JP2005269857A

JP2005269857A - 非接触給電装置

Info

Publication number: JP2005269857A
Application number: JP2004082375A
Authority: JP
Inventors: Harumasa Yamamoto; 治正山本
Original assignee: Hitachi Kiden Kogyo Ltd; 日立機電工業株式会社
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】コアが形成する閉磁路により磁気回路の磁気抵抗を削減し、受電コイル部への給電効率を向上させる非接触給電装置を提供すること。
【解決手段】コア１、２に巻回したコイル３、４に、給電線５、６から電磁誘導により非接触で電力を供給するものであり、筒状のコア１、２を２個連設し、各コア１、２にそれぞれコイル３、４を巻回して受電コイル部を形成するとともに、各コア１、２を貫通するように給電線５、６を設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触給電装置に関し、特に、コアが形成する閉磁路により磁気回路の磁気抵抗を削減し、受電コイル部への給電効率を向上させる非接触給電装置に関するものである。

例えば、非接触で負荷に電力を常時給電する場合、下記の特許文献１に示すように、給電線にＥ型コアがまたがるように設置し、給電線に沿って搬送装置が移動する。
このような給電装置は、長距離の搬送には適するが、給電線を支持するために、コアの一部に開口を設けてＥ型の開磁路となすことから、磁気回路の磁気抵抗が空隙の間隔で増大し、給電効率が低下する欠点を有している。

また、２軸以上に移動する複数の移動体に給電線の励磁電流をカスケード接続する場合、下記の特許文献２では、前段の受電電力を高周波電源に供給し、この高周波電源で後段に接続する給電線に励磁電流を流すか、あるいは、前段の受電で生じた高周波電圧を変圧器で変圧し、後段に接続する給電線の励磁を行うようにしている。
しかしながら、変圧器で変圧する場合は、受電電圧を安定化できない欠点があり、また、高周波電源を別途使用する場合には、この電源のコストが発生する。

特開平９−９３７０４号公報特開平７−２３１１号公報

本発明は、上記従来の非接触給電装置が有する問題点に鑑み、コアが形成する閉磁路により磁気回路の磁気抵抗を削減し、受電コイル部への給電効率を向上させる非接触給電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の非接触給電装置は、コアに巻回したコイルに、給電線から電磁誘導により非接触で電力を供給する非接触給電装置において、筒状のコアを２個連設し、各コアにそれぞれコイルを巻回して受電コイル部を形成するとともに、各コアを貫通するように給電線を設置したことを特徴とする。

この場合において、受電コイル部の移動範囲を非磁性体の筐体により被覆することができる。

また、２軸以上に移動する複数の移動体に給電線の励磁電流をカスケード接続する非接触給電装置において、前段の受電コイル部と後段の給電線とを直列に接続し、後段の給電線に共振回路電流を流すようにすることができる。

本発明の非接触給電装置によれば、コアに巻回したコイルに、給電線から電磁誘導により非接触で電力を供給する非接触給電装置において、筒状のコアを２個連設し、各コアにそれぞれコイルを巻回して受電コイル部を形成するとともに、各コアを貫通するように給電線を設置することから、コアが形成する閉磁路により磁気回路の磁気抵抗を削減し、受電コイル部への給電効率を向上させることができる。

この場合、受電コイル部の移動範囲を非磁性体の筐体により被覆することにより、受電コイル部の磁気シールドをするとともに、受電コイル部と人との接触を防止することができる。

また、２軸以上に移動する複数の移動体に給電線の励磁電流をカスケード接続する非接触給電装置において、前段の受電コイル部と後段の給電線とを直列に接続し、後段の給電線に共振回路電流を流すことにより、後段の給電線用電源装置を省略するとともに、前段の負荷の大小に関係なくほぼ一定の電流を後段の給電線に流し、安定した励磁を行うことができる。

