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【発明の名称】 非接触給電装置及び非接触給電方法
【発明者】 【氏名】鶴崎 一也

【氏名】宮田 紀明
【要約】 【課題】無接触給電の高効率化。

【解決手段】一次側伝導体である給電線１を囲み可動側に配置される磁束誘導心（鉄心）４と、磁束誘導心４の一部７を囲み可動側に配置される二次側伝導体５１、給電線１を支持し固定側に設けられる支持体１６とを含み、磁束誘導心４は部分的に開閉自在であり支持体１６が通過する開口部５３を有し、更に、支持体１６に磁束誘導心４が接近する接近時に開口部５３が開き、支持体１６から磁束誘導心４が離隔している離隔時に開口部５３が閉じる開閉器を含む。大半の領域で磁束誘導心４は閉じて高透磁率物体中で磁路が閉じ、高効率電力の伝達が可能になる。開閉器は力学的に自動化されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】一次側伝導体である給電線を囲み可動側に配置される磁束誘導心と、前記磁束誘導心の一部を囲み前記可動側に配置される二次側伝導体と、前記給電線を支持し固定側に設けられる支持体とを含み、前記磁束誘導心は部分的に開閉自在であり前記支持体が通過する開口部を有し、更に、前記支持体に前記磁束誘導心が接近する接近時に前記開口部を開き、前記支持体から前記磁束誘導心が離隔している離隔時に前記開口部が閉じる開閉器を含む非接触給電装置。
【請求項２】請求項１において、前記磁束誘導心は部分的に可動である可動部を有し、前記開閉器は、前記可動部に同体に配置される第１磁石と、前記支持体に同体に配置される第２磁石とを備え、前記開口部の開閉は、前記第１磁石と前記第２磁石との間の接近時の磁気力と離隔時の磁気力とに対応する非接触給電装置。
【請求項３】請求項２において、前記接近時の磁気力は、前記磁束誘導心と前記支持体の相対的運動に基づく位置変化に対応して滑らかに変化する非接触給電装置。
【請求項４】請求項２において、前記接近時の磁気力は、前記第１磁石と前記第２磁石の相対的運動に基づく距離変化に対応して滑らかに変化する非接触給電装置。
【請求項５】請求項１において、更に、前記可動側に設けられ前記開閉器の開閉による電圧変動を二次側で平滑化する平滑回路からなる非接触給電装置。
【請求項６】軌道に沿ってところどころで４固定側に配置される支持体と、前記支持体に支持されて平行に延びる一次側の２本の交流電線と、１体の可動側の鉄心と、前記交流電線の交流が前記鉄心を介して電磁誘導により伝達される可動側の２つの二次側の巻線とからなり、前記鉄心の一部は、前記支持体を通過させる開口部を形成し、前記開口部は通常は閉じていて前記鉄心は閉じた鉄心の内部で磁路を形成する非接触給電装置。
【請求項７】連続して長く延びる線状の一次側伝導体と、環状の二次側伝導体と、前記一次側伝導体の磁気的変化を前記二次側伝導体に伝達する磁束誘導体と、前記一次側伝導体を支持し所定ピッチで配置される支持体とを含む無接触給電装置を用いて前記一次側伝導体から前記二次側伝導体に電力を供給する非接触給電方法であり、前記一次側伝導体を前記二次側伝導体に対して運動させること、前記磁束誘導体が前記支持体から離隔している離隔時には、前記磁束誘導体を閉じた環状体として形成すること、前記磁束誘導体が前記支持体に接近する接近時には、前記環状体の一部を開いて前記支持体と前記環状体とを無接触に交差させることとからなる非接触給電方法。
