JP3729787B2 - 複数の電動車両に誘導電力を分配してこれら車両を共通の軌道に沿って個別に走行させる誘導電力分配システム、電動車両 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の電動車両に誘導電力を分配してこれら車両を共通の軌道に沿って個別に走行させる誘導電力分配システムおよび電動車両に関し、とくに、電力消費の少ない電動車両(低負荷車両)が大きな電力を要求している他の電動車両(高負荷車両)への電力供給を妨げるのを防止する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電気的乗客輸送手段としての車両への給電は、通常、架空導線が使用されているが、美観、危険、価格、敷設、保守に問題があり、さらに、車両に設けられている集電器(パンタグラフまたは炭素保安器等)はしばしば架空導線より外れて他の交通を混乱さすという問題がある。また、このような架空導線に接続された車両は互いに追い越すことができない。また、ワイピング接点は、汚れると、十分に動作しなくなる傾向がある。
【0003】
誘導電力伝送は、火花の危険または不完全接触に関連する機械的問題を排除することにより、パンタグラフやブラシ接触装置に対しては魅力ある代替品を提供するように思われる。
【0004】
19世紀には、電気(電信)信号を走行鉄道車両等から線路側の導体へ誘導伝達することに関して多数の特許が米国で公告されたが、これらの特許は有効な量のエネルギーの伝達に関するものではなかった。
また、高電圧の容量性手段によって電力を伝達するものに関する特許さえもあった(TESLA米国特許第514972号)。上記の誘導伝達に関連する唯一の歴史的特許は1894年のHUTINとLeBLANCの特許(米国特許第527857号)で、約3KHzの交流を用いる誘導が提案されている。さらに最近では1974年のOTTOの理論的仕事(ニュージランド特許第167422号)では、バスのような車両用に、4〜10KHzの範囲で動作する直列共振二次巻線を用いることが提案された。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の根本の目的は、複数の電動車両に誘導電力を分配してこれら車両を共通の軌道に沿って個別に走行させる実用システムを構築することにある。複数の電動車両が個別に走行するシステムとは、それぞれ異なる運転状態に応じて各電動車両の消費電力が異なることを意味する。運転中の全車両の合計消費電力が一次側電源装置の給電能力を超える状況であれば、各電動車両が要求する電力を円滑に供給できなくなることは原理的に避けがたいものである。
【0006】
しかしながら、この出願の発明者らがこの発明を創作する過程で試作したシステムにおいては、上記のような状況ではないのにも関わらず、大きな電力を必要としている電動車両に充分な電力が届けられない顕著な障害が発生した。この障害を克服しないことには、複数の電動車両に誘導電力を分配してこれら車両を共通の軌道に沿って個別に走行させるシステムの実用化は不可能であった。
【0007】
【発明の開示】
この発明に係る誘導電力分配システムは、基本構成として、軌道と、一次導電路と、電源装置と、複数の電動車両を備え、各電動車両に誘導電力を分配してこれら車両を共通の軌道に沿って個別に走行させる誘導電力分配システムである。このシステムにおいて、軌道は電動車両の走行経路を構成し、一次導電路は軌道に沿って敷設され、電源装置は一次導電路に所定周波数の交流電流を供給する。以下では、このシステムおよび電動車両の具体的な実施形態について、図1〜図5に基づいて詳細に説明する。
【0008】
===軌道と電動車両の概要===
図1に於て、(1100)は片持梁式軌道で、これは、水平な支持面(1101)と片側の溝の内部に設けられた1対の平行導体(1102)と(1103)とを有するI断面アルミニュームガーダである。(1104)は車両全体で、支持用と駆動用車輪(1106)と(1107)および駆動モータ(1105)とより形成され、車両用ピックアップコイルは前記駆動モータ(1105)と導体(1102)と(1103)とに隣接している。
【0009】
===一次側の電源装置===
