CN105966578B - 输电装置及受电装置 - Google Patents
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Abstract
提供输电装置及受电装置。在水中进行至少一方在水中移动自由的输电装置及受电装置之间的电力传输的电力传输系统中，所述输电装置及所述受电装置分别具备用于通过磁场共振方式来非接触地进行所述水中的电力传输的共振线圈。所述输电装置及所述受电装置的至少一方具备内含自身装置的所述共振线圈的气球。
Description
本申请是如下发明专利申请的分案申请：
发明名称：电力传输系统；申请号：201280059930.3；申请日：2012年12月7日。
技术领域
本发明涉及电力传输系统。本申请基于2011年12月7日在日本申请的日本特愿2011-268250号而主张优先权，将其内容引用于此。
背景技术
一直以来，已知使用通过电池驱动而在海水中移动的水中航行体来调查海水的水质的方法。当然，如果水中航行体的电池余量成为零，则不能进行关于水质的数据的收集及水中移动。因此，当电池余量低于规定值时，一般将水中航行体回收至海上的船而进行电池的充电。
这样，在每次进行电池的充电都将水中航行体回收至海上的船的情况下，花费非常多的时间和成本。因此，近年来，在海水中进行充电的技术的开发取得进展。例如，在下述专利文献1中，公开了这样的技术：由在海水中移动的水中机器人通过非接触供电方式（特别是电磁感应方式）而对搭载于收集关于海水的水质的数据的水中站的电池进行充电。
专利文献1：日本特开2004－166459号公报；
专利文献2：日本专利3493426号；
专利文献3：美国专利8304935号。
发明内容
发明要解决的课题
在像上述现有技术那样作为非接触供电方式而采用电磁感应方式的情况下，为了使电力传输效率最大化，有必要在水中的电力传输时（充电时）对输电装置（水中机器人）和受电装置（水中站）正确地进行定位。因此，必须安装用于该目的的高精度的定位机构，存在系统成本增大这一问题。
本发明是鉴于上述的情况而做出的，其目的在于，提供能够以低成本实现至少一方在水中移动自由的输电装置及受电装置之间的水中的电力传输的电力传输系统。
用于解决课题的方案
为了达成上述目的，依据本发明的第1方式，在水中进行至少一方在水中移动自由的输电装置及受电装置之间的电力传输的电力传输系统中，所述输电装置及所述受电装置分别具备用于通过磁场共振方式而非接触地进行所述水中的电力传输的共振线圈。所述输电装置及所述受电装置的至少一方具备内含自身装置的所述共振线圈的气球。
另外，依据本发明的第2方式，在上述第1方式中，所述输电装置及所述受电装置的至少一方具备在电力传输时使所述气球膨胀且在其他时段使所述气球收缩的气球控制机构。
另外，依据本发明的第3方式，在上述第1或第2方式中，所述受电装置是通过电池驱动而在所述水中移动并同时收集水质数据的水中航行体。所述输电装置设置在所述水中的既定位置并且与地面的电力系统有线连接，是接受要从所述电力系统向所述水中航行体传输的电力的供给的水中基站。
另外，依据本发明的第4方式，在上述第3方式中，所述水中航行体在电力传输时将所述水质数据向所述水中基站无线发送。所述水中基站与地面的水质数据管理装置有线连接，将从所述水中航行体接收的所述水质数据向所述水质数据管理装置有线发送。
发明的效果
在本发明中，对输电装置及受电装置之间的水中的电力传输采用磁场共振方式。该磁场共振方式与电磁感应方式相比，对设在输电装置及受电装置的双方的共振线圈的位置偏离的耐受性强（能够容许位置偏离），能够以弱的磁场实现高效率且长距离的电力传输。
因此，依据本发明，不需要像采用电磁感应方式的现有技术那样的高精度的定位机构。由此，能够以低成本实现输电装置及受电装置之间的水中的电力传输。另外，在本发明中，由气球覆盖输电装置和受电装置的至少一方的共振线圈。由此，能够防止由于水中所含有的离子等的影响而导致磁场紊乱，从而输电装置及受电装置之间的电力传输效率下降。
附图说明
图1是本实施方式所涉及的电力传输系统的概略构成图；
