JP7390806B2 - クレーンフック部の給電システムおよびクレーンフック部の給電方法 - Google Patents

Description

本発明は、クレーンフック部の給電システムおよびクレーンフック部の給電方法に関する。

クレーンによる揚重作業では、作業状況を確認するためのカメラや照明が必須となるが、設置箇所によっては有線での電力供給が困難となる。図７は、カメラや照明を用いてクレーンによる作業状況を確認する場合を示す図である。図７に示すように、吊り荷を持ち上げる、例えば揚重用のクレーンでは、詳細な吊り荷の作業状況を確認するために、クレーンフック部７（クレーンのフック部分）にカメラや照明などの観測用機器（受電装置２における負荷回路に対応する機器）を設置することにより、詳細な作業状況を確認することが可能となる。

この場合、カメラや照明などの受電装置２における負荷回路への電力供給としては、下記手法が想定される。
（１）クレーン本体のバッテリーから有線で給電する。
（２）カメラや照明にバッテリーを内蔵して給電する。
（３）カメラや照明にバッテリーを内蔵して無線給電する。
（１）の手法を用いる場合、クレーン本体のバッテリーから電源配線をフック部分に取り回す必要があるが、フック用ワイヤ部分の電源配線がフックの巻き上げ時に絡まるという課題がある。
（２）の手法を用いる場合、定期的にバッテリーを交換する必要があり、作業人工の増大や交換忘れによるバッテリー切れなどの課題がある。

（１）、（２）の課題を解決する手段として、（３）の手法である無線給電技術によりカメラや照明内蔵のバッテリーに定期的に無線で充電するシステム（無線電力伝送システム）が考えられる。（３）の手法に該当する当該分野の先願特許として、例えば、「クレーンフック部の給電システム」（特開２０１４－２３７５０２；先行技術文献）が挙げられる。

特開２０１４－２３７５０２号公報

同技術は、クレーン巻き上げ時に嵌合により給電部と受電部の位置合わせを行うが、ワイヤの揺れなどにより嵌合がうまくはまらない場合があったり、嵌合部の強度を保つために重量が重くなる等の課題がある。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、フック巻き上げ時にカメラや照明に電力供給（バッテリーに充電）するシステムにおいて、コイル形状をクレーンワイヤへの取り付けに適した形状とし、さらに給電距離を制御することにより、常に高い伝送効率を実現するクレーンフック部の給電システムおよびクレーンフック部の給電方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の一態様は、コイルと可変リアクタンス回路からなる送電側共振回路を有するとともに前記送電側共振回路に交流電源からの電力を供給する、２本の巻き上げロープのうち一方の巻き上げロープの一端側であるクレーンのジブに固定される側に設けられた送電装置と、コイルと可変リアクタンス回路からなる受電側共振回路を有するとともに前記受電側共振回路に接続された負荷回路へ電力を供給する、前記送電装置よりもクレーンのクレーンフック部側の前記巻き上げロープに設けられた受電装置と、を備え、前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とを共鳴結合することで前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送するクレーンフック部の給電システムであって、前記送電装置の前記コイルと前記受電装置の前記コイルとは、中空部を有する円筒形状に構成され、前記一方の巻き上げロープは、前記送電装置の前記コイルの前記中空部と前記受電装置の前記コイルの前記中空部とを通り、前記送電側共振回路の前記コイルおよび前記受電側共振回路の前記コイルは、それぞれジョイント部を有しており、前記ジョイント部は一方の半円筒形の基材に巻かれた第１のコイルと、他方の半円筒形の基材に巻かれた第２のコイルと、を接続し、さらに、前記受電装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報取得部が取得した前記位置情報に基づく位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有するように、前記各リアクタンスを制御する制御部と、を備えるクレーンフック部の給電システムである。

また、本発明の一態様は、コイルと可変リアクタンス回路からなる送電側共振回路を有するとともに前記送電側共振回路に交流電源からの電力を供給する、２本の巻き上げロープのうち一方の巻き上げロープの一端側であるクレーンのジブに固定される側に設けられた送電装置と、コイルと可変リアクタンス回路からなる受電側共振回路を有するとともに前記受電側共振回路に接続された負荷回路へ電力を供給する、前記送電装置よりもクレーンのクレーンフック部側の前記巻き上げロープに設けられた受電装置と、位置情報取得部と、制御部とを用いて、前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とを共鳴結合することで前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送するクレーンフック部の給電方法であって、前記送電装置の前記コイルと前記受電装置の前記コイルとは、中空部を有する円筒形状に構成され、前記一方の巻き上げロープは、前記送電装置の前記コイルの前記中空部と前記受電装置の前記コイルの前記中空部とを通り、前記送電側共振回路の前記コイルおよび前記受電側共振回路の前記コイルは、それぞれジョイント部を有しており、前記ジョイント部は一方の半円筒形の基材に巻かれた第１のコイルと、他方の半円筒形の基材に巻かれた第２のコイルと、を接続し、前記位置情報取得部によって、前記受電装置の位置情報を取得し、前記制御部によって、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報取得部が取得した前記位置情報に基づく位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有するように、前記各リアクタンスを制御するクレーンフック部の給電方法である。

