JPWO2021125228A5 - - Google Patents
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Claims (44)
- 磁束を発生する給電コイルと、該給電コイルに磁束を発生させるべく電力を供給する給電回路部とを有する給電器と、
前記給電コイルから発せられた磁束を受け取る受電コイルと、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーを回収する受電回路部とを有する受電器と
からなり、共振現象を用いた電磁誘導により、前記給電器から前記受電器へ電気的エネルギーを供給するワイヤレス給電システムであって、
前記受電器の受電回路部は、
前記受電コイルとの組み合わせで受電側共振周期で共振するように受電側共振回路を形成する受電側共振用コンデンサー
を有し、
前記給電器の前記給電回路部は、
前記給電コイルとの組み合わせで給電側共振周期で共振するように給電側並列共振回路を形成する給電側共振用コンデンサーと、
前記給電器の給電コイルに対して、駆動電流を流すスイッチオン状態と、駆動電流を切るスイッチオフ状態とを、前記受電側共振周期を周期として、交互に繰り返すスイッチ回路と、
前記スイッチ回路に対して、オンとオフを制御する駆動パルス信号を入力し、当該駆動パルス信号を入力するタイミングによって前記給電側並列共振回路の前記給電側共振周期を微調整する制御回路と、
前記給電側共振用コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行い、前記給電側共振周期と前記駆動パルス信号のパルス幅との合計が前記受電側共振周期に一致するように調整する給電側チューニング調整回路と
を有することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項1に記載した並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記受電器の受電回路部は、
前記受電側共振用コンデンサーの容量又は前記受電コイルのインダクタンスの微調整を行う受電側チューニング調整回路を
さらに有することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項1又は請求項2に記載した並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電側チューニング調整回路は、
前記受電側共振周期(t3)が、前記スイッチ回路のオフの時間、すなわち前記給電器の共振状態の時間(t2)に駆動状態の時間(t1)を合計した時間(t1+t2)に対して、0.9(t1+t2)=<t3=<1.1(t1+t2)が成立するように作用することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項3に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電側チューニング調整回路は、
単数又は複数の異なる並列に接続されるコンデンサーを有し、
当該単数又は複数のコンデンサーを用いて、前記給電側共振用コンデンサーの容量の調整を行うことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項3又は請求項4のいずれか1項に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記スイッチ回路は、
共振コイル電圧がゼロ値近傍になるタイミングで前記駆動パルス信号をオンにし、
前記駆動パルス信号がオンである間、共振コイル電圧をゼロ値近傍で維持するものであり、
それにより、前記駆動パルスがオンの間、共振コイル電流を上限とした駆動電流が流れるように制御する
ことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項3から請求項5までのいずれか1項に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記駆動電流によって発生する共振コイル電流の歪み成分を、それによる給電コイルの磁束の変動とし、電磁誘導により受電器の受電コイルに発生したエネルギーとして、受電回路において回収して、給電回路から受電回路へのエネルギー移動を実現することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項6に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記給電コイルは、1巻きから5巻き以下のコイルで構成されるものであり、当該給電コイルのコイルサイズは、前記受電器の前記受電コイルのサイズより大きいことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項3から請求項7までのいずれか1項に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記給電コイルと前記給電側共振用コンデンサーとは、所定の共振周波数に合わせた並列共振回路を構成し、前記受電器の前記受電コイルと前記受電側共振用コンデンサーとは、並列共振回路又は直列共振回路のいずれかを構成することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項3から請求項8までのいずれか1項に記載した並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の駆動時間、即ち駆動パルスをオンとする時間は、前記受電器の共振周波数の周期の4分の1以下とし、その範囲で、求める給電範囲、給電距離、給電コイル及び受電コイルの仕様を考慮した給電効率及び前記受電器の出力電力が高まる駆動時間になるように駆動時間を調整する駆動時間調整回路をさらに有することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項3から請求項9までのいずれか1項に記載した並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記チューニング調整回路は、
