WO2013114511A1

WO2013114511A1 - 電力伝送装置、及び、電力伝送方法

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Publication number: WO2013114511A1
Application number: PCT/JP2012/008244
Authority: WO
Inventors: 服部　渉
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-08-08
Also published as: JPWO2013114511A1

Abstract

少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力を出力する回路を備えた交流電源（１０１）と、交流電源（１０１）から出力された電力を入力される入力端（１０３）、及び、開放端又は短絡端となっている出力端（１０４）を有し、電力を伝送する伝送線路（１０２）と、を有する送電装置と、伝送線路（１０２）から漏洩する電界または磁界を介して、結合器（１０７ａ、１０７ｂ）により非接触で電力を受電する受電装置（１０６ａ、１０６ｂ）と、を有し、出力端（１０４）が開放端の場合には、結合器（１０７ａ、１０７ｂ）として電界結合器を備え、出力端（１０４）が短絡端の場合には、結合器（１０７ａ、１０７ｂ）として磁界結合器を備える電力伝送装置。

Description

電力伝送装置、及び、電力伝送方法

　本発明は、電力伝送装置及び電力伝送方法に関し、特に送電装置に伝送線路を用いた非接触電力伝送装置および電力伝送方法に関する。

　送電装置に伝送線路を用いた非接触電力伝送装置が以前から検討されている。

　特許文献１（特開２００６－２７０７６４号公報）には、使用周波数に応じた定位置にスロットを設けた漏洩同軸ケーブルを用いる技術が開示されている。また、特許文献２（特開２０１１－０３０４１８号公報）には、コイルを線上に並べて振動磁界を発生させ電磁誘導により電力伝送する技術が開示されている。

　しかし、特許文献１に記載の技術の場合はスロット位置に依存して電力伝送可能な位置が決まり、特許文献２に記載の技術の場合は送電側コイル位置に依存して電力伝送可能な位置が決まるため、受電装置の設置位置に制限を生じるという問題があった。

　一方、特許文献３（特開２０１１－０７２１７６号公報）、特許文献４（特開２００５－０４５３２６号公報）、特許文献５（特許４２４１８４４号公報）、特許文献６（特開２００８－２６９７９号公報）には、送電側伝送線路近傍に出来るエバネッセント波を受電側で受け取る技術が記載されている。これらの公報記載の技術においては、受電装置の設置位置制限を緩和する対策が施されている。

特開２００６－２７０７６４号公報特開２０１１－０３０４１８号公報特開２０１１－０７２１７６号公報特開２００５－０４５３２６号公報特許４２４１８４４号公報特開２００８－２６９７９号公報

　特許文献３、５及び６に開示の技術において、伝送線路上に受電装置が多数配置される場合、伝送線路を伝搬する電力が入力端に近い受電装置にのみ給電され、出力端に近い受電装置に届かないことを防ぐため、例えば受電装置側のインピーダンスを操作して、個々の受電装置が受け取る電力を制限する。したがって、出力端に近い受電装置まで十分に給電するため、電力はおおむね伝送線路出力端まで伝搬することとなる。

　この際、伝送線路出力端で反射波を生じると、当該反射波と伝送線路出力端に向かう波とにより伝送線路中に定在波を生じ、その結果、伝送線路中に節を生じる。伝送線路上に節がある場合、その節の位置では受電装置が電力を取り出すことができないため、受電装置の設置位置に制限を生じる。

　この受電装置の設置位置制限を緩和するため、前記公報記載の技術では、伝送線路の出力端を伝送線路とインピーダンス整合した終端抵抗で終端している。この構成により、伝送線路に進行波を伝搬させた際、伝送線路終端において反射波が発生することを抑制し、その結果、定在波の発生を抑制している。定在波の発生を抑制することにより、伝送線路上の節の発生も抑制できる。したがって、受電装置の設置位置制限を緩和することができる。

