WO2014007057A1 - 無線給電システム、送電装置及び受電装置 - Google Patents

無線給電システム、送電装置及び受電装置 Download PDF

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本間 幸洋
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a system for stably supplying power wirelessly using a radio wave system that transmits and receives power via electromagnetic waves. More specifically, the present invention relates to a wireless power feeding system in which a power transmission unit stably transmits electromagnetic waves toward a plurality of power reception units arranged and moving on a rotating body or a moving body.
  • a device for example, a large telescope for astronomical observation, a satellite
  • a large structure equipped with a power consuming unit for example, a driving unit or a sensor
  • a power consuming unit for example, a driving unit or a sensor
  • large-sized parabolic antennas for communication, large overhead cranes, and automatic processing machines have been laid with multiple thick power cables over long distances in order to minimize noise generation and improve maintainability.
  • a cable winding device having a complicated mechanism is additionally provided so as not to apply a cable tension to the driving device.
  • Patent Document 1 discloses an electromagnetic wave from the outside with respect to an actuator that adjusts the mirror surface shape of an antenna reflector mounted on a spacecraft such as an artificial satellite. Is described.
  • the present invention includes a transmitter that transmits electromagnetic waves, a power conversion unit that converts electromagnetic waves into electric power, a plurality of actuators that adjust the mirror surface shape, and a control unit that controls the plurality of actuators. The mirror shape of the antenna reflector is adjusted.
  • Patent Document 2 describes an energy transmission system that wirelessly transmits energy from a power transmitter provided in a roadside device to a power receiver of a vehicle.
  • a roadside device having a transmission device that transmits transmission condition information that specifies the transmission direction of an electromagnetic wave toward a vehicle, and the transmitted transmission condition information are received, and the transmission direction of the electromagnetic wave based on the transmission condition information
  • the transmitter transmits an electromagnetic wave
  • the electromagnetic wave is received by the power conversion unit and converted into electric power
  • a power consuming device such as an actuator is driven.
  • this device when the position of the transmitter or the power conversion unit moves relatively large, it is not possible to always transmit the electromagnetic wave toward the power conversion unit following the movement and stably. There was a problem that power could not be supplied.
  • the driving range with respect to the altitude (hereinafter referred to as “ELevation” will be abbreviated as “EL”) is 0 ° to 90 °. It is driven within the range that can be seen almost.
  • ELevation the driving range related to the azimuth
  • AZ the driving range related to the azimuth
  • axis may be as wide as ⁇ 270 ° to + 270 °
  • rotating body AZ rotating structure
  • the present invention can be applied to a case where a rotating body such as an antenna having a power consuming section that consumes power such as a driving section is driven and controlled in a wide driving range, or even when a moving body moves on a linear track.
  • An object of the present invention is to eliminate the need for a cable winding device having a complicated mechanism. Further, the present invention is for solving the problem that when the power receiving unit is arranged on the rotating body or the moving body and the power transmitting unit cannot transmit the electromagnetic wave toward the power receiving unit, the power feeding becomes unstable. Another object is to realize a stable power supply with a simple configuration.
  • the wireless power supply system is a wireless power supply system that supplies power wirelessly via electromagnetic waves.
  • the wireless power feeding system includes a power transmission unit that transmits electromagnetic waves, and a plurality of power reception units that are disposed on a rotating body that can rotate around a rotation axis and that receive electromagnetic waves.
  • the plurality of power receiving units are arranged such that at least one power receiving unit is included in a covered area formed by an electromagnetic wave transmitted by the power transmitting unit.
  • a heavy and thick power cable is not used, there is no need to install a complicated power cable winding device, and the weight reduction, space saving, and maintainability are improved.
  • driving can be performed without causing disturbance due to the strong tension of the power cable, driving accuracy is improved.
  • a plurality of power receiving units are arranged on a rotating body or a moving body with respect to one power transmitting unit, and electromagnetic waves are transmitted to a plurality of power receiving units that are driven and moved in a wide driving range. It is possible to achieve stable wireless power feeding without stopping the operation of telescopes and overhead cranes.
  • FIG. 1 is a configuration explanatory diagram of a wireless power feeding system according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a configuration explanatory diagram of a wireless power feeding system according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a block diagram of a wireless power feeding system according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a block diagram of a wireless power feeding system according to Embodiment 2.
  • FIG. 10 is a configuration explanatory diagram of a wireless power feeding system according to a third embodiment. 6 is a block diagram of a wireless power feeding system according to Embodiment 3.
  • FIG. FIG. 6 is a configuration explanatory diagram of a wireless power feeding system according to a fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram of a wireless power feeding system according to a fourth embodiment. It is a configuration explanatory view of a wireless power feeding system according to another embodiment. It is explanatory drawing of the angle which the irradiation direction of an electromagnetic wave and a receiving surface make.
  • FIG. 1A and 1B are explanatory diagrams of the configuration of the wireless power feeding system according to the present embodiment.
  • FIG. 1A is a configuration diagram viewed from the front.
  • FIG. 1B is an arrow AA view of FIG. 1A and does not show a portion that is an axis object.
  • 1A and 1B 1 is a power transmission unit, 2 is an electromagnetic wave transmitted by the power transmission unit 1, 3 is a power reception unit that receives the electromagnetic wave 2, 4 is a rotating rotating body, and a plurality of power reception units 3 are arranged.
  • AZ rotation structure 5 is an AZ drive unit that drives the AZ rotation structure 4
  • 6 is a power consumption unit that the AZ rotation structure 4 has and consumes power
  • 7 is an EL drive unit that is included in the power consumption unit 6
  • 8 is AZ
  • 9 is the EL gantry having the AZ rotation structure 4, and a plurality of power receiving units 3 are arranged
  • 10 is a gantry unit that rotatably supports the AZ rotation structure 4. is there.
  • the power transmission unit 1 is installed around the AZ rotating structure 4 at several locations (four locations including a portion not shown in the figure) at a place where a plurality of power reception units 3 can be seen.
  • the electromagnetic wave 2 indicated by an arrow in the figure is transmitted toward a plurality of power receiving units 3.