以下、本発明の非接触給電装置の実施の形態を、図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の非接触給電装置の一実施例を示す。
この非接触給電装置は、コア１、２に巻回したコイル３、４に、給電線５、６から電磁誘導により非接触で電力を供給するものであり、筒状のコア１、２を２個連設し、各コア１、２にそれぞれコイル３、４を巻回して受電コイル部を形成するとともに、各コア１、２を貫通するように給電線５、６を設置している。

具体的には、フェライトを焼成したコア１、２の夫々にコイル３、４を巻いた受電コイル部を往路給電線５、復路給電線６を貫通させる。給電線は高周波電源７により高周波電流を給電線に流し励磁する。高周波電源７の周波数は１０ｋＨｚ近傍の周波数を使用するが、それ以上の周波数でもよい。
コア１とコア２では電流の貫通する方向が逆方向になるため、コイル３コイル４の出力は極性を反転して直列あるいは並列に接続する。
コア１、２は全く同一形状のコアを２個連結して使用することもできるし、あるいは２個分を一体で成型し焼成しても効果は変わらない。
フェライトコアは高周波特性に優れ、また電気抵抗が大きいため渦電流による損失が少ない。コイルの貫通する方向に珪素鋼板を積層したコアでも動作可能であり、珪素鋼板はフェライト材料に対して飽和磁束密度が高い利点を有するが、１０ｋＨｚ以上の高周波特性では損失が増加すること、コア長さ方向の中心部では給電線に対して垂直な面だけに磁界ができるが、中心から外れるにしたがって、給電線方向の磁界が発生し、この磁界による渦電流損失が増加するため、受電コイル部の長さがコイルの高さと同等あるいはその近傍のアスペクト比をもつ受電コイル部形状においては珪素鋼板は適さない。
コアの高さに対し長さの短い（概ね１／５以下）形状、あるいは長さが長い（概ね５倍以上）では珪素鋼板の積層も有効になる。

図２に、前記受電コイル部を、受電コイル部と給電線を覆う筐体に入れる方法を示す。
受電コイル部と給電線を、例えば、下部に切り欠きを設けた、アルミニウム等の非磁性体からなるカバー８に入れる。
カバー８はアルミニウム製の押し出し材で容易に作成でき、給電線のノイズを外部にもらさないシールドになる。受電コイル部は、アルミニウム等の非磁性体からなる固定部材９でリニアガイド１１に固定する。リニアガイドのレール１０はカバー８に固定する。

本実施例では給電する区間の範囲は２ｍ程度を想定し、この範囲であれば給電線５は、一端を固定し、もう一端から張力をかけて引っ張る構造とする。給電線はその自重で給電区間の中央部分ではその位置が５’、６’の位置まで下がる。
フェライトは硬度の高い材料であり、給電線と接触すると給電線の絶縁被服に傷をつけるため、振動などで接触する可能性がある場合は、コアの内側の面にフッ素樹脂等の摩擦の少ないシート材１２をコアに貼付けておくことで給電線を保護することができる。
また、図２は水平方向に給電線を設置する場合を示しているが、垂直方向に設置する場合は、給電線は重力で位置が変化することはないが、装置の動作時の振動や加速度により変位することがあり、接触防止にはコイル部分も覆うシート材料を適宜使用する。

また、図３に示すように、給電線５、６は一本でなく複数本を使用し、コア１、２の中を複数回（ｎ回）貫通させることで、等価１次電流を貫通した回数分増加し、電流をｎ倍化することもでき、これにより、出力電流の小さい高周波電源で、大容量の給電に対応することができる。

図４に、非接触給電装置の全体的な構造を示す。
カバー８の中を受電コイル部が移動する。
給電線５、６は手前側で固定する（図示は省略）。もう一端の給電線の折り返し部分は、その間隔を保持するよう保持具１３をばね１４で半固定し、張力を与え、給電線が垂れ下がることなくコアの中を貫通するように支持する。

