WO2020095555A1

WO2020095555A1 - 電磁誘導型発電装置

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Publication number: WO2020095555A1
Application number: PCT/JP2019/037253
Authority: WO
Inventors: 善信高柳; 千葉　哲也; 和紀石橋
Original assignee: Tdk株式会社
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2020-05-14
Also published as: CN112955989A; JPWO2020095555A1; US20210384854A1

Abstract

【課題】送電線に流れる電流が小さいときでも所望の電力を発電でき、電流が大きいときには余分な電力をできるだけ発電しない電磁誘導型発電装置を提供する。【解決手段】電磁誘導型発電装置１は、送電線２に取り付けられる電流トランス１０と、電流トランス１０から出力される交流電圧を整流する整流回路２０と、整流回路から出力される直流電圧を一定の電圧レベルに制限するレギュレータ回路３０とを備えている。電流トランス１０は、一次巻線としての送電線２に取り付けられた磁性コア１１と、磁性コア１１を介して送電線２に磁気結合された二次巻線１２とを有し、磁性コア１１は、送電線２に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるように構成されている。

Description

電磁誘導型発電装置

　本発明は、電磁誘導型発電装置に関し、特に、送電線に取り付けられるＩｏＴ（Internet of Things）デバイスの電源として好適な電磁誘導型発電装置に関する。

　送電線に取り付けられてその状態を監視するＩｏＴデバイスが知られている。例えば、特許文献１には、送電線の異常振動を検出するための振動検出装置が記載されている。振動検出装置の電源には、送電線の周囲に発生する磁界の変化による電磁誘導を利用した発電装置、あるいは太陽光発電装置が用いられている。

　また特許文献２には、電磁誘導方式の電源装置を用いた監視カメラシステムが記載されている。この監視カメラシステムは、送・配電線路に着脱可能に設けられ、電磁誘導方式で電力を生成する発電用ＣＴコアと、発電用ＣＴコアから発生した交流電力を直流電力に変換する電力変換部と、動画を撮影するカメラモジュールと、カメラモジュールの出力データを外部に伝送する無線通信モジュールとを備えている。

特開２００７－９３３４２号公報特表２０１６－５１７２６１号公報

　送電線に流れる電流は電力需要により大きく変動する。このように送電線に流れる電流が変動してもＩｏＴデバイスが安定的に動作するためには、送電線に流れる電流が最小値のときでもＩｏＴデバイスが動作可能な最低限の電力が常に発電されるように電磁誘導型発電装置を設計する必要がある。

　一方、送電線に流れる電流で発電する電磁誘導型発電装置では、送電線の通電時間を変えることができないため、送電線の電流の増加と共に二次電流も増加する。そのため、送電線に流れる電流が非常に大きい場合には、発電される電力も非常に大きくなる。このように発電量が増加しているにもかかわらず、ＩｏＴデバイスが一定の消費電力で動作している場合には、余分な電力が大量に発生することなるため、熱に変換するなど、何らかの方法で余剰電力を消費する必要がある。

　しかしながら、余剰電力を熱に変換する場合、ＩｏＴデバイスの不要な温度上昇を招くことになり、ＩｏＴデバイス内の部品や素子の劣化が加速するおそれがある。また例えば、高圧送電線には数千アンペア以上の大電流が流れる場合があるが、大電流によって発生した余剰電力をすべて熱に変換することは極めて困難である。さらにＩｏＴデバイスが架空送電線に設置される場合、その設置やメンテナンスは非常に困難である。そのため、そのような場所に設置されるＩｏＴデバイスには、一度設置したら例えば１０年以上の長期間にわたって安定的に動作することが求められていることから、高温化等によるＩｏＴデバイスの特性劣化を極力防止することが望ましい。

　したがって、本発明の目的は、送電線に流れる電流が小さいときでも所望の電力を発電でき、電流が大きいときには余分な電力をできるだけ発電しない電磁誘導型発電装置を提供することにある。

　上記課題を解決するため、本発明による電磁誘導型発電装置は、一次巻線としての送電線に取り付けられる電流トランスと、前記電流トランスから出力される交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路から出力される直流電圧を一定の電圧レベルに制限するレギュレータ回路とを備え、前記電流トランスは、前記送電線に取り付けられた磁性コアと、前記磁性コアを介して前記送電線に磁気結合された二次巻線とを有し、前記磁性コアは、前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるように構成されていることを特徴とする。

　本発明によれば、送電線に流れる一次電流が非常に小さいときでも所望の電力を発電でき、ＩｏＴデバイスに対して安定的に電力を供給することができる。また一次電流が非常に大きいときには、二次巻線からの出力電圧の増加は一次電流に比例せず、出力電圧の増加が抑制されるので、必要以上の余分な電力の発生を抑えることができ、余分な電力を熱に変換することによる不要な温度上昇を防止することができる。これにより、電力供給を受けるＩｏＴデバイスの性能の低下等を防