  • a plurality of power receiving units 3 are arranged on the outer periphery of the EL mount 9 included in the AZ rotating structure 4 as shown by an arrow AA in FIG. 1B.
  • the plurality of power receiving units 3 rotate and move as the AZ rotating structure 4 is rotated by the AZ driving unit 5, and at least one power receiving unit 3 is within the coverage of the electromagnetic wave 2 transmitted by each of the four power transmitting units 1.
  • a plurality (in the case of the drawing, including 10 portions including a portion not shown) are arranged on the same circumference so as to be received when passing and included. These are connected to a power consumption unit 6 that is provided in the AZ rotating structure 4 and consumes power, and converts the received electromagnetic wave 2 into power and supplies it to the power consumption unit 6.
  • the AZ drive part 5 is being fixed to the mount part 10, electric power is supplied via a power cable.
  • the power consumption unit 6 is a part that consumes power such as the EL drive unit 7 and the sensor.
  • the sensor include a temperature sensor, a rotation angle sensor, and an accelerometer. These sensors are attached to the AZ rotating structure 4, for example.
  • the air inside the reflecting mirror of the AZ rotating structure 4 is agitated to keep the internal temperature uniform, and the fan mounted on the reflecting mirror to suppress deformation, or the mirror surface shape to maintain the mirror surface accuracy of the reflecting mirror.
  • the power consumption unit 6 includes an actuator for controlling the power consumption.
  • FIG. 2 is a block diagram of the wireless power feeding system according to the present embodiment.
  • 11 is a transmission direction information acquisition unit provided in the power transmission unit 1 and acquires information regarding the transmission direction
  • 15 is transmission direction information that is information regarding the direction of transmission by the power transmission unit 1
  • 18 is a transmission direction information acquisition unit.
  • 11 is a transmission direction instruction calculated from the transmission direction information
  • 22 is a direction control transmission unit that is provided in the power transmission unit 1 and transmits according to the transmission direction instruction
  • 51 is an AZ drive control unit that drives and controls the AZ drive unit 5
  • Reference numeral 52 denotes AZ drive control data for instructing drive control of the AZ drive unit 5.
  • the AZ drive control unit 51 outputs AZ drive control data 52 for controlling the drive of the AZ drive unit 5 to the AZ drive unit 5.
  • the AZ drive unit 5 tracks a satellite or the like while rotating around the AZ axis 8 (rotating in both forward and reverse directions).
  • the AZ drive control data 52 is command data that obtains the rotation angle information at the previous step time, calculates the rotation angle, angular velocity, angular acceleration, and the like at the next step time, and controls the drive.
  • the AZ drive control unit 51 predicts the position of the power receiving unit 3 that is moving along with the rotation of the rotating body (AZ rotating structure 4) based on the AZ drive control data 52, and the power transmitting unit 1 transmits the electromagnetic wave 2 respectively. It calculates and outputs transmission direction information 15 that is information relating to the transmission direction.
  • the transmission direction information acquisition unit 11 acquires the transmission direction information 15 from the AZ drive control unit 51.
  • the direction control transmission unit 22 transmits the electromagnetic wave 2 toward at least one power receiving unit 3 that is moving in accordance with the transmission direction instruction 18 calculated from the transmission direction information 15.
  • the power receiving unit 3 included in the covered area formed by the electromagnetic wave transmitted by the power transmitting unit 1 is moving.
  • the electromagnetic wave 2 is received, and the received electromagnetic wave 2 is converted into electric power.
  • the power consuming unit 6 operates by receiving power from the plurality of power receiving units 3. For example, when a specific geostationary satellite is being tracked, the AZ rotating structure 4 (rotating body) is almost stationary with a constant angle, so that power can be easily supplied.
  • the power transmission unit 1 in this embodiment improves the power supply efficiency by narrowing the coverage of the electromagnetic wave 2 to be transmitted in a pencil shape and irradiating (transmitting) the electromagnetic wave 2 accurately in the direction of the power reception unit 3.
  • the direction in which the electromagnetic wave 2 is transmitted is calculated from the transmission direction information 15.
  • the transmission direction information 15 is information for specifying the direction in which the power transmission unit 1 transmits the electromagnetic wave 2, and positions where a plurality of power reception units 3 that are turning and moving arrive at the next step time.
  • This transmission direction information 15 is calculated from the rotation angle information at the previous step time.
  • the transmission direction information 15 is calculated from the coordinate value, angular velocity, angular acceleration, and the like of each power receiving unit 3 in a coordinate system fixed to the rotating body.
  • Each power transmission unit 1 has a transmission direction information acquisition unit 11 and a direction control transmission unit 22.
  • Each of the transmission direction information acquisition units 11 calculates a transmission direction instruction 18 based on the transmission direction information 15 obtained from the AZ drive control unit 51.
  • the transmission direction instruction 18 is information for the direction control transmission unit 22 to transmit the electromagnetic wave 2 electronically or mechanically.
  • the direction control transmitter 22 has a phased array antenna when electronically changing the beam irradiation direction. Then, the direction control transmitting unit 22 irradiates the power receiving unit 3 with a pencil-shaped electron beam with a narrow and high coverage according to the transmission direction instruction 18. When the beam irradiation direction is mechanically changed, the direction control transmission unit 22 includes an antenna that is mechanically driven to irradiate the electromagnetic wave 2. Then, the direction control transmission unit 22 mechanically drives and irradiates (transmits) the antenna in the direction of the transmission direction instruction 18 calculated based on the transmission direction information 15 output from the transmission direction information acquisition unit 11.
  • a heavy and thick power cable is not used, there is no need to provide a complicated power cable winding device, and weight reduction, space saving, and maintenance are improved. .
  • driving can be performed without causing disturbance due to the strong tension of the power cable, driving accuracy is improved.
  • a plurality of power reception units 3 are arranged in the AZ rotating structure 4 (rotating body), and electromagnetic waves 2 are transmitted toward the plurality of power reception units 3 that move in a wide driving range.
