JP2016096667A - Power supply communication structure and power supply communication line - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、給電通信構造及び給電通信用線路に関する。 The present invention relates to a power feeding communication structure and a power feeding communication line.
任意地点で受電可能な線路に関する従来技術としては、トロリー線路方式(金属線の接触方式)、磁界方式と電界方式がある。 Conventional techniques related to a line that can receive power at an arbitrary point include a trolley line method (metal wire contact method), a magnetic field method, and an electric field method.
トロリー送電方式は、重量、メンテナンス性、特殊環境対応性(クリーン環境対応性を含む)、安全性、信頼性のいずれをとっても問題がある。これらの問題は、導線をむき出しにして擦り付けて使用することに原因がある。 The trolley transmission system has problems in terms of weight, maintainability, special environment compatibility (including clean environment compatibility), safety, and reliability. These problems are caused by the use of bare conductors.
磁界方式は、従来のトロリー送電方式に比べて信頼性、メンテナンス・フリー、環境適合性(クリーン環境、オイルミストや水蒸気の発生する環境等)、安全性で優れていることは認められる。しかし、本電界方式と比較すると重量が重く、シールド(ケーブルの保護)が容易でなく、銅を大量消費し、通信ルートを別途用意しなければならない等の問題を有している。さらに、磁界方式では負荷の有無に関係なく電流を流さなければならないため、銅損が発生し、伝送効率が悪くなる。 It is recognized that the magnetic field method is superior in reliability, maintenance-free, environmental compatibility (clean environment, environment where oil mist and water vapor are generated), and safety compared to the conventional trolley power transmission method. However, compared with the electric field method, the weight is heavy, shielding (cable protection) is not easy, copper is consumed in large quantities, and a communication route has to be prepared separately. Furthermore, in the magnetic field method, current must flow regardless of the presence or absence of a load, so that copper loss occurs and transmission efficiency deteriorates.
ここで、本出願人らは、新たな方式として「電界結合方式」を発明し、さらに、当該新たな方式を実現する新しい回路の技術について発明した(特許文献1参照)。
電界方式は、コンデンサを介して電界で電力伝送する方式であり、磁界方式のようにコイルを用いて磁界的に結びつく方法とは異なる。
Here, the present inventors invented the “electric field coupling method” as a new method, and invented a new circuit technology that realizes the new method (see Patent Document 1).
The electric field method is a method in which electric power is transmitted by an electric field through a capacitor, and is different from a method in which a coil is used to connect magnetically as in the magnetic field method.
トロリー送電方式は、重量、メンテナンス性、特殊環境対応性(クリーン環境対応性を含む)、安全性、信頼性のいずれをとっても問題がある。これらの問題は、導線をむき出しにして擦り付けて使用することに原因がある。
しかし、本発明は、電界方式に関するものである。この電界方式は、接触方式および磁界方式に比して多くの利点を有する。例えば、電界方式と接触方式(トロリー送電方式)との比較を図22に示す。本電界方式は導線をむき出しにして使用しないため、トロリー送電方式の様な問題は発生しない。
The trolley transmission system has problems in terms of weight, maintainability, special environment compatibility (including clean environment compatibility), safety, and reliability. These problems are caused by the use of bare conductors.
However, the present invention relates to an electric field system. This electric field method has many advantages over the contact method and the magnetic field method. For example, a comparison between the electric field method and the contact method (trolley power transmission method) is shown in FIG. Since this electric field method is not used with the conductive wire exposed, there is no problem like the trolley power transmission method.
また、磁界方式は、従来のトロリー送電方式に比べて信頼性、メンテナンス・フリー、環境適合性(クリーン環境、オイルミストや水蒸気の発生する環境等)、安全性で優れていることは認められる。
しかし、本電界方式と比較すると重量が重く、シールド(ケーブルの保護)が容易でなく、銅を大量消費し、通信ルートを別途用意しなければならない等の問題を有している。さらに、磁界方式では負荷の有無に関係なく電流を流さなければならないため、銅損が発生し、伝送効率が悪くなる。
本電界方式では、これらの問題を解決することができる。
電界方式と磁界方式との比較を図23に示す。
In addition, it is recognized that the magnetic field method is superior in reliability, maintenance-free, environmental compatibility (clean environment, environment where oil mist and water vapor are generated), and safety compared to the conventional trolley power transmission method.
However, compared with the electric field method, the weight is heavy, shielding (cable protection) is not easy, copper is consumed in large quantities, and a communication route has to be prepared separately. Furthermore, in the magnetic field method, current must flow regardless of the presence or absence of a load, so that copper loss occurs and transmission efficiency deteriorates.
