JP6737648B2 - 送電装置 - Google Patents

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Description

本開示は、水中において無線で送電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の伝送効率を表す１つの指標として、電力伝送に用いられるコイルのＱ値（Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）がある。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コイルが用いられる。複数のコイルは、大きさ、材質、長さ、巻き数などの特性（コイル特性）が異なることがある。コイルのＱ値は、コイル特性に応じて異なる。そのため、１つのコイルのコイル特性に合わせたＱ値が得られる周波数が、電力伝送に用いられる周波数（伝送周波数）として設定されると、電力伝送の伝送効率が低下する虞がある。
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水中における受電装置への非接触電力伝送の伝送効率を向上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、第１の周波数に第１の最大Ｑ値を有する受電コイルを備えた受電装置に電力を伝送する送電装置であって、前記受電コイルよりもコイル直径が大きく、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数に第２の最大Ｑ値を有し、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と、所定の周波数の交流電力を前記送電コイルへ送電する送電部と、前記送電コイルに接続されると共に、前記送電コイルと共に共振する共振回路を形成する第１のコンデンサと、を備え、前記所定の周波数は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の周波数のうち、前記送電コイルのＱ値及び前記受電コイルのＱ値が同値となる第３の周波数と、前記送電コイルのＱ値及び前記受電コイルのＱ値の相乗平均値である仮想Ｑ値が最大となる第４の周波数と、の間のいずれかの周波数である。
本開示によれば、水中における受電装置への非接触電力伝送の伝送効率を向上できる。
第１の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 第１のシミュレーションに用いられるシミュレーションモデルの一例を示す模式図 図３のシミュレーションモデルを用いた場合の各コイルのＱ値の周波数特性の一例を示すグラフ 図３のシミュレーションモデルを用いた場合の各コイルの伝送効率の周波数特性の一例を示すグラフ 第２のシミュレーションに用いられるシミュレーションモデルの一例を示す模式図 図６のシミュレーションモデルを用いた場合の各コイルのＱ値の周波数特性の一例を示すグラフ 図６のシミュレーションモデルを用いた場合の各コイルの伝送効率の周波数特性の一例を示すグラフ コイルが配置される媒質毎のコイルのＱ値の周波数特性の一例を示すグラフ 反射コイルが設けられた電力伝送システムが置かれる環境の一例を示す模式図
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。
（第１の実施形態）
［構成等］
図１は、第１の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。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ある。また、コイルＣＬは、例えばキャプタイヤケーブルで形成される。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、船舶５０に設置される。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）に設置される。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）を含んでもよい。