  • stable wireless power feeding can be realized without stopping the operation of the satellite communication antenna or the telescope.
  • the AZ drive control data 52 information on the transmission direction transmitted by the power transmission unit 1 is acquired, and among the plurality of power reception units 2 arranged on the AZ rotating structure 4 and turning and moving, the information arrives in the transmission direction. Since the beam is irradiated toward at least one incoming power receiving unit 3, the effect of excellent power feeding efficiency is achieved.
  • a DC-DC converter that converts a DC voltage into another DC voltage, a capacitor, and a small size that converts the electromagnetic wave 2 received by the power receiving unit 3 into electric power and stores it.
  • a larger battery is installed in the AZ rotating structure 4, and the large battery is charged only when the AZ rotating structure 4 is driven within a preset AZ angle range. In this case, the number of power transmission units 1 and power reception units 3 can be reduced.
  • FIG. FIG. 3 is a block diagram of the wireless power feeding system according to the present embodiment.
  • the configuration and operation of the wireless power feeding system according to the second embodiment will be described below with reference to FIG.
  • the configuration is almost the same as in FIGS. 1A and 1B.
  • the coverage formed by the electromagnetic wave 2 transmitted by the power transmission unit 1 is wide enough to cover one or more power reception units 3, and the transmission direction of transmission is not controlled.
  • the plurality of power receiving units 3 are arranged on the outer periphery of the EL mount 9 included in the AZ rotating structure 4 more than in the first embodiment.
  • the plurality of power receiving units 3 are configured such that the AZ rotating structure 4 is driven around the AZ axis 8 by the AZ driving unit 5 and is swung and moved, and at least within the coverage of the electromagnetic wave 2 transmitted by each of the four power transmitting units 1 When one power reception unit 3 passes and is included, the electromagnetic wave 2 is received. Accordingly, power is supplied to the power consuming unit 6 from four or more power receiving units 3 that have received the electromagnetic waves 2 from the four power transmitting units 1.
  • FIG. FIG. 4 is a configuration explanatory diagram of the wireless power feeding system according to the present embodiment.
  • reference numeral 12 denotes a rotating body that the AZ rotating structure 4 has a rotating body, and an EL rotating structure in which a plurality of power receiving units 3 are arranged
  • 13 includes the AZ rotating structure 4 and is included in the EL rotating structure 12
  • the secondary mirror part support part 14 is supported by the secondary mirror part support part 13, and the secondary mirror part 16 in which the plurality of power receiving parts 3 are arranged, and 16 is an EL axis that is the rotation center of the EL rotating structure 12.
  • the power transmission unit 1 is arranged at a plurality of locations (10 locations in the case of FIG. 1B) on the outer periphery of the EL mount 9, and supplies power to the EL drive portion 7 and the like, almost as in the first embodiment.
  • a plurality of power receiving units 3 b and 3 c are arranged on the outer periphery of the EL rotating structure 12 and supply power to the power consuming unit 6 included in the EL rotating structure 12.
  • the power transmission unit 1 is arranged at a plurality of locations (four locations in the case of FIG. 1B) around the antenna, as in the second embodiment.
  • the power transmission unit 1d is installed at a position overlooking the sub mirror unit 14 in order to supply power to the power receiving unit 3d of the sub mirror unit 14. In the case of a large telescope, the power transmission unit 1d can be installed in a dome provided to cover the telescope.
  • FIG. 5 is a block diagram of the wireless power feeding system according to the present embodiment.
  • the AZ / EL drive control unit 71 shown in FIG. 5 outputs AZ drive control data 52 for controlling the drive of the AZ drive unit 5 and also outputs EL drive control data 72 for controlling the drive of the EL drive unit 7. Further, the AZ / EL drive control unit 71 is based not only on the plurality of power receiving units 3 a arranged on the outer periphery of the EL mount 9 but also on the EL shaft 16 based on the AZ drive control data 52 and the EL drive control data 72.
  • the transmission direction information 15 is sent to the transmission direction information acquisition unit 11 of each power transmission unit 1 so that the electromagnetic wave 2 can be emitted toward the plurality of power reception units 3b and 3c arranged on the outer periphery of the rotating EL rotation structure 12. Output.
  • the power transmission unit 1a acquires the transmission direction information 15 and calculates the transmission direction. Then, the power transmission unit 1a irradiates the power reception unit 3 with an electromagnetic wave in a time-sharing manner while following not only the rotation of the AZ axis but also the rotation of the EL shaft 16 based on the calculated transmission direction. At this time, the power transmission unit 1 a irradiates the electromagnetic wave 2 a toward the power reception unit 3 a of the EL mount 9 and the electromagnetic wave 2 b toward the power reception units 3 b and 3 c of the EL rotating structure 12 almost simultaneously.
  • the power transmission unit 1d installed at a position overlooking the secondary mirror unit 14 irradiates the electromagnetic wave 2d toward the plurality of power receiving units 3d arranged on the outer periphery of the secondary mirror unit 14 and drives the secondary mirror unit 14 Power is supplied to the drive unit.
  • each of the power transmission units 1 acquires the transmission direction information 15 calculated by the AZ / EL drive control unit 71 based on the drive control data, and calculates the transmission direction of the electromagnetic wave 2 based on the acquired transmission direction information 15.
  • the power transmission part 1 is electromagnetic waves by a time division toward the specific power receiving part 3 among the several power receiving parts 3 arrange
  • FIG. FIG. 6 is a configuration explanatory diagram of the wireless power feeding system according to the present embodiment.
  • the overall configuration of the antenna and the arrangement of the power receiving unit 3 and the power transmitting unit 1 are the same as in the second embodiment.
  • a pilot signal transmission unit 20 that transmits a pilot signal 23 is installed near the center of the plurality of power reception units 3.
  • the power transmission unit 1 includes a pilot signal reception unit 21 in addition to the transmission direction information acquisition unit 11 and the direction control transmission unit 22.
  • FIG. 7 is a block diagram of the wireless power feeding system according to the present embodiment.
  • the pilot signal transmitter 20 included in each of the plurality of power receivers 3 transmits a pilot signal 23.