前記給電器の前記給電コイルと、前記受電器の前記受電コイルとの結合係数Kが、K=0.3(30%)以下の範囲、又はそれに近づける結合係数Kで、所望する給電効率及び受電器の出力電力が所定以上になるように、給電範囲、給電距離、前記給電コイル及び前記受電コイルの仕様を定め、かつ給電効率が高まる駆動時間になるように、前記給電コイルのインダクタンスを調整することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項3から請求項10までのいずれか1項に記載した並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の共振周波数を変更する周波数調整回路と、
共振状態センサーと
をさらに有し、
前記共振状態センサーは、
前記制御回路に接続された電圧センサーと電流センサーと、
前記電圧センサー及び前記電流センサーの入力により位相を検波する位相検波回路と
を有し、
前記制御回路は、
前記スイッチ回路と、前記周波数調整回路との双方を統括して制御し、
高い給電効率になる共振周波数又は給電能力(電力)となるように、前記共振状態センサーの出力に基づいて、給電側の共振周波数の周期を調節する為に駆動パルスの時間を調整し、共振用コンデンサーを調整し、または給電コイルパターンを切り替えることを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項3から請求項11までのいずれか1項に記載した並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記制御回路は、
前記共振状態センサーからの情報に基づいて、異常な共振状態であると判断した場合には、通常状態から、駆動パルスの停止を行って一時的に給電効率をゼロに近づけさせるとともに、さらに、給電の停止、または待機状態(スリープ状態)に移行することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項12に記載の並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記制御回路は、
前記待機状態(スリープ状態)において、所定の間欠的で、かつ通常より弱い出力で給電を行い、
前記受電器が給電可能な状態にある時には、前記共振状態センサーの出力に基づいて判断を行い、通常状態に戻る
ことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項12又は請求項13に記載の並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電コイルと前記給電側共振用コンデンサーと、前記スイッチ回路と前記制御回路とを有する給電器が複数個併設された給電器複合体と、
前記給電器複合体を形成する複数の給電器の前記制御回路を統括的に制御する統括制御回路と
をさらに有し、
前記統括制御回路は、前記複数の給電器の状態、即ち給電の停止状態、待機状態(スリープ状態)、通常状態を制御することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項14に記載の並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記統括制御回路は、
前記給電器複合体を構成する複数の給電器のそれぞれを、給電距離、給電範囲、給電能力を切り替えて利用すべく、各々の給電コイルの仕様、共振周波数、駆動時間の仕様を設定し、
前記給電器のそれぞれに設けられた共振状態センサーからの情報に基づいて、前記複数の給電器の状態、即ち給電の停止状態、待機状態(スリープ状態)、通常状態を制御する
ことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項3から請求項15に記載の該給電器の並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器は、
デジタル信号の送信データのビット列に対応して搬送波の振幅を変化させることで送信データを送受信する給電器側通信手段を有し、
前記受電器は、
個体識別ID及び状態センサーによる所定の情報を有し、
前記給電器側通信手段は、
受電器側の個体識別と状態認識を取得し、
前記給電器側の制御回路は、
異物検知対策、及び給電効率を上げるための駆動パルスの時間を調整し、共振用コンデンサーを調整し、または給電コイルパターンを切り替える共振周波数調整を実行することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項16に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記受電器は、
必要とする出力電力に関する出力電力情報を変動するものとして有しており、
前記給電器側通信手段は、
前記受電器の出力電力情報を受信し、
前記給電器は、
前記給電器側通信手段が受信した出力電力情報に合わせて、前記受電器の共振周波数の周期の範囲で、前記給電器の駆動時間を制御する駆動時間対話調整回路
をさらに有することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 磁束を発生する給電コイルと、該給電コイルと共振回路を形成する給電側共振用コンデンサーと、該給電コイルに磁束を発生させるべく駆動電流を供給する給電回路部とを有する給電器と、
前記給電コイルから発せられた磁束を受け取る受電コイルと、該受電コイルと共振回路を形成する受電側共振用コンデンサーと、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーを回収する受電回路部とを有する受電器と
