非接触給電装置
【課題】三相給電が可能な非接触給電装置を提供する。
【解決手段】移動体の走行路に沿って平行に配置された三本の給電線２４〜２６と、給電線にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流を出力する三相交流電源１１と、三個のコアに巻回された三個のコイル３１〜３３とを備え、電磁誘導により一次側から二次側に給電する非接触給電装置であって、二次側コイル３１〜３３には、並列コンデンサＣPU、ＣPV、ＣPWが接続され、一次側の給電線２４〜２６は、三相交流電源１１の反対側で三本が短絡され、三相交流電源１１との間に直列コンデンサＣSU、ＣSV、ＣSWが挿入され、中央のＶ相給電線２５に挿入されるコンデンサＣSV２２の値が他のコンデンサＣSU、ＣSWより大きい値に設定されている。ＣSVの値を大きく設定して、各相間の一次側自己インダクタンスのアンバランスを補償しているため、安定した三相給電が可能である。
【解決手段】移動体の走行路に沿って平行に配置された三本の給電線２４〜２６と、給電線にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流を出力する三相交流電源１１と、三個のコアに巻回された三個のコイル３１〜３３とを備え、電磁誘導により一次側から二次側に給電する非接触給電装置であって、二次側コイル３１〜３３には、並列コンデンサＣPU、ＣPV、ＣPWが接続され、一次側の給電線２４〜２６は、三相交流電源１１の反対側で三本が短絡され、三相交流電源１１との間に直列コンデンサＣSU、ＣSV、ＣSWが挿入され、中央のＶ相給電線２５に挿入されるコンデンサＣSV２２の値が他のコンデンサＣSU、ＣSWより大きい値に設定されている。ＣSVの値を大きく設定して、各相間の一次側自己インダクタンスのアンバランスを補償しているため、安定した三相給電が可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走行路に沿って移動する移動体に非接触で電力を供給する非接触給電装置に関し、三相給電を可能にしたものである。
【背景技術】
【０００２】
移動体内の負荷に外部から給電する方式には、移動体の集電装置を給電線に接触させる接触給電方式と、給電線に非接触で給電する非接触給電方式とが存在する。非接触給電方式では、高周波電源に接続する給電線が一次側回路を構成し、移動体側に二次側回路を設けて、一次側回路から二次側回路に電磁誘導を利用して電力が供給される。非接触給電の場合、接触による摩擦粉や火花が発生せず、クリーンで安全であり、保守も容易である。そのため、半導体工場のクリーンルーム内の搬送車や、自動車工場内の搬送車などの給電用に実用化されている。
【０００３】
図１２は、従来の移動型非接触給電装置の一例を模式的に示している。
この装置は、移動体の移動経路に沿って配設された給電線６０と、商用電源６４よりも高い周波数の交流電力を生成して給電線６０に出力するインバータ６３と、一次側電源の力率を上げるために給電線に直列に挿入されたコンデンサ６２と、移動体側の受電部６１とを備えており、受電部６１は、フェライトコア６１１にリッツ線（絶縁被覆された細線を束ねた線）を巻回して構成された二次側巻線６１０を有している。なお、コンデンサ６２をインバータ６３の出力端子間に給電線に並列に挿入する方式も良く用いられる。
移動型非接触給電装置は、電磁誘導を利用し、数ｍｍから数ｃｍのギャップを隔てて数ｋＷ〜数百ｋＷの電力を給電することができる。
【０００４】
しかし、ギャップ長が大きいため、一次側回路と二次側回路との結合係数が低く、大きな漏れインダクタンスが生じる。その対策として、インバータ６３で電源周波数を１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚに設定して二次誘起電圧を上げ、また、一次側回路及び二次側回路にコンデンサを配置して漏れインダクタンスを補償している。図１２のコンデンサ６２は、一次側回路に配置された補償用のコンデンサである。
また、高周波電圧を受電する受電部６１では、コア６１１にフェライトを用い、表皮効果による巻線抵抗の増大を防ぐために、二次側巻線６１０をリッツ線で形成している。
【０００５】
漏れインダクタンスを補償するコンデンサの配置には、一次側に並列共振コンデンサを置き、二次側に直列共振コンデンサを置く方式（ＰＳ方式）や、一次側及び二次側に並列共振コンデンサを置く方式（ＰＰ方式）など、様々な方式が提案されている。
下記非特許文献１には、一次側に直列コンデンサを、二次側に並列コンデンサを配置するＳＰ方式が記載されている。ＳＰ方式では、両コンデンサの値を適切に選ぶと理想変圧器特性が成り立ち、この理想変圧器特性を利用して、次のような優れた性能を持つ非接触給電装置が得られる。
（１）電源の小型化が可能である（負荷に依らず電源出力の力率を１にできるため）。
（２）電源の効率向上が可能である（電源出力の電圧と電流が同位相になりゼロ電流スイッチングが可能なため）。
（３）コンデンサの値は負荷に依らず、トランス定数だけで決まる。
（４）電源を定電圧／定電流制御すれば負荷も定電圧／定電流になる。
（５）給電効率の向上が可能である（簡単な効率の理論式を用いて送受電トランスの最適設計や最大効率運転が可能となる）。
図１２は、ＳＰ方式の移動型非接触給電装置を模式的に示している（但し、二次側の並列コンデンサは不図示）。
【０００６】
現在実用化されている移動型非接触給電装置は、図１２に示すように、移動体に対して単相給電を実施しているが、単相交流を用いて給電するときの有効電力は、三相交流で給電するときの有効電力に比べて少ない。三相給電の場合、単相給電の√３倍の有効電力を供給することが可能である。
この利点に着目して、移動型非接触給電装置の三相給電化を図るアイデアが、これ迄にも幾つか提案されている。
【０００７】
図１３、図１４は、下記特許文献１に記載された非接触給電装置の回路図と、給電線及び受電部の斜視図を示している。
この装置は、図１３に示すように、高周波電源１００が、三相インバータ１１０Ｍと、同調フィルタ１２０Ｍとを備え、移動体３００が、受電部３１０ａと、受電部３１０ａで受電した三相交流を全波整流して負荷Ｒに供給する整流回路とを備えている。この装置では、ＰＳ方式のコンデンサ配置を採用しており、高周波電源１００の同調フィルタ１２０Ｍに並列共振コンデンサＣ２が配置され、また、移動体３００の受電部３１０ａに直列共振コンデンサＣ４が配置されている。
図１４に示すように、三相インバータのＵ端子に接続する給電線２００Ｌ１、Ｖ端子に接続する給電線２００Ｌ２、及び、Ｗ端子に接続する給電線２００Ｌ３から成る３系統の給電線は、受電部３１０ａの移動経路上の所定地点で共通接続されており、この共通接続点が三相の中性点を構成している。また、各給電線２００Ｌ１、２００Ｌ２、２００Ｌ３を通じてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電圧を取得する受電部３１０ａは、三本の給電線２００Ｌ１、２００Ｌ２、２００Ｌ３を個別に囲む収容室が一体成形されたフェライトコアと、このコアの各収容室に巻回された巻線とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３２０３４７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】藤田・金子・阿部：「直列および並列共振コンデンサを用いた非接触給電システム」，電学論 D，Vol.127，No.2 pp.174-180 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、移動型の非接触給電装置に三相給電を適用する場合は、単相給電では起こり得ない次の問題点がある。
（１）実用上、三本の給電線は、等間隔で平面上に置かれるため、各相の一次自己インダクタンスがバランスしない。即ち、給電線のＷＵ間の間隔がＵＶ間、ＶＷ間の２倍あり、ＷＵ間の自己インダクタンスが他に比べて大きくなる。
（２）各相の受電部間に磁気結合が生じる。図１４に示すようなコアを用いた場合は、各相間の磁気結合が避けられない。
これらの問題を解決しなければ、三相のバランスが崩れ、移動体に対し大電力を安定して給電することができない。
【００１１】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、安定した三相給電が可能な非接触給電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、移動体の走行路に沿って略同一平面上に互に平行に配置されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三本の給電線と、給電線のそれぞれにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流を出力する三相交流電源と、移動体に設けた三個のコアのそれぞれに巻回されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三個のコイル（巻線）と、を備え、三本の給電線を一次側とし、三個のコイルを二次側として、電磁誘導により一次側から二次側に給電する非接触給電装置であって、二次側のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルには、それぞれ並列コンデンサＣPU、ＣPV、ＣPWが接続され、一次側の三本の給電線は、一方で三相交流電源に接続され、その三相交流電源と反対側の他方で三本が短絡され、三相交流電源と三本の給電線との間には、各相に直列コンデンサＣSU、ＣSV、ＣSWが挿入され、三本の給電線の中で中央にあるＶ相給電線と三相交流電源との間に挿入されるコンデンサＣSVの値が、他のコンデンサＣSU、ＣSWの値より大きい値に設定されていることを特徴とする。
