JP6430704B2 - 電力供給システム - Google Patents
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Description
前記軸の荷重を受ける第1軸受け本体と、前記第1軸受け本体における前記外部軸導体の外周面に対向する位置に固定された第1外軸受けと、前記第1外軸受けと前記外部軸導体との相互間に配置された第1すべり絶縁層とを備え、前記第2軸受けは、前記外部軸導体の外周面に固定された第2絶縁層と、前記第2絶縁層の外周面に固定された第2内軸受けと、前記第2内軸受けに対して対向する位置に配置された第2外軸受けと、前記第2内軸受けと前記第2外軸受けとの相互間に配置された第2すべり絶縁層と、第2外軸受けに接続された第1内配線と、前記外部軸導体に形成された配線孔を介して、前記第2内軸受けと前記内部軸導体とを電気的に接続する第2内配線とを備え、前記第1外軸受け、前記第1すべり絶縁層、及び前記外部軸導体によって構成された第1結合コンデンサを介して、前記第1軸受け本体と前記外部軸導体との相互間における送電を可能とすると共に、前記第2外軸受け、前記第2すべり絶縁層、及び前記第2内軸受けによって構成された第2結合コンデンサを介して、前記第1内配線と前記内部軸導体との相互間における送電を可能とした電力供給システム。
最初に、本発明の実施の形態に係る電力供給システムの基本的概念について説明する。本実施の形態に係る電力供給システムは、電源に対して相対的に回転する回転体(又は、電源に対して相対的に移動する移動体等)に設けられた所定の負荷に対して電力を供給するための電力供給システムである。この電力供給システムの適用対象は任意であり、例えば工業用ロボットのアームに電力供給する場合や、首振り動作をする監視カメラに電力供給する場合、あるいはタワークレーンの回転部に電力供給をする場合等、軸と軸受とから構成される回転接続部分を介して回転体に電力供給するために適用することができる。
次に、本願発明者が見出した、本実施の形態に係る電力供給システムの原理について説明する。
次に、電力供給システムの構成について説明する。図4から図10、図13は、電力供給システムの構成を示す断面図である。図11、12は、後述する可動型のすべり軸受の構成を示す断面図である。
また、回転軸2の左端部には、給電軸受ブロックが設けられている。この給電軸受ブロックは、ボディ15の内部にすべり軸受を備え、ボディ15の外部において電源と接続されている。ここで、すべり軸受は、すべり軸受内輪12と、すべり軸受外輪11とを備えている。すべり軸受内輪12は、回転軸2と絶縁された状態で配置されており、回転軸2の内導体9と接続導線14を介して電気的に接続されている。すべり軸受外輪11は、すべり軸受内輪12を覆うように配置されており、絶縁性の低摩擦材(例えばテフロン(登録商標)等)を介してすべり軸受内輪12と接している。また、電源は、ボディ15をアースとした同軸入力端子19からすべり軸受に電力を供給している。この電力は、すべり軸受と内導体9とを介するルートと、ボディ15と回転軸2との相互間に形成された隙間41を介して負荷につながるルートにより負荷に伝送されている。
また、同軸入力端子19の接続導線(第2外配線)は、ボディ15内の右側に設けられたすべり軸受(第2軸受け)のすべり軸受外輪11(第2外軸受け)に接続されている。このすべり軸受外輪11は、絶縁体10を介してボディ15に固定されている。なお、上述したように、回転軸2の一方の端部のみに給電軸受ブロックが設けられているため、このボディ15における2つのすべり軸受に対応する部分は、軸受取り付け部3によって固定される必要がある。また、このすべり軸受外輪11は、すべり界面13(第2すべり絶縁層)を介してすべり軸受内輪12(第2内軸受け)と接触しており、このすべり軸受内輪12は、絶縁体10(第2絶縁層)を介して回転軸2に固定されている。また、すべり軸受内輪12と回転軸2の内導体9との相互間には、回転軸2の外導体に形成された配線孔を介して、すべり軸受内輪12と回転軸2の内導体9とを電気的に接続するための導線(第2内配線)が設けられている。これにより、すべり軸受外輪11、すべり界面13、及びすべり軸受内輪12によって構成された第2結合コンデンサを介して、接続導線14と回転軸2の内導体9との相互間における送電が可能となる。
