JP6605405B2

JP6605405B2 - 無線給電装置及び無線給電方法

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Publication number: JP6605405B2
Application number: JP2016128723A
Authority: JP
Inventors: 大輔新間; 健一大谷; 岡田　　聡
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2036-06-29
Also published as: JP2018007354A

Description

本発明は、移動体に給電する無線給電装置及び無線給電方法に関し、特に、水中で作業を行う装置やロボットへの給電に適用して有効な技術に関する。

例えば、発電プラントや化学プラントにおいては、タンクや圧力容器などの構造物を目視で確認することで設備の健全性を評価することができる。タンク内に水がある場合には、水中を遊泳する水中遊泳ロボットを遠隔で操縦するとともに、ロボットに搭載したカメラでタンク内の構造物を撮影し、その撮影画像を用いて検査する方法がある。

水中遊泳ロボットを用いる検査方法には、いくつかの課題がある。代表的な例として、給電ケーブルがタンクや圧力容器の外に設置された電源と接続されるため、水中遊泳ロボットの移動の際に給電ケーブルが構造物に引っかかり移動に制約が生じ、この結果として作業効率が低下することである。このために水中遊泳ロボットに二次電池を搭載する方法もある。

しかしながら、二次電池は、水中遊泳ロボット本体の寸法を大きくするとともに、蓄電量が制限されるため、それに依存して作業内容や作業時間が制限され、やはり作業効率が低下するという問題がある。

これらを解決可能な手段として、無線式の給電方法があり、その一例が非特許文献１に開示されている。無線式の給電方法であれば、送電コイルと受電コイルとの間で電気的に共振させることで給電距離を約２ｍまで延ばすことができる。この無線式の給電方法において、給電可能な範囲を広げることができれば一層の作業効率向上が期待できる。

水中における無線式の給電方法を実現するには、送電コイル及び受電コイルの何れかあるいは両方を水中に設置する場合が想定される。その際、コイル自体が水に接触するのを防止するために何らかの防水手段を講じる必要がある。

このような送電または受電コイルを海水などの良導体媒質中にて使用する技術は、例えば、特許文献１に開示されている。

特許文献１によれば、誘電体を有する包含部によりコイルを覆うことで、良導体媒質中においても電気的な特性の影響を低減させることができる。

国際公開第２０１４／０３４４９１号

Kurs.A.et al、"Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances"、Science、Vol.317、(米国)、2007年7月6日、p.83-86

特許文献１に開示されている技術では、良導体中における電力伝送特性を向上させるためにコイル全体を所定の誘電体で覆っている。また、コイルを覆う物質は多層とし、そのうちの何れかの層を良導体媒質と等しい比重のものとすることで中性浮力としている。

ところで、非特許文献1に開示されている無線式の給電方法では、送電コイル及び受電コイル間で生じる磁界によって電力を伝送する。このとき、送電コイル及び受電コイルが電気的に共振する周波数で給電する。電気的共振は送電及び受電コイルそれぞれのインダクタンスとコイル線間のキャパシタンスによるLC共振によって得られる。この時、コイル線周辺には強い電界が生じている。

したがって、送電コイルと受電コイル間に存在する物質は磁界の影響を受けにくい、言い換えるならば、磁界に対する相互作用が小さい物質である必要がある。また、コイル線の周辺に存在する物質は、電界に対する相互作用が小さいものとする必要があり、理想的には空気または真空である。