  • the plurality of power receiving units 3 receive power when they turn and move and arrive at positions included in the coverage of the electromagnetic wave 2.
  • the power transmission unit 1 detects the direction in which the pilot signal 23 arrives from the pilot signal 23 received by the pilot signal reception unit 21, and acquires transmission direction information 15.
  • the transmission direction information acquisition unit 11 outputs a transmission direction instruction 18 to the direction control transmission unit 22 so that the direction control transmission unit 22 emits the electromagnetic wave 2 in the transmission direction calculated based on the transmission direction information 15.
  • the direction control transmitter 22 irradiates the electromagnetic wave 2 by changing the transmission direction mechanically or electronically in accordance with the transmission direction instruction 18.
  • the power transmission unit 1d illustrated in FIG. 6 receives the pilot signal 23 from the power reception unit 3d installed in the sub-mirror unit 14, and acquires the transmission direction information 15.
  • the power transmission unit 1d radiates the electromagnetic wave 2d toward the transmission direction calculated based on the transmission direction information 15, that is, toward the power reception unit 3d of the sub mirror unit 14.
  • each of the power transmission units 1 acquires the transmission direction information 15 based on the pilot signal 23 received from the power reception unit 3, and calculates the transmission direction of the electromagnetic wave 2 based on the transmission direction information 15. And the power transmission part 1 irradiates the electromagnetic wave 2 aiming at the specific power receiving part 3 based on the calculated transmission direction. Therefore, the wireless power supply system can efficiently supply power with few irradiation errors. In particular, when control information from the drive control unit is not available, or when it is driven around the AZ axis, EL axis, and sub mirror unit drive axis like a sub reflector, the drive error is large and the movement is complicated. However, the wireless power supply system can supply power efficiently and stably.
  • FIG. 8 shows a case where power is supplied to an overhead crane provided on the ceiling of a large warehouse or the like.
  • reference numeral 81 denotes a carriage that is a moving body that is provided with a plurality of power receiving sections 3 that feed power to a driving section and suspends heavy objects and reciprocates, and 82 forms a linear track to guide the traveling of the carriage 81.
  • a traveling track 83 is a driving unit that drives the carriage 81 as indicated by an arrow in the drawing using electric power supplied from the plurality of power receiving units 3.
  • a plurality of power transmission units 1 are arranged on the ground.
  • an angle ⁇ formed by the irradiation direction of the electromagnetic wave 2 and the normal line of the power receiving surface of the power receiving unit 3 is ⁇ ′ ⁇ ⁇ ′.
  • FIG. 9 shows the relationship between the angle ⁇ formed by the irradiation direction of the electromagnetic wave 2 and the normal line of the power receiving surface.
  • ⁇ ′ 60 °