以上のような電力の流れ、すなわち、ボディ15内にすべり軸受が囲まれている場合に、表面電流がほとんど外部に流れず、ボディ15内の空間部を経由して回転軸2内の内導体9に電力を流せることが、電磁界シュミレーションで確認されている。
また、回転軸2内の同軸線路(具体的には、内導体9、絶縁体10、及び外導体にて構成された部分)をさらに回転軸2の左側に向けて伸ばす場合には、同軸型のカップリング6を用いることで対応できる。この同軸型のカップリング6は、例えば、ベロウズ型のカップリングやエキスパンドメタルのように積層したディスク、又はメッシュ線のパイプ等を用いて構成することができる。
また、これら3つのすべり軸受のうち、中間に配置されたすべり軸受は、絶縁体10を介してボディ15に固定されており、すべり軸受外輪11と、すべり界面13を介してすべり軸受外輪11と接触しているすべり軸受内輪12とを備えている。ここで、絶縁体10の材質については、具体的には、エンジニアリングプラスチックを想定しており、金属材料ほどではないが比較的高い機械的強度が得られる。このすべり軸受は、回転軸2からの軸荷重を受けるものとして機能する。なお、図10に示す電力供給システムの構成は任意であり、例えば、ボディ15の両端部のすべり軸受で荷重が受けられ、中間のすべり軸受が可動すると共に、回転軸2における端部のすべり軸受と中間のすべり軸受との相互間にカップリングが設けられる構成が採用されてもよく、あるいは、両端部のすべり軸受の一方を固定し、両端部のすべり軸受の他方及び中間のすべり軸受を可動する構成が採用されてもよい。
次に、電力供給システムに用いられる回路の構成について説明する。図14から図16は、電力供給システム用の回路図である。
次に、設置環境対応性を考慮した電力供給システムの構成について説明する。上述した電力供給システムが実際に使用される際には、各種の環境に順応可能な構成で使用する必要がある。ここで、従来のシステムにおけるすべり軸受部は、気体、液体、電磁波等に対するシールが極めて困難な部位であるので、上述したすべり軸受部を完全にシールドすることはできない。これに対して、本実施の形態に係る電力供給システムのすべり軸受においては、当該すべり軸受を構成するすべり軸受内輪12、すべり軸受内輪12、及び接続導線14をすべて保護膜で覆うことができるため、スリップリングと比べて大きなメリットがある。なお、この保護膜は、例えばテフロン(登録商標)、アルマイト、DLC(Diamond Like Carbon)膜等の各種樹脂膜などの絶縁性材料にて形成されているので、誘電部材又はすべり部材として機能することができる。
また、この電力供給システムは、図16に示す電力供給システムとほぼ同様に構成されているが、給電軸受ブロック及び回転軸については、以下のように構成されている。具体的には、給電軸受ブロックは、当該給電軸受ブロックの一部が隔離壁22に形成された貫通孔に挿入されるように配置され、当該給電軸受ブロックの他の一部が継手部材等を介して隔離壁22に取り付けられている。また、回転軸は、隔離壁22内における猛毒ガスの攪拌等に用いられていると共に、温度調整、紫外線照射、センシング等を行う機器に対して給電や通信を行うための経路として用いられている。この回転軸は、隔離壁22の貫通孔を介して隔離壁22内から隔離壁22外に至るように配置されている。また、この回転軸は、同軸線路を備えており、この同軸線路は、回転軸の長手方向の端部の一方から回転軸の長手方向の端部の他方に至るように形成されている。
具体的には、四段の増設ブロック24の各々には、内部の空気を排出する排気口が形成されている。また、各増設ブロック24におけるボディ15及び回転軸との対向部分(あるいは、隣設するブロックとの対向部分)には、隔離壁22の外側から隔離壁22の内側に向けて空気が流入することを防止するための回転用シール23が取り付けられている。各増設ブロック24の内部は、空気が抜かれた状態に設定されている(なお、空気を抜く際には、所定の配管等を用いて増設ブロック24毎に個別に行う)。このような構成により、回転軸の作動排気29を行うことができるため、隔離壁22の外側から隔離壁22の内側に向けて空気が流入することを防止できる。なお、図18に示す増設ブロック24の段数については、例えば、隔離壁22内が真空状態の程度に応じた段数が設定されてもよい。