上記特許文献１においては、前述の通り、コイルの周辺を所定の誘電体で満たしているため誘電体内に交流の電界が生じることによる損失が少なからず発生する。そのためエネルギーの損失が生じることとなり、改善が必要である。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、水などの媒質中において、高効率に電力を無線で給電可能とするとともに、媒質中での浮力を低減できる無線給電装置及び無線給電方法を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は、媒質中で使用される移動体に設けられ、非接触で外部からの受電、或いは、外部への送電を行う無線給電装置であって、前記無線給電装置は、外部と誘導結合するためのコイルと、前記コイルを内部に収容するコイルハウジングと、前記コイルハウジングに取り付けられ、前記無線給電装置の浮力を調整する浮力調整体と、を備え、前記コイルと前記浮力調整体は、所定の間隔を空けて離間して設けられ、当該離間部分は空気保持または真空保持されており、前記浮力調整体は、比誘電率と誘電正接との積である誘電体損が前記媒質よりも小さく、かつ、比重が前記媒質よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明は、媒質中で使用される移動体において、非接触で外部からの受電、或いは、外部への送電を行う無線給電方法であって、前記移動体に、外部と誘導結合するためのコイルと、前記コイルを内部に収容するコイルハウジングと、前記コイルハウジングに取り付けられ、前記移動体の浮力を調整する浮力調整体と、が設けられ、前記コイルと前記浮力調整体は、所定の間隔を空けて離間して配置され、当該離間部分は空気保持または真空保持されており、前記浮力調整体は、比誘電率と誘電正接との積である誘電体損が前記媒質よりも小さく、かつ、比重が前記媒質よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、水などの媒質中において、高効率に電力を無線で給電可能とするとともに、媒質中での浮力の影響を低減できる効果がある。これにより、水中で作業を行う装置やロボットの作業効率を向上することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１による無線給電装置の概略構成図である。コイル線周辺に生じる電界強度分布の解析結果の一例である。本発明の実施例１による無線給電装置の変形例の概略構成図である。本発明の実施例１の利用形態の一例を示す図である。本発明の実施例２による無線給電装置の概略構成図である。本発明の実施例２による無線給電装置の変形例の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明を省略する。

図１は本発明の実施例１による無線給電装置１０の概略構成図である。図１において給電回路１以外は側面図及び正面図の両方を用いて説明する。

無線給電装置１０は、コイルハウジング４、コイル線５、浮力調整体３からなるコイル部２及び給電回路１で構成される。給電回路１は、図示しないが送電回路または受電回路の総称であり、実際の使用形態では何れか一方がコイル線５に接続される。送電回路は交流電流をコイル線５に流す電源であり、受電回路はコイル線５に流れる電流から電気エネルギーを得るための回路である。また、コイル線５は、誘導結合により非接触で外部からの受電、或いは、外部への送電を行うためのものである。

コイル線５は銅や銀などの導電率が高い導体である。コイルハウジング４は透磁率が低く、非導電性の材料で構成され、コイルハウジング４を媒質１１内に沈めたときに著しく変形したり破損したりすることが無い強度を有するものである。コイル部２は、その一部または全部が水や海水、シリコーンオイルなどの媒質１１中で使用される。

次に、本無線給電装置１０の動作を説明する。給電回路１が、送電回路の場合にはそれに接続されたコイル線５で磁束を発生させ、受電回路の場合にはそれに接続されたコイル線５に鎖交する磁束から電気エネルギーを取り出す。取り出されたエネルギーは受電回路に接続された機器を動作させるために用いられる。

コイルハウジング４内は、コイル線５や浮力調整体３以外は例えば空気やそれ以外の電離しにくい気体を充てんするか、あるいは真空としてもよい。

次に、浮力調整体３の詳細を説明する。浮力調整体３は、コイルハウジング４と一部が機械的に接続される。コイルハウジング４内はその容積のほとんどが水などの媒質１１に比べて比重が小さい空気などの物質であるため、媒質１１中では浮力が生じる。この浮力を相殺する目的で、コイルハウジング４内部に浮力調整体３を備える。そのため、この浮力調整体３は、比重が媒質１１よりも大きいものとする。加えて、以下で説明する理由により導電率が低く、誘電体損が小さい物質で構成する。

浮力調整体３に導電率が低い物質を用いる理由を説明する。送電あるいは受電中のコイル線５の周辺には交流磁束が存在する。磁束が導体を貫くと、導体内に渦電流が流れる。この渦電流によってジュール熱が生じるため、これが損失となる。したがって、浮力調整体３の導電率が高いとその結果として、無線で給電する際に給電性能が低下する。この理由から浮力調整体３は導電率が低いものを用いる必要がある。