この非接触給電装置は、ＳＰ方式のコンデンサ配置を採用し、Ｖ相給電線に挿入する直列コンデンサＣSVの値を大きく設定して、各相間の一次側自己インダクタンスのアンバランスを補償している。
【００１３】
また、本発明の非接触給電装置では、三個のコアのそれぞれの位置を、給電線が延びる給電線延伸方向にずらし、給電線延伸方向の座標上で各コアの存在する範囲が相互に重ならないように配置している。
こうすることで、三個のコアに巻回されたコイル間の磁気的結合（従って、三個のコイル間の相互インダクタンス）が十分小さくなる。
【００１４】
また、本発明の非接触給電装置では、三個のコアのそれぞれの外周に電磁遮蔽のための導体板を配置し、この導体板の給電線延伸方向における長さを、コアの同方向の長さより長くするようにしても良い。
こうすることで、三個のコイル間の相互インダクタンスが十分小さくなる。
【００１５】
また、本発明の非接触給電装置では、導体板を配置する場合に、コアと、当該コアを囲む導体板の内面との間に電気絶縁体を介在させることが望ましい。
コアを流れる交流磁界によって導体板の表面に渦電流が生じるが、電気絶縁体を介在させて、コアと導体板との距離を取ることにより、導体板に発生する渦電流を減らすことができる。
【００１６】
また、本発明の非接触給電装置では、導体板を配置する場合に、三個のコアのそれぞれの外周に配置した導体板を、互いに電気的に絶縁することが望ましい。
各導体板が電気接続していると、一つの導体板に生じた渦電流が他の導体板に流れ、他の導体板に囲まれた二次コイルに誘導電圧を生じさせる可能性があるが、導体板を相互に絶縁することで、そうした事態が防止できる。
【００１７】
また、本発明の非接触給電装置では、前記並列コンデンサＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を次のように設定する。
即ち、二次側のコイルの自己インダクタンスをＬ2i（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）とし、三相交流電源の周波数をｆ0（角周波数ω0＝２πf0）とするとき、
１／（ω0ＣPi）＝ω0Ｌ2i （数１）
を満たすように設定する。
こうすることで、二次側の受電回路が三相交流電源の周波数に共振し、給電効率が向上する。
【００１８】
また、本発明の非接触給電装置では、前記直列コンデンサＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を次のように設定する。
即ち、二次側コイルの各々に並列コンデンサＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）と同じ値の負荷抵抗ＲLを接続した時、三相交流電源のＵＶ出力、ＶＷ出力、ＷＵ出力から見た直列コンデンサＣSi、二次側コイル、並列コンデンサＣPi及び負荷抵抗ＲL側のインピーダンスが、リアクタンス分を含まずに純抵抗になるように設定する。
こうすることで、各相間の一次側自己インダクタンスのアンバランスが補償され、一次側回路の力率が改善して、二次側回路への給電効率が向上する。
【００１９】
また、本発明の非接触給電装置では、前記直列コンデンサＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を次のように設定しても良い。
即ち、二つの直列コンデンサＣSi、ＣSj（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｊ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｉ≠ｊ）及び二本の給電線を含む三相交流電源のＵＶ間、ＶＷ間またはＷＵ間の回路での二つの直列コンデンサＣSi、ＣSjの合成容量をＣSij、一方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1i、他方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1j、一方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭi、他方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭj、二次側の各コイルの巻数をｎ、一方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2i、他方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2jとするとき、
【数２】
からＣSijを求め、
【数３】
の連立方程式を解いて、ＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を設定する。
こうして求めたＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を用いることで、各相間の一次側自己インダクタンスのアンバランスが補償され、一次側回路の力率が改善して、二次側回路への給電効率が向上する。
なお、給電線が長くなると（数２）の右辺の第二項の値が大きくなり、第一項を省略しても左辺の値がほぼ同じ値になる。このような場合は（数２）を（数５）で近似して用いても良い。
【数５】
【００２０】
また、本発明の非接触給電装置では、二次側の各コイルのＵ相、Ｖ相、Ｗ相出力をＹ結線し、さらに三相整流器で直流に整流して出力するようにしても良い。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の非接触給電装置は、安定した三相給電が可能であり、移動体に対し、電力変動が少ない大電力を非接触で供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る非接触給電装置を示す図
【図２】図１の三相インバータの出力電圧を示す図
【図３】図１の装置の給電線及び受電部の回路構成を示す図
【図４】図１の装置で受電部に三相整流器を接続した回路構成を示す図
【図５】図１の装置におけるＵＶ間の等価回路を示す図
【図６】実験で用いた直列コンデンサ及び並列コンデンサの値を示す図
【図７】実験結果（電流・電圧波形）を示す図
【図８】実験結果（実効値及び力率）を示す図
【図９】実験結果（給電効率）を示す図
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る非接触給電装置及び受電部を示す図
【図１１】図１０の受電部の平面図及び側面図
【図１２】従来の非接触給電装置を示す図
【図１３】従来の三相給電を行う非接触給電装置の回路図
【図１４】図１３の装置の斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る非接触給電装置を模式的に示し、図３は、その回路構成を示している。
この装置は、商用電源１０と、商用交流から高周波の三相交流を生成してＵ、Ｖ、Ｗ端子から出力する三相インバータ１１と、移動体の移動経路に沿って同一平面上に平行に配設された三本の給電線２４、２５、２６と、三相インバータ１１及び三本の給電線２４、２５、２６間に挿入された直列コンデンサ２１、２２、２３と、移動体に設けられた移動体受電部３０とを備えている。
【００２４】
給電線２４には、直列コンデンサ２１を介して接続する三相インバータ１１のＵ端子からＵ相の三相交流が出力される。
給電線２５には、直列コンデンサ２２を介して接続する三相インバータ１１のＶ端子からＶ相の三相交流が出力される。
また、給電線２６には、直列コンデンサ２３を介して接続する三相インバータ１１のＷ端子からＷ相の三相交流が出力される。
三本の給電線２４、２５、２６は、三相インバータ１１と反対の側で短絡されており、短絡箇所のＮは中性点を表している。
図２には、三相インバータ１１から出力される線間電圧（ＵＶ間、ＶＷ間、ＷＵ間電圧）の時間変化を示している。
【００２５】
また、移動体受電部３０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する三個の受電部３１、３２、３３から成り、各受電部３１、３２、３３は、給電線２４、２５、２６を跨ぐように成形された断面コ字状のフェライトコア３１１、３２１、３３１と、このフェライトコアにリッツ線を巻回して形成された二次側コイル３１２、３２２、３３２と、二次側コイル３１２、３２２、３３２のそれぞれに並列に接続された並列コンデンサ３１３、３２３、３３３とを備えている（図３）。三個の受電部３１、３２、３３は、Ｙ結線されている。
【００２６】
