WO2020026592A1 - 受電装置、送電装置および水中給電システム - Google Patents

受電装置、送電装置および水中給電システム Download PDF

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WO2020026592A1
WO2020026592A1 PCT/JP2019/022827 JP2019022827W WO2020026592A1 WO 2020026592 A1 WO2020026592 A1 WO 2020026592A1 JP 2019022827 W JP2019022827 W JP 2019022827W WO 2020026592 A1 WO2020026592 A1 WO 2020026592A1
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power
coil
power transmission
power receiving
receiving device
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PCT/JP2019/022827
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亮祐 枷場
江口　和弘
小柳　芳雄
克也 岡本
壮一 川田
達雄 八木
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H02J2310/42—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for ships or vessels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present disclosure relates to a power receiving device that receives power underwater, a power transmitting device that transmits power underwater, and an underwater power feeding system.
  • an underwater base station as a power transmission device transmits power to and from an underwater vehicle as a power receiving device in a non-contact manner using a magnetic co-system (for example, see Patent Document 1).
  • This power transmission device includes a power transmission resonance coil, a balloon, and a balloon control mechanism.
  • the power transmission resonance coil transmits electric power to the power reception resonance coil of the power receiving device in a non-contact manner by a magnetic field resonance method.
  • the balloon includes a power transmission resonance coil.
  • the balloon control mechanism removes water between the power transmission resonance coil and the power reception resonance coil by expanding the balloon during power transmission.
  • an antenna device that transmits power and data to a medium on which an IC is mounted using an electromagnetic induction method using a frequency of a 13.56 MHz band is known (for example, see Patent Document 2).
  • This antenna device has at least one feeding loop antenna to which a signal current is fed and at least one parasitic loop antenna to which a signal current is not fed, and uses a magnetic field generated by the feeding loop antenna to form a parasitic loop antenna. Also discloses that a signal current is generated to extend the communication range of the feeding loop antenna.
  • Aluminum which is a weak magnetic material (non-magnetic material) is usually used for a housing of a power receiving device that receives power in water such as an autonomous underwater vehicle (AUV: Autonomous Underwater Vehicle) that is an underwater vehicle.
  • AAV autonomous Underwater Vehicle
  • a wire is wound around the side surface of the housing to form a power receiving coil, the inductance is reduced and the Q value is reduced due to the conductivity of aluminum, which is a weak magnetic material.
  • the conductivity of aluminum is large, an eddy current is generated by a magnetic field, and the housing generates heat.
  • the present disclosure is devised in view of the above-described conventional situation, and even when the power receiving device has a weak magnetic housing, a power receiving device, a power transmitting device, and a power transmission device capable of suppressing a decrease in transmission efficiency in non-contact power transmission in water. Provide an underwater power supply system.
  • One embodiment of the present disclosure is a power receiving device arranged in water, a housing formed of a weak magnetic material, and surrounding the outside of the housing, a magnetic body formed of a ferromagnetic material, And a power receiving coil wound around the outside of the magnetic body.
  • One embodiment of the present disclosure is a power transmitting device that transmits power to a power receiving device having a housing formed of a weak magnetic material in water, and transmits power to a power receiving coil of the power receiving device via a magnetic field.
  • a power transmission device comprising: one or more transmission coils including a power transmission coil; and a magnetic body surrounding a radial outside of the transmission coil and formed of a ferromagnetic material.
  • One embodiment of the present disclosure is an underwater power feeding system including a power transmitting device and a power receiving device, wherein the power transmitting device disposed in water supplies power to the power receiving device, wherein the power receiving device is formed of a housing formed of a weak magnetic material. And a first magnetic body formed of a ferromagnetic material, surrounding the outside of the housing, and a power receiving coil wound around the outside of the first magnetic body.
  • One or more transmission coils including a power transmission coil for transmitting power to the power reception coil of the power reception device via a magnetic field, and a second magnetic material surrounding a radial outside of the transmission coil and formed of a magnetic material And a body.
  • the power receiving device has a weak magnetic housing, it is possible to suppress a decrease in transmission efficiency and a heat generation of the housing in non-contact power transmission in water.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an environment in which a power transmission system according to an embodiment is placed.
  • Block diagram showing a configuration example of a power transmission system
  • the perspective view which shows the positional relationship of the power transmission coil structure and the power receiving coil structure at the time of performing wireless electric power feeding.
  • FIG. 5 is an enlarged view showing a cross section and a part of the power receiving coil structure viewed from the direction of arrow FF in FIG.
  • the figure which shows an example of the electric power transmission model for calculating the inductance and Q value of a receiving coil, a transmitting coil, and a relay coil.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the power transmitting coil structure and the power receiving coil structure viewed from the direction of arrow HH in FIG. 10.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the power transmission coil structure and the power reception coil structure viewed from the direction of arrow II in FIG. 10.
  • FIG. 2 is a perspective view schematically showing a power transmission system including another power transmission coil structure. Sectional view showing the appearance of an AUV equipped with another receiving coil structure
  • the present embodiment a power transmission system according to an embodiment (hereinafter, referred to as “the present embodiment”) that specifically discloses a power reception device, a power transmission device, and an underwater power supply system according to the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. .
  • an unnecessary detailed description may be omitted.
  • a detailed description of a well-known item or a redundant description of substantially the same configuration may be omitted. This is to prevent the following description from being unnecessarily redundant and to facilitate understanding by those skilled in the art.
  • the accompanying drawings and the following description are provided to enable those skilled in the art to fully understand the present disclosure, and are not intended to limit the claimed subject matter.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an environment in which the power transmission system 10 according to the present embodiment is placed.
  • the power transmission system 10 includes a power transmission device 100, a power reception device 200, and a plurality of coils CL (see FIG. 2).
  • the power transmitting device 100 wirelessly (contactlessly) transmits power to the power receiving device 200 via a plurality of coils CL according to a magnetic resonance method.
  • the number of the arranged coils CL is n and is arbitrary.
  • the coil CL is formed, for example, in a ring shape and is insulated by being covered with a resin cover. Further, the coil CL may be formed of, for example, a cabtire cable.
  • the coil CL may be, for example, a helical coil or a spiral coil.
  • the helical coil is an annular coil that is spirally wound (formed by helical winding) not in the same plane but in the direction of power transmission by magnetic resonance (also referred to simply as “transmission direction”). is there.
  • the spiral coil is an annular coil wound in the same plane (formed by spiral winding). According to the spiral coil, even when it is difficult to secure the thickness of the coil CL, the thickness of the coil CL can be reduced. According to the helical coil, a wide space inside the wound coil CL can be secured. In FIG. 1, a spiral coil is used as an example.
  • Coil CL includes power transmission coil CLA and power reception coil CLB.
  • the power transmission coil CLA is a primary coil (Primary @ Coil), and the power reception coil CLB is a secondary coil (Secondary @ Coil).
  • the coil CL may include one or more relay coils CLC (Booster @ Coil) disposed between the power transmitting coil CLA and the power receiving coil CLB.
  • the relay coils CLC are arranged substantially in parallel, and at least half of the opening surface formed by the relay coils CLC overlaps. The interval between the plurality of relay coils CLC is secured, for example, equal to or larger than the radius of the relay coil CLC.
  • the relay coil CLC assists power transmission by the power transmission coil CLA.
  • the power transmission coil CLA is provided in the power transmission device 100.
  • the power receiving coil CLB is provided in the power receiving device 200.
  • the relay coil CLC may be provided in the power transmitting device 100, provided in the power receiving device 200, or provided separately from the power transmitting device 100 and the power receiving device 200. A part of relay coil CLC may be provided in power transmission device 100, and another part may be provided in power reception device 200.
  • the power transmission device 100 may be partially installed in the ship 50 or may be arranged in another place, for example, in a power supply facility 1200 installed on land.
  • the power receiving device 200 may be installed on a movable underwater vehicle 60 (for example, a submarine 70 or an underwater excavator 80) or a fixedly installed power receiving device (for example, a seismometer, a monitoring camera, or a geothermal generator).
  • a submersible vehicle 70 is illustrated as the underwater vehicle 60.
  • Each coil CL is arranged underwater (for example, underwater).
  • the underwater vehicle 70 may be, for example, a remotely operated unmanned underwater vehicle (ROV: Remotely Operated Vehicle), an unmanned underwater vehicle (UUV: Unmanned Underwater Vehicle), or a self-contained unmanned underwater vehicle (AUV: Autonomous Underwater Vehicle).
  • ROV Remotely Operated Vehicle
  • UUV Unmanned Underwater Vehicle
  • UUV Unmanned Underwater Vehicle
  • UUV Unmanned Underwater Vehicle
  • UUV Unmanned Underwater Vehicle
  • UUV Unmanned Underwater Vehicle
  • a part of the ship 50 exists above the water surface 90 (for example, the sea surface), that is, above the water, and another part of the ship 50 exists below the water surface 90, that is, under the water.
  • the ship 50 can move on the water, for example, can freely move on the water at the data acquisition location.
  • a power cable 280 connects between the power transmission device 100 installed on the ship 50 and the power transmission coil CLA.
  • the power cable 280 is connected to, for example, a driver 151 (see FIG. 2) in the power transmission device 100 via a connector on the water.
  • the AUV 800 dive underwater. For example, it is possible to move freely to a data acquisition point according to an instruction from the watercraft 50.
  • the instruction from the ship 50 may be transmitted by communication via each coil CL, or may be transmitted by another communication method.
  • Each coil CL is arranged at equal intervals, for example.
  • the distance (coil interval) between adjacent coils CL is, for example, 5 m.
  • the coil interval is, for example, about half the diameter of the coil CL.
  • the transmission frequency is, for example, 40 kHz or less, and preferably less than 10 kHz, in consideration of the attenuation of the magnetic field strength in water (for example, in the sea).
  • a predetermined simulation must be performed based on the provisions of the Radio Law. If the frequency is lower than 10 kHz, this operation can be omitted.
  • the lower the transmission frequency the longer the power transmission distance, the larger the coil CL, and the longer the coil interval.
  • the transmission frequency may be a frequency higher than 40 kHz when a communication signal is superimposed, for example.
  • the transmission frequency is determined based on coil characteristics such as the inductance of the coil CL, the diameter of the coil CL, and the number of turns of the coil CL.
  • the diameter of the coil CL is, for example, several meters to several tens of meters. Further, as the thickness of the coil CL increases, that is, as the wire diameter of the coil CL increases, the electric resistance of the coil CL decreases and the power loss decreases.
  • the power transmitted through the coil CL is, for example, 50 W or more, and may be on the order of kW.
  • the power transmission device 100 may include one or more bobbins bn around which the wire of the coil is wound.
  • the material of the bobbin bn may be a non-conductive or weak magnetic material, and for example, a resin such as polyvinyl chloride, acrylic, or polyester may be used.
  • the bobbin material may have dielectric properties. For example, when polyvinyl chloride is used as the material of the bobbin, it is inexpensive, easily available, and easily processed. Since the bobbin bn is non-conductive, the power transmission device 100 can suppress the magnetic field generated due to the alternating current flowing through the coil CL from being absorbed by the bobbin bn.
  • a power supply stand 1000C including a bobbin bn10 floating in water and a power supply stand 1000D including a bobbin bn11 arranged on the seabed are provided to perform underwater power supply (for example, underwater power supply).
