JP6415579B2 - 無線電力伝送による可動部多重化伝送システム - Google Patents

Description

この発明は、機械的接点を必要とするスリップリング装置による電力の多重型伝送機能を、非接触で実現可能とする無線電力伝送による可動部多重化伝送システムに関するものである。

機構的な回転体を経由して電源ラインを負荷機器等へ接続する場合、従来では、機械的接点を有するスリップリング装置を使用している。
このスリップリング装置は、一次電源が接続され、回転体の外周面に絶縁体を介して配置された環状のスリップリングと、受信電源が接続され、スリップリングの外周面と摺動接触するブラシとから構成されている。なお、受信電源には負荷機器等が接続されている。この構成により、スリップリングとブラシが電気的に接続され、一次電源からの電力を受信電源へ伝送することができる。更に、このスリップリング装置において、スリップリング及びブラシの対を多重化することで、複数系統の電力を多重化伝送することが可能となる。

特許第５４４９５０２号

しかしながら、スリップリング装置では、機械的接点となるスリップリングとブラシの接点における磨耗劣化が発生する。そのため、磨耗劣化により電力伝送システムの寿命が制限されてしまうという課題があった。

一方、これに換わる技術として、非接触の無線電力伝送による伝送システムが知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に開示された伝送システムでは、例えば図３に示すように、送信アンテナ側は、回転体の軸心を中心にして配置される送信側コイル１０１と、送信側コイル１０１による磁束をコントロールするよう、対となる送信側コイル１０１の軸心を中心にして配置された所定の透磁率の送信側スペーサ１０２とを備えている。また、受信アンテナ側は、回転体の軸心を中心にして配置される受信側コイル１０３と、受信側コイル１０３による磁束をコントロールするよう、対となる受信側コイル１０３の軸心を中心にして配置された所定の透磁率の受信側スペーサ１０４とを備えている。なお図３の例では、送受信アンテナを２系統設けた場合を示し、各機能部の符号に接尾記号ａ，ｂを付している。また、符号１０５は各系統を接続するための接続用中空スペーサである。この構成により、スリップリング装置による電力伝送機能を非接触で実現可能とすることができる。

しかしながら、特許文献１に開示された伝送システムでは、磁束をコントロールするための所定の透磁率のスペーサ１０２，１０４を使用して送受信アンテナを構成している。そのため、製造上、送受信アンテナのコイル形状がヘリカル形状等に制限されてしまうという課題がある。また、透磁率を持つスペーサ１０２，１０４での渦電流による電力損失の発生という課題や、スペーサ１０２，１０４により質量、体積及びコストが増加するという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、スリップリング装置による電力の多重型伝送機能を非接触で実現可能とし、従来構成に対して、低電力損失化（高効率化）を図ることができ、且つ、小型化、軽量化及び低コスト化を実現することができる無線電力伝送による可動部多重化伝送システムを提供することを目的としている。

この発明に係る無線電力伝送による可動部多重化伝送システムは、回転体を経由した無線電力伝送による可動部多重化伝送システムであって、電力を無線伝送する送信アンテナ、及び、対となる送信アンテナからの電力を受信する受信アンテナからなる送受信部を２系統以上備え、送信アンテナは、回転体の軸心を中心にして絶縁材料の面上に固定され、面を有する配置されたスパイラル状の送信側コイルから成り、受信アンテナは、回転体の軸心を中心にして絶縁材料の前記送信側コイルが固定された面上に送信側コイルとの間にスペーサを使用せず空隙を有して配置されたスパイラル状の受信側コイルから成り、各系統の送受信部は、隣の送受信部と逆位相の交流電流で動作するものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、スリップリング装置による電力の多重型伝送機能を非接触で実現可能とすることができ、更に、従来構成に対して、低電力損失化（高効率化）を図ることができ、且つ、小型化、軽量化及び低コスト化を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る無線電力伝送による可動部多重化伝送システムの構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態１における送受信部の構成を示す模式図であり、（ａ）送受信部の斜視図であり、（ｂ）送信アンテナ及び受信アンテナの正面図である。 従来の無線電力伝送による可動部多重化伝送システムの送受信部の構成を示す模式図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る無線電力伝送による可動部多重化伝送システムの構成を示す模式図である。
無線電力伝送による可動部多重化伝送システムは、機構的な回転体（不図示）を経由して電源ラインを負荷機器等（不図示）へ接続する場合等に用いられるものであり、電気信号を含む電力を無線伝送する装置である。なお図１では、無線電力伝送機能を３系統に多重化した例を示し、電気信号を含む複数系統の電力を並列に無線伝送する場合を示している。