このように、この非接触給電装置は、一次側の給電線２４、２５、２６に直列コンデンサ２１、２２、２３を挿入し、二次側のコイル３１２、３２２、３３２に並列コンデンサ３１３、３２３、３３３を接続しており、ＳＰ方式（一次直列二次並列コンデンサ方式）を採用している。
図３において、各受電部３１、３２、３３に接続する抵抗３１４、３２４、３３４は、移動体の負荷を等価抵抗ＲLiで表している（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）。
なお、Ｙ結線した三個の受電部３１、３２、３３に、図４に示すように、三相整流器を接続し、三相整流器で整流された直流を移動体の負荷に出力するようにしても良い。
【００２７】
三個の受電部３１、３２、３３は、図１に示すように、給電線２４、２５、２６の延伸方向（給電線延伸方向）にずらし、給電線延伸方向の座標上で各受電部３１、３２、３３のフェライトコア３１１、３２１、３３１の存在する範囲が相互に重ならないように配置している。
このように各受電部３１、３２、３３を物理的にずらして配置することにより、二次側コイル３１２、３２２、３３２の間の磁気的結合が十分小さくなり（各コイル間の相互インダクタンスが十分小さくなり）、「発明が解決しようとする課題」で示した（２）の問題点が解決できる。
【００２８】
次に、ＳＰ方式で配置した直列コンデンサ２１、２２、２３及び並列コンデンサ３１３、３２３、３３３の値の決め方について説明する。この決め方により、「発明が解決しようとする課題」で示した（１）の問題点が解決できる。
ここでは、直列コンデンサ２１、２２、２３をＣSU、ＣSV、ＣSWとし、それらを纏めてＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）で表す。また、並列コンデンサ３１３、３２３、３３３をＣPU、ＣPV、ＣPWとし、それらを纏めてＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）で表す。
ＣSi、ＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を決めるために、三相非接触給電回路を、まずＵＶ間、ＶＷ間、ＷＵ間の３つの単相給電回路に分け、それぞれを三相電圧源で駆動するものとする。
【００２９】
図５は、図３の回路図におけるＵＶ間の詳細等価回路を示している。
各相の受電部間に磁気結合が無ければ、ＣPiは各相で独立に決めることができる。
ＳＰ方式では、並列コンデンサＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を、二次側コイル３１２、３２２、３３２の自己インダクタンスと共振するように設定する。従って、二次側コイル３１２、３２２、３３２の自己インダクタンスをＬ2i（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）とし、三相インバータ１１の周波数をｆ0（角周波数ω0＝２πｆ0）とするとき、ＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）は、次式（数１）から求めることができる。
１／（ω0ＣPi）＝ω0Ｌ2i （数１）
【００３０】
次に、一次側の直列コンデンサの値を決めるため、図５おいて、一次側直列コンデンサのＣSUとＣSVとの合成容量ＣSUVの値を、二次側コイルの各々に並列コンデンサＣPU、ＣPVと同じ値の負荷抵抗ＲLU、ＲLVを接続した時に、電源から見たインピーダンスＺが純抵抗になるように設定する。
図５の等価回路で電源から見たインピーダンスＺが純抵抗になるとき、インピーダンスＺのｊを含む項が０になる。その関係から次式（数２）が得られ、この（数２）を用いて合成容量ＣSUVの値を求めることができる。
【数２】
なお、（数２）では、二つの直列コンデンサＣSi、ＣSj（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｊ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｉ≠ｊ）の合成容量をＣSij、一方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1i、他方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1j、一方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭi、他方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭj、二次側の各コイルの巻数をｎ、一方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2i、他方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2jとしている。
同様にＶＷ間、ＷＵ間の回路を考えることにより、合成容量ＣSij（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｊ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｉ≠ｊ）の値が決まる。
【００３１】
次いで、３つのＣSUV、ＣSVW、ＣSWUの式から次式（数３）を用いて連立方程式を解くことにより、ＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を求めることができる。
【数３】
【００３２】
これらの手順で非接触給電装置の直列コンデンサ２１、２２、２３及び並列コンデンサ３１３、３２３、３３３の値を設定することにより、安定的な三相給電が可能になる。それを実験で確かめた。
この実験は、図１及び図３の装置において、三相インバータ１１の出力周波数を２０ｋＨｚとし、給電線２４、２５、２６に、長さ３．９ｍのリッツ線（φ０．２５ｍｍ×２４×１６）を用い、受電部３１、３２、３３には、断面コ字状のフェライトコア（Ｈ３８×Ｗ４０×Ｌ８０ｍｍ）にリッツ線（φ０．２５ｍｍ×２４×２）を６ターン巻いたものを用いて行った。負荷抵抗は、２０Ωあるいは５０Ωとした。
【００３３】
並列コンデンサ３１３、３２３、３３３の値は、ＬＣＲメータで二次コイルの自己インダクタンスを測定し、（数１）により決定した。また、直列コンデンサ２１、２２、２３の値は、実験装置で図５のインピーダンスＺ’を直接測定し、Ｚが純抵抗になる（電源力率が1となる）合成容量を求めた後、（数３）を用いて決定した。並列コンデンサ３１３、３２３、３３３及び直列コンデンサ２１、２２、２３の決定値を図６に示している。なお、図６のカッコ内の値は、ＬＣＲメータで測定した図５のトランス定数から（数１）（数２）（数３）を用いて計算した並列コンデンサ及び直列コンデンサの計算値を示している。
【００３４】
図７は、並列コンデンサ３１３、３２３、３３３及び直列コンデンサ２１、２２、２３の値を図６に示した決定値に設定して、三相給電を行ったときのＵＶ間、ＶＷ間及びＷＵ間の三相インバータ１１の出力電圧（ＶUV、ＶVW、ＶWU）、一次側相電流（ＩU1、ＩV1、ＩW1）、及び、二次側相電圧（ＶU2、ＶV2、ＶW2）を示している。
また、図８は、一次側の各相（Ｕ1、Ｖ1、Ｗ1）及び二次側の各相（Ｕ2、Ｖ2、Ｗ2）における相電圧の実効値（Ｖ）、相電流の実効値（Ｉ）、及び、力率（ｐｆ）を示している。
【００３５】
図６から、三本の給電線の中で中央にあるＶ相給電線に挿入されたコンデンサＣSVの値が、ＣSU、ＣSWの値より大きいことが分かる。コンデンサＣSVの値がＣSU、ＣSWに比べて大きいことにより、給電線のＷＵ間の間隔がＵＶ間及びＶＷ間の間隔より広いために生じている各相の自己インダクタンスのアンバランスが補償されている。
また、図７から、一次側相電流と二次側相電圧との位相が一致していることが分かり、図７及び図８から、各相間のバランスが取れた三相給電を確認できる。図８から、各相の力率が略１であることが分かる。二次側の力率は、負荷抵抗のインダクタンス分のために多少低下している。一次側の力率は、一次側直列コンデンサＣS1の値を調整することにより、さらに改善できる。
【００３６】
また、図９は、給電効率ηと負荷抵抗ＲLとの関係を示している。ここで、点線で示す給電効率ηは、次式（数４）により求めた理論値である。
【数４】
黒点で示す実験値の一つは給電効率ηが８２．１％と狙い通り最大効率に近く、ＲL＝２１．４Ωのときに得られている。
この実験により、本発明方式を用いれば理論通りの特性が得られることが確認できた。
【００３７】
このように、ＳＰ方式を採る非接触給電装置では、平面上に配置する三本の給電線に挿入する直列コンデンサＣSiの中で、中央のＶ相給電線に挿入するコンデンサＣSVの値を他のコンデンサＣSU、ＣSWよりも大きい値に設定することにより、一次側の各相のバランスを取ることができる。そして、二次側の各相の受電部を、相互間の磁気結合が生じないように配置し、各受電部に設ける並列コンデンサＣPiを二次側コイルと共振するように設定することで、移動体への安定した三相給電が可能になる。
なお、一次側である給電線はＵ相、Ｖ相、Ｗ相とも１本、即ち、１ターンとして説明してきたが、各相をｎ1ターン（ｎ1＞１）とすることも可能である。この場合は、一次と二次の巻数比ａをａ＝ｎ1／ｎとし、図５の等価回路の定数を修正し、（数２）でｎを（ｎ／ｎ1）に変更するだけで良い。