  • the projected area of the power receiving unit 3 with respect to the irradiation direction of the electromagnetic wave 2 becomes 1 ⁇ 2. That is, the received power is halved. Therefore, ⁇ is preferably ⁇ 60 ° ⁇ ⁇ 60 °, for example, although it depends on the required power and the magnitude of the electromagnetic wave 2.
  • each of the power transmission units 1 receives the pilot signal 23 transmitted by the pilot signal transmission unit 20 included in the power reception unit 3, and based on this, transmits the transmission direction information 15. Since the electromagnetic wave 2 is irradiated toward the specific power receiving unit 3 in the acquired and calculated transmission direction, the wireless power supply system can efficiently supply power.
  • Transmission direction information acquisition means Transmission direction information acquisition means
  • 12 EL rotating structure Rotating body

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Abstract

 無線給電システムは、電磁波を介して無線で電力を供給するシステムである。無線給電システムは、電磁波(2)を送信する送電部(1)と、回転軸(8)を中心に回動可能な回転体(9)に配置され、電磁波(2)を受信する複数の受電部(3)と、を備えている。そして、無線給電システムが備える複数の受電部(3)は、送電部(1)が送信する電磁波(2)が形成する覆域内に、少なくとも1つの受電部(3)が含まれるように配置されている。

Description

無線給電システム、送電装置及び受電装置
 この発明は、電力を電磁波を介して送受信する電波方式を用いて、安定的に無線で電力を供給するシステムに関する。更に詳しくは、回転体又は移動体に配置されて移動している複数の受電部に向けて、送電部が安定的に電磁波を送信する無線給電システムに関する。
 電力を消費する電力消費部(例えば、駆動部やセンサー)を備えた大型構造物が、駆動部によりその回転軸を中心に大きく駆動されるような装置(例えば、天体観測用の大型望遠鏡、衛星通信用の大型パラボラアンテナ、大型の天井クレーン、自動加工機)においては、従来、ノイズの発生を極力抑えメンテナンス性を向上するために、長い距離に渡って太い複数の電源ケーブルを敷設していた。これに加えて、駆動精度が必要な装置においては、駆動する装置にケーブルのテンションをかけないようにするために、複雑な機構のケーブル巻取り装置を併設していた。
 一方、電波方式である無線給電を用いて給電する例として、特許文献1には、人工衛星等の宇宙飛行体に搭載されるアンテナ反射鏡の鏡面形状を調整するアクチュエータに対して、外部から電磁波を送信するアンテナ鏡面調整装置が記載されている。この発明では、電磁波を送信する送信機や、電磁波を電力に変換する電力変換部、鏡面形状を調整する複数のアクチュエータ、複数のアクチュエータを制御する制御部を具備し、電磁波の無線送電を電源電力としてアンテナ反射鏡の鏡面形状を調整している。
 また、特許文献2には、路側装置に設けた送電機から車両の受電機に向けて無線でエネルギーを伝送するエネルギー伝送システムが記載されている。この発明では、車両に向けて電磁波の送信方向を特定する送信条件情報を送信する送信装置を有する路側装置と、送信された送信条件情報を受信し、この送信条件情報に基づいて電磁波の送信方向を補正するための補正情報を、路側装置の信号受信機へ送信する信号発信機を有する車両とを備えることにより、電磁波の送信方向の精度を向上させている。
特開平05-129830号公報 特開2009-178001号公報
 特許文献1に記載された従来のアンテナ鏡面調整装置によれば、送信機が電磁波を送信し、その電磁波を電力変換部が受信し電力に変換し、アクチュエータ等の電力消費装置を駆動している。しかし、この装置では、送信機や電力変換部の位置が相対的に大きく移動した場合に、電磁波をその移動に追従して、常に電力変換部へ向けて送信することはできず、安定的に給電できない問題があった。
 また、特許文献2に記載されたエネルギー伝送システムによれば、移動している車両に、給電装置から電磁波を照射することで給電できることが示されている。しかし、特許文献2のように移動する車両に対して、給電装置や受電装置が一式ずつしかないと、給電装置から受電装置を見渡せる範囲でしか給電できず、限られた駆動範囲でしか給電できない問題があった。
 また、例えば大型の望遠鏡やパラボラアンテナの場合には、高度(以降「ELevation」を略して「EL」と記載する。)軸に関する駆動範囲は0°~90°であり1つの固定した送電部でも、ほぼ見通せる範囲内で駆動される。しかし、方位(以降「AZimuth」を略して「AZ」と記載する。)軸に関する駆動範囲は-270°~+270°と広い場合があるため、1つの固定した送電部では回転体(AZ回転構造)へ配置され移動する複数の受電部が見渡せなくなり、送信する電磁波の覆域から外れるため、電磁波によるエネルギー伝送システムによる給電は難しくなっていた。
 この発明は、駆動部など電力を消費する電力消費部を有するアンテナ等の回転体が広い駆動範囲にて駆動制御される場合や、移動体が直線的な軌道上を移動する場合であっても、複雑な機構のケーブル巻取り装置の併設を不要とすることを目的とする。また、この発明は、受電部が回転体又は移動体に配置されて移動する場合に、送電部が受電部に向けて電磁波を送信できずに給電が不安定になる問題を解決するためのものであり、簡単な構成で安定的な電力供給を実現することを他の目的とする。
 無線給電システムは、電磁波を介して無線で電力を供給する無線給電システムである。無線給電システムは、電磁波を送信する送電部と、回転軸を中心に回動可能な回転体に配置され、電磁波を受信する複数の受電部とを備えている。複数の受電部は、送電部が送信する電磁波が形成する覆域内に、少なくとも1つの受電部が含まれるように配置されている。
 本発明によれば、重くて太い電源ケーブルを使用しないため、複雑な電源ケーブルの巻取り装置を併設する必要がなく、軽量化、省スペース化、メンテナンス性が向上する。また、電源ケーブルの強いテンションに起因する外乱が発生せずに駆動できるため、駆動精度が向上する。また、1つの送電部に対して複数の受電部を回転体又は移動体に配置し、広い駆動範囲にて駆動され移動する複数の受電部へ向けて電磁波を送信することにより、衛星通信用アンテナ、望遠鏡や天井クレーンなどの運用を停止せずに、安定的な無線給電を実現できる効果を奏する。
実施の形態1に係る無線給電システムの構成説明図である。 実施の形態1に係る無線給電システムの構成説明図である。 実施の形態1に係る無線給電システムのブロック図である。 実施の形態2に係る無線給電システムのブロック図である。 実施の形態3に係る無線給電システムの構成説明図である。 実施の形態3に係る無線給電システムのブロック図である。 実施の形態4に係る無線給電システムの構成説明図である。 実施の形態4に係る無線給電システムのブロック図である。 他の実施の形態に係る無線給電システムの構成説明図である。 電磁波の照射方向と受電面のなす角度の説明図である。