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により接続される。電線２０は、水上のコネクタ（不図示）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、連結体３０と接続され、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すると、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。
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。
図１では、連結体３０の数が３つであるが、これに限られない。連結体３０における受電コイルＣＬＢ側の端部には、錘４０が接続される。連結体３０における送電コイルＣＬＡ側の端部には、ブイ（Ｂｕｏｙ）４５が接続される。
錘４０により、連結体３０の移動を規制でき、連結体３０に固定された各コイル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、錘４０により各コイルＣＬの移動が規制されるので、コイルＣＬを用いた電力伝送の効率が低下することを抑制できる。
また、連結体３０において、受電コイルＣＬＢ側の端部に錘４０が接続され、送電コイルＣＬＡ側の端部にブイ４５が接続されることで、錘４０が水底側、ブイ４５が水面側となり、連結体３０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（水面と略直交する方向）に電力伝送できる。
尚、錘４０は、連結体３０の運搬時には連結体３０から取り外され、連結体３０の運搬が終了し、所定の位置に設置される際に、連結体３０に錘４０が取り付けられてもよい。これにより、連結体３０の運搬が容易になる。
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。本実施形態では、この伝送周波数が、各コイルＣＬのＱ値に基づき設定される。設定される伝送周波数の詳細について後述する。
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。
［コイルの共振条件］
まず、第１のシミュレーションについて説明する。
図３は、第１のシミュレーションに用いられるシミュレーションモデル３００の一例を示す模式図である。シミュレーションモデル３００は、電力伝送用コイルＣＬα及び受電コイルＣＬＢを含む。電力伝送用コイルＣＬαは、電力伝送に用いられるコイルであり、例えば、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣを含む。第１のシミュレーションでは、シミュレーションモデル３００が海中に配置されてシミュレーションされる。図３では、例えば、ｙ方向が水面９０と直交する方向であり、電力が伝送される方向である。また、例えば、ｘｚ面が水面９０と平行になる。
シミュレーションモデル３００では、電力伝送用コイルＣＬα（送電コイルＣＬＡ，中継コイルＣＬＣ）のコイル特性として、電力伝送用コイルＣＬαの直径を１０００ｍｍ（＝１.０ｍ）とし、電力伝送用コイルＣＬα（送電コイルＣＬＡ，中継コイルＣＬＣ）の巻き数を１０回とし、電力伝送用コイルＣＬα（送電コイルＣＬＡ，中継コイルＣＬＣ）の線径を９．１ｍｍとしている。つまり、送電コイルＣＬＡと中継コイルＣＬＣとのコイル特性は同じである。よって、送電コイルＣＬＡと中継コイルＣＬＣとは、例えばＱ値の周波数特性が同じになる。
また、受電コイルＣＬＢのコイル特性として、受電コイルＣＬＢの直径を１５０ｍｍ（＝１５ｃｍ）とし、受電コイルＣＬＢの巻き数を２３回とし、受電コイルＣＬＢの線径を２．０ｍｍとしている。
尚、受電コイルＣＬＢは、各種機器（例えば後述する水中航走体６０）に搭載されることが多い。そのため、受電コイルＣＬＢの直径は、電力伝送用の送電コイルＣＬＡや中継コイルＣＬＣの直径と比較すると、小さいことが多い。受電コイルＣＬＢの直径が小さくなると、コイルのインダクタンス（Ｌ）が小さくなる。受電コイルＣＬＢは、電力伝送用コイルＣＬαと比較すると、インダクタンスの低下を抑制するために、コイルの巻き数を多くされることが多い。