  • the power transmission coil CLA11 and the relay coil CLC11 are wound and arranged on the outer periphery of the cylindrical bobbin bn10.
  • a power cable 280 is connected to the power transmission coil CLA11, and power is supplied from the ship 50 moored at sea via the power cable 280.
  • the power cable 280 supports the power supply stand 1000C in a floating state in the sea. In the floating state, the openings on both sides of the cylindrical bobbin bn10 may face in the horizontal direction.
  • the AUV 800 may enter the entrance and exit of the power supply stand 1000C in a floating state in a horizontal direction, stay inside the bobbin bn10, and receive power.
  • the power supply stand 1000D is fixed to the upper part of two columns 1101 embedded in the sea floor 910.
  • the entrance of the power supply stand 1000D may be oriented in the horizontal direction.
  • power transmission coil CLA12 is wound around cylindrical bobbin bn11 and arranged, and relay coil CLC is not arranged.
  • the power transmission coil CLA12 may be connected to a power cable 280A crawling on the seabed 910, and power may be supplied from the power supply equipment 1200 via the power cable 280A.
  • the AUV 800 may enter the entrance and exit of the power supply stand 1000D installed on the sea floor 910 in the horizontal direction, stay inside the bobbin bn11, and receive power.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of the power transmission system 10.
  • the power transmission system 10 includes the power transmitting device 100 and the power receiving device 200 as described above.
  • the power transmission device 100 includes a power supply 110, an ADC (AC / DC Converter) 120, a CPU (Central Processing Unit) 130, an information communication unit 140, and a power transmission circuit 150.
  • ADC AC / DC Converter
  • CPU Central Processing Unit
  • the ADC 120 converts AC power supplied from the power supply 110 into DC power.
  • the converted DC power is transmitted to power transmission circuit 150.
  • the CPU 130 controls the operation of each unit (for example, the power supply 110, the ADC 120, the information communication unit 140, and the power transmission circuit 150) of the power transmission device 100.
  • the information communication unit 140 includes a modulation / demodulation circuit 141 for modulating or demodulating communication data communicated with the power receiving device 200.
  • the information communication unit 140 transmits, for example, control information from the power transmission device 100 to the power reception device 200 via the coil CL.
  • the information communication unit 140 receives, for example, data from the power receiving device 200 to the power transmitting device 100 via the coil CL.
  • This data includes, for example, data of a search result obtained by underwater exploration or underwater exploration by the power receiving device 200.
  • the information communication unit 140 allows the underwater vehicle 60 to quickly perform data communication with the underwater vehicle while performing operations such as data collection.
  • the power transmission circuit 150 includes a driver 151 and a resonance circuit 152.
  • the driver 151 converts the DC power from the ADC 120 into an AC voltage (pulse waveform) having a predetermined frequency.
  • the resonance circuit 152 includes a capacitor CA and a power transmission coil CLA, and generates an AC voltage having a sine wave waveform from an AC voltage having a pulse waveform from the driver 151.
  • the power transmission coil CLA resonates at a predetermined resonance frequency according to the AC voltage applied from the driver 151.
  • the power transmission coil CLA is impedance-matched to the output impedance of the power transmission device 100.
  • the predetermined frequency related to the AC voltage obtained by the conversion by the driver 151 corresponds to a transmission frequency of power transmission between the power transmitting device 100 and the power receiving device 200, and corresponds to a resonance frequency.
  • the transmission frequency may be set based on, for example, the Q value of each coil CL.
  • the power receiving device 200 includes a power receiving circuit 210, a CPU 220, a charging control circuit 230, a secondary battery 240, and an information communication unit 250.
  • the power receiving circuit 210 includes a rectifier circuit 211, a regulator 212, and a resonance circuit 213.
  • the resonance circuit 213 includes a capacitor CB and a power receiving coil CLB, and receives the AC power transmitted from the power transmitting coil CLA.
  • the power receiving coil CLB is impedance-matched to the input impedance of the power receiving device 200.
  • Rectifier circuit 211 converts AC power induced in power receiving coil CLB into DC power.
  • the regulator 212 converts the DC voltage sent from the rectifier circuit 211 into a predetermined voltage suitable for charging the secondary battery 240.
  • the CPU 220 controls the operation of each unit of the power receiving device 200 (for example, the power receiving circuit 210, the charging control circuit 230, the secondary battery 240, and the information communication unit 250).
  • the charging control circuit 230 controls charging of the secondary battery 240 according to the type of the secondary battery 240. For example, when the secondary battery 240 is a lithium ion battery, the charge control circuit 230 starts charging the secondary battery 240 with DC power from the regulator 212 at a constant voltage.
  • the secondary battery 240 stores the power transmitted from the power transmission device 100.
  • the secondary battery 240 is, for example, a lithium ion battery.
  • the information communication unit 250 includes a modulation / demodulation circuit 251 for modulating or demodulating communication data communicated with the power transmission device 100.
  • the information communication unit 250 receives, for example, control information from the power transmitting device 100 to the power receiving device 200 via the coil CL.
  • the information communication unit 250 transmits, for example, data from the power receiving device 200 to the power transmitting device 100 via the coil CL.
  • This data includes, for example, data of a search result obtained by underwater exploration or underwater exploration by the power receiving device 200.
  • the information communication unit 250 allows the underwater vehicle 60 to quickly perform data communication with the ship 50 while performing operations such as data collection.
  • the relay coil CLC forms a resonance circuit together with the capacitor CC, similarly to the power transmitting coil CLA and the power receiving coil CLB. That is, in the present embodiment, power is transmitted by the magnetic resonance method by arranging the resonance circuits in multiple stages in water.
  • the resonance circuit 152 when a current flows through the power transmission coil CLA of the power transmission device 100, a magnetic field is generated around the power transmission coil CLA. The vibration of the generated magnetic field is transmitted to the resonance circuit including the relay coil CLC or the resonance circuit 213 including the power receiving coil CLB that resonates at the same frequency.
  • the resonance circuit including the relay coil CLC In the resonance circuit including the relay coil CLC, current is excited in the relay coil CLC due to the vibration of the magnetic field, the current flows, and a magnetic field is further generated around the relay coil CLC. The vibration of the generated magnetic field is transmitted to the resonance circuit including another relay coil CLC or the resonance circuit 213 including the power receiving coil CLB that resonates at the same frequency.
  • an alternating current is induced in the power receiving coil CLB by the vibration of the magnetic field of the relay coil CLC or the power transmitting coil CLA.
  • the induced AC current is rectified, converted into a predetermined voltage, and charged in the secondary battery 240.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a positional relationship between the power transmitting coil structure 100Z and the power receiving coil structure 200Z when performing wireless power supply in water.
  • the power transmission coil structure 100Z is a structure related to the power transmission coil provided in the power transmission device 100, or a structure related to the power transmission coil and the relay coil.
  • the power receiving coil structure 200 ⁇ / b> Z is a structure related to the power receiving coil provided in the power receiving device 200.
  • the water is seawater, it may be water other than seawater.
  • the power transmission coil structure 100Z has a structure in which one power transmission coil CLA and two relay coils CLC are arranged horizontally in seawater. Although the bobbin bn is omitted in FIG. 3, the bobbin bn may be present or absent.
  • the number of relay coils CLC is not limited to two, and may be one or three or more. Further, the relay coil CLC may not be provided.
  • the power transmission coil CLA and the relay coil CLC are formed by, for example, sealing a 10-turn electric wire with a covering material (cover).
  • the electric wire is, for example, a copper wire.
  • a material having insulation, elasticity, and weather resistance for example, rubber or resin
  • the coil CL may be formed by winding an electric wire covered with a coating material ten times.
  • the power reception coil structure 200Z can move forward and backward.
  • the power receiving coil structure 200Z may be housed in the housing of the AUV800, may be formed to cover a part of the housing of the AUV800, or may be formed to cover the entire housing of the AUV800. Is also good.
  • a case is shown in which the power receiving coil structure 200Z is formed so as to cover a part of the housing of the AUV 800.
  • a hollow portion may exist inside the housing of the AUV 800.
  • Various devices for example, various arithmetic devices and various sensors
  • oil may be filled in a hollow portion in the housing of the AUV 800 so as to resist water pressure.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an external appearance example of the power receiving coil structure 200Z.
  • the power receiving coil structure 200 ⁇ / b> Z has a structure including a core (magnetic core) 850, which is a magnetic material (ferromagnetic material) having high magnetic permeability, and a power receiving coil CLB arranged to wind the core (magnetic core) 850.
  • the core 850 may include an AUV housing (weak magnetic body 851) and a magnetic body (for example, ferrite 852) wound around the housing.
  • a magnetic material having a low magnetic permeability (weak magnetic material) may be used for the core 850.
  • the core 850 may be formed by attaching a magnetic material to a side surface of a columnar weak magnetic body simulating the case of the AUV800.
  • the magnetic material may be formed into a cylindrical shape along the side surface of the columnar weak magnetic material, or may be formed into a sheet shape so as to be attached to the side surface of the weak magnetic material. Further, the magnetic material is not limited to the side surface (corresponding to the side surface of the AUV800 housing) of the columnar weak magnetic material, and the front surface (corresponding to the front surface of the AUV800 housing) and the back surface (corresponding to the back surface of the AUV800 housing). (Equivalent).
  • the columnar weak magnetic material for example, aluminum that is light, hard to rust, and easy to cut is used.
  • the weak magnetic material is not limited to aluminum, but may be stainless steel, titanium, resin, or the like.
  • a ferrite 852 having a thickness of 2 mm is used as the magnetic material. Ferrite is difficult to conduct electricity, so it generates little heat even when a magnetic field is generated, and does not rust, so it is easy to handle.
  • the magnetic material (ferromagnetic material) is not limited to ferrite, and it is also possible to use a silicon steel plate, permalloy, or the like. Note that a ferromagnetic material has higher magnetic permeability than a weak magnetic material.
  • the magnetic field generated by the power transmitting coil CLA or the relay coil CLC is concentrated inside the ferrite 852 forming the core 850, and is generated inside the ferrite 852 by the generated magnetic field. Generates magnetic flux.
  • many lines of magnetic force gather inside the power receiving coil CLB.
  • the AUV 800 enters the inside of the second-stage (right side of FIG. 3) relay coil CLC, and the second-stage relay coil CLC and the receiving coil CLB face each other on a substantially same plane.
  • wireless power supply starts underwater. Note that the same applies to the case where the AUV 800 enters the inside of the power transmission coil CLA from the power transmission coil CLA side instead of the relay coil CLC, and when the power transmission coil CLA and the power reception coil CLB reach a position facing each other on substantially the same plane. Then, wireless power supply is started underwater.
  • FIG. 5 is an enlarged view showing a cross section and a part of the power receiving coil structure 200Z viewed from the direction of arrow FF in FIG.
  • FIG. 6 is an enlarged view showing a cross section and a part of the power receiving coil structure 200Z viewed from the direction of arrows GG in FIG.
  • the power receiving coil CLB is formed by, for example, sealing an electric wire 856 having 10 turns with a covering material 855.
  • the covering material 855 may be a material having insulation, elasticity, and weather resistance, and rubber may be used here.
  • the receiving coil structure 200Z is integrated by mounting the formed receiving coil CLB on the outer periphery of the core 850.
  • An adhesive may be applied to the contact surface between the outer periphery of the core 850 and the covering material 855 of the power receiving coil CLB so as not to separate them.