図2により電力配電システムの実施例をいくつか説明する。図2(a)の第1の実施例(2100)は2台の車両(2101)と(2102)を走行させるシステムを示す。これら車両は、フランジ付車輪により軌道(2103)(2104)上を走行する。1次導体(2105)(2106)の出力および入力ループは、一端がコンデンサ(2107)(これを設けるか設けないかは随意であるが、軌道が比較的長距離にわたる場合には設けることが好ましい。)に、他端がコンデンサ(2108)に接続され、さらに高周波電源である外部原動力により駆動される交流発電機(2109)に接続される。
【0010】
図2(b)の第2の形態(2200)は単一の車両(2201)を示す。この形態は非共振である。その1次導体は数ターンのケーブルより成っていてもよく、逓減変圧器(2203)を介して切替電源(2202)から駆動される。1次導体(2204)内の電流は非正弦波形とするのが適当である。
【0011】
図2(c)の第3の形態(2300)も単一の車両(2301)を示す。この実施例は共振回路を用いる。コンデンサ(2303)と絶縁変圧器(2304)の1次コイルの役目をするインダクタンス(2304)より成る同調回路を含む切替え電源(2302)から駆動される。この場合、循環電流が前記コンデンサ(2303)に加えて前記変圧器(2304)内にも存在し、従って、該変圧器は、前記共振回路に供給しまたは取り出す有効電力に加えて1次導体(2305)内を循環する共振電力にも適応し得るVA定格を有する必要がある。前記共振回路内を循環する電流は実質的に正弦波形である。前記システムの1次インダクタはすべての交流電流により駆動し得るが、すべての連想同調回路の平均共振周波数で出力される正弦波電流を使用することが好ましい。正弦波電流は高調波による無線周波放射を最少にすると共に循環電力の従属同調回路への転送の効率を増強する。
【0012】
図2(d)の第4の好ましい形態(2400)も単一車両について図示する。この形態に於て、コンデンサ(2403)は1次インダクタ(2405)の固有のインダクタンスと共に共振回路を構成すると共に、電源(2402)のすべての他の構成要素の定格は、供給電力に基づいてのみ定めるべきであって、それよりも大きな共振電力に基づいて定める必要はない。前記共振回路内の電力は実質的に正弦波である。前記電源(2402)は軌道(2405)とコンデンサ(2403)の共振周波数に追従する切替え電源より成る。
【0013】
第5の形態は、図2(d)における終端コンデンサを省略する以外は第4形態と似ている。この形態は価格を減少すべく短い軌道長の設備に望ましい。
電力を走行車両へ渡す共振システムは、定格値の低い構成要素のためにも高周波で運転するように作られるが、周波数が上昇するにつれて、隣接する導体の渦電流と表皮効果損失は、例えば分散されている1次導体内で上昇する。この渦電流損失と表皮効果損失は効率を低下させ、電磁干渉を生じる。現在入手可能な半導体がどのようなものであるかを考えれば、10KHzという動作周波数は、これを只1つの可能な選択と考えるべきではないが、理にかなった設計数字である。
周波数は50KHzまで上昇してもよいが、導体の表皮効果損失はこの周波数より上で比較的重要なものとなる。ある場合には、特に航空業界では、上記のような問題が(例えば空港の地上輸送設備などについて)起こりさえしなければ、航法装置または通信設備に対して滞在的に干渉波となり得る高調波を生じないように、28.5kHzというような特殊な周波数を選択してもよいわけであるが、400Hzの電力が工業規格であるから、これを用いるのが好ましいかも知れない。動作電圧の上限は現今では、コンデンサの定格と半導体の電圧制限との両者により実際には約600Vに制限されている。
【0014】
===軌道と一次導電路とピックアップ===
図3は、本実施例の実際の1次−空間−2次の関係を断面で示し、本図のスケールは、フェライト製のEビーム(10102)の背面に沿って約120mmである。且つ図1の片持梁モノレールもこの断面を基礎としている。
(10100)は、その代表的なものはI形断面形状のアルミニウム押出品であるところの強固な支持部材(10101)の組合せで車輪が走行できる上部に荷重支持面を有する。側面(10104)は延長部(10106)(10107)により支持部材の取付けに適するようになっており、側面(10105)は1次導体用の支持部材を支えるようになっている。また(10110)と(10111)とは、好ましくは、リッツ線の2本の平行1次導体である。これらは、隔離絶縁体(10112)と(10113)のダクト内に支持される。
