JPWO2017022054A1 - 電力伝送装置及びアンテナ - Google Patents
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Abstract
Description
そのため、従来では、送受信部と上記金属部材との間に空間を設ける必要があり、装置が大型化するという課題がある。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る電力伝送装置1の構成例を示すブロック図である。
電力伝送装置1は、電気信号を含む電力を無線で伝送するものである。この電力伝送装置1は、図1に示すように、送信電源11、送受信部12及び整流回路13を備えている。また、送受信部12は、図2(b)等に示すように、送信アンテナ14及び受信アンテナ15を有している。
送信アンテナ14は、送信電源11から供給された電力を無線で伝送するものである。
整流回路13は、受信アンテナ15により受信された電力を直流電力に変換するものである。この整流回路13により変換された直流電力は負荷機器等(不図示)に出力される。
なお、送受信部12は、磁界共鳴、電界共鳴又は電磁誘導により電力伝送を行う。
この図2(a),(b)に示すように、送信アンテナ14及び受信アンテナ15は、各々、電流が一方向に流れる箇所に対して反対方向に流れる箇所を沿わせた形状のコイルから構成されている。また図2(a),(b)では、送信アンテナ14及び受信アンテナ15のループ面が円弧上に構成され、金属部材である軸51に間接的に巻き付けられている。すなわち、図2(a),(b)に示す送信アンテナ14及び受信アンテナ15は、図2(c)に示す従来のアンテナ101の上部分を下方に凹ました形状に構成されている。
また、このアンテナ形状では、図3に示すように、近くに配置された2本の線路に流れる電流の向き(図3(a)に示す矢印)が180°異なる。そのため、ループ面の内側の狭い領域では磁束方向が一様となって密となり、この磁束密度の高い磁界を利用して、送信アンテナ14から受信アンテナ15への電力伝送を行う。一方、ループ面の外側では磁束が打ち消し合うため、アンテナ周囲には磁束密度が高い磁界は広がらず、磁束密度の低い磁界のみがアンテナ周囲に存在する金属部材(軸51)へ到達する。よって、この軸51による影響(渦電流損等)を低減することができ、エネルギー効率の高い電力伝送を行うことが可能である。
以上から、軸51が金属部材であっても、送信アンテナ14と受信アンテナ15との間で電力伝送が可能となる。
また、軸51が回転体であり、この回転体を経由して電源ラインを負荷機器等へ接続する場合には、送信アンテナ14と受信アンテナ15が独立に回転する。そのため、送信アンテナ14及び受信アンテナ15は、どのような回転状態であっても少なくとも一部が対向する隙間141,151に設定される。
また図4では、送信アンテナ14の内側に受信アンテナ15を配置した場合を示したが、逆に、受信アンテナ15の内側に送信アンテナ14を配置してもよい。
図5は、シャフト611付近に送受信部12を設けたものである。
自動車(移動体)61のシャフト611は、構造物としての強度を確保するため、金属部材から構成されている。そのため、従来の電力伝送装置では、このシャフト611を経由した電力伝送に適用することは困難であった。それに対して、本発明の電力伝送装置1では、金属部材による影響を受け難くすることができるため、例えば、本体部612に送信アンテナ14を取付け、シャフト611に受信アンテナ15を取付けることが可能である(図5に示すアンテナ配置箇所615)。これにより、タイヤ613に設けられたセンサ(空気圧センサ、車速センサ)614等への非接触給電が可能となる。
なお図5では自動車61を例に示したが、これに限るものではなく、その他の移動体にも同様に適用可能である。
ロボットアーム62の回転部621についても、上記と同様に、構造物としての強度を確保するために、金属部材から構成されている。そのため、従来の電力伝送装置では、この回転部621を経由した電力伝送に適用することは困難であった。それに対して、本発明の電力伝送装置1では、金属部材による影響を受け難くすることができるため、図6に示すアンテナ配置箇所622に送受信部12を設けることが可能である。
