０Ａが流れ、該電流値でのＶCE(ON)を３．０Vとし、デューティ（duty）０．５を代入して求める。
Loss2≒３０×３．０×０．５ =４５Ｗ両者のオン損失を比較すると、下式となる。
Loss2／Loss1=４５／１２．５＝３．６即ち、３．６倍もの大きなアンバランスを生じるのである。
【００１１】かかるアンバランスに基いて、各二次側電源ユニット５０，１５０の容量が適正に負担されなくなり、各二次側電源ユニット５０，１５０の効率的な運転を阻害させるという問題点が考えられる。さらに、二次側電源ユニット５０，１５０を平行に運転するには、各二次側電源ユニット５０，１５０の電流の流れ込みを防ぐために、逆電流防止用ダイオード１５５，１５９が必要になる。しかも、二次側電源ユニット５０，１５０は一定電圧にしているのは、コンデンサ１７，１１７の両端電圧Ｖ１１，Ｖ２１であるために、逆電流防止用ダイオード１５５，１５９の電圧降下による電圧変動を抑制するのに逆電流防止用ダイオード１５５，１５９の後に、比較的大きな静電容量のコンデンサ１６０を要することが考えられるという問題点があった。
【００１２】この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、オン損失のアンバランスが少なく、且つ、簡易な移動体の非接触給電装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】第1の発明に係る移動体の非接触給電装置は、移動体が走行する走行路に沿って、交流電流を流す線路を敷設し、上記移動体には、該線路より誘導起電力が生じる複数のピックアップコイルと、このピックアップコイルと並列共振する共振コンデンサと、を設けて負荷に電力を供給する移動体の非接触給電装置であって、上記各ピックアップコイルから抽出された電力に基いてスイッチング手段により上記負荷の端子電圧を一定電圧値に維持する複数の定電圧手段と、上記負荷の端子電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段により検出した電圧値が予め定めた一定値になるようにスイッチング手段をオン・オフ制御する共通の制御手段と、を備えたものである。
【００１４】第２の発明に係る移動体の非接触給電装置における制御手段は、スイッチング手段をすべて同一のタイミングによりオン・オフ制御をすることを特徴とするものである。
【００１５】第３の発明に係る移動体の非接触給電装置における制御手段は、電圧検出手段の検出電圧が第１の電圧値以上においてスイッチング手段をすべてオン又はオフし、検出電圧が上記第１の電圧値よりも低い第２の電圧値以上において、スイッチング手段の少なくとも一つをパルス変調する、ことを特徴とするものである。
【００１６】第４の発明に係る移動体の非接触給電装置におけるスイッチング手段は、共振コンデンサと並列に接続された、ことを特徴とするものである。
【００１７】第５の発明に係る移動体の非接触給電装置におけるスイッチング手段は、共振コンデンサと直列に接続された、ことを特徴とするものである。
【００１８】
【実施の形態】実施の形態１．この発明の一実施の形態を図１によって説明する。図1は複数の二次側電源ユニットを一つの電圧制御部で制御する非接触給電装置の電気結線図である。図１中、図７と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を省略する。図１において、定電圧手段としての二次側電源ユニット２５０，３５０には、個別の電圧制御部が省略されており、スイッチング素子１５，１１５を共通の共通電圧制御部１００でオン・オフ動作せしめてコンデンサ１６０の両端電圧ＶDc（出力電圧）を一定にするものである。なお、共通電圧制御部１００には、負荷３０の端子電圧を検出する電圧検出手段としての機能も有している。
【００１９】各二次側電源ユニット２５０，３５０は、出力が直接コンデンサ１６０及び負荷３０に接続されており、図７に示すような逆流防止用ダイオード１５５，１５９、コンデンサ１７，１１７が省略されている。これは、共通制御部１００の制御対象は、コンデンサ１６０（負荷３０）の電圧値を予め定められた一定値にすることにあるので、各二次側電源ユニット２５０，３５０の出力電圧値は同一になる。これに対して、従来の図７に示すように各二次側電源ユニット５０，１５０の出力電圧値を個別に一定値にするために電圧値の急変を抑制するコンデンサ１７，１１７を必要としていたが、これが不要となる。さらに、各二次側電源ユニット５０，１５０の出力の電圧差がなくなるので、該電圧差に基く電流の回り込みを防止する逆流防止用ダイオード１５５，１５９も不要となるのである。