図５に、本実施例を応用し、２軸以上に移動する複数の移動体に給電線の励磁電流をカスケード接続する非接触給電装置の概略を示す。
本体１５の両側部にリニアモータ等で駆動するリニアアクチュエータ１６を配置し、その上を門型のガントリー１７が矢印方向に移動する。さらにその上にリニアアクチュエータ１９を設け、可動部分２１が移動する。
このようなＸＹ軸平面内で任意の位置に稼動する構造の設備としては、電子部品をプリント配線板に搭載するチップマウンタ等がある。
このリニアアクチュエータに併設する非接触給電装置１８、２０から可動部分の電源を供給する。

図６に、この非接触給電装置の接続を示す。
装置本体に設けた高周波電源７で前段の給電線２４を励磁し、前段の受電コイル部２２で受電する。
前段の給電線２４と受電コイル部２２が給電装置１８に相当し、後段の給電線２５と受電コイル部２３が給電装置２０に相当する。
前段の受電コイル部２２と後段の給電線２５を直列に接続し、この直列インダクタンスと共振コンデンサ２６で共振回路を形成し、共振周波数は高周波電源７の近傍になるように共振コンデンサ２６を選定する。可飽和リアクトル２７は共振回路の電圧を一定値に安定化させる。このため、給電線２５には負荷２８の負荷の大小に関係なく、ほぼ一定の電流が流れる。
前記の特許文献２に示す従来の方法では、高周波トランスには無負荷時の共振電流が流れないため、給電線２５の電流が無負荷時と負荷時で大きく異なる欠点を有するが、給電線と受電コイル部を直列にすることで安定した励磁を行う。
なお、負荷２８はリニアアクチュエータ１９とその制御に必要なセンサ類の電源に相当し、可動部２１にはさらに別のアクチュエータ類、センサ類、制御装置などが配置され、これらが負荷３１に相当する。
受電コイル部２３は共振コンデンサ２９と共振回路を構成し、共振コンデンサ２９は、受電コイル部２３と共振コンデンサ２９による共振周波数が給電線２５に流れる電流の周波数、すなわち高周波電源７の周波数近傍になるように選定する。
このように、本実施例の非接触給電装置は、カスケード接続する給電の構成において、高周波トランスや別電源を用いることなく、複数の給電を実現することができる。

図７に、受電コイル部の製作方法を示す。
フェライトコアは、一般に大型のものを一体で成型することは大型プレス設備が必要になり、製作できるメーカが限定され、また費用がかかるため好ましくない。そのため、小型のコアを複数組み立てることによって、大型にする方法が現実的である。
例えば、図７（ａ）に示すように、４つのコの字型のコアを使用し、その２つに先にコイル３、４を巻き、接着あるいはステンレスのベルトで締付け固定する。
また、図７（ｂ）に示すように、Ｅ型とＩ型のコアのＩ型にコイル３、４を巻き、接着あるいはステンレスベルトでの締結を行う。
あるいは、図７（ｃ）に示すように、２つのコの字型とＩ型で、Ｉ型にコイル３、４を巻き、接着あるいはステンレスベルトでの締結を行う。
これらの方法は、四角の穴のあいたコアにコイルを巻く方法に比較して、接着あるいは締結の工程が入るが、コイル巻き線作業は開いたコアに巻き線するため、作業が簡単で、自動化も可能である。
ちなみに、安価に製作できる受電コイル部の長さはフェライトでは３０ｍｍ程度までが限度であり、それ以上では複数段のフェライトを接着し、長尺コイル製作に対応する。

ところで、閉磁路を構成する磁気回路では、コア材料の透磁率、加工寸法の誤差により受電コイル部のインダクタンスが変動する。
受電コイル部をトランスとして使用するのであれば、１次コイルと２次コイルの巻数比による２次電圧が得られるが、共振回路を構成するインダクタンスとして使用する場合、インダクタンスの誤差は共振周波数の変動要因になり好ましくない。
閉磁路の一部に狭い空隙を設けることにより、コアの透磁率、断面積できまる磁気抵抗と、空隙による磁気抵抗の直列回路が構成され、空隙の磁気抵抗は空隙の隙間で制御できる。コアの比透磁率は空隙の比透磁率１に対し２０００〜３０００程度と大きい。