図４は、シミュレーションモデル３００を用いた場合の各コイルのＱ値の周波数特性の一例を示すグラフである。図４の横軸は周波数を示し、縦軸はＱ値を示す。図４では、電力伝送用コイルＣＬαのＱ値の周波数特性Ｌ１１と、受電コイルＣＬＢのＱ値の周波数特性Ｌ１２と、後述する仮想Ｑ値の周波数特性Ｌ１３と、が示されている。
Ｑ値は、共振回路の共振のピークの鋭さを表す。よって、Ｑ値が高い程、コイルＣＬによる伝送効率が向上する。Ｑ値は、角周波数ω、抵抗成分Ｒ，インダクタンス成分Ｌ、キャパシタンス成分Ｃを用いると、以下の（式１）で示される。
Figure 0006737648
また、角周波数ωは、インダクタンス成分Ｌ、キャパシタンス成分Ｃを用いると、以下の（式２）で示される。
Figure 0006737648
図４において周波数特性Ｌ１３で示された仮想Ｑ値は、電力伝送用コイルＣＬαのＱ値及び受電コイルＣＬＢのＱ値に基づいて導出される。例えば、電力伝送用コイルＣＬαのＱ値をＱ１とし、受電コイルＣＬＢのＱ値をＱ２とし、仮想コイルＸの仮想Ｑ値をＱ３とすると、Ｑ３は、以下の（式３）で表される。仮想Ｑ値としてのＱ３は、例えば、周波数毎にＱ１及びＱ２に基づいて算出され、周波数特性Ｌ１３が導出される。（式３）では、Ｑ３は、Ｑ１及びＱ２の相乗平均値となっている。
Figure 0006737648
図４を参照すると、電力伝送用コイルＣＬαのＱ値（＝Ｑ１）の周波数特性Ｌ１１では、比較的低い周波数ｆｑ１１（例えば周波数３．０ｋＨｚ）の位置に、Ｑ値の最大値が存在することが理解できる。また、受電コイルＣＬＢのＱ値（＝Ｑ２）の周波数特性Ｌ１２では、比較的高い周波数ｆｑ１２（例えば周波数５９．３ｋＨｚ）の位置に、Ｑ値の最大値が存在することが理解できる。また、仮想Ｑ値（＝Ｑ３）の周波数特性Ｌ１３では、周波数特性Ｌ１１とＬ１２との交点（クロスポイント）となる周波数ｆｃｐ１（例えば周波数１１ｋＨｚ）、つまりＱ１とＱ２とが同値となる周波数ｆｃｐ１近傍の周波数ｆｑ１３（例えば周波数１２．３ｋＨｚ）の位置に、Ｑ値の最大値が存在することが理解できる。尚、具体的なＱ値の大きさは、コイルＣＬのコイル特性（コイルＣＬに関する各パラメータ）に依存する。
シミュレーションモデル３００では、電力伝送用コイルＣＬαと受電コイルＣＬＢとを比較すると、電力伝送用コイルＣＬαは受電コイルＣＬＢよりもコイルの直径が大きい。そのため、電力伝送用コイルＣＬαは受電コイルＣＬＢよりもインダクタンス（Ｌ）が大きくなる。そのため、（式２）より、電力伝送用コイルＣＬαは受電コイルＣＬＢよりも角周波数ωが小さくなる、よって、電力伝送用コイルＣＬαのＱ値が最大となる周波数ｆｑ１１は、受電コイルＣＬＢのＱ値が最大となる周波数ｆｑ１２よりも低くなる。
図４のＱ値の周波数特性Ｌ１１〜Ｌ１３を参照すると、電力伝送用コイルＣＬαから受電コイルＣＬＢへ電力伝送する場合、つまり、送電コイルＣＬＡから中継コイルＣＬＣを介して受電コイルＣＬＢへ電力伝送する場合、伝送周波数として以下の３つのいずれかが想定される。具体的には、電力伝送用コイルＣＬαのＱ値が高くなる周波数ｆｑ１１付近の周波数を用いるか、受電コイルＣＬＢのＱ値が高くなる周波数ｆｑ１２付近の周波数を用いるか、仮想Ｑ値が高くなる周波数ｆｑ１３付近の周波数を用いるか、の３つが考えられる。
図５は、シミュレーションモデル３００を用いた場合の各コイルの伝送効率の周波数特性の一例を示すグラフである。図５の横軸は周波数を示し、縦軸は電流又は電圧の伝送効率を示す。この伝送特性は、送電コイルＣＬＡの送信電力に対する受電コイルＣＬＢの受電電力の比率を示し、Ｓ２１パラメータに相当する。
図５では、Ｑ１の最大値に対応する周波数ｆｑ１１の位置に、伝送効率のピーク値Ｐ１１（例えば値０．４６）が出現している。また、Ｑ２の最大値に対応する周波数ｆｑ１２の位置に、伝送効率のピーク値Ｐ１２（例えば値０．３８）が出現している。また、Ｑ３の最大値に対応する周波数ｆｑ１３の位置に、伝送効率のピーク値Ｐ１３（例えば値０．５７）が出現する。尚、Ｑ値が大きい程、伝送効率が高くなり、Ｑ値が一定以上に小さい場合、電力エネルギーの伝達が不十分となり、電力伝送が困難となる。
尚、図５の縦軸の伝送効率が２乗されることで、電力の伝送効率ηが導出される。図５では、周波数ｆｑ１１での電力の伝送効率ηは、２１．３％である。周波数ｆｑ１２での電力の伝送効率ηは、１４．８％である。周波数ｆｑ１３での電力の伝送効率ηは、３２．８％である。