【００３８】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる構造の移動体受電部について説明する。
図１０（ａ）は、この移動体受電部４０と三本の給電線２４、２５、２６とを備える非接触給電装置を模式的に示している。図１０（ｂ）は、移動体受電部４０を拡大して示す斜視図である。また、図１１（ａ）は、移動体受電部４０の平面図であり、図１１（ｂ）は、縦方向（給電線延伸方向）から見た側面図であり、図１１（ｃ）は、横方向から見た側面図である。
この移動体受電部４０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する三個の受電部４１、４２、４３から成り、各受電部４１、４２、４３は、給電線延伸方向と直交する方向に一列に整列している。
【００３９】
各受電部４１、４２、４３の構造は同一である。そのため、受電部４２の構造について詳しく説明する。
図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、受電部４２は、給電線２５を跨ぐように成形された断面コ字状のフェライトコア４２１と、このフェライトコアの壁にリッツ線を巻回して形成された二次側コイル４２２と、電磁遮蔽用の導体板４２３とを有している。
導体板４２３は、フェライトコア４２１と同様に断面形状が略コ字状であり、二次側コイル４２２が巻回されたフェライトコア４２１の外周を囲む大きさを有している。給電線延伸方向の導体板４２３の長さＡは、フェライトコア４２１の長さＢよりも長く、フェライトコア４２１の給電線延伸方向の各端部は、導体板４２３の対応する端部から等距離だけ引っ込んでいる。また、図１１（ｂ）に示すように、フェライトコア４２１の下方の端部も導体板４２３により覆われている。
【００４０】
導体板４２３は、フェライトコア４２１に直接接触しておらず、導体板４２３とフェライトコア４２１との間には、電気絶縁体が介在している。
また、導体板４２３は、隣接する受電部４１、４３の導体板にも直接接触しておらず、各相の受電部４１、４２、４３の導体板は、相互に電気的に絶縁されている。
フェライトコア４２１に交流磁界が流れると、導体板４２３表面に渦電流が発生するが、この受電部４２では、電気絶縁体を介在させて導体板４２３とフェライトコア４２１との距離を離し、導体板４２３表面に発生する渦電流を減らしている。また、導体板４２３に発生した渦電流は、この導体板４２３と絶縁されている他の受電部４１、４３の導体板には流れない。
そのため、この導体板の存在により、各相の受電部４１、４２、４３間の磁気結合が防止できる。
この移動体受電部４０は、第１の実施形態の移動体受電部３０に比べて小型に構成することができ、移動体への取り付けが容易である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の非接触給電装置は、移動体への安定した三相給電が可能であり、半導体工場内の搬送車や、自動車工場内の搬送車など、各種分野の移動体への給電に利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 商用電源
１１ 三相インバータ
２１ 直列コンデンサ
２２ 直列コンデンサ
２３ 直列コンデンサ
２４ 給電線
２５ 給電線
２６ 給電線
３０ 移動体受電部
３１ 受電部
３２ 受電部
３３ 受電部
４０ 移動体受電部
４１ 受電部
４２ 受電部
４３ 受電部
６０ 給電線
６１ 受電部
６２ コンデンサ
６３ インバータ
６４ 商用電源
１００ 高周波電源
１１０ 三相インバータ
１２０ 同調フィルタ
２００ 給電線
３００ 移動体
３１０ 受電部
３１１ フェライトコア
３１２ 二次側コイル
３１３ 並列コンデンサ
３１４ 抵抗
３２１ フェライトコア
３２２ 二次側コイル
３２３ 並列コンデンサ
３２４ 抵抗
３３１ フェライトコア
３３２ 二次側コイル
３３３ 並列コンデンサ
３３４ 抵抗
４２１ フェライトコア
４２２ 二次側コイル
４２３ 導体板
６１０ 二次側巻線
６１１ フェライトコア
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走行路に沿って移動する移動体に非接触で電力を供給する非接触給電装置に関し、三相給電を可能にしたものである。
【背景技術】
【０００２】
移動体内の負荷に外部から給電する方式には、移動体の集電装置を給電線に接触させる接触給電方式と、給電線に非接触で給電する非接触給電方式とが存在する。非接触給電方式では、高周波電源に接続する給電線が一次側回路を構成し、移動体側に二次側回路を設けて、一次側回路から二次側回路に電磁誘導を利用して電力が供給される。非接触給電の場合、接触による摩擦粉や火花が発生せず、クリーンで安全であり、保守も容易である。そのため、半導体工場のクリーンルーム内の搬送車や、自動車工場内の搬送車などの給電用に実用化されている。
【０００３】
図１２は、従来の移動型非接触給電装置の一例を模式的に示している。
この装置は、移動体の移動経路に沿って配設された給電線６０と、商用電源６４よりも高い周波数の交流電力を生成して給電線６０に出力するインバータ６３と、一次側電源の力率を上げるために給電線に直列に挿入されたコンデンサ６２と、移動体側の受電部６１とを備えており、受電部６１は、フェライトコア６１１にリッツ線（絶縁被覆された細線を束ねた線）を巻回して構成された二次側巻線６１０を有している。なお、コンデンサ６２をインバータ６３の出力端子間に給電線に並列に挿入する方式も良く用いられる。
移動型非接触給電装置は、電磁誘導を利用し、数ｍｍから数ｃｍのギャップを隔てて数ｋＷ〜数百ｋＷの電力を給電することができる。
【０００４】
しかし、ギャップ長が大きいため、一次側回路と二次側回路との結合係数が低く、大きな漏れインダクタンスが生じる。その対策として、インバータ６３で電源周波数を１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚに設定して二次誘起電圧を上げ、また、一次側回路及び二次側回路にコンデンサを配置して漏れインダクタンスを補償している。図１２のコンデンサ６２は、一次側回路に配置された補償用のコンデンサである。
また、高周波電圧を受電する受電部６１では、コア６１１にフェライトを用い、表皮効果による巻線抵抗の増大を防ぐために、二次側巻線６１０をリッツ線で形成している。
【０００５】
漏れインダクタンスを補償するコンデンサの配置には、一次側に並列共振コンデンサを置き、二次側に直列共振コンデンサを置く方式（ＰＳ方式）や、一次側及び二次側に並列共振コンデンサを置く方式（ＰＰ方式）など、様々な方式が提案されている。
下記非特許文献１には、一次側に直列コンデンサを、二次側に並列コンデンサを配置するＳＰ方式が記載されている。ＳＰ方式では、両コンデンサの値を適切に選ぶと理想変圧器特性が成り立ち、この理想変圧器特性を利用して、次のような優れた性能を持つ非接触給電装置が得られる。
（１）電源の小型化が可能である（負荷に依らず電源出力の力率を１にできるため）。
（２）電源の効率向上が可能である（電源出力の電圧と電流が同位相になりゼロ電流スイッチングが可能なため）。
（３）コンデンサの値は負荷に依らず、トランス定数だけで決まる。
（４）電源を定電圧／定電流制御すれば負荷も定電圧／定電流になる。
（５）給電効率の向上が可能である（簡単な効率の理論式を用いて送受電トランスの最適設計や最大効率運転が可能となる）。
図１２は、ＳＰ方式の移動型非接触給電装置を模式的に示している（但し、二次側の並列コンデンサは不図示）。
【０００６】
現在実用化されている移動型非接触給電装置は、図１２に示すように、移動体に対して単相給電を実施しているが、単相交流を用いて給電するときの有効電力は、三相交流で給電するときの有効電力に比べて少ない。三相給電の場合、単相給電の√３倍の有効電力を供給することが可能である。
この利点に着目して、移動型非接触給電装置の三相給電化を図るアイデアが、これ迄にも幾つか提案されている。
【０００７】
図１３、図１４は、下記特許文献１に記載された非接触給電装置の回路図と、給電線及び受電部の斜視図を示している。
この装置は、図１３に示すように、高周波電源１００が、三相インバータ１１０Ｍと、同調フィルタ１２０Ｍとを備え、移動体３００が、受電部３１０ａと、受電部３１０ａで受電した三相交流を全波整流して負荷Ｒに供給する整流回路とを備えている。この装置では、ＰＳ方式のコンデンサ配置を採用しており、高周波電源１００の同調フィルタ１２０Ｍに並列共振コンデンサＣ２が配置され、また、移動体３００の受電部３１０ａに直列共振コンデンサＣ４が配置されている。