 実施の形態1.
 図1Aおよび図1Bは、本実施の形態に係る無線給電システムの構成説明図である。図1Aは正面から見た構成図である。図1Bは、図1Aの矢視A-Aであり、軸対象である部分は図示していない。図1Aおよび図1Bにおいて、1は送電部、2は送電部1が送信する電磁波、3は電磁波2を受信する受電部、4は回動する回転体であり複数の受電部3が配置されたAZ回転構造、5はAZ回転構造4を駆動するAZ駆動部、6はAZ回転構造4が有し電力を消費する電力消費部、7は電力消費部6に含まれるEL駆動部、8はAZ回転構造4の回動中心であるAZ軸、9はAZ回転構造4が有し、複数の受電部3が配置されたEL架台、10はAZ回転構造4を回動自在に支持する架台部である。
 次に、本実施の形態の構成・配置を詳細に説明する。送電部1は、図1Aに示すように、AZ回転構造4の周囲に、複数の受電部3を見渡せる場所に数箇所(図の場合は、図示していない部分も含めて4箇所)設置され、図に矢印で示す電磁波2を、複数の受電部3へ向けて送信する。
 複数の受電部3は、図1Bの矢視A-Aで示すように、AZ回転構造4が有するEL架台9の外周上に複数配置される。複数の受電部3は、AZ回転構造4がAZ駆動部5により回動すると共に旋回・移動し、4個の送電部1がそれぞれ送信する電磁波2の覆域内に、少なくとも1つの受電部3が通過し含まれるときに受信するように、例えば同一円周上に複数(図の場合は、図示していない部分も含めて10箇所)配置されている。これらは、AZ回転構造4に設けられ電力を消費する電力消費部6と接続され、受信した電磁波2を電力に変換し電力消費部6へ供給する。なお、AZ駆動部5は架台部10に固定されているので、電源ケーブルを介して電力が供給される。
 電力消費部6は、EL駆動部7やセンサーなどの電力を消費する部位である。センサーとしては、例えば、温度センサー、回転角センサー、加速度計などがある。これらのセンサーは、例えば、AZ回転構造4に取り付けられる。また、AZ回転構造4が有する反射鏡内部の空気を攪拌し内部温度を均一に保ち、変形を抑えるために反射鏡に取付けられたファン、或いは、反射鏡の鏡面精度を保つために、鏡面形状を制御するアクチュエータなども電力消費部6に含まれる。
 図2は、本実施の形態に係る無線給電システムのブロック図である。図2において、11は送電部1に設けられ、送信方向に関する情報を取得する送信方向情報取得部、15は送電部1が送信する方向に関する情報である送信方向情報、18は送信方向情報取得部11が送信方向情報15から算出した送信方向指示、22は送電部1に設けられ送信方向指示18に従がい送信する方向制御送信部、51はAZ駆動部5を駆動制御するAZ駆動制御部、52はAZ駆動部5の駆動制御を指示するためのAZ駆動制御データである。
 次に、図2を参照しながら無線給電システムの動作を説明する。AZ駆動制御部51は、AZ駆動部5を駆動制御するためのAZ駆動制御データ52をAZ駆動部5へ出力する。AZ駆動部5はこのAZ駆動制御データ52に従い、AZ軸8を中心に回動(正逆両方向に回転)しつつ、衛星などを追尾する。ここで、AZ駆動制御データ52とは、前のステップ時刻における回転角度情報を入手して、次のステップ時刻における、回転角度、角速度、角加速度などを算出し、駆動制御する指令データである。
 また、AZ駆動制御部51は、AZ駆動制御データ52に基づき、回転体(AZ回転構造4)の回動と共に移動している受電部3の位置を予測し、送電部1がそれぞれ電磁波2を送信する方向に関する情報である送信方向情報15を演算し出力する。それぞれの送電部1において、送信方向情報取得部11はAZ駆動制御部51から送信方向情報15を取得する。次に、方向制御送信部22は、送信方向情報15から算出した送信方向指示18に従い、移動している少なくとも1つの当該受電部3に向けて電磁波2を送信する。
 AZ回転構造4が有するEL架台9の外周上に配置された複数の受電部3のうち、送電部1が送信する電磁波が形成する覆域内に含まれている当該受電部3は、移動しながら電磁波2を受信し、受信した電磁波2を電力に変換する。電力消費部6は、複数の受電部3から電力を受け取り動作する。また、例えば、特定の静止衛星を追尾している場合には、AZ回転構造4(回転体)が一定角度を保持してほとんど静止しているため、容易に給電できる。
 次に、送信方向制御の詳細について述べる。本実施の形態における送電部1は、送信する電磁波2の覆域を狭くペンシル状にし、受電部3の方向を狙って正確に電磁波2を照射(送信)することにより給電効率を向上させる。電磁波2を送信する方向は送信方向情報15から算出される。ここで、送信方向情報15とは、送電部1が電磁波2を送信する方向を特定するための情報であり、次のステップ時刻において、旋回・移動している複数の受電部3が到来する位置、それぞれの送電部1が送信する受電部3の方向、周波数などの情報である。この送信方向情報15は、前のステップ時刻における回転角度情報から算出される。例えば、送信方向情報15は、回転体に固定された座標系での各受電部3の座標値、角速度、角加速度などから算出される。
 各送電部1はそれぞれ、送信方向情報取得部11及び方向制御送信部22を有している。送信方向情報取得部11はそれぞれ、AZ駆動制御部51から得た送信方向情報15に基づき、送信方向指示18を算出する。送信方向指示18は、方向制御送信部22が電子的又は機械的に電磁波2を送信するための情報である。
 方向制御送信部22は、電子的にビームの照射方向を変更する場合には、フェーズドアレイアンテナを有する。そして、方向制御送信部22は、送信方向指示18に従って、高速で覆域の狭いペンシル状の電子ビームを、当該受電部3へ向けて照射する。機械的にビームの照射方向を変更する場合には、方向制御送信部22は、機械的に駆動され電磁波2を照射するアンテナを有する。そして、方向制御送信部22は、送信方向情報取得部11から出力された送信方向情報15に基づき算出した送信方向指示18の方向へ向けて、アンテナを機械的に駆動し照射(送信)する。
 以上のように、本実施の形態によれば、重くて太い電源ケーブルを使用しないため、複雑な電源ケーブルの巻取り装置を併設する必要がなく、軽量化、省スペース化、メンテナンス性が向上する。また、電源ケーブルの強いテンションに起因する外乱が発生せずに駆動できるため、駆動精度が向上する。また、1つの送電部1に対して、複数の受電部3をAZ回転構造4(回転体)に配置し、広い駆動範囲にて移動する複数の受電部3へ向けて電磁波2を送信することにより、衛星通信用アンテナや望遠鏡の運用を停止せずに、安定的な無線給電を実現できる。更に、AZ駆動制御データ52を利用して、送電部1が送信する送信方向の情報を取得し、AZ回転構造4に配置され旋回・移動する複数の受電部2のうち、送信方向に到来して来る少なくとも1つの当該受電部3に向けてビームを照射するため、給電効率に優れているという効果を奏する。
 なお、受電部3から電力消費部6の間に、直流電圧を別の直流電圧に変換するDCーDCコンバータや、コンデンサや、受電部3が受信した電磁波2を電力に変換して蓄積する小型のバッテリーなどを設置することにより、一時的に受信できない場合があっても、電力消費部6に供給する電力をより安定なものにすることができる。
 更に、より大型バッテリーをAZ回転構造4に設置しておき、AZ回転構造4があらかじめ設定したAZ角度範囲内に駆動された場合にだけ、大型バッテリーの充電を行なうという運用も可能となる。この場合には、送電部1及び受電部3などの個数を削減することができる。
 実施の形態2.