  • the core 850 and the power receiving coil CLB may be integrated by a method other than bonding with an adhesive.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the power transmission model 15 for calculating the inductance and the Q value of the power receiving coil CLB, the power transmitting coil CLA, and the relay coil CLC.
  • relay coils CLC are arranged in two stages below the power transmission coil CLA in the drawing.
  • the diameter of the power transmission coil CLA is, for example, 2000 mm, and the number of turns thereof is, for example, 10 turns.
  • the diameter (wire diameter) of the conductor of the power transmission coil CLA is, for example, 13.9 mm, and the thickness of the covering material is, for example, 2.1 mm. Therefore, the cross-sectional area of this conductor is, for example, 100 mm 2 .
  • the specifications of the two relay coils CLC may be the same as those of the power transmission coil CLA.
  • the power receiving coil CLB is opposed to the second-stage relay coil CLC (in FIG. 7, the lower relay coil CLC) so as to be substantially on the same plane.
  • the diameter of the power receiving coil CLB is, for example, 500 mm, and the number of turns thereof is, for example, 10 times.
  • the diameter (wire diameter) of the conductor of the power receiving coil CLB is, for example, 9.1 mm, and the thickness of the covering material 855 is, for example, 3.2 mm. Therefore, the cross-sectional area of this conductor is, for example, 38 mm 2 .
  • each coil interval (the distance between the power transmission coil CLA and the relay coil CLC) is about half the diameter of the coil CL. Therefore, each coil interval is 1000 mm.
  • the material and dimensions of the core 850 are as described above.
  • FIG. 8 is a diagram showing an equivalent circuit of the power transmission model 15.
  • the resonance circuit 152 of the power transmission device 100 includes a power transmission coil CLA having an inductance L1 as an inductance value and a capacitor CA having a capacitance C1 as a capacitance value.
  • the resonance circuit including the first-stage relay coil CLC (the upper relay coil CLC in FIG. 7) includes a relay coil CLC having an inductance L2 as an inductance value and a capacitor CC having a capacitance C2 as a capacitance value.
  • the resonance circuit including the second-stage relay coil CLC (the lower relay coil CLC in FIG.
  • the resonance circuit 213 of the power receiving device 200 includes a power receiving coil CLB having an inductance L4 as an inductance value and a capacitor CB having a capacitance C4 as a capacitance value.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a parameter table Tb indicating the performance of the power transmitting coil CLA, the two relay coils CLC, and the power receiving coil CLB.
  • the parameter table Tb shows the inductance and the Q value when there is the ferrite 852 and when there is no ferrite 852.
  • the Q value indicates the sharpness of the resonance peak of the resonance circuit. The higher the Q value, the higher the power transmission efficiency of the coil CL.
  • the inductance value of the power transmission coil CLA is about 400 ⁇ H in the absence of the ferrite 852, while it is slightly larger at 414 ⁇ H in the presence of the ferrite 852, but is almost the same.
  • the Q value of the power transmission coil CLA is substantially the same as the value 55 regardless of the presence or absence of the ferrite 852.
  • the inductance value of the relay coil CLC of the first stage is about 400 ⁇ H in the absence of the ferrite 852, and slightly increased to 408 ⁇ H in the presence of the ferrite 852, but is substantially the same.
  • the Q value (Q2) of the first-stage relay coil CLC is substantially the same as the value 55 regardless of the presence or absence of the ferrite 852.
  • the inductance value of the relay coil CLC in the second stage is about 400 ⁇ H when the ferrite 852 is not provided, and slightly increased to 453 ⁇ H when the ferrite 852 is provided. Further, the Q value (Q3) of the second-stage relay coil CLC is substantially the same as the value 55 regardless of the presence or absence of the ferrite 852.
  • the inductance value of the power receiving coil CLB is about 40 ⁇ H without the ferrite 852, and is 291 ⁇ H with the ferrite 852, which is 7 times or more.
  • the Q value of the power receiving coil CLB is 10 or less when there is no ferrite 852, whereas the Q value is as high as 69 when there is the ferrite 852.
  • a processor of, for example, a PC Personal Computer performs a simulation using the power transmission model 15 based on the inductance value and the Q value according to the presence or absence of the core 850.
  • the processor derives (for example, calculates) a mutual inductance M34 between the second-stage relay coil CLC and the power receiving coil CLB.
  • the processor may calculate the coupling coefficient k34 between the second-stage relay coil CLC and the receiving coil CLB using the mutual inductance M34 according to, for example, Equation (1).
  • k34 M34 / (L3 ⁇ L4) 1/2 (1) Note that (L3 ⁇ L4) 1/2 indicates the square root of (L3 ⁇ L4), and “ ⁇ ” indicates a multiplication code.
  • the processor of the PC uses the calculated coupling coefficient k34, Q3 which is the Q value of the relay coil CLC of the second stage, and Q4 which is the Q value of the power receiving coil CLB, for example, according to Expression (2).
  • the maximum power transmission efficiency ⁇ max may be calculated.
  • Q34 (Q3 ⁇ Q4) 1/2 is represented. Note that (Q3 ⁇ Q4) 1/2 indicates a square root of (Q3 ⁇ Q4), and “•” indicates a multiplication code.
  • a processor of a general-purpose computer for example, a PC (Personal Computer) may perform the calculation.
  • the coupling coefficient k34 can be expressed as shown in Expression (3) using the Z parameter that is a transfer function.
  • the power receiving device 200 includes the weak magnetic body 851 that is a part of the housing formed of the weak magnetic material and is disposed in the water, and surrounds the outside of the weak magnetic body 851 and includes the ferromagnetic material. And a power receiving coil CLB wound around the outside of the ferromagnetic material.
  • the core (magnetic core) 850 which is a magnetic material is provided inside the power receiving coil CLB.
  • the core 850 is formed by attaching ferrite 852, which is a ferromagnetic material, to the side surface of aluminum so as to cover at least a part of the side surface of columnar aluminum, which is a weak magnetic material.
  • the power receiving device 200 can increase the inductance and the Q value of the power receiving coil CLB. Therefore, even when the AUV 800 has a weak magnetic housing, it is possible to suppress a decrease in transmission efficiency in non-contact power transmission in water.
  • power receiving device 200 can suppress heat generation of aluminum due to eddy current even when aluminum is used for the housing.
  • the presence of the core 850 increases the magnetic flux passing through the power transmitting coil CLA and the power receiving coil CLB.
  • the coupling coefficient between the coils is increased, and the transmission efficiency of the electromagnetic field (power) can be increased.
  • the ferrite 852 has conductivity, but has lower conductivity than seawater, and reduces attenuation of an electromagnetic field. Therefore, the power receiving device 200 can suppress power transmission loss.
  • the power receiving device 200 may be an AUV 800 as an underwater vehicle traveling in water.
  • the power receiving apparatus 200 can perform charging while improving the power transmission efficiency in water while securing the freedom of movement of the AUV 800.
  • the ferrite which is a ferromagnetic material
  • the ferrite is attached to the outer periphery of the core (magnetic core) 850 arranged inside the power receiving coil CLB.
  • the ferrite which is a ferromagnetic material, is provided on at least one outer periphery of the power transmission coil CLA and the two relay coils CLC in addition to the power reception coil CLB.
  • FIG. 10 is a perspective view showing the positional relationship between another power transmission coil structure 100Y and another power reception coil structure 200Z.
  • the power transmission coil structure 100Y is a structure related to the power transmission coil provided in the power transmission device 100, or a structure related to the power transmission coil and the relay coil.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the power transmitting coil structure 100Y and the power receiving coil structure 200Z as viewed from the direction of arrows HH in FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the power transmitting coil structure 100Y and the power receiving coil structure 200Z viewed from the direction of arrow II in FIG.
  • the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
  • the power transmission coil structure 100Y has a structure in which a ferrite 181 that is a ferromagnetic material is attached to the outer circumference of the power transmission coil CLA and two relay coils CLC. That is, the ferrite 181 is formed in a tubular shape so as to cover the power transmission coil CLA and the two relay coils CLC. That is, the ferrite 181 is arranged outside the circumference formed by each of the power transmission coil CLA and the relay coil CLC.
  • the thickness of the ferrite 181 may be 2 mm, which is the same as the thickness of the ferrite 852 provided on the core 850 on the power receiving side.
  • the magnetic field generated by the power transmission coil CLA and the relay coil CLC is hardly leaked to the outside by the ferrite 181 disposed radially outside the power transmission coil CLA and the relay coil CLC. It concentrates and generates magnetic flux inside the ferrite 181. Therefore, many lines of magnetic force gather inside the power transmission coil structure 100Y.
  • the power receiving coil CLB is formed by sealing the electric wire 856 of 10 turns with the covering material 855.
  • the covering material 855 may be a material having insulation, elasticity, and weather resistance, and for example, rubber is used.
  • the receiving coil structure 200Z may be integrated by winding the formed receiving coil CLB around the outer periphery of the core 850.
  • an adhesive may be applied to the contact surface between the outer periphery of the core 850 and the covering material 855 of the power receiving coil CLB so that they are not separated, or they may be integrated by a method other than adhesion. .
  • the power transmission device 100 of the other configuration example 1 may transmit power to the AUV 800 having the housing 800z made of a weak magnetic material in water using the other power transmission coil structure 100Y.
  • the power transmission device 100 surrounds one or more coils CL (an example of a transmission coil) including a power transmission coil CLA that transmits power to the power reception coil CLB of the power reception device 200 via a magnetic field, and radially outside the coil CL.
  • a ferrite 852 formed of a ferromagnetic material.
  • the magnetic field generated in the power transmitting coil CLA and the relay coil CLC can be suppressed from leaking outward in the radial direction of the power transmitting coil CLA and the relay coil CLC by the ferrite 181. That is, the magnetic field generated by the power transmission coil CLA and the relay coil CLC concentrates inside the ferrite 181 and generates a magnetic flux inside the ferrite 181.
  • the ferrite 181 has conductivity, but has lower conductivity than seawater, and can reduce attenuation of an electromagnetic field. Therefore, many lines of magnetic force gather inside the power transmission coil structure 100Y. Thereby, the power transmission device 100 can further increase the power transmission efficiency.
  • the power transmission device 100 may function as a connecting body that connects the power transmission coil CLA and the two relay coils CLC. it can. In this case, the power transmission device 100 can eliminate the need for the bobbin bn around which the power transmission coil CLA and the relay coil CLC are wound.
  • the power transmission system 10 (an example of an underwater power supply system) of another configuration example 1 includes a power transmission device 100 and a power reception device 200, and the power transmission device 100 arranged underwater supplies power to the power reception device 200.
  • the power receiving device 200 includes a housing 800z formed of a weak magnetic material, a ferrite 852 (an example of a first ferromagnetic material) that surrounds the outside of the housing 800z, and is formed of a ferromagnetic material. And a receiving coil CLB wound outside.
  • the power transmission device 100 includes one or more coils CL including a power transmission coil CLA that transmits power to the power reception coil CLB of the power reception device 200 via a magnetic field, and surrounds the coil CL in a radial direction and is formed of a ferromagnetic material.
  • Ferrite 181 an example of a second ferromagnetic material.
  • the magnetic field generated by the power transmission coil CLA and the relay coil CLC is concentrated inside the outer ferrite 181 without leaking to the outside, and generates a magnetic flux inside the outer ferrite 181.