からなり、共振現象を用いた電磁誘導により、前記給電器から前記受電器へ電気的エネルギーを供給するワイヤレス給電システムにおけるワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記給電回路部は、
前記駆動電流によって前記給電コイルに発生する共振コイル電流が正弦波に比較して歪みがあるものとなるように前記駆動電流を発生させ、
前記給電コイルは、
前記歪みを、前記駆動電流により前記給電コイルに発生する磁束の変動として前記受電コイル側に伝え、
前記受電コイルは、
前記歪みを、電磁誘導により該受電コイルに発生したエネルギーとして受取り、
前記受電回路は、
前記歪みを、電気エネルギーとして回収する
ことにより、給電回路から受電回路へのエネルギー移動を実現することを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項18に記載するワイヤレス給電システムであって、
さらに、
前記給電器側の給電コイルと給電側共振用コンデンサーとを有する前記共振回路は、
前記給電器共振コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行うチューニング調整回路
を有し、
前記給電器の前記給電コイルは、1巻きから5巻き以下のコイルで構成されるものであって、
前記給電コイルのサイズは、前記受電器の前記受電コイルのサイズより大きいことを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項18又は請求項19に記載するワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の給電コイルと給電側共振用コンデンサーは並列共振回路を形成し、受電器の受電コイルと受電側共振用コンデンサーとは、並列共振回路又は直列共振回路のいずれかを形成することを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項18、請求項19又は請求項20のいずれか1項に記載するワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記給電回路部は、
前記給電コイルに駆動電流を供給する駆動時間を前記受電器の共振周波数の周期の4分の1以下とする駆動時間調整回路
をさらに有し、
前記駆動時間調整回路は、当該範囲で、求める給電範囲、給電距離、給電コイル及び受電コイルの仕様等を考慮した給電効率が高まる駆動時間になるように前記歪みを調整することを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項18から請求項21までのいずれか1項に記載するワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記給電コイルと、前記受電器の前記受電コイルとの結合係数Kが、K=0.3(30%)以下の範囲、又はそれに近づける結合係数Kとなるように調整するチューニング調整回路を
さらに有し、
該チューニング調整回路は、
必要とされる給電範囲、給電距離、前記給電コイル及び前記受電コイルの仕様等を考慮して給電効率が高まる駆動時間になるように結合係数及び駆動時間で、前記歪みを調整することを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項18から請求項22までのいずれか1項に記載したワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の共振周波数を変更する周波数調整回路と、
共振状態センサーと、
制御回路と
をさらに有し、
前記共振状態センサーは、
前記制御回路に接続された電圧センサーと電流センサーと、
前記電圧センサー及び前記電流センサーの入力により位相を検波する位相検波回路と
を有し、
前記制御回路は、
前記給電回路部と、前記周波数調整回路との双方を統括して制御し、
高い給電効率になる共振周波数又は給電能力(電力)となるように、前記共振状態センサーの出力に基づいて、給電側の共振周波数の周期を調節すべく駆動時間を調整し、給電側共振用コンデンサーを調整し、または給電コイルパターンを切り替えることを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項23に記載したワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記制御回路は、
前記共振状態センサーからの情報に基づいて、異常な共振状態であると判断した場合には、通常状態から、駆動パルスの停止を行って一時的に給電効率をゼロに近づけさせるとともに、さらに、給電の停止、若しくは待機状態(スリープ状態)に移行することを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項23又は請求項24に記載のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記制御回路は、
前記待機状態(スリープ状態)において、所定の間欠的で、かつ通常より弱い出力で給電を行い、
前記受電器が給電可能な状態にある時には、前記共振状態センサーの出力に基づいて判断を行い、通常状態に戻る
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項24又は請求項25に記載のワイヤレス給電システムであって、
前記給電コイルと前記給電側共振用コンデンサーと、前記スイッチ回路と前記制御回路とを有する給電器が複数個併設された給電器複合体と、
前記給電器複合体を形成する複数の給電器の前記制御回路を統括的に制御する統括制御回路と
をさらに有し、
前記統括制御回路は、前記複数の給電器の状態、即ち給電の停止状態、待機状態(スリープ状態)、通常状態を制御することを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項25に記載のワイヤレス給電システムであって、