本発明によれば、送電装置と受電装置の距離が変化する場合でも高効率な電力伝送を実現することができる。

本発明の実施形態の構成例を説明するための模式図である。 図１に示す送電コイル３および受電コイル４の構成例を説明するための模式図である。 図２に示すジョイント部の構成例を説明するための模式図である。 図１に示す送電装置１、受電装置２、制御装置５の構成例を説明するための模式図である。 図４に示すデータベース５３の構成例を説明するための模式図である。 本発明の他の実施形態の構成例を説明するための回路図である。 カメラや照明を用いてクレーンによる作業状況を確認する場合を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態の構成例を説明するための模式図である。また、図２は、図１に示す送電コイル３および受電コイル４の構成例を説明するための模式図である。また、図３は、図２に示すジョイント部の構成例を説明するための模式図である。また、図４は、図１に示す送電装置１、受電装置２、制御装置５の構成例を説明するための模式図である。また、図５は、図４に示すデータベース５３の構成例を説明するための模式図である。
図１は、本発明によるクレーンフック部の給電システム１０の一実施形態の構成例を概略的に示している。図１に示すクレーンフック部の給電システム１０は、磁界共振方式の無線電力伝送システムであり、送電装置１と、受電装置２と、制御装置５とを含んで構成される。
ここで、クレーンフック部７は、図１に示すように、一対のシーブ７３ａおよび７３ｂと、吊索７４ａおよび７４ｂと、フックブロック７１とを含んで構成される。また、送電装置１は、交流電圧源３０１と、整合回路３５と、送電コイル３とを含んで構成される。また、受電装置２は、受電コイル４と、整合回路４５と、フックブロック７１に設置されるバッテリーやカメラなどの負荷回路とを含んで構成される。
つまり、クレーンフック部の給電システム１０は、クレーンフック部７を、巻上げロープ７ａおおよび７ｂ（２本の対をなす巻上げロープ）を巻き上げた時、あるいは巻き下げた時に、カメラや照明などを含んで構成される受電装置２に送電装置１から電力供給（バッテリーに充電）する無線給電システムである。クレーンフック部の給電システム１０においては、制御装置５が送電装置１からの給電距離を制御することにより、送電コイル３および受電コイル４の距離が変化する場合でも高い伝送効率を実現する無線給電システムを提供する。

図１は、クレーンフック部７を巻き上げて、送電装置１による受電装置２の充電可能な状態の送電装置１と受電装置２とに位置関係を示している。
図１に示すように、クレーンフック部７は、フックブロック７１の上方に巻上げロープ７ａおよび７ｂによって巻き掛けられた一対のシーブ７３ａおよび７３ｂと、このシーブ７３ａおよび７３ｂが吊索７４ａおよび７４ｂによって吊り下げられているフックブロック７１とからなる。
送電装置１における整合回路３５（後述する可変リアクタンス回路３０４）は、入力側は電源線５０によりジブ６の下側にある交流電圧源３０１に接続され、出力側は送電コイル３（後述するコイル３０５）に接続されている。
また、送電コイル３は、ジブ６の先端部からワイヤ等で取り付けられている。ここで、巻上げロープ７ａおよび７ｂの一端側は、ジブ６に固定して設置されている。また、巻上げロープ７ａおよび７ｂの他端側は、一端側がシーブ７３ａおよび７３ｂを通過した後の、ジブ６の下側にある、図１においては不図示のドラムに接続されるように設置されている。当該ドラムは、巻上げロープ７ａおよび７ｂを巻き上げる、あるいは巻き下げることにより、クレーンフック部７を巻き上げる、或いは巻き下げる動作（クレーンフック部７を上下に移動させる動作）を、例えば制御装置５からの指令信号に基づいて行う。

受電コイル４（後述するコイル４０２）は、シーブ７３ａの上側に、送電コイル３の下側に、取り付けられている。
また、受電装置２における整合回路４５（後述する可変リアクタンス回路４０１）は、入力側は電源線により受電コイル４を構成するコイルに接続され、出力側はフックブロック７１にあるバッテリーおよびカメラといった負荷回路（後述する抵抗４０６）に接続されている。

過巻防止装置８を構成する重錘８０ａは、ジブ６の先端部からワイヤ等で、シーブ７３ｂの上側に、巻上げロープ７ａにおける送電コイル３の設置位置と受電コイル４の設置位置とに対応する高さの位置に取り付けられている。ここで、過巻防止装置８は、最高位置に位置する、クレーンフック部７を構成するシーブ７３ａおよび７３ｂが、ジブ６に近づいた過巻状態を検出して、例えば警報を発するとともに、不図示のドラムの回転動作を停止し、フックブロック７１の巻上げを停止するための装置である。そのため、過巻防止装置８は、重錘８０ａと、ジブ６に固定された不図示のリミットスイッチと、重錘８０ａとリミットスイッチとを連結するワイヤロープ８０ｂとを有している。そして、過巻防止装置８は、クレーンフック部７の巻き上げ時に、シーブ７３ｂが重錘８０ａに接触すると、リミットスイッチがその接触を感知するようになっている。ここで、シーブ７３ａの過巻状態位置としての重錘８０ａの巻上げロープ７ｂにおける支持位置は、送電コイル３の巻上げロープ７ａにおける設置位置より低く、受電コイル４の巻上げロープ７ａにおける設置位置より高い位置に設定されている。これは、過巻防止装置８の場合、巻上げロープ７ａの巻き上げ時にシーブ７３ａが受電コイル４に接触した場合においても、受電コイル４（クレーンフック部側の受電コイル）が送電コイル３に接触しないことに対応させるためのものである。これにより、過巻防止装置８は、送受電コイル（送電コイル３と受電コイル４）が接触して破損することを防止できる。

