JP2018191474A - 送電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】環状の伝送コイルの変形を抑制でき、非接触電力伝送における伝送効率の低下を抑制できる。【解決手段】送電装置100は、水中において、受電コイルCLBを有する受電装置200に電力を伝送する。送電装置100は、磁界を介して受電コイルCLBに電力を伝送する送電コイルCLAを含む1つ以上の環状のコイルCLと、環状のコイルCLにより形成されるコイルCLの内方の空間に配置され、環状のコイルCLの内周に沿う外周を有し、コイルCLを内方から支持するボビンbnと、交流電力を送電コイルCLAへ送電する送電回路150と、コイルCLに接続されると共に、コイルCLと共に共振する共振回路152を形成するコンデンサCAと、を備える。【選択図】図1

Description

本開示は、受電コイルを有する受電装置に電力を伝送する送電装置に関する。
従来、送電装置としての水中基地局が、受電装置としての水中航走体との間で、磁気共鳴方式を用いて非接触で電力伝送することが知られている(例えば特許文献1参照)。この送電装置は、送電用共鳴コイルと、風船と、風船制御機構と、を具備する。送電用共鳴コイルは、磁界共鳴方式により受電装置の受電用共鳴コイルに非接触で電力伝送する。風船は、送電用共鳴コイルを内包する。風船制御機構は、風船を電力伝送時に膨張させることにより、送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルとの間の水を排除する。
また、13.56MHz帯の周波数を用いる電磁誘導方式を利用して、電力とデータをIC搭載媒体に送信するアンテナ装置が知られている(例えば特許文献2参照)。このアンテナ装置は、信号電流が給電される少なくとも1つの給電ループアンテナと信号電流が給電されない少なくとも1つの無給電ループアンテナを有し、給電ループアンテナが発生する磁界を利用して無給電ループアンテナにも信号電流を発生させ、給電ループアンテナの通信範囲を拡大させる点を開示している。
特開2015−015901号公報 特開2005−102101号公報
磁界共鳴方式による電力伝送には、少なくとも送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルを含む複数の電力伝送用の環状の伝送コイルが用いられる。1つ以上の環状の伝送用コイルを水中(例えば真水又は海水)に沈めた場合、水流等によって各伝送コイルの形状が変形することがある。この場合、各伝送コイルにより発生する磁界の形成効率が低下し、磁界を介して電力伝送する非接触電力伝送(ワイヤレス給電)の伝送効率が低下する。
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、環状の伝送コイルの変形を抑制でき、水中での非接触電力伝送における伝送効率の低下を抑制できる送電装置を提供する。
本開示の送電装置は、水中において、受電コイルを有する受電装置に電力を伝送する送電装置であって、磁界を介して受電コイルに電力を伝送する送電コイルを含む1つ以上の環状の伝送コイルと、環状の伝送コイルにより形成される伝送コイルの内方の空間に配置され、環状の伝送コイルの内周に沿う外周を有し、伝送コイルを内方から支持する支持部材と、交流電力を送電コイルへ送電する送電部と、伝送コイルに接続されると共に、伝送コイルと共に共振する共振回路を形成するコンデンサと、を備える。
本開示によれば、環状の伝送コイルの変形を抑制でき、水中での非接触電力伝送における伝送効率の低下を抑制できる。
実施形態における電力伝送システムが置かれる環境の一例を示す模式図 電力伝送システムの構成例を示すブロック図 ヘリカル巻きの送電コイル、中継コイル及びヘリカル巻きの受電コイルの形状を示す斜視図 一部が非磁性の金属材料で成形されたボビンを示す図 スペーサの形状を示す斜視図 スペーサの上面の形状を示す正面図 スペーサの下面の形状を示す斜視図 畳んだ状態の3つのコイルを示す斜視図 中継ボックスの外観を示す斜視図 中継ボックスの外観を示す正面図 中継ボックスの内部の構造を示す斜視図 中継ボックスの内部の構造を示す平面図 ヘリカル巻きの送電コイル及び中継コイル並びにスパイラル巻きの受電コイルの形状を示す斜視図 スパイラル巻きのコイルの構造を示す斜視図 スパイラル巻きのコイルの構造を示す正面図 スパイラル巻きのコイルの構造を示す分解斜視図 スパイラル巻きの送電コイル及び中継コイル並びにスパイラル巻きの受電コイルの形状を示す斜視図 スパイラル巻きの送電コイル及び中継コイル並びにスパイラル巻きの受電コイルの形状を示す正面図 ヘリカル巻きのコイルを用いた横型の給電スタンドの外観を示す斜視図 ヘリカル巻きのコイルを用いた横型の給電スタンドの外観を示す正面図 ヘリカル巻きのコイルを用いた横型の給電スタンドの外観を示す側面図 ヘリカル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンドの外観を示す斜視図 ヘリカル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンドの外観を示す正面図 ヘリカル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンドの外観を示す側面図 スパイラル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンドの外観を示す斜視図 スパイラル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンドの外観を示す正面図 スパイラル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンドの外観を示す側面図 スクリュー部に受電コイルが配置されたAUVを示す正面図 スクリュー部に受電コイルが配置されたAUVを示す側面図 スクリュー部に受電コイルが配置されたAUVを示す斜視図 胴部の後部にヘリカル巻の受電コイルが配置されたAUVを示す正面図 胴部の後部にヘリカル巻の受電コイルが配置されたAUVを示す側面図 胴部の後部にヘリカル巻の受電コイルが配置されたAUVを示す斜視図 胴部の後部にスパイラル巻きの受電コイルが配置されたAUVを示す正面図 胴部の後部にスパイラル巻きの受電コイルが配置されたAUVを示す側面図 胴部の後部にスパイラル巻きの受電コイルが配置されたAUVを示す斜視図 胴部の後部にヘリカル巻きの受電コイルが前後方向に垂直な方向に沿って配置されたAUVを示す正面図 胴部の後部にヘリカル巻きの受電コイルが前後方向に垂直な方向に沿って配置されたAUVを示す側面図 胴部の後部にヘリカル巻きの受電コイルが前後方向に垂直な方向に沿って配置されたAUVを示す斜視図 胴部から突出する翼部の下面にスパイラル巻きの受電コイルが配置されたAUVを示す正面図 胴部から突出する翼部の下面にスパイラル巻きの受電コイルが配置されたAUVを示す側面図 胴部から突出する翼部の下面にスパイラル巻きの受電コイルが配置されたAUVを示す斜視図 胴部の後部にスパイラル巻きの受電コイルが前後方向に垂直な方向に沿って配置されたAUVを示す正面図 胴部の後部にスパイラル巻きの受電コイルが前後方向に垂直な方向に沿って配置されたAUVを示す側面図 胴部の後部にスパイラル巻きの受電コイルが前後方向に垂直な方向に沿って配置されたAUVを示す斜視図 海中給電の第1の態様を示す図 海中給電の第2の態様を示す図 海中給電の第3の態様を示す図 海中給電の第4の態様を示す図 海中給電の第5の態様を示す図 海中給電の第6の態様を示す図
以下、適宜図面を参照しながら、実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。尚、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるものであり、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
[構成等]
図1は、実施形態における電力伝送システム10が置かれる環境の一例を示す模式図である。電力伝送システム10は、送電装置100、受電装置200、及びコイルCLを備える(図2参照)。送電装置100は、受電装置200に対して、複数のコイルCLを介して、磁気共鳴方式に従ってワイヤレス(無接点)で電力伝送する。配置されるコイルCLの数は、n個であり、任意である。
コイルCLは、例えば、環状に形成され、樹脂のカバーで被覆されて絶縁されている。また、コイルCLは、例えばキャブタイヤケーブルで形成されてよい。コイルCLは、例えば、ヘリカルコイルやスパイラルコイルでよい。ヘリカルコイルは、同一平面内ではなく、磁気共鳴方式による電力の伝送方向(単に「伝送方向」とも称する)に沿って、螺旋状に巻回された(ヘリカル巻きで形成された)環状のコイルである。スパイラルコイルは、同一平面内において巻回された(スパイラル巻きで形成された)環状のコイルである。スパイラルコイルによれば、コイルCLの厚みを確保することが困難な場合でも、コイルCLを薄型化できる。ヘリカルコイルによれば、巻回されたコイルCLの内部の空間を広く確保し得る。
コイルCLは、送電コイルCLA及び受電コイルCLBを含む。送電コイルCLAは、一次コイル(Primary Coil)であり、受電コイルCLBは、二次コイル(Secondary Coil)である。
また、コイルCLは、送電コイルCLAと受電コイルCLBとの間に配置された1つ以上の中継コイルCLC(Booster Coil)を含んでもよい。中継コイルCLC同志は、略平行に配置され、中継コイルCLCにより形成される開口面の半分以上が重なる。複数の中継コイルCLC間の間隔は、例えば中継コイルCLCの半径以上確保される。中継コイルCLCは、送電コイルCLAによる電力伝送を補助する。
送電コイルCLAは、送電装置100に設けられる。受電コイルCLBは、受電装置200に設けられる。中継コイルCLCは、送電装置100に設けられても、受電装置200に設けられても、送電装置100及び受電装置200とは別に設けられてもよい。中継コイルCLCは、一部が送電装置100に設けられ、他の一部が受電装置200に設けられてもよい。
送電装置100は、その一部が船舶50に設置されてもよいし、その他の箇所に配置されてもよい。受電装置200は、移動可能な水中航走体60(例えば潜水艇70や水底掘削機80)や固定的に設置される受電装置(例えば地震計、監視カメラ、地熱発電機)に設置されてよい。各コイルCLは、水中(例えば海中)に配置される。
潜水艇70は、例えば、遠隔操作無人探査機(ROV:Remotely Operated Vehicle)、無人潜水艇(UUV:Unmanned Underwater Vehicle)、又は自立型無人潜水機(AUV:Autonomous Underwater Vehicle)を含んでよい。
船舶50の一部は、水面90(例えば海面)より上部つまり水上に存在し、船舶50の他の一部は、水面90よりも下部つまり水中に存在する。船舶50は、水上で移動可能であり、例えばデータ取得場所の水上へ自由に移動可能である。船舶50の送電装置100と送電コイルCLAとの間は、電線20(電力ケーブル)により接続される。電線20は、水上のコネクタを介して、例えば送電装置100内のドライバ151(図2参照)と接続される。