コアの磁路長：Ｌｃ＝０．２ｍ
空隙：Ｌｇ＝０．５×１０^−３ｍ、
コアと空隙の断面積：Ｓ＝１０００ｍｍ^２＝１×１０^−３ｍ^２
コアの比透磁率：μ＝２０００
磁気抵抗Ｒは、
Ｒ≒（０．２／（２０００×１×１０^−３））＋（０．５×１０^−３）／（１×１０^−３）≒０．１＋０．５≒０．６
になる。
コアの比透磁率μが２０００から１８００に１０％変動すると、第１項の０．１が０．１１１に約１１％変動する。
しかしながら、磁気抵抗Ｒは、
Ｒ≒０．１１１＋０．５≒０．６１１
になり、０．６に対し約２％の変動に緩和される。
なお、上記磁気抵抗Ｒの計算においては、真空透磁率μ_０（μ_０＝４π×１０^−７Ｈ／ｍ）はコアと空隙の両方に含まれる共通項であるので省略している。

このように、空隙を設けることで、完全な閉磁路に対してインダクタンスは低下するが、インダクタンスの個体差の少ない均質な受電コイル部を製作することができる。
また、フェライト材料の短所である温度による透磁率や飽和磁束密度の変動によるコイルの特性を空隙を設けることで同様に緩和することができる。
このような微細な空隙は、コアを接着する際にセラミック板あるいはエポキシ樹脂板等の非磁性の絶縁体を挟むことにより、寸法精度の高い空隙を容易に構成することができる。
また、インダクタンスの調整は、コイルの巻き数を調節することで一定のインダクタンス値に製作することも可能である。

以上、本発明の非接触給電装置について、複数の実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、各実施例に記載した構成を適宜組み合わせる等、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができる。

本発明の非接触給電装置は、閉磁路により磁気回路の磁気抵抗の増大を抑制し、給電効率の低下を防止するという特性を有していることから、例えば、半導体工場等のクリーンルーム内の発塵を最小限に抑制した搬送装置やロボットの用途に好適に用いることができる。

本発明の非接触給電装置の一実施例を示す拡大図である。同非接触給電装置を示す断面図である。給電線を複数にした非接触給電装置の断面図である。同非接触給電装置の全体を示す斜視図である。複数の移動体に応用した本発明の非接触給電装置の一実施例を示す斜視図である。同非接触給電装置の電気接続を示す説明図である。受電コイル部の製作例を示す分解図である。

符号の説明

１コア
２コア
３コイル
４コイル
５給電線
６給電線
７高周波電源
８カバー
９固定部材
１０レール
１１リニアガイド
１２シート材
１３保持具
１４ばね
１５本体
１６リニアアクチュエータ
１７ガントリー
１８非接触給電装置
１９リニアアクチュエータ
２０非接触給電装置
２１可動部分
２２前段の受電コイル部
２３後段の受電コイル部
２４前段の給電線
２５後段の給電線
２６共振コンデンサ
２７可飽和リアクトル
２８負荷
２９共振コンデンサ
３０可飽和リアクトル
３１負荷

Claims

コアに巻回したコイルに、給電線から電磁誘導により非接触で電力を供給する非接触給電装置において、筒状のコアを２個連設し、各コアにそれぞれコイルを巻回して受電コイル部を形成するとともに、各コアを貫通するように給電線を設置したことを特徴とする非接触給電装置。
受電コイル部の移動範囲を非磁性体の筐体により被覆したことを特徴とする請求項１記載の非接触給電装置。
２軸以上に移動する複数の移動体に給電線の励磁電流をカスケード接続する非接触給電装置において、前段の受電コイル部と後段の給電線とを直列に接続し、後段の給電線に共振回路電流を流すようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の非接触給電装置。