ここで、本実施形態における送受電コイルの構成について、図２を参照しつつ説明する。
図２（ａ）に示すように、送受電コイル（送電コイル３および受電コイル４）は、それぞれ１つのコイル（ジョイント部によって左側の基材に巻かれたコイルと右側の基材に巻かれたコイルとが接続されたコイル）で構成される。 このように、１つのコイルは、中空の円筒にコイルを巻いた形状となっており、中空部にクレーンのワイヤを通すことにより送受電コイルのオフセット（よこずれ）がほぼ発生しない構成となっている。
また、２分割が可能な構造となっているため、ワイヤへの取り付けが容易である。具体的には、図２（ｂ）に示すように、ツバをつけた半ドーナツ形状の円筒の基材にコイルを巻き、コイルが巻かれた２つの基材を、ワイヤを挟んでビス止めすることにより容易に設置できる。
なお、ジョイント部の構成（図２（ａ）に示す左側の基材に巻かれたコイルと右側の基材に巻かれたコイルとを接続する構成例）としては、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す電極方式と、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示すソケット方式が挙げられる。
ここで、図３（ａ）および図３（ｃ）は、図２（ａ）下段に示すコイルの縦方向の並びに対して、コイルを縦方向に縦断した場合の図（縦断図）を表している。また、図３（ｂ）および図３（ｄ）は、それぞれ、図３（ａ）および図３（ｃ）におけるＡ－Ａ’断面（上記縦断図に対して９０度回転した方向における断面図）を表している。
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、左側の基材に巻かれたコイルと右側の基材に巻かれたコイルは、それぞれが有する電極を接続する電極方式によって、一つのコイルが生成される。
また、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示すように、左側の基材に巻かれたコイルと右側の基材に巻かれたコイルは、左側の基材に巻かれたコイルの配線ソケット（オス）と右側の基材に巻かれたコイルの配線ソケット（メス）を接続するソケット方式によって、一つのコイルが生成される。
すなわち、送受電コイル（送電コイル３および受電コイル４）は、それぞれ、ジョイント部を有している。また、当該ジョイント部は一方の半円筒形（半ドーナツ形状の円筒）の基材に巻かれたコイルと、他方の半円筒形（半ドーナツ形状の円筒）の基材に巻かれたコイルと、を電気的に接続する。

上述した説明の通り、送電装置１を構成する送電コイル３は、巻上げロープ７ａに設置されている。また、受電装置２を構成する受電コイル４は、シーブ７３ａに送電コイル３より下方の位置に設置されている。また、制御装置５は、クレーンの運転席に対応する場所に設置されている。なお、制御装置５は、クレーンの運転席ではなく、工事現場の管理棟の事務室などに配置されていてもよい。
また、図２および図３を参照して説明した通り、本実施形態のシステムにおいては、コイル形状をクレーンワイヤへの取り付けに適した形状としている。しかしながら、以上説明したシステムでは、巻上げロープ７ａおよび７ｂの巻き上げ長さによって送受電のコイル間距離が変わり、給電効率が低下する可能性がある。
そこで、送受電間距離が自由に決定できる無線給電システム（磁界共振方式）の回路構成の一例を図４に示している。以下、図４を参照しつつ、クレーンフック部の給電システム１０が備える送電装置１と、受電装置２と、制御装置５とについて説明する。

送電装置１は、コイル（インダクタ）と可変リアクタンス回路からなる共振回路（送電側共振回路）３１を有するとともに、制御部１７とを有する。また、送電装置１は、共振回路（送電側共振回路）３１に、抵抗（レジスタ）３０２を介して、交流電圧源３０１（交流電源）からの電力を供給する。
ここで、交流電圧源３０１は内部抵抗が零の理想的な電圧源であり、抵抗３０２は現実の電圧源の内部抵抗に、図１における電源線５０に対応する抵抗を含んだ抵抗に相当する。なお、本願においてリアクタンス回路とは、容量性リアクタンスを有するコンデンサや誘導性リアクタンスを有するコイルから構成される回路である。また、可変リアクタンス回路とは、リアクタンスを可変制御することができるリアクタンス回路である。例えば、各可変リアクタンス回路は各１個の可変コンデンサで構成することができる。また、コイルと可変リアクタンス回路からなる共振回路の共振周波数は、可変リアクタンス回路のリアクタンスを予め定めた所定の値に制御した場合に共振回路の誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスが等しくなる周波数である。
共振回路３１は、直列接続された可変リアクタンス回路３０４とコイル３０５を有する。
なお、コイル３０５は、軸方向が一定方向となるように配列されている。また、交流電圧源３０１の出力周波数と、共振回路３１の共振周波数とは同一である。

送電装置１において、交流電圧源３０１の出力の一方は接地されていて、他方は抵抗３０２の一端に接続されている。抵抗３０２の他端は、可変リアクタンス回路３０４の一端に接続されている。可変リアクタンス回路３０４の他端はコイル３０５の一端に接続されている。コイル３０５の他端は接地されている。