図１４に示すように、三相インバータのＵ端子に接続する給電線２００Ｌ１、Ｖ端子に接続する給電線２００Ｌ２、及び、Ｗ端子に接続する給電線２００Ｌ３から成る３系統の給電線は、受電部３１０ａの移動経路上の所定地点で共通接続されており、この共通接続点が三相の中性点を構成している。また、各給電線２００Ｌ１、２００Ｌ２、２００Ｌ３を通じてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電圧を取得する受電部３１０ａは、三本の給電線２００Ｌ１、２００Ｌ２、２００Ｌ３を個別に囲む収容室が一体成形されたフェライトコアと、このコアの各収容室に巻回された巻線とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３２０３４７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】藤田・金子・阿部：「直列および並列共振コンデンサを用いた非接触給電システム」，電学論 D，Vol.127，No.2 pp.174-180 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、移動型の非接触給電装置に三相給電を適用する場合は、単相給電では起こり得ない次の問題点がある。
（１）実用上、三本の給電線は、等間隔で平面上に置かれるため、各相の一次自己インダクタンスがバランスしない。即ち、給電線のＷＵ間の間隔がＵＶ間、ＶＷ間の２倍あり、ＷＵ間の自己インダクタンスが他に比べて大きくなる。
（２）各相の受電部間に磁気結合が生じる。図１４に示すようなコアを用いた場合は、各相間の磁気結合が避けられない。
これらの問題を解決しなければ、三相のバランスが崩れ、移動体に対し大電力を安定して給電することができない。
【００１１】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、安定した三相給電が可能な非接触給電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、移動体の走行路に沿って略同一平面上に互に平行に配置されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三本の給電線と、給電線のそれぞれにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流を出力する三相交流電源と、移動体に設けた三個のコアのそれぞれに巻回されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三個のコイル（巻線）と、を備え、三本の給電線を一次側とし、三個のコイルを二次側として、電磁誘導により一次側から二次側に給電する非接触給電装置であって、二次側のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルには、それぞれ並列コンデンサＣPU、ＣPV、ＣPWが接続され、一次側の三本の給電線は、一方で三相交流電源に接続され、その三相交流電源と反対側の他方で三本が短絡され、三相交流電源と三本の給電線との間には、各相に直列コンデンサＣSU、ＣSV、ＣSWが挿入され、三本の給電線の中で中央にあるＶ相給電線と三相交流電源との間に挿入されるコンデンサＣSVの値が、他のコンデンサＣSU、ＣSWの値より大きい値に設定されていることを特徴とする。
この非接触給電装置は、ＳＰ方式のコンデンサ配置を採用し、Ｖ相給電線に挿入する直列コンデンサＣSVの値を大きく設定して、各相間の一次側自己インダクタンスのアンバランスを補償している。
【００１３】
また、本発明の非接触給電装置では、三個のコアのそれぞれの位置を、給電線が延びる給電線延伸方向にずらし、給電線延伸方向の座標上で各コアの存在する範囲が相互に重ならないように配置している。
こうすることで、三個のコアに巻回されたコイル間の磁気的結合（従って、三個のコイル間の相互インダクタンス）が十分小さくなる。
【００１４】
また、本発明の非接触給電装置では、三個のコアのそれぞれの外周に電磁遮蔽のための導体板を配置し、この導体板の給電線延伸方向における長さを、コアの同方向の長さより長くするようにしても良い。
こうすることで、三個のコイル間の相互インダクタンスが十分小さくなる。
【００１５】
また、本発明の非接触給電装置では、導体板を配置する場合に、コアと、当該コアを囲む導体板の内面との間に電気絶縁体を介在させることが望ましい。
コアを流れる交流磁界によって導体板の表面に渦電流が生じるが、電気絶縁体を介在させて、コアと導体板との距離を取ることにより、導体板に発生する渦電流を減らすことができる。
【００１６】
また、本発明の非接触給電装置では、導体板を配置する場合に、三個のコアのそれぞれの外周に配置した導体板を、互いに電気的に絶縁することが望ましい。
各導体板が電気接続していると、一つの導体板に生じた渦電流が他の導体板に流れ、他の導体板に囲まれた二次コイルに誘導電圧を生じさせる可能性があるが、導体板を相互に絶縁することで、そうした事態が防止できる。
【００１７】
また、本発明の非接触給電装置では、前記並列コンデンサＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を次のように設定する。
即ち、二次側のコイルの自己インダクタンスをＬ2i（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）とし、三相交流電源の周波数をｆ0（角周波数ω0＝２πf0）とするとき、
１／（ω0ＣPi）＝ω0Ｌ2i （数１）
を満たすように設定する。
こうすることで、二次側の受電回路が三相交流電源の周波数に共振し、給電効率が向上する。
【００１８】
また、本発明の非接触給電装置では、前記直列コンデンサＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を次のように設定する。
即ち、二次側コイルの各々に並列コンデンサＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）と同じ値の負荷抵抗ＲLを接続した時、三相交流電源のＵＶ出力、ＶＷ出力、ＷＵ出力から見た直列コンデンサＣSi、二次側コイル、並列コンデンサＣPi及び負荷抵抗ＲL側のインピーダンスが、リアクタンス分を含まずに純抵抗になるように設定する。
こうすることで、各相間の一次側自己インダクタンスのアンバランスが補償され、一次側回路の力率が改善して、二次側回路への給電効率が向上する。
【００１９】
また、本発明の非接触給電装置では、前記直列コンデンサＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を次のように設定しても良い。
即ち、二つの直列コンデンサＣSi、ＣSj（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｊ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｉ≠ｊ）及び二本の給電線を含む三相交流電源のＵＶ間、ＶＷ間またはＷＵ間の回路での二つの直列コンデンサＣSi、ＣSjの合成容量をＣSij、一方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1i、他方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1j、一方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭi、他方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭj、二次側の各コイルの巻数をｎ、一方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2i、他方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2jとするとき、
【数２】
からＣSijを求め、
【数３】
の連立方程式を解いて、ＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を設定する。
こうして求めたＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を用いることで、各相間の一次側自己インダクタンスのアンバランスが補償され、一次側回路の力率が改善して、二次側回路への給電効率が向上する。
なお、給電線が長くなると（数２）の右辺の第二項の値が大きくなり、第一項を省略しても左辺の値がほぼ同じ値になる。このような場合は（数２）を（数５）で近似して用いても良い。
【数５】
【００２０】
また、本発明の非接触給電装置では、二次側の各コイルのＵ相、Ｖ相、Ｗ相出力をＹ結線し、さらに三相整流器で直流に整流して出力するようにしても良い。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の非接触給電装置は、安定した三相給電が可能であり、移動体に対し、電力変動が少ない大電力を非接触で供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る非接触給電装置を示す図
【図２】図１の三相インバータの出力電圧を示す図
【図３】図１の装置の給電線及び受電部の回路構成を示す図
【図４】図１の装置で受電部に三相整流器を接続した回路構成を示す図
【図５】図１の装置におけるＵＶ間の等価回路を示す図
【図６】実験で用いた直列コンデンサ及び並列コンデンサの値を示す図
【図７】実験結果（電流・電圧波形）を示す図
【図８】実験結果（実効値及び力率）を示す図
【図９】実験結果（給電効率）を示す図
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る非接触給電装置及び受電部を示す図