水中航走体60は、水中又は水底95(例えば海底)に存在し、水中又は水底95を航走する。例えば、水上の船舶50からの指示により、データ取得ポイントへ自由に移動可能である。船舶50からの指示は、各コイルCLを介した通信により伝送されてもよいし、その他の通信方法により伝送されてもよい。
各コイルCLは、例えば等間隔に配置される。隣り合うコイルCL間の距離(コイル間隔)は、例えば5mである。コイル間隔は、例えばコイルCLの直径の半分程度の長さである。伝送周波数は、水中又は海中での磁界強度の減衰量を考慮ると、例えば40kHz以下であり、10kHz未満とされることが好ましい。また、10kHz以上の送信周波数で電力伝送する場合には、電波法の規定に基づいて所定のシミュレーションを行う必要があり、10kHz未満の場合にはこの作業を省略できる。尚、伝送周波数が低周波であるほど、電力伝送距離が長くなり、コイルCLが大きくなり、コイル間隔が長くなる。なお、伝送周波数は、例えば通信信号が重畳される場合、40kHzよりも高い周波数でもよい。
伝送周波数は、コイルCLのインダクタンス、コイルCLの直径、コイルのCLの巻き数等のコイル特性に基づき定まる。コイルCLの直径は、例えば数m〜数10mである。また、コイルCLの太さが太い程、つまりコイルCLの線径が大きい程、コイルCLでの電気抵抗が減り、電力損失が小さくなる。また、コイルCLを介して伝送される電力は、例えば50W以上であり、kWオーダーでもよい。
また、送電装置100は、1つ以上のボビンbn、1つ以上の中継ボックス300、1つ以上のスペーサ350、を備えてよい。
ボビンbnの材料は、非導電性又は非磁性の材料でよく、例えば、ポリ塩化ビニル、アクリル、ポリエステル等の樹脂が用いられてよい。なお、ボビンの材料は、誘電性を有してもよい。例えば、ボビンの材料としてポリ塩化ビニルを用いると、安価で入手し易く、加工し易くなる。ボビンbnが非導電性を有することで、送電装置100は、コイルCLに流れる交流電流に起因して発生する磁界が、ボビンbnに吸収されることを抑制できる。これにより、送電装置100は、磁界の強さを維持することで、磁界を介して電力伝送される際の伝送効率の低下を抑制できる。ボビンbnが非磁性を有することで、送電装置100は、コイルCLを流れる電流がボビンbnを介して導電率の高い水中へ伝達されることを抑制できる。よって、送電装置100は、コイルCLを流れる電流の大きさを維持でき、電流を基に発生する磁界の強さを維持でき、磁界を介して電力伝送される際の伝送効率の低下を抑制できる。
ボビンbnは、筒状に形成されてよいし、他の形状に形成されてもよい。ボビンbnは、その外周にコイルCLを巻き付けることで、例えば水中において、コイルCLの一部が内側に変形することを抑制できる。そのため、ボビンbnは、コイルCLの他部が外側に変形することも抑制できる。よって、コイルCLをボビンbnに沿わせることで、コイルCLが所望の形状に成形し易く、変形し難い。
また、コイルCLは、コイルCL自身の重さで撓むこともある。例えば1つのコイルCLが250kg程であるとすると、多くのコイルCL(例えば送電コイルCLA、1つ以上の中継コイルCLC)が連結されると、10倍程度の重さとなることもある。複数のコイルCLが連結されて水深方向に整列して水中に沈められると、その重さにより各コイルCLが変形し易くなる。これに対し、送電装置100は、ボビンbnを用いることで、各コイルCLの変形を抑制できる。
また、環状に形成されるコイルCLの直径が長い程、電力伝送距離を長くできる。一方、コイルCLの直径が長い程、コイルCLの線材が多くなり、コイルCLが重くなり、コイルCLに撓みが生じやすくなる。コイルCLの直径が長くなると、コイルCLが内側に変形しようとする力が大きくなるためである。したがって、送電装置100は、ボビンbnを用いることで、電力伝送距離を確保しながら、コイルCLの変形に起因する伝送効率の低下を抑制できる。
中継ボックス300は、ボビンbnの外周において、巻回されるコイルCLの始端と終端とを接続し、環状のコイルCLを形成可能とする。また、中継ボックス300では、コイルCLとコンデンサとにより、共振回路が形成される。
スペーサ350は、ボビンbnの内周の所定数の箇所(例えば4箇所)において、ボビンbnを把持するように取り付けられてよい。スペーサ350の数は、例えばコイルCLの直径に基づいてよく、コイルCLの直径が長い程、スペーサが多数(例えば4つ以上)設けられてよい。スペーサ350は、ボビンbnの外周に巻回されたコイルCLを挟み込んで支持してよい。
送電装置100は、各コイルCLを展開するためのコイル展開ロープ451や各コイルCLを連結するためのコイル連結ロープ452,453を備えてよい。コイル展開ロープ451は、最下部(最深部)のコイルCLから最上部(最浅部)のコイルCLまでを、スペーサ350を介して連結する。コイル連結ロープ452,453は、水深方向(上下方向)に隣り合う2つのコイルCLを、スペーサ350を介して連結する。
なお、コイル展開ロープ451は、最深部側に引き伸ばされ、最深部側において錘が接続されてもよい。また、コイル展開ロープ451は、最浅部側に引き伸ばされ、最浅部側においてブイ(Buoy)が接続されてもよい。
送電装置100は、錘により、コイル展開ロープ451で接続された各ボビンbnやコイルCLの移動を規制できる。よって、水中において水流が発生しても、送電装置100は、錘により各コイルCLの移動を規制でき、コイルCLを用いた電力伝送の効率の低下を抑制できる。
また、コイル展開ロープ451において、最深部側の端部に錘が接続され、最浅部側の端部にブイが接続されることで、錘が水底側、ブイが水面側となり、コイル展開ロープ451が水面90と略垂直となる姿勢を維持できる。よって、各コイルCLにより定義される面は、水面90と略平行となり、磁界共鳴方式によって水深方向(水面90と略直交する方向)に電力伝送できる。
図2は、電力伝送システム10の構成例を示すブロック図である。電力伝送システム10は、送電装置100及び受電装置200を備える。
送電装置100は、電源110、ADC(AC/DC Converter)120、CPU(Central Processing Unit)130、情報通信部140、及び送電回路150、を備える。
ADC120は、電源110から供給される交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力は、送電回路150へ送られる。
CPU130(プロセッサの一例)は、送電装置100の各部(例えば電源110、ADC120、情報通信部140、送電回路150)の動作を統括する。
情報通信部140は、受電装置200との間で通信される通信データを変調又は復調するための変復調回路141を含む。情報通信部140は、例えば、送電装置100から受電装置200への制御情報を、コイルCLを介して送信する。情報通信部140は、例えば、受電装置200から送電装置100へのデータを、コイルCLを介して受信する。このデータは、例えば、受電装置200により水中探査や水底探査された探査結果のデータが含まれる。情報通信部140により、水中航走体60がデータ収集等の作業しながら、水中航走体60との間で迅速にデータ通信できる。
送電回路150は、ドライバ151及び共振回路152を含む。ドライバ151は、ADC120からの直流電力を所定の周波数の交流電圧(パルス波形)に変換する。共振回路152は、コンデンサCAと送電コイルCLAとを含んで構成され、ドライバ151からのパルス波形の交流電圧から正弦波波形の交流電圧を生成する。送電コイルCLAは、ドライバ151から印加される交流電圧に応じて、所定の共振周波数で共振する。尚、送電コイルCLAは、送電装置100の出力インピーダンスにインピーダンス整合される。
尚、ドライバ151が変換することで得られる交流電圧に係る所定の周波数は、送電装置100と受電装置200との間での電力伝送の伝送周波数に相当し、共振周波数に相当する。伝送周波数は、例えば、各コイルCLのQ値に基づき設定されてよい。
受電装置200は、受電回路210、CPU220、充電制御回路230、2次電池240、及び情報通信部250を備える。
受電回路210は、整流回路211、レギュレータ212、及び共振回路213を含む。共振回路213は、コンデンサCBと受電コイルCLBとを含んで構成され、送電コイルCLAから送電された交流電力を受電する。尚、受電コイルCLBは、受電装置200の入力インピーダンスにインピーダンス整合される。整流回路211は、受電コイルCLBに誘起された交流電力を直流電力に変換する。レギュレータ212は、整流回路211から送られる直流電圧を、2次電池240の充電に適合する所定の電圧に変換する。
CPU220(プロセッサの一例)は、受電装置200の各部(例えば受電回路210、充電制御回路230、2次電池240、情報通信部250)の動作を統括する。
充電制御回路230は、2次電池240の種別に応じて2次電池240への充電を制御する。例えば、2次電池240がリチウムイオン電池の場合、充電制御回路230は、定電圧で、レギュレータ212からの直流電力により2次電池240への充電を開始する。
2次電池240は、送電装置100から伝送された電力を蓄積する。2次電池240は、例えばリチウムイオン電池である。
情報通信部250は、送電装置100との間で通信される通信データを変調又は復調するための変復調回路251を含む。情報通信部250は、例えば、送電装置100から受電装置200への制御情報を、コイルCLを介して受信する。情報通信部250は、例えば、受電装置200から送電装置100へのデータを、コイルCLを介して送信する。このデータは、例えば、受電装置200により水中探査や水底探査された探査結果のデータが含まれる。情報通信部250により、水中航走体60がデータ収集等の作業しながら、船舶50との間で迅速にデータ通信できる。
尚、中継コイルCLCは、送電コイルCLA及び受電コイルCLBと同様に、コンデンサCCとともに共振回路を構成する。つまり、本実施形態では、共振回路が水中において多段に配置されることで、磁気共鳴方式により電力が伝送される。
次に、送電装置100から受電装置200への電力伝送について説明する。
共振回路152では、送電装置100の送電コイルCLAに電流が流れると送電コイルCLAの周囲に磁場が発生する。発生した磁場の振動は、同一の周波数で共振する中継コイルCLCを含む共振回路又は受電コイルCLBを含む共振回路213に伝達される。
中継コイルCLCを含む共振回路では、磁場の振動により中継コイルCLCに電流が励起され、電流が流れ、中継コイルCLCの周囲に更に磁場が発生する。発生した磁場の振動は、同一の周波数で共振する他の中継コイルCLCを含む共振回路又は受電コイルCLBを含む共振回路213に伝達される。
共振回路213では、中継コイルCLC又は送電コイルCLAの磁場の振動により、受電コイルCLBに交流電流が誘起される。誘起された交流電流が整流され、所定の電圧に変換され、2次電池240に充電される。
図3はヘリカル巻きの送電コイルCLA、中継コイルCLC及びヘリカル巻きの受電コイルCLBの形状を示す斜視図である。図3では、中継コイルCLCとして、中継コイルCLC−1と中継コイルCLC−2の2つが用いられている。なお、中継コイルCLCの数は任意である。中継コイルCLCの数が増えると、電力を伝送可能な距離が長くなる。図3は、後述する他図を用いた説明において、適宜参照される。