【請求項８】請求項７において、前記環状体の一部を開くことは、前記磁束誘導体と前記支持体とにそれぞれに配置される複数磁石の前記接近時の磁気力に基づいている非接触給電方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、非接触給電装置及び非接触給電方法に関し、特に、物流搬送システムの移動台車、車両一次方式のリニアモータカーのような移動体に電力を無接触に供給する非接触給電装置及び非接触給電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】物流搬送システムの移動台車、車両一次方式のリニアモータカーのような移動体に電力を供給する電力供給システムは、コンタクタ、ケーブルベア、トロリー線のような接触体を用いて接触式に電力を移動体に供給する接触式給電方法が、従来は主流であった。このような従来方法では、接触時のスパークの発生、ケーブルによる可動範囲の制限、集電子塵埃であるるゴミの発生、メインテナンスの煩雑さ等の不都合事項が多くあって、下記のような利点を持つ非接触給電に対する期待が高まっている。
【０００３】非接触給電は、（１）摩耗、損傷等の消耗部がなく保守の必要性がない、（２）走行中の摺動による騒音がない、（３）集電部からの塵埃の発生がなくクリーンである、（４）集電部からのスパークがなく防爆エリアで使用可能である、こと等の利点を持っている。
【０００４】図７は、公知の接触式給電装置を示している。公知装置は、固定側支持体１０１に支柱１０２，１０３を介して固定されている固定側給電線１０４，１０５（一般的な変圧器の１次巻線に相当）が作る交流磁束が移動側のＥ字状鉄心１０６に交鎖し、その交流磁束の変化に伴って２次巻線１０７に発生する誘導起電力が移動体に供給される。このような構成のピックアップコイル１０８を小型化するために、その鉄心断面積を小さくすることができる数十ｋＨｚの周波数の電流が固定側給電線１０４，１０５に供給される。固定側給電線１０４，１０５は、移動体の走行・搬送方向に必要なピッチで配置される固定側支柱１０２，１０３により支持されている。
【０００５】このような公知装置は、移動体側のピックアップコイル１０８を支持する固定側支柱１０２，１０３が所定ピッチで配置される必要があって、ピックアップコイル１０８の鉄心１０６は、走行時に固定側支柱１０２，１０３を回避することができるように、閉じた磁路を形成することができずに、２ヶ所で開いてＥ字形状にならざるをえない。固定側給電線１０４，１０５が生成する磁束は、この磁束の通路であるＥ字状鉄心１０６と、Ｅ字状鉄心１０６の２ヶ所の開口部１０９である空気層との各磁気抵抗の和で制限される。比誘電率が数千である鉄心部の磁気抵抗は極めて小さいが、空気層の比誘電率は１．０であるから、Ｅ字状鉄心１０６の２ヶ所の開口部１０９の磁気抵抗が、磁束発生効率に対応する給電効率の低下を招く実質上の原因になっている。
【０００６】開口部の存在による給電効率の低下を回避することが望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、給電効率の低下を招かずそれを回避することができる非接触給電装置及び非接触給電方法を提供することにある。本発明の他の課題は、非接触給電の構造を簡素化することにより固定側装備のコストの上昇を抑制することができる非接触給電装置及び非接触給電方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００９】本発明による非接触給電装置は、一次側伝導体である給電線（１）を囲み可動側に配置される磁束誘導心（鉄心、４）と、磁束誘導心（４）の一部（７）を囲み可動側に配置される二次側伝導体（５１）と、給電線（１）を支持し固定側に設けられる支持体（１６）とを含み、磁束誘導心（４）は部分的に開閉自在であり支持体（１６）が通過する開口部（５３）を有し、更に、支持体（１６）に磁束誘導心（４）が接近する接近時に開口部（５３）が開き、支持体（１６）から磁束誘導心（４）が離隔している離隔時に開口部（５３）が閉じる開閉器を含む。大半の領域で磁束誘導心（４）は閉じて高透磁率物体中で磁路が閉じ、高効率電力の伝達が可能になる。