前記統括制御回路は、
前記給電器複合体を構成する複数の給電器のそれぞれを、給電距離、給電範囲、給電能力を切り替えて利用すべく、各々の給電コイルの仕様、共振周波数、駆動時間の仕様を設定し、
前記給電器のそれぞれに設けられた共振状態センサーからの情報に基づいて、前記複数の給電器の状態、即ち給電の停止状態、待機状態(スリープ状態)、通常状態を制御する
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項18から請求項27に記載のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器は、
デジタル信号の送信データのビット列に対応して搬送波の振幅を変化させることで送信データを送受信する給電器側通信手段を有し、
前記受電器は、
個体識別ID及び状態センサーによる所定の情報を有し、
前記給電器側通信手段は、
受電器側の個体識別と状態認識を取得し、
前記給電器側の制御回路は、
異物検知対策、及び給電効率を上げるための駆動パルスの時間を調整し、共振用コンデンサーを調整し、または給電コイルパターンを切り替える共振周波数調整を実行することを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項28に記載するワイヤレス給電システムであって、
前記受電器は、
必要とする出力電力に関する出力電力情報を変動するものとして有しており、
前記給電器側通信手段は、
前記受電器の出力電力情報を受信し、
前記給電器は、
前記給電器側通信手段が受信した出力電力情報若しくは要求電力情報に合わせて、前記受電器の共振周波数の周期の4分の1以下の範囲で、前記受電器が必要とする電力になるようにレスポンスよく前記給電器の駆動時間を制御する駆動時間対話調整回路
をさらに有することを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 請求項1又は請求項2に記載した並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電コイルと前記受電コイルとの間の距離Lを変化させることに対応して、前記給電コイルから前記受電コイルへの電力伝送効率の周波数特性が単峰特性となるか双峰特性となるか、双峰特性の場合、当該双峰特性の双峰を構成する二つの峰の間の凹みがいかほどであるかについて、予め実験により取得したデータを記憶する情報記憶装置を
さらに、有しており、
前記チューニング調整回路は、
前記給電コイルと前記受電コイルとの間の距離が変化しても、前記給電コイルから前記受電コイルへの電力伝送効率の周波数特性が単峰特性であり続けるか、双峰特性となっても、当該双峰特性の双峰を構成する二つの峰の間の凹みにおける電力伝送効率が当該二つの峰のうちの低い方の峰における電力伝送効率の90%以上であるように、前記情報記憶装置に記憶されたデータを参照して、前記給電側共振用コンデンサーの容量又は前記給電コイルのインダクタンスの微調整を行うことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項30に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記チューニング調整回路は、
単数又は複数の異なる並列に接続されるコンデンサーを有し、
当該単数又は複数のコンデンサーを用いて、前記給電側共振用コンデンサーの容量の調整を行うことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項30又は請求項31のいずれか1項に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記スイッチ回路は、
共振コイル電圧がゼロ値近傍になるタイミングで前記駆動パルス信号をオンにし、
前記駆動パルス信号がオンである間、共振コイル電圧をゼロ値近傍で維持するものであり、
それにより、前記駆動パルスがオンの間、共振コイル電流を上限とした駆動電流が流れるように制御する
ことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項30から請求項32までのいずれか1項に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記駆動電流によって発生する共振コイル電流の歪み成分を、それによる給電コイルの磁束の変動とし、電磁誘導により受電器の受電コイルに発生したエネルギーとして、受電回路において回収して、給電回路から受電回路へのエネルギー移動を実現することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項33に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記給電コイルは、1巻きから5巻き以下のコイルで構成されるものであり、当該給電コイルのコイルサイズは、前記受電器の前記受電コイルのサイズより大きいことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項30から請求項34までのいずれか1項に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記給電コイルと前記給電側共振用コンデンサーとは、所定の共振周波数に合わせた並列共振回路を構成し、前記受電器の前記受電コイルと前記受電側共振用コンデンサーとは、並列共振回路又は直列共振回路のいずれかを構成することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項30から請求項35までのいずれか1項に記載した並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の駆動時間、即ち駆動パルスをオンとする時間は、前記受電器の共振周波数の周期の4分の1以下とし、その範囲で、求める給電範囲、給電距離、給電コイル及び受電コイルの仕様を考慮した給電効率及び前記受電器の出力電力が高まる駆動時間になるように駆動時間を調整する駆動時間調整回路をさらに有することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項30から請求項36までのいずれか1項に記載した並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記チューニング調整回路は、