ヘリカル巻きの送電コイルCLA及び中継コイルCLCは、ボビンbnの外周に所定回数(例えば5回)巻回されてよい。送電コイルCLA及び中継コイルCLCは、ボビンbnの外周において所定数の箇所(例えば3箇所)において、結束バンド410によりボビンbnに締結されてよい。
ヘリカル巻きの受電コイルCLBは、コイルの径方向のサイズが送電コイルCLAと比べて小さいが、送電コイルCLAと同様の基本的構造を有する。受電コイルCLBは、ボビンbn5の外周に、複数回(例えば5巻)巻回されて巻き付けられる。また、受電コイルCLBは、ボビンbn5の外周の所定数の箇所(例えば3箇所)において、結束バンド510によりボビンbn5に締結されてよい。
スペーサ550は、ボビンbn5の内周の所定数の箇所(例えば4箇所)において、ボビンbn5を把持するように取り付けられてよい。スペーサ550は、ボビンbn5の外周に巻かれた受電コイルCLBを挟み込むように支持してよい。また、ボビンbn5の外周には、受電コイルCLBの始端と終端とが接続される中継ボックス580が取り付けられてよい。
図3では、ボビンbnは、ボビンbn1,bn2,bn3を含んでいるが、ボビンbnの数は任意である。スペーサ350は、スペーサ350−1,350−2,350−3を含んでいるが、スペーサ350の数は任意である。
図3では、コイル展開ロープ451やコイル連結ロープ452,453の長さが調整可能である。これにより、図3において上下方向に隣り合うボビンbnやコイルCLの距離を変更可能である。例えば、運搬時には、コイル展開ロープ451やコイル連結ロープ452,453の長さを短くしてボビンbnやコイルCLを接近させ(「畳む」とも称する)、水中設置時には、コイル展開ロープ451やコイル連結ロープ452,453の長さを長くして一定の長さとし、ボビンbnやコイルCLを遠ざける(「展開」するとも称する)。このように畳んだり展開したりすることが可能な伸縮自在のボビンを、展開式ボビンとも称する。
図3のように、電力伝送システム10は、各コイルCLの巻き方をヘリカル巻きに統一することで、ボビンbnの内部の空間を広く確保できる。そのため、送電装置100は、仮にボビンbnの体積を大きく確保できない場合でも、ボビンbn内部の空間を広く確保でき、多くの水中航走体60の受電コイルCLBに充電可能となる。また、受電コイルCLBを搭載する水中航走体60の小型化も実現できる。
なお、ボビンbnの材料として、ボビンbnの一部に、導電性を有する金属材料が用いられてもよい。この場合、ボビンbnが周方向に導通しないように、周方向の一部が電気的に絶縁される。金属材料は、高周波磁界の発生の妨げとならないような非磁性の金属でよい。非磁性金属として、アルミニウム、一部のステンレス等が挙げられる。
図4は、一部が非磁性の金属材料で成形されたボビンbn10を示す図である。ボビンbn10は、周方向にC字形に形成された非磁性金属m10と、非磁性金属m10の周方向の隙間を埋めるように、周方向の少なくとも一箇所に形成された絶縁材In10とで環状に成形される。絶縁材In10には、ベークライトやガラスエポキシ樹脂等が用いられてよい。絶縁材In10によってボビンbn10が周方向において非導電となるので、ボビンbnに金属材料が用いられても、実質的に非導電性材料と同様、電流がボビンbnの周方向に流れない。そのため、送電装置100は、コイルCLを流れる電流がボビンbn10に漏出し、電力伝送効率が低下することを抑制できる。このように、ボビンbn10の一部に金属材料を用いることが可能である。
次に、スペーサ350の詳細について説明する。
図5Aはスペーサ350の形状を示す斜視図である。図5Bはスペーサ350の上面の形状を示す正面図である。図5Cはスペーサ350の下面の形状を示す斜視図である。
スペーサ350は、第1部材351と第2部材352と第3部材353とを有する。第1部材351は、ボビンbnの外周に平行な第1面351zを有する。第2部材352は、第1部材351の一端部に連結し、第1面に垂直な第2面352zを有する。第3部材353は、第1部材351の他端部に連結し、第2面と対向するとともに、第1面に垂直な第3面353zを有する。スペーサ350は、全体でコの字形状に形成されてよい。
第2部材352の第2面(上面)352zには、コイル連結ロープ用の貫通孔354a,354bが2箇所に形成される。また、第3部材353の第3面(下面)353zには、コイル連結ロープ用の貫通孔355a,355bが2箇所に形成される。上下の貫通孔354a,355aには、コイルCLを連結するためのコイル連結ロープ453が挿通される。
貫通孔354a,355aには、自身のスペーサ350(自スペーサ)と1段下の他のスペーサ350(他スペーサ)とを連結するためのコイル連結ロープ453が挿通される。コイル連結ロープ453は、例えば、1段下の他スペーサから延びてきて、第3部材353の貫通孔355aの下側から上側へ通過し、第1部材351の貫通孔354aを下側から上側へ通過し、自スペーサの外側において上側から下側へ折り返されて、第3部材353の貫通孔355aの下側において、1段下の他スペーサから延びてきたコイル連結ロープ453と結ばれてよい。つまり、貫通孔354a,355aを介してコイル連結ロープ453がスペーサ350周辺を一周してよい。
同様に、貫通孔354a,355bには、自スペーサと1段上の他スペーサとを連結するためのコイル連結ロープ452が挿通される。コイル連結ロープ452は、例えば、1段上の他スペーサから延びてきて、第1部材351の貫通孔354bの上側から下側へ通過し、第3部材353の貫通孔355bを上側から下側へ通過し、自スペーサの外側において下側から上側へ折り返されて、第1部材351の貫通孔354bの上側において、1段上の他スペーサから延びてきたコイル連結ロープ452と結ばれてよい。つまり、貫通孔354b,355bを介してコイル連結ロープ452がスペーサ350周辺を一周してよい。
コイル連結ロープ452,453の長さは、自スペーサと上下に隣り合う他スペーサとの間のいずれにおいても、一定に揃えられる。従って、各コイルCLの展開には、上下のスペーサ350間の距離、つまりコイルCL間の距離(間隔)は、一定となる。これは、同じボビンbnやコイルCLを挟持する他のスペーサ350のいずれにおいても、同様である。従って、水平方向におけるいずれのスペーサの配置箇所においてもコイル連結ロープ452,453の長さが一定となり、水平方向においてコイルCLのバランスが保たれる。
第2部材352の第2面352zには、スペーサ350を上下に重ねる際の位置決め用の凸部361が、貫通孔354a,354bの間に形成される。凸部361の中央部には、コイル展開ロープ用の貫通孔361aが形成される。同様に、第3部材353の第3面353zには、スペーサ350を上下に重ねる際、他スペーサの第2部材352の凸部361と係合(例えば嵌合)するための位置決め用の凹部362が、貫通孔355a,355bの間に形成される。スペーサ350の凹部362の中央部には、他スペーサの凸部361に形成された貫通孔361aと対向するように、コイル展開ロープ用の貫通孔362aが形成される。上下に並ぶ貫通孔361a,362aには、1本のコイル展開ロープ451が挿通される。上下に並ぶ貫通孔361a,362aは、伝送方向に並び、コイルCL(送電コイルCLA、中継コイルCLC−1、CLC−2)をそれぞれ把持する複数のスペーサ350にそれぞれ形成される。
コイル展開ロープ451を上下方向に延ばす(展開する)ことで、3つのコイルCLが吊り下げられ、送電コイルCLA、中継コイルCLC−1、CLC−2が伝送方向に並ぶ。また、コイル連結ロープ452,453が一定の長さに揃えられることで、各スペーサ350で把持される送電コイルCLA、中継コイルCLC−1、CLC−2は、伝送方向に一定の間隔で保持される。
このように、コイル展開ロープ451及びコイル連結ロープ452,453(所定長の連結部材の一例)によって、コイル展開ロープ451及びコイル連結ロープ452,453の展開状態において、水平方向における各スペーサ350のバランスを維持でき、重力方向(水深方向)(伝送方向の一例)におけるスペーサ350の間隔を一定に維持できる。従って、コイル展開ロープ451及びコイル連結ロープ452,453の展開状態では、各スペーサ350でそれぞれ把持されるボビンbnを含む3つのコイルCLが水平方向にバランス良く、かつ重力方向に所定の間隔で位置決めされる。これにより、複数(図3では3つ)のコイルCLの伝送方向の位置ずれが抑制されるので、電力の伝送効率が向上する。
また、重力方向にコイル連結ロープ452,453の長さが調整されることで、1つのコイルCLによる伝送距離やその他の事情を加味して、各コイルCLを配置可能である。コイル連結ロープ452,453の長さは、電力の周波数や媒質に基づく電力の伝送距離、水流などの水中の状態、等を考慮して調整されてよい。
一方、3つのコイルCLを非展開状態とする(畳む)場合、自スペーサの第2面352zに形成された凸部361が1段上の他スペーサの第3面353zに形成された凹部362に係合(例えば嵌合)する。同様に、自スペーサの第3面353zに形成された凹部362が1段下の他スペーサの第2面352zに形成された凸部361に係合(例えば嵌合)する。これにより、伝送方向に並ぶ3つのスペーサ350が当接して連結し、3つのコイルCLはコンパクトな形状になる。図6は、畳んだ状態の3つのコイルCLを示す斜視図である。このように、複数のコイルCLを伝送方向の距離を縮めることで、重力方向における複数のコイルCLの配置範囲が小さくなり、水中での電力伝送に必要な部材(ボビンbn、コイルCL、スペーサ350等)全体の寸法が小さくなる。よって、水中での電力伝送に必要な部材の運搬がし易くなる。コイルCLは、水中での電力伝送に必要な部材は、陸上や海上では図6のように畳んだ状態で運搬され、所望の場所において水中での電力伝送に必要な部材が水中に沈められ、展開されてよい。
このように、送電装置100は、スペーサ350を用いることで、巻回されたコイルCLを束ねることができる。また、送電装置100は、スペーサ350を用いることで、ボビンbnとコイルCLを伝送方向において広がることを防止でき、確実にコイルCLの内側への変形を抑制できる。また、送電装置100は、スペーサ350を用いることで、展開式の(伸縮自在の)ボビンbnを陸上や海上での運搬時にコンパクトにでき、更に凸部361と凹部362とにより位置規制できる。よって、展開式のボビンbnは、安定して運搬され得る。
また、隣り合うスペーサ350の凸部361と凹部362を組み合わせると、複数のスペーサ350の位置関係を固定でき、積み重ねできる。また、スペーサ350の貫通孔をコイル連結ロープ452,453が通過することで、コイルCLが展開状態でも各コイルCLの位置を適切な位置に誘導できる。
図7Aは、中継ボックス300の外観を示す斜視図である。図7Bは中継ボックス300の外観を示す正面図である。図7Cは中継ボックス300の内部の構造を示す斜視図である。図7Dは中継ボックス300の内部の構造を示す平面図である。中継ボックス300には、中継コイルCLCが取り付けられる。なお、図3において送電コイルCLAが取り付けられる中継ボックス300Aは、電力ケーブル280が接続されることを除き、中継ボックス300とほぼ同じ内部構造を有するので、その説明を省略する。電力ケーブル280は、図1に示した電線20に相当してよい。