このように電力の伝送効率ηは、上記のように２乗で表されるため、各コイルのＱ値の相乗平均を導出することで、伝送効率ηが高くなる（例えば最大となる）周波数を導出できる。
尚、シミュレーションにおける各種処理や各種演算は、例えば、図示しないシミュレーション装置（例えばＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ））のＣＰＵ、送電装置１００のＣＰＵ１３０、又は受電装置２００のＣＰＵ２２０により行われる。
図５を参照すると、ピーク値Ｐ１１〜Ｐ１３のうち、ピーク値Ｐ１３が最大である。従って、伝送効率の最大値としてのピーク値Ｐ１３が得られる周波数、つまりＱ３の周波数特性Ｌ１３の最大値から導出された周波数ｆｑ１３が選択されることにより、電力伝送システム１０は、電力伝送用コイルＣＬα及び受電コイルＣＬＢを用いた磁界共鳴方式による電力伝送の伝送効率を最大化できることが理解できる。
また、図４を参照すると、Ｑ１の周波数特性Ｌ１１とＱ２の周波数特性Ｌ１１とが交差するクロスポイントの周波数ｆｃｐ１の位置は、Ｑ３の最大値に対応する周波数ｆｑ１３の位置と若干異なることがある。周波数ｆｃｐ１でのＱ３の大きさは、Ｑ３の最大値（つまり周波数ｆｑ１３でのＱ３）に近い値となる。よって、伝送周波数として、周波数ｆｃｐ１と周波数ｆｑ１３との間のいずれかの周波数が設定された場合でも、ピーク値Ｐ１３に近似した伝送効率が得られ、伝送効率を向上できる。
次に、第２のシミュレーションについて説明する。
第２のシミュレーションでは、主に第１のシミュレーションと異なる箇所について説明し、第１のシミュレーションと同様の事項については、説明を省略又は簡略化する。
図６は、第２のシミュレーションに用いられるシミュレーションモデル６００の一例を示す模式図である。シミュレーションモデル６００は、シミュレーションモデル３００と比較すると、受電コイルＣＬＢの特性が異なる。具体的には、受電コイルＣＬＢの直径を３００ｍｍ（＝３０ｃｍ）とし、受電コイルＣＬＢの巻き数を１０回とし、受電コイルＣＬＢの線径を３．７ｍｍとしている。つまり、シミュレーションモデル６００では、シミュレーションモデル３００と比較して受電コイルＣＬＢを大型化している。受電コイルＣＬＢの特性以外は、シミュレーションモデル６００は、シミュレーションモデル３００と同様である。第２のシミュレーションでは、シミュレーションモデル６００が海中に配置されてシミュレーションされる。
図７は、シミュレーションモデル６００を用いた場合の各コイルのＱ値の周波数特性の一例を示すグラフである。図７の横軸は周波数を示し、縦軸はＱ値を示す。図７では、電力伝送用コイルＣＬαのＱ値の周波数特性Ｌ２１と、受電コイルＣＬＢのＱ値の周波数特性Ｌ２２と、仮想Ｑ値の周波数特性Ｌ２３と、が示されている。尚、仮想Ｑ値としてのＱ３の導出方法は、第１のシミュレーションと同様であり、Ｑ３はＱ１とＱ２との相乗平均値に基づく。
図７を参照すると、電力伝送用コイルＣＬαのＱ値（＝Ｑ１）の周波数特性Ｌ２１は、第１のシミュレーションと同様である。つまり、Ｑ１が最大となる周波数ｆｑ２１（例えば周波数３ｋＨｚ）は、第１のシミュレーションでの周波数ｆｑ１１と同じである。電力伝送用コイルＣＬαのコイル特性（例えばコイルの直径、コイルの巻き数、コイルの線径）が、両シミュレーションにおいて同じためである。
一方、受電コイルＣＬＢのＱ値（＝Ｑ２）の周波数特性Ｌ２２では、第１のシミュレーションでのＱ２の周波数特性Ｌ１２と比較すると、Ｑ２が最大値となる周波数ｆｑ２２（例えば周波数２５ｋＨｚ）が低くなっており、Ｑ２の最大値も小さくなっている。
また、仮想Ｑ値（＝Ｑ３）の周波数特性Ｌ２３は、Ｑ２の周波数特性Ｌ２２に依存するので、第１のシミュレーションの場合と異なる。Ｑ２の周波数特性Ｌ１１，Ｌ２２が第１，第２のシミュレーション間で変化しているためである。具体的には、Ｑ２の最大値が最大となる周波数ｆｑ２２が低周波数側に移動していることに伴い、Ｑ３の周波数特性Ｌ２３では、Ｑ３の最大値となる周波数ｆｑ２３（例えば周波数８．５ｋＨｚ）が低くなる。また、Ｑ３の最大値が大きくなっている。また、周波数特性Ｌ２２とＬ２３との交点（クロスポイント）の周波数ｆｃｐ２（例えば周波数８ｋＨｚ）の位置も、第１のシミュレーションと比較すると、低周波数側に移動している。