  • the magnetic field lines due to the external magnetic field and the magnetic flux generated inside the ferrite 181 are concentrated inside the ferrite 852 inside the power receiving coil CLB, and do not go to the housing made of, for example, conductive aluminum. Accordingly, when core 850 is an AUV800 housing, power transmission system 10 can prevent heat generation of aluminum due to eddy current even if a weak magnetic material such as aluminum is used for the housing.
  • the power transmission coil structure has a bobbin around which the power transmission coil and the relay coil are wound.
  • the power transmission coil structure has a structure in which a plurality of power transmission coils and relay coils are connected via a connection body.
  • FIG. 13 is a perspective view schematically showing a power transmission system 10A including another power transmission coil structure 100X.
  • the power transmission coil structure 100X is a structure related to the power transmission coil provided in the power transmission device 100, or a structure related to the power transmission coil and the relay coil.
  • Each coil CL is connected to the connector 1030, and is arranged, for example, at equal intervals.
  • the distance (coil interval) between adjacent coils CL is, for example, 5 m.
  • the coil interval is, for example, about half the diameter of the coil CL.
  • the number of the coupling bodies 1030 is three, but the number is not limited thereto.
  • a weight 1040 is connected to the lower end of the connector 1030.
  • a buoy (Buoy) 1045 is connected to the upper end side of the connector 1030.
  • the weight 1040 can restrict the movement of the connector 1030, and can restrict the movement of each coil CL fixed to the connector 1030. Therefore, the power transmission system 10A can stabilize the positional relationship between the power transmission coil CLA and the relay coil CLC and the power reception coil CLB because the movement of each coil CL is regulated by the weight 1040 even when a water flow occurs in the water. In addition, it is possible to suppress a decrease in the efficiency of power transmission using the coil CL.
  • the weight 1040 is on the water bottom side
  • the buoy 1045 is on the water surface side
  • the connecting body 1030 is on the water surface 90.
  • a posture that is substantially horizontal can be maintained. Therefore, a plane defined by each coil CL is substantially perpendicular to the water surface 90, and power can be transmitted in a horizontal direction (a direction parallel to the water surface) by the magnetic field resonance method.
  • the weight 1040 may be removed from the connector 1030 when the connector 1030 is transported, and the weight 1040 may be attached to the connector 1030 when the transport of the connector 1030 is completed and installed at a predetermined position. . This facilitates transportation of the connector 1030.
  • the AUV 800 easily enters the inside of the power transmission coil structure 100X, and the power supply is simplified.
  • the power transmission coil structure 100X is lightweight and can be stored compactly, so that transport is easy.
  • the posture of the connecting body 1030 may be maintained in a state of being suspended in seawater, or may be maintained in a state of being fixed to a column installed on the sea floor.
  • each coil CL may be substantially horizontal with the water surface 90.
  • the power transmission system 10A can transmit power in the depth direction (a direction substantially perpendicular to the water surface) by the magnetic field resonance method.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the appearance of an AUV 800 equipped with another power receiving coil structure 200Y.
  • the power receiving coil structure 200Y is a structure related to the power receiving coil provided in the power receiving device 200.
  • an opening 852z in which a part of the ferrite 852 covering the weak magnetic body 851 is cut out is formed in the other power receiving coil structure 200Y.
  • An imaging window of a camera 951 mounted on the AUV 800 is exposed through the opening 852z. This can prevent the camera 951 from obstructing the angle of view by the ferrite 852.
  • the number of openings formed on the side surface of the ferrite 852 is not limited to one, and may be plural.
  • the opening is not limited to the imaging window of the camera, and may be provided so as not to cover other various devices and various components.
  • the opening may be formed at a position where a sound receiving surface such as an ultrasonic sensor is exposed.
  • the power receiving device 200 of the third configuration example may include the camera 951 (an example of a sensor).
  • the camera 951 may be arranged outside the housing of the AUV 800 and detect and acquire data.
  • the ferrite 852 may be absent at a position facing a sensor disposed outside the housing.
  • the power receiving device 200 can increase the transmission efficiency of the power transmitted from the power transmission coil structure without hindering the operation of devices such as the camera 951 and the sensor mounted on the AUV 800.
  • the power receiving device 200 can improve the power transmission efficiency by suppressing a decrease in the detection accuracy of the sensor as compared with the case where the camera 951 is covered with the ferrite 852.
  • the power receiving device 200 may be a generator or the like installed on the sea floor. In this case, the power receiving device 200 is fixedly installed in water. As described above, even when the structure is fixedly installed on the sea floor and it is difficult to move and charge the structure, the power transmission device 100 approaches the power reception device 200, and the power underwater is reduced. It can be charged with improved transmission efficiency.