中継ボックス300は、箱形の筐体301を有してよい。筐体301は、枠体301zと、枠体301zの開口部を覆う蓋301yと、を有してよい。蓋301yは、枠体301zに係合されてよく、また枠体301zから取外し自在でよい。
筐体301の内側には、コンデンサ305、リレー回路306及び制御回路307が収容されてよく、他の電気部品又は電子部品が収容されてもよい。リレー回路306及び制御回路307には、中継ボックス300で始端と終端とが接続されるコイルCLを流れる電流に基づく電力が供給される。また、このコイルCLを流れる電流に基づく電力に信号(例えば制御信号や通信信号)が重畳されてもよい。信号は、例えば、ASK(Amplitude Shift Keying)信号やFSK(Frequency Shift Keying)信号でよい。筐体301の内側には、図2に示した送電装置100の構成部の少なくとも一部が設けられてよい。
また、筐体301の両側面には、コイルCLの始端T1又は終端T2が挿通する開口部302がそれぞれ設けられる。それぞれの開口部302には、それぞれの防水コネクタ303が、筐体301の外側に向かって取り付けられる。防水コネクタ303には、例えば、エラストマー、硬質プラスチック又は金属が用いられてよい。コイルCLの始端T1及び終端T2は、防水コネクタ303の内部及び開口部302を挿通し、端子連結部304において連結する。防水コネクタ303は、コイルCLの周方向を密閉する。よって、中継ボックス300は、コイルCLと防水コネクタ303との間に隙間が生じることを抑制できる。したがって、中継ボックス300は、防水コネクタ303から開口部302を介して筐体301の内部へ水が浸入することを抑制できる。
中継ボックス300におけるコイルCLの筐体301内への通過部分(コイルCLと筐体301との結合部分)は、開口部302が存在し、比較的水が浸入し易い。これに対し、送電装置100は、防水コネクタ303を用いることで、コイルCLの筐体301内への通過部分における水の浸入を抑制できる。よって、中継ボックス300内の電気部品や電子部品(例えばコンデンサ305、リレー回路306、制御回路307)が水に接触し、ショート等が発生することを抑制できる。また、防水コネクタ303として汎用品を用いる場合、容易且つ安価に中継ボックス300内の防水対策を施すことができる。
中継ボックス300では、コイルCLの始端T1及び終端T2が接続されると、コンデンサ305を介して電気的に繋がる。これにより、コンデンサ305とコイルCLとは、LC共振回路を形成する。なお、コンデンサ305は、中継コイルCLCに取り付けられる中継ボックス300の場合、中継コイルCLCと共にLC共振回路を形成するコンデンサCCに相当する。また、コンデンサ305は、送電コイルCLAに取りけられる中継ボックス300Aの場合、送電コイルCLAと共にLC共振回路を形成するコンデンサCAに相当する。
リレー回路306は、コイルCLに接続される複数のコンデンサ305を個別に切り替えてよい。制御回路307は、LC共振回路の共振周波数に合わせて、選択されたコンデンサ305をコイルCLに接続するように、リレー回路306を駆動してよい。これにより、中継ボックス300は、コンデンサの容量を所望の容量とすることで、所望の周波数を共振周波数に設定でき、この共振周波数の電力伝送や通信を実現できる。
筐体301の内部は、油で充填されてよい。つまり、筐体301の内部は、油密状態とされてよい。油は水と混ざらず、中継ボックス300の内部が油密状態とされることで、中継ボックス300の防水性能が高まる。また、絶縁油が使用されるので、電気を通さず、回路基板のショートが発生し難くなる。また、筐体301に収容される電子部品の絶縁性が高まる。また、水に比べて油の比重は小さいので、中継ボックス300に中性浮力が生じ易い。また、筐体301の内部が油密状態とされることで、中継ボックス300内の電子部品や電気部品の耐腐食性が高まる。なお、油を充填する代わりに、樹脂が充填されてもよく、同様に、防水効果がある。
以下、コイルCLの一例として、CLn、CLn−m、(n,mは整数)等として示すこともあるが、これらはコイルCLの一例である。同様に、送電コイルCLAの一例として、CLAn、CLAn−m、等として示すこともあるが、これらは送電コイルCLAの一例である。同様に、受電コイルCLBの一例として、CLBn、CLBn−m、等として示すこともあるが、これらは受電コイルCLBの一例である。同様に、中継コイルCLCの一例として、CLCn、CLCn−m、等として示すこともあるが、これらは中継コイルCLCの一例である。
次に、ヘリカル巻きの送電コイルCLA及び中継コイルCLCとスパイラル巻きの受電コイルCLB1の組み合わせについて説明する。
図8はヘリカル巻きの送電コイルCLA及び中継コイルCLC並びにスパイラル巻きの受電コイルCLB1の形状を示す斜視図である。ヘリカル巻きのコイルCL(送電コイルCLA,中継コイルCLC)の構造は、前述したヘリカル巻きのコイルCLと同じ構造を有する。スパイラル巻きの受電コイルCLB1の構造は、スパイラル巻きの送電コイルCLA1の構造と同様であり、詳細については後述する。
図8のように、電力伝送システム10は、ヘリカル巻きの送電コイルCLA及び中継コイルCLCを用いることで、ボビンbnの内部の空間を広く確保できる。そのため、送電装置100は、仮にボビンbnの体積を大きく確保できない場合でも、ボビンbn内部の空間を広く確保でき、多くの潜水艇70の受電コイルCLBに充電可能となる。また、スパイラル巻きの受電コイルCLBを用いることで、この受電コイルCLB搭載する潜水艇70の厚みを低減でき、薄型化を実現できる。
次に、スパイラル巻きのコイルの詳細について、図9A〜図9C及び図10A〜図10Cを用いて説明する。
図9Aはスパイラル巻きのコイルCL1(例えば、後述の図10Aに示す送電コイルCLA1,中継コイルCLC1、受電コイルCLB1)の構造を示す斜視図である。図9Bはスパイラル巻きのコイルCL1の構造を示す正面図である。図9Cはスパイラル巻きのコイルCL1の構造を示す分解斜視図である。
図9A〜図9Cに示すように、コイルCL1は、スパイラル状(渦巻状)に巻かれて形成される。コイルCL1は、第1の支持板(構造板)701と第2の支持板(構造板)703によって挟持されてよい。第1の支持板701は、開口部701zが中心に形成された中空の円板でよい。同様に、第2の支持板703は、開口部703zが中心に形成された中空の円板でよい。
第1の支持板701には、コイルCL1の始端T11及び終端T12がそれぞれ挿通される貫通孔701y,701xが形成されてよい。中継ボックス300は、第1の支持板701の上面に取り付けられてよい。貫通孔701y,701xを通った、コイルCL1の始端T11及び終端T12は、中継ボックス300の防水コネクタ303の内部を通過して、端子連結部304に連結されてよい。
第2の支持板703の開口部703zの周縁には、リブ703yが伝送方向に突出するように形成されてよい。コイルCL1は、リブ703yの外周に、最内周が沿うようにスパライル状に巻回されてよい。つまり、リブ703y(支持部材の一例)の外周に沿うように、最内周から巻回されることで、スパイラル巻きのコイルCL1が成形されてよい。これにより、リブ703yは、コイルCL1が内方に変形しようとする場合に接触するので、コイルCL1が内方に変形することを抑制できる。第1の支持板701及び第2の支持板703の材料には、前述したボビンbnと同様の材料が用いられてよい。
スパイラル巻きのコイルCL1の場合も、送電装置100及び受電装置200は、コイルCL1の最内周の部分が内方に変形しないようにすることで、巻回されたコイルCL1の変形を抑制できる。また、コイルCL1は、第1の支持板701及び第2の支持板703によって挟持されることで、上下方向の外圧から保護され得る。また、スパイラル巻きのコイルCL1の場合も、コイルCL1が中継ボックス300,580内のコンデンサとともにLC共振回路を形成でき、送電や受電ができる。また、スパイラル巻のコイルCL1の場合、コイルCL1の厚さを薄くできる。従って、スパイラル巻のコイルCL1とすることで、コイルCL1周囲の伝送方向の空間に余裕が生まれる。
このように、送電装置100及び受電装置200は、支持板を用いることで、スパイラル巻のコイルCL1の強度を維持でき、容易に伝送方向の位置規制ができる。
次に、スパイラル巻きの送電コイルCLA1及び中継コイルCLC1とスパイラル巻きの受電コイルCLB1の組み合わせについて説明する。
図10Aはスパイラル巻きの送電コイルCLA1及び中継コイルCLC1並びにスパイラル巻きの受電コイルCLB1の形状を示す斜視図である。図10Bはスパイラル巻きの送電コイルCLA1及び中継コイルCLC1並びにスパイラル巻きの受電コイルCLB1の形状を示す正面図である。
スパイラル巻きの送電コイルCLA1及び中継コイルCLC1(CLC1−1,CLC1−2)の構造は、図9A〜図9Cに示した通りである。なお、送電コイルCLA1及び中継コイルCLC1−1,CLC1−2は、受電コイルCLB1と比べ、コイルの径サイズが大きい。
中継ボックス300は、前述したヘリカル巻きの送電コイルCLAの場合と同様の構造を有する。ヘリカル巻きの送電コイルCLAの場合、中継ボックス300は、例えば、コイルCLの側面(外周面)に取り付けられてよい。スパイラル巻きの送電コイルCLA1の場合、中継ボックス300は、第1の支持板701の上面に取り付けられてよい。
スパイラル巻きの送電コイルCLA1及び中継コイルCLC1とスパイラル巻の受電コイルCLB1の組み合わせの場合、送電コイルCLA1、中継コイルCLC1、及び受電コイルCLB1の厚さを薄くできる。従って、スパイラル巻きの送電コイルCLA1及び中継コイルCLC1が用いられることで、送電コイルCLA1周囲の伝送方向の空間により一層余裕が生まれる。よって、送電コイルCLA1の伝送方向の周囲に一層多数の受電コイルCLB1を有する水中航走体60が電力伝送エリアに入り込むことができ、多数の水中航走体60に対して給電できる。
[給電スタンドの構成例]
次に、少なくとも送電コイルCLAと受電コイルCLBとを用いた給電スタンドの各種の態様について説明する。給電スタンドは、例えば海中給電を行う設備でよい。
図11Aはヘリカル巻きのコイルを用いた横型の給電スタンド1000の外観を示す斜視図である。図11Bはヘリカル巻きのコイルを用いた横型の給電スタンド1000の外観を示す正面図である。図11Cはヘリカル巻きのコイルを用いた横型の給電スタンド1000の外観を示す側面図である。給電スタンド1000は、ボビンとしての機能を含むボビン構造体でよい。
ボビン構造体としての給電スタンド1000は、非金属のコンクリート、パイプ、等を含んで形成されてよい。なお、コンクリートで形成された給電スタンド1000は、展開式ではなく、前述の展開式ボビンとは異なり、伸縮しない。また、給電スタンド1000では、スペーサ350が使用されなくても、各コイルCLが給電スタンド1000における所定の位置に固定されることで、各コイルCLの伝送方向の位置を固定できる。これらは、以降の給電スタンド1000A,1000Bでも同様である。