图2是示出在电池充电时，水中航行体的受电用气球和水中基站的输电用气球膨胀的状态的图；
图3是关于本实施方式的变形例的第1说明图；
图4A是关于本实施方式的变形例的第2说明图；
图4B是关于本实施方式的变形例的第3说明图。
具体实施方式
以下，参照附图的同时，对本发明的一个实施方式进行说明。
图1是本实施方式所涉及的电力传输系统A的概略构成图。如图1所示，电力传输系统A具备设置在海水中的既定位置的水中基站1（输电装置）、通过电池驱动而在海水中移动自由的水中航行体2（受电装置）以及铺设于地上的电力系统3。
水中基站1经由地面的电力系统3和电源电缆100而被有线连接，通过磁场共振方式将从电力系统3供给的交流电力（例如单相100V，频率50或60Hz）向水中航行体2非接触地传输（供电）。水中基站1具备交流/交流转换器11、输电用共振线圈12、输电用气球13、输电用气球控制机构14、电源电路15以及基站控制装置16。
交流/交流转换器11在基站控制装置16进行的控制下，将从地面的电力系统3经由电源电缆100而供给的交流电力转换为适合于利用磁场共振方式进行的电力传输的具有既定电压及既定频率的交流电力。交流/交流转换器11将转换后的交流电力向输电用共振线圈12输出。
输电用共振线圈12是用于将从交流/交流转换器11输入的交流电力通过磁场共振方式进行无线输电的缠绕成螺旋状的螺旋线圈。输电用共振线圈12以向水中基站1的上部等突出的状态设置。由输电用共振线圈12和电容器（未图示）构成LC谐振电路。此外，作为用于构成LC谐振电路的电容器，也可以利用螺旋线圈的寄生电容，或者，也可以另外设置电容器元件。另外，也可以在螺旋线圈的线圈内设置由铁氧体等导磁率高的材料构成的铁心。
输电用气球13是以内含输电用共振线圈12的状态设在水中基站1的外壁面的伸缩自由的气球。输电用气球13，期望为树脂制（特别是橡胶制），从而不对产生于输电用共振线圈12与受电用共振线圈21之间的磁场造成影响。特别是，配置于线圈间的气球部件，期望为导磁率高的含有石墨的橡胶，未配置于线圈间的侧面的气球部件，期望为含有由导磁率低的铝或铜等顺磁体构成的箔或粉末/粒子的橡胶制。
此外，在图1中，示出输电用气球13收缩的状态。
输电用气球控制机构14在基站控制装置16进行的控制下，在电力传输时使输电用气球13膨胀，在其他时段（不进行电力传输的时段）使输电用气球13收缩。具体而言，输电用气球控制机构14经由气体管14a将气体送入输电用气球13的内部，由此使输电用气球13膨胀。另一方面，输电用气球控制机构14经由气体管14a从输电用气球13的内部吸引气体，由此使输电用气球13收缩。
为了效率良好地进行气体的出入，优选预先设置多个气体管14a。
在气球内设置分隔部而设有多个单间，个别地连接气体管14a，通过输电用气球控制机构14而个别地使气体出入，由此，能够进行线圈间的位置和角度的调整，还能够控制线圈间彼此的位置和角度。
气球的侧面期望为折皱状的侧面构造，从而在将气体吹入气球的内部时，在输电用线圈与受电用线圈之间的空间气球膨胀，在各线圈的侧面方向上膨胀变少。
气体期望是氮等惰性气体，但也可以是干燥空气。
另外，也可以是由不具有腐蚀性的有机物构成的液体或者离子或杂质的含有率的低的水（例如利用离子交换树脂来除去杂质的水），以代替气体。
电源电路15利用从地面的电力系统3经由电源电缆100而供给的交流电力，生成在水中基站1的内部使用的电源电压。电源电路15将所生成的电源电压输出至基站控制装置16及输电用气球控制机构14。基站控制装置16具备微处理器和存储器等，按照预先存储于存储器的控制程序，在向水中航行体2传输电力时，控制交流/交流转换器11及输电用气球控制机构14。
水中航行体2通过电池驱动而在海水中移动，同时，收集关于水质的数据（以后，表示为水质数据），在电池充电时，从水中基站1通过磁场共振方式接受交流电力。水中航行体2具备受电用共振线圈21、整流电路22、充电电路23、电池24、推进/操舵机构25、水质传感器26、受电用气球27、受电用气球控制机构28及航行体控制装置29。