【００２０】上記のように構成された非接触給電装置の動作を図１によって説明する。いま、二次側電源ユニット２５０（３５０）はピックアップコイル５（１０５）と共振コンデンサ７（１０７）から成る共振回路により一次側から定電流で電力を取り出し、全波整流ブリッジ９（１０９）で整流してリアクトル１１（１１１）及びダイオード１３（１１３）を介してコンデンサ１６０及び負荷３０に電力を供給する。一方、共通電圧制御部１００はコンデンサ１６０の両端電圧ＶDCを検出して該電圧ＶDCを一定にすべくスイッチング素子１５，１１５を同一のオン及びオフ時間で制御する。
【００２１】ここで、二つの移動体が線路３の直線部を走行しており、コンデンサ１６０の両端電圧ＶDCを３００Ｖに一定制御する場合、負荷３０の抵抗値を１０Ωとすると、負荷に流れる電流ＩR０は３０Ａとなる。かかる場合、各二次側電源ユニット２５０，３５０の各スイッチング素子１５，１１５のデューティ（duty）は、従来と同様に５０％でオン・オフすることになる。
【００２２】次に、図９の（ａ）に示すように移動体に設けられた二次側電源ユニット３５０が直線部で、二次側電源ユニット２５０が曲線部を走行しているとすると、二次側電源ユニット２５０において、共振電流Ｉ21は３０Ａから２０Ａに低下し、二次側電源ユニット３５０の共振電流Ｉ22は、直線部を走行しているから３０Ａのままとなる。各二次側電源ユニット２５０，３５０のスイッチング素子１５，１１５は、共通電圧制御部１００によりオン・オフ制御するので、同一のデューティ（duty）で動作する。よって上記（３）式を利用して下式を得る。
duty＝１−｛ＩR0／（Ｉ21＋Ｉ22）｝・・・・・（５）
上記（５）式にＩR0＝３０Ａ，Ｉ21＝２０Ａ，Ｉ22＝３０Ａを代入してデューティ（duty）を求める。
duty＝１−３０／（３０＋２０）＝０．４よって、デューティ（duty）は４０％となり、スイッチング素子１５，１１５の電流波形は図２のようになる。上記（４）式によりスイッチング素子１５のオン損失Loss1を、電流２０Ａが流れ、該電流値でのＶCE(ON)を２．５Vとし、デューティ（duty）０．４を代入して求める。
Loss1≒２０×２．５×０．４=２０Ｗ同様に、スイッチング素子１１５のオン損失Loss2を電流３０Ａが流れ、該電流値でのＶCE(ON)を３．０Vとし、デューティ（duty）０．４を代入して求める。
Loss2≒３０×３．０×０．４=３６Ｗ両者のオン損失を比較すると、下記となる。
Loss2／Loss1=３６／２０＝１．８【００２３】したがって、オン損失の比は、従来が３．６倍であったものが１．８になり各スイッチング素子１５，１１５のバランスが良好になっている。上記の構成によれば、従来、図７に示すように二次側ユニット毎５０，１５０に電圧制御部４０，１４０を必要としていたものが、この実施の形態によれば、一つ共通電圧制御部１００で良い。しかも、従来の大容量なコンデンサ１７，１１７と逆電流防止用のダイオード１５５，１５９を省くことができる。これにより該ダイオード１５５，１５９による電圧降下が発生せず電力損失も生じない。
【００２４】実施の形態２．この発明の他の実施の形態を図３によって説明する。図３は、出力電圧に応じてスイッチング素子の制御手段を変更する結線図である。図３中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し説明を省略する。図３において、三つの二次側電源ユニット２５０，３５０，４５０が並列接続されており、コンデンサ１６０の両端の直流電圧ＶDcを検出する電圧検出手段としての電圧検出器２００と、この電圧検出器２００の検出電圧値を五段階に分けて、各段階においてスイッチング素子１５，１１５，２１５の制御手段を変更せしめる制御部３００とを備えているものである。
【００２５】制御部３００は、電圧検出器２００の検出電圧値を取り込む入力回路３０２と、この取り込んだ電圧値に応じてスイッチング素子１５，１１５，２１５を制御する論理回路３０４と、この論理回路３０４の出力をスイッチング素子１５，１１５，２１５に入力する出力回路３０６とから成っている。
【００２６】論理回路３０４は、例えば、コンデンサ１６０の端子電圧ＶDCを３００Ｖ±１０Ｖに制御する時に、検出電圧値を五段階に分けて制御するものである。該五段階は第１に、第１の電圧値として３０６Ｖ以上において、すべてのスイッチング素子１５，１１５，２１５をオンさせ、第２に、第１の電圧値３０６Ｖよりも低い第２の電圧値として３０２Ｖを定め、該３０２Ｖ〜３０６Ｖではスイッチング素子１５のみパルス変調として例えばパルス幅変調して、他のスイッチング素子１１５，２１５をオンし、第３に、２９８Ｖ〜３０２Ｖではスイッチング素子１５をオフして、スイッチング素子１１５をパルス幅変調し、スイッチング素子２１５をオンし、第４に、２９４Ｖ〜２９８Ｖではスイッチング素子１５をオフして、スイッチング素子１１５をオフし、スイッチング素子２１５をパルス幅変調し、第５に、２９４Ｖ以下においては、スイッチング素子１５，１１５，２１５をオフするというものである。