給電スタンド1000は、伝送方向に長い円筒状(中空円柱状)のボビンbn11を有する。筒状のボビンbn11の一端部の外周には、送電コイルCLA2が配置される。ボビンbn11の中央部の外周には中継コイルCLC2−1が配置される。ボビンbn11の他端部の外周には中継コイルCLC2−2が配置される。また、送電コイルCLA2,中継コイルCLC2−1,中継コイルCLC2−2の外周には、中継ボックス300がそれぞれ取り付けられている。
給電スタンド1000では、送電コイルCLA2、中継コイルCLC2−1,CLC2−2は、共通のボビンbn11の外周に、巻き付けられて成形される。従って、送電コイルCLA2と中継コイルCLC2−1の間隔、及び中継コイルCLC2−1と中継コイルCLC2−2の間隔は、いずれも一定値に固定される。また、円筒状のボビンbn11の周囲に送電コイルCLA2及び中継コイルCLC2−1,CLC2−2が固定されることで、送電コイルCLA2と中継コイルCLC2−1との径方向の位置ずれ、及び、中継コイルCLC2−1と中継コイルCLC2−2の径方向の位置ずれは、生じない。また、ボビンbn11により内方を支持されることで、送電コイルCLA2及び中継コイルCLC2−1,CLC2−2の変形も生じない。このように、送電コイルCLA2、中継コイルCLC1−1,CLC1−2の位置関係が固定されることで、電力の伝送効率が向上する。
筒状のボビンbn11の内側は、空洞になっている。そのため、給電スタンド1000が水中に沈められた場合、受電コイルCLB含む受電装置200を装備する海中機器(例えばAUV800)は、給電スタンド1000に出入り自在である。海中機器が筒状のボビンbn11の内側に留まることで、海中機器内の受電コイルCLBは、コイルCL(例えば送電コイルCLA2,中継コイルCLC2−1,CLC2−2)から受電可能となる。
このように、給電スタンド1000では、ボビンbn11の内側が空洞になっているので、海中機器が出入りし易い。また、給電スタンド1000では、給電スタンド1000の配置方向によっては潮流等の影響を受け難くでき、海中機器が給電スタンド1000内に留まり易い。したがって、給電スタンド1000の内部に例えばAUV800が多数進入できるので、容易に同時給電できる。また、給電スタンド1000の内部(ボビンbn11の内側)は、海中機器が一時的に滞留するステーション(停車場)あるいは格納庫としても利用可能である。
なお、給電スタンド1000は、ここでは横向きに置かれることを想定したが、水流や潮流等の状況に応じて、縦向きに置かれて使用されてもよい。
図12Aはヘリカル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンド1000Aの外観を示す斜視図である。図12Bはヘリカル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンド1000Aの外観を示す正面図である。図12Cはヘリカル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンド1000Aの外観を示す側面図である。
給電スタンド1000Aは、ボビン構造体1010Aとして成形されてよい。ボビン構造体1010Aは、縦方向(伝送方向)に並ぶ、円板状(薄い円柱状)のボビンbn13、ボビンbn14、ボビンbn15が連結部材L11,L12,L13,L14で結合されている。連結部材L11,L12,L13,L14は、ボビンbn13、ボビンbn14、ボビンbn15の周縁部の形状に沿うように湾曲した外形を有する長尺部材でよい。連結部材の材料は、前述したボビンの材料と同じで一体もしくは別体に成形されてもよいし、ボビンと異なる材料で成形されてもよい。連結部材として、繊維強化プラスチック(FRP)や耐腐食性の金属(例えばステンレス)等が用いられてよい。なお、ボビン構造体1010Aは、円筒の側面の一部がくり抜かれて成形されてもよい。
ボビン構造体1010Aにおいて、各ボビンbn13,bn14,bn15の位置関係が固定されている。そのため、ボビンbn13の外周に配置された送電コイルCLA2と、ボビンbn14の外周に配置された中継コイルCLC2−1と、ボビンbn15の外周に配置された中継コイルCLC2−2と、の位置関係が固定される。例えば、送電コイルCLA2、中継コイルCLC2−1,CLC2−2の径方向の位置ずれは、生じない。また、ボビン構造体1010Aにより内方を支持されることで、送電コイルCLA2及び中継コイルCLC2−1,CLC2−2の変形も生じない。これにより、縦型の給電スタンド1000Aにおいても、横型の給電スタンド1000の場合と同様、電力の伝送効率が維持される。
送電コイルCLA2の外周には、電力ケーブル280が接続された中継ボックス300Aが取り付けられる。同様に、中継コイルCLC2−1及び中継コイルCLC2−2の外周には、それぞれ中継ボックス300が取り付けられる。
連結部材L11,L12で縦方向に支持される、ボビンbn13とボビンbn14との間は広く開放されている。同様に、連結部材L13,L14で縦方向に支持される、ボビンbn14とボビンbn15との間も広く開放されている。そのため、AUV800等の海中機器が、給電スタンド1000A内に出入り自在である。
海中機器が円板状のボビンbn13とボビンbn14との間に留まることで、海中機器に装備された受電コイルCLBは、送電コイルCLA2及び中継コイルCLC2−1の少なくとも一方から受電可能となる。同様に、海中機器が円板状のボビンbn14とボビンbn15との間に留まることで、海中機器に装備された受電コイルCLBは、中継コイルCLC2−1及びCLC2−2の少なくとも一方から受電可能となる。
このように、給電スタンド1000Aでは、受電場所が給電スタンド1000Aにおいて上下2段に分かれているので、複数の海中機器が同時に受電する場合、受電し易い場所を選択可能である。また、給電スタンド1000Aの内部は、海中機器が一時的に滞留するステーション(停車場)あるいは格納庫としても利用可能である。また、給電スタンド1000のボビンbn11と比べ、空間が拡がったことで、ボビン構造体1010Aを軽量化できる。
なお、給電スタンド1000Aは、縦向きに置かれることを想定しているが、水流、潮流等の状況に応じて、横向きに置かれて使用されてもよい。
図13Aはスパイラル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンド1000Bの外観を示す斜視図である。図13Bはスパイラル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンド1000Bの外観を示す正面図である。図13Cはスパイラル巻きのコイルを用いた縦型の給電スタンド1000Bの外観を示す側面図である。
給電スタンド1000Bは、構造体1010Bにより成形されてよい。構造体1010Bは、縦方向(伝送方向)に並ぶ、円板(薄い円柱)En1,En2,En3が連結部材L21,L22,L23,L24を介して結合されてよい。各円板En1,En2,En3は、それぞれ上面中央部が周縁部より窪んだ上面を有してよい。窪んだ各上面の中央部には、スパイラル巻きの送電コイルCLA3、中継コイルCLC3−1,CLC3−2が固定されてよい。なお、構造体1010Bは、円筒の側面の一部がくり抜かれて成形されてもよい。
また、中継ボックス300は、図13Aでは、スパイラル巻きの中継コイルCLC3−1,CLC3−2の上側に配置される。同様に、電力ケーブル280が接続された中継ボックス300Aは、図13Aでは、スパイラル巻きの送電コイルCLA3の上側に配置される。これにより、中継ボックス300,300Aは、構造体1010Bの外周方向に突出しなくなる。
給電スタンド1000Bでは、給電スタンド1000Aと同様、受電場所が上下2段に分かれているので、複数の海中機器が同時に受電する場合、受電し易い場所を選択可能である。また、給電スタンド1000Bの内部は、海中機器が一時的に滞留するステーション(停車場)あるいは格納庫としても利用可能である。また、円筒形の構造体1010Bの外周にヘリカル巻きにてコイルを巻回することが困難である(例えば円筒の径方向の空間が不足している)場合でも、送電コイルCLA3、中継コイルCLC3−1,CLC3−2の各コイルの下面に、図9Cに示すコイルCL1を下面から支持する第2の支持板703と同様の支持板を設けて各コイルを下面から支持し、図9Cの第2の支持板703に設けられるリブ703yと同様のリブ等をその支持板に設けることにより各コイルの変形を抑制して配置できる。
なお、図13A〜図13Cでは、スパイラル巻きの送電コイルCLA3,中継コイルCLC3−1,CLC3−2が水中に露出されているが、図9A〜図9Cに示したように、第1の支持板701と第2の支持板703とで、スパイラル巻きの送電コイルCLA3,中継コイルCLC3−1,CLC3−2を挟み込んでもよい。
[AUV800に装備される受電コイルCLBの配置例]
次に、AUV800に装備された受電コイルCLBの各種の配置例について説明する。
図14Aはスクリュー部805に受電コイルCLBが配置されたAUV800を示す正面図である。図14Bはスクリュー部805に受電コイルCLBが配置されたAUV800を示す側面図である。図14Cはスクリュー部805に受電コイルCLBが配置されたAUV800を示す斜視図である。なお、AUV800の前進方向を前方向とする。
AUV800は、潜水中、自律潜航可能な潜水機である。AUV800は、略紡錘形状の胴部801と、胴部801の両側に設けられた一対の翼部802,803と、胴部801よりも後方に設けられたスクリュー部805とを有する。スクリュー部805は、スクリューを覆う円筒状のフレームを有する。ヘリカル巻きの受電コイルCLBは、AUV800の中心軸方向(潜航方向)が電力の伝送方向となるように、スクリュー部805のフレームの内側に配置される。受電コイルCLBにより受電する場合、AUV800は、スクリュー部805を外部のコイルCLに近付けてよい。
このように、受電コイルCLBが、AUV800の後端に位置するスクリュー部805に設けられる。したがって、通常、胴部801の前部(例えば前端)にカメラが配置される場合、カメラが海水中の対象を撮像する際、受電コイルCLBが撮像範囲に含まれず、撮像が阻害されないようにできる。また、ヘリカル巻きの受電コイルCLBの中空部分にスクリューが位置することで、受電コイルCLBによりスクリューの回転が阻害されないようにできる。さらに、受電コイルCLBとスクリューとが同軸状に配置されることで、スクリューに必要な空間と同等の空間を用意することで済み、AUV800のコンパクト化が可能である。
図15Aは胴部801の後部にヘリカル巻きの受電コイルCLBが配置されたAUV800を示す正面図である。図15Bは胴部801の後部にヘリカル巻の受電コイルCLBが配置されたAUV800を示す側面図である。図15Cは胴部801の後部にヘリカル巻の受電コイルCLBが配置されたAUV800を示す斜視図である。
ヘリカル巻きの受電コイルCLBは、その中心軸方向(潜航方向)が電力の伝送方向となるように、胴部801の後部(例えば最後尾)に配置されてよい。この場合も、胴部801の前部(例えば前端)にカメラが配置される場合、カメラが海水中の対象を撮像する際、受電コイルCLBが撮像範囲に含まれず、撮像が阻害されないようにできる。また、受電コイルCLBにより受電する場合、AUV800は、スクリュー部805を外部のコイルCLに近付けてよい。
