JP2004166459A

JP2004166459A - 非接触給電装置

Info

Publication number: JP2004166459A
Application number: JP2002332448A
Authority: JP
Inventors: Kitao Yamamoto; 喜多男山本; Manabu Sasaki; 学佐々木
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】給電部位と受電部位との間隔が所定値内にあるときのみ給電可能となる非接触型給電装置を提供する。
【解決手段】２次電池（図示せず）を動力源とする２次電池搭載装置３に、接近して電磁誘導手段により非接触的に給電して２次電池に充電する電源装置２の給電部２−１と、２次電池搭載装置３の受電部３−１とが僅かな隙間を開けて相対する面が接近したことを近接センサ１３が検知すると給電を開始し、受電検知センサ１１が一定時間内に受電部３−１が充電可能状態に達したことを検知しないと給電を停止する給電制御部１２を設けた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁誘導作用を利用して給電する非接触給電装置に関し、更に詳細には、例えば海中施設などに搭載する２次電池に給電装置を搭載した水中ロボットを使用して給電する際に、前記施設の受電部位にロボットの給電部位が正しく配置されたことを自動的に確認して給電を行なう非接触給電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リチウム電池など、高性能、軽量、且つ密閉型２次電池が開発されたため、長時間電源から切り離して機器を作動させることが可能となり、またコードレス電話器、電気髭剃り器、電気自動車など各種分野で、それぞれの必要性からコンセントなどの電気接点を使用しないで充電できる非接触型給電装置、即ち電磁誘導方式を用いた給電装置が提案され、また実際に使用されるに至っている。
【０００３】
前記電磁誘導方式による給電上の問題として、何らかの原因で受電部位に金属が置かれると、電磁誘導作用により発熱し、装置が加熱されて故障の原因となったり、最悪の場合火災を起こすなどのおそれが生じる。
【０００４】
その対策として、電気髭剃り器（以下シェーバーという）の非接触充電器の小型化技術を開示した「小型高効率共振トランスを用いた非接触充電器」（松下電工技報（ＤＥＣ．２００１）８８〜９２ページ）には、充電器上にシェーバーが置かれているか否かの識別を行なう手段として、トランス１次側コアおよびトランス２次側コアにそれぞれ電力伝達用１次、２次巻線の外に、本体検知・充電制御信号用巻線および間歇発振用巻線を設け、電力伝達時以外は間歇発振用巻線により励磁高周波電流を供給し、シェーバー本体側から受電したことを知らせる本体検知信号が出力されない限り充電操作を行なわないようにすることで、ジェーバー以外の対象に電力を供給しないようにしたものである。
【０００５】
【非特許文献１】
桂嘉志、山下幹広、安部秀明共著「小型高効率共振トランスを用いた非接触充電器」松下電工技報（２００１年１２月、ｐ．８８〜９２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば海水の水質などを長期間継続的に定点観測する要望が高まっている。そのための動力源として各種一次電池を使用すると設備費は安価となるが使い捨てであるため環境保全重視の社会的要望に反し好ましくなく、各種二次電池に太陽電池や波動発電機を組み合わせる方法は気象・海象の影響を受けるため作動の確実性に欠け、１０ワット程度の小電力用としてのみ可能性があると認められる。また燃料電池は開発中の技術であり、また商用電力を直接供給するには海底ケーブルの敷設工事が必要となり経済上の問題が生じる。
【０００７】
したがって各種二次電池を水中施設に取り付け、水中ロボットにより充電するという組み合わせが最も実際的であると考えられる。例えば、５０ワット負荷を７日間（１５８時間）使用すると消費電力量はで８．４ｋＷｈとなり、これを仮に２ｋＷで充電すると約４時間で充電できる。したがって水中ロボットによる充電方式は、長期定点観測の実現性に最も高い方式の一つと考えられる。
【０００８】
このような場合、給電方式は水中であるから当然非接触型給電方式となるが、給電装置に鉄などの透磁率の高い異物が近づいた場合、これを誘導加熱してしまうおそれがある。かかる事態の回避と、視界が十分でない海中での遠隔操縦により確実に給電側と受電側の鉄心が正確に一定範囲内に接近させる必要があるという問題がある。