【図１１】図１０の受電部の平面図及び側面図
【図１２】従来の非接触給電装置を示す図
【図１３】従来の三相給電を行う非接触給電装置の回路図
【図１４】図１３の装置の斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る非接触給電装置を模式的に示し、図３は、その回路構成を示している。
この装置は、商用電源１０と、商用交流から高周波の三相交流を生成してＵ、Ｖ、Ｗ端子から出力する三相インバータ１１と、移動体の移動経路に沿って同一平面上に平行に配設された三本の給電線２４、２５、２６と、三相インバータ１１及び三本の給電線２４、２５、２６間に挿入された直列コンデンサ２１、２２、２３と、移動体に設けられた移動体受電部３０とを備えている。
【００２４】
給電線２４には、直列コンデンサ２１を介して接続する三相インバータ１１のＵ端子からＵ相の三相交流が出力される。
給電線２５には、直列コンデンサ２２を介して接続する三相インバータ１１のＶ端子からＶ相の三相交流が出力される。
また、給電線２６には、直列コンデンサ２３を介して接続する三相インバータ１１のＷ端子からＷ相の三相交流が出力される。
三本の給電線２４、２５、２６は、三相インバータ１１と反対の側で短絡されており、短絡箇所のＮは中性点を表している。
図２には、三相インバータ１１から出力される線間電圧（ＵＶ間、ＶＷ間、ＷＵ間電圧）の時間変化を示している。
【００２５】
また、移動体受電部３０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する三個の受電部３１、３２、３３から成り、各受電部３１、３２、３３は、給電線２４、２５、２６を跨ぐように成形された断面コ字状のフェライトコア３１１、３２１、３３１と、このフェライトコアにリッツ線を巻回して形成された二次側コイル３１２、３２２、３３２と、二次側コイル３１２、３２２、３３２のそれぞれに並列に接続された並列コンデンサ３１３、３２３、３３３とを備えている（図３）。三個の受電部３１、３２、３３は、Ｙ結線されている。
【００２６】
このように、この非接触給電装置は、一次側の給電線２４、２５、２６に直列コンデンサ２１、２２、２３を挿入し、二次側のコイル３１２、３２２、３３２に並列コンデンサ３１３、３２３、３３３を接続しており、ＳＰ方式（一次直列二次並列コンデンサ方式）を採用している。
図３において、各受電部３１、３２、３３に接続する抵抗３１４、３２４、３３４は、移動体の負荷を等価抵抗ＲLiで表している（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）。
なお、Ｙ結線した三個の受電部３１、３２、３３に、図４に示すように、三相整流器を接続し、三相整流器で整流された直流を移動体の負荷に出力するようにしても良い。
【００２７】
三個の受電部３１、３２、３３は、図１に示すように、給電線２４、２５、２６の延伸方向（給電線延伸方向）にずらし、給電線延伸方向の座標上で各受電部３１、３２、３３のフェライトコア３１１、３２１、３３１の存在する範囲が相互に重ならないように配置している。
このように各受電部３１、３２、３３を物理的にずらして配置することにより、二次側コイル３１２、３２２、３３２の間の磁気的結合が十分小さくなり（各コイル間の相互インダクタンスが十分小さくなり）、「発明が解決しようとする課題」で示した（２）の問題点が解決できる。
【００２８】
次に、ＳＰ方式で配置した直列コンデンサ２１、２２、２３及び並列コンデンサ３１３、３２３、３３３の値の決め方について説明する。この決め方により、「発明が解決しようとする課題」で示した（１）の問題点が解決できる。
ここでは、直列コンデンサ２１、２２、２３をＣSU、ＣSV、ＣSWとし、それらを纏めてＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）で表す。また、並列コンデンサ３１３、３２３、３３３をＣPU、ＣPV、ＣPWとし、それらを纏めてＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）で表す。
ＣSi、ＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を決めるために、三相非接触給電回路を、まずＵＶ間、ＶＷ間、ＷＵ間の３つの単相給電回路に分け、それぞれを三相電圧源で駆動するものとする。
【００２９】
図５は、図３の回路図におけるＵＶ間の詳細等価回路を示している。
各相の受電部間に磁気結合が無ければ、ＣPiは各相で独立に決めることができる。
ＳＰ方式では、並列コンデンサＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を、二次側コイル３１２、３２２、３３２の自己インダクタンスと共振するように設定する。従って、二次側コイル３１２、３２２、３３２の自己インダクタンスをＬ2i（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）とし、三相インバータ１１の周波数をｆ0（角周波数ω0＝２πｆ0）とするとき、ＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）は、次式（数１）から求めることができる。
１／（ω0ＣPi）＝ω0Ｌ2i （数１）
【００３０】
次に、一次側の直列コンデンサの値を決めるため、図５おいて、一次側直列コンデンサのＣSUとＣSVとの合成容量ＣSUVの値を、二次側コイルの各々に並列コンデンサＣPU、ＣPVと同じ値の負荷抵抗ＲLU、ＲLVを接続した時に、電源から見たインピーダンスＺが純抵抗になるように設定する。
図５の等価回路で電源から見たインピーダンスＺが純抵抗になるとき、インピーダンスＺのｊを含む項が０になる。その関係から次式（数２）が得られ、この（数２）を用いて合成容量ＣSUVの値を求めることができる。
【数２】
なお、（数２）では、二つの直列コンデンサＣSi、ＣSj（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｊ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｉ≠ｊ）の合成容量をＣSij、一方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1i、他方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1j、一方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭi、他方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭj、二次側の各コイルの巻数をｎ、一方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2i、他方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2jとしている。
同様にＶＷ間、ＷＵ間の回路を考えることにより、合成容量ＣSij（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｊ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｉ≠ｊ）の値が決まる。
【００３１】
次いで、３つのＣSUV、ＣSVW、ＣSWUの式から次式（数３）を用いて連立方程式を解くことにより、ＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値を求めることができる。
【数３】
【００３２】
これらの手順で非接触給電装置の直列コンデンサ２１、２２、２３及び並列コンデンサ３１３、３２３、３３３の値を設定することにより、安定的な三相給電が可能になる。それを実験で確かめた。
この実験は、図１及び図３の装置において、三相インバータ１１の出力周波数を２０ｋＨｚとし、給電線２４、２５、２６に、長さ３．９ｍのリッツ線（φ０．２５ｍｍ×２４×１６）を用い、受電部３１、３２、３３には、断面コ字状のフェライトコア（Ｈ３８×Ｗ４０×Ｌ８０ｍｍ）にリッツ線（φ０．２５ｍｍ×２４×２）を６ターン巻いたものを用いて行った。負荷抵抗は、２０Ωあるいは５０Ωとした。
【００３３】
並列コンデンサ３１３、３２３、３３３の値は、ＬＣＲメータで二次コイルの自己インダクタンスを測定し、（数１）により決定した。また、直列コンデンサ２１、２２、２３の値は、実験装置で図５のインピーダンスＺ’を直接測定し、Ｚが純抵抗になる（電源力率が1となる）合成容量を求めた後、（数３）を用いて決定した。並列コンデンサ３１３、３２３、３３３及び直列コンデンサ２１、２２、２３の決定値を図６に示している。なお、図６のカッコ内の値は、ＬＣＲメータで測定した図５のトランス定数から（数１）（数２）（数３）を用いて計算した並列コンデンサ及び直列コンデンサの計算値を示している。
【００３４】
図７は、並列コンデンサ３１３、３２３、３３３及び直列コンデンサ２１、２２、２３の値を図６に示した決定値に設定して、三相給電を行ったときのＵＶ間、ＶＷ間及びＷＵ間の三相インバータ１１の出力電圧（ＶUV、ＶVW、ＶWU）、一次側相電流（ＩU1、ＩV1、ＩW1）、及び、二次側相電圧（ＶU2、ＶV2、ＶW2）を示している。