【0015】
全ての材料はプラスチックのように非導電性かアルミニウムのように非鉄金属であることが好ましい。もし鉄材料が1つ以上の1次導体かまたは車両の2次ピックアップコイルに隣接して位置しなければならないときは、数ミリメータの深さのアルミニウム被覆によりこの鉄材料をしゃ蔽することが有利であることが分っており、この結果として使用時発生する渦電流が磁束のそれ以上の透過を防ぐ役目をし、従って鉄材料内のヒステリシスによるエネルギーロスを最少にする。
【0016】
ピックアップコイルのフェライトコア(10102)は、複数のフェライトブロックをE字形に重ね、中央の軸部にプレート(10117)をボルトで固定したものである。中央の軸部は好ましくは20mmの厚さで、且つピックアップコイルの全長は模式的に260mmである。また、複数のフェライトブロックのうちのどれか1つを積み重ねから取り除いて2次コイルの空冷を考慮することが好ましい。2次コイルには使用中に20Aの循環電流が流れるからである。ピックアップコイル(10115)は1つ以上の任意の附属コイル(10116)と共にフェライトコアの中央の軸部に巻回する。1次導体(10110)と(10111)からフェライトコアの中央の軸部への電磁結合は前記1次導体がフェライトにより完全に囲まれているので、比較的能率的である。
車両(図示せず)はフェライト(10102)の左側に存在しており、変化する磁束は実質的にフェライト(10102)の内部に閉じこめられるので、車両をボルト等(たとえ鋳鉄製でも)により直接フェライト(10102)に取り付けてもよい。
【0017】
ピックアップコイルは1台の車両に1つ以上存在するが、これは1次誘導ループの設計周波数で共振する同調回路より成る。好ましくは、該ピックアップコイルはフェライト材より成るコアの中央脚を巻回する多数のリッツ線より成り、該コアは誘導結合の効果を増大する磁束集中機能を与える。
共振電流は大電流であり、導体の巻数も多いので、使用時にコイルの付近に高磁界を生じる。好ましくは、共振コンデンサ(共振周波数を調整するために附加コンデンサユニットを用意してもよい)をコイルと並列接続し、コンデンサに整流手段(好ましくは急速電力整流ダイオード)を接続し、整流手段を負荷と直列に接続することである。
さらに多くの電力を引き出すことができるので高Qピックアップコイルを有することが望ましいが、コイルのQの増加はその大きさと価格を増加する傾向があるのでその折衷案が必要である。さらに、高Qピックアップコイルは動作周波数の小さな変動に対する同調の問題を提起する。
【0018】
巻数と、並列接続されるべき共振コンデンサとは、後続の回路と最適の状態で整合をとるのに必要な電圧/電流比を実現するように選択してもよい。図3に示す如く、ピックアップコイル用のコアは1次ループからの磁束の交差を最大にするよう位置している。
【0019】
===車両側の回路システム===
この発明に係る誘導電力分配システムにおける電動車両に実装される回路システム(スイッチモード制御器と名付けた)の基本構成を図4に示している。
図4に示すように、ピックアップコイル(14111)に、このピックアップコイル(14111)を(ピックアップ)共振周波数に同調させるコイル同調コンデンサ(14112)が接続され、このコイル同調コンデンサ(14112)は、図5に示す全波整流器からなる整流器(14114)に接続され、この整流器(14114)の出力側にインダクタ(14121)が接続され、また出力負荷(14116)と並列に出力コンデンサ(14115)が接続され、前記インダクタ(14121)と出力コンデンサ(14115)との間にダイオード(14122)が接続され、さらにインダクタ(14121)とダイオード(14122)との間で、同調コンデンサ(14112)と並列にスイッチ(14113)が設けられている。もちろん、出力負荷(14116)の主な要素は、車両を走行させるモータである。
【0020】