360°全方位を監視するような監視カメラ63では、カメラ本体部631を回動するための回転部を有している。そこで、この回転部付近(アンテナ配置箇所632)に本発明の送受信部12を設けることができる。
図8では、自動車64が走行している際又は停止した際に当該自動車64と対向する固定面(道路65)の下に本発明の送信アンテナ14を埋め込み、自動車64のタイヤ641のホイールキャップ642に本発明の受信アンテナ15を内蔵している。これにより、自動車64の金属製のシャフト(不図示)の軸心を中心(略中心の意味を含む)にして受信アンテナ15を配置しても、自動車64が道路65を走行することで又は自動車64が道路65上で停止することで、道路65に設けられた送信アンテナ14から自動車64に設けられた受信アンテナ15へ非接触給電を行うことができる。
また実際には、送信アンテナ14と受信アンテナ15は、各々、樹脂部材により固められた上で、自動車64と道路65に設けられるものと想定される。そのため、この樹脂部材の厚みを調節することで、道路65に水溜まりがある場合にも電力伝送を十分に行うことが可能となる。
また図8では自動車64への給電を示した。しかしながら、これに限るものではなく、その他の移動体(電車、無人搬送車(AGV)等)にも同様に適用可能である。
近年、タイヤ662毎に電動モータ(インホイールモータ661)を内蔵し、このインホイールモータ661によって駆動を行う自動車(移動体)66が開発されている。そこで、シャフト663に本発明の送信アンテナ14を取付け、インホイールモータ661に本発明の受信アンテナ15を取付けることで、回転するインホイールモータ661に対してシャフト663側から非接触給電が可能となる。
また図9では自動車66を例に示したが、これに限るものではなく、その他の移動体(ミニカー等)にも同様に適用可能である。
360°全方位を監視するようなレーダ装置67では、レーダ本体部671を回動するための回転部を有している。そこで、この回転部付近(アンテナ配置箇所672)に本発明の送受信部12を設けることができる。
灯台68には、ライト(不図示)と、ライトからの光を外部に投光するための開口を有し、回転する遮光壁681とが設けられている。そこで、この遮光壁681付近(アンテナ配置箇所682)に本発明の送受信部12を設けることができる。
扇風機69では、羽根691を回転するための回転部を有している。そこで、この回転部付近(アンテナ配置箇所692)に本発明の送受信部12を設けることができる。これにより、羽根691の角度を変えたり、回転部より先端側に取付けられたライトを光らせたりする場合等に非接触給電を行うことができる。
なお図12では扇風機69を例に示したが、これに限るものではなく、その他の羽根691を有する装置(風力発電機、ヘリコプター、プロペラ機、ボートのスクリュー等)にも同様に適用可能である。
図13では、ステアリングシャフト702の根元部分の回転側に受信アンテナ15を取付け、固定側に送信アンテナ14を取付けている。これにより、ステアリングへの非接触給電が可能となる。
なお図13では自動車70を例に示したが、これに限るものではなく、その他のハンドル701を有する装置(バイク又は電動自転車等の移動体、ゲーム機等)にも同様に適用可能である。
図14では、電動自転車71の駐輪場に設置された駐輪スタンド72に本発明の送信アンテナ14を取付け、電動自転車71のスポーク711に本発明の受信アンテナ15を取付けている。なお図14(a)では、図を見やすくするため、送信アンテナ14の図示を省略している。これにより、電動自転車71が駐輪場に駐輪されることで、駐輪スタンド72に設けられた送信アンテナ14から電動自転車71に設けられた受信アンテナ15へ非接触給電を行うことができ、電動自転車71のバッテリー(不図示)へ給電することができる。またこの際、電動自転車71の金属製のシャフト712に対向して、本発明の送信アンテナ14及び受信アンテナ15を配置することができる。
なお図14では電動自転車71への給電を示したが、これに限るものではなく、電動車いす又はバイク等にも同様に適用可能である。
実施の形態1では、金属部材である軸51に送受信部12を設けた場合を示した。それに対して、実施の形態2では、金属部材を含む筐体52の内部に送受信部12を配置した場合を示す。なお、電力伝送装置1の全体構成は図1に示す構成と同様であり、その説明を省略する。