また、図８は、一次側の各相（Ｕ1、Ｖ1、Ｗ1）及び二次側の各相（Ｕ2、Ｖ2、Ｗ2）における相電圧の実効値（Ｖ）、相電流の実効値（Ｉ）、及び、力率（ｐｆ）を示している。
【００３５】
図６から、三本の給電線の中で中央にあるＶ相給電線に挿入されたコンデンサＣSVの値が、ＣSU、ＣSWの値より大きいことが分かる。コンデンサＣSVの値がＣSU、ＣSWに比べて大きいことにより、給電線のＷＵ間の間隔がＵＶ間及びＶＷ間の間隔より広いために生じている各相の自己インダクタンスのアンバランスが補償されている。
また、図７から、一次側相電流と二次側相電圧との位相が一致していることが分かり、図７及び図８から、各相間のバランスが取れた三相給電を確認できる。図８から、各相の力率が略１であることが分かる。二次側の力率は、負荷抵抗のインダクタンス分のために多少低下している。一次側の力率は、一次側直列コンデンサＣS1の値を調整することにより、さらに改善できる。
【００３６】
また、図９は、給電効率ηと負荷抵抗ＲLとの関係を示している。ここで、点線で示す給電効率ηは、次式（数４）により求めた理論値である。
【数４】
黒点で示す実験値の一つは給電効率ηが８２．１％と狙い通り最大効率に近く、ＲL＝２１．４Ωのときに得られている。
この実験により、本発明方式を用いれば理論通りの特性が得られることが確認できた。
【００３７】
このように、ＳＰ方式を採る非接触給電装置では、平面上に配置する三本の給電線に挿入する直列コンデンサＣSiの中で、中央のＶ相給電線に挿入するコンデンサＣSVの値を他のコンデンサＣSU、ＣSWよりも大きい値に設定することにより、一次側の各相のバランスを取ることができる。そして、二次側の各相の受電部を、相互間の磁気結合が生じないように配置し、各受電部に設ける並列コンデンサＣPiを二次側コイルと共振するように設定することで、移動体への安定した三相給電が可能になる。
なお、一次側である給電線はＵ相、Ｖ相、Ｗ相とも１本、即ち、１ターンとして説明してきたが、各相をｎ1ターン（ｎ1＞１）とすることも可能である。この場合は、一次と二次の巻数比ａをａ＝ｎ1／ｎとし、図５の等価回路の定数を修正し、（数２）でｎを（ｎ／ｎ1）に変更するだけで良い。
【００３８】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる構造の移動体受電部について説明する。
図１０（ａ）は、この移動体受電部４０と三本の給電線２４、２５、２６とを備える非接触給電装置を模式的に示している。図１０（ｂ）は、移動体受電部４０を拡大して示す斜視図である。また、図１１（ａ）は、移動体受電部４０の平面図であり、図１１（ｂ）は、縦方向（給電線延伸方向）から見た側面図であり、図１１（ｃ）は、横方向から見た側面図である。
この移動体受電部４０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する三個の受電部４１、４２、４３から成り、各受電部４１、４２、４３は、給電線延伸方向と直交する方向に一列に整列している。
【００３９】
各受電部４１、４２、４３の構造は同一である。そのため、受電部４２の構造について詳しく説明する。
図１１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、受電部４２は、給電線２５を跨ぐように成形された断面コ字状のフェライトコア４２１と、このフェライトコアの壁にリッツ線を巻回して形成された二次側コイル４２２と、電磁遮蔽用の導体板４２３とを有している。
導体板４２３は、フェライトコア４２１と同様に断面形状が略コ字状であり、二次側コイル４２２が巻回されたフェライトコア４２１の外周を囲む大きさを有している。給電線延伸方向の導体板４２３の長さＡは、フェライトコア４２１の長さＢよりも長く、フェライトコア４２１の給電線延伸方向の各端部は、導体板４２３の対応する端部から等距離だけ引っ込んでいる。また、図１１（ｂ）に示すように、フェライトコア４２１の下方の端部も導体板４２３により覆われている。
【００４０】
導体板４２３は、フェライトコア４２１に直接接触しておらず、導体板４２３とフェライトコア４２１との間には、電気絶縁体が介在している。
また、導体板４２３は、隣接する受電部４１、４３の導体板にも直接接触しておらず、各相の受電部４１、４２、４３の導体板は、相互に電気的に絶縁されている。
フェライトコア４２１に交流磁界が流れると、導体板４２３表面に渦電流が発生するが、この受電部４２では、電気絶縁体を介在させて導体板４２３とフェライトコア４２１との距離を離し、導体板４２３表面に発生する渦電流を減らしている。また、導体板４２３に発生した渦電流は、この導体板４２３と絶縁されている他の受電部４１、４３の導体板には流れない。
そのため、この導体板の存在により、各相の受電部４１、４２、４３間の磁気結合が防止できる。
この移動体受電部４０は、第１の実施形態の移動体受電部３０に比べて小型に構成することができ、移動体への取り付けが容易である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の非接触給電装置は、移動体への安定した三相給電が可能であり、半導体工場内の搬送車や、自動車工場内の搬送車など、各種分野の移動体への給電に利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０ 商用電源
１１ 三相インバータ
２１ 直列コンデンサ
２２ 直列コンデンサ
２３ 直列コンデンサ
２４ 給電線
２５ 給電線
２６ 給電線
３０ 移動体受電部
３１ 受電部
３２ 受電部
３３ 受電部
４０ 移動体受電部
４１ 受電部
４２ 受電部
４３ 受電部
６０ 給電線
６１ 受電部
６２ コンデンサ
６３ インバータ
６４ 商用電源
１００ 高周波電源
１１０ 三相インバータ
１２０ 同調フィルタ
２００ 給電線
３００ 移動体
３１０ 受電部
３１１ フェライトコア
３１２ 二次側コイル
３１３ 並列コンデンサ
３１４ 抵抗
３２１ フェライトコア
３２２ 二次側コイル
３２３ 並列コンデンサ
３２４ 抵抗
３３１ フェライトコア
３３２ 二次側コイル
３３３ 並列コンデンサ
３３４ 抵抗
４２１ フェライトコア
４２２ 二次側コイル
４２３ 導体板
６１０ 二次側巻線
６１１ フェライトコア
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の走行路に沿って略同一平面上に互に平行に配置されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三本の給電線と、前記給電線のそれぞれにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流を出力する三相交流電源と、前記移動体に設けた三個のコアのそれぞれに巻回されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三個のコイルと、を備え、前記三本の給電線を一次側とし、前記三個のコイルを二次側として、電磁誘導により一次側から二次側に給電する非接触給電装置であって、
二次側の前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルには、それぞれ並列コンデンサＣPU、ＣPV、ＣPWが接続され、
一次側の前記三本の給電線は、一方で前記三相交流電源に接続され、前記三相交流電源と反対側の他方で三本が短絡され、
前記三相交流電源と前記三本の給電線との間には、各相に直列コンデンサＣSU、ＣSV、ＣSWが挿入され、前記三本の給電線の中で中央にあるＶ相給電線と前記三相交流電源との間に挿入されるコンデンサＣSVの値が、他のコンデンサＣSU、ＣSWの値より大きい値に設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記三個のコアのそれぞれの位置を、前記給電線が延びる給電線延伸方向にずらし、給電線延伸方向の座標上で各コアの存在する範囲が相互に重ならないように配置したことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記三個のコアのそれぞれの外周に電磁遮蔽のための導体板を配置し、前記導体板の給電線延伸方向における長さを、前記コアの同方向の長さより長くしたことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の非接触給電装置であって、前記コアと、当該コアを囲む前記導体板の内面との間に電気絶縁体を介在させたことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の非接触給電装置であって、前記三個のコアのそれぞれの外周に配置した前記導体板を、互いに電気的に絶縁したことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記並列コンデンサＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値が、二次側の前記コイルの自己インダクタンスをＬ2i（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）とし、前記三相交流電源の周波数をｆ0（角周波数ω0＝２πf0）とするとき、