In this electric field system, these problems can be solved.
A comparison between the electric field method and the magnetic field method is shown in FIG.
今回の発明は、電界方式であるので、電界方式における従来技術との比較を行う。
図1に示す方式(従来の電界方式)は、同軸線路の内部導体10と外部導体9間の電圧を先端が広がって容量接続可能なプローブ13とプローブの外部導体12によって作られる接合容量によって電力が得られる。この従来の電界方式は、金属同士は接触していないが、金属の周囲にある絶縁層同士は接触させるか、極近接空間を保持させる制御が必要である。
この従来の電界方式は、金属同士は接触していないが、金属の周囲にある絶縁層同士は接触させるか、極近接空間を保持させる制御が必要になり、その接触状態に制約を有していた。そのため、実用性が必ずしも高くなかった。より制約がなく、実用性が高い技術が求められていた。
Since the present invention is an electric field system, a comparison is made with the prior art in the electric field system.
The method shown in FIG. 1 (conventional electric field method) uses a junction capacitance formed by a
In this conventional electric field method, metals are not in contact with each other, but it is necessary to control the insulating layers around the metal to be in contact with each other or to maintain a very close proximity space, and the contact state is limited. It was. Therefore, practicality was not necessarily high. There is a need for a technology that is less restrictive and highly practical.
本発明の一実施形態の給電通信構造は、
2組の並行平板と、
前記2組の並行平板に対してインダクタンスを直列又は並列に接続した共振回路と、
前記2組の並行平板の外側に配置された並行2線式線路と、
を備える。
The power feeding communication structure of one embodiment of the present invention is:
Two sets of parallel plates,
A resonance circuit in which an inductance is connected in series or in parallel to the two sets of parallel plates;
A parallel two-wire line disposed outside the two sets of parallel plates;
Is provided.
本発明の一実施形態の給電通信用線路は、
2組の並行平板と、
前記2組の並行平板に対してインダクタンスを直列又は並列に接続した共振回路と、
を含む給電通信構造に用いる給電通信用線路として、
前記2組の並行平板の外側に配置された並行2線式線路
を含む。
The power transmission communication line of one embodiment of the present invention,
Two sets of parallel plates,
A resonance circuit in which an inductance is connected in series or in parallel to the two sets of parallel plates;
As a power supply communication line used for a power supply communication structure including
A parallel two-wire line disposed outside the two sets of parallel flat plates.
本発明は、接触部に制約を有する従来技術と異なり、その制約を緩くできるため、実用性を増すものである。本発明は、任意地点から電力が取り出せるとともに、通信も可能な線路に係るものでもあることから、各種用途に利用可能となり、世の中を大きく変えることにもつながる。
また、本発明は、電界共鳴技術を用いて電力を送信する線路であり、非接触送電を特徴とする。通常の非接触送電では電磁波放射が伴うのに対して、本発明では電磁波を外部に放射しない。また、本発明は、前記効果を有しつつ、通信信号および直流も送電できる。
Unlike the prior art which has restrictions in a contact part, since this restriction can be eased, the present invention increases practicality. The present invention can be used for various purposes because it is related to a line that can take out electric power from any point and can communicate with it, and also leads to a great change in the world.
Further, the present invention is a line for transmitting electric power using an electric field resonance technique, and is characterized by non-contact power transmission. While ordinary non-contact power transmission involves electromagnetic radiation, the present invention does not radiate electromagnetic waves to the outside. Further, the present invention can transmit a communication signal and a direct current while having the above effects.
以下、本発明の原理等について、図を用いてより具体的に説明する。 Hereinafter, the principle of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.
図1に対し、本提案方式は、接触状態を必要としないことが特徴である。 In contrast to FIG. 1, the proposed method is characterized by not requiring a contact state.
図2には、二組の並行平板とインダクタンスを直列に接続した共振回路を示しており、一方に発振器、他方に負荷が接続されていて、発振器のエネルギーが負荷に伝送出来る。 FIG. 2 shows a resonant circuit in which two sets of parallel plates and an inductance are connected in series. An oscillator is connected to one side, and a load is connected to the other side, so that the energy of the oscillator can be transmitted to the load.
同じく、図3には、二組の並行平板とインダクタンスを並列共振させた電力伝送系を示している。
図2および図3の方式で、送電側と受電側の共振周波数を合わせた時に電力送電が可能になる。それは、二組の並行平板間の相互容量によって電力伝送されるため、二つの共振系の距離が離れると伝送電力量は急激に減少する。
Similarly, FIG. 3 shows a power transmission system in which two sets of parallel plates and an inductance are resonated in parallel.