【００１０】磁束誘導体（４）は部分的に可動である可動部（９−１）を有し、開閉器は、可動部（９−１）に同体に配置される第１磁石（２７）と、支持体（１６）に同体に配置される第２磁石（１８）とを備え、開口部（５３）の開閉は、第１磁石（２７）と第２磁石（１８）との間の接近時の磁気力と離隔時の磁気力とに対応する。力学的に自動的に開閉し、開閉器が簡素に構成され得る。可動部（９−１）は、第１磁石（２７）と同体に可動であり、磁束誘導心（４）の可動部以外の部分に対して可動であり、可動部以外の部分に案内されてそれに摺動するスライダー機構により可動的であることができる。可動部以外の部分が撓み性を持つことは可能である。
【００１１】接近時の磁気力は、磁束誘導心（４）と支持体（１６）の相対的運動に基づく位置変化に対応して滑らかに変化する。このような滑らかな変化は、第１磁石（２７）と第２磁石（１８）の相対的位置関係を調整することにより可能である。そのような相対的位置関係は、第１磁石（２７）又は第２磁石（１８）に斜面（ＵＳ１，２，３）を形成することにより容易に実現する。
【００１２】接近時の磁気力は、第１磁石（２７）と第２磁石（１８）の相対的運動に基づく距離変化に対応して滑らかに変化することも可能である。更に、可動側に設けられ開閉器の開閉による電圧変動を二次側で平滑化する平滑回路（図示されず）が設けられることが好ましい。
【００１３】本発明による非接触給電方法は、連続して長く延びる線状の一次側伝導体（１）と、環状の二次側伝導体（５１）と、一次側伝導体（１）の磁気的変化を二次側伝導体（５１）に伝達する磁束誘導体（４）と、一次側伝導体（１）を支持し所定ピッチで配置される支持体（１６）とを含む無接触給電装置を用いて一次側伝導体（１）から二次側伝導体（５１）に電力を供給する非接触給電方法であり、一次側伝導体（１）を二次側伝導体（５１）に対して運動させること、磁束誘導体（４）が支持体（１６）から離隔している離隔時には、磁束誘導体（４）を閉じた環状体として形成すること、磁束誘導体（４）が支持体（１６）に接近する接近時には、環状体の一部を開いて支持体（１６）と環状体とを無接触に交差させることとからなる。環状体の一部を開くことは、磁束誘導体（４）と支持体（１６）とにそれぞれに配置される複数磁石（１８，２７）の接近時の磁気力に基づくことが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】図に一致対応して、本発明による非接触給電装置の実施の形態は、２本の交流給電線とともにピックアップコイルが設けられている。図１に連続して延びるその交流給電線１，１’を所々で囲むようにそのピックアップコイル２が移動体（図示されず）の側に固定されて配置されている。ピックアップコイル２は、交流給電線１，１’が連続して延びる方向に交流給電線１，１’に沿って双方向に走行する。２本の給電線には、適正な周波数の交流が供給される。交流給電線１，１’は、図３に示されるように、絶縁被膜５５により被覆されている。
【００１５】ピックアップコイル２は、鉄心３と鉄心３の２ヶ所の部分を環状に巻く２次導体５１，５２とから形成されている。交流給電線１，１’が延びる方向がＺ軸方向と呼ばれ、鉛直方向、水平方向がＸ軸方向、Ｙ軸方向と呼ばれる。Ｚ軸方向、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向は、互いに直交している。鉄心３は、自然には２つの閉じた環を形成するように付勢されている。