この無線電力伝送による可動部多重化伝送システムは、図１に示すように、一次電源１、送信電源回路２、送受信部３及び受信電源回路４から構成されている。また、送受信部３は、送信アンテナ５及び受信アンテナ６を有している。また、図１に示す可動部多重化伝送システムでは、多重化伝送を行うため、送信電源回路２、送信アンテナ５、受信アンテナ６及び受信電源回路４を各々複数系統有している（図１の例では３系統設けた場合を示し、各機能部の符号に接尾記号ａ〜ｃを付している）。

一次電源１は、各送信電源回路２を介して各送信アンテナ５に対し、電力を供給するものである。
送信電源回路２は、一次電源１と送信アンテナ５との間に配置され、共振インピーダンス制御により、対となる送信アンテナ５への交流電力の供給と共振条件を成立させるものである。

送信アンテナ５は、対となる送信電源回路２からの交流電力を介して一次電源１から供給された電力を、受信アンテナ６に無線伝送するものである。この送信アンテナ５の構成の詳細については後述する。
受信アンテナ６は、対となる送信アンテナ５からの電力を受信するものである。この受信アンテナ６により受信された電力は受信電源回路４を介して負荷機器等に供給される。この受信アンテナ６の構成の詳細については後述する。

受信電源回路４は、受信アンテナ６と負荷機器等との間に配置され、入力インピーダンス制御により、対となる受信アンテナ６の共振条件を成立させるものである。
なお、送受信部３の無線電力伝送方式は特に限定されるものではなく、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、電磁誘導による方式のいずれであってもよい。

次に、送受信部３の構成について、図２を参照しながら説明する。図２はこの発明の実施の形態１における送受信部３の構成を示す模式図であり、（ａ）送受信部３の斜視図であり、（ｂ）送信アンテナ５及び受信アンテナ６の正面図である。なお、図２では送信アンテナ５を受信アンテナ６の外側に配置した構成としているが、送信アンテナ５と受信アンテナ６の配置を逆の構成にしてもよい。

送受信部３では、図２（ａ）に示すように、対となる送信アンテナ５と受信アンテナ６が空隙を有して配置されている。また、多重化構成のため、各系統の送信アンテナ５及び受信アンテナ６がそれぞれ、回転体の軸心方向（図２（ａ）に示すＹ方向）に沿って距離を置いて配置されている。なお、図２（ａ）の例では、送受信部３を３系統とした場合を示し、各機能部の符号に接尾記号ａ〜ｃを付している。

この送信アンテナ５は、図２（ｂ）に示すように、回転体の軸心を中心（略中心の意味も含む）にして配置されたスパイラル状の送信側コイル７から構成されている。なお送信側コイル７は絶縁材料（例えばアクリル、ガラスエポキシ、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）、ポリイミド、樹脂等）の上に固定される。また、受信アンテナ６は、回転体の軸心を中心（略中心の意味も含む）にして送信側コイル７との間に空隙を有して配置されたスパイラル状の受信側コイル８から構成されている。なお図２の例では、受信側コイル８は送信側コイル７の内側に配置されている。また、送信アンテナ５と受信アンテナ６の各面は同一面又はオフセットを持って配置される（図２の例では同一面に配置した場合を示している）。

