JPWO2014073207A1 - 電力伝送装置及び電力伝送方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(第一の実施形態)
以下、本発明の第一の実施形態による電力伝送装置を、図面を参照して説明する。図1は本実施形態による電力伝送装置の構成を示す図である。
30>C3×d/(C1+C2)>0.5 式(1)
なお、3次元電磁界シミュレーションによれば、本実施形態においては、送電用コイル111、受電用コイル121が10cm2〜30cm2程度、送電部11と受電部12の距離dが5cm〜30cm程度の条件で、式(1)を満たすことができる。
(第二の実施形態)
図7は本発明の第二の実施形態による電力伝送装置の構成を示す図である。次に、同実施形態による電力伝送装置を、図面を参照しながら説明する。
(第三の実施形態)
図10は本発明の第三の実施形態による電力伝送装置の構成を示す図である。次に、同実施形態による電力伝送装置を、図面を参照しながら説明する。
(実施例1)
次に、図11に、第一の実施形態について、第一の実施例を示す。図11では、電力伝送装置1の送電部11が電力供給源14に具備され、受電部12が潜水艇15に具備されている。本発明を用いることで、潮流が起こって電力供給源14と潜水艇15の位置関係が変動した場合であっても、安定して電力供給を行うことが可能になる。
(実施例2)
また、図12に、第一の実施形態について、第二の実施例を示す。図12では、電力伝送装置1の送電部11が潜水艇16に具備され、受電部12が潜水艇17に具備されている。本発明を用いることで、潮流が起こって潜水艇16と潜水艇17の位置関係が変動した場合であっても、安定して電力供給を行うことが可能になる。
(実施例3)
次に、図13に、第一の実施形態について、第三の実施例を示す。送電部11が電源ケーブル18の接続部に具備され、受電部12が電源ケーブル19の接続部に具備されている。本発明を用いることで、海水中であっても、無線で電力供給をすることで、ケーブル間を非接触で接続することが可能になり、電源ケーブルの交換が容易になり、磨耗することなく信頼性も向上する。
(実施例4)
図14は、第三の実施形態による電力伝送装置4の効果を実証するためのシミュレーション用のモデル図である。次に、本発明の第三の実施形態の第一の実施例として、その効果を実証した具体的なシミュレーションモデルについて、図14を参照しながら説明する。図14において、電力伝送装置4は、送電部41及び受電部42を備えている。また、送電部41及び受電部42は、導体媒質として海水43に覆われている。前記送電部41は、ヘリカルコイル(送電用コイル)411、内部誘電体(第一送電側包含部)412、外部誘電体(第二送電側包含部)413、被覆誘電体(第三送電側包含部)414を備えている。前記受電部42は、ヘリカルコイル(受電用コイル)421、内部誘電体(第一受電側包含部)422、外部誘電体(第二受電側包含部)423、被覆誘電体(第三受電側包含部)424を備えている。
(実施例5)
図22は、第三の実施形態による電力伝送装置5の効果を実証するためのシミュレーション用のモデル図である。次に、本発明の第三の実施形態の第二の実施例として、その効果を実証した具体的なシミュレーション結果について、図22を参照しながら説明する。
(実施例6)
図28は本発明の第三の実施形態による電力伝送装置6の効果を実証するためのシミュレーション用のモデル図である。次に、本発明の第三の実施形態の第三の実施例として、その効果を実証した具体的なシミュレーション結果について、図28を参照しながら説明する。
fc=1/(2πC_1×R_1) (式2)
すなわち、C_1、および、R_1の選択により、任意の周波数で任意の位相回転が得られる。この回路は、前述の伝送線路、可変インダクタ、可変容量等の、低周波帯においてサイズが増加する素子を用いない。そのため、伝送線路を用いた場合よりも小型に実現可能である。
Z=jω×L3’/(−ω2×L3’×C3’+1) (式3)
周波数fが低い場合には、ω2×L3’×C3’が1に対して小さくなるため、C3’の影響が小さくなり、Zは、ω×L3’に近づく。一方周波数fが高い場合には、ω2×L3’×C3’が1より大きくなり、Zに対して影響を与える。すなわち、C3’の影響が大きくなる。本補償回路はC3’の変化を補償するため、特に、ω2×L3’×C3’が1に対して大きい場合に、高い効果が得られる。発明者らが、シミュレーションにより検証を行った結果、dを10cmから5cmに変化させた場合において、動作周波数130KHzの場合はS21の改善量が1dBであったのに対し、動作周波数1MHzの場合は3dBであり、より高い効果が得られた。
(付記)
(付記1)
導体媒質中において無線で電力伝送する電力伝送装置において、無線で電力を送信する送電部と、前記送電部から送信された電力を受信する受電部と、を備え、前記送電部及び前記受電部は、電力伝送用コイルと、前記電力伝送用コイルを覆う誘電体を有する包含部と、を備え、前記送電部と前記受電部の少なくとも一方は、各々のインピーダンスを可変にするインピーダンス調整部を備え、前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記導体媒質のインピーダンスとで定まる周波数で共振させて前記電力伝送を行うことを特徴とする、電力伝送装置。