１／（ω0ＣPi）＝ω0Ｌ2i （数１）
を満たすように設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の非接触給電装置であって、前記直列コンデンサＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値は、二次側の前記コイルの各々に並列コンデンサＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）と同じ値の負荷抵抗ＲLを接続した時、前記三相交流電源のＵＶ出力、ＶＷ出力、ＷＵ出力から見た直列コンデンサＣSi、二次側の前記コイル、並列コンデンサＣPi及び負荷抵抗ＲL側のインピーダンスが、リアクタンス分を含まずに純抵抗になるように設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項８】
請求項６に記載の非接触給電装置であって、二つの前記直列コンデンサＣSi、ＣSj（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｊ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｉ≠ｊ）及び二本の前記給電線を含む前記三相交流電源のＵＶ間、ＶＷ間またはＷＵ間の回路での前記二つの直列コンデンサの合成容量をＣSij、一方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1i、他方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1j、一方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭi、他方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭj、二次側の各コイルの巻数をｎ、一方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2i、他方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2jとするとき、
【数２】
からＣSijを求め、
【数３】
の連立方程式を解いて、ＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値が設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項９】
請求項１から８に記載の非接触給電装置であって、二次側の各コイルのＵ相、Ｖ相、Ｗ相出力がＹ結線され、さらに三相整流器で整流されて直流が出力されることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１】
移動体の走行路に沿って略同一平面上に互に平行に配置されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三本の給電線と、前記給電線のそれぞれにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流を出力する三相交流電源と、前記移動体に設けた三個のコアのそれぞれに巻回されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三個のコイルと、を備え、前記三本の給電線を一次側とし、前記三個のコイルを二次側として、電磁誘導により一次側から二次側に給電する非接触給電装置であって、
二次側の前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルには、それぞれ並列コンデンサＣPU、ＣPV、ＣPWが接続され、
一次側の前記三本の給電線は、一方で前記三相交流電源に接続され、前記三相交流電源と反対側の他方で三本が短絡され、
前記三相交流電源と前記三本の給電線との間には、各相に直列コンデンサＣSU、ＣSV、ＣSWが挿入され、前記三本の給電線の中で中央にあるＶ相給電線と前記三相交流電源との間に挿入されるコンデンサＣSVの値が、他のコンデンサＣSU、ＣSWの値より大きい値に設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記三個のコアのそれぞれの位置を、前記給電線が延びる給電線延伸方向にずらし、給電線延伸方向の座標上で各コアの存在する範囲が相互に重ならないように配置したことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記三個のコアのそれぞれの外周に電磁遮蔽のための導体板を配置し、前記導体板の給電線延伸方向における長さを、前記コアの同方向の長さより長くしたことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の非接触給電装置であって、前記コアと、当該コアを囲む前記導体板の内面との間に電気絶縁体を介在させたことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の非接触給電装置であって、前記三個のコアのそれぞれの外周に配置した前記導体板を、互いに電気的に絶縁したことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記並列コンデンサＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値が、二次側の前記コイルの自己インダクタンスをＬ2i（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）とし、前記三相交流電源の周波数をｆ0（角周波数ω0＝２πf0）とするとき、
１／（ω0ＣPi）＝ω0Ｌ2i （数１）
を満たすように設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の非接触給電装置であって、前記直列コンデンサＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値は、二次側の前記コイルの各々に並列コンデンサＣPi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）と同じ値の負荷抵抗ＲLを接続した時、前記三相交流電源のＵＶ出力、ＶＷ出力、ＷＵ出力から見た直列コンデンサＣSi、二次側の前記コイル、並列コンデンサＣPi及び負荷抵抗ＲL側のインピーダンスが、リアクタンス分を含まずに純抵抗になるように設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項８】
請求項６に記載の非接触給電装置であって、二つの前記直列コンデンサＣSi、ＣSj（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｊ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ、ｉ≠ｊ）及び二本の前記給電線を含む前記三相交流電源のＵＶ間、ＶＷ間またはＷＵ間の回路での前記二つの直列コンデンサの合成容量をＣSij、一方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1i、他方の給電線の漏れインダクタンスをｌ1j、一方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭi、他方の給電線とそれを跨ぐコアに巻回された二次コイルとの間の相互インダクタンスをＭj、二次側の各コイルの巻数をｎ、一方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2i、他方の二次側コイルの漏れインダクタンスをｌ2jとするとき、
【数２】
からＣSijを求め、
【数３】
の連立方程式を解いて、ＣSi（ｉ＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）の値が設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項９】
請求項１から８に記載の非接触給電装置であって、二次側の各コイルのＵ相、Ｖ相、Ｗ相出力がＹ結線され、さらに三相整流器で整流されて直流が出力されることを特徴とする非接触給電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１６７０２０（Ｐ２０１１−１６７０２０Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９５９３（Ｐ２０１０−２９５９３）
【出願日】平成２２年２月１４日（２０１０．２．１４）
【出願人】（５０４１９０５４８）国立大学法人埼玉大学 (292)
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１４日（２０１０．２．１４）
【出願人】（５０４１９０５４８）国立大学法人埼玉大学 (292)
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