具体的には、隔離壁22内の気圧がPである場合に、最も隔離壁22に近い増設ブロック24の内部気圧は、Pに近似した気圧であるP1に設定されている。また、次に隔離壁22に近い増設ブロック24の内部気圧は、当該増設ブロック24の内部気圧と最も隔離壁22に近い増設ブロック24と内部気圧との圧力差によって、回転用シール23が剥がれないように、P1よりも小さい気圧であるP2に設定されている。また、その次に隔離壁22に近い増設ブロック24の内部気圧は、P1に設定され、最も隔離壁22に遠い増設ブロック24の内部気圧は、P2に設定されている。
このような構成により、四段の増設ブロック24において圧力差を設けることができるので、隔離壁22内の気圧が高圧状態でも、隔離壁22の内側の空気が隔離壁22の外側へ漏洩することを防止できる。
具体的には、2つの二段の増設ブロック24の一方は、隔離壁22の内側に配置され、給電軸受ブロックの隔離壁22側の端部に対して取り付けられている。また、これらの2つの二段の増設ブロック24の他方は、隔離壁22の外側に配置され、給電軸受ブロックの隔離壁22側とは反対側の端部に対して取り付けられている。また、各増設ブロック24の内部には、電波吸収体31が設けられている。
このような構成により、隔離壁22の内側から隔離壁22の外側に向けて電磁波が漏洩することを防止できる。また、給電軸受ブロック自体がインバータ出力を行っている場合でも、この出力が隔離壁22の内側又は隔離壁22の外側に向けて漏洩することを防止できる。
スリップリングの増設ブロック24は、隔離壁22内に溜められた電荷を隔離壁22の外側に逃がすためのものである(なお、回転軸もスリップリングの増設ブロック24と同様の機能を有するように思われるが、回転軸自体は非接触給電を行うため、隔離壁22内に溜められた電荷を隔離壁22の外側に逃がことはできないと言える)。このスリップリングの増設ブロック24の内部には、接触電極が設けられている。この接触電極は、回転軸と接続されており、当該スリップリングの増設ブロック24に形成された開口を介して当該スリップリングの増設ブロック24に設けられたアース36と接続されている。また、隔離壁22もアース36と接続されている。
このような構成により、この隔離壁22内に所定量の電荷が溜まった場合に、スリップリングの増設ブロック24を介してアース36に向けて電荷を逃がすことができるので、隔離壁22内でスパーク放電が生じることを回避できる。
次に、電力送電及び通信を行う回転軸の構成について説明する。上述したように、すべり軸受を介して回転軸に電力伝送を行う構成について説明してきたが、同軸状の回転軸同士で電力送電及び通信を行うことも可能であるので、以下、このような回転軸の構成について説明する。
このような構成により、2つの回転軸の接合部で相互に回転させることが可能になる。また、2つの回転軸のいずれか一方から高周波電流を流すことが可能になり、電力伝送に限らず、通信伝送も可能である。
さらに、2つの回転軸の各々の内導体9には、当該内導体9の長手方向に沿って貫通する貫通孔が形成され、これら貫通孔にわたって導電性のシャフト2が設けられている。これにより、これら内導体9同士の容量結合を増大させることが出来るとともに、機械的強度を増大させて安定した回転が可能になる。
具体的には、このドアのヒンジ部75は、柱側に付ける固定部49と、ドア側に付ける回転部50とを備えている。この固定部49は、当該固定部49に形成された取り付けネジ穴73を介してネジを挿入することにより柱に取り付けられており、この回転部50は、当該回転部50に形成された取付孔を介してネジを挿入することによりドアに取り付けられている。また、これら固定部49と回転部50との接合部には、当該接合部全体を通して貫通するシャフト2と、シャフト2と相互に入れ子にした内導体9と、当該接合部を部分的に貫通している外導体59とが、ヒンジ部75の軸として構成されている。また、固定部49には、共振回路8、インバータ7、通信回路72が組みこまれ、回転部50にも共振回路8、通信回路72、整流・充電回路が埋め込まれている。また、固定部49には、共振回路8、通信回路72、整流・充電回路を覆うためのカバー74が設けられている。
このような構成により、ドアのヒンジ部75に電界結合による電力送電と通信伝達を行うことができる。よって、例えば、開閉回数が多いドアの場合には、導線で電力送電する場合に比べて導線の断線による影響を考慮する必要がなくなるため、使用性を向上させることができる。