【００１６】鉄心３は、開閉自在な上方環部分４と下方環部分５とから形成され、上方環部分４と下方環部分５とは共通環部分６を共有している。上方環部分４は、上方側第１Ｘ軸方向部分７と、Ｙ軸方向に延びる共通環部分６と、上方側Ｙ軸方向部分８と、上方側第２Ｘ軸方向部分９から形成されている。下方環部分５は、下方側第１Ｘ軸方向部分１１と、共通環部分６と、下方側Ｙ軸方向部分１２と、下方側第２Ｘ軸方向部分１３とから形成されている。
【００１７】上方側第２Ｘ軸方向部分９は、上方側第２Ｘ軸方向上半部分９−１と上方側第２Ｘ軸方向下半部分９−２とから形成されている。下方側第２Ｘ軸方向部分１３は、下方側第２Ｘ軸方向上半部分１３−１と下方側第２Ｘ軸方向下半部分１３−２とから形成されている。上方側第２Ｘ軸方向上半部分９−１と上方側第２Ｘ軸方向下半部分９−２とは、自然には面接触して（突合わせ接触して）、上方環部分４は実質的に閉じた１つの環を形成することができる。
【００１８】下方側第２Ｘ軸方向上半部分１３−１と下方側第２Ｘ軸方向下半部分１３−２とは、自然には面接触して（突合わせ接触して）、下方環部分５は実質的に閉じた１つの環を形成することができる。図１は、上方側第２Ｘ軸方向上半部分９−１と上方側第２Ｘ軸方向下半部分９−２とが離反して、上方環部分４が閉じた１つの環を形成せず開いている状態を示し、且つ、下方側第２Ｘ軸方向上半部分１３−１と下方側第２Ｘ軸方向下半部分１３−２とが離反して、下方環部分５が閉じた１つの環を形成せず開いている状態を示している。
【００１９】上方側第２Ｘ軸方向上半部分９−１と上方側第２Ｘ軸方向下半部分９−２とが自然には面接触する（突合わせ接触する）ように、上方側第２Ｘ軸方向上半部分９−１は付勢手段１４により上方側第２Ｘ軸方向下半部分９−２に向く方向に常時に付勢されている。下方側第２Ｘ軸方向上半部分１３−１と下方側第２Ｘ軸方向下半部分１３−２とが自然には面接触する（突合わせ接触する）ように、下方側第２Ｘ軸方向下半部分１３−２は付勢手段１５により下方側第２Ｘ軸方向上半部分１３−１に向く方向に常時に付勢されている。
【００２０】Ｙ軸方向に延びる上側給電線支柱１６とＹ軸方向に延びる下側給電線支柱１７とが、図示されない支持構造体に支持されている。Ｙ軸方向に延びる上側給電線支柱１６には、それの上面に固定側上側永久磁石１８が固着されている。Ｙ軸方向に延びる下側給電線支柱１７には、それの下面に固定側下側永久磁石１９が固着されている。Ｚ軸方向に延びる固定側上側永久磁石１８は、上側後方側（又は前方側）傾斜部分２１と、上側中央水平部分２２と、上側前方側（又は後方側）傾斜部分２３とから形成されている。
【００２１】上側後方側傾斜部分２１と、上側中央水平部分２２と、上側前方側傾斜部分２３とは、連続してＺ軸方向に延びる１体物である。Ｚ軸方向に延びる固定側下側永久磁石１９は、下側後方側傾斜部分２４と、下側中央水平部分２５と、下側前方側傾斜部分２６とから形成されている。下側後方側傾斜部分２４と、下側中央水平部分２５と、下側前方側傾斜部分２６とは、連続してＺ軸方向に延びる１体物である。
【００２２】上側後方側傾斜部分２１は前方に向かって上昇する後方側上側傾斜面ＵＳ１を有し、上側中央水平部分２２は上側水平面ＵＳ２を有し、上側前方側傾斜部分２３は前方に向かって下降する前方側上側傾斜面ＵＳ３を有している。下側後方側傾斜部分２４は前方に向かって下降する後方側下側傾斜面ＬＳ１を有し、下側中央水平部分２５は下側水平面ＬＳ２を有し、下側前方側傾斜部分２６は前方に向かって上昇する前方側下側傾斜面ＬＳ３を有している。
【００２３】上方側第２Ｘ軸方向上半部分９−１には、取付具を介してＹ軸方向に突出して可動側上側永久磁石２７が取り付けられている。下方側第２Ｘ軸方向下半部分１３−２には、取付具を介してＹ軸方向に突出して可動側下側永久磁石２８が取り付けられている。固定側上側永久磁石１８の上面側極と可動側上側永久磁石２７の下面側極は、同極（同じＮ極）である。固定側下側永久磁石１９の下面側極と可動側下側永久磁石２８の上面側極は、同極（同じＮ極）である。