図８は、シミュレーションモデル６００を用いた場合の各コイルの伝送効率の周波数特性の一例を示すグラフである。図５の横軸は周波数を示し、縦軸は電流又は電圧の伝送効率を示す。この伝送特性は、第１のシミュレーションと同様に、送電コイルＣＬＡの送信電力に対する受電コイルＣＬＢの受電電力の比率を示し、Ｓ２１パラメータに相当する。
図８では、Ｑ１の最大値に対応する周波数ｆｑ２１の位置に、伝送効率のピーク値Ｐ２１（例えば値０．７６）が出現している。また、Ｑ２の最大値に対応する周波数ｆｑ２２の位置に、伝送効率のピーク値Ｐ２２（例えば値０．７０）が出現している。また、Ｑ３の最大値に対応する周波数ｆｑ２３の位置に、伝送効率のピーク値Ｐ２３（例えば値０．７８）が出現する。
尚、図８では、周波数ｆｑ２１での電力の伝送効率ηは、５８．３％である。周波数ｆｑ２２での電力の伝送効率ηは、４８．５％である。周波数ｆｑ２３での電力の伝送効率ηは、６１．６％である。
図８を参照すると、ピーク値Ｐ２１〜Ｐ２３のうち、ピーク値Ｐ２３が最大である。従って、伝送効率の最大値としてのピーク値Ｐ２３が得られる周波数、つまりＱ３の周波数特性Ｌ２３の最大値から導出された周波数ｆｑ２３が選択されることにより、電力伝送用コイルＣＬα及び受電コイルＣＬＢを用いた磁界共鳴方式による電力伝送の伝送効率を最大化できることが理解できる。
また、図８を参照すると、Ｑ１の周波数特性Ｌ２１とＱ２の周波数特性Ｌ２２とが交差するクロスポイントの周波数ｆｃｐ２の位置は、Ｑ３の最大値に対応する周波数ｆｑ２３の位置と若干異なることがある。周波数ｆｃｐ２でのＱ３の大きさは、Ｑ３の最大値（つまり周波数ｆｑ２３でのＱ３）に近い値となる。よって、伝送周波数として、周波数ｆｃｐ２と周波数ｆｑ２３との間のいずれかの周波数が設定された場合でも、ピーク値Ｐ２３に近似した伝送効率が得られ、伝送効率を向上できる。
次に、導電率毎のＱ値の周波数特性について説明する。
図９は、コイルＣＬが配置される媒質毎のコイルＣＬのＱ値の周波数特性の一例を示すグラフである。媒質毎に導電率は異なるので、図９は、導電率毎のコイルＣＬのＱ値の周波数特性を示すグラフとも言える。図９では、媒質として、デバイモデルの水「Ｗａｔｅｒ （Ｄｅｂｙｅ Ｍｏｄｅｌ）」、蒸留水「Ｗａｔｅｒ （ｄｉｓｔｉｌｌｅｄ）」、通常の水（例えば水道水）「Ｗａｔｅｒ」、海水「Ｗａｔｅｒ＿ｓｅａ」、及びその他の媒質が含まれる。このデバイモデルの水、蒸留水、通常の水、及び海水に係る周波数特性は、シミュレータ（媒質毎のコイルＣＬのＱ値の周波数特性をシミュレーションするための装置）に付属のデフォルトの材料特性を用いて得られたものである。また、図９では、導電率計で実測された水道水に係る周波数特性が、「Ｔａｐ Ｗａｔｅｒ」として示されている。尚、図９の結果を得るためのコイルＣＬの特性として、コイルＣＬの直径を４．０ｍとし、コイルの線径を２３．６ｍｍとし、コイルの巻き数を５回とした。
図９を参照すると、媒質毎にコイルＣＬのＱ値の周波数特性が異なることが理解できる。よって、先述の第１のシミュレーション及び第２のシミュレーションにおいて、例えば海中でなく水中でシミュレーションした場合には、得られるＱ値の値が変化し、Ｑ値が大きくなることが理解できる。
このように、第１のシミュレーション及び第２のシミュレーションに示したように、電力伝送用コイルＣＬαと受電コイルＣＬＢとのＱ値が変化すると、Ｑ３が最大となる周波数ｆｑ１３，ｆｑ２３やＱ１とＱ２とが同値となるクロスポイントの周波数ｆｃｐ１，ｆｃｐ２の位置も変化することが理解できる。また、このように周波数の位置が変化しても、Ｑ３が最大となる周波数ｆｑ１３，ｆｑ２３とクロスポイントの周波数ｆｃｐ１，ｆｃｐ２との間の周波数では、いずれも高い伝送効率を得られることが理解できる。また、媒質毎にＱ値が変化することが理解できる。
［効果等］
このように、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、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と、所定の周波数（例えば１１ｋＨｚ〜１２.３ｋＨｚ、８ｋＨｚ〜８．５ｋＨｚ）の交流電力を送電コイルＣＬＡへ送電するドライバ１５１と、送電コイルＣＬＡに接続されると共に、送電コイルＣＬＡ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。所定の周波数は、送電コイルＣＬＡのＱ値（例えばＱ１）及び受電コイルＣＬＢのＱ値（例えばＱ２）の相乗平均値（例えばＱ３）が最大となる周波数ｆｑ１３，ｆｑ２３と、送電コイルＣＬＡのＱ値及び受電コイルのＱ値が同値となる周波数ｆｃｐ１，ｆｃｐ２と、の間のいずれかの周波数である。