受电用共振线圈21是用于从水中基站1的输电用共振线圈12无线接受交流电力的以螺旋状缠绕的螺旋线圈。受电用共振线圈21以向水中航行体2的下部突出的状态设置。由受电用共振线圈21和电容器（未图示）构成LC谐振电路。如果设定电路常数，使得水中基站1和水中航行体2的双方的LC谐振电路相等，则能够使输电用共振线圈12与受电用共振线圈21之间产生磁场共振。
整流电路22将由受电用共振线圈21接受的交流电力整流而转换为直流电力，将该直流电力输出至充电电路23。充电电路23在航行体控制装置29进行的控制下，利用从整流电路22输入的直流电力，将用于对电池24适当地进行充电的电压及电流输出至电池24。
电池24用作水中航行体2的内部电源，是例如镍氢电池或锂离子电池等二次电池，向推进/操舵机构25输出电源电压（直流电压）。此外，虽在图1中省略图示，电池24还将电源电压供给至水质传感器26、受电用气球控制机构28及航行体控制装置29。另外，也可以根据需要而设置用于将电池24的输出电压转换为期望的值的DC/DC转换器。
推进/操舵机构25由螺旋桨及舵、用于驱动这些部件的驱动机构（包括电动机和电动机驱动器等）等构成。推进/操舵机构25在航行体控制装置29进行的控制下，产生水中航行体1的推进力，并且规定移动方向。水质传感器26检测海水的水质（例如水温、透明度、pH值、氮浓度、磷浓度等），以该检测结果作为水质数据而向航行体控制装置29输出。
受电用气球27是以内含受电用共振线圈21的状态设在水中航行体2的外壁面的伸缩自由的气球。受电用气球27期望为树脂制（特别是橡胶制），从而不对产生于输电用共振线圈12与受电用共振线圈21之间的磁场造成影响。此外，在图1中，示出受电用气球27完全收缩的状态。特别是，配置于线圈间的部件期望为导磁率高的含有石墨的橡胶，未配置于线圈间的侧面的部件期望为含有由导磁率低的铝或铜等顺磁体构成的箔或粉末/粒子的橡胶制。
受电用气球控制机构28在航行体控制装置29进行的控制下，在电力传输时，使受电用气球27膨胀，在其他时段（不进行电力传输的时段），使受电用气球27收缩。具体而言，受电用气球控制机构28经由气体管28a将气体送入受电用气球27的内部，由此使受电用气球27膨胀。另一方面，受电用气球控制机构28经由气体管28a而从受电用气球27的内部吸引气体，由此使受电用气球27收缩。
特别是，期望为折皱状的侧面构造，从而在将气体吹入气球的内部时，在输电用线圈与受电用线圈之间的空间气球膨胀，在各线圈的侧面方向上膨胀变少。
航行体控制装置29具备微处理器和存储器等，按照预先存储于存储器的控制程序，进行推进/操舵机构25的控制及来自水质传感器26的水质数据的收集（将水质数据保存于存储器）。航行体控制装置29在电池24充电时（从水中基站1向水中航行体2传输电力时），控制充电电路23及受电用气球控制机构28。
接着，对如上所述地构成的第1实施方式所涉及的电力传输系统A的动作详细地进行说明。
首先，对通常模式时的动作进行说明。水中航行体2的航行体控制装置29控制推进/操舵机构25，使得水中航行体2在海水中沿着规定的路线移动。由此，水中航行体2在海水中沿着规定的路线移动。在此期间，航行体控制装置29以一定周期从水质传感器26取得水质数据，将该取得的水质数据依次保存于存储器。
在上述通常模式时，水中航行体2的受电用气球27在膨胀的情况下，成为水中航行体2的水中移动的妨碍。然而，航行体控制装置29控制受电用气球控制机构28，使得受电用气球27完全收缩。另一方面，在通常模式时，没有必要从水中基站1向水中航行体2进行电力传输。因此，水中基站1的基站控制装置16停止交流/交流转换器11的控制，并且控制输电用气球控制机构14，使得输电用气球13完全收缩。
水中航行体2的航行体控制装置29，在当上述通常模式时探测到电池24的电力余量低于规定值的情况下，切换为用于对电池24进行充电的充电模式。航行体控制装置29如果切换为充电模式，则控制推进/操舵机构25，使水中航行体2移动至水中基站1的上方。此外，水中基站1设置于水中航行体2的移动路线上。航行体控制装置29根据声波传感器或光传感器等位置传感器（未图示）的输出而掌握水中基站1的设置位置。