  • the arrangement direction of the power transmission coil CLA and the plurality of relay coils CLC is arranged horizontally (horizontally) in seawater, but may be arranged vertically (vertically). .
  • the surfaces of the power transmission coil CLA and the relay coil CLC are substantially parallel to the water surface.
  • the power receiving coil CLB mounted on the AUV 800 may also be mounted vertically so as to match the direction of the magnetic field. That is, the surface of the power receiving coil CLB may be substantially parallel to the water surface.
  • the AUV 800 is arranged in a horizontal direction with respect to the power transmission coil structure. Entry and exit may be possible.
  • the AUV 800 is arranged at the upper and lower ends of the bobbin bn. May enter the inside of the power transmission coil structure from the opening of the bobbin bn located at the position.
  • the processor may be physically configured in any manner. Further, if a programmable processor is used, the processing content can be changed by changing the program, so that the degree of freedom in designing the processor can be increased.
  • the processor may be configured by one semiconductor chip or may be physically configured by a plurality of semiconductor chips. In the case of configuring with a plurality of semiconductor chips, each control of the above-described embodiment may be realized by separate semiconductor chips. In this case, it can be considered that one processor is constituted by the plurality of semiconductor chips. Further, the processor may be configured by a member (such as a capacitor) having a different function from the semiconductor chip. In addition, one semiconductor chip may be configured so as to realize the functions of the processor and other functions. Further, a plurality of processors may be configured by one processor.
  • the present disclosure is useful for a power receiving device, a power transmitting device, an underwater power supply system, and the like that can suppress a decrease in transmission efficiency in non-contact power transmission in water even when the power receiving device has a weak magnetic housing.

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Abstract

受電装置が弱磁性の筐体を有する場合でも、水中での非接触電力伝送における伝送効率の低下を抑制できる受電装置を提供する。水中に配置される受電装置であって、弱磁性材料で形成された筐体と、筐体の外側を包囲し、強磁性材料で形成された強磁性体と、強磁性体の外側に巻回された受電コイルと、を備える。

Description

受電装置、送電装置および水中給電システム
　本開示は、水中において電力を受電する受電装置、水中において電力を送電する送電装置、及び水中給電システムに関する。
　従来、送電装置としての水中基地局が、受電装置としての水中航走体との間で、磁気共方式を用いて非接触で電力伝送することが知られている（例えば特許文献１参照）。この送電装置は、送電用共鳴コイルと、風船と、風船制御機構と、を具備する。送電用共鳴コイルは、磁界共鳴方式により受電装置の受電用共鳴コイルに非接触で電力伝送する。風船は、送電用共鳴コイルを内包する。風船制御機構は、風船を電力伝送時に膨張させることにより、送電用共鳴コイルと受電用共鳴コイルとの間の水を排除する。
　また、１３．５６ＭＨｚ帯の周波数を用いる電磁誘導方式を利用して、電力とデータをＩＣ搭載媒体に送信するアンテナ装置が知られている（例えば特許文献２参照）。このアンテナ装置は、信号電流が給電される少なくとも１つの給電ループアンテナと信号電流が給電されない少なくとも１つの無給電ループアンテナを有し、給電ループアンテナが発生する磁界を利用して無給電ループアンテナにも信号電流を発生させ、給電ループアンテナの通信範囲を拡大させる点を開示している。
日本国特開２０１５－０１５９０１号公報 日本国特開２００５－１０２１０１号公報
　水中航走体である自立型無人潜水機（ＡＵＶ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等の水中で受電する受電装置の筐体には、通常、弱磁性体（非磁性体）であるアルミニウムが使用される。この筐体の側面に線材を巻き付けて受電コイルを成形した場合、弱磁性体であるアルミニウムの導電性のため、インダクタンスが低下し、Ｑ値が低下する。また、アルミニウムの導電率が大きいので、磁界によって渦電流が発生して筐体が発熱する。
　本開示は、上述した従来の状況に鑑みて案出され、受電装置が弱磁性の筐体を有する場合でも、水中での非接触電力伝送における伝送効率の低下を抑制できる受電装置、送電装置及び水中給電システムを提供する。
　本開示の一態様は、水中に配置される受電装置であって、弱磁性材料で形成された筐体と、前記筐体の外側を包囲し、強磁性材料で形成された磁性体と、前記磁性体の外側に巻回された受電コイルと、を備える受電装置である。
　本開示の一態様は、水中において、弱磁性材料で形成された筐体を有する受電装置に電力を送電する送電装置であって、磁界を介して、前記受電装置の受電コイルに電力を伝送する送電コイルを含む１つ以上の伝送コイルと、前記伝送コイルの半径方向外側を包囲し、強磁性材料で形成された磁性体と、を備える送電装置である。
　本開示の一態様は、送電装置及び受電装置を備え、水中に配置された送電装置が受電装置に電力を供給する水中給電システムであって、受電装置は、弱磁性材料で形成された筐体と、前記筐体の外側を包囲し、強磁性材料で形成された第１の磁性体と、前記第１の磁性体の外側に巻回された受電コイルと、を備え、前記送電装置は、磁界を介して、前記受電装置の前記受電コイルに電力を伝送する送電コイルを含む１つ以上の伝送コイルと、前記伝送コイルの半径方向外側を包囲し、磁性材料で形成された第２の磁性体と、を備える水中給電システムである。
　本発明によれば、受電装置が弱磁性の筐体を有する場合でも、水中での非接触電力伝送における伝送効率の低下や筐体の発熱を抑制できる。
本実施形態の電力伝送システムが置かれる環境の一例を示す図 電力伝送システムの構成例を示すブロック図 無線給電を行う際の送電コイル構造体および受電コイル構造体の位置関係を示す斜視図 受電コイル構造体の外観を示す斜視図 図４の矢印Ｆ－Ｆ方向から視た受電コイル構造体の断面およびその一部を拡大して示す図である。 図４の矢印Ｇ－Ｇ方向から視た受電コイル構造体の断面およびその一部を拡大して示す図 受電コイル、送電コイルおよび中継コイルのインダクタンスおよびＱ値を計算するための電力伝送モデルの一例を示す図 電力伝送モデルの等価回路を示す図 送電コイル、２つの中継コイル、および受電コイルの性能を表すパラメータテーブルを示す図 他の送電コイル構造体および受電コイル構造体の位置関係を示す斜視図である。 図１０の矢印Ｈ－Ｈ方向から視た送電コイル構造体および受電コイル構造体の断面図である。 図１０の矢印Ｉ－Ｉ方向から視た送電コイル構造体および受電コイル構造体の断面図 他の送電コイル構造体を含む電力伝送システムの概略を示す斜視図 他の受電コイル構造体を搭載したＡＵＶの外観を示す断面図
　以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係る受電装置、送電装置および水中給電システムを具体的に開示した実施形態（以下、「本実施形態」という）である電力伝送システムを詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
（本開示の一形態を得るに至った経緯）
　海水中で磁気共鳴方式により電力を伝送する場合、海水は導電率が高いので、電磁界の減衰が大きい。このため、受電コイルを、電磁界の減衰の少ない媒質（例えば空気）で覆うことが検討される。しかし、受電コイルを電磁界の減衰の少ない媒質で覆っても、電磁界の減衰を十分に低減することは難しく、また、受電コイルを囲むためには、大きな空間が必要となる。以下の実施形態では、一例として、受電コイルにコア（磁心）を設け、コアに電磁界を集中させることで、水中（例えば海水中）における電磁界の減衰を低減する。
　図１は、本実施形態の電力伝送システム１０が置かれる環境の一例を示す図である。電力伝送システム１０は、送電装置１００、受電装置２００、及び複数のコイルＣＬを備える（図２参照）。送電装置１００は、受電装置２００に対して、複数のコイルＣＬを介して、磁気共鳴方式に従ってワイヤレス（無接点）で電力伝送する。配置されるコイルＣＬの数は、ｎ個であり、任意である。
　コイルＣＬは、例えば、環状に形成され、樹脂のカバーで被覆されて絶縁される。また、コイルＣＬは、例えばキャブタイヤケーブルで形成されてよい。コイルＣＬは、例えば、ヘリカルコイルやスパイラルコイルでよい。ヘリカルコイルは、同一平面内ではなく、磁気共鳴方式による電力の伝送方向（単に「伝送方向」とも称する）に沿って、螺旋状に巻回された（ヘリカル巻きで形成された）環状のコイルである。スパイラルコイルは、同一平面内において巻回された（スパイラル巻きで形成された）環状のコイルである。スパイラルコイルによれば、コイルＣＬの厚みを確保することが困難な場合でも、コイルＣＬを薄型化できる。ヘリカルコイルによれば、巻回されたコイルＣＬの内部の空間を広く確保し得る。図１では、一例としてスパイラルコイルが用いられる。
　コイルＣＬは、送電コイルＣＬＡ及び受電コイルＣＬＢを含む。送電コイルＣＬＡは、一次コイル（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｃｏｉｌ）であり、受電コイルＣＬＢは、二次コイル（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｃｏｉｌ）である。また、コイルＣＬは、送電コイルＣＬＡと受電コイルＣＬＢとの間に配置された１つ以上の中継コイルＣＬＣ（Ｂｏｏｓｔｅｒ Ｃｏｉｌ）を含んでもよい。中継コイルＣＬＣ同士は、略平行に配置され、中継コイルＣＬＣにより形成される開口面の半分以上が重なる。複数の中継コイルＣＬＣ間の間隔は、例えば中継コイルＣＬＣの半径以上確保される。中継コイルＣＬＣは、送電コイルＣＬＡによる電力伝送を補助する。
　送電コイルＣＬＡは、送電装置１００に設けられる。受電コイルＣＬＢは、受電装置２００に設けられる。中継コイルＣＬＣは、送電装置１００に設けられても、受電装置２００に設けられても、送電装置１００及び受電装置２００とは別に設けられてもよい。中継コイルＣＬＣは、一部が送電装置１００に設けられ、他の一部が受電装置２００に設けられてもよい。