　しかしながら開示の技術では、受電装置を通して使用されなかった電力はほぼ全て終端抵抗で熱として消費されてしまい、電力利用効率が悪い。ここで、「ほぼ全て」とは、伝送線路における減衰や放射、伝送線路近傍に設置された物体により吸収される電力などが存在し、それらを除いた全量という意味である。

　また、特許文献４には、伝送線路に定在波が生じている場合においても受電装置位置に制限を生じない技術が記載されている。当該技術では、受電装置に電界結合器と磁界結合器を両方搭載し、どちらか一方の結合器を選択的に使用する。定在波を生じている場合、電界が腹の位置では磁界が節となり、電界が節の部分では磁界が腹となっているため、前者では電界結合器を、後者では磁界結合器を選択する。しかしながらこの方法では、２つの結合器とその制御装置を必要とし、受電装置の単価が高くなってしまい、多数の受電装置を配置するとシステムが極めて高くなってしまうという問題があった。

　同様に、特許文献４に記載の技術の場合、同一種類の結合器を２か所所定の間隔離して受電装置に設ける場合も、受電装置の単価が高くなってしまい、多数の受電装置を配置するとシステムが極めて高くなってしまうという問題があった。さらにこの場合には、特許文献４に記載の通り、波長により結合器の載置位置に制約を生じる、あるいは、受電装置のサイズが極めて大きくなるという問題があった。

　また、同様に、特許文献４に記載の方向性結合器を用いて、定在波のうち進行波か反射波の一方のみを受信する場合も、電界結合器と磁界結合器のどちらか一方と方向性結合器の組み合わせが受電装置すべてに必要となり、受電装置の単価が高くなってしまい、多数の受電装置を配置するとシステムが極めて高くなってしまうという問題を生じる。さらにこの場合には、方向性結合器に波長依存性がある、あるいは方向性結合器のサイズは０．２５波長以上必要であって受電装置のサイズが極めて大きくなるという問題があった。

　本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、受電装置の設置位置制限を緩和した電力伝送装置を提供することを目的とする。

　本発明によれば、少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力を出力する回路を備えた交流電源と、前記交流電源から出力された前記電力を入力される入力端、及び、開放端または短絡端となっている出力端を有し、前記電力を伝送する伝送線路と、を有する送電装置と、前記伝送線路から漏洩する電界または磁界を介して、結合器により非接触で電力を受電する受電装置と、を有し、前記出力端が開放端の場合には、前記結合器として電界結合器を備え、前記出力端が短絡端の場合には、前記結合器として磁界結合器を備える電力伝送装置が提供される。

　また、本発明によれば、少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力を出力する回路を備えた交流電源と、前記交流電源から出力された前記電力を入力される入力端、及び、開放端または短絡端となっている出力端を有し、前記電力を伝送する伝送線路と、を有する送電装置と、前記伝送線路から漏洩する電界または磁界を介して、結合器により非接触で電力を受電する受電装置と、を有する電力伝送装置を用いた電力伝送方法であって、前記出力端を開放端とする場合には、前記結合器として電界結合器を利用し、前記出力端を短絡端とする場合には、前記結合器として磁界結合器を利用する電力伝送方法が提供される。

　本発明によれば、受電装置の設置位置制限を緩和できる。

　上述した目的、および、その他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、および、それに付随する以下の図面によって、さらに明らかになる。
本発明の第２の実施の形態に係る電力伝送装置の構成を模式的に示した図である。本発明の第２の実施の形態に係る電圧の基本波成分と第二高調波成分の節と腹の位置関係を示すための電圧の最大値と最小値をプロットしたグラフである。本発明の第２の実施の形態に係る基本波の定在波の振幅に対する第二高調波の定在波の振幅の比に対する、伝送線路上の位置によって変化する基本波の定在波の振幅と第二高調波の定在波の振幅の和の最大値と最小値の差を示したグラフである。本発明の第３の実施の形態に係る電力伝送装置の構成を模式的に示した図である。本発明の第３の実施の形態に係る電圧の基本波成分と第二高調波成分の節と腹の位置関係を示すための電圧の最大値と最小値をプロットしたグラフである。