図16Aは胴部801の後部にスパイラル巻きの受電コイルCLB1が配置されたAUV800を示す正面図である。図16Bは胴部801の後部にスパイラル巻きの受電コイルCLB1が配置されたAUV800を示す側面図である。図16Cは胴部801の後部にスパイラル巻きの受電コイルCLB1が配置されたAUV800を示す斜視図である。
スパイラル巻きの受電コイルCLB1は、その中心軸方向(潜航方向)が電力の伝送方向となるように、胴部801の後部(例えば最後尾)に配置されてよい。この場合も、胴部801の前部にカメラが配置される場合、カメラが海水中の対象を撮像する際、受電コイルCLBが撮像範囲に含まれず、撮像が阻害されないようにできる。また、受電コイルCLBにより受電する場合、AUV800は、スクリュー部805を外部のコイルCLに近付けてよい。
図17Aは胴部801の後部にヘリカル巻きの受電コイルCLBが前後方向と垂直な方向(上下方向)に沿って配置されたAUV800を示す正面図である。図17Bは胴部801の後部にヘリカル巻きの受電コイルCLBが前後方向と垂直な方向(上下方向)に沿って配置されたAUV800を示す側面図である。図17Cは胴部801の後部にヘリカル巻きの受電コイルCLBが前後方向と垂直な方向(上下方向)に沿って配置されたAUV800を示す斜視図である。
ヘリカル巻きの受電コイルCLBは、AUV800の中心軸方向(潜航方向)と直交する方向(上下方向)が電力の伝送方向となるように、胴部801の後部(例えば最後尾)に配置されてよい。この場合も、胴部801の前部にカメラが配置される場合、カメラが海水中の対象を撮像する際、受電コイルCLBが撮像範囲に含まれず、撮像の邪魔にならない。また、受電コイルCLBにより受電する場合、AUV800は、胴部801の下面を外部のコイルCLに近付けてよい。
図18Aは胴部801から突出する一対の翼部802,803の下面にスパイラル巻きの受電コイルCLB1が配置されたAUV800を示す正面図である。図18Bは胴部801から突出する一対の翼部802,803の下面にスパイラル巻きの受電コイルCLB1が配置されたAUV800を示す側面図である。図18Cは胴部801から突出する一対の翼部802,803の下面にスパイラル巻きの受電コイルCLB1が配置されたAUV800を示す斜視図である。受電コイルCLB1は、翼部802,803の双方に配置されてもよいし、翼部802,803のいずれか一方に配置されてもよい。
スパイラル巻きの受電コイルCLB1は、AUV800の中心軸方向(潜航方向)と直交する方向(上下方向)が電力の伝送方向となるように、胴部801から突出する翼部802,803の下面に配置されてよい。この場合も、胴部801の前部(例えば前端)にカメラが配置される場合、カメラが海水中の対象を撮像する際、受電コイルCLB1が撮像範囲に含まれず、撮像が阻害されないようにできる。また、受電コイルCLB1により受電する場合、AUV800は、翼部802,803の下面を外部のコイルCLに近付けてよい。
また、一対の翼部802,803の双方の下面に、受電コイルCLB1が配置される場合、左右の重力バランスが保たれる。この場合、左右の重力バランスが崩れることによる、AUV800の潜航の妨げが抑制され得る。ここでの左右方向は、一対の翼部802,803を結ぶ方向でよい。また、一方の受電コイルCLB1が故障しても他方の受電コイルCLB1で受電可能である。そのため、受電コイルCLB1により受電不能となる状況が発生し難くなり、一方の受電コイルCLB1をバックアップ用とすることも可能である。また、一対の翼部802,803のいずれか一方の下面に受電コイルCLB1を配置する場合、コストが低減され得る。
なお、翼部802,803の少なくとも一方に、スパイラル巻ではなくヘリカル巻きの受電コイルCLBが設けられてもよい。
図19Aは胴部801の後部にスパイラル巻きの受電コイルCLB1が前後方向に垂直な方向(上下方向)に沿って配置されたAUV800を示す正面図である。図19Bは胴部801の後部にスパイラル巻きの受電コイルCLB1が前後方向に垂直な方向(上下方向)に沿って配置されたAUV800を示す側面図である。図19Cは胴部801の後部にスパイラル巻きの受電コイルCLB1が前後方向に垂直な方向(上下方向)に沿って配置されたAUV800を示す斜視図である。
スパイラル巻きの受電コイルCLB1は、AUV800の中心軸方向(潜航方向)と直交する方向(上下方向)が電力の伝送方向となるように、胴部801の後部(例えば最後尾)に配置されてよい。この場合も、胴部801の前部(例えば前端)にカメラが配置される場合、カメラが海水中の対象を撮像する際、受電コイルCLB1が撮像範囲に含まれず、撮像が阻害されないようにできる。また、受電コイルCLB1により受電する場合、AUV800は、胴部801の下面を外部のコイルCLに近付けてよい。
このように、AUV800の後部に受電コイルCLB,CLB1を設ける場合、AUV800の前部に、カメラや各種センサを配置でき、AUV800内のスペースを有効活用できる。このカメラは、前方を撮像するためのカメラでよい。各種センサは、例えば、前方の物体検知や距離検知を行う測定センサを含んでよい。
また、AUV800の内部に受電コイルCLB,CLB1が配置されることで、受電コイルCLB,CLB1が水(例えば真水や海水)と直接接触することを抑制できる。よって、受電装置200は、受電コイルCLBに交流電流を流すことにより発生する磁界が水中に漏れることを防止できる。また、受電装置200は、水による誘電損失も抑制できる。したがって、受電装置200は、受電コイルCLB,CLB1を用いた場合の磁界を介した電力の伝送効率の低下を抑制できる。
また、AUV800の胴部801の中央部に受電コイルCLB,CLB1が配置されてもよい。胴部801は、金属を含んで形成されることもある。この場合でも、送電装置100は、胴部801の金属部分を含む外縁と受電コイルCLB,CLB1との間の距離をなるべく長く確保できる。そのため、受電装置200は、胴部801の金属部分により、受電コイルCLB,CLB1や外部のコイルCL(例えば送電コイルCLA又は中継コイルCLC)を流れる電流により発生する磁界が低減することを抑制できる。
また、受電コイルCLB,CLB1と海水との距離が近い場合、海水での渦電流による電力損失が発生し易い。これに対し、胴部801の中央部に受電コイルCLB,CLB1が配置される場合、受電装置200は、水(例えば海水)から受電コイルCLB,CLB1までの距離を胴部801内の他の箇所に配置するよりも長く確保できる。よって、海水での渦電流による電力損失を低減できる。
AUV800に装備される受電コイルCLBの配置は、送電コイルCLAとの位置関係、AUV800が潜航する目的地の形状、等によって、いずれかの配置に適宜決定されてよい。
[海中給電の各種の態様]
次に、海中給電の各種態様のバリエーションについて説明する。
(海中給電の第1の態様)
図20は海中給電の第1の態様を示す図である。海底910が隆起している斜面910zに、架台920が設置される。架台920の天板には、送電コイルCLAの構造体が設置されている。架台920の天板の一端部には、例えばコの字形のバーフレーム920zが取り付けられる。バーフレーム920zは、AUV800に繋がれた位置固定フック810と係合される。また、送電コイルCLAには、例えば図3に示す送電コイルCLAと同様に、中継ボックス300Aに接続される電力ケーブル280Aを介して電力が供給される。
なお、送電コイルCLAの構造体は、例えば、前述したような、ボビン又はボビン構造体にヘリカル巻きされたコイルでもよいし、第1の支持板701及び第2の支持板703に挟まれたスパイラル巻きのコイルでもよいし、その他の形状で配置されたコイルでもよい。受電コイルCLBの構造体及び中継コイルCLCの構造体についても同様である。なお、受電コイルCLBの構造体は、AUV800の外部(例えば胴部801の下方)に取り付けられてもよいし、AUV800の内部に取り付けられてもよい。これらは、海中給電の各態様で同様である。
AUV800は、受電する際、架台920に向かって潜航し、位置固定フック810をバーフレーム920zに係合させると、架台920の上方に停留する。AUV800が架台920の上方に停留した状態では、AUV800の胴部801の下方に配置された受電コイルCLBの構造体は、送電コイルCLAの構造体と対向する。この状態で、電力ケーブル280Aから送電コイルCLAへ電力が供給されると、送電コイルCLAから受電コイルCLBに電力が伝送される。
海中給電が完了すると、AUV800は、位置固定フック810をバーフレーム920zから離脱させる。この場合、AUV800は、例えば位置固定フック810がバーフレーム920zから外れるように、後退してよい。その後、AUV800は、自由潜航可能である。
潮流等により受電コイルCLBの構造体が移動したり回転したりすると、受電効率が低下する可能性がある。第1の態様によれば、電力伝送システム10は、位置固定フック810により、潮流があっても受電コイルCLBの構造体の位置を安定できる。受電装置200は、受電コイルCLBの構造体の位置が安定することで、受電効率の低下を抑制できる。
図21は海中給電の第2の態様を示す図である。第1の態様と同様、海底910が隆起している斜面910zに、架台930が設置される。架台930の天板の角部には、天板と結合してL字形をなすように、側板930yが取り付けられる。側板930yの外側の面には、送電コイルCLAの構造体が設置される。側板930yの上部には、主に水平方向に延びる、位置固定フック810が係合可能なバーフレーム930zが取り付けられる。
AUV800は、架台930に向かって潜航し、架台930の手前で後退しながら、胴部801に繋がれた位置固定フック810をバーフレーム930zに係合させてよい。位置固定フック810がバーフレーム930zに係合すると、AUV800は、スクリュー部805に配置された受電コイルCLBが側板930yに設置された送電コイルCLAの構造体と対向した状態で、停留する。この状態で、電力ケーブル280Aに電力が供給されると、送電コイルCLAから受電コイルCLBに電力が伝送される。
海中給電が完了すると、AUV800は、位置固定フック810をバーフレーム930zから離脱させる。この場合、AUV800は、例えば位置固定フック810がバーフレーム920zから外れるように、前進してよい。その後、AUV800は、自由潜航可能である。
第2の態様によれば、電力伝送システム10は、位置固定フック810により、潮流があっても受電コイルCLBの構造体の位置を安定できる。受電装置200は、受電コイルCLBの構造体の位置が安定することで、受電効率の低下を抑制できる。
図22は海中給電の第3の態様を示す図である。第3の態様では、2つの給電スタンド1000C,給電スタンド1000Dを用いて、海中給電が行われてよい。給電スタンド1000C,給電スタンド1000Dは、前述した筒状のボビンbn11を含む給電スタンド1000と同様、筒状のボビンbn11を含む。