2 and 3, power transmission is possible when the resonance frequencies of the power transmission side and the power reception side are matched. Since power is transmitted by the mutual capacitance between two sets of parallel plates, the amount of transmitted power sharply decreases as the distance between the two resonance systems increases.
これに対し、図4および図5の方式は、並行平板電極の外側に並行二線式線路を配置したものであり、相互容量は、平板と導線間の容量の半分になり、距離には依存しなくなる。ただし、伝送線路としての距離減衰特性は重畳される。図4および図5には、直列共振方式及び並列共振方式を示している。 On the other hand, in the method of FIGS. 4 and 5, parallel two-wire lines are arranged outside the parallel plate electrode, and the mutual capacitance is half of the capacitance between the flat plate and the conductor, and depends on the distance. No longer. However, the distance attenuation characteristic as a transmission line is superimposed. 4 and 5 show a series resonance method and a parallel resonance method.
図6は、直列共振方式の図2および図4の方式伝送特性を電磁界シミュレーションによって求めたものである。電磁界特性として、Sパラメータを用い、S21特性(伝送損失)の距離依存性を求めた。これより、図2の並行平板のみの方式では、すぐに減衰してしまうが、線路を外側に用いた方式では、伝送距離が大きく伸びていることが判る。 FIG. 6 shows the transmission characteristics of the series resonance system shown in FIGS. 2 and 4 by electromagnetic field simulation. Using the S parameter as the electromagnetic field characteristic, the distance dependence of the S21 characteristic (transmission loss) was obtained. From this, it can be seen that the method using only the parallel plate in FIG. 2 attenuates immediately, but the transmission distance is greatly extended in the method using the line on the outside.
図7には、図4および図5の方式の等価回路図を記した。ただし、本図の線路には直流も重畳しており、その直流電源を用いて高周波電電に電力を供給している。19が直流電源であり、高周波が流れないようにチョークコイル21を付けたものとしている。22は高周波発振器であり、線路の任意地点で直流電源を得て高周波を発振するものである。17は、負荷であり、図2および図3に示した並行平板に直列共振方式又は並列共振方式でインダクタと負荷を接続したものである。本図では、直列共振方式、並列共振方式を混在して記している。
FIG. 7 shows an equivalent circuit diagram of the method of FIGS. However, direct current is also superimposed on the line in this figure, and electric power is supplied to the high frequency electric power using the direct current power source.
図4および図5の方式の等価回路をそれぞれ図8および図9に記した。
図8および図9の線路を長くしてゆくと、定在波が出来るが、電圧定在波と電流の定在波配送が90度ずれている。このため、電界成分が強い電界区間と磁界成分が強い磁界区間に分けられる。
The equivalent circuits of the systems of FIGS. 4 and 5 are shown in FIGS. 8 and 9, respectively.
When the lines in FIGS. 8 and 9 are lengthened, a standing wave is generated, but the voltage standing wave and the current standing wave delivery are shifted by 90 degrees. For this reason, it is divided into an electric field section with a strong electric field component and a magnetic field section with a strong magnetic field component.
図10では、線路の一定区間毎にチョークコイル21(ローパスフィルタでも良い)を挿入し、この区間内に一つ以上のMid帯の発振器を設置するとともに(複数設置の場合には、同期を取る)、Mid帯の電流が流れることを阻止している。これにより、全線に渡って電界強度がほぼ一定となる電界区間のみを繋げることが可能になる。図10には、その等価回路図を示している。
電界強度をほぼ一定とするため、波長(λ)のおおよそ1/12の区間を発振器の左右に取る必要がある。このため、一つの電界区間の全長はおおよそλ/6の長さになる。この電界区間内では、電界強度の変化はおおよそ±6%に納まる。
チョークコイルは、直流送電を妨げないので、各電界区間の中心に発振器を置き、それらに直流送電することが可能になる。
この時、電界区間の長さは、発振周波数として1MHzを用いた時には50m、2MHzを用いた時には25m、6.78MHzを用いた時には7.4mとなる。周波数が高いほど、短い間隔毎にチョークコイルを挿入しなければならない。
In FIG. 10, a choke coil 21 (which may be a low-pass filter) is inserted for each fixed section of the line, and one or more mid-band oscillators are installed in this section (in the case of multiple installations, synchronization is achieved). ), Current in the Mid band is prevented from flowing. Thereby, it is possible to connect only the electric field sections in which the electric field strength is almost constant over the entire line. FIG. 10 shows an equivalent circuit diagram thereof.