【０００９】
本発明は、以上の問題に着目してなされたものであり、経済的理由などで送電ケーブルの敷設が困難な海中設備などに装備した２次電池に給電する給電装置において、給電部位と受電部位との間隔が所定値内にあるときに給電可能となる非接触型給電装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の非接触型給電装置は、２次電池を動力源として作動する２次電池搭載装置と、前記２次電池に充電する電源装置とが、充電時にいずれかまたは相互に、また自動的にまたは遠隔操作により接近して電磁誘導手段により非接触的に給電する給電装置において、前記電源装置の給電部と、前記２次電池搭載装置の受電部とが接近し給電可能状態となると、少なくとも僅かな隙間を開けて相対する面が生じるように前記両装置を形成し、前記相対する面が予め定めた間隔以内に接近すると給電開始信号を出力する近接センサと、前記受電部が充電可能状態に達したことを検知する受電検知センサとを設け、前記近接センサが前記接近を検知すると、給電を開始し、給電開始後一定時間内に前記受電検知センサが受電開始信号を検知すると給電を継続し、何らかの原因で前記一定時間内に前記受電開始信号を検知しないと給電を停止する給電制御部を設けたものである。
【００１１】
前記何らかの原因とは、例えば近接センサが２次電池搭載装置以外の物体に反応し、誤作動した場合、前記受電部が故障している場合などである。
【００１２】
前記近接センサには特に限定は無く、光を利用するもの、静電容量の変化を利用するもの、超音波を利用するもの、空気圧を利用するもの、電磁誘導によるうず電流による励磁コイルの入力インピーダンス変化を利用するものなど、一般に知られたものの中から適宜選択できる。水中ロボットに適用するものとしては、前記うず電流方式、即ち交流電流により励磁する電磁コイルと、前記２次電池搭載装置に取り付けた透磁率の高い金属体とからなり、前記電磁コイルによる励磁で前記金属板に発生するうず電流により生じる前記電磁コイルの負荷変動を検知して前記隙間の大きさを検知する方法の採用が好ましい。
【００１３】
前記受電検知センサには特に限定はないが、例えば前記２次電池搭載装置が受電して発生する電圧が所定値に達すると光を発する発光素子と、前記電源装置に設けられ、前記発光により作動する受光素子とで構成する方法、前記２次電池搭載装置が受電して発生する電圧が所定値に達すると超音波を発信する超音波発信素子と、前記電源装置に設けられ、前記超音波を受信する超音波受信素子とで構成する方法などを採用することができる。さらに、前記発光、超音波などの信号がノイズの影響を受けないようにするために、受電検知センサに変調・復調手段を設けることができる。
【００１４】
前記近接センサの励磁を間歇的に行なうと、うず電流による発熱により、装置が加熱をされることを少なくできるので、一般的に好ましいが、本発明はこれに限定されない。
【００１５】
本発明の非接触型給電装置を適用する装置には特に限定はないが、前記２次電池を動力源として作動する装置が水中に敷設された装置であり、前記給電装置の給電部を水中走行ロボットに設けたもの、前記２次電池を動力源として作動する装置が掃除ロボット、巡回監視ロボットなどの自走式作業ロボットであり、前記給電装置は該作業ロボットの待機中に充電するようにしたものなどを適用対象として例示することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照する一実施の形態を示し本発明の非接触型給電装置を具体的に説明する。
【００１７】
図１に示す回路は、本発明の非接触型給電装置の基本回路を説明するものであり、中央に示す破線１の左側が電源装置２の回路部分であり、右側が２次電池搭載装置３の回路部分であり、ギャップ結合トランス４は電源装置２側と２次電池搭載装置３側とに跨って設けられている。
【００１８】
ギャップ結合トランス４は、トランス１次側４−１とトランス２次側４−２とに分割されており、その鉄心５は、図２に示すように、互いに開口部分が向き合うコないしＵ状の１次側鉄心５−１および２次側鉄心５−２からなり、それぞれ１次コイル６−１および２次コイル６−２を巻きつけ、１次側鉄心５−１および２次鉄心５−２の合わせ部分のギャップΔを所定値以下とすることで過大な励磁無効電力が生じないように設計されている。
【００１９】
なお一例として、２５０〜３００Ｗ、周囲温度を−１０〜４０℃とした場合のギャップ結合トランス４として、鉄心にフェライトを使用し、鉄心の幅を２０ｍｍ、積層厚みを５０ｍｍ、両側の腕状部の鉄心長さを４０ｍｍ、リッツ線コイルを巻く辺の鉄心長さを１２０ｍｍとし、全体を絶縁性樹脂で水密とした容器内に、ギャップΔが５ｍｍ以下とすることができる。