　以下、本発明の実施の形態について、必要に応じて図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施の形態）
　本発明の第１の実施形態の電力伝送装置は、送電装置と、受電装置とを有する。

　送電装置は、少なくとも、交流電源と、前記交流電源の出力を入力端に接続した伝送線路とを有する。伝送線路は、例えば、２本の導線を平行、かつ、等間隔に絶縁体被覆などで保持した平行二線式伝送線路とすることができる。

　受電装置は、前記伝送線路と絶縁され、前記伝送線路から漏洩する電界、または磁界を介して、結合器により非接触で電力を受電する。

　前記交流電源は、少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力を出力する回路を具備する。前記伝送線路の出力端は、開放、または短絡されている。そして、前記出力端が開放の場合には、前記結合器として電界結合器を採用し、前記出力端が短絡の場合には、前記結合器として磁界結合器を採用する。

　本実施形態の場合、上述のように、伝送線路の出力端を反射終端とすることで、伝送線路出力部で未使用電力が熱として消費されることを抑制できる。なお、このように構成した場合、伝送線路の出力端に向かう電力の波（少なくとも基本波及び第２高調波を含む）と、当該出力端（反射終端）で反射した当該波とにより、伝送線路に定在波が生じる。

　しかしながら、当該出力端（反射終端）が終端開放の場合、電圧は自由端反射されるため、伝送線路上の電圧の基本波の節の点は、第二高調波では必ず腹となる。従って、当該出力端が開放の場合に結合器として電界結合器を採用する本実施形態の場合、基本波の節の部分でも第二高調波では腹となっており、電界結合により電力を受電できる。

　一方、当該出力端（反射終端）が終端短絡の場合、電流は自由端反射されるため、伝送線路上の電流の基本波の節の点は、第二高調波では必ず腹となる。従って、当該出力端が短絡の場合に結合器として磁界結合器を採用する本実施形態の場合、基本波の節の部分でも第二高調波では腹となっており、磁界結合により電力を受電できる。

　以上の通り、本実施形態の構成によれば、送電装置側の伝送線路の終端の状態に合わせて受電装置の結合器を選択すればよく、特に受電装置に何ら新たな構成を付加する必要がないため、受電装置の単価を上げずに、また、受電装置の波長依存性を緩和した状態で使用でき、受電装置の設置位置制限を緩和した電力伝送装置を提供することができる。

（第２の実施の形態）
　図１は本発明の第２の実施の形態を説明する模式図である。

　本実施の形態の電力伝送装置は、第１の実施形態で説明した出力端（反射終端）が終端開放の場合を示す。すなわち、本実施形態の電力伝送装置は、結合器として電界結合器を採用する。

　図中左端に交流電源１０１が配置され、その出力は伝送線路１０２の入力端１０３に接続される。伝送線路１０２の右端は出力端１０４となっており、接地端子１０５と接続されることなく、開放される。伝送線路１０２に沿って２つの受電装置１０６ａ、１０６ｂが配置される。なお、配置される受電装置の数は特段制限されず、単数でも、３つ以上でもよいが、本実施の形態では２つの受電装置１０６ａ、１０６ｂを配置されるものとする。

　受電装置１０６ａ、１０６ｂには、各々、結合器１０７ａ、１０７ｂが搭載される。伝送線路１０２を伝搬する電力は、結合器１０７ａ又は結合器１０７ｂを介して受電装置１０６ａ又は受電装置１０６ｂに受電される。交流電源１０１は、少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力を出力する回路１０８を搭載する。そして、回路１０８から出力された少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力は、入力端１０３を通して伝送線路１０２に入力される。ここで、出力電力は少なくとも基本波とその第二高調波を含むが、さらに高次の高調波や変調波などその他の周波数成分も含んでいてもよい。