この場合、実施の形態1と同様に、本発明のアンテナ形状では、近くに配置された2本の線路に流れる電流の向きが180°異なる。そのため、ループ面の内側の狭い領域では磁束方向が一様となって密となり、この磁束密度の高い磁界を利用して、送信アンテナ14から受信アンテナ15への電力伝送を行う。一方、ループ面の外側では磁束が打ち消し合うため、アンテナ周囲には磁束密度が高い磁界は広がらず、磁束密度の低い磁界のみがアンテナ周囲に存在する金属部材(筐体52)へ到達する。よって、この筐体52による影響(渦電流損等)を低減することができ、エネルギー効率の高い電力伝送を行うことが可能である。
以上から、筐体52が金属部材であっても、送信アンテナ14と受信アンテナ15との間で電力伝送が可能となる。
この場合にも、実施の形態1と同様に、ループ面の外側に軸51が位置することになるため、送信アンテナ14と受信アンテナ15との間の磁束の鎖交が阻止されない。
また、本発明のアンテナ形状では、近くに配置された2本の線路に流れる電流の向きが180°異なる。そのため、ループ面の内側の狭い領域では磁束方向が一様となって密となり、この磁束密度の高い磁界を利用して、送信アンテナ14から受信アンテナ15への電力伝送を行う。一方、ループ面の外側では磁束が打ち消し合うため、アンテナ周囲には磁束密度が高い磁界は広がらず、磁束密度の低い磁界のみがアンテナ周囲に存在する金属部材(軸51及び筐体52)へ到達する。よって、この軸51及び筐体52による影響(渦電流損等)を低減することができ、エネルギー効率の高い電力伝送を行うことが可能である。
以上から、軸51及び筐体52が金属部材であっても、送信アンテナ14と受信アンテナ15との間で電力伝送が可能となる。なお図15(b)の場合には、送受信部12を、金属部材(軸51及び筐体52)に対して、送信アンテナ14及び受信アンテナ15のうちの最小のアンテナの内径の10分の1以上離して配置する必要がある。
また図15では、金属製の筐体52の内部に送受信部12が配置された場合を示したが、送受信部12の周囲に金属製の他の周辺部材が存在する場合にも上記と同様である。
なお図16では、送信アンテナ14の内側に受信アンテナ15を配置した場合を示したが、逆に、受信アンテナ15の内側に送信アンテナ14を配置してもよい。また図16では、送信アンテナ14と受信アンテナ15を嵌合配置した場合を示しているが、軸心方向に沿って対向配置してもよい。
図17は、自動車(移動体)73のエンジンルーム731の内部に本発明の送受信部12を配置したものである。
自動車73のエンジンルーム731は金属部材から成り、また、エンジンルーム731の内部には金属部材から成る多くの機器732が設けられている。そのため、従来の電力伝送装置では、このエンジンルーム731の内部に配置することは困難であった。それに対して、本発明の電力伝送装置1では、金属部材による影響を受け難くすることができるため、エンジンルーム731の内部(アンテナ配置箇所734)に送受信部12を配置することが可能である。これにより、例えば、エンジンルーム731の内部に設けられたセンサ733等への非接触給電が可能となる。
なお図17では自動車73を例に示したが、これに限るものではなく、その他の移動体にも同様に適用可能である。
図18では、自動車74が走行している際又は停止した際に当該自動車74と対向する固定面(道路75)の下に本発明の送信アンテナ14を埋め込み、自動車74のタイヤ741のトレッド面等に本発明の受信アンテナ15を内蔵している。これにより、自動車74が道路75を走行することで又は自動車74が道路75上で停止することで、道路75に設けられた送信アンテナ14から自動車74に設けられた受信アンテナ15へ非接触給電を行うことができる。
また図18では自動車74への給電を示した。しかしながら、これに限るものではなく、その他の移動体(無人搬送車(AGV)等)にも同様に適用可能である。