In order to make the electric field strength almost constant, it is necessary to take a section of about 1/12 of the wavelength (λ) on the left and right of the oscillator. For this reason, the total length of one electric field section is approximately λ / 6. Within this electric field interval, the change in electric field strength is approximately ± 6%.
Since the choke coil does not hinder DC power transmission, an oscillator is placed at the center of each electric field section, and DC power can be transmitted to them.
At this time, the length of the electric field section is 50 m when the oscillation frequency is 1 MHz, 25 m when 2 MHz is used, and 7.4 m when 6.78 MHz is used. The higher the frequency, the more choke coils must be inserted at short intervals.
図11には、同じ考え方を用いて、T分岐させることが可能なことを示している。
ただし、平衡線路はそのインピーダンスが高いため、電磁波放射しやすい点が問題である。加えて、並行平板共振器自体も電磁波を外部に放射させている。電磁波が強く外部に放射される系では実用化することが困難である。
FIG. 11 shows that T branching can be performed using the same concept.
However, since the impedance of the balanced line is high, the problem is that it is easy to radiate electromagnetic waves. In addition, the parallel plate resonator itself radiates electromagnetic waves to the outside. It is difficult to put it to practical use in a system in which electromagnetic waves are strongly radiated to the outside.
この問題を解決するため、図12に示すように、シールドとして機能する外部導体9を設けた。シールドの一部にスリットを設けて受電部の出力を外部に取り出している。これにより、外観は図1の方式と同じになるが、受電部を内導体及び外導体に接触させる必要は無くなる。
さらに、本線路に通信機能を付ける。通信機能は、平衡線路を構成する二つの線を共に内導体として考え、外導体に対して同軸線路として機能させる。このため、外部から導入する通信信号は、コンデンサを介して二つの線路に等しく印加され、図12の27で示す電界を形成する。内部導体である平衡線路が、電力伝送の為に作る電界が28であり、それらの一部は重なるが基本的には独立している。
通信を行う際には、並行平板に接続された二つの線全体がプローブとして動作するため、二つの線を囲んだピックアップコイル29によって送受信がなされる。また、ピックアップコイルが強く線路内の電界と結びつくことを防止する目的でチョークコイル21をピックアップ内に設ける。
In order to solve this problem, as shown in FIG. 12, an
In addition, a communication function is added to this track. The communication function considers two lines constituting the balanced line as inner conductors, and allows the outer conductor to function as a coaxial line. For this reason, the communication signal introduced from the outside is equally applied to the two lines through the capacitor, and forms an electric field indicated by 27 in FIG. The balanced line that is the inner conductor has 28 electric fields for power transmission, and some of them overlap but are basically independent.
When performing communication, since the entire two lines connected to the parallel plate operate as a probe, transmission / reception is performed by the
図13には、外部導体まで含めた等価回路を示している。さらに、直流送電(DC)、非接触電力送電(MHz帯 Mid)、通信(GHz帯、High)まで含めて記載している。これに伴い、電圧区間を区切るチョークコイルは、Mid Notch Filter35に変わっている。また、終端部には、通信用終端抵抗が付けられている。
FIG. 13 shows an equivalent circuit including the outer conductor. In addition, DC power transmission (DC), contactless power transmission (MHz band Mid), and communication (GHz band, High) are also included. Along with this, the choke coil that divides the voltage section is changed to a
図13は、平衡線路を直流的にも平衡線路として使用したもの、図14は直流的に不平衡線路として使用した場合を示している。 FIG. 13 shows a case where a balanced line is used as a balanced line also in terms of DC, and FIG. 14 shows a case where it is used as an unbalanced line in terms of DC.
図15は、電界区間というものを設けることなく、全線路に渡って定在波を作る構造の線路を示している。これにより、定在波が電界区間、磁界区間が交互に現れており、電界および磁界共にピークと0点まで変化する。図15は、Mid帯電源を一つ儲けた場合であり、図16は、複数個設置することを許した場合である。ただし、各発振器は同期を取って発信させることが必要になる。 FIG. 15 shows a line having a structure that creates a standing wave over the entire line without providing an electric field section. Thereby, the standing wave appears alternately in the electric field section and the magnetic field section, and both the electric field and the magnetic field change to the peak and zero point. FIG. 15 shows a case where one Mid-band power source is installed, and FIG. 16 shows a case where a plurality of Mid-band power sources are allowed to be installed. However, it is necessary to synchronize each oscillator.