浮力調整体３に誘電体損が小さい物質を用いる理由を説明する。コイル線５の近傍には、電界強度の高い電界が発生している。誘電体内に電界が生じると、誘電体損が生じる。誘電体損は物質の比誘電率と誘電正接に依存する。つまり比誘電率と誘電正接の積が大きいと損失が大きくなるため、結果として無線で給電する際の給電性能が低下する。したがって、誘電体損が小さくなる物質を用いる必要がある。

表１は、比重（密度)、導電率、誘電体損、非透磁率を代表的な物質についてまとめたものである。例えば、石英ガラス（二酸化ケイ素）は密度が２．２ｇ／ｃｍ^３であるため比重は水の２．２倍である。そのためコイルハウジング４の容積よりも小さい体積で浮力を相殺することが可能であり、導電率は１０^−１５（Ｓ／ｍ）以下であるため絶縁体とみなすことができる。また、誘電体損は４．４×１０^−４程度であり、水と比較しても１／１０００程度であるため、十分小さい。このことから石英ガラスは浮力調整体３に適する。表１に他の例として示しているアルミナ以外にも、上記の条件を満足する物質が浮力調整体３として利用できる。なお、誘電体損（比誘電率と誘電正接の積）は水のそれより小さければ効果が得られるため、目安は０．４未満である。また、導電率は水と同等以下であれば本発明の効果が得られるため、１０^−３（Ｓ／ｍ）程度以下であればよい。

また、表１にはこれら以外に、代表的な磁性材料であるフェライトの材料特性も示している。表１に示すニッケル亜鉛系のフェライト材料は、密度が比較的高く、導電率は水よりも小さい。また、誘電体損は０．４程度より小さいため本発明の効果を得ることができる。

これに加えて、フェライトは磁性材料であるため透磁率が表１に示す他の材料に比べて高い。そのため、磁界を利用して給電する方式を採用する場合、フェライトのように透磁率が高い材料を用いることで、受電コイルに鎖交する磁束を増やすことができるため給電効率を高くすることができる。

石英ガラスを浮力調整体３として用いる場合の寸法について説明する。例えば、コイルハウジング４の内径及び長さをそれぞれ２０ｃｍ、コイルハウジング４とコイル線５の重量の合計を１ｋｇ、媒質１１を水と仮定した場合、コイル部２に生じる浮力は約５．３ｋｇとなる。図１のように円筒形状の浮力調整体３を用いる場合、この浮力を相殺するためには、式（１）より直径が１２．４ｃｍのものを用いればよい。

ここで、ｒ：浮力調整体の半径、Ｆ：浮力、Ｌ：浮力調整体の高さ（長さ）、Ｄ：浮力調整体の密度である。

続いて、コイル部２の構造について詳細に説明する。図２はコイル線５に高周波電流が流れている時の電界の分布を示す解析結果の一例である。コイル線５の周辺部やコイル線５同士の間には電界強度が高い部分が存在する。図示しないが、解析によればコイル線５から０．５ｃｍ離れた場所でも電界強度は高く、２ｃｍ離隔すれば最も電界強度が高い部分の１／１０以下になる。

先に述べたように、電界強度が高い場所に誘電体損が大きい物質があると、それによる損失で無線給電性能が低下する。この点からコイル線５の周辺には誘電体損が高い物質が存在しない構成とする必要がある。

そのため、本実施例では図１に示すように、浮力調整体３はコイル線５と近接しないように離間（離間部分Ａ６）して配置している。浮力調整体３は誘電体損が比較的小さい物質であるが、表１に示した通り、空気に比べると大きな損失を伴うため、極力コイル線５に近接しない配置とすることでより誘電体損を小さくすることができる。