図19では、リニアモーターカー76が走行している際又は停止した際に当該リニアモーターカー76と対向する固定面(路面77)に本発明の送信アンテナ14を設け、リニアモーターカー76の底面に本発明の受信アンテナ15を設けている。なお、送信アンテナ14は路面77に対して垂直に配置され、受信アンテナ15はリニアモーターカー76の底面に対して垂直に配置されている。これにより、リニアモーターカー76が路面77を走行することで又はリニアモーターカー76が路面77上で停止することで、路面77に設けられた送信アンテナ14からリニアモーターカー76に設けられた受信アンテナ15へ非接触給電を行うことができる。
また図18ではリニアモーターカー76への給電を示したが、これに限るものではなく、その他の浮上物体(ホバークラフト等)にも同様に適用可能である。
実施の形態2では、金属部材を含む筐体52の内部に送受信部12を配置した場合を示した。それに対して、実施の形態3では、送受信部12と金属部材との間にシールド部材53を配置した場合を示す。
このように、シールド部材53を用いることで、送受信部12からの磁界が周囲の金属部材に漏洩することを更に低減することができ、電力伝送効率を更に高めることができる。
なお図21では導体532の両面に磁性シート531を設けた場合を示したが、片面のみに磁性シート531を設けるようにしてもよい。
実施の形態1〜3では、送受信部12を1系統設けた場合を示した。それに対して、実施の形態4では、送受信部12を複数系統設けた場合を示す。なお図では、送受信部12を3系統設けた場合を示し、各機能部の符号に接尾記号a〜cを付している。
ここで、軸51が非回転体の場合には、図22に示すように、各系統の送信アンテナ14と受信アンテナ15を1対1で対向させることで、各系統で独立した電力伝送が可能となる。
なお、図22に示す状態から送信側又は受信側が例えば60°回転すると、1つの送信アンテナ14に対して2つの受信アンテナ15が同じだけ対向することになり、系の切替えを行うことができない。そこで、例えば、このような状態となる前後10°の範囲では全系統の電力伝送をオフとする制御を行うようにしてもよい。
また、各系統で独立した電力伝送を行う必要がない場合には、上記のような系の切替えは不要である。
なお図23では、送信アンテナ14の内側に受信アンテナ15を配置した場合を示したが、逆に、受信アンテナ15の内側に送信アンテナ14を配置してもよい。
なお図24に示すアンテナ配置であっても、隣接する系統間(例えば送信アンテナ14bと受信アンテナ15aとの間等)での電力の漏洩はない。すなわち、本発明では、送信アンテナ14及び受信アンテナ15の形状を、従来のアンテナ形状を凹ませたような形状としており、ループ面(電力が伝送される領域)を狭めている。そのため、各系統の送受信部12を近くに配置しても系統間での電力の漏洩を回避することができる。よって、従来構成の場合のように系統間にシールド部材を設ける必要はない。
実施の形態5では、実施の形態1〜4とは異なるアンテナ形状の送信アンテナ14及び受信アンテナ15を用いて、周囲に存在する金属部材による影響を低減する構成を示す。なお、電力伝送装置1の全体構成は図1に示す構成と同様であり、その説明を省略する。
この図25(a),(b)に示すように、送信アンテナ14及び受信アンテナ15は、各々、自身の外径よりも小さく同一平面上にループ面が向いたスパイラル状の複数のコイル143,153がカスケード接続されて構成されている。また図25(a),(b)では、送信アンテナ14及び受信アンテナ15の軸心に金属部材である軸51が配置された場合を示している。
以上から、軸51が金属部材であっても、送信アンテナ14と受信アンテナ15との間で電力伝送が可能となる。なお、送受信部12を、金属部材(軸51)に対して、コイル143,153のうちの最小のコイルの半径以上離すことで、最も電力伝送効率が高くなる。
なお図26では、送信アンテナ14の内側に受信アンテナ15を配置した場合を示したが、逆に、受信アンテナ15の内側に送信アンテナ14を配置してもよい。またこの場合、送信アンテナ14のコイル143と受信アンテナ15のコイル153を、コイル143,153のうちの最小のコイルの半径より短い距離に近づけることで、電力伝送効率を高めることができる。
実施の形態5では、金属部材である軸51に送受信部12を設けた場合を示した。それに対して、実施の形態6では、金属部材を含む筐体52の内部に送受信部12を配置した場合を示す。なお、電力伝送装置1の全体構成は図1に示す構成と同様であり、その説明を省略する。