ドライバ１５１は、送電部の一例である。コンデンサＣＡは、第１のコンデンサの一例である。Ｑ１は、送電コイルＣＬＡのＱ値の一例である。Ｑ２は、受電コイルＣＬＢのＱ値の一例である。Ｑ３は、Ｑ１とＱ２の相乗平均値、つまり（式２）で導出される仮想Ｑ値の一例である。周波数ｆｑ１３，ｆｑ２３は、第１の周波数の一例である。周波数ｆｃｐ１，ｆｃｐ２は、第２の周波数の一例である。
これにより、送電装置１００は、送電コイルＣＬＡのＱ値及び受電コイルＣＬＢのＱ値の双方の相乗平均を加味して電力伝送のための周波数（伝送周波数）を決定することで、電力伝送の伝送効率を向上できる。
送電コイルＣＬＡのＱ値が最大値付近となる周波数を伝送周波数とすると、送電コイルＣＬＡのコイルの伝送効率を高くできるが、受電コイルＣＬＢによる伝送効率が低くなる。一方、受電コイルＣＬＢのＱ値が最大値付近となる周波数を伝送周波数とすると、受電コイルＣＬＢのコイルの伝送効率を高くできるが、送電コイルＣＬＡによる伝送効率が低くなる。つまり、送電側と受電側とで好適な伝送周波数が異なる。
これに対して、送電装置１００は、送電コイルＣＬＡのＱ値と受電コイルＣＬＢのＱ値との平均値（相乗平均値）が最大となる付近の周波数を伝送周波数とすることで、複数のコイルＣＬの異なるＱ値を加味して、電力伝送システム１０全体での伝送効率を向上できる。
また、所定の周波数は、周波数ｆｑ１３，ｆｑ２３であってもよい。これにより、送電装置１００は、全周波数帯域においてＱ３の値が最大となるので、送電コイルＣＬＡと受電コイルＣＬＢを用いた電力伝送の伝送効率を最大化できる。
また、送電装置１００は、送電コイルＣＬＡからの磁界を用いて受電コイルＣＬＢに電力を伝送する少なくとも１つの中継コイルＣＬＣと、中継コイルＣＬＣに接続されると共に、中継コイルＣＬＣと共に上記の周波数で共振する共振回路を形成する少なくとも１つのコンデンサＣＣと、送電コイルＣＬＡと中継コイルＣＬＣとを連結する連結体３０と、を備えてもよい。中継コイルＣＬＣのＱ値の周波数特性は、送電コイルＣＬＡのＱ値の周波数特性と同じであってもよい。コンデンサＣＣは、第２のコンデンサの一例である。
これにより、送電装置１００は、送電コイルＣＬＡのＱ値と中継コイルＣＬＣのＱ値とが同じになることで、送電コイルＣＬＡの電力伝送に係る特性が同じになり、送電コイルＣＬＡと中継コイルＣＬＣとの間での伝送損失を低減できる。また、送電装置１００は、中継コイルＣＬＣのＱ値と受電コイルＣＬＢのＱ値との平均値（相乗平均値）が最大となる付近の周波数が伝送周波数とされるので、中継コイルＣＬＣと受電コイルＣＬＢとの間の伝送損失も低減できる。
また、送電コイルＣＬＡは、水面９０と略直交する方向に電力を伝送してもよい。
これにより、送電装置１００は、水深方向に電力伝送距離を延長でき、水深の深い場所（例えば深海）に位置する受電装置２００に対して給電でき、受電装置２００の作業効率を向上できる。
また、送電コイルＣＬＡは、電力を伝送するとともに、データを通信してもよい。
これにより、受電装置２００は、データ収集等の活動効率の低下を抑制しながら、送電装置１００からの電力を充電でき、送電装置１００との間でデータ通信できる。
また、送電装置１００及び電力伝送システム１０によれば、受電装置２００（例えば水中航走体６０）は、水中の流れがある環境においても、送電コイルＣＬＡに接触する必要なく、磁気共鳴方式による電力伝送の効率低下を抑制して、安定的に電力の供給を受けることができる。従って、水中航走体６０は、データ収集等の活動を行いながら連続給電を受けることが可能になり、給電を受ける際の水中航走体６０の稼働率が向上する。よって、送電装置１００は、水中でのデータ収集活動の効率を向上できる。