上記コイル同調コンデンサ(14112)の電圧は整流器(14114)により整流され、インダクタ(14121)とダイオード(14122)とによりフィルタがかけられて直流電圧を発生する。コンパレータ(14117)はこの直流電圧を監視し基準電圧(14118)と比較し、もし負荷電力がピックアップコイル(14111)から出力できる最大電力より小さいときは出力コンデンサ(14115)電圧が増加する。これによりコンパレータ(14117)にスイッチ(14113)を投入せしめて有効にピックアップコイル(14111)を短絡する。ダイオード(14122)により直流出力コンデンサの短絡を防止する。この作用の結果、ピックアップコイル(14111)から転送した電力は実質的にはゼロである。従って、出力コンデンサ(14115)の直流電圧は前記コンパレータ(14117)がスイッチ(14113)を再開放する点まで減少する。このスイッチングの生ずる割合は該コンパレータ(14117)と、出力コンデンサ(14115)の大きさと、負荷電力と最大コイル出力電力との間の差についてのヒステリシスより決定される。
【0021】
図4に示したスイッチモード制御器のさらに具体的な回路構成例を図5に示している。図5の回路構成においては、ピックアップコイルは(P1)において端子(1)と(3)との間に接続される。コンデンサ(CT1)(CT2)等々(1.1μFの電気容量が得られるようにするには、通常、5個必要である)は、共振コンデンサ(同調用コンデンサ)である。これら素子の定数を選択することにより、一次共振回路の周波数に一致した共振周波数が得られる。4個の高速回復ダイオード(D4−D7)より成るブリッジ整流器は、コンデンサ(C7)と(C8)のチョーク入力フィルタより成る(L1)への入力信号を整流する。この直流電力はコネクタ(P2)の端子(1)と(3)との負荷に供給される。この直流電圧は(R1)により監視され且つ(IC1:A)により緩衝される。もしこれが(REF3)により決定される基準値を超過するときは、コントロール・コンパレータ(IC1:B)が、ピックアップコイルを短絡させる役目を持った大電流FET装置(T1)を導通させる。この切替動作の好ましい割合は通常30Hzである。トランジスタ(T2)はこのFETに限流保護を与えると共にバリスタ(V1)は電圧保護を与える。
【0022】
もし、負荷電力がピックアップコイルから得られる最大値を超過しても、出力電圧は常に(REF3)で設定した基準値以下でありスイッチ(T1)は通常オフである。もし、負荷がインバータ駆動交流モータであると、高加速時にこれが起り得る。図5の制御器は、かかる場合に前記インバータにその加速度を減少するよう指示するための光学的結合制御信号を発生することにより最大電力転送を維持する手段を備える。該信号は(P2)の電圧と、(REF3)により設定した基準レベルより低くされた三角形搬送波とを比較することにより発生する。該三角形搬送波は(IC1:D)がこの比較を遂行する間、弛緩発振器(IC1:C)により発生させられる。光学的絶縁は(IC2)により与えられる。
かくして、図5の回路は、出力電圧を上限と下限との間に維持するようにし、ピックアップコイル内の共振電流を上限以下に維持する。
【0023】
===電動車両の必須の回路構成===
以上詳しく説明した図4の回路例を参照しつつ、この発明に係る電動車両が備えるべき回路構成の必須の要件を整理して以下に列挙する。
【0024】
(A)電動車両は、ピックアップと、整流平滑回路と、定電圧回路と、モータを含む出力負荷(14116)とを備えること
(B)ピックアップは、コアに巻かれたピックアップコイル(14111)と、ピックアップコイル(14111)に並列接続された同調コンデンサ(14112)を含み、一次導電路から発生する交番磁界に結合可能であること
(C)ピックアップコイル(14111)のインダクタンスと同調コンデンサ(14112)のキャパシタンスは、この並列回路が一次導電路から発生する交番磁界の周波数に共振するように選定されること
【0025】
(D)整流平滑回路は、全波整流回路(14114)と、インダクタ(14121)を含むこと
(E)全波整流回路(14114)は、ピックアップコイル(14111)に発生する交流を全波整流すること
(F)インダクタ(14121)は、全波整流回路(14114)の出力電流路に介在して平滑した直流を出力させること
【0026】
(G)定電圧回路は、ダイオード(14122)と、出力コンデンサ(14115)と、電圧検出回路(14119)(14120)と、信号発生回路(14118)と、スイッチ(14113)と、スイッチ制御回路(14117)(14123)を含むこと
【0027】
(H)ダイオード(14122)と出力コンデンサ(14115)は、整流平滑回路の出力端間に直列接続され、整流平滑回路の出力によって出力コンデンサ(14115)が充電可能であること