【００２４】交流給電線１，１’に交流が逆方向に供給され、上方環部分４と下方環部分５のそれぞれの環状体又は部分環状体を磁路とする閉じた磁場（磁力線）が形成される。上側２次導体５１と下側２次導体５２は、上方側第１Ｘ軸方向部分７と下方側第１Ｘ軸方向部分１１を実質的に１周するように取り巻いている。磁場の向きはある既述の周波数を有して交番に変わり、その磁力線は環状の上側２次導体５１と下側２次導体５２の中心部位を貫通し、上側２次導体５１と下側２次導体５２にそれぞれに起電力が誘導されて発生する。
【００２５】ピックアップコイル２が存在する領域（通過する領域）は、上側給電線支柱１６、下側給電線支柱１７、固定側上側永久磁石１８、固定側下側永久磁石１９等が存在する第１領域と、それらが存在しない第２領域とから形成されている。第２領域の長さは、第１領域の長さよりも圧倒的に長い。
【００２６】図２と図３は、そのような第２領域にあるピックアップコイル２を示している。第２領域には固定側上側永久磁石１８と固定側下側永久磁石１９とは存在しないので、可動側上側永久磁石２７と可動側下側永久磁石２８は、固定側上側永久磁石１８と固定側下側永久磁石１９とから反発を受けることはなく、従って、可動側上側永久磁石２７と可動側下側永久磁石２８に同体である上方側第２Ｘ軸方向上半部分９−１と下方側第２Ｘ軸方向下半部分１３−２は、そのような斥力を受けず付勢手段１４，１５によって互いに接近する外力・引力を受ける。このような接近力を受ける上方側第２Ｘ軸方向上半部分９−１と下方側第２Ｘ軸方向下半部分１３−２は、突合わせ接触し、上方環部分４と下方環部分５はそれぞれに１つの閉じた環を形成する。このような磁路の形成により、交流給電線１，１’により生成する磁力線は空気層（真空）を通過することがなく空気層の大きい磁気抵抗を受けることがない。このため、上側２次導体５１と下側２次導体５２には、高効率に起電力が誘導されて生起する。
【００２７】図４と図５は、既述の第１領域にあるピックアップコイル２の走行・移動の途中経過を示している。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、固定側上側永久磁石１８と固定側下側永久磁石１９にピックアップコイル２が最接近しつつある状態位置、それらがピックアップコイル２に最接近している状態位置、それらがピックアップコイル２から離れ去りつつある状態位置をそれぞれに示している。
【００２８】図４（ａ）の状態位置の可動側上側永久磁石２７と可動側下側永久磁石２８は、後方側上側傾斜面ＵＳ１と後方側下側傾斜面ＬＳ１に対する距離が段々と近くなっていくようにＺ軸方向（走行方向前方）に進行している。この位置状態では、可動側上側永久磁石２７と可動側下側永久磁石２８は、固定側上側永久磁石１８と固定側下側永久磁石１９とから段々に強くなる斥力を受ける。従って、上方側第２Ｘ軸方向下半部分９−２と下方側第２Ｘ軸方向上半部分１３−１が段々に離れて、上方環部分４と下方環部分５はそれぞれにそれらの開きが大きくなっている。
【００２９】図４（ｂ）の状態位置の可動側上側永久磁石２７と可動側下側永久磁石２８は、上側水平面ＵＳ２と下側水平面ＬＳ２に対する距離が最も近くなった状態を維持しながらＸ軸方向に進行している。この位置状態では、可動側上側永久磁石２７と可動側下側永久磁石２８は、固定側上側永久磁石１８と固定側下側永久磁石１９とから最大斥力を受ける。従って、上方側第２Ｘ軸方向下半部分９−２と下方側第２Ｘ軸方向上半部分１３−１が最大限に離れて、上方環部分４と下方環部分５はそれぞれにそれらの開きが最も大きくなっている。このようの最も大きく開いた結果として形成される上方環部分４と下方環部分５の上側開口部５３と下側開口部５４（図５に記載）を上側給電線支柱１６と下側給電線支柱１７が逆方向（相対的にマイナスＺ方向）に素通りすることができる。図４（ｃ）の移行状態は、図４（ａ）の移行状態に対して時間的に逆方向である。