この場合、実施の形態5と同様に、本発明のアンテナ形状では、スパイラル状又はヘリカル状に巻かれた小型のコイル143,153で磁束密度の高い磁界が発生し、この磁束密度の高い磁界を利用して、送信アンテナ14から受信アンテナ15への電力伝送を行う。一方、コイル143,153は送信アンテナ14及び受信アンテナ15のサイズに対して十分小さいため、アンテナ周囲には磁束密度が高い磁界は広がらず、磁束密度の低い磁界のみがアンテナ周囲に存在する金属部材(筐体52)へ到達する。よって、この筐体52による影響(渦電流損等)を低減することができ、エネルギー効率の高い電力伝送を行うことが可能である。
以上から、筐体52が金属部材であっても、送信アンテナ14と受信アンテナ15との間で電力伝送が可能となる。なお、送受信部12を、金属部材(筐体52)に対して、コイル143,153のうちの最小のコイルの半径以上離すことで、最も電力伝送効率が高くなる。
この場合にも、実施の形態5と同様に、本発明のアンテナ形状では、スパイラル状又はヘリカル状に巻かれた小型のコイル143,153で磁束密度の高い磁界が発生し、この磁束密度の高い磁界を利用して、送信アンテナ14から受信アンテナ15への電力伝送を行う。一方、コイル143,153は送信アンテナ14及び受信アンテナ15のサイズに対して十分小さいため、アンテナ周囲には磁束密度が高い磁界は広がらず、磁束密度の低い磁界のみがアンテナ周囲に存在する金属部材(軸51及び筐体52)へ到達する。よって、この軸51及び筐体52による影響(渦電流損等)を低減することができ、エネルギー効率の高い電力伝送を行うことが可能である。
以上から、軸51及び筐体52が金属部材であっても、送信アンテナ14と受信アンテナ15との間で電力伝送が可能となる。なお図28(b)の場合には、送受信部12を、金属部材(軸51及び筐体52)に対して、送信アンテナ14及び受信アンテナ15のうちの最小のアンテナの内径の10分の1以上離して配置する必要がある。
また図28では、金属製の筐体52の内部に送受信部12が配置された場合を示したが、送受信部12の周囲に金属製の他の周辺部材が存在する場合にも上記と同様である。
また、実施の形態3の図21と同様に、シールド部材53を、2枚の磁性シート531と、自由電子を有し、その2枚の磁性シート531の間に配置された導体532とから構成してもよい。これにより、送受信部12からの電界が金属部材に漏洩することを防ぐことができる。また図21では、導体532の両面に磁性シート531を設けた場合を示しているが、片面のみとしてもよい。
実施の形態5,6では、送受信部12を1系統設けた場合を示した。それに対して、実施の形態7では、送受信部12を複数系統設けた場合を示す。なお図では、送受信部12を3系統設けた場合を示し、各機能部の符号に接尾記号a〜cを付している。
ここで、軸51が非回転体の場合には、図29に示すように、各系統の送信アンテナ14と受信アンテナ15を1対1で対向させることで、各系統で独立した電力伝送が可能となる。
なお、図29に示す状態から送信側又は受信側が例えば60°回転すると、1つの送信アンテナ14に対して2つの受信アンテナ15が同じだけ対向することになり、系の切替えを行うことができない。そこで、例えば、このような状態となる前後10°の範囲では全系統の電力伝送をオフとする制御を行うようにしてもよい。
なお、各系統で独立した電力伝送を行う必要がない場合には、上記のような系の切替えは不要である。
なお図31では、送信アンテナ14の内側に受信アンテナ15を配置した場合を示したが、逆に、受信アンテナ15の内側に送信アンテナ14を配置してもよい。
実施の形態1〜7では、アンテナ形状を工夫することで金属部材の近くに配置可能とする構成を示した。この構成に加え、図32に示すように、送受信部12の磁界位相を系統間で変えることで、系統間の相互干渉を低減することができる。図32の例では、図24に示す3系統の送受信部12のうち、外側の2つの送受信部12a,12cの磁界位相を実線で示し、真ん中の送受信部12bの磁界位相を破線で示し、それぞれ180度ずらした場合を示している。
Claims (22)
- 送信アンテナ、及び前記送信アンテナとの間で無線電力伝送を行う受信アンテナを有する送受信部を備え、