可変リアクタンス回路３０４は、例えば、可変コンデンサを用いて構成する場合、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）可変容量素子、可動部とトリマコンデンサの組み合わせ等、制御部１７が例えば電気的に静電容量を可変することができる素子を用いて構成することができる。また、可変リアクタンス回路３０４は、例えば、可変インダクタを用いて構成する場合、可動部とフェライトコイルの組み合わせ等、制御部１７が例えば電気的にインダクタンスを可変することができる素子を用いて構成することができる。制御部１７は、制御装置５から受信したリアクタンス制御用の制御信号に基づき、可変リアクタンス回路３０４のリアクタンスを制御する。送電装置１は、例えば無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）等を用いて可変リアクタンス回路３０４のリアクタンスを制御するための制御信号を制御装置５から受信する。

一方、受電装置２は、コイルと可変リアクタンス回路からなる共振回路（受電側共振回路）４１を有するとともに、制御部２３とを有する。受電装置２は、共振回路（受電側共振回路）４１から抵抗４０６へ電力を供給する。
共振回路４１は、直列接続された可変リアクタンス回路４０１とコイル４０２を有する。
なお、コイル４０２は、軸方向が一定方向となるように配列されている。
受電装置２において、コイル４０２の一端は可変リアクタンス回路４０１の一端に接続されていて、他端は接地されている。可変リアクタンス回路４０１の他端は、抵抗４０６の一端に接続されている。抵抗４０６の他端は接地されている。
ここで、抵抗４０６は、例えば図１に示す照明やカメラといった機器（負荷回路）であり、図１に示すようにクレーンフック部７のフックブロック７１に搭載されている。抵抗４０６は、図１に示すように、１個の電球であってもよいし、整流回路、電圧変換回路、蓄電池、その他の電気・電子回路等を含むものであってもよい。また、受電装置２は、図示してない入出力装置、位置取得装置や通信装置を備えていてもよい。受電装置２は、例えば、スマートフォンやタブレットＰＣなどのモバイル端末、電気自動車等に搭載あるいは内蔵されているものであってもよい。また、制御部２３は、モバイル端末、電気自動車等が備えるコントローラ（コンピュータ）が提供する一機能として構成されていてもよい。

可変リアクタンス回路４０１は、送電装置１における可変リアクタンス回路３０４と同様に、制御部２３が例えば電気的にリアクタンスを可変することができる素子を用いて構成することができる。制御部２３は、制御装置５から受信したリアクタンス制御用の制御信号に基づき、可変リアクタンス回路４０１のリアクタンスを制御する。また、制御部２３は、受電装置２の位置情報を制御装置５に対して提供する。受電装置２と制御装置５は例えば無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）等を用いて可変リアクタンス回路４０１のリアクタンスを制御するための制御信号や位置情報を送受信する。制御部２３は、例えば、受電装置２が有する図示していない屋内ＧＰＳ（Global Positioning System）やビーコンの受信機を用いて受電装置２の位置情報を取得したり、ユーザの受電装置２に対する図示していない入力部に対する所定の入力操作に基づいて位置情報を決定したりすることができる。

位置情報は、例えば、３次元（あるいは２次元）の受電装置２の座標と、共振回路４１が有するコイル４０２の軸方向とによって定義することができる。ただし、コイル４０２の軸方向を表す情報（受電装置２の向き）は位置情報に必ずしも含まれていなくてもよい。例えば、受電時の受電装置２の向きが固定である場合、すなわちコイル４０２の軸方向が例えば鉛直方向一定である場合とか、一定の傾斜角と向きで固定されている場合等には、位置情報は座標情報から構成されるものとすることができる。なお、コイル４０２の軸方向は、例えば、受電装置２が有する図示していない地磁気センサ、加速度センサ、傾斜角センサ等を用いて検知することができる。
すなわち、本実施形態において、受電装置２は、位置情報（受電装置２の座標を表わす情報と、受電装置２のコイルの軸方向を表わす情報）を検知するセンサを有し、検知された位置情報を制御装置５（位置情報取得部５２）に出力する。

本実施形態のクレーンフック部の給電システム１０は、上述した送電装置１と受電装置２によって、送電側の複数の共振回路３１と受電側の共振回路４１を共鳴結合することで交流電圧源３０１から抵抗４０６へ電力を無線伝送する。

一方、制御装置５は、コンピュータであり、中央処理装置、記憶装置、通信装置、入出力装置等を有する。制御装置５は、例えば記憶装置に記憶されている所定のプログラムを実行することで各装置を制御して次の機能を提供する。すなわち、本実施形態において、制御装置５は、制御部５１および位置情報取得部５２として機能するとともに、記憶装置内にデータベース５３を格納して管理する。

制御部５１は、データベース５３を参照して、位置情報取得部５２が取得した受電装置２の位置情報に基づき送電装置１および受電装置２の各可変リアクタンス回路の各リアクタンスを制御する。制御部５１は、例えば、送電装置１と受電装置２の任意の位置関係において予め取得したコイル３０５および４０２の自己インダクタンスと各コイル間の相互インダクタンスとに基づいて、電力の伝送効率が高効率となるように、可変リアクタンス回路３０４と可変リアクタンス回路４０１の各リアクタンスを最適化した値に制御する。