 図3は、本実施の形態に係る無線給電システムのブロック図である。以下、図3を参照して実施の形態2の無線給電システムの構成及び動作を説明する。構成は、図1Aおよび図1Bとほぼ同様である。本実施の形態では、送電部1が送信する電磁波2が形成する覆域を、1~2個以上の受電部3をカバーする程度に広くファン状とし、送信する送信方向は制御しない。複数の受電部3は、図3に示すように、実施の形態1よりも数多くAZ回転構造4が有するEL架台9の外周上に配置されている。複数の受電部3は、AZ回転構造4がAZ駆動部5によりAZ軸8を中心に駆動されると共に旋回・移動し、4個の送電部1がそれぞれ送信する電磁波2の覆域内に、少なくとも1つの受電部3が通過し含まれるときに電磁波2を受信する。従って、4個の送電部1から電磁波2を受信した4個以上の受電部3から電力が電力消費部6へ供給される。
 以上のように、本実施の形態2によれば、実施の形態1と同様に、重くて太い電源ケーブルを使用しないため、軽量化、省スペース化、メンテナンス性が向上する。また、電源ケーブルの強いテンションに起因する外乱が発生せずに駆動できるため、駆動精度が向上する。
 更に、受電部3の方向へ向けて確実に送信(照射)しないため、給電効率は低下するが、送電部1が送信するビーム(電磁波)の方向を制御する必要が無く、複数の受電部3の個数を増加させることにより、駆動範囲が広い場合でも、安定してAZ回転構造4(回転体)の外周上に配置された多数の受電部へ給電できる。この結果、簡単な構成である受電部3の個数は増加するが、送電部1の構成が比較的簡単となる効果を奏する。
 実施の形態3.
 図4は、本実施の形態に係る無線給電システムの構成説明図である。図4において、12はAZ回転構造4が有し回動する回転体であり、複数の受電部3が配置されたEL回転構造、13はAZ回転構造4が有し、EL回転構造12に含まれる副鏡部支持部、14は副鏡部支持部13に支持され、複数の受電部3が配置された副鏡部、16はEL回転構造12の回転中心であるEL軸である。
 図4に示す受電部3aは、実施の形態1とほぼ同様に、EL架台9の外周に複数個所(図1Bの場合は10箇所)配置され、EL駆動部7などに電力を供給する。受電部3b、3cは、EL回転構造12の外周に複数配置され、EL回転構造12が有する電力消費部6へ給電している。送電部1は、実施の形態2とほぼ同様に、アンテナの周囲に複数個所(図1Bの場合は、4箇所)配置されている。送電部1dは、副鏡部14が有する受電部3dへ給電するため、副鏡部14を見晴らせる位置に設置されている。大型望遠鏡の場合は、望遠鏡をカバーするように設けられたドームに送電部1dを設置できる。
 図5は、本実施の形態に係る無線給電システムのブロック図である。図5に示すAZ/EL駆動制御部71は、AZ駆動部5の駆動を制御するAZ駆動制御データ52を出力すると共にEL駆動部7の駆動を制御するEL駆動制御データ72を出力する。更に、AZ/EL駆動制御部71は、これらAZ駆動制御データ52及びEL駆動制御データ72に基づき、EL架台9の外周に配置された複数の受電部3aだけでなく、EL軸16を中心に回動するEL回転構造12の外周に配置された複数の受電部3b、3cへ向けても電磁波2を照射できるように、各送電部1の送信方向情報取得部11へ、送信方向情報15を出力する。
 図4において、送電部1aは、送信方向情報15を取得して送信方向を算出する。そして、送電部1aは、算出した送信方向に基づいてAZ軸の回動だけでなくEL軸16の回動にも追従しながら、電磁波ビームを時分割で受電部3に照射する。このとき、送電部1aは、EL架台9の受電部3aに向けて電磁波2aを、EL回転構造12の受電部3b、3cへ向けて電磁波2bを、ほぼ同時に照射する。副鏡部14を見晴らす位置に設置された送電部1dは、副鏡部14の外周に配置された複数の受電部3dへ向けて電磁波2dを照射し、副鏡部14を駆動する副鏡部駆動部などへ電力を供給する。
 以上のように、送電部1はそれぞれ、AZ/EL駆動制御部71が駆動制御データに基づき算出した送信方向情報15を取得し、取得した送信方向情報15に基づいて電磁波2の送信方向を算出する。そして、送電部1は、算出した送信方向に基づいてEL架台9の受電部3及びEL回転構造12に配置された複数の受電部3のうち特定の受電部3へ向けて、時分割で電磁波2を照射する。このため、無線給電システムは、照射ミスが少なく、安定的にAZ回転構造4が有するEL駆動部7や電力消費部6などに給電できる。
 実施の形態4.
 図6は、本実施の形態に係る無線給電システムの構成説明図である。アンテナの全体構成、受電部3、送電部1の配置は実施の形態2と同様である。複数の受電部3の中心付近には、パイロット信号23を送信するパイロット信号送信部20が設置されている。送電部1は、送信方向情報取得部11及び方向制御送信部22に加えて、パイロット信号受信部21を有している。
 図7は、本実施の形態に係る無線給電システムのブロック図である。複数の受電部3がそれぞれ有するパイロット信号送信部20は、パイロット信号23を送信する。複数の受電部3は、旋回・移動して電磁波2の覆域内に含まれる位置に到来したときに、受電する。送電部1は、パイロット信号受信部21が受信したパイロット信号23から、パイロット信号23が到来した方向を検出し、送信方向情報15を取得する。送信方向情報取得部11は、送信方向情報15に基づき算出した送信方向へ方向制御送信部22が電磁波2を照射するように、方向制御送信部22へ送信方向指示18を出力する。方向制御送信部22は、この送信方向指示18に従い、機械的又は電子的に送信方向を変更し電磁波2を照射する。
 例えば、図6に示す送電部1dは、副鏡部14に設置された受電部3dからのパイロット信号23を受信し、送信方向情報15を取得する。送電部1dは、送信方向情報15に基づき算出した送信方向、すなわち副鏡部14の受電部3dへ向けて、電磁波2dを照射する。
 以上のように、送電部1はそれぞれ、受電部3から受信したパイロット信号23に基づき送信方向情報15を取得し、送信方向情報15に基づき電磁波2の送信方向を算出する。そして、送電部1は算出した送信方向に基づき、特定の受電部3を狙って電磁波2を照射する。そのため、無線給電システムは、照射ミスが少なく効率良く給電できる。特に、駆動制御部からの制御情報を利用できない場合や、副反射鏡のようにAZ軸、EL軸及び副鏡部駆動軸まわりに駆動され、駆動誤差が大きく複雑な動きをする場合であっても、無線給電システムは効率良く安定して給電できる。