なお図２に示す例では、送信アンテナ５と受信アンテナ６のコイル形状が、円形の場合を示している。しかしながら、この形状に限るものではなく、楕円形又は正方形等の任意の形状でよい。

また、送信アンテナ５及び受信アンテナ６を回転体の軸心方向へ複数系統並列に配置する場合、各系統間の距離Ｇにより電力伝送効率特性が変化する。すなわち、距離Ｇが大きいほど電力伝送効率特性はよくなる。
ここで、各系統間の距離Ｇの設定は、各送信アンテナ５から発生する磁界強度を考慮して、各系統間の相互干渉が少なくなるように設定する。例えば図２において、距離Ｇを対となる送信アンテナ５及び受信アンテナ６の最大外径Ｄ以上に設計する、又は、距離Ｇを対となる送信アンテナ５及び受信アンテナ６の最小内径Ｂ以上に設計する。

また、複数系統並列に配置された各送信アンテナ５及び受信アンテナ６の動作は、隣の系統と逆位相の交流電流で動作するように構成する。この逆移相の交流電流動作は、各系統の送信電源回路２の出力電流を隣の系統と逆位相にした構成、又は、送信アンテナ５及び受信アンテナ６のスパイラル状のコイル７，８の巻き方を隣の系統と逆巻きにすることで構成する。その他いずれの方法でも、各系統の送受信部３が隣の送受信部３と逆位相の交流電流で動作するように構成されていればよい。
なお、この無線電力伝送による可動部多重化伝送システムの各系統は、同一の周波数に同期して動作する構成となる。

以上のように、この実施の形態１によれば、回転体の軸心を中心にして配置されたスパイラル状の送信側コイル７から成る送信アンテナ５と、回転体の軸心を中心にして送信側コイル７との間に空隙を有して配置されたスパイラル状の受信側コイル８から成る受信アンテナ６とを備え、各系統の送受信部３が隣の送受信部３と逆位相の交流電流で動作するように構成したので、スリップリング装置による電力の多重型伝送機能を非接触で実現可能とすることができる。その結果、機械的接点の磨耗劣化による寿命制限がなくなり、装置の長寿命化が可能となる。また、無線電力伝送のため、汚染による接触不良や結露による漏電等を防ぐことができ、装置の信頼性が向上する。更に、機械的接点の磨耗により発生するスパーク等もないため、引火性のある気体や液体中においても動作が可能である。
また、従来技術のように磁束をコントロールするための所定の透磁率のスペーサ１０２，１０４を使用しないため、送信アンテナ５と受信アンテナ６のコイル形状に製造上の制限がない。更に、スペーサ１０２，１０４での渦電流による電力損失の発生もなく、また、スペーサ１０２，１０４における質量、体積及びコストの増加もない。よって、従来構成よりも低電力損失化（高効率化）を図ることができ、且つ、小型化、軽量化及び低コスト化を実現することができる。

また、多重化構成において、各送信アンテナ５から発生する磁界強度を考慮して、各系統間の相互干渉が少なくなるように距離Ｇを置いて各系統を配置したので、高効率な無線電力伝送による多重化伝送が可能となる。

なお上記では、送信アンテナ５及び受信アンテナ６を各々単一のコイル７，８から構成する場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、各コイル７，８を各々例えば給電用コイル及び共鳴用コイルから構成してもよく、２個以上のコイルで構成するようにしてもよい。

また上記において、一次電源１及び送信電源回路２が送信アンテナ５に供給する電力は、各系統とも同一周波数となる。

また、受信アンテナ６では、対となる送信アンテナ５との間の距離や負荷電流、負荷インピーダンス等によって共振条件が変化する。そこで、受信電源回路４にて、このような伝送状況の変化に応じて、受信アンテナ６に対して成立させる共振条件を可変とする機能を追加してもよい。また同様に、送信電源回路２にて送信アンテナ５の共振条件を可変とする機能を追加するようにしてもよい。更に、両回路２，４に各アンテナ５，６の共振条件を可変とする機能を追加するようにしてもよい。