(付記2)
前記送電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分(C1[pF])と、前記受電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分(C2[pF])と、前記送電部と前記受電部と前記導体媒質とで形成されるキャパシタンス成分(C3[pF])と、前記送電部と前記受電部との間隔(d[cm])とが、30>C3・d/(C1+C2)>0.5の関係を満たすことを特徴とする、付記1に記載の電力伝送装置。
(付記3)
前記包含部の前記電力伝送用コイルの面に沿う方向の外径(d1[cm])と、前記電力伝送用コイルの外径(d2[cm])とが、d1/d2>1.2の関係を満たすことを特徴とする、付記1または付記2に記載の電力伝送装置。
(付記4)
前記包含部は、前記電力伝送用コイルを覆う第一誘電体を有する第一包含部と、前記第一包含部を覆う第二誘電体を有する第二包含部と、を備えることを特徴とする、付記1から付記3の何れか一に記載の電力伝送装置。
(付記5)
前記包含部は、前記第二包含部を覆う第三誘電体を有する被覆部を備えることを特徴とする、付記4に記載の電力伝送装置。
(付記6)
前記第二誘電体は、前記導体媒質と比重が等しい誘電体からなることを特徴とする、付記4または付記5に記載の電力伝送装置。
(付記7)
前記第一誘電体の誘電正接は、前記第二誘電体の誘電正接よりも低い、もしくは、同一であることを特徴とする、付記4から付記6の何れか一に記載の電力伝送装置。
(付記8)
前記第一誘電体の比誘電率は、前記第二誘電体の比誘電率よりも低い、もしくは、同一であることを特徴とする、付記4から付記7の何れか一に記載の電力伝送装置。
(付記9)
前記導体媒質は、導電率が1×10−4より高く、かつ、比誘電率が1より高いことを特徴とする、付記1から付記8の何れか一に記載の電力伝送装置。
(付記10)
前記位相器は、オペアンプを用いて構成されていることを特徴とする、付記1から付記9の何れか一に記載の電力伝送装置。
(付記11)
前記導体媒質は、海水、河川、淡水、水道水、土、コンクリートのいずれかを有することを特徴とする、付記1から付記10の何れか一に記載の電力伝送装置。
(付記12)
前記導体媒質中に発生した電界の一部もしくは全部は、前記送電部または前記受電部の電力伝送用コイル面に対して略平行に回転し、前記導体媒質中に発生した磁界の一部もしくは全部は、前記送電部または前記受電部の電力伝送用コイル面に対して略平行であることを特徴とする、付記1から付記11の何れか一に記載の電力伝送装置。
(付記13)
前記送電部の電力伝送用コイルを貫く磁束と、前記受電部の電力伝送用コイルを貫く磁束とを、互いに逆方向とすることで前記電力伝送用コイル面に対して平行な磁界を生成することを特徴とする、付記12に記載の電力伝送装置。
(付記14)
海水中に設置した電力供給源または船舶または潜水艇に前記送電部を搭載し、海水中に設置したセンサーまたは船舶または潜水艇に前記受電部を搭載したことを特徴とする、付記1から付記13の何れか一に記載の電力伝送装置。
(付記15)
海水中に敷設された電源ケーブルの接続部に、前記送電部と前記受電部とを搭載したことを特徴とする、付記1から付記13の何れか一に記載の電力伝送装置。
(付記16)
前記送電部を情報伝送する送信機として用い、前記受電部を情報伝送する受信器として用いることで、電力伝送及び無線通信を同時に行うことを特徴とする、付記1から付記15の何れか一に記載の電力伝送装置。
(付記17)
導体媒質中において、各々が誘電体で覆われた電力伝送用コイルを備えた送電部と受電部とが、無線で電力伝送する電力伝送方法において、前記送電部が、無線で電力を送信し、前記受電部が、前記送信された電力を受信し、前記送電部と前記受電部の少なくとも一方のインピーダンス補償を行い、前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記導体媒質のインピーダンスとで定まる周波数で共振させて前記電力伝送を行うことを特徴とする、電力伝送方法。
(付記18)
前記送電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分(C1[pF])と、前記受電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分(C2[pF])と、前記送電部と前記受電部と前記導体媒質とで形成されるキャパシタンス成分(C3[pF])と、前記送電部と前記受電部との間隔(d[cm])が、30>C3・d/(C1+C2)>0.5の関係を満たすことを特徴とする、付記17に記載の電力伝送方法。
11 送電部
111 送電用コイル
112 送電側包含部
113 送電側インピーダンス調整部
12 受電部
121 受電用コイル
122 受電側包含部
123 受電側インピーダンス調整部
13 導体媒質
14 電力供給源