　伝送線路１０２に沿って配置される受電装置１０６ａ、１０６ｂの順序（配列順）によらず、受電電力を適切な範囲に収めるため、受電装置１０６ａ、１０６ｂに同じ種類の装置を使用するならば、その受電電力は伝送線路１０２を伝搬する電力より、十分小さくすることが望ましい。その場合、出力端１０４に到達する電力は大きくなる。この電力を単に終端抵抗器で熱として消費してしまうと、電力利用効率は極めて低くなってしまう。本実施の形態では、この問題を解決するため、伝送線路１０２の出力端１０４を開放終端としている。

　伝送線路１０２上に生じている電圧の基本波成分と第二高調波成分の節と腹の位置関係を明示するため、図２に、電圧の最大値と最小値をプロットしたグラフを示す。横軸は伝送線路１０２上の位置を示し、左端が伝送線路１０２の入力端１０３の位置に、右端が伝送線路１０２の出力端１０４の位置に相当する。縦軸は電圧を任意単位で示している。なお、受電装置１０６ａ、１０６ｂを配置した場合、伝送線路１０２上の電力、電圧、電流分布に影響を与えるが、本実施の形態の説明では無視している。この理由は、受電装置１０６ａ、１０６ｂの受電電力は伝送線路１０２を伝搬する電力より、十分小さくしていると仮定しているためである。

　電圧は出力端１０４（開放終端）で自由端反射されるため、伝送線路１０２の出力端１０４から入力端１０３に向かって、まず１／４波長戻った点に節が現れ、その後、その点から１／２波長ごとに節が現れる。一方、腹は、まず出力端１０４に現れ、その後、その点から１／２波長単位ごとに現れる。

　基本波とその第二高調波から構成される電力が供給されている場合、電圧の基本波は上記の通り振る舞う。第二高調波の波長は基本波波長に対して１／２となる。したがって、電圧の第二高調波の腹は、伝送線路１０２の出力端１０４から入力端１０３に向かって、まず出力端１０４に現れ、その後、基本波の波長に換算して１／４波長ごとに現れる。すなわち、伝送線路１０２上の電圧の基本波の節の点は、第二高調波では必ず腹となる。従って、受電装置１０６ａ、１０６ｂ内の結合器１０７ａ、１０７ｂを電界結合器とすれば、基本波の節の部分でも第二高調波では腹となっており、電界結合により電力を受電できる。

　進行波の場合と異なり、基本波の定在波の振幅と第二高調波の定在波の振幅の和は伝送線路１０２上の位置に依存して変化する。さらに基本波の定在波の振幅に対する第二高調波の定在波の振幅の比により、その位置依存性もさらに変化する。したがって、受電装置１０６ａ、１０６ｂの受電電力の位置依存性を抑制するためには、基本波の定在波の振幅に対する第二高調波の定在波の振幅の比を調整することが望まれる。

　図３に、基本波の定在波の振幅に対する第二高調波の定在波の振幅の比を横軸に、伝送線路１０２上の位置によって変化する基本波の定在波の振幅と第二高調波の定在波の振幅の和の最大値と最小値の差を示した。なお縦軸は伝送線路上の位置で平均化した合成振幅の値で規格化している。

　図３に示した通り、基本波の定在波の振幅に対して、第二高調波の定在波の振幅を０．４３倍から１．３６倍にすることが望ましい。これにより、基本波と第二高調波の定在波の合成振幅の最大値と最小値の差は平均値の１．１倍以内に抑えられる。さらに望ましくは、基本波の定在波の振幅に対して、第二高調波の定在波の振幅を０．５７倍から０．９５倍にするとよい。これにより、基本波と第二高調波の定在波の合成振幅の最大値と最小値の差は平均値の１倍以内に抑えられる。

　以上の構成により、効果的に受電装置の受電電力の位置依存性を抑制することができる。　

（第３の実施の形態）
　図４は本発明の第３の実施の形態を説明する模式図である。

　本実施の形態の電力伝送装置は、第１の実施形態で説明した出力端（反射終端）が終端短絡の場合を示す。すなわち、本実施形態の電力伝送装置は、結合器として磁界結合器を採用する。