また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る無線電力伝送による可動部多重化伝送システムは、スリップリング装置による電力の多重型伝送機能を非接触で実現可能とし、従来構成に対して、低電力損失化（高効率化）を図ることができ、且つ、小型化、軽量化及び低コスト化を実現することができるため、機械的接点を必要とするスリップリング装置による電力の多重型伝送機能を、非接触で実現可能とする無線電力伝送による可動部多重化伝送システム等に用いるのに適している。

１ 一次電源、２，２ａ〜２ｃ 送信電源回路、３ 送受信部、４，４ａ〜４ｃ 受信電源回路、５，５ａ〜５ｃ 送信アンテナ、６，６ａ〜６ｃ 受信アンテナ、７，７ａ〜７ｃ 送信側コイル、８，８ａ〜８ｃ 受信側コイル。

Claims (12)

1. 回転体を経由した無線電力伝送による可動部多重化伝送システムであって、
   電力を無線伝送する送信アンテナ、及び、対となる前記送信アンテナからの電力を受信する受信アンテナからなる送受信部を２系統以上備え、
   前記送信アンテナは、前記回転体の軸心を中心にして絶縁材料の面上に固定され、面を有するスパイラル状の送信側コイルから成り、
   前記受信アンテナは、前記回転体の軸心を中心にして前記絶縁材料の前記送信側コイルが固定された面上に前記送信側コイルとの間にスペーサを使用せずに空隙を有して固定され、面を有するスパイラル状の受信側コイルから成り、
   各系統の前記送受信部は、隣の前記送受信部と逆位相の交流電流で動作する
   ことを特徴とする無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。
2. 各系統の前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、前記回転体の軸心方向に沿って距離を置いて配置された
   ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。
3. 前記距離は、対となる前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの最大外径以上である
   ことを特徴とする請求項２記載の無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。
4. 前記距離は、対となる前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの最小内径以上である
   ことを特徴とする請求項２記載の無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。
5. 前記送受信部は、磁界共鳴により無線伝送を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。
6. 前記送受信部は、電界共鳴により無線伝送を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。
7. 前記送受信部は、電磁誘導により無線伝送を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。
8. 前記送信側コイル及び前記受信側コイルは、各々２個以上のコイルから構成された
   ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。
9. 各系統において前記受信アンテナに対応して設けられ、当該受信アンテナの共振条件を成立させる受信電源回路を備え、
   前記受信電源回路は、対となる前記受信アンテナの伝送状況に応じて当該受信アンテナの共振条件を可変とする
   ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。
10. 各系統において前記送信アンテナに対応して設けられ、当該送信アンテナの共振条件を成立させる送信電源回路を備え、
    前記送信電源回路は、対となる前記送信アンテナの伝送状況に応じて当該送信アンテナの共振条件を可変とする
    ことを特徴とする請求項１記載の無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。
11. 回転体を経由した無線電力伝送による可動部多重化伝送システムであって、
    電力を無線伝送する送信アンテナ、及び、対となる前記送信アンテナからの電力を受信する受信アンテナからなる送受信部を２系統以上備え、
    前記送信アンテナは、前記回転体の軸心を中心にして絶縁材料の面上に固定され、面を有するスパイラル状の送信側コイルから成り、
    前記受信アンテナは、前記回転体の軸心を中心にして前記絶縁材料の前記送信側コイルが固定された面上に前記送信側コイルとの間にスペーサを使用せずに空隙を有して固定され、面を有するスパイラル状の受信側コイルから成り、
    各系統の前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、隣接する系統間で前記回転体の軸心方向に沿って距離を置いて配置され、
    各系統の前記送受信部は、同一の周波数に同期し、隣の前記送受信部と逆位相の交流電流で動作する
    ことを特徴とする無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。
12. 前記距離は、対となる前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの最小内径以上である
    ことを特徴とする請求項１１記載の無線電力伝送による可動部多重化伝送システム。

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