位置情報取得部５２は、受電装置２の位置情報を受電装置２から取得する。

データベース５３は、受電装置２の位置情報と各可変リアクタンス回路の各リアクタンスを決定するための情報との対応関係を表す情報を含む。データベース５３は、例えばその対応関係を表す情報を１または複数のテーブルとして含む。各リアクタンスを決定するための情報とは、例えば、各位置情報に対応した各リアクタンスの値そのものであってもよいし、各位置情報に対応した各リアクタンスの値を計算する際に用いる情報、例えば、各コイルの自己インダクタンスや各コイル間の相互インダクタンスの値を示す情報等であってもよい。複数の位置情報の個数は、例えば、受電装置２を受電可能とする範囲を一定の領域毎に区分した各区分に対応する個数である。図５は、データベース５３の構成例を説明するための模式図である。図５はデータベース５３が含むテーブルの構成例を示す図であり、図５（ａ）と図５（ｂ）は異なる構成例を示す。図５（ａ）および図５（ｂ）はデータベース５３が含むテーブルが含むレコードの構成例を示す。

図５（ａ）に示すレコード５３Ｒ１は、位置情報フィールド５３１とインダクタンス情報フィールド５３２とを含む。位置情報フィールド５３１は、受電装置２から位置情報取得部５２が取得する受電装置２の位置情報と同一の（あるいは対応する）情報が格納される。位置情報は、例えば３次元または２次元の受電装置２の座標を表す情報と共振回路４１が有するコイル４０２の軸方向を表す情報とを含む。
インダクタンス情報フィールド５３２は、受電装置２が位置情報フィールド５３１に格納された位置情報で示される位置に配置された場合、すなわち、送電装置１と受電装置２を位置情報フィールド５３１に格納された位置情報に基づく位置関係に配置した場合に得られるコイル３０５および４０２の自己インダクタンスと各コイル間の相互インダクタンスを表す情報が格納される。自己インダクタンスと相互インダクタンスは、位置情報に基づく送電装置１と受電装置２の位置関係において、コイル３０５および４０２の各自己インダクタンスと各コイル間の各相互インダクタンスを、実際に計測したり、あるいは計算処理によって求めたり、あるいは計測と計算処理を組み合わせて求めたりすることで取得することができる。制御部５１は、データベース５３を参照し、インダクタンス情報フィールド５３２に格納されている受電装置２の位置情報に基づく位置関係におけるコイル３０５および４０２の各自己インダクタンスと各コイル間の各相互インダクタンスを用いて、電力の伝送効率が高効率となるように、可変リアクタンス回路３０４と可変リアクタンス回路４０１の各リアクタンスの最適値を求め、各リアクタンスを制御する。各リアクタンスの求め方については後述する。

図５（ｂ）に示すレコード５３Ｒ２は、位置情報フィールド５３１とリアクタンス情報フィールド５３３とを含む。位置情報フィールド５３１は、レコード５３Ｒ１の位置情報フィールド５３１と同一である。リアクタンス情報フィールド５３３は、位置情報に基づく送電装置１と受電装置２の位置関係におけるコイル３０５および４０２の各自己インダクタンスと各コイル間の各相互インダクタンスを用いて、電力の伝送効率が高効率となるように求めた、可変リアクタンス回路３０４と可変リアクタンス回路４０１の各リアクタンスの最適値を表す情報を格納する。

なお、データベース５３は、図５に示すテーブルの他、例えば、交流電圧源３０１の出力電圧、出力周波数および出力抵抗、抵抗４０６の抵抗値等を表す情報を格納するテーブルを含むことができる。

以上の構成おいて、図１および図４に示すクレーンフック部の給電システム１０では、受電装置２は、自装置の位置情報を例えば定期的に制御装置５に対して送信する。制御装置５では、受電装置２が送信した位置情報を位置情報取得部５２が受信する。位置情報取得部５２が位置情報を受信すると、制御部５１は、送電装置１の位置（既知）と受電装置２から送信された位置情報により、電力伝送効率が最大となるように送電装置１および受電装置２内の各可変リアクタンス回路の最適リアクタンスを、計算することで（あるいはデータベース５３から読み出すことで）決定する。そして、制御部５１は、決定した最適リアクタンスに基づき、送電装置１および受電装置２に設置した可変リアクタンス回路のリアクタンスを制御する。これによって、本実施形態によれば、送受電装置の位置関係によらず高効率な無線電力伝送が可能となる。

以上のように各可変リアクタンス回路の各リアクタンスを制御することで、本実施形態では、磁界共振（共鳴）方式の無線電力伝送システムにおいて特定の方向への給電に際して（すなわち任意の位置関係に配置した場合でも）例えば送電装置の物理的回転をすることなく高い電力伝送効率を実現することができる。

なお、本発明の実施形態は、図４に示す構成に限定されない。例えば送電装置１が有する共振回路３１は、１個に限らず、２以上の複数個とすることができる。ただし、立体的に給電距離を調整する場合には３以上の複数個であることが望ましい。また、受電装置２が有する共振回路４１は、１個に限らず、２以上の複数個であってもよい。また、共振回路を３以上の複数個とする場合には、各共振回路と抵抗４０６の間に可変リアクタンス回路を設けるのが望ましい。受電装置２に共振回路を複数設置した場合、更なる高効率化を図ることが可能である。