給電スタンド1000Cでは、筒状のボビンbn11の外周には、送電コイルCLA11及び中継コイルCLC11が巻回されて配置される。送電コイルCLA11には、電力ケーブル280が接続されており、海上に係留している船舶50から電力ケーブル280を介して電力が供給される。また、電力ケーブル280は、給電スタンド1000Cを海中で浮遊状態に支持する。浮遊状態では、筒状のボビンbn11の両側の開口は、水平方向を向いてよい。AUV800は、浮遊状態にある給電スタンド1000Cの出入口に対し、水平方向に進入し、ボビンbn11の内部に留まって受電してよい。
給電スタンド1000Dは、海底910に埋め込まれた2本の支柱1101の上部に固定される。給電スタンド1000Dの出入口は、水平方向を向いてよい。給電スタンド1000Dでは、筒状のボビンbn11に送電コイルCLA12が巻回されて配置され、中継コイルCLCは配置されていない。送電コイルCLA12には、海底910に這わされた電力ケーブル280Aが接続され、陸上等に設置された給電設備から電力ケーブル280Aを介して電力が供給されてよい。AUV800は、海底910に設置された給電スタンド1000Dの出入口に対し、水平方向に進入し、ボビンbn11の内部に留まって受電してよい。
第3の態様によれば、船舶50の移動先において、送電コイルCLAが配置され得る。よって、電力伝送システム10は、送電コイルCLAと受電コイルCLBによる充電場所を任意の場所にできる。なお、給電スタンド1000C,1000Dのいずれか一方の設置を省略してもよい。また、電力伝送システム10は、送電コイルCLAの位置が固定設置される場合でも、例えば図14A〜図14C、図15A〜図15C又は図17A〜図17Cに示すAUV800の受電コイルCLBに対して電力伝送できる。
図23は海中給電の第4の態様を示す図である。給電スタンド1000Eでは、海底910に設置された支柱1105の上部に送電コイルCLA13の構造体が固定されている。送電コイルCLA13の構造体の上面には、支柱1106が上方に向かって取り付けられている。2本の支柱1106の上部には、中継コイルCLC13の構造体が固定されている。送電コイルCLA13と中継コイルCLC13は、対向して固定される。給電スタンド1000Eでは、2本の支柱1106の間がAUV800の出入口となる。
送電コイルCLA13には、海底910に這わされた電力ケーブル280Aが接続され、陸上等に設置された給電設備から電力ケーブル280Aを介して電力が供給されてよい。AUV800は、海底910に設置されている給電スタンド1000Eの出入口に対し、水平方向に進入し、対向する送電コイルCLA13と中継コイルCLC13の間に留まって受電してよい。
また、電力伝送システム10は、送電コイルCLA13の位置が固定設置される場合でも、例えば図17A〜図17Cに示すAUV800の受電コイルCLB又は図18A〜図18C、図19A〜図19Cに示すAUV800の受電コイルCLB1に対して電力伝送できる。
図24は海中給電の第5の態様を示す図である。第5の態様では、送電コイルCLA14の構造体が海上に浮遊している。円板状の送電コイルCLA14の構造体の下面には、コの字形のバーフレーム1201が取り付けられてよい。
送電コイルCLA14の構造体には、海上に係留する船舶50から延びた電力ケーブル280が接続されている。送電コイルCLA14は、電力ケーブル280を介して給電される。
AUV800の胴部801には、受電コイルCLB14及び位置固定フック810が取り付けられている。AUV800は、送電コイルCLA14の構造体の例えば下方向や前方向に向かって潜航し、位置固定フック810が送電コイルCLA14の構造体の下面に取り付けられたバーフレーム1201と係合すると、停留し、受電可能となる。
第5の態様によれば、船舶50の移動先において、送電コイルCLAが配置され得る。よって、電力伝送システム10は、送電コイルCLA14と受電コイルCLB14(或いは、例えば図17A〜図17Cに示すAUV800の受電コイルCLB又は図18A〜図18C、図19A〜図19Cに示す受電コイルCLB1)による充電場所を任意の場所にできる。また、送電コイルCLA14と受電コイルCLB14とが海上や海面付近で充電動作することで、電力伝送システム10のユーザは、送電コイルCLA14や受電コイルCLB14を船舶から視認しながら作業できる。
図25は海中給電の第6の態様を示す図である。第6の態様では、送電コイルCLA15の構造体が海中に浮遊している。送電コイルCLA15には、海上に係留する船舶50から海中に延びた電力ケーブル280が接続されている。送電コイルCLA15の構造体は、電力ケーブル280によって海中に浮遊した状態で支持され、また、電力ケーブル280を介して給電される。また、送電コイルCLAの構造体の下面には、コの字形のバーフレーム1201が取り付けられている。
AUV800の胴部801には、受電コイルCLB15及び位置固定フック810が取り付けられている。AUV800は、送電コイルCLA15の構造体の例えば下方向や前方向に向かって潜航し、位置固定フック810が送電コイルCLAの構造体の下面に取り付けられたコの字形のバーフレーム1201と係合すると、停留し、受電可能となる。
第6の態様によれば、船舶50の移動先において、送電コイルCLA15が配置され得る。よって、電力伝送システム10は、送電コイルCLA15と受電コイルCLB15(或いは、例えば図17A〜図17Cに示すAUV800の受電コイルCLB又は図18A〜図18C、図19A〜図19Cに示す受電コイルCLB1)による充電場所を任意の場所にできる。また、送電コイルCLA15と受電コイルCLB15とが海中で充電できる。よって、海上や海面付近での充電と比較すると、波による海面の上下動の影響が小さく、海中での送電コイルCLA15と受電コイルCLB15との位置関係が安定する。よって、電力伝送システム10は、送電コイルCLA15と受電コイルCLB15との位置ずれを抑制し、高効率に充電できる。
以上詳述した実施形態を総括すると、送電装置100は、水中(海水中を含む)において、受電コイルCLBを有する受電装置200に電力を伝送する。送電装置100は、磁界を介して受電コイルCLBに電力を伝送する送電コイルCLAを含む1つ以上の環状のコイルCL(伝送コイルの一例)と、環状のコイルCLにより形成されるコイルCLの内方の空間に配置され、環状のコイルCLの内周に沿う外周を有し、コイルCLを内方から支持するボビンbn(支持部材の一例)と、交流電力を送電コイルCLAへ送電する送電回路150(送電部の一例)と、コイルCLに接続されると共に、コイルCLと共に共振する共振回路152を形成するコンデンサCAと、を備える。
これにより、送電装置100は、水中(例えば海中)に水流(例えば潮流)が存在しても、ボビンbnによりコイルCLの一部が内側に変形することを抑制できる。そのため、送電装置100は、コイルCLが内側に変形することを抑制することで、コイルCLの他部が外側に変形することを抑制できる。よって、送電装置100は、ユーザの意図に沿って形成されたコイルCLの形状を維持できる。送電装置100は、コイル形状を維持することで、コイルCLにより発生する磁界を一定に維持でき、複数のコイルCLを用いた伝送効率を安定化できる。このように、送電装置100は、コイルCLの変形を抑制できる。また、送電装置100は、コイルCLのループ形状の変形が抑制されることで、ワイヤレス給電を行う際に伝送効率の低下を抑制できる。
ボビンbnは、非導電体又は非磁性体により形成されてよい。
これにより、送電装置100は、コイルCLで発生した電流や磁界が、ボビンbnを介して水中で電力伝達経路(送電コイルCLAから受電コイルCLBへ電力が伝送される経路)の外部に伝達されることを抑制できる。よって、送電装置100は、複数のコイルCLを用いた電力伝送における伝送効率の低下を抑制できる。
ボビンbn10は、周方向にC字形に形成された非磁性金属m10(導電体の一例)と、周方向の少なくとも一箇所に形成された絶縁材In10とで、環状に成形されてよい。このように、ボビンbn10は、少なくとも一部に非磁性金属m10を有してよく、非磁性金属m10は、ボビンbn10の周方向において、絶縁されてよい。
これにより、送電装置100は、ボビンbn10の一部が導電性を有しても、ボビンの周方向に電流が流れること抑制できる。よって、送電装置100は、ボビンbn10の一部に、金属材料を使用可能にできる。
また、送電装置100は、中継ボックス300(中継部材の一例)を備えてよい。中継ボックス300は、開口部302を有し、コンデンサ305を含む電気部品を内蔵する筐体301と、開口部302に筐体301の外側に向かって設けられ、開口部302を通るコイルCLの周方向を包囲する防水コネクタ303と、を備えてよい。筐体301の内部において、コイルCLの始端T1(一端の一例)と終端T2(他端の一例)とが電気的に接続されてよい。つまり、防水コネクタ303の内部を通過したコイルCLの一端と防水コネクタ303の内部を通過したコイルCLの他端とが、中継ボックス300内で接続されてよい。これにより、コイルCLとコンデンサCAとが共振回路152を形成してよい。
これにより、送電装置100は、防水コネクタ303を用いることで、中継ボックス300のコネクタ接続箇所から水が中継ボックス300内部へ浸入することを抑制できる。よって、送電装置100は、中継ボックス300内の電気部品により電気的なショートが発生することを抑制できる。
また、中継ボックス300の内部に、油が充填されてよい。
油は水と混ざらないので、送電装置100は、中継ボックス300の内部に油が充填されていることで、中継ボックス300の内部へ水が浸入することを抑制できる。また、油は水よりも導電率が低いので、コイルを流れる電流がコイルCLの外部に漏出することを抑制できる。つまり、送電装置100は、コイルCLを流れる電流の低下を抑制し、コイルCLにより発生する磁界の低下を抑制できる。よって、伝送効率の低下を抑制できる。
送電装置100は、スペーサ350を備えてよい。スペーサ350は、スペーサ350−1(第1のスペーサの一例)とスペーサ350−2(第2のスペーサの一例)と、を含んでよい。スペーサ350−1は、ボビンbn1と、ボビンbn1の外周に沿って巻回された送電コイルCLA(第1の伝送コイルの一例)と、を挟持してよい。スペーサ350−2は、ボビンbn2(第2の支持部材の一例)と、ボビンbn2の外周に沿って巻回された中継コイルCLC−1(第2の伝送コイルの一例)と、を挟持してよい。スペーサ350−1は、コイル連結ロープ453(所定長の連結部材の一例)を介して、スペーサ350−2と連結されてよい。
これにより、送電装置100は、スペーサ350でボビンbn及びコイルCLを挟持することにより、ボビンbnのコイルCLを受ける外面の幅内で、巻回されたコイルCLを位置決めできる。また、水中においてコイルCLを展開した場合、各コイルCLの間の距離(伝送方向の距離)を一定に維持でき、各コイルCL間で伝送される電力の大きさを一定に維持できる。
スペーサ350は、ボビンbnの外周に平行な第1面を有する第1部材351と、第1面に垂直な第2面を有する第2部材352と、第2面に平行な第3面を有する第3部材353と、を備えてよい。第2部材352及び第3部材353は、ボビンbnと、ボビンbnの外周に沿って巻回されたコイルCLと、を挟持してよい。第2部材352及び第3部材353は、他のボビンbnを挟持する他のスペーサ350と連結するためのコイル連結ロープ452,453をそれぞれ挿通する貫通孔354a,354b,355a,355bを有してよい。