(I)出力負荷(14116)は、出力コンデンサ(14115)の両端から電力供給を受けて動作すること
(J)出力負荷(14116)に含まれるモータは、当該電動車両を軌道に沿って走行させること
【0028】
(K)電圧検出回路(14119)(14120)は、出力コンデンサ(14115)の電圧に対応した監視電圧信号を出力すること
(L)信号発生回路(14118)は、基準電圧信号を発生すること
(M)スイッチ(14113)は、整流平滑回路の出力端間に接続されていること
【0029】
(N)スイッチ制御回路(14117)(14123)は、監視電圧信号と基準電圧信号とを比較するとともに、その比較結果に応じてスイッチ(14113)をオンオフ切替動作させ、出力負荷(14116)の消費電力が小さいほどスイッチ(14113)のオン割合を大きくさせて出力コンデンサ(14115)の電圧を定電圧化すること
【0030】
===車両搭載回路の作用===
上記の構成(A)〜(N)を備えた図4の回路は、以下のように動作し、以下のような作用効果を奏するものである。
【0031】
出力負荷(14116)による消費電力が大きいと、出力コンデンサ(14115)から出力負荷(14116)に流れる出力電流が大きいので、出力コンデンサ(14115)の電圧が基準値より小さくなる傾向を示し、これに対応してスイッチ制御回路(14117)(14123)はスイッチ(14113)のオン割合を小さくする。すると、ピックアップコイル(14111)に生じる交流電圧が上昇し、よって整流平滑回路の直流出力電圧が上昇し、出力コンデンサ(14115)の充電電流が増大する。つまり、出力負荷(14116)に流れる大きな出力電流に見合うように充電電流を増大させる自動制御が働き、出力コンデンサ(14115)の電圧が定電圧化する。
【0032】
出力負荷(14116)による消費電力が小さいと、出力コンデンサ(14115)から出力負荷(14116)に流れる出力電流が小さいので(ゼロも含む)、出力コンデンサ(14115)の電圧が基準値より大きくなる傾向を示し、これに対応してスイッチ制御回路(14117)(14123)はスイッチ(14113)のオン割合を大きくする。すると、ピックアップコイル(14111)に生じる交流電圧が低下し、よって整流平滑回路の直流出力電圧が低下し、出力コンデンサ(14115)の充電電流が減少する(ゼロも含む)。つまり、出力負荷(14116)に流れる小さな出力電流に見合うように充電電流を減少させる自動制御が働き、出力コンデンサ(14115)の電圧が定電圧化する。
【0033】
以上のように、出力負荷(14116)による消費電力が小さい場合、スイッチ(14113)のオン割合が大きくなることによって、ピックアップコイル(14111)に生じる交流電圧・電流が減少する。ピックアップコイル(14111)に流れる交流電流が減少すると、この交流電流の誘導作用により一次導電路に帰還するインピーダンスが小さくなる。
【0034】
このように、電動車両から一次導電路に帰還するインピーダンスが、電動車両の消費電力が小さい場合に小さくなるので、消費電力の小さい電動車両の影響で大きな電力を必要としている他の電動車両に充分な電力が届けられないという障害を引き起こすことがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態として、誘導電力分配システムにおける誘導電力を供給されるモノレールコンベアの斜視図である。
【図2】直線レールを備えた貯蔵システムとして構成された本発明のいくつかの変形例の説明図である。
【図3】車両とモノレールシステムの1次導体との関係を示す。
【図4】本発明の車両に搭載される回路システムの基本構成図である。
【図5】図4の回路システムのより具体的な回路構成例を示す図である。
【符号の説明】
1100 軌道
1102・1103 平行導体(一次導電路)
2101・2102・2201・2301・2401 車両
2103・2104 軌道
2105・2106・2305 一次導体(一次導電路)
2202・2302 切替電源(電源装置)
10101 支持部材(車両の軌道)
10102 フェライト製のEビーム
10110・10111 一次導体(一次導電路)
10112・10113 隔離絶縁体
10115 ピックアップコイル