　送電装置１００は、その一部が船舶５０に設置されてもよいし、その他の箇所、例えば陸上に設置された給電設備１２００に配置されてもよい。受電装置２００は、移動可能な水中航走体６０（例えば潜水艇７０や水底掘削機８０）や固定的に設置される受電装置（例えば地震計、監視カメラ、地熱発電機）に設置されてよい。図１では、水中航走体６０として、潜水艇７０を例示する。各コイルＣＬは、水中（例えば海中）に配置される。
　潜水艇７０は、例えば、遠隔操作無人探査機（ＲＯＶ：Ｒｅｍｏｔｅｌｙ Ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、無人潜水艇（ＵＵＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、又は自立型無人潜水機（ＡＵＶ：Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ）８００を含んでよい。ここでは、潜水艇７０として、ＡＵＶ８００を用いる場合を詳細に説明する。
　船舶５０の一部は、水面９０（例えば海面）より上部つまり水上に存在し、船舶５０の他の一部は、水面９０よりも下部つまり水中に存在する。船舶５０は、水上で移動可能であり、例えばデータ取得場所の水上へ自由に移動可能である。船舶５０に設置された送電装置１００と送電コイルＣＬＡとの間は、電力ケーブル２８０により接続される。電力ケーブル２８０は、水上のコネクタを介して、例えば送電装置１００内のドライバ１５１（図２参照）と接続される。
　ＡＵＶ８００は、水中を潜行する。例えば、水上の船舶５０からの指示により、データ取得ポイントへ自由に移動可能である。船舶５０からの指示は、各コイルＣＬを介した通信により伝送されてもよいし、その他の通信方法により伝送されてもよい。
　各コイルＣＬは、例えば等間隔に配置される。隣り合うコイルＣＬ間の距離（コイル間隔）は、例えば５ｍである。コイル間隔は、例えばコイルＣＬの直径の半分程度の長さである。伝送周波数は、水中（例えば海中）での磁界強度の減衰量を考慮すると、例えば４０ｋＨｚ以下であり、１０ｋＨｚ未満とされることが好ましい。また、１０ｋＨｚ以上の送信周波数で電力伝送する場合には、電波法の規定に基づいて所定のシミュレーションを行う必要があり、１０ｋＨｚ未満の場合にはこの作業を省略できる。尚、伝送周波数が低周波であるほど、電力伝送距離が長くなり、コイルＣＬが大きくなり、コイル間隔が長くなる。なお、伝送周波数は、例えば通信信号が重畳される場合、４０ｋＨｚよりも高い周波数でもよい。
　伝送周波数は、コイルＣＬのインダクタンス、コイルＣＬの直径、コイルのＣＬの巻き数等のコイル特性に基づき定まる。コイルＣＬの直径は、例えば数ｍ～数１０ｍである。また、コイルＣＬの太さが太い程、つまりコイルＣＬの線径が大きい程、コイルＣＬでの電気抵抗が減り、電力損失が小さくなる。また、コイルＣＬを介して伝送される電力は、例えば５０Ｗ以上であり、ｋＷオーダーでもよい。
　また、送電装置１００は、コイルの線材が巻かれる、１つ以上のボビンｂｎを備えてよい。ボビンｂｎの材料は、非導電性又は弱磁性の材料でよく、例えば、ポリ塩化ビニル、アクリル、ポリエステル等の樹脂が用いられてよい。なお、ボビンの材料は、誘電性を有してもよい。例えば、ボビンの材料としてポリ塩化ビニルを用いると、安価で入手し易く、加工し易くなる。ボビンｂｎが非導電性を有することで、送電装置１００は、コイルＣＬに流れる交流電流に起因して発生する磁界が、ボビンｂｎに吸収されることを抑制できる。
　図１では、水中給電（例えば海中給電）を行うために、水中に浮遊するボビンｂｎ１０を含む給電スタンド１０００Ｃと、海底に配置されたボビンｂｎ１１を含む給電スタンド１０００Ｄとが設置される。
　給電スタンド１０００Ｃでは、筒状のボビンｂｎ１０の外周には、送電コイルＣＬＡ１１及び中継コイルＣＬＣ１１が巻回されて配置される。送電コイルＣＬＡ１１には、電力ケーブル２８０が接続されており、海上に係留している船舶５０から電力ケーブル２８０を介して電力が供給される。また、電力ケーブル２８０は、給電スタンド１０００Ｃを海中で浮遊状態に支持する。浮遊状態では、筒状のボビンｂｎ１０の両側の開口は、水平方向を向いてよい。ＡＵＶ８００は、浮遊状態にある給電スタンド１０００Ｃの出入口に対し、水平方向に進入し、ボビンｂｎ１０の内部に留まって受電してよい。
　給電スタンド１０００Ｄは、海底９１０に埋め込まれた２本の支柱１１０１の上部に固定される。給電スタンド１０００Ｄの出入口は、水平方向を向いてよい。給電スタンド１０００Ｄでは、筒状のボビンｂｎ１１に送電コイルＣＬＡ１２が巻回されて配置され、中継コイルＣＬＣは配置されていない。送電コイルＣＬＡ１２には、海底９１０に這わされた電力ケーブル２８０Ａが接続され、給電設備１２００から電力ケーブル２８０Ａを介して電力が供給されてよい。ＡＵＶ８００は、海底９１０に設置された給電スタンド１０００Ｄの出入口に対し、水平方向に進入し、ボビンｂｎ１１の内部に留まって受電してよい。
　図２は、電力伝送システム１０の構成例を示すブロック図である。電力伝送システム１０は、前述したように、送電装置１００及び受電装置２００を備える。送電装置１００は、電源１１０、ＡＤＣ（ＡＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１２０、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１３０、情報通信部１４０、及び送電回路１５０、を備える。
　ＡＤＣ１２０は、電源１１０から供給される交流電力を直流電力に変換する。変換された直流電力は、送電回路１５０へ送られる。
　ＣＰＵ１３０（プロセッサの一例）は、送電装置１００の各部（例えば電源１１０、ＡＤＣ１２０、情報通信部１４０、送電回路１５０）の動作を統括する。
　情報通信部１４０は、受電装置２００との間で通信される通信データを変調又は復調するための変復調回路１４１を含む。情報通信部１４０は、例えば、送電装置１００から受電装置２００への制御情報を、コイルＣＬを介して送信する。情報通信部１４０は、例えば、受電装置２００から送電装置１００へのデータを、コイルＣＬを介して受信する。このデータには、例えば、受電装置２００により水中探査や水底探査された探査結果のデータが含まれる。情報通信部１４０により、水中航走体６０がデータ収集等の作業を行いながら、水中航走体との間で迅速にデータ通信できる。
　送電回路１５０は、ドライバ１５１及び共振回路１５２を含む。ドライバ１５１は、ＡＤＣ１２０からの直流電力を所定の周波数の交流電圧（パルス波形）に変換する。共振回路１５２は、コンデンサＣＡと送電コイルＣＬＡとを含んで構成され、ドライバ１５１からのパルス波形の交流電圧から正弦波波形の交流電圧を生成する。送電コイルＣＬＡは、ドライバ１５１から印加される交流電圧に応じて、所定の共振周波数で共振する。尚、送電コイルＣＬＡは、送電装置１００の出力インピーダンスにインピーダンス整合される。
　なお、ドライバ１５１が変換することで得られる交流電圧に係る所定の周波数は、送電装置１００と受電装置２００との間での電力伝送の伝送周波数に相当し、共振周波数に相当する。伝送周波数は、例えば、各コイルＣＬのＱ値に基づき設定されてよい。
　受電装置２００は、受電回路２１０、ＣＰＵ２２０、充電制御回路２３０、２次電池２４０、及び情報通信部２５０を備える。
　受電回路２１０は、整流回路２１１、レギュレータ２１２、及び共振回路２１３を含む。共振回路２１３は、コンデンサＣＢと受電コイルＣＬＢとを含んで構成され、送電コイルＣＬＡから送電された交流電力を受電する。尚、受電コイルＣＬＢは、受電装置２００の入力インピーダンスにインピーダンス整合される。整流回路２１１は、受電コイルＣＬＢに誘起された交流電力を直流電力に変換する。レギュレータ２１２は、整流回路２１１から送られる直流電圧を、２次電池２４０の充電に適合する所定の電圧に変換する。
　ＣＰＵ２２０（プロセッサの一例）は、受電装置２００の各部（例えば受電回路２１０、充電制御回路２３０、２次電池２４０、情報通信部２５０）の動作を統括する。
　充電制御回路２３０は、２次電池２４０の種別に応じて２次電池２４０への充電を制御する。例えば、２次電池２４０がリチウムイオン電池の場合、充電制御回路２３０は、定電圧で、レギュレータ２１２からの直流電力により２次電池２４０への充電を開始する。
　２次電池２４０は、送電装置１００から伝送された電力を蓄積する。２次電池２４０は、例えばリチウムイオン電池である。
　情報通信部２５０は、送電装置１００との間で通信される通信データを変調又は復調するための変復調回路２５１を含む。情報通信部２５０は、例えば、送電装置１００から受電装置２００への制御情報を、コイルＣＬを介して受信する。情報通信部２５０は、例えば、受電装置２００から送電装置１００へのデータを、コイルＣＬを介して送信する。このデータには、例えば、受電装置２００により水中探査や水底探査された探査結果のデータが含まれる。情報通信部２５０により、水中航走体６０がデータ収集等の作業を行いながら、船舶５０との間で迅速にデータ通信できる。
　尚、中継コイルＣＬＣは、送電コイルＣＬＡ及び受電コイルＣＬＢと同様に、コンデンサＣＣとともに共振回路を構成する。つまり、本実施形態では、共振回路が水中において多段に配置されることで、磁気共鳴方式により電力が伝送される。
　次に、送電装置１００から受電装置２００への電力伝送について説明する。共振回路１５２では、送電装置１００の送電コイルＣＬＡに電流が流れると送電コイルＣＬＡの周囲に磁場が発生する。発生した磁場の振動は、同一の周波数で共振する中継コイルＣＬＣを含む共振回路又は受電コイルＣＬＢを含む共振回路２１３に伝達される。
　中継コイルＣＬＣを含む共振回路では、磁場の振動により中継コイルＣＬＣに電流が励起され、電流が流れ、中継コイルＣＬＣの周囲に更に磁場が発生する。発生した磁場の振動は、同一の周波数で共振する他の中継コイルＣＬＣを含む共振回路又は受電コイルＣＬＢを含む共振回路２１３に伝達される。
　共振回路２１３では、中継コイルＣＬＣ又は送電コイルＣＬＡの磁場の振動により、受電コイルＣＬＢに交流電流が誘起される。誘起された交流電流が整流され、所定の電圧に変換され、２次電池２４０に充電される。
　図３は、水中において無線給電を行う際の送電コイル構造体１００Ｚおよび受電コイル構造体２００Ｚの位置関係を示す斜視図である。送電コイル構造体１００Ｚは、送電装置１００に設けられる送電コイルに関する構造体、又は、送電コイル及び中継コイルに関する構造体である。受電コイル構造体２００Ｚは、受電装置２００に設けられる受電コイルに関する構造体である。なお、水中が海水中であることを主に例示するが、海水中以外の水中であってもよい。
　送電コイル構造体１００Ｚは、１つの送電コイルＣＬＡと２つの中継コイルＣＬＣが海水中で水平方向に並ぶように配置された構造を有する。なお、図３では、ボビンｂｎが省略されているが、ボビンｂｎが存在しても不在でもよい。中継コイルＣＬＣの数は、２つでなくてもよく、１つでも３つ以上でもよく、更に中継コイルＣＬＣが設けられなくてもよい。送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣは、例えば１０回巻きの電線を被覆材（カバー）で密閉して成形される。電線は、例えば銅線である。被覆材には、絶縁性、弾力性、耐候性を有する材料（例えばゴムや樹脂）が用いられる。なお、コイルＣＬは、被覆材で覆われた電線を１０回巻くことで成形されてもよい。
　送電コイル構造体１００Ｚの内側では、受電コイル構造体２００Ｚが進退自在である。受電コイル構造体２００Ｚは、ＡＵＶ８００の筐体に収容されてもよいし、ＡＵＶ８００の筐体の一部を覆うように形成されてもよいし、ＡＵＶ８００の筐体の全部を覆うように形成されてもよい。ここでは、受電コイル構造体２００ＺがＡＵＶ８００の筐体の一部を覆うように形成される場合を示す。また、ＡＵＶ８００の筐体の内部は、中空部分が存在してよい。中空部分には、各種機器（例えば各種演算装置や各種センサ）が配置されてよい。なお、ＡＵＶ８００の航走予定位置が水深の深い位置である場合、水圧に抗するように、ＡＵＶ８００の筐体内の中空部分に油が充填されてよい。
　図４は、受電コイル構造体２００Ｚの外観例を示す斜視図である。受電コイル構造体２００Ｚは、透磁率の高い磁性体（強磁性体）であるコア（磁心）８５０と、コア（磁心）８５０を巻回するように配置された受電コイルＣＬＢと、を含む構造を有する。コア８５０は、ＡＵＶの筐体（弱磁性体８５１）と筐体の周囲に巻回される磁性体（例えばフェライト８５２）とを含んでよい。コア８５０には、透磁率が低い磁性体（弱磁性体）が用いられてもよい。コア８５０は、ＡＵＶ８００の筐体を模した円柱状の弱磁性体の側面に、磁性材料を貼ることで成形されてよい。なお、磁性体は、円柱状の弱磁性体の側面に沿うように筒状に成形されてよいし、弱磁性体の側面に貼られるようにシート状に成形されてもよい。また、磁性体は、円柱状の弱磁性体の側面（ＡＵＶ８００の筐体の側面に相当）に限らず、その前面（ＡＵＶ８００の筐体の前面に相当）と背面（ＡＵＶ８００の筐体の背面に相当）に貼られてもよい。円柱状の弱磁性体には、例えば、軽くて錆びにくく切削し易いアルミニウムが用いられる。なお、弱磁性体としては、アルミニウムに限らず、ステンレス、チタン、樹脂等が用いられてもよい。また、磁性材料として、本実施形態では、一例として、厚さ２ｍｍのフェライト８５２が用いられる。フェライトは、電気を通しにくいので、磁界が発生しても発熱が少なく、また、錆びないので、取り扱い易い。なお、磁性材料（強磁性材料）として、フェライトに限らず、ケイ素鋼板やパーマロイ等を用いることも可能である。なお、強磁性材料は、弱磁性材料よりも透磁率が高いことを示す。