15、16、17 潜水艇
18、19 電源ケーブル
2 電力伝送装置
21 送電部
211 送電用コイル
212 第一送電側包含部
213 第二送電側包含部
22 受電部
221 受電用コイル
222 第一受電側包含部
223第二受電側包含部
23 導体媒質
3 電力伝送装置
31 送電部
311 送電用コイル
312 第一送電側包含部
313 第二送電側包含部
314 第三送電側包含部
32 受電部
321 受電用コイル
322 第一受電側包含部
323 第二受電側包含部
324 第三受電側包含部
33 導体媒質
4 電力伝送装置
41 送電部
411、421 ヘリカルコイル
412、422 内部誘電体
413、423 外部誘電体
414、424 被覆誘電体
42 受電部
43 海水
5 電力伝送装置
51 送電部
5111、5211 スパイラルコイル
5112、5212 ループコイル
5113 誘電体基板
5114 スパイラル配線
5115 誘電体基板
5116 ループ配線
512、522 内部誘電体
513、523 外部誘電体
514、524 被覆誘電体
52 受電部
53 海水
6 電力伝送装置
61 送電部
6111、6112、6211、6212 スパイラルコイル
612 第一送電側包含部
613 第二送電側包含部
614 第三送電側包含部
615 送電側インピーダンス調整部
62 受電部
622 第一受電側包含部
623 第二受電側包含部
624 第三受電側包含部
625 受電側インピーダンス調整部
63 海水
Claims (10)
- 導体媒質中において無線で電力伝送する電力伝送装置において、
無線で電力を送信する送電部と、前記送電部から送信された電力を受信する受電部と、を備え、
前記送電部及び前記受電部は、電力伝送用コイルと、前記電力伝送用コイルを覆う誘電体を有する包含部と、を備え、
前記送電部と前記受電部の少なくとも一方は、各々のインピーダンスを可変にするインピーダンス調整部を備え、
前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記導体媒質のインピーダンスとで定まる周波数で共振させて前記電力伝送を行うことを特徴とする、電力伝送装置。 - 前記送電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分(C1[pF])と、前記受電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分(C2[pF])と、前記送電部と前記受電部と前記導体媒質とで形成されるキャパシタンス成分(C3[pF])と、前記送電部と前記受電部との間隔(d[cm])とが、30>C3・d/(C1+C2)>0.5の関係を満たすことを特徴とする、請求項1に記載の電力伝送装置。
- 前記包含部の前記電力伝送用コイルの面に沿う方向の外径(d1[cm])と、前記電力伝送用コイルの外径(d2[cm])とが、d1/d2>1.2の関係を満たすことを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の電力伝送装置。
- 前記包含部は、前記電力伝送用コイルを覆う第一誘電体を有する第一包含部と、前記第一包含部を覆う第二誘電体を有する第二包含部と、を備えることを特徴とする、請求項1から請求項3の何れか一に記載の電力伝送装置。
- 前記包含部は、前記第二包含部を覆う第三誘電体を有する被覆部を備えることを特徴とする、請求項4に記載の電力伝送装置。
- 前記第二誘電体は、前記導体媒質と比重が等しい誘電体からなることを特徴とする、請求項4または請求項5に記載の電力伝送装置。
- 前記第一誘電体の誘電正接は、前記第二誘電体の誘電正接よりも低い、もしくは、同一であることを特徴とする、請求項4から請求項6の何れか一に記載の電力伝送装置。
- 前記第一誘電体の比誘電率は、前記第二誘電体の比誘電率よりも低い、もしくは、同一であることを特徴とする、請求項4から請求項7の何れか一に記載の電力伝送装置。
- 導体媒質中において、各々が誘電体で覆われた電力伝送用コイルを備えた送電部と受電部とが、無線で電力伝送する電力伝送方法において、
前記送電部が、無線で電力を送信し、
前記受電部が、前記送信された電力を受信し、
前記送電部と前記受電部の少なくとも一方のインピーダンス補償を行い、
前記送電部のインピーダンスと、前記受電部のインピーダンスと、前記導体媒質のインピーダンスとで定まる周波数で共振させて前記電力伝送を行うことを特徴とする、電力伝送方法。 - 前記送電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分(C1[pF])と、前記受電部のインピーダンスを構成するキャパシタンス成分(C2[pF])と、前記送電部と前記受電部と前記導体媒質とで形成されるキャパシタンス成分(C3[pF])と、前記送電部と前記受電部との間隔(d[cm])が、30>C3・d/(C1+C2)>0.5の関係を満たすことを特徴とする、請求項9に記載の電力伝送方法。
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