前記給電器の前記給電コイルと、前記受電器の前記受電コイルとの結合係数Kが、K=0.3(30%)以下の範囲、又はそれに近づける結合係数Kで、所望する給電効率及び受電器の出力電力が所定以上になるように、給電範囲、給電距離、前記給電コイル及び前記受電コイルの仕様を定め、かつ給電効率が高まる駆動時間になるように、前記給電コイルのインダクタンスを調整することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項30から請求項37までのいずれか1項に記載した並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の共振周波数を変更する周波数調整回路と、
共振状態センサーと
をさらに有し、
前記共振状態センサーは、
前記制御回路に接続された電圧センサーと電流センサーと、
前記電圧センサー及び前記電流センサーの入力により位相を検波する位相検波回路と
を有し、
前記制御回路は、
前記スイッチ回路と、前記周波数調整回路との双方を統括して制御し、
高い給電効率になる共振周波数又は給電能力(電力)となるように、前記共振状態センサーの出力に基づいて、給電側の共振周波数の周期を調節する為に駆動パルスの時間を調整し、共振用コンデンサーを調整し、または給電コイルパターンを切り替えることを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項30から請求項38までのいずれか1項に記載した並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記制御回路は、
前記共振状態センサーからの情報に基づいて、異常な共振状態であると判断した場合には、通常状態から、駆動パルスの停止を行って一時的に給電効率をゼロに近づけさせるとともに、さらに、給電の停止、または待機状態(スリープ状態)に移行することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項39に記載の並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器の前記制御回路は、
前記待機状態(スリープ状態)において、所定の間欠的で、かつ通常より弱い出力で給電を行い、
前記受電器が給電可能な状態にある時には、前記共振状態センサーの出力に基づいて判断を行い、通常状態に戻る
ことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項39又は請求項40に記載の並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電コイルと前記給電側共振用コンデンサーと、前記スイッチ回路と前記制御回路とを有する給電器が複数個併設された給電器複合体と、
前記給電器複合体を形成する複数の給電器の前記制御回路を統括的に制御する統括制御回路と
をさらに有し、
前記統括制御回路は、前記複数の給電器の状態、即ち給電の停止状態、待機状態(スリープ状態)、通常状態を制御することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項41に記載の並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記統括制御回路は、
前記給電器複合体を構成する複数の給電器のそれぞれを、給電距離、給電範囲、給電能力を切り替えて利用すべく、各々の給電コイルの仕様、共振周波数、駆動時間の仕様を設定し、
前記給電器のそれぞれに設けられた共振状態センサーからの情報に基づいて、前記複数の給電器の状態、即ち給電の停止状態、待機状態(スリープ状態)、通常状態を制御する
ことを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項30から請求項42に記載の該給電器の並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記給電器は、
デジタル信号の送信データのビット列に対応して搬送波の振幅を変化させることで送信データを送受信する給電器側通信手段を有し、
前記受電器は、
個体識別ID及び状態センサーによる所定の情報を有し、
前記給電器側通信手段は、
受電器側の個体識別と状態認識を取得し、
前記給電器側の制御回路は、
異物検知対策、及び給電効率を上げるための駆動パルスの時間を調整し、共振用コンデンサーを調整し、または給電コイルパターンを切り替える共振周波数調整を実行することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。 - 請求項43に記載する並列共振回路のワイヤレス給電システムであって、
前記受電器は、
必要とする出力電力に関する出力電力情報を変動するものとして有しており、
前記給電器側通信手段は、
前記受電器の出力電力情報を受信し、
前記給電器は、
前記給電器側通信手段が受信した出力電力情報に合わせて、前記受電器の共振周波数の周期の範囲で、前記給電器の駆動時間を制御する駆動時間対話調整回路
をさらに有することを特徴とする並列共振回路のワイヤレス給電システム。
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