　受電コイルＣＬＢの内側にコア８５０を設けた場合、送電コイルＣＬＡ又は中継コイルＣＬＣで発生する磁界は、コア８５０を形成するフェライト８５２の内部に集中するとともに、発生した磁界によって、フェライト８５２の内部に磁束を生じさせる。これにより、受電コイル構造体２００Ｚでは、受電コイルＣＬＢの内側に多くの磁力線が集まる。
　図３に示すように、２段目（図３の右側）の中継コイルＣＬＣの内側にＡＵＶ８００が進入し、２段目の中継コイルＣＬＣと受電コイルＣＬＢとが略同一平面上で対向した位置に到達すると、水中において無線給電が開始される。なお、中継コイルＣＬＣでなく、送電コイルＣＬＡ側からの送電コイルＣＬＡの内側にＡＵＶ８００が進入した場合も同様であり、送電コイルＣＬＡと受電コイルＣＬＢとが略同一平面上で対向した位置に到達すると、水中において無線給電が開始される。
　図５は、図４の矢印Ｆ－Ｆ方向から視た受電コイル構造体２００Ｚの断面およびその一部を拡大して示す図である。図６は、図４の矢印Ｇ－Ｇ方向から視た受電コイル構造体２００Ｚの断面およびその一部を拡大して示す図である。受電コイルＣＬＢは、例えば１０回巻きの電線８５６を被覆材８５５で密閉することで成形される。被覆材８５５は、絶縁性、弾力性、耐候性を有する材料であればよく、ここではゴムが用いられてよい。受電コイル構造体２００Ｚは、コア８５０の外周に、成形された受電コイルＣＬＢを装着することで一体化される。コア８５０の外周と受電コイルＣＬＢの被覆材８５５との接触面には、これらが分離しないように接着材が塗布されてよい。なお、接着剤による接着以外の方法で、コア８５０と受電コイルＣＬＢとの一体化が行われてもよい。
　図７は、受電コイルＣＬＢ、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣのインダクタンスおよびＱ値を計算するための電力伝送モデル１５の一例を示す図である。この電力伝送モデル１５では、送電コイルＣＬＡの図中下方に中継コイルＣＬＣが２段に配置される。送電コイルＣＬＡの直径は例えば２０００ｍｍであり、その巻き数は例えば１０回である。また、送電コイルＣＬＡの導体の直径（線径）は例えば１３．９ｍｍであり、被覆材の厚みは例えば２．１ｍｍである。したがって、この導体の断面積は、例えば１００ｍｍ２である。また、２つの中継コイルＣＬＣの仕様は、送電コイルＣＬＡと同じでよい。
　受電コイルＣＬＢは、２段目の中継コイルＣＬＣ（図７では下方の中継コイルＣＬＣ）と略同一平面になるように対向している。受電コイルＣＬＢの直径は例えば５００ｍｍであり、その巻き数は例えば１０回である。また、受電コイルＣＬＢの導体の直径（線径）は例えば９．１ｍｍであり、その被覆材８５５の厚みは例えば３．２ｍｍである。したがって、この導体の断面積は、例えば３８ｍｍ２である。
　また、各コイル間隔（送電コイルＣＬＡと中継コイルＣＬＣの間の距離）は、コイルＣＬの直径の半分程度の長さである。したがって、各コイル間隔は１０００ｍｍである。コア８５０の材質・寸法等は、前述したとおりである。
　図８は、電力伝送モデル１５の等価回路を示す図である。この等価回路では、送電装置１００の共振回路１５２は、インダクタンスの値としてインダクタンスＬ１を有する送電コイルＣＬＡ及びキャパシタンスの値としてキャパシタンスＣ１を有するコンデンサＣＡを含む。１段目の中継コイルＣＬＣ（図７では上方の中継コイルＣＬＣ）を含む共振回路は、インダクタンスの値としてインダクタンスＬ２を有する中継コイルＣＬＣ及びキャパシタンスの値としてのキャパシタンスＣ２を有するコンデンサＣＣを含む。２段目の中継コイルＣＬＣ（図７では下方の中継コイルＣＬＣ）を含む共振回路は、インダクタンスの値としてインダクタンスＬ３を有する中継コイルＣＬＣ及びキャパシタンスの値としてキャパシタンスＣ３を有するコンデンサＣＣを含む。受電装置２００の共振回路２１３は、インダクタンスの値としてインダクタンスＬ４を有する受電コイルＣＬＢ及びキャパシタンスの値としてキャパシタンスＣ４を有するコンデンサＣＢを含む。
　送電コイルＣＬＡ、２つの中継コイルＣＬＣ、及び受電コイルＣＬＢのそれぞれについて、インダクタンスおよびＱ値を導出（例えば検出、計算）する。図９は、送電コイルＣＬＡ、２つの中継コイルＣＬＣ、及び受電コイルＣＬＢの性能を表すパラメータテーブルＴｂを示す図である。このパラメータテーブルＴｂには、フェライト８５２がある場合とフェライト８５２が無い場合におけるインダクタンス及びＱ値が示される。ここで、Ｑ値は、共振回路の共振のピークの鋭さを表す。Ｑ値が高い程、コイルＣＬによる電力の伝送効率が向上する。Ｑ値は、角周波数ω、抵抗成分Ｒ，インダクタンス成分Ｌ、キャパシタンス成分Ｃを用いると、Ｑ＝ωＬ／Ｒ＝１／ωＣＲで示される。また、角周波数ωは、インダクタンス成分Ｌ、キャパシタンス成分Ｃを用いると、ω＝（１／ＬＣ）１／２で示される。
　図９に示すように、送電コイルＣＬＡのインダクタンス値は、フェライト８５２が無い場合に４００μＨ程度であるのに対し、フェライト８５２が有る場合に４１４μＨと僅かに大きくなるが、ほぼ同じである。また、送電コイルＣＬＡのＱ値は、フェライト８５２の有無によらず、値５５とほぼ同じである。
　１段目の中継コイルＣＬＣのインダクタンス値は、フェライト８５２が無い場合に４００μＨ程度であるのに対し、フェライト８５２が有る場合に４０８μＨと僅かに大きくなるが、ほぼ同じである。また、１段目の中継コイルＣＬＣのＱ値（Ｑ２）は、フェライト８５２の有無によらず、値５５とほぼ同じである。
　２段目の中継コイルＣＬＣのインダクタンス値は、フェライト８５２が無い場合に４００μＨ程度であるのに対し、フェライト８５２が有る場合に４５３μＨと少し大きくなる。また、２段目の中継コイルＣＬＣのＱ値（Ｑ３）は、フェライト８５２の有無によらず、値５５とほぼ同じである。
　受電コイルＣＬＢのインダクタンス値は、フェライト８５２が無い場合に４０μＨ程度であるのに対し、フェライト８５２が有る場合に２９１μＨと７倍以上に大きくなる。また、受電コイルＣＬＢのＱ値は、フェライト８５２が無い場合に値１０以下であるのに対し、フェライト８５２が有る場合に値６９と高くなる。
　例えば、例えばＰＣ（Personal Computer）のプロセッサは、これらのコア８５０の有無に応じたインダクタンス値及びＱ値を基に、電力伝送モデル１５を用いてシミュレーションを行う。プロセッサは、２段目の中継コイルＣＬＣと受電コイルＣＬＢの相互インダクタンスＭ３４を導出（例えば算出）する。プロセッサは、相互インダクタンスＭ３４を用いて、例えば式（１）に従い、２段目の中継コイルＣＬＣと受電コイルＣＬＢの結合係数ｋ３４を算出してよい。
　ｋ３４ ＝ Ｍ３４ ／（Ｌ３・Ｌ４）１／２　　……（１）
　なお、（Ｌ３・Ｌ４）１／２は、（Ｌ３・Ｌ４）の平方根を示し、「・」は乗算符号を示す。
　例えばＰＣのプロセッサは、算出した結合係数ｋ３４と、２段目の中継コイルＣＬＣのＱ値であるＱ３と、受電コイルＣＬＢのＱ値であるＱ４と、を用いて、例えば式（２）に従い、電力の最大伝送効率ηｍａｘを算出してよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｑ３４ ＝ （Ｑ３・Ｑ４）１／２　を表す。なお、（Ｑ３・Ｑ４）１／２は、（Ｑ３・Ｑ４）の平方根を示し、「・」は乗算符号を示す。また、上記計算の実行主体は、汎用コンピュータ（例えばＰＣ（Personal Computer））のプロセッサでよい。
　なお、結合係数ｋ３４は、伝達関数であるＺパラメータを使って、式（３）に示すように表現することも可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　このように、本実施形態の受電装置２００は、水中に配置され、弱磁性材料で形成された筐体の一部である弱磁性体８５１と、弱磁性体８５１の外側を包囲し強磁性材料で形成されたフェライト８５２（強磁性体の一例）と、強磁性体の外側に巻回された受電コイルＣＬＢと、を備える。
　このように、受電コイルＣＬＢの内側に磁性体であるコア（磁心）８５０が設けられる。コア８５０は、弱磁性体である円柱状のアルミニウムの側面の少なくとも一部を覆うように、強磁性材料であるフェライト８５２がアルミニウムの側面に貼られることで成形される。これにより、受電装置２００は、受電コイルＣＬＢのインダクタンス及びＱ値を高めることができる。したがって、ＡＵＶ８００が弱磁性の筐体を有する場合でも、水中での非接触電力伝送における伝送効率の低下を抑制できる。また、外部からの磁界及びフェライト８５２内部で発生した磁束による磁力線がフェライト内部に集中して、導電性を有するアルミニウムに向かうことを抑制できる。これにより、受電装置２００は、コア８５０がＡＵＶ８００の筐体である場合、筐体にアルミニウムが使用されても、渦電流によるアルミニウムの発熱を抑制できる。
　また、コア８５０が存在することで、送電コイルＣＬＡと受電コイルＣＬＢを貫く磁束が増える。また、受電装置２００は、コイル同士の結合係数が大きくなり、電磁界（電力）の伝送効率を上げることができる。また、フェライト８５２は、導電性を有するが、海水と比べて導電率が低く、電磁界の減衰を低減させる。したがって、受電装置２００は、電力の伝送損失を抑えることができる。
　また、受電装置２００は、水中を移動する水中航走体としてＡＵＶ８００でよい。この場合、受電装置２００は、ＡＵＶ８００の移動の自由度を確保しつつ、水中での電力伝送効率を向上して充電できる。
（送電コイル構造体の他の構成例１）
　上記実施形態では、受電コイルＣＬＢの内側に配置されたコア（磁心）８５０の外周に強磁性材料であるフェライトが貼られることを例示した。他の構成例１では、受電コイルＣＬＢに加え、送電コイルＣＬＡ及び２つの中継コイルＣＬＣの少なくとも１つの外周に強磁性材料であるフェライトが設けられることを例示する。
　図１０は、他の送電コイル構造体１００Ｙ及び受電コイル構造体２００Ｚの位置関係を示す斜視図である。送電コイル構造体１００Ｙは、送電装置１００に設けられる送電コイルに関する構造体、又は、送電コイル及び中継コイルに関する構造体である。図１１は、図１０の矢印Ｈ－Ｈ方向から視た送電コイル構造体１００Ｙ及び受電コイル構造体２００Ｚの断面図である。図１２は、図１０の矢印Ｉ－Ｉ方向から視た送電コイル構造体１００Ｙ及び受電コイル構造体２００Ｚの断面図である。電力伝送システムにおいて、上記実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を用いることで、その説明を省略又は簡略化する。
　送電コイル構造体１００Ｙにおいても、１つの送電コイルＣＬＡと２つの中継コイルＣＬＣが海水中で水平方向に並ぶように配置される。また、送電コイル構造体１００Ｙは、送電コイルＣＬＡおよび２つの中継コイルＣＬＣの外周に強磁性体であるフェライト１８１が貼られた構造を有する。即ち、フェライト１８１は、送電コイルＣＬＡと２つの中継コイルＣＬＣを覆うように筒状に形成される。つまり、フェライト１８１は、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣのそれぞれが形成する円周の外側に配置される。フェライト１８１の厚さは、受電側のコア８５０に設けられたフェライト８５２と同じ２ｍｍでよい。
　この送電コイル構造体１００Ｙでは、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣで発生する磁界は、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣの半径方向外側に配置されたフェライト１８１により、外側に漏れにくく、フェライト１８１の内部に集中し、また、フェライト１８１の内部に磁束を生じさせる。したがって、送電コイル構造体１００Ｙの内側には、多くの磁力線が集まる。
　また、上記実施形態と同様、受電コイルＣＬＢは、１０回巻きの電線８５６を被覆材８５５で密閉して成形される。被覆材８５５は、絶縁性、弾力性、耐候性を有する材料であればよく、例えばゴムが用いられる。受電コイル構造体２００Ｚは、コア８５０の外周に、成形された受電コイルＣＬＢを巻き付けることで一体化されてよい。また、コア８５０の外周と受電コイルＣＬＢの被覆材８５５との接触面には、これらが分離しないように、例えば接着材が塗布されてもよいし、接着以外の方法で一体化されてもよい。
　受電コイルＣＬＢの内側にコア８５０が存在する場合、送電コイル構造体１００Ｙの内側の磁界は、フェライト８５２の内部に集中し、また、フェライト８５２の内部で磁束を生じさせる。したがって、受電コイル構造体２００Ｚでは、受電コイルＣＬＢの内側に多くの磁力線が集まる。したがって、電力伝送システム１０における電力の伝送効率が高まる。
　中継コイルＣＬＣの内側にＡＵＶ８００が進入し、中継コイルＣＬＣと受電コイルＣＬＢとが略同一平面上で対向する位置に到達すると、水中において無線給電が開始される。なお、中継コイルＣＬＣ側からでなく、送電コイルＣＬＡ側からＡＵＶ８００が進入した場合も同様であり、送電コイルＣＬＡと受電コイルＣＬＢとが略同一平面上で対向する位置に到達すると、水中において無線給電が開始される。
　このように、他の構成例１の送電装置１００は、他の送電コイル構造体１００Ｙを用いて、水中において、弱磁性材料で形成された筐体８００ｚを有するＡＵＶ８００に電力を送電してよい。送電装置１００は、磁界を介して、受電装置２００の受電コイルＣＬＢに電力を伝送する送電コイルＣＬＡを含む１つ以上のコイルＣＬ（伝送コイルの一例）と、コイルＣＬの半径方向外側を包囲し、強磁性材料で形成されたフェライト８５２と、を備えてよい。