【００２０】
図１の説明に戻り、トランス１次側４−１の１次コイル６−１と電源との間にはリレーからなる電源スイッチ７および周波数変換器８を介してＡＣ１００Ｖなどの交流電源（以下電源Ｅ）に接続した。なお周波数変換器８は低周波電源を高周波に変換するものであり、例えばＡ／Ｄ変換器とインバータとを組み合わせたものを使用することができる。
【００２１】
トランス２次側４−２の２次コイル６−２は、発生した高周波電圧を整流器９によって直流に変換し、直流電圧安定化回路１０を介して２次電池（図示せず）と受電検知センサ１１とに与えるようにした。
【００２２】
電源装置２の電源Ｅに対し、電源スイッチ７および周波数変換器８と並列的にマイクロコンピュータからなる給電制御部１２を設け、これに受電検知センサ１１および近接センサ１３−１および１３−２（以下総称するときは１３で表す）の出力信号を入力し、電源スイッチ７をオン・オフ制御するように構成し、近接センサ１３−１および１３−２から接近完了信号が出力されると、電源スイッチ７をオンすると共に計時プログラム（タイマー）を作動させ、一定時間内に受電検知センサ１１から受電検知信号が出力されないと、給電制御部１２は電源スイッチ７をオフするようにプログラムした。
【００２３】
次に受電検知センサ１１および近接センサ１３を、図３〜５に示す第２実施の形態よって、より具体的に説明する。図３は第２実施の形態による非接触型給電装置を海中１４に敷設した昇降式水質計測ブイ１５用の水中ステーション１６と充電兼データ回収用水中ロボット（以下単に水中ロボットという）１７とによって実施したものである。なお本発明は上記水質計測用以外の水中施設に利用できることは説明を要しないことは明らかである。
【００２４】
第２実施の形態による非接触型給電装置のギャップ型結合トランス４のトランス１次側４−１（図４）は、水中ロボット１７の給電部３−１に設け、信号伝送、索条などの機能を有する電源ケーブル１９によって母船１８に搭載した発電機（図示せず）を電源とし給電制御部（図３および４に図示せず）に接続した。またトランス２次側４−２（図４）を収容する受電部３−２は、水中ステーション１６（図３）に設けた電源部（２次電池）２０と一体的に取り付けた。図４に示すギャップ結合トランス４のギャップΔは、図４に示す２箇所の間隙δ_１およびδ_２の和の１／２（δ_１／２＋δ_２／２）に一致する。
【００２５】
ここで図３に示す水中ステーション１６および水中ロボット１７に図示されている部材について説明する。水中ステーション１６に付した符号１６ａは昇降式水質計測ブイ１５を水中ステーション１６に係留し、且つブイ１６内の機器を作動させる電源用リード線、観測に必要とする信号を伝達する信号線等を組み込んだケーブル、１６ｂはケーブル１６ａを巻き取り・繰り出す電動機内臓のドラム、１６ｃは観測用電子機器容器、１６ｄは水中ロボット１７にデータを伝送する音響リンク、１６ｅは海底の岩盤等に固定するための脚部である。
【００２６】
また水中ロボット１７に付した符号１７ａはスラスタであり前進・後退用スラスタが３機、上昇・下降用スラスタが２機、側方移動用スラスタが１機使用されており、１７ｂは水中ロボット本体、１７ｃは前記本体１７ｂの端部を覆う透明アクリル樹脂製のドームであり、その中心軸上に操縦用ＣＣＤカメラを備えている。１７ｄはヘッドライト、１７ｅは超音波ソナー、１７ｆは保護用フレームである。また図４に示す符号４ａは水密とした樹脂製容器である。
【００２７】
第２実施の形態のギャップ結合トランス４は、結合されると図２に示したギャップ結合トランス４と同じであるが、１次側鉄心５−１は、図４に示すように鉄心の１辺の一部を切り出した形状とし、したがって１次コイル６−１も幅を狭く、分厚く巻き付け、外見上は平板状に形成した。２次コイル６−２は、図１に示したものと同様にした。２点鎖線で示した２次側鉄心５−２および２次コイル６−２は、水中ロボット１７に設けた給電部２−１が受電部３−１に結合すると図１で示した非接触型給電装置の基本回路が形成され、前記説明の手順に従って充電できることを示している。
【００２８】
ところで、第２の実施の形態で使用した受電検知センサ１１の信号出力素子１１−２には発光素子、例えば発光ダイオードを使用し、光による受電検知信号回路１１−１にはフォトトランジスタを使用したが、フォトダイオードなどたの受光素子を使用することもできる。更に超音波を使用することもでき、これらの信号を変調し、ノイズによる作動ミスを防止することもできる。また近接センサ１３の金属板１３ａにうず電流を発生させる電磁コイル１３ｂの鉄心１３ｃにはコないしＵ状鉄心を使用した。但し、棒状鉄心を使用することもできる。