このような構成により、バネ式固定ピン54と外導体とを密着させて接合容量を得ることができるとともに、2つの回転軸が向かい合う方向に沿って密着力を働かせることなく、十分な接合容量を得ることができる。
このような構成により、2つの回転軸を滑らかに回転させることができると共に、2つの回転軸の静電容量を安定させることができる。
このような構成により、固定部49に電力を送電することにより、2つの回転部50に電力を送電することができる。
本図には、保持器やシールドの記載を省いてるが、必要に応じて付加するものとする。
このような構成により、固定部49に電力を送電することにより、固定部49から回転部50に向かう方向のみに向けて電力を送電することができる。
このような構成により、電力を固定部49側に送り、回転部50側と固定部49側に電力を送電することができる。また、送電された電力の一部を、モータ駆動に用いることができる。また、回転部50側を発電機として、発電機にて発電された電力を固定部49側に送ることもできるため、例えば風力発電機等に適用することができる。
このような構成により、これらベアリングハウジング57によって2つの回転軸が挟み込まれることで、2つの回転軸を固定することができる。
次に、電力送電及び通信を行う伸縮系の軸の構成について説明する。上述したように、同軸状の回転軸同士で電力送電及び通信を行うことができれば、同軸状の相互に伸縮する軸同士で電力送電及び通信を行うことも可能であるので、以下では、このような軸の構成について説明する。
2つの軸のうちピストン側の軸は、長尺状のピストン側内導体66と、長尺状に形成されたものであって、ピストン側内導体66の外部において、当該ピストン側内導体66に対して同心状に配置されたピストン側外導体65と、ピストン側内導体66とピストン側外導体65との相互間に配置されたものであって(具体的には、シリンダ側の軸と接触しない位置に配置されている)、これらピストン側内導体66とピストン側外導体65とを相互に絶縁する絶縁/支持固定部10とを備えている。また、ピストン側の軸の形状については、ピストン側の軸がシリンダ側の軸に嵌合ことができるように、具体的には、ピストン側内導体66の外径は、シリンダ側内導体64の内径よりも小さく設定されており、ピストン側外導体65の外径は、シリンダ側外導体63の内径よりも小さく設定されている。また、シリンダ側内導体64の内縁部分及びピストン側内導体66の外縁部分は、それぞれ摺動材によってコーティングされている。同様に、シリンダ側外導体63の内縁部分及びピストン側外導体65の外縁部分は、それぞれ摺動材によってコーティングされている。
このような構成により、シリンダ側の軸及びピストン側の軸が大きな静電容量を有することができ、ピストン、サスペンション、伸縮電力伝送ラインとして用いることができると共に、通信伝達も同時に行うことができる。
図には記していないが、64と66の接触面、63と65の接触面に長手方向に沿う1本または複数本の相互に勘合する谷(溝)と尾根(長手方向に伸びた突起)を設け、接触面積を増大させるとともに、回転を防止させてもよい。
このような構成により、例えば、絶縁/支持固定部10の貫通孔を塞がないで伸縮継手として用い、絶縁/支持固定部10の貫通孔を塞いで、空気を閉じ込めればエアサスペンションとして用いることができる。また、絶縁/支持固定部10の貫通孔の内部にオイル等を満たし、2つの軸を伸縮させるピストンとして用いることできる。
この対策としては、人の手が触れない位置に適用したり、又は、ピストン部82及びシリンダ部81の軸表面に絶縁層をコーティングする。また、ピストン部82の軸の外面にコーティングし、シリンダ部81の軸の内面にコーティングした場合には、接合容量の低下を招くが、並列共振回路を用いることにより、伝送効率を維持することが可能になる。
次に、配線の構成について説明する。図45は、スリップリングを示す斜視図である。図45に示すように、現行のスリップリングは、スリップング固定部86と、スリップング回転部87と、入出力ケーブル88とを備えて構成されている。また、現行のスリップリングには、複数組の集電環とブラシが組み込まれているため、それぞれに応じて配線が引き出されている。この配線は、スリップリングの構造から決められている。このような決定の要因としては、一組の集電環とブラシの組み合わせでは、送電能力に限界があるため、複数組を組み合わせて所用の電力を送る必要があることなどが挙げられる。しかしながら、回転軸および回転軸に取付けられた負荷に電力を送る場合、この様な多数の配線がある場合には、取扱いが面倒になると共に高速通信系を組込むことが難しくなっていた。