図17には、Mid帯の電圧定在波および電流定在波を記しているが、これより、電界エネルギーが取得可能な電界結合出力域30と、磁界エネルギーが取得可能な磁界結合出力域31は、オーバーラップしており、この区間は電界的、磁界的にエネルギーを取ることが可能である。
FIG. 17 shows a voltage standing wave and a current standing wave in the Mid band. From this, an electric field
図18には、磁界的にエネルギーを取り出すコイルを用いた受電システムを記している。並行平板コンデンサの代わりに共振コイル33が置かれ、そのエネルギーをピックアップコイル29で取り出している。
FIG. 18 shows a power receiving system using a coil that extracts energy magnetically. A
ここで、重要な専門用語について、記載しておく。
電磁誘導式とは、磁束が変動する環境下に存在する導体に電位差(電圧)が生じる現象を利用して電力伝送させる方式をいう。
磁界共鳴式とは、電磁誘導方式に共鳴回路を付け、伝送効率を改善した方式をいう。
電界結合式とは、コンデンサを介して電力を伝送する方式をいい、共鳴回路を用いて伝送効率を向上させている。
Here are some important terminology.
The electromagnetic induction method refers to a method of transmitting power using a phenomenon in which a potential difference (voltage) is generated in a conductor that exists in an environment in which magnetic flux fluctuates.
The magnetic resonance method is a method in which a resonance circuit is added to the electromagnetic induction method to improve transmission efficiency.
The electric field coupling method refers to a method of transmitting electric power through a capacitor, and the transmission efficiency is improved by using a resonance circuit.
1 並行平板コンデンサ、2 高周波電源、3 直列共振インダクタ、4 負荷(整流、平滑回路を含む)、5 並列共振インダクタ、6 トランス、7 平行平板線路、8 スリット付同軸線路、9 外部導体、10 内部導体、11 コネクタ、12 コネクタ外部導体、13 コネクタ内部導体、14 弾性誘電体、15 容量性結合または接触結合、16 送電ユニット、17 受電ユニット、18 接合容量、19 直流源、20 直流阻止コンデンサ、21 チョークコイル、22 Mid帯電源、23 High帯電源、24 幹線、25 支線、26 トランシーバ、27 Mid帯電界、28 High帯電界、29 ピックアップコイル、30 電界結合出力域、31 磁界結合出力域、32 出力合成又は分岐装置、33 共鳴型コイル、34 Mid帯磁界、35 Mid帯ノッチフィルタ、36 Mid帯透過フィルタ、37 共振インダクタ 1 parallel plate capacitor, 2 high frequency power supply, 3 series resonance inductor, 4 load (including rectification and smoothing circuit), 5 parallel resonance inductor, 6 transformer, 7 parallel plate line, 8 coaxial line with slit, 9 external conductor, 10 inside Conductor, 11 connector, 12 connector outer conductor, 13 connector inner conductor, 14 elastic dielectric, 15 capacitive coupling or contact coupling, 16 power transmission unit, 17 power receiving unit, 18 junction capacity, 19 DC source, 20 DC blocking capacitor, 21 Choke coil, 22 Mid band power supply, 23 High band power supply, 24 Trunk line, 25 Branch line, 26 Transceiver, 27 Mid band electric field, 28 High band electric field, 29 Pickup coil, 30 Electric field coupling output area, 31 Magnetic field coupling output area, 32 outputs Synthesis or branching device, 33 resonant coil, 34 Mid-band magnetic field, 35 Mid Notch filter, 36 Mid band transmission filter, 37 the resonant inductor
Claims (2)
前記2組の並行平板に対してインダクタンスを直列又は並列に接続した共振回路と、
前記2組の並行平板の外側に配置された並行2線式線路と、
を備える給電通信構造。 Two sets of parallel plates,
A resonance circuit in which an inductance is connected in series or in parallel to the two sets of parallel plates;
A parallel two-wire line disposed outside the two sets of parallel plates;
A power supply communication structure comprising:
前記2組の並行平板に対してインダクタンスを直列又は並列に接続した共振回路と、
を含む給電通信構造に用いる給電通信用線路として、
前記2組の並行平板の外側に配置された並行2線式線路、
を含む給電通信用線路。 Two sets of parallel plates,
A resonance circuit in which an inductance is connected in series or in parallel to the two sets of parallel plates;
As a power supply communication line used for a power supply communication structure including
Parallel two-wire lines arranged outside the two sets of parallel plates;
Power transmission communication line including.
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