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、各々、電流が一方向に流れる箇所に対して反対方向に流れる箇所を沿わせた形状のコイルから成る
ことを特徴とする電力伝送装置。 - 前記送受信部は、金属部材に対して、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナのうちの最小のアンテナの内径の10分の1以上離れて配置された
ことを特徴とする請求項1記載の電力伝送装置。 - 前記送受信部と金属部材との間に配置されたシールド部材を備えた
ことを特徴とする請求項1記載の電力伝送装置。 - 前記シールド部材は、磁性シート又は金属ループである
ことを特徴とする請求項3記載の電力伝送装置。 - 前記シールド部材は、
磁性シートと、
自由電子を持ち、前記磁性シートに対向された導体とを有する
ことを特徴とする請求項3記載の電力伝送装置。 - 前記送受信部は複数系統設けられた
ことを特徴とする請求項1記載の電力伝送装置。 - 前記送受信部は、磁界共鳴、電界共鳴又は電磁誘導により無線電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項1記載の電力伝送装置。 - 前記送受信部は、隣接する系統間で磁界位相が異なる
ことを特徴とする請求項6記載の電力伝送装置。 - 前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、各々、2個以上のコイルから構成された
ことを特徴とする請求項1記載の電力伝送装置。 - 前記受信アンテナは移動体に設けられ、
前記送信アンテナは、前記移動体が走行している際又は停止した際に当該移動体と対向する固定面に設けられた
ことを特徴とする請求項1記載の電力伝送装置。 - 送信アンテナ、及び前記送信アンテナとの間で無線電力伝送を行う受信アンテナを有する送受信部を備え、
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、各々、自身の外径よりも小さく同一平面上にループ面が向いたスパイラル状又はヘリカル状の複数のコイルがカスケード接続されて成る
ことを特徴とする電力伝送装置。 - 前記送受信部は、金属部材に対して、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナのうちの最小のアンテナの内径の10分の1以上離れて配置された
ことを特徴とする請求項11記載の電力伝送装置。 - 前記送受信部と金属部材との間に配置されたシールド部材を備えた
ことを特徴とする請求項11記載の電力伝送装置。 - 前記シールド部材は、磁性シート又は金属ループである
ことを特徴とする請求項13記載の電力伝送装置。 - 前記シールド部材は、
磁性シートと、
自由電子を持ち、前記磁性シートに対向配置された導体とを有する
ことを特徴とする請求項13記載の電力伝送装置。 - 前記送受信部は複数系統設けられた
ことを特徴とする請求項11記載の電力伝送装置。 - 前記送受信部は、磁界共鳴、電界共鳴又は電磁誘導により無線電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項11記載の電力伝送装置。 - 前記送受信部は、隣接する系統間で磁界位相が異なる
ことを特徴とする請求項16記載の電力伝送装置。 - 前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、各々、2個以上のコイルから構成された
ことを特徴とする請求項11記載の電力伝送装置。 - 前記受信アンテナは移動体に設けられ、
前記送信アンテナは、前記移動体が走行している際又は停止した際に当該移動体と対向する固定面に設けられた
ことを特徴とする請求項11記載の電力伝送装置。 - 電流が一方向に流れる箇所に対して反対方向に流れる箇所を沿わせた形状のコイルから成る
ことを特徴とするアンテナ。 - 自身の外径よりも小さく同一平面上にループ面が向いたスパイラル状又はヘリカル状の複数のコイルがカスケード接続されて成る
ことを特徴とするアンテナ。
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