そこで、現行のスリップリングの問題点を解決するための配線の構成について、以下に説明する。
このような構成により、回転軸の外導体59の一部をドリル等で穴を開ければ、容易に電力の入出力が可能になる。このため、受電位置の追加又は変更が自由に行うことができる。また、通常の金属回転軸の様に使用することもできる。
次に、転がり軸受を用いた電力供給システムの構成について説明する。上述したように、電力供給システムでは、すべり軸受が用いられていたが、すべり軸受に代えて転がり軸受が用いられることも可能であるので、以下では、転がり軸受を用いた構成について説明する。
ここで、ベアリング球56よりもベアリングコロの方が、接触部が線状であるとともに、コンデンサ容量も大きくなる。すなわち、玉軸受よりも、コロ軸受の方が電力を送電しやすいと言える。しかしながら、転がり軸受のすべり面には潤滑オイルがコーティングされており、遊びの空間も存在する。また、軸(具体的には、ベアリング球56またはベアリングコロ)の回転数が増大すると、軸と転がり軸受内輪90、転がり軸受外輪89間には油膜が存在するため、導電電流は減少して変位電流が大きくなる。さらに、遊びの空間によって、軸の回転と共に遊びの空間位置が変わってくる。このため、軸の回転数に応じて等価回路も変化し、軸荷重の大きさによっても変化することが考えられる。
一方、図53(b)に示すベアリング球56またはベアリングコロにおいては、保持器91及びシールド92の形状が以下のように設定されている。具体的には、保持器91の形状については、転がり軸受内輪90と転がり軸受外輪89の両方または一方で、静電容量が比較的大きくなる形状に設定される。また、保持器91におけるベアリング球56またはベアリングコロとの接触部分の面積が比較的大きくなる形状に設定されている。また、シールド92の形状については、シールド92の一方の端が転がり軸受内輪90又は転がり軸受外輪89と接触され、シールド92の他方の端が転がり軸受内輪90又は転がり軸受外輪89と接触しないものの近接させ、且つ、転がり軸受内輪90又は転がり軸受外輪89との対向面の面積が比較的大きくなる形状に設定されている。なお、シールド92の他方の端における転がり軸受内輪90又は転がり軸受外輪89との近接面が、摺動材によってコーティングされることにより、当該近接面と転がり軸受内輪90又は転がり軸受外輪89とは接触してもよい。この場合において、摺動材が誘電率の高い材料にて形成されることにより、結合容量を増大できる。
そこで、図57に示すように、回転軸の内導体9に電力を供給する側の軸受をすべり軸受93にすることで、軸受の厚さを薄くできる。これにより、すべり軸受内輪12と回転軸間の距離も大きくとれ、寄生容量を小さくできるため、伝送効率を上げることも可能になる。
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明の具体的な構成及び手段は、特許請求の範囲に記載した各発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。以下、このような変形例について説明する。
まず、発明が解決しようとする課題や発明の効果は、上述の内容に限定されるものではなく、発明の実施環境や構成の細部に応じて異なる可能性があり、上述した課題の一部のみを解決したり、上述した効果の一部のみを奏することがある。従来のシステムよりも、送電効率を低下させる場合であっても、本願発明の手段が従来のシステムの手段と異なっている場合には、本願発明の課題が解決されている。
実施の形態や図面において例示した構成要素に関して、形状、数値、又は複数の構成要素の構造若しくは時系列の相互関係については、本発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。