次に、本発明の実施形態における各可変リアクタンス回路の各リアクタンスの決定手順について説明する。
図４に示すように、交流電圧源３０１の出力電圧は電圧Ｖ_ｉｎである。コイル３０５および４０２の自己インダクタンスはそれぞれインダクタンスＬ_１１およびＬ_３３である。コイル３０５とコイル４０２の間の相互インダクタンスはインダクタンスＬ_１３またはＬ_３１である。抵抗３０２（現実の交流電圧源の内部抵抗）の抵抗値（レジスタンス）は抵抗値Ｒ_０である。抵抗４０６の抵抗値は抵抗値Ｒ_Ｌである。

また、可変リアクタンス回路３０４および４０１のリアクタンスはそれぞれリアクタンスＸ_１およびＸ_３であるとする。抵抗３０２、可変リアクタンス回路３０４、可変リアクタンス回路４０１および抵抗４０６に流れる電流はそれぞれ電流ｉ_０、ｉ_１、ｉ_３およびｉ_５であるとする。交流電圧源３０１と抵抗３０２の直列回路（すなわち現実の交流電圧源の出力回路）、コイル３０５、コイル４０２、抵抗４０６の各端子電圧は、それぞれ電圧Ｖ_０、Ｖ_１、Ｖ_３およびＶ_５であるとする。電圧Ｖ_５はクレーンフック部の給電システム１０の出力電圧Ｖ_ｏｕｔである。

図４に示すクレーンフック部の給電システム１０（送電装置１および受電装置２）を示す回路は、次の回路方程式で表すことができる。次の回路方程式は、定常状態の正弦波交流回路を表していて、電流ｉ_０、ｉ_１、ｉ_３およびｉ_５ならびに電圧Ｖ_０、Ｖ_１、Ｖ_３およびＶ_５はフェーサで表され、回路素子は複素インピーダンスで表されている。

ここで、ωは交流電圧源３０１の出力の角周波数であり、ｊは虚数単位である。

本実施形態において、上記回路方程式を用いて各可変リアクタンス回路の各リアクタンスを決定する際には、決定に先立って、送電装置１と受電装置２の複数の位置関係において、自己インダクタンスＬ_１１およびＬ_３３と、相互インダクタンスＬ_１３またはＬ_３１を実測や計算によって取得しておく。また、抵抗値Ｒ_０およびＲ_Ｌも実測や計算によって取得しておく。また、電圧Ｖ_ｉｎは所定の値に設定しておく。この場合、電圧Ｖ_ｉｎ、インダクタンスＬ_１１およびＬ_３３、Ｌ_１３またはＬ_３１、抵抗値Ｒ_０（現実の交流電圧源の内部抵抗）および抵抗値Ｒ_Ｌは既知の値（すなわち定数）である。一方、可変リアクタンス回路３０４および４０１のリアクタンスＸ_１およびＸ_３は未決定の値（すなわち変数）である。

そして、各可変リアクタンス回路の各リアクタンスは、以下に示す電力伝送効率ηが最大となるように決定する。

ここで、Ｐ_Ｌは抵抗４０６に供給される電力であり、Ｐ_ｉｎは交流電圧源３０１から出力される電力であり、次のように表される。

ここで、関数Ｒｅは実部を返す関数であり、関数ｃｏｎｊは共役複素数を返す関数である。また、式中のＶ_０、ｉ_０、Ｖ_５およびｉ_５は上記回路方程式を解くことにより算出する。

なお、電力伝送効率ηが最大（あるいは一定以上の高効率）となる各可変リアクタンス回路の各リアクタンスの値は、例えば各リアクタンスを一定の範囲で変化させて電力伝送効率ηを複数回算出し、算出した複数の電力伝送効率ηのうちで電力伝送効率ηが最大（あるいは一定以上の高効率）となる各リアクタンスの組み合わせを選択することで決定することができる。最大（あるいは一定以上の高効率）となる電力伝送効率ηが複数の組み合わせで算出された場合には、例えば、共振回路のＱ値（Quality factor）や結合係数ｋ等の値を考慮していずれかの組み合わせを選択することができる。

図５（ａ）を参照して説明したように、位置情報とインダクタンス情報とを対応づける情報をデータベース５３が含む場合、制御部５１は、受電装置２から位置情報を受信すると、その位置情報に対応するインダクタンス情報をデータベース５３から取得する。次に、制御部５１は、各コイルの各自己インダクタンスおよび各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、各可変リアクタンス回路の各リアクタンスを変数として一定の範囲で変化させて、上記回路方程式を用いて電力伝送効率ηを複数回算出する。次に、制御部５１は、算出した複数の電力伝送効率ηに基づき、例えば電力伝送効率ηが最大となる場合のリアクタンスＸ_１およびＸ_３の各値を制御目標として決定する。次に、制御部５１は、決定した各値を制御目標として、送電装置１および受電装置２に所定の制御信号を送信し、可変リアクタンス回路３０４および４０１のリアクタンスＸ_１およびＸ_３を制御する。

一方、図５（ｂ）を参照して説明したように、位置情報とリアクタンス情報とを対応づける情報をデータベース５３が含む構成とする場合、複数の位置関係において上述したようにして電力伝送効率ηに基づいてリアクタンスＸ_１およびＸ_３の各値を予め算出しておき、算出結果をデータベース５３に登録しておく。この場合、制御部５１は、受電装置２から位置情報を受信すると、その位置情報に対応するリアクタンスＸ_１およびＸ_３の各値をデータベース５３から取得する。次に、制御部５１は、取得した各値を制御目標として、送電装置１および受電装置２に所定の制御信号を送信し、可変リアクタンス回路３０４および４０１のリアクタンスＸ_１およびＸ_３を制御する。