　図中左端に交流電源１０１が配置され、その出力は伝送線路１０２の入力端１０３に接続される。伝送線路１０２の右端は出力端１０４となっており、例えば図示の通り接地するなどの方法で短絡される。伝送線路１０２が平行二線式伝送線路の場合は、その二線を短絡すればよい。伝送線路１０２に沿って２つの受電装置１０６ａ、１０６ｂが配置される。なお、本実施形態においても、配置される受電装置の数は特段制限されず、図示する２つはあくまで一例である。

　受電装置１０６ａ、１０６ｂには、各々、結合器１０７ａ、１０７ｂが搭載される。伝送線路１０２を伝搬する電力は、結合器１０７ａ、又は、結合器１０７ｂを介して、受電装置１０６ａ、又は、受電装置１０６ｂに受電される。交流電源１０１は、少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力を出力する回路１０８を搭載する。そして、回路１０８から出力された少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力は、入力端１０３を通して伝送線路１０２に入力される。

　伝送線路１０２に沿って配置される受電装置１０６ａ、１０６ｂの順序（配列順）によらず、受電電力を適切な範囲に収めるため、受電装置１０６ａ、１０６ｂに同じ種類の装置を使用するならば、その受電電力は伝送線路１０２を伝搬する電力より、十分小さくすることが望ましい。その場合、出力端１０４に到達する電力は大きくなる。この電力を単に終端抵抗器で熱として消費してしまうと、電力利用効率は極めて低くなってしまう。本実施の形態では、この問題を解決するため、伝送線路１０２の出力端１０４を短絡終端としている。

　伝送線路１０２上に生じている電流の基本波成分と第二高調波成分の節と腹の位置関係を明示するため、図５に、電流の最大値と最小値をプロットしたグラフを示す。横軸は伝送線路１０２上の位置を示し、左端が伝送線路１０２の入力端１０３の位置に、右端が伝送線路１０２の出力端１０４の位置に相当する。縦軸は電流を任意単位で示している。なお、受電装置１０６ａ、１０６ｂを配置した場合、伝送線路１０２上の電力、電圧、電流分布に影響を与えるが、本実施の形態の説明では無視している。この理由は、受電装置１０６ａ、１０６ｂの受電電力は伝送線路１０２を伝搬する電力より、十分小さくしていると仮定しているためである。

　電流は出力端１０４（短絡終端）で自由端反射されるため、伝送線路１０２の出力端１０４から入力端１０３に向かって、まず１／４波長戻った点に節が現れ、その後、その点から１／２波長ごとに節が現れる。一方、腹は、まず出力端１０４に現れ、その後、その点から１／２波長単位ごとに現れる。

　基本波とその第二高調波から構成される電力が供給されている場合、電流の基本波は上記の通り振る舞う。第二高調波の波長は基本波波長に対して１／２となる。したがって、電流の第二高調波の腹は、伝送線路１０２の出力端１０４から入力端１０３に向かって、まず出力端１０４に現れ、その後、基本波の波長に換算して１／４波長ごとに現れる。すなわち、伝送線路１０２上の電流の基本波の節の点は、第二高調波では必ず腹となる。従って、受電装置１０６ａ、１０６ｂ内の結合器１０７ａ、１０７ｂを磁界結合器とすれば、基本波の節の部分でも第二高調波では腹となっており、磁界結合により電力を受電できる。

　なお、出力端１０４で反射され、入力端１０３に戻ってきた反射電力は、交流電源１０１に戻すことができる。さらに前記反射電力を、サーキュレータなどのデバイスを使用して進行波電力と分離、回収することも可能である。このような構成にすると、さらに電力利用効率を高めることができる（他の実施形態も同様）。

　なお、少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力を出力する回路１０８は、周波数逓倍回路を使用すれば容易に構成できるため、本実施形態では特にその実現方法を詳述することはしない。また、電界結合器と磁界結合器についても、従来例などに詳述されているため、本実施形態では特にその実現方法を詳述することはしない（他の実施形態も同様）。