【００３０】図６は、本発明による非接触給電装置の実施の他の形態を示している。図５に表現される各部材と図６に表現される各部材の比較では、図５に示される部材１８，１９，２７，２８のみが、図６で示されそれらに対応する部材１８’，１９’，２７’，２８’に変更置換されている。このような置換を除いて、図５の実施の形態と図６の実施の形態とは全く同じである。
【００３１】固定側上側永久磁石１８に代えられて固定側上側電磁石１８’が用いられ、固定側下側永久磁石１９に代えられて固定側下側電磁石１９’が用いられ、可動側上側永久磁石２７に代えられて可動側上側電磁石２７’が用いられ、可動側上下永久磁石２８に代えられて可動側下側電磁石２８’が用いられている。
【００３２】固定側上側電磁石１８’は、鉄心５６とコイル５７とから形成されている。固定側下側電磁石１９’は、鉄心５８とコイル５９とから形成されている。可動側上側電磁石２７’は、鉄心６１とコイル６２とから形成されている。可動側下側電磁石２８’は、鉄心６３とコイル６４とから形成されている。固定側上側電磁石１８’と固定側下側電磁石１９’とには、固定側電源６５，６６から励磁電流が供給される。可動側上側電磁石２７’と可動側下側電磁石２８’とには、可動側電源６７，６８から励磁電流が供給される。このような電磁石１８’，１９’，２７’，２８’は、既述の複数の傾斜面に対してそれぞれに対応して複数が設けられ得る。
【００３３】このように、圧倒的に多い領域である既述の第２領域で、交流給電線１，１’である１次導体が作る磁束は、高透磁率の材料で作成され完全に閉じる環の中を通り、低透磁率の空気層を通らないので、大きな磁気抵抗部がなく磁束の発生効率が極めて高くなっている。傾斜面は、可動側磁石の円滑な通過を促進している。既述の実施の形態で、上方側第２Ｘ軸方向上半部分９−１と下方側第２Ｘ軸方向下半部分１３−２とは、スライド式に可動であるが、上方側Ｙ軸方向部分８と下方側Ｙ軸方向部分１２とが撓む構造にすることは技術的に可能である。
【００３４】移動体の進行方向に、上側給電線支柱１６と下側給電線支柱１７とを所々に希にしか存在しないような配置構成にすることは技術的に十分に可能であるから、ほとんどの領域で高効率に一次側と二次側とを磁気的に結合することができる。上側給電線支柱１６と下側給電線支柱１７とが存在する領域とそれらが存在しない領域での磁気結合の差に伴う二次導体の電圧変動に伴う派生問題は、二次電力変換回路側に平滑回路手段を設けることにより十分に克服することができる。十分な反発力は、希土類の高残留磁束密度の永久磁石によって得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】本発明による非接触給電装置及び非接触給電方法は、鉄心が有効に閉じた磁路を形成し高効率磁気結合が達成されるので、電力供給の損失を実質的に全線にわたって完全に回避することができる。磁気的に鉄心の開閉が自動的に行われ、スムーズな両領域間の渡りが可能である。
【出願人】 【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
【出願日】 平成１１年１０月１２日（１９９９．１０．１２）
【代理人】 【識別番号】１００１０２８６４
【弁理士】
【氏名又は名称】工藤 実 （外１名）
【公開番号】 特開２００１−１１９８０５（Ｐ２００１−１１９８０５Ａ）
【公開日】 平成１３年４月２７日（２００１．４．２７）
【出願番号】 特願平１１−２９０２９１