以上のように、本実施形態によれば、送受電の位置関係によらず高効率なワイヤレス給電が実現できる。

図６は、本発明の他の実施形態の構成例を説明するための回路図である。図６は、図１および図４に示すクレーンフック部の給電システム１０の構成を一部変更してした場合のクレーンフック部の給電システム１０ａにおける送電装置１ａおよび受電装置２ａを示している。
図６に示す送電装置１ａは、図４に示す送電装置１と相違し、可変リアクタンス回路３０４（送電側位相調整回路という）が、それぞれｎ個の送電側位相調整回路－１（可変リアクタンス回路３０４－１）、送電側位相調整回路－２（可変リアクタンス回路３０４－２）、…、送電側位相調整回路－ｎ（可変リアクタンス回路３０４－ｎ）を有している。
一方、受電装置２ａは、図４に示す受電装置２と相違し、可変リアクタンス回路４０１（受電側位相調整回路という）が、それぞれｎ個の受電側位相調整回路－１（可変リアクタンス回路４０１－１）、送電側位相調整回路－２（可変リアクタンス回路４０１－２）、…、送電側位相調整回路－ｎ（可変リアクタンス回路４０１－ｎ）を有している。
すなわち、本実施形態では、クレーンフック部の給電システム１０ａは、ｎ個の位相調整回路を有しており、送受電のコイル間距離に応じて送電装置１ａ、受電装置２ａの位相調整回路を切り替えることにより、給電距離を制御する。
簡単のため、３種類の送受電コイル間距離で送電する場合（ｎ＝３）について説明する。３種類のコイル間距離を、コイル間距離Ｌ１、コイル間距離Ｌ２、コイル間距離Ｌ３とする。
ここで、コイル間距離Ｌ１～Ｌ３とは、送受電コイル（送電コイル３および受電コイル４）のコイル間距離である。
送電側位相調整回路－１および受電側位相調整回路－１のリアクタンスＸ_１－１およびＸ_３－１は、送電コイル３および受電コイル４のコイル間距離がコイル間距離Ｌ１である場合に最大効率が得られるように、クレーンフック部の給電システム１０で用いた制御方法により最適化する。
また、送電側位相調整回路－２および受電側位相調整回路－２のリアクタンスＸ_１－２およびＸ_３－２は、送電コイル３および受電コイル４のコイル間距離がコイル間距離Ｌ２である場合に最大効率が得られるように、クレーンフック部の給電システム１０で用いた制御方法により最適化する。
また、送電側位相調整回路－３および受電側位相調整回路－３のリアクタンスＸ_１－３およびＸ_３－３は、送電コイル３および受電コイル４のコイル間距離がコイル間距離Ｌ３である場合に最大効率が得られるように、クレーンフック部の給電システム１０で用いた制御方法により最適化する。
このように、送電コイル３および受電コイル４のコイル間距離により回路（送電装置１ａおよび受電装置２ａ）内の合計４つのスイッチを切り替えることにより、コイル間距離の変化による効率低下を抑制することが可能となる。また、位相調整回路の個数ｎを増加することにより、どのようなコイル間距離でも高効率な給電が可能となる。
すなわち、クレーンフック部の給電システム１０ａにおいて、受電装置２ａは、位置情報のうち受電装置２ａの座標を表わす情報を検知するセンサを有し、検知された座標を表わす情報を位置情報取得部５２に出力する。また、制御部５１は、交流電圧源３０１から抵抗４０６（負荷回路）へ電力を無線伝送する前に、位置情報のうち受電装置２ａのコイルの軸方向を表わす情報に対応してｎ個（複数個）、可変リアクタンス回路３０４および可変リアクタンス回路４０１（各可変リアクタンス回路）において設けられた各リアクタンスを切り替えて電力の伝送効率を計測し、電力の伝送効率が最大となる各リアクタンスを選択し、選択結果に対応する受電装置２ａのコイルの軸方向を表わす情報を位置情報取得部５２に出力する。また、制御部５１は、データベース５３を参照して、位置情報取得部５２が取得した位置情報に基づき選択された各リアクタンスを制御する。
以上のように、本実施形態によれば、クレーンフック部の給電システム１０と同様に、送電装置と受電装置の距離が変化する場合でも高効率なワイヤレス給電が実現できる。

以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、送電装置と受電装置の任意の位置関係において高効率な電力伝送を実現することができる。また、本発明の各実施形態によれば、物理的な移動が必要となる素子をなくすことができるため、常に高効率な電力伝送が実現できる。また、送受電装置の位置関係が連続的に変化した場合も高効率な電力伝送が実現でき、装置の大型化、高コスト化が防止できる。また、磁界共鳴型のワイヤレス給電において、装置の大型化や複雑化を防ぎつつ、給電距離を制御することにより高い伝送効率を実現することができる。

上述した実施形態における制御装置５をコンピュータで実現するようにしてもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。例えば、各可変リアクタンス回路や各コイルは、複数の可変リアクタンス回路や複数のコイルを並列や直列に接続した構成を有していてもよい。