このように、送電装置100は、スペーサ350でボビンbn及びコイルCLを挟持することにより、ボビンbnのコイルCLを受ける外面の幅内で、巻回されたコイルCLを位置決めできる。また、コイル連結ロープ452,453を貫通孔354a,354b,355a,355bに挿通して取り付けることで、水中においてコイルCLを展開した場合、各コイルCLの間の距離(伝送方向の距離)を一定に維持でき、各コイルCL間で伝送される電力の大きさを一定に維持できる。
第2部材352は、第3部材353の配置側と反対側に突出する凸部361を有してよい。第3部材353は、第2部材352の配置側に窪んだ凹部362を有してよい。
これにより、送電装置100は、複数のコイルCLの連結時や、連結後の運搬時には、凸部361と凹部362とが係合(例えば嵌合)することで、各コイルCLを挟持する各スペーサ350を連結できる。また、送電装置100は、複数のコイルCLに必要な領域(複数のコイルCLが占める体積)を小さくでき、コンパクトにできる。従って、コイルCLを含む送電装置100の所定の場所への運搬が容易になる。
送電装置100は、第1の支持板701及び第2の支持板703を備えてよい。コイルCLは、同一平面上に配置され、スパイラル形状に複数回巻回されてよい。第1の支持板701と第2の支持板703との間に、コイルCLが挟持されてよい。第1の支持板701は、スパイラル形状のコイルCLの最内周に沿うリブ(支持部材の一例)を有してよい。
これにより、送電装置100は、コイルCLがスパイラル巻きの場合でも、コイルCLの最内周の部分が内方の変形を抑制でき、巻回されたコイルCL全体の変形を抑制できる。また、送電装置100は、第1の支持板701及び第2の支持板703により、コイルCLを上下方向の外圧から保護できる。
また、第1の支持板701には、コイルCLの配置側と反対側に、中継ボックス300が配置されてよい。第1の支持板701は、中継ボックス300に向かって延びるコイルCLを挿通する貫通孔701y,701xを有してよい。
これにより、送電装置100は、コイルCLがスパイラル巻きの場合でも、貫通孔701y,701xを通してコイルCLの始端と終端とを中継ボックス300内で接続できる。従って、コイルCLは、中継ボックス300内においてコンデンサとともに共振回路152を形成でき、電力伝送できる。
また、ボビンbn11は、円筒形状に形成されてよい。複数のコイルCLは、同一のボビンbn11の外周に沿って巻回されてよい。
これにより、送電装置100は、1つのボビンbn11により、複数のコイルCLを内方から支持できる。受電コイルCLBを有する受電装置200は、円筒のボビンbn11の内部に進入することで、コイルCLから送電される電力を受電できる。
以上、図面を参照しながら実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
上記実施形態では、送電装置100が、ボビンbn、中継ボックス300、スペーサ350、コイル展開ロープ451、及びコイル連結ロープ452を備えることを例示した。なお、ボビンbn、中継ボックス300、スペーサ350、コイル展開ロープ451、及びコイル連結ロープ452は、送電装置100とは別に、電力伝送システム10に設けられてもよい。
上記実施形態では、例えば図3に示すように、送電コイルCLAは、複数段のコイルCL(例えば多段コイル)の端に配置されることを主に例示した。これに限られず、送電コイルCLAは、複数段のコイルCLの中央部に配置されてもよい。例えば、図3に示す送電コイルCLAと中継コイルCLC−1との位置が入れ替えられた場合、中央部の送電コイルCLAの周囲に発生した磁場は、図3における上下方向の中継コイルCLC1−1,CLC1−2、受電コイルCLBに伝達される。
上記実施形態では、プロセッサは、物理的にどのように構成してもよい。また、プログラム可能なプロセッサを用いれば、プログラムの変更により処理内容を変更できるので、プロセッサの設計の自由度を高めることができる。プロセッサは、1つの半導体チップで構成してもよいし、物理的に複数の半導体チップで構成してもよい。複数の半導体チップで構成する場合、上記実施形態の各制御をそれぞれ別の半導体チップで実現してもよい。この場合、それらの複数の半導体チップで1つのプロセッサを構成すると考えることができる。また、プロセッサは、半導体チップと別の機能を有する部材(コンデンサ等)で構成してもよい。また、プロセッサが有する機能とそれ以外の機能とを実現するように、1つの半導体チップを構成してもよい。また、複数のプロセッサが1つのプロセッサで構成されてもよい。
本開示は、環状の伝送コイルの変形を抑制できる、水中での非接触電力伝送における伝送効率の低下を抑制できる送電装置等に有用である。
10 電力伝送システム
20 電線
50 船舶
60 水中航走体
70 潜水艇
80 水底掘削機
90 水面
95 水底
100 送電装置
110 電源
120 ADC
130 CPU
140 情報通信部
141 変復調回路
150 送電回路
151 ドライバ
152 共振回路
200 受電装置
210 受電回路
211 整流回路
212 レギュレータ
220 CPU
230 充電制御回路
240 2次電池
250 情報通信部
251 変復調回路
280,280A 電力ケーブル
300,300A,580 中継ボックス
301 筐体
301y 蓋
301z 枠体
302 開口部
303 防水コネクタ
304 端子連結部
305 コンデンサ
306 リレー回路
307 制御回路
350,350−1,350−2,350−3,550 スペーサ
351 第1部材
352 第2部材
353 第3部材
351z 第1面
352z 第2面
353z 第3面
354a,354b,355a,355b,361a,362a 貫通孔
361 凸部
362 凹部
410,510 結束バンド
451 コイル展開ロープ
452,453 コイル連結ロープ
701 第1の支持板
701x,701y 貫通孔
701z,703z 開口部
703 第2の支持板
800 AUV
801 胴部
802,803 翼部
805 スクリュー部
810 位置固定フック
910 海底
910z 斜面
920,930 架台
920z,930z,1201 バーフレーム
930y 側板
1000,1000A,1000B,1000C,1000D,1000E 給電スタンド
1101,1105,1106 支柱
bn,bn1,bn2,bn3,bn5,bn10,bn11,bn13,bn14,bn15,bn31 ボビン
CLA,CLA1,CLA2,CLA3,CLA13,CLA14,CLA15 送電コイル
CLB,CLB1 受電コイル
CLC,CLC−1,CLC−2,CLC1,CLC1−1,CLC1−2,CLC2−1,CLC2−2,CLC3−1,CLC3−2,CLC13 中継コイル
CA,CB,CC コンデンサ
CL コイル
En1,En2,En3 円板
In10 絶縁材
L11,L12,L13,L14,L21,L22,L23,L24 連結部材
m10 非磁性金属

Claims (11)

  1. 水中において、受電コイルを有する受電装置に電力を伝送する送電装置であって、
    磁界を介して前記受電コイルに電力を伝送する送電コイルを含む1つ以上の環状の伝送コイルと、
    環状の前記伝送コイルにより形成される前記伝送コイルの内方の空間に配置され、環状の前記伝送コイルの内周に沿う外周を有し、前記伝送コイルを前記内方から支持する支持部材と、
    交流電力を前記送電コイルへ送電する送電部と、
    前記伝送コイルに接続されると共に、前記伝送コイルと共に共振する共振回路を形成するコンデンサと、
    を備える送電装置。
  2. 前記支持部材は、非導電体又は非磁性体により形成された、
    請求項1に記載の送電装置。
  3. 前記支持部材は、少なくとも一部に導電体を有し、
    前記導電体は、前記支持部材の周方向において、絶縁される、
    請求項1に記載の送電装置。
  4. 中継部材、を更に備え、
    前記中継部材は、
    開口部を有し、前記コンデンサを含む電気部品を内蔵する筐体と、
    前記開口部に前記筐体の外側に向かって設けられ、前記開口部を通る前記伝送コイルの周方向を包囲する防水コネクタと、
    を備え、
    前記筐体の内部において、前記伝送コイルの一端と他端とが電気的に接続された、
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の送電装置。
  5. 前記中継部材の内部に、油が充填された、
    請求項4に記載の送電装置。
  6. スペーサ、を更に備え、
    前記スペーサは、第1のスペーサと第2のスペーサと、を含み、
    前記支持部材は、第1の支持部材と第2の支持部材とを含み、
    前記第1のスペーサは、前記第1の支持部材と、前記第1の支持部材の外周に沿って巻回された第1の伝送コイルと、を挟持し、
    前記第2のスペーサは、前記第2の支持部材と、前記第2の支持部材の外周に沿って巻回された第2の伝送コイルと、を挟持し、
    前記第1のスペーサは、所定長の連結部材を介して前記第2のスペーサと連結された、
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の送電装置。
  7. スペーサ、を更に備え、
    前記スペーサは、前記支持部材の外周に平行な第1面を有する第1部材と、前記第1面に垂直な第2面を有する第2部材と、前記第2面に平行な第3面を有する第3部材と、を備え、
    前記第2部材及び前記第3部材は、
    前記支持部材と、前記支持部材の外周に沿って巻回された前記伝送コイルと、を挟持し、
    他の支持部材を挟持する他のスペーサと連結するための連結部材を挿通する貫通孔を有する、
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の送電装置。
  8. 前記第2部材は、前記第3部材の配置側と反対側に突出する凸部を有し、
    前記第3部材は、前記第2部材の配置側に窪んだ凹部を有する、
    請求項7に記載の送電装置。
  9. 第1の支持板及び第2の支持板、を更に備え、
    前記伝送コイルは、同一平面上に配置されるスパイラル形状に複数回巻回され、
    前記第1の支持板と前記第2の支持板との間に、前記伝送コイルが挟持され、
    前記第1の支持板は、前記支持部材として、スパイラル形状の前記伝送コイルの最内周に沿うリブを有する、
    請求項1〜5のいずれか1項に記載の送電装置。
  10. 前記第1の支持板には、前記伝送コイルの配置側と反対側に、内部において前記伝送コイルの一端と他端とが電気的に接続される中継部材が配置され、
    前記第1の支持板は、前記中継部材に向かって延びる前記伝送コイルを挿通する貫通孔を有する、
    請求項9に記載の送電装置。
  11. 前記支持部材は、円筒形状に形成され、
    複数の前記伝送コイルは、同一の支持部材の外周に沿って巻回された、
    請求項1〜10のいずれか1項に記載の送電装置。


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