 なお、本発明では、回転体について説明したが、直線的な移動についても同様の効果を奏する。例えば、大型の倉庫などの天井に設けられた天井クレーンに給電する場合を、図8に示す。図8において、81は駆動部などへ給電する複数の受電部3が配置され重量物などを吊り下げ往復移動する移動体である台車、82は直線的な軌道を形成し台車81の走行をガイドする走行軌道、83は複数の受電部3から給電された電力を用いて台車81を図中に矢印で示すように駆動する駆動部である。送電部1は地上に複数個所配置されている。移動体である台車81に貼り付けられた複数の受電部3は、電磁波2の照射方向と受電部3の受電面の法線とがなす角度θが、-θ’<θ<θ’となるような条件で、送電部1が送信する電磁波2が形成する覆域内に、少なくとも1つの受電部3が含まれるように配置されている。ここで、図9には電磁波2の照射方向と受電面の法線とがなす角度θの関係を示す。図9において、θ’=60°になると、受電部3の電磁波2の照射方向に対する投影面積が1/2となる。すなわち、受電電力が半分になる。そのため、θは、必要電力や電磁波2の電力の大きさにもよるが、例えば-60°<θ<60°であることが望ましい。
 このように送電部1と受電部3を配置することにより、給電するための電源ケーブルが不要となり、天井クレーンが運用中であっても、安定的に受電部3へ給電できるという、上述の実施の形態で述べた効果と同様の効果を奏する。特に、図8に示す場合は実施の形態4と同様に、送電部1がそれぞれ、受電部3が有するパイロット信号送信部20が送信したパイロット信号23を受信し、これに基づき送信方向情報15を取得し、算出した送信方向へ特定の受電部3を狙って電磁波2を照射するため、無線給電システムは効率良く給電できる。
 上記実施の形態は、いずれも本発明の趣旨の範囲内で各種の変形が可能である。上記実施の形態は本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。本発明の範囲は実施形態よりも添付した請求項によって示される。請求項の範囲内、および発明の請求項と均等の範囲でなされた各種変形は本発明の範囲に含まれる。
 本出願は、2012年7月3日に出願された、明細書、特許請求の範囲、図、および要約書を含む日本国特許出願2012-149334号に基づく優先権を主張するものである。この元となる特許出願の開示内容は参照により全体として本出願に含まれる。
 1 送電部、2 電磁波、3 受電部、4 AZ回転構造(回転体)、5 AZ駆動部(駆動部)、6 電力消費部、7 EL駆動部、8 AZ軸(回転軸)、9 EL架台(回転体)、10 架台部、11 送信方向情報取得部(送信方向情報取得手段)、12 EL回転構造(回転体)、13 副鏡部支持部(回転体)、14 副鏡部(回転体)、15 送信方向情報、16 EL軸(回転軸)、18 送信方向指示、20 パイロット信号送信部、21 パイロット信号受信部、22 方向制御送信部(方向制御送信手段)、23 パイロット信号、51 AZ駆動制御部、52 AZ駆動制御データ、71 AZ/EL駆動制御部、72 EL駆動制御データ、81 台車(移動体)、82 走行軌道(軌道)、83 駆動部。

Claims (8)

  1.  電磁波を介して無線で電力を供給する無線給電システムであって、
     前記電磁波を送信する送電部と、
     回転軸を中心に回動可能な回転体に配置され、前記電磁波を受信する複数の受電部とを備え、
     前記複数の受電部は、
     前記送電部が送信する電磁波が形成する覆域内に、少なくとも1つの受電部が含まれるように配置されている、
     無線給電システム。
  2.  前記送電部は、
     前記覆域内に含まれる前記受電部への前記電磁波の送信方向を特定するための送信方向情報を取得する送信方向情報取得手段と、
     前記送信方向情報に基づき算出した方向へ向けて前記電磁波を送信する方向制御送信手段とを有する、
     請求項1に記載の無線給電システム。
  3.  前記回転体の回動を駆動制御する駆動制御データから前記送信方向情報を算出する駆動制御部を備える、
     請求項2に記載の無線給電システム。
  4.  前記複数の受電部は、
     それぞれパイロット信号を送信するパイロット信号送信部を有し、
     前記送電部は、
     前記パイロット信号を受信するパイロット信号受信部を有し、
     前記送信方向情報取得手段は、前記パイロット信号に基づき前記送信方向情報を取得する、
     請求項2に記載の無線給電システム。
  5.  前記複数の受電部は、
     少なくとも1つの前記受電部が受信した電磁波を電力に変換して蓄積するバッテリー又は直流電圧を別の直流電圧に変換するDCーDCコンバータを有する、
     請求項1乃至4のいずれか1項に記載の無線給電システム。
  6.  電磁波を介して無線で電力を供給する送電装置であって、
     回転軸を中心に回動可能な回転体に配置されている複数の受電部へ前記電磁波を送信する送電部を備え、
     前記送電部は、前記電磁波が形成する覆域内に少なくとも1つの受電部が含まれるように配置された前記複数の受電部のうち、前記覆域内に含まれる前記受電部への送信方向を特定するための送信方向情報を取得する送信方向情報取得手段と、
     前記送信方向情報に基づき算出した方向へ前記電磁波を送信する方向制御送信手段とを有する、
     送電装置。
  7.  電磁波を介して無線で電力を受信する受電装置であって、
     回転軸を中心に回動可能な回転体に配置され、送電部が送信する前記電磁波を受信する複数の受電部を備え、
     前記複数の受電部は、前記電磁波が形成する覆域内に少なくとも1つの受電部が含まれるように配置されている、
     受電装置。
  8.  電磁波を介して無線で電力を供給する無線給電システムであって、
     前記電磁波を送信する送電部と、
     直線的な軌道上を往復移動可能な移動体に配置され、前記電磁波を受信する複数の受電部とを備え、
     前記複数の受電部は、
     前記送電部が送信する電磁波が形成する覆域内に、少なくとも1つの受電部が含まれるように配置されている、
     無線給電システム。
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