また、コイルハウジング４の外部にある媒質１１が水や海水の場合には誘電体損が極めて大きいため、これらの媒質がコイル線５に接近しないように構成する必要がある。そこで、本実施例では図１に示すように、コイルハウジング４外にある媒質１１とコイル線５が接近しない構造となるよう、らせん形状のコイル線５の外側及び、らせん軸方向のコイル線５端部に水との離隔部分（離隔部分Ｂ７，離間部分Ｃ８）をそれぞれ設けた構造としている。

コイル線５からのそれぞれの離隔距離は、少なくとも０．５ｃｍ以上とし、望ましくは２ｃｍ以上とする。

図３は図１の変形例であり、浮力調整体３をコイルハウジング４の内部ではなく、その外周に取り付けている点において、図１と異なる。このような構造であっても後で述べる本発明の効果は得ることができる。また、図示しないがコイル線５とコイルハウジング４の間に浮力調整体３を設ける構造であっても良い。

続いて、本発明の効果について説明する。本発明においては、比重が大きく、導電率が小さく、誘電体損が小さい物質を浮力調整体３として用いることで、無線給電性能を維持しつつコイル部２の浮力を小さくできる効果がある。従来は、例えば送電用のコイル部２を水没させる場合に棒の先端にコイル部２を取り付けた構造とすると、浮力に打ち勝つために棒を堅牢な構造にする必要がある。

また、棒の鉛直方向にコイル部２がある場合は問題なくても、鉛直方向からずれると浮力によるモーメントが働くため、水上で棒を締結する部品も堅牢にする必要が生じ、全体として構造が複雑になりコストも上昇する。

しかしながら、本発明を用いることで浮力を低減できるためこれらの構造が簡素にでき、結果としてコストを低減できる効果が得られる。

図４は水中遊泳ビークル１２に外付けでコイル部２を取り付けた例であるが、浮力調整体を備えない場合、浮力によって水中遊泳ビークル１２の動作が不安定になる。本発明によれば、コイル部２を中性浮力にできるため、水中遊泳ビークル１２の姿勢を容易に安定化することができ、つまりは水中遊泳ビークル１２の移動性能を向上できる効果が得られる。

図５および図６は本発明の実施例２による無線給電装置１０の概略構成図である。図５および図６において給電回路１以外は側面図及び正面図の両方を用いて説明する。なお、図６は図５の変形例であり、図中の同一部分については重複する説明を省略し、異なる部分について詳細に説明する。

図５ではコイルハウジング４内に保持体２０を備えている。保持体２０はコイル線５とコイルハウジング４外にある媒質１１や、浮力調整体３との距離を一定に保持する目的で備えるものである。この保持体２０は、コイル線５と一部が接触する構造であるため、図２に示したようにコイル線５の電界強度が高い部分に存在することとなる。そのため、保持体２０は誘電体損を極めて小さくする必要がある。例えば、保持体２０の材質を発泡性ウレタンや発泡スチロールなどの密度が極めて低い材料を用いれば、誘電体損を低減することが可能である。

また、図５のようにコイル線５の全長に亘って保持体が近接する構造とするのではなく、図６に示すようにコイル線５の一部に接触して保持する構造としてもよい。この場合には、電界強度が高い場所に存在する保持体２１の誘電体損が高かったとしても、保持体２１全体が接触あるいは近接するわけではないため誘電体損失の上昇をできるだけ抑制することができる。但し、保持体とコイルの接触部分の長さの合計は、コイル全長の１０％以下とするのが望ましい。

図５や図６のように、コイルハウジング４内にコイル線５の保持体を設けることで、給電性能を低下させることなく浮力調整体３とコイル線５の距離、媒質１１とコイル線５の距離を常に確保することが可能となる。これにより、コイル線５の経時的な変形による給電性能の変化を防止し、一定の給電性能を維持することができる。

なお、本発明で示した各実施例においては、給電回路１とコイル線５を直接接続しているが、特許文献１に開示されているように給電回路１に接続される第一のコイルと、０．９以上の結合度となるように設置する第二のコイルからなるコイル部の構成であっても本発明は適用可能である。