　これにより、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣで発生する磁界は、フェライト１８１により送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣの半径方向外側に漏れることを抑制できる。つまり、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣで発生する磁界は、フェライト１８１の内部に集中し、また、フェライト１８１の内部に磁束を生じさせる。フェライト１８１は、導電性を有するが、海水と比べて導電率が低く、電磁界の減衰を低減できる。したがって、送電コイル構造体１００Ｙの内側では、多くの磁力線が集まる。これにより、送電装置１００は、電力の伝送効率を一層高めることができる。また、送電装置１００は、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣの外周に、強固に成形されたフェライト１８１が貼られた場合、送電コイルＣＬＡおよび２つの中継コイルＣＬＣを連結する連結体として機能させることもできる。この場合、送電装置１００は、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣが巻き付けられるボビンｂｎを不要にできる。
　他の構成例１の電力伝送システム１０（水中給電システムの一例）は、送電装置１００及び受電装置２００を備え、水中に配置された送電装置１００が受電装置２００に電力を供給する。受電装置２００は、弱磁性材料で形成された筐体８００ｚと、筐体８００ｚの外側を包囲し、強磁性材料で形成されたフェライト８５２（第１の強磁性体の一例）と、フェライト８５２の外側に巻回された受電コイルＣＬＢと、を備えてよい。送電装置１００は、磁界を介して、受電装置２００の受電コイルＣＬＢに電力を伝送する送電コイルＣＬＡを含む１つ以上のコイルＣＬと、コイルＣＬの半径方向外側を包囲し、強磁性材料で形成されたフェライト１８１（第２の強磁性体の一例）と、を備えてよい。
　これにより、送電コイルＣＬＡおよび中継コイルＣＬＣで発生する磁界は、外側に漏れることなく、外側のフェライト１８１の内部に集中し、また、外側のフェライト１８１の内部に磁束を生じさせる。また、外部からの磁界およびフェライト１８１内部で発生した磁束による磁力線が受電コイルＣＬＢの内側のフェライト８５２内部に集中して、例えば導電性を有するアルミニウムで形成された筐体に向かわなくなる。これにより、電力伝送システム１０は、コア８５０がＡＵＶ８００の筐体である場合、筐体にアルミニウム等の弱磁性材料が使用されても、渦電流によるアルミニウムの発熱を防止できる。
（送電コイル構造体の他の構成例２）
　上記実施形態では、送電コイル構造体は、送電コイルおよび中継コイルが巻回されたボビンを有することを説明した。他の構成例２では、送電コイル構造体は、複数の送電コイル及び中継コイルが連結体を介して連結された構造を有する。
　図１３は、他の送電コイル構造体１００Ｘを含む電力伝送システム１０Ａの概略を示す斜視図である。送電コイル構造体１００Ｘは、送電装置１００に設けられる送電コイルに関する構造体、又は、送電コイル及び中継コイルに関する構造体である。各コイルＣＬは、連結体１０３０と接続され、例えば等間隔に配置される。隣り合うコイルＣＬ間の距離（コイル間隔）は、例えば５ｍである。コイル間隔は、例えばコイルＣＬの直径の半分程度の長さである。図１３では、連結体１０３０の数が３つであるが、これに限られない。連結体１０３０の下端側には、錘１０４０が接続される。また、連結体１０３０の上端側には、ブイ（Ｂｕｏｙ）１０４５が接続される。
　錘１０４０により、連結体１０３０の移動を規制でき、連結体１０３０に固定された各コイルＣＬの移動を規制できる。よって、電力伝送システム１０Ａは、水中において水流が発生しても、錘１０４０により各コイルＣＬの移動が規制されるので、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣと受電コイルＣＬＢとの位置関係を安定化でき、コイルＣＬを用いた電力伝送の効率が低下することを抑制できる。
　また、連結体１０３０の下端側に錘１０４０が接続され、連結体１０３０の上端側にブイ１０４５が接続されることで、錘１０４０が水底側、ブイ１０４５が水面側となり、連結体１０３０が水面９０と略水平となる姿勢を維持できる。よって、各コイルＣＬにより定義される面は、水面９０と略垂直となり、磁界共鳴方式によって水平方向（水面と平行な方向）に電力伝送できる。
　尚、錘１０４０は、連結体１０３０の運搬時には連結体１０３０から取り外され、連結体１０３０の運搬が終了し、所定の位置に設置される際に、連結体１０３０に錘１０４０が取り付けられてもよい。これにより、連結体１０３０の運搬が容易になる。
　このように、他の送電コイル構造体１００Ｘでは、送電コイル構造体１００Ｘの内側に、ＡＵＶ８００が進入し易く、給電が簡単になる。また、送電コイル構造体１００Ｘが軽量であり、しかもコンパクトに収納可能であるので、運搬が容易である。
　なお、連結体１０３０は、海水中に浮遊した状態で姿勢が維持されてもよいし、海底に設置された支柱に固定された状態で姿勢が維持されてもよい。
　なお、各コイルＣＬにより定義される面が、水面９０と略水平とされてもよい。この場合、電力伝送システム１０Ａは、磁界共鳴方式によって水深方向（水面と略垂直な方向）に電力伝送できる。
（受電コイル構造体の他の構成例３）
　上記実施形態では、受電コイル構造体２００Ｚにおいて、コア８５０の外周全体、つまり円柱状の弱磁性体８５１の側面が全周に亘ってフェライト８５２で被覆されていた。構成例３の受電コイル構造体では、コアの一部がフェライトで被覆されない場合を示す。
　図１４は、他の受電コイル構造体２００Ｙを搭載したＡＵＶ８００の外観を示す断面図である。受電コイル構造体２００Ｙは、受電装置２００に設けられる受電コイルに関する構造体である。他の受電コイル構造体２００Ｙでは、弱磁性体８５１を覆うフェライト８５２の一部を切り欠いた開口部８５２ｚが形成される。この開口部８５２ｚには、例えばＡＵＶ８００に搭載されたカメラ９５１の撮像窓が露出する。これにより、カメラ９５１がフェライト８５２によって画角が遮られることを回避できる。
　なお、フェライト８５２の側面に形成される開口部は、１つに限らず複数であってもよい。また、開口部は、カメラの撮像窓に限らず、他の各種機器や各種構成部を覆わないように設けられてもよい。例えば、開口部は、超音波センサ等の受音面が露出する位置に形成されてもよい。
　このように、他の構成例３の受電装置２００は、カメラ９５１（センサの一例）を備えてよい。カメラ９５１は、ＡＵＶ８００の筐体の外側に配置され、データを検出して取得してよい。フェライト８５２は、筐体の外側に配置されるセンサに対向する位置では、不在でよい。
　これにより、受電装置２００は、ＡＵＶ８００に搭載されるカメラ９５１やセンサ等の機器の動作に支障を与えることなく、送電コイル構造体から送電される電力の伝送効率を高めることができる。このように、受電装置２００は、カメラ９５１をフェライト８５２で覆う場合と比較すると、センサの検出精度の低下を抑制して、電力伝送効率を向上できる。
　以上、図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
　上記実施形態及び他の各構成例では、受電装置２００は、海底に設置された発電機等でもよい。この場合、受電装置２００は、水中に固定的に設置される。このように、海底に固定的に設置された構造物であって、構造物を移動させて充電することが困難である場合でも、送電装置１００が受電装置２００に近付くことで、水中での電力伝送効率を向上して充電できる。
　上記実施形態及び他の各構成例では、送電コイルＣＬＡ及び複数の中継コイルＣＬＣの配列方向が海水中で横向き（水平方向）に配置されたが、縦向き（垂直方向）に配置されてもよい。縦向きの場合、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣの面は、水面と略平行となる。縦向きに配置される場合、ＡＵＶ８００に搭載される受電コイルＣＬＢも磁界方向に合わせるように縦向きに搭載されてもよい。つまり、受電コイルＣＬＢの面が水面と略平行となってよい。また、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣが連結体を介して接続される送電コイル構造体の場合、送電コイル構造体が縦向きに配置されても、ＡＵＶ８００は、送電コイル構造体に対し水平方向に進入および退出可能でよい。一方、送電コイルＣＬＡ及び中継コイルＣＬＣがボビンｂｎに巻回されて配置される送電コイル構造体の場合に、送電コイル構造体が縦向きに配置された場合、ＡＵＶ８００は、ボビンｂｎの上端および下端に位置するボビンｂｎの開口部から送電コイル構造体の内側に進入してよい。
　上記実施形態では、プロセッサは、物理的にどのように構成してもよい。また、プログラム可能なプロセッサを用いれば、プログラムの変更により処理内容を変更できるので、プロセッサの設計の自由度を高めることができる。プロセッサは、１つの半導体チップで構成してもよいし、物理的に複数の半導体チップで構成してもよい。複数の半導体チップで構成する場合、上記実施形態の各制御をそれぞれ別の半導体チップで実現してもよい。この場合、それらの複数の半導体チップで１つのプロセッサを構成すると考えることができる。また、プロセッサは、半導体チップと別の機能を有する部材（コンデンサ等）で構成してもよい。また、プロセッサが有する機能とそれ以外の機能とを実現するように、１つの半導体チップを構成してもよい。また、複数のプロセッサが１つのプロセッサで構成されてもよい。
　なお、本出願は、２０１８年７月３１日出願の日本特許出願（特願２０１８－１４４１２５）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。
　本開示は、受電装置が弱磁性の筐体を有する場合でも、水中での非接触電力伝送における伝送効率の低下を抑制できる受電装置、送電装置及び水中給電システム等に有用である。
１０　電力伝送システム
１５　電力伝送モデル
５０　船舶
６０　水中航走体
７０　潜水艇
８０　水底掘削機
９０　水面
９５　水底
１００　送電装置
１００Ｚ，１００Ｙ　送電コイル構造体
１１０　電源
１２０　ＡＤＣ
１３０　ＣＰＵ
１４０　情報通信部
１４１　変復調回路
１５０　送電回路
１５１　ドライバ
１５２　共振回路
１８１　フェライト
２００　受電装置
２００Ｚ，２００Ｙ　受電コイル構造体
２１０　受電回路
２１１　整流回路
２１２　レギュレータ
２２０　ＣＰＵ
２３０　充電制御回路
２４０　２次電池
２５０　情報通信部
２５１　変復調回路
２８０，２８０Ａ　電力ケーブル
８００，８００Ａ　ＡＵＶ
８００ｚ　筐体
８５０　コア（磁心）
８５１　弱磁性体
８５２　フェライト
８５５　被覆材
８５６　電線
９１０　海底
９５１　カメラ
１０００Ｃ，１０００Ｄ　給電スタンド
１０３０　連結体
１０４０　錘
１０４５　ブイ
１１０１　支柱
１２００　給電設備
ｂｎ，ｂｎ１０，ｂｎ１１　ボビン
ＣＬ　コイル
ＣＬＡ，ＣＬＡ１１，ＣＬＡ１２　送電コイル
ＣＬＢ　受電コイル
ＣＬＣ，ＣＬＣ１１　中継コイル
Ｔｂ　パラメータテーブル

Claims (6)

  1. 　水中に配置される受電装置であって、
    　弱磁性材料で形成された筐体と、
    　前記筐体の外側を包囲し、強磁性材料で形成された強磁性体と、
    　前記強磁性体の外側に巻回された受電コイルと、
    　を備える受電装置。
  2. 　センサ、を更に備え、
    　前記センサは、前記筐体の外側に配置され、データを検出して取得し、
    　前記強磁性体は、前記筐体の外側に配置される前記センサに対向する位置では不在である、
    　請求項１に記載の受電装置。
  3. 　前記受電装置は、水中を移動する水中航走体である、
    　請求項１または２に記載の受電装置。
  4. 　前記受電装置は、水中に固定的に設置される、
    　請求項１または２に記載の受電装置。
  5. 　水中において、弱磁性材料で形成された筐体を有する受電装置に電力を送電する送電装置であって、
    　磁界を介して、前記受電装置の受電コイルに電力を伝送する送電コイルを含む１つ以上の伝送コイルと、
    　前記伝送コイルの半径方向外側を包囲し、強磁性材料で形成された強磁性体と、
    　を備える送電装置。
  6. 　送電装置及び受電装置を備え、水中に配置された前記送電装置が前記受電装置に電力を供給する水中給電システムであって、
    　前記受電装置は、
    　弱磁性材料で形成された筐体と、
    　前記筐体の外側を包囲し、強磁性材料で形成された第１の強磁性体と、
    　前記第１の強磁性体の外側に巻回された受電コイルと、
    　を備え、
    　前記送電装置は、
    　磁界を介して、前記受電装置の前記受電コイルに電力を伝送する送電コイルを含む１つ以上の伝送コイルと、
    　前記伝送コイルの半径方向外側を包囲し、強磁性材料で形成された第２の強磁性体と、
    　を備える水中給電システム。
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