14111 ピックアップコイル
14112 同調コンデンサ
14113 スイッチ
14114 全波整流回路
14121 インダクタ
14122 ダイオード
14115 出力コンデンサ
14116 出力負荷(モータ)
14117 コンパレータ(スイッチ制御回路の要部)
14119・14120 電圧検出回路の抵抗
14118 基準電圧信号発生回路
Claims (2)
- つぎの事項(1)〜(17)により特定される誘導電力分配システム。
(1)軌道と、一次導電路と、電源装置と、複数の電動車両を備え、各電動車両に誘導電力を分配してこれら車両を共通の軌道に沿って個別に走行させる誘導電力分配システムであること
(2)一次導電路は、軌道に沿って敷設されること
(3)電源装置は、一次導電路に所定周波数の交流電流を供給すること
(4)電動車両は、ピックアップと、整流平滑回路と、定電圧回路と、モータを含む負荷とを備えること
(5)ピックアップは、コアに巻かれたピックアップコイルと、ピックアップコイルに並列接続された同調コンデンサを含み、一次導電路から発生する交番磁界に結合可能であること
(6)ピックアップコイルのインダクタンスと同調コンデンサのキャパシタンスは、この並列回路が一次導電路から発生する交番磁界の周波数に共振するように選定されること
(7)整流平滑回路は、全波整流回路と、インダクタを含むこと
(8)全波整流回路は、ピックアップコイルに発生する交流を全波整流すること
(9)インダクタは、全波整流回路の出力電流路に介在して平滑した直流を出力させること
(10)定電圧回路は、ダイオードと、出力コンデンサと、電圧検出回路と、信号発生回路と、スイッチと、スイッチ制御回路を含むこと
(11)ダイオードと出力コンデンサは、整流平滑回路の出力端間に直列接続され、整流平滑回路の出力によって出力コンデンサが充電可能であること
(12)負荷は、出力コンデンサの両端から電力供給を受けて動作すること
(13)モータは、当該電動車両を軌道に沿って走行させること
(14)電圧検出回路は、出力コンデンサの電圧に対応した監視電圧信号を出力すること
(15)信号発生回路は、基準電圧信号を発生すること
(16)スイッチは、整流平滑回路の出力端間に接続されること
(17)スイッチ制御回路は、監視電圧信号と基準電圧信号とを比較するとともに、その比較結果に応じてスイッチをオンオフ切替動作させ、負荷の消費電力が小さいほどスイッチのオン割合を大きくさせて出力コンデンサの電圧を定電圧化すること - つぎの事項(21)〜(34)により特定される電動車両。
(21)ピックアップと、整流平滑回路と、定電圧回路と、モータを含む負荷とを備え、一次導電路付きの軌道に沿って走行する電動車両であること
(22)ピックアップは、コアに巻かれたピックアップコイルと、ピックアップコイルに並列接続された同調コンデンサを含み、一次導電路から発生する交番磁界に結合可能であること
(23)ピックアップコイルのインダクタンスと同調コンデンサのキャパシタンスは、この並列回路が一次導電路から発生する交番磁界の周波数に共振するように選定されること
(24)整流平滑回路は、全波整流回路と、インダクタを含むこと
(25)全波整流回路は、ピックアップコイルに発生する交流を全波整流すること
(26)インダクタは、全波整流回路の出力電流路に介在して平滑した直流を出力させること
(27)定電圧回路は、ダイオードと、出力コンデンサと、電圧検出回路と、信号発生回路と、スイッチと、スイッチ制御回路を含むこと
(28)ダイオードと出力コンデンサは、整流平滑回路の出力端間に直列接続され、整流平滑回路の出力によって出力コンデンサが充電可能であること
(29)負荷は、出力コンデンサの両端から電力供給を受けて動作すること
(30)モータは、当該電動車両を軌道に沿って走行させること
(31)電圧検出回路は、出力コンデンサの電圧に対応した監視電圧信号を出力すること
(32)信号発生回路は、基準電圧信号を発生すること
(33)スイッチは、整流平滑回路の出力端間に接続されること
(34)スイッチ制御回路は、監視電圧信号と基準電圧信号とを比較するとともに、その比較結果に応じてスイッチをオンオフ切替動作させ、負荷の消費電力が小さいほどスイッチのオン割合を大きくさせて出力コンデンサの電圧を定電圧化すること
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