また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…給電回路、２…コイル部、３…浮力調整体、４…コイルハウジング、５…コイル線、６…離間部分Ａ、７…離隔部分Ｂ、８…離間部分Ｃ、９…導線、１０…無線給電装置、１１…媒質、１２…水中遊泳ビークル（ロボット）、２０…保持体、２１…保持体。

Claims

媒質中で使用される移動体に設けられ、非接触で外部からの受電、或いは、外部への送電を行う無線給電装置であって、
前記無線給電装置は、外部と誘導結合するためのコイルと、
前記コイルを内部に収容するコイルハウジングと、
前記コイルハウジングに取り付けられ、前記無線給電装置の浮力を調整する浮力調整体と、を備え、
前記コイルと前記浮力調整体は、所定の間隔を空けて離間して設けられ、当該離間部分は空気保持または真空保持されており、
前記浮力調整体は、比誘電率と誘電正接との積である誘電体損が前記媒質よりも小さく、かつ、比重が前記媒質よりも大きいことを特徴とする無線給電装置。
請求項１に記載の無線給電装置であって、
前記コイルと前記コイルハウジングは、所定の間隔を空けて離間して設けられ、当該離間部分は空気保持または真空保持されていることを特徴とする無線給電装置。
請求項１に記載の無線給電装置であって、
前記コイルは、前記浮力調整体を覆うように配置され、
前記浮力調整体は、前記コイルのらせん軸方向に延在して設けられていることを特徴とする無線給電装置。
請求項１に記載の無線給電装置であって、
前記浮力調整体は、前記コイルハウジングの外周を覆うように、前記コイルハウジングの外部に設けられていることを特徴とする無線給電装置。
請求項２に記載の無線給電装置であって、
前記無線給電装置は、前記コイルと前記コイルハウジングの間隔を一定に保持するための保持体を備えることを特徴とする無線給電装置。
請求項５に記載の無線給電装置であって、
前記保持体と前記コイルの接触部分の長さの合計は、前記コイル全長の１０％以下であることを特徴とする無線給電装置。
請求項１に記載の無線給電装置であって、
前記コイルと前記浮力調整体との距離は、０．５ｃｍ以上であることを特徴とする無線給電装置。
請求項２に記載の無線給電装置であって、
前記コイルと前記コイルハウジングとの距離は、０．５ｃｍ以上であることを特徴とする無線給電装置。
請求項１に記載の無線給電装置であって、
前記浮力調整体の導電率は、１０^−３［Ｓ／ｍ］未満であることを特徴とする無線給電装置。
請求項１に記載の無線給電装置であって、
前記浮力調整体の誘電体損は、０．４未満であることを特徴とする無線給電装置。
請求項１に記載の無線給電装置であって、
前記浮力調整体は、石英ガラス製またはアルミナ製であることを特徴とする無線給電装置。
請求項１に記載の無線給電装置であって、
前記浮力調整体の透磁率は、前記媒質よりも大きいことを特徴とする無線給電装置。
請求項１から１２に記載の無線給電装置であって、
前記コイルは、送電コイルであることを特徴とする無線給電装置。
請求項１から１２に記載の無線給電装置であって、
前記コイルは、受電コイルであることを特徴とする無線給電装置。
媒質中で使用される移動体において、非接触で外部からの受電、或いは、外部への送電を行う無線給電方法であって、
前記移動体に、外部と誘導結合するためのコイルと、
前記コイルを内部に収容するコイルハウジングと、
前記コイルハウジングに取り付けられ、前記移動体の浮力を調整する浮力調整体と、が設けられ、
前記コイルと前記浮力調整体は、所定の間隔を空けて離間して配置され、当該離間部分は空気保持または真空保持されており、
前記浮力調整体は、比誘電率と誘電正接との積である誘電体損が前記媒質よりも小さく、かつ、比重が前記媒質よりも大きいことを特徴とする無線給電方法。