　伝送線路１０２にフィーダー線など既存規格の平行二線式伝送線路を用いれば、伝送線路１０２近傍の漏洩電磁界を容易に結合器１０７ａ、１０７ｂでピックアップできる。同じく広く普及している同軸ケーブルと比較した場合、同軸ケーブルは信号線がシールドに覆われており、基本的に電磁界が漏えいしない構造となっているが、平行二線式伝送線路の場合、導体からなる平行２線を伝搬する電磁界がシールドされることなく線路近傍に漏洩しているからである。さらに交流電力を伝搬する伝送線路のうち、平行二線式伝送線路は、同軸ケーブルと比較して線路による電力の減衰が小さい。この広く普及している平行二線式伝送線路を使用すれば、線路そのものが低コストのため、システムも低コストで構築できる。

　また、このように伝送線路１０２から漏洩する電磁界を介して給電することにより、例えば平行二線式伝送線路の絶縁被覆を透過して受電装置１０６ａ、１０６ｂに給電できる。このため、給電時の感電やショートといった危険性の少ない電力伝送装置を提供できる。さらに非接触で給電できるため、受電装置と伝送線路が摩擦すること接触することによる摩耗や損傷などの劣化を防止することもできる。

　なお、以上記載した第１乃至第３の実施の形態において図示していないが、インピーダンス整合回路やアイソレータ、保護回路、制御回路などは必要に応じて適宜挿入される。

　以上、第１乃至第３の実施形態の説明によれば、以下の発明の説明もなされている。

　少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力を出力する回路を備えた交流電源と、
　前記交流電源から出力された前記電力を入力される入力端、及び、開放端または短絡端となっている出力端を有し、前記電力を伝送する伝送線路と、
を有する送電装置と、
　前記伝送線路から漏洩する電界または磁界を介して、結合器により非接触で電力を受電する受電装置と、
を有する電力伝送装置を用いた電力伝送方法であって、
　前記出力端を開放端とする場合には、前記結合器として電界結合器を利用し、
　前記出力端を短絡端とする場合には、前記結合器として磁界結合器を利用する電力伝送方法。

　上記電力伝送方法において、
　前記伝送線路として、等間隔で延在する２本の導線を備えた平行二線式伝送線路を利用する電力伝送方法。

　以上の通り、本実施形態の電力伝送装置によれば、特に受電装置に何ら新たな構成を付加することなく、すなわち受電装置の単価を上げることなく、受電装置の波長依存性を緩和した状態で使用でき、受電装置の設置位置制限を緩和することができる。

　以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

　この出願は、２０１２年２月３日に出願された日本特許出願特願２０１２－２２５０４号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

　少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力を出力する回路を備えた交流電源と、
　前記交流電源から出力された前記電力を入力される入力端、及び、開放端または短絡端となっている出力端を有し、前記電力を伝送する伝送線路と、
を有する送電装置と、
　前記伝送線路から漏洩する電界または磁界を介して、結合器により非接触で電力を受電する受電装置と、
を有し、
　前記出力端が開放端の場合には、前記結合器として電界結合器を備え、
　前記出力端が短絡端の場合には、前記結合器として磁界結合器を備える電力伝送装置。
　請求項１に記載の電力伝送装置において、
　前記伝送線路が、等間隔で延在する２本の導線を備えた平行二線式伝送線路である電力伝送装置。
　少なくとも基本波とその第二高調波を含む電力を出力する回路を備えた交流電源と、
　前記交流電源から出力された前記電力を入力される入力端、及び、開放端または短絡端となっている出力端を有し、前記電力を伝送する伝送線路と、
を有する送電装置と、
　前記伝送線路から漏洩する電界または磁界を介して、結合器により非接触で電力を受電する受電装置と、
を有する電力伝送装置を用いた電力伝送方法であって、
　前記出力端を開放端とする場合には、前記結合器として電界結合器を利用し、
　前記出力端を短絡端とする場合には、前記結合器として磁界結合器を利用する電力伝送方法。
　請求項３に記載の電力伝送方法において、
　前記伝送線路として、等間隔で延在する２本の導線を備えた平行二線式伝送線路を利用する電力伝送方法。