【００２９】
なお第２実施の形態による近接センサ１３が検出する隙間は、第１実施の形態のギャップΔではなく、１次側鉄心５−１の軸心と、これと向き合う２次側鉄心５−２の軸心５ａ（図４）との不一致の許容範囲である。したがって、受電部３−１に給電部２−１を結合させるには、最終段階で給電部２−１を前進・後退のみの動きとする必要がある。したがって、前進後退のみの動きとする場合近接センサ１３は少なくとも１個設けるのでもよい。なお、図４に示す符号１１ａは光透過用の窓である。
【００３０】
そのために、例えば図５に示すような先端が拡開した鞘状ガイド２１−１と挿入棒２１−２を、受電検知センサ１１および近接センサ１３それぞれの給電部２−１および受電部３−１に設ける前面２２の複数箇所、例えば４箇所に突き出し状に設けるとよい。但し本発明はこのガイドに限定されず、水中ロボット１７を正確に誘導できるものであればいずれのものも使用できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の非接触型給電装置は、ギャップ結合トランスが許容範囲内に接近したことを検知すると給電を開始し、一定時間内に受電したことが確認されないと給電を停止するようにしたので、受電装置以外の金属体などに給電し、過熱による事故の発生を無くすことができるし、異物が間にはさまって給電できない場合も検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による非接触型給電装置の基本回路図である。
【図２】図１に示す給電装置に使用したギャップ結合トランスの鉄心形状を示す平面説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による非接触型給電装置の全体の構成を示す説明図である。
【図４】図３に示すギャップ結合トランスの構成を示す説明図である。
【図５】図３に示す給電装置の給電部および受電部に設けたガイドの一例を示す側面図である。
【符号の説明】
２電源装置（例えば水中ロボット１７）
２−１給電部
３２次電池搭載装置（例えば水中ステーション１６）
３−１受電部
１１受電検知センサ
１２給電制御部
１３−１近接センサ
１３−２近接センサ

Claims

２次電池を動力源として作動する２次電池搭載装置と、前記２次電池に充電する電源装置とが、充電時にいずれかまたは相互に、また自動的にまたは遠隔操作により接近して電磁誘導手段により非接触的に給電する給電装置において、前記電源装置の給電部と、前記２次電池搭載装置の受電部とが接近し給電可能状態となると、少なくとも僅かな隙間を開けて相対する面が生じるように前記両装置を形成し、前記相対する面が予め定めた間隔以内に接近すると給電開始信号を出力する近接センサと、前記受電部が充電可能状態に達したことを検知する受電検知センサとを設け、前記近接センサが前記接近を検知すると、給電を開始し、給電開始後一定時間内に前記受電検知センサが受電開始信号を検知すると給電を継続し、何らかの原因で前記一定時間内に前記受電開始信号を検知しないと給電を停止する給電制御部を設けた非接触給電装置。
前記近接センサが、交流電流により励磁する電磁コイルと、前記２次電池搭載装置に取り付けた透磁率の高い金属体とからなり、前記電磁コイルによる励磁で前記金属板に発生するうず電流により生じる前記電磁コイルの負荷変動を検知して前記隙間の大きさを検知することからなる請求項１記載の非接触給電装置。
前記受電検知センサが、前記２次電池搭載装置が受電して発生する電圧が所定値に達すると光を発する発光素子と、前記電源装置に設けられ、前記発光により作動する受光素子とで構成することからなる請求項１〜２のいずれかに記載の非接触給電装置。
前記受電検知センサが、前記２次電池搭載装置が受電して発生する電圧が所定値に達すると超音波を発信する超音波発信素子と、前記電源装置に設けられ、前記超音波を受信する超音波受信素子とで構成することからなる請求項１〜２のいずれかに記載の非接触給電装置。
前記近接センサの励磁を間歇的に行なうようにした請求項１〜４のいずれかに記載の非接触給電装置。
前記２次電池を動力源として作動する装置が水中に敷設された装置であり、前記給電装置の給電部を水中走行ロボットに設けたことからなる請求項１〜５記載の非接触給電装置。
前記２次電池を動力源として作動する装置が自走式作業ロボットであり、前記給電装置は該作業ロボットの待機中に充電するようにしたことからなる請求項１〜５記載の非接触給電装置。