水中航行体2的航行体控制装置29，当根据声波传感器或光传感器等位置传感器的输出而探测到移动至水中基站1的上方时，控制受电用气球控制机构28，使得受电用气球27完全膨胀。另一方面，水中基站1的基站控制装置16，当根据声波传感器或光传感器等位置传感器的输出而探测到水中航行体2移动至水中基站1的上方时，控制输电用气球控制机构14，使得输电用气球13完全膨胀。
由此，如图2所示，成为水中航行体2的受电用气球27与水中基站1的输电用气球13在海水中接触的状态。在该状态下，水中基站1的基站控制装置16控制交流/交流转换器11，使适合于利用磁场共振方式进行的电力传输的具有既定电压及既定频率的交流电力输出至输电用共振线圈12。
由此，在水中基站1的输电用共振线圈12与水中航行体2的受电用共振线圈21之间产生磁场共振。如果产生磁场共振，则从交流/交流转换器11输出的交流电力由输电用共振线圈12转换为磁能，无线输电至受电用共振线圈21。该磁能由受电用共振线圈21再转换为交流电力。然后，由受电用共振线圈21接受的交流电力，由后段的整流电路22转换为直流电力并向充电电路23输入。
水中航行体2的航行体控制装置29监视电池24的充电状态，同时控制充电电路23，由此对电池24适当地进行充电。航行体控制装置29当探测到电池24成为充满电的状态时，切换为上述的通常模式。航行体控制装置29控制受电用气球控制机构28，使受电用气球27完全收缩，并且控制推进/操舵机构25，使水中航行体2沿着规定路线移动，同时进行水质数据的收集。
水中基站1的基站控制装置16，当根据声波传感器或光传感器等位置传感器（未图示）的输出而探测到水中航行体2移动时，停止交流/交流转换器11的控制，并且控制输电用气球控制机构14，使输电用气球13完全收缩。
如以上那样，在本实施方式中，对水中基站1及水中航行体2之间的海水中的电力传输采用磁场共振方式。该磁场共振方式与电磁感应方式相比，对输电用共振线圈12与受电用共振线圈21的位置偏离耐受性强（能够容许位置偏离），能够以弱的磁场实现高效率且长距离的电力传输。
因此，依据本实施方式，不需要像采用电磁感应方式的现有技术那样的高精度的定位机构（上述的声波传感器或光传感器等通用的位置传感器即可）。由此，能够以低成本实现水中基站1及水中航行体2之间的海水中的电力传输。
另外，在本实施方式中，由输电用气球13覆盖输电用共振线圈12，由受电用气球27覆盖受电用共振线圈21。由此，能够防止由于海水中所含有的离子等的影响而导致磁场紊乱，从而输电用共振线圈12及受电用共振线圈21之间（水中基站1及水中航行体2之间）的电力传输效率下降。
此外，本发明不限定于上述实施方式，可列举如以下那样的变形例。
（1）在上述实施方式中，为了将保存于水中航行体2的水质数据取出至外部，有必要将水中航行体2回收至海上的船等。与此相对的是，例如，如图3所示，也可以采用这样的系统构成：将水中基站1经由通信电缆200而与地面的水质数据管理装置4有线连接，水中航行体2在电力传输时（电池24充电时），经由天线30将水质数据向水中基站1无线发送，水中基站1经由天线17将从水中航行体2接收的水质数据向水质数据管理装置4有线发送。
在图3所示的系统构成中，假设通过电波进行的水质数据的无线通信。因此，有必要由受电用气球27覆盖天线30，由输电用气球13覆盖天线17。然而，在将声波通信或光通信、红外线通信等用于水质数据的无线通信的情况下，没有必要设置天线17、30。
（2）在上述实施方式中，举例说明在水中基站1与水中航行体2的双方设有内含共振线圈（输电用共振线圈12、受电用共振线圈21）的气球（输电用气球13、受电用气球27）的情况。不限于此，也可以仅在水中基站1和水中航行体2的单方设置内含共振线圈的气球。图4A举例说明例如仅在水中航行体2设置内含受电用共振线圈21的受电用气球27的情况。图4B举例说明仅在水中基站1设置内含输电用共振线圈12的输电用气球13的情况。也可以设置多个输电用线圈，或者另外准备不具有输电功能的气球，相对于水中航行体而并列设置，使得水中航行体2不会与水中基站1或岸壁直接接触而破损。