１、１ａ 送電装置
２、２ａ 受電装置
３ 送電コイル
４ 受電コイル
５ 制御装置
６ ジブ
７ クレーンフック部
８ 過巻防止装置
１０、１０ａ クレーンフック部の給電システム
３１、４１ 共振回路
３０４、４０１ 可変リアクタンス回路
５１ 制御部
５２ 位置情報取得部
５３ データベース
３０５、４０２ コイル
３０１ 交流電圧源
３０２、４０６ 抵抗

Claims (5)

1. コイルと可変リアクタンス回路からなる送電側共振回路を有するとともに前記送電側共振回路に交流電源からの電力を供給する、２本の巻き上げロープのうち一方の巻き上げロープの一端側であるクレーンのジブに固定される側に設けられた送電装置と、
   コイルと可変リアクタンス回路からなる受電側共振回路を有するとともに前記受電側共振回路に接続された負荷回路へ電力を供給する、前記送電装置よりもクレーンのクレーンフック部側の前記巻き上げロープに設けられた受電装置と、
   を備え、
   前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とを共鳴結合することで前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送するクレーンフック部の給電システムであって、
   前記送電装置の前記コイルと前記受電装置の前記コイルとは、中空部を有する円筒形状に構成され、
   前記一方の巻き上げロープは、前記送電装置の前記コイルの前記中空部と前記受電装置の前記コイルの前記中空部とを通り、
   前記送電側共振回路の前記コイルおよび前記受電側共振回路の前記コイルは、それぞれジョイント部を有しており、前記ジョイント部は一方の半円筒形の基材に巻かれた第１のコイルと、他方の半円筒形の基材に巻かれた第２のコイルと、を接続し、
   さらに、
   前記受電装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、
   前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報取得部が取得した前記位置情報に基づく位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有するように、前記各リアクタンスを制御する制御部と、
   を備え、
   クレーンフック部の給電システム。
2. 前記位置情報と前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスとの対応関係を表す情報を含むデータベースと、
   をさらに備え、
   前記受電装置は、前記位置情報を検知するセンサを有し、検知された前記位置情報を前記位置情報取得部に出力し、
   前記制御部は、前記データベースを参照して、前記位置情報取得部が取得した前記位置情報に基づき前記各リアクタンスを制御する
   請求項１に記載のクレーンフック部の給電システム。
3. 前記位置情報と前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスとの対応関係を表す情報を含むデータベースと、
   をさらに備え、
   前記受電装置は、前記位置情報のうち前記受電装置の座標を表わす情報を検知するセンサを有し、検知された前記座標を表わす情報を前記位置情報取得部に出力し、
   前記制御部は、前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送する前に、前記位置情報のうち前記受電装置のコイルの軸方向を表わす情報に対応して複数個、前記各可変リアクタンス回路において設けられた各リアクタンスを切り替えて前記電力の伝送効率を計測し、前記電力の伝送効率が最大となる各リアクタンスを選択し、選択結果に対応する前記受電装置のコイルの軸方向を表わす情報を前記位置情報取得部に出力し、
   前記制御部は、前記データベースを参照して、前記位置情報取得部が取得した前記位置情報に基づき選択された前記各リアクタンスを制御する
   請求項１に記載のクレーンフック部の給電システム。
4. 前記２本の巻き上げロープのうち他方の巻き上げロープの一端側であるクレーンのジブに固定される側であって、前記送電装置より低く、前記受電装置より高い位置に設けられた過巻防止装置
   を有する請求項１から請求項３いずれか一項に記載のクレーンフック部の給電システム。
5. コイルと可変リアクタンス回路からなる送電側共振回路を有するとともに前記送電側共振回路に交流電源からの電力を供給する、２本の巻き上げロープのうち一方の巻き上げロープの一端側であるクレーンのジブに固定される側に設けられた送電装置と、
   コイルと可変リアクタンス回路からなる受電側共振回路を有するとともに前記受電側共振回路に接続された負荷回路へ電力を供給する、前記送電装置よりもクレーンのクレーンフック部側の前記巻き上げロープに設けられた受電装置と、
   位置情報取得部と、
   制御部と
   を用いて、前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とを共鳴結合することで前記交流電源から前記負荷回路へ電力を無線伝送するクレーンフック部の給電方法であって、
   前記送電装置の前記コイルと前記受電装置の前記コイルとは、中空部を有する円筒形状に構成され、
   前記一方の巻き上げロープは、前記送電装置の前記コイルの前記中空部と前記受電装置の前記コイルの前記中空部とを通り、
   前記送電側共振回路の前記コイルおよび前記受電側共振回路の前記コイルは、それぞれジョイント部を有しており、前記ジョイント部は一方の半円筒形の基材に巻かれた第１のコイルと、他方の半円筒形の基材に巻かれた第２のコイルと、を接続し、
   前記位置情報取得部によって、前記受電装置の位置情報を取得し、
   前記制御部によって、前記各可変リアクタンス回路の各リアクタンスが、前記送電装置と前記受電装置とを前記位置情報取得部が取得した前記位置情報に基づく位置関係に配置した場合に得られる前記各コイルの各自己インダクタンスおよび前記各コイル間の各相互インダクタンスを定数とし、前記各リアクタンスを変数とする前記送電装置および前記受電装置を表す回路方程式を用いて算出された前記電力の伝送効率に基づき決定された各値を有するように、前記各リアクタンスを制御する
   クレーンフック部の給電方法。

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