また、送電装置１００は、送電装置１００の送電コイルＣＬＡ及び受電装置２００の受電コイルＣＬＢを用いることで、磁気共鳴方式によりワイヤレスで電力伝送できる。また、送電装置１００は、水中航走体６０が所定の給電場所に移動することなく電力を受けられるので、給電時においても水中航走体６０は自由に移動でき、ポジションフリーの電力伝送が可能となる。よって、送電装置１００は、水中航走体６０による水中や水底９５での活動が阻害されることを抑制できる。よって、水中航走体６０は、充電中でも作業範囲を拡大でき、作業中に連続充電できる。また、水中航走体６０は、任意のタイミングで充電できるので、作業時間を短縮できる。
また、送電装置１００は、中継コイルＣＬＣを用いることで、連続した電磁誘導により電力伝送距離を延長できる。例えば、図１に示したように、中継コイルＣＬＣを多段に水面９０付近から水底方向へ配置することで、送電装置１００は、水深の深い位置（例えば水深１０００ｍ以上）まで電力伝送可能となる。この場合、送電装置１００は、海底資源の採掘や調査を行う水中航走体６０に対して、ワイヤレスで電力伝送でき、給電時の水中航走体６０の稼働率の低下を抑制できる。
また、無給電により動作するための大型のバッテリを水中航走体６０が備えなくても、水中航走体６０が活動できる。この場合には、水中航走体６０を小型化、軽量化できる。
（他の実施形態）
以上のように、本開示における技術の例示として、第１の実施形態を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施形態にも適用できる。
上記実施形態では、電力伝送システム１０は、電力伝送用コイルＣＬαの１つとして、反射コイルＣＬＲを有してもよい。この場合、反射コイルＣＬＲは、送電コイルＣＬＡと水面９０の間に配置される。反射コイルＣＬＲは、送電コイルＣＬＡから水面９０の方向へ放出される磁界を水底９５の方向へ反射する。図１０は、反射コイルＣＬＲが設けられた電力伝送システム１０が置かれる環境の一例を示す模式図である。
反射コイルＣＬＲが設けられることで、送電コイルＣＬＡから放出された磁界が水面９０から放出されることを抑制できる。よって、電力伝送システム１０は、送電コイルＣＬＡから放出された磁界と水上や水中での超長波（ＶＬＦ）帯や極超長波（ＵＬＦ）の通信との干渉を抑制することが可能になる。よって、電力伝送システム１０は、反射コイルＣＬＲを設けることで、送電コイルから受電コイルへ伝送される電力の伝送効率を向上できる。
尚、反射コイルＣＬＲは、送電コイルＣＬＡとの共振を避ける必要があるため、受電コイルＣＬＢや中継コイルＣＬＣの様にコンデンサが接続されておらず、共振回路を形成しない。すなわち、反射コイルＣＬＲはコンデンサの無い閉ループになる。
また、図１０に示す反射コイルＣＬＲの内側に、反射コイルＣＬＲよりもコイル直径の小さな第２の反射コイルを反射コイルＣＬＲと同心円状に配置してもよい。これにより、送電コイルＣＬＡから発生する磁界を水底方向へ反射可能な面積が増えるので、水面９０から磁界が放出されることをより確実に抑えることができる。また、反射コイルＣＬＲが３つ以上設けられてもよい。
第１の実施形態では、水中航走体６０が２次電池２４０を備えることにより、水中充電が可能となることを例示した。尚、水中航走体６０は２次電池２４０を備えなくてもよい。この場合でも、水中航走体６０は各コイルＣＬを介して電力供給を受けることができ、つまり水中給電可能である。
第１の実施形態では、電力伝送システム１０として、海中又は海底においてデータ収集等を行う海底カメラシステムを例示したが、これ以外の用途に適用されてもよい。例えば、受電装置２００を様々なセンサを備える水中ロボットや無人探査機に設け、水中や水底９５に配置してもよい。これにより、水中ロボットや無人探査機により、水産資源や養殖の管理、橋梁やダムなどのインフラシステムの維持管理、港湾などの海底監視が可能となる。
第１の実施形態では、水面９０から水底９５に向かって、送電コイルＣＬＡ、中継コイルＣＬＣ、及び受電コイルＣＬＢが並んで配置されることを例示したが、コイルＣＬの配置方向はこれに限られない。例えば、水面９０や水底９５に沿う方向に、送電コイルＣＬＡ、中継コイルＣＬＣ、及び受電コイルＣＬＢが並んで配置されてもよい。これにより、送電装置１００は、水中で水平方向に電力伝送できる。
第１の実施形態では、水面９０から水底９５に向かって、送電コイルＣＬＡ、中継コイルＣＬＣ、及び受電コイルＣＬＢが並んで配置されることを例示したが、この逆でもよい。つまり、水底９５から水面９０に向かって、送電コイルＣＬＡ、中継コイルＣＬＣ、及び受電コイルＣＬＢが並んで配置されてもよい。例えば、地熱発電機を送電装置１００の電源１１０として用い、電線２０を介して地熱発電機が送電コイルＣＬＡに接続されてもよい。