关于输电用共振线圈12和受电用线圈21，作为突出的构成而进行了说明，但也可以为这样的构造：内置于水中基站1和水中航行体2，由输电用气球13和受电用气球27覆盖将电磁波发出至外部的开口部。
在该情况下，当使受电用气球27膨胀时，也可以为了由受电用气球27覆盖并固定输电用共振线圈12而利用堵塞转移现象。即，预先将粉末/粒体导入受电用气球27，使受电用气球27膨胀并覆盖输电用共振线圈12，然后吸引受电用气球27的内部气体即可。由此，能够通过粉末/粒体的摩擦而固定气球内部，由受电用气球27牢固地固定输电用共振线圈12。相反，当使输电用气球13膨胀时，也可以为了由输电用气球13覆盖并固定供电用共振线圈21而利用堵塞转移现象。即，预先将粉末/粒体导入受电用气球13，使受电用气球13膨胀并覆盖输电用共振线圈21，然后吸引受电用气球13的内部气体即可。由此，能够通过粉末/粒体的摩擦而固定气球内部，由输电用气球13牢固地固定受电用共振线圈21。此外，粉末/粒子由导磁率高或非接触且不妨碍供电的陶瓷材料（例如，氧化铝、富铝红柱石、铁氧体、镁橄榄石、氧化锆、锆、堇青石、氮化铝、氮化硅、碳化硅、钛酸锆酸铅或含有这些材料的复合化合物）或这些材料与含有高分子材料的树脂的混合物形成。在成为将输电用共振线圈12和受电用线圈21内置于水中基站1和水中航行体2并由输电用气球13和受电用气球27覆盖将电磁波发出至外部的开口部的构造的情况下，以气球部分互相缠绕在一起的方式，在向气球内部导入气体和流体的同时，将粉末/流体导入，针对每个气球而将仅气体或流体的排出在时间上错开，由此能够达成。
（3）在上述实施方式中，举例说明输电装置（水中基站1）固定于海水中且受电装置（水中航行体2）在海水中移动的情况。不限于此，该关系也可以相反，另外，也可以采用输电装置和受电装置的双方在海水中移动那样的系统构成。另外，本发明不限于海水，能够广泛地适用于河川或湖、池沼等水中的电力传输。
（4）输电用共振线圈12和受电用共振线圈21不限定于螺旋线圈。只要能够在输电用共振线圈12与受电用共振线圈21之间通过磁场共振方式来非接触地进行电力传输，就可以是螺线管状等任意的形式或形状的线圈，另外，两个线圈的形式、形状、大小也可以不同。
[产业上的可利用性]
依据本发明所涉及的电力传输系统，能够以低成本实现输电装置及受电装置之间的水中的电力传输。另外，能够防止由于水中所含有的离子等的影响而导致磁场紊乱且在输电装置与受电装置之间电力传输效率下降。
[附图标记说明]
A…电力传输系统、1…水中基站（输电装置）、12…输电用共振线圈、13…输电用气球、14…输电用气球控制机构、2…水中航行体（受电装置）、21…受电用共振线圈、24…电池、27…受电用气球、28…受电用气球控制机构、3…电力系统。
Claims (8)
1.一种输电装置，其中，
具备：在水中通过磁场共振方式来非接触地进行输电的共振线圈；
内含所述共振线圈的气球；以及
使所述气球膨胀或收缩的气球控制机构。
2.如权利要求1所述的输电装置，其中，
所述气球控制机构，在输电时使所述气球膨胀且在其他时段使所述气球收缩。
3.如权利要求1或2所述的输电装置，其中，
所述输电装置设置在所述水中的既定位置并且与地面的电力系统有线连接，是接受要从所述电力系统应输电的电力的供给的水中基站。
4.如权利要求3所述的输电装置，其中，
所述水中基站与地面的水质数据管理装置有线连接，将经由天线接收的水质数据向所述水质数据管理装置有线发送。
5.一种受电装置，其中，
具备：在水中通过磁场共振方式来非接触地接受电力的共振线圈；
内含所述共振线圈的气球；以及
使所述气球膨胀或收缩的气球控制机构。
6.如权利要求5所述的受电装置，其中，
所述气球控制机构，在接受电力时使所述气球膨胀且在其他时段使所述气球收缩。
7.如权利要求5或6所述的受电装置，其中，
所述受电装置是通过电池驱动而在所述水中移动、同时收集水质数据的水中航行体。
8.如权利要求7所述的受电装置，其中，
所述水中航行体在电力传输时将所述水质数据经由天线发送。
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