上記実施の形態では、回転軸を、同軸線路構造を基本に展開したものとして説明したが、上記特記した部分以外においても、同軸線路構造をそのまま受け継ぐことなく任意に変更することができ、外導体又は内導体9の形状や材質について、公知の同軸線路とは異なる形状や材質としてもよい。また、上記説明した各種の回転軸の構成のうち、一部を省略してもよい。つまり、回転軸は、給電機能のみが必要な場合には通信機能を省略した給電構造として構成することができ、通信機能のみが必要な場合には給電機能を省略した通信構造として構成することができる。
2 回転軸、シャフト
3 軸受取り付け部
4 導電性軸受
5 軸受取り付け部
6 カップリング
7 インバータ
8 共振回路、並列共振回路
9 内導体
10 絶縁体、絶縁/支持固定部
11 すべり軸受外輪
12 すべり軸受内輪
13 すべり界面
14 接続導線
15 ボディ
16 送電及び通信回路
17 受電及び通信回路
18 変位すべり軸受外輪
19 同軸入力端子
20 軸密着回転円盤
21 パッキング/ガスケット
22 隔離壁
23 回転用シール
24 増設ブロック
25 撹拌フィン
26 中和剤
27 無害化物質
28 毒物漏洩防止ユニット
29 排気
30 差動排気ユニット
31 電波吸収体
32 電磁波漏洩防止ユニット
33 集電環
34 接触電極
35 スリップングリングユニット
36 アース
37 差動高圧ガス漏洩封じユニット
38 ガイドプレート
39 ガイダンス溝
40 回転溝
41 ボディ・シャフトの隙間
42 封し板
43 出力部
44 永久磁石
45 駆動コイル
46 ロータハウジング
47 モータ制御部
48 ステータハウジング
49 固定部
50 回転部
51 ジンバル
52 給電軸受ブロック
53 止めネジ
54 バネ式固定ピン
55 引っかけ溝
56 ベアリング球
57 ベアリングハウジング
58 容量結合部
59 外導体
60 入力
61 出力
62 ヘッドチューブ
63 シリンダ側外導体
64 シリンダ側内導体
65 ピストン側外導体
66 ピストン側内導体
67 絶縁シリンダヘッド
68 シリンダ側外部絶縁性支持固定
69 シリンダ側内部絶縁性支持固定
70 ピストン側外部絶縁性支持固定
71 ピストン側内部絶縁性支持固定
72 通信回路
73 取り付けネジ穴
74 カバー
75 ヒンジ部
76 トランス
77 チョークコイル
78 結合コンデサ
79 直流電源
80 負荷
81 シリンダ部
82 ピストン部
83 オイル
84 導線
85 絶縁性被膜
86 スリップング固定部
87 スリップング回転部
88 入出力ケーブル
89 転がり軸受外輪
90 転がり軸受内輪
91 保持器
92 シールド
93 すべり軸受
94 転がり軸受
95 ベアリング球またはコロの金属部
96 ベアリング球またはコロの外皮絶縁層
97 電力
98 信号
99 転がり軸受
Claims (1)
- 第1軸受けと第2軸受けとによって支持された軸を介して、交流電源から所定の負荷に対して電力を供給する電力供給システムであって、
前記軸は、
軸心方向に沿って配置された内部軸導体と、
軸心方向に沿って前記内部軸導体を覆うように配置された外部軸導体と、
前記内部軸導体と前記外部軸導体との相互間に配置された軸絶縁体とを備え、
前記第1軸受けは、
前記軸の荷重を受ける第1軸受け本体と、
前記第1軸受け本体における前記外部軸導体の外周面に対向する位置に固定された第1外軸受けと、
前記第1外軸受けと前記外部軸導体との相互間に配置された第1すべり絶縁層とを備え、
前記第2軸受けは、
前記外部軸導体の外周面に固定された第2絶縁層と、
前記第2絶縁層の外周面に固定された第2内軸受けと、
前記第2内軸受けに対して対向する位置に配置された第2外軸受けと、
前記第2内軸受けと前記第2外軸受けとの相互間に配置された第2すべり絶縁層と、
第2外軸受けに接続された第2外配線と、
前記外部軸導体に形成された配線孔を介して、前記第2内軸受けと前記内部軸導体とを電気的に接続する第2内配線とを備え、
前記第1外軸受け、前記第1すべり絶縁層、及び前記外部軸導体によって構成された第1結合コンデンサを介して、前記第1軸受け本体と前記外部軸導体との相互間における送電を可能とすると共に、
前記第2外軸受け、前記第2すべり絶縁層、及び前記第2内軸受けによって構成された第2結合コンデンサを介して、前記第2外配線と前記内部軸導体との相互間における送電を可能とした、
電力供給システム。
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