また、送電装置１００は、船舶５０に設置されなくてもよい。例えば、水上（一部水中であってもよい）に設置される各種発電機（例えば、太陽光発電機、風力発電機、波力発電機）や水中又は水底９５の各種発電機（地熱発電機）やその他の電源に、送電装置１００の一部が搭載されてもよい。例えば、各種発電機は、送電装置１００の電源１１０として用いられてもよい。
第１の実施形態では、ＣＰＵ１３０，２２０を例示したが、ＣＰＵ１３０，２２０以外のプロセッサが用いられてもよい。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、第１の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。
本開示は、水中における受電装置への非接触電力伝送の伝送効率を向上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
３０ 連結体
４０ 錘
４５ ブイ
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
３００，６００ シミュレーションモデル
ＣＬ コイル
ＣＬＡ 送電コイル
ＣＬＢ 受電コイル
ＣＬＣ 中継コイル
ＣＬＲ 反射コイル
ＣＬα 電力伝送用コイル
ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ コンデンサ

Claims (6)

  1. 水中において、第１の周波数に第１の最大Ｑ値を有する受電コイルを備えた受電装置に電力を伝送する送電装置であって、
    前記受電コイルよりもコイル直径が大きく、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数に第２の最大Ｑ値を有し、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と、
    所定の周波数の交流電力を前記送電コイルへ送電する送電部と、
    前記送電コイルに接続されると共に、前記送電コイルと共に共振する共振回路を形成する第１のコンデンサと、を備え、
    前記所定の周波数は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の周波数のうち、前記送電コイルのＱ値及び前記受電コイルのＱ値が同値となる第３の周波数と、前記送電コイルのＱ値及び前記受電コイルのＱ値の相乗平均値である仮想Ｑ値が最大となる第４の周波数と、の間のいずれかの周波数である、送電装置。
  2. 請求項１に記載の送電装置であって、
    前記第４の周波数は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数よりも前記第３の周波数の近傍にある、送電装置。
  3. 請求項１または２に記載の送電装置であって、更に、
    前記所定の周波数は、前記第４の周波数である、送電装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の送電装置であって、更に、
    前記送電コイルからの磁界を用いて前記受電コイルに電力を伝送する少なくとも１つの
    中継コイルと、
    前記中継コイルに接続されると共に、前記中継コイルと共に前記周波数で共振する共振
    回路を形成する少なくとも１つの第２のコンデンサと、
    前記送電コイルと前記中継コイルとを連結する連結体と、を備え、
    前記中継コイルのＱ値の周波数特性は、前記送電コイルのＱ値の周波数特性と同じである、送電装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の送電装置であって、
    前記送電コイルは、水深方向に電力を伝送する、送電装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の送電装置であって、
    前記送電コイルは、前記電力を伝送するとともに、データを通信する、送電装置。
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