【００２７】上記のように構成された非接触給電装置によれば、電圧検出器２００の検出電圧値が２９４Ｖ〜３０６Ｖの範囲内において、一つのスイッチング素子１５（１５，２１５）をパルス変調すれば足りるので、リクトル１１，１１１，２１１におけるリップル電流による損失(鉄損)が少なくなる。加えて、スイッチング素子１５，１１５，２１５、リアクトル１１，１１１，２１１等のスイッチングによるロスが低減され、出力電圧ＶDCの電圧リップルも低減される。
【００２８】また、図４に示すような非接触給電装置においては、共振コンデンサ７，１０７，２０７に並列にスイッチ２１，１２１，２２１を接続し、制御部３００の論理回路３０４のようにスイッチ２１，１２１，２２１をオン・オフまたはパルス幅制御をする。論理回路３０４に基いてスイッチ２１，１２１，２２１の何れかをオンすると、線路３の電流値Ｉ0はオンされたスイッチ２１，１２１，２２１の何れかを通り再び線路３に戻るため負荷３０には電力が伝達されないので、負荷３０を定電圧に維持したまま全波ブリッジ９，１０９，２０９、リアクトル１１，１１１，２１１、ダイオード１３，１１３，２１３による電力損失が低減される。
【００２９】又、図５に示すような非接触給電装置においては、共振コンデンサ７，１０７，２０７に直列にスイッチ２１，１２１，２２１を接続し、制御部３００の論理回路４０４のようにスイッチ２１，１２１，２２１をオンオフしても良い。なお、論理回路４０４は、図４に示す論理回路３０４とオン及びオフが逆の論理になったものである。よって、第１に、第１の電圧値として３０６Ｖ以上において、すべてのスイッチング素子１５，１１５，２１５をオフさせ、第２に、第１の電圧値３０６Ｖよりも低い第２の電圧値として３０２Ｖを定め、該３０２Ｖ〜３０６Ｖではスイッチング素子２１５のみパルス変調として例えばパルス幅変調して、他のスイッチング素子１５，１１５をオフしている。論理回路４０４に基いてスイッチ２１，１２１，２２１をオフすると、共振コンデンサ７，１０７，２０７がピックアップコイル５，１０５，２０５に接続されなくなり、負荷３０を定電圧に維持したまま全波ブリッジ９，１０９，２０９、リアクトル１１，１１１，２１１、ダイオード１３，１１３，２１３による電力損失が低減される。
【００３０】なお、上記実施の形態２では、三つの二次側電源ユニット２５０，３５０，４５０を備えたものについて説明したが、二つ以上の二次側電源ユニットを備えていれば足りる。
【００３１】
【発明の効果】第１の発明によれば、各ピックアップコイルから抽出された電力に基いてスイッチング手段により負荷の端子電圧を一定電圧値に維持する複数の定電圧手段と、負荷の端子電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段により検出した電圧値が一定になるようにスイッチング手段をオン・オフ制御する共通の制御手段とを備えたので、複数の定電圧手段に対して一つの共通な制御手段で足りるから構成が簡易であるという効果がある。
【００３２】第２の発明によれば、第１の発明の効果に加え、制御手段は、スイッチング手段をすべて同一のタイミングによりオン・オフ制御したので、スイッチング手段のオン損失のアンバランスが少ないという効果がある。
【００３３】第３の発明によれば、第１の発明の効果に加え、制御手段は、検出電圧が第１の電圧値以上においてスイッチング手段をすべてオン又はオフし、検出電圧が上記第１の電圧値よりも低い第２の電圧値以上において、上記スイッチング手段の少なくとも一つをパルス変調したので、ピックアップコイルなどの電力損失を低減できるという効果がある。
【００３４】第４の発明によれば、第３の発明の効果に加え、スイッチング手段は、共振コンデンサと並列に接続されたので、電圧検出手段の電圧が基準値よりも高い場合、負荷を定電圧に維持したままリアクトルなどの損失を低減できるという効果がある。
【００３５】第５の発明によれば、第３の発明の効果に加え、スイッチング手段は、共振コンデンサと直列に接続されたので、電圧検出手段の電圧が基準値よりも高い場合、負荷を定電圧に維持したままリアクトルなどの損失を低減できるという効果がある。
【出願人】 【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
【出願日】 平成１１年１０月８日（１９９９．１０．８）
【代理人】 【識別番号】１００１０２４３９
【弁理士】
【氏名又は名称】宮田 金雄 （外２名）
【公開番号】 特開２００１−１１２１０４（Ｐ２００１−１１２１０４Ａ）
【公開日】 平成１３年４月２０日（２００１．４．２０）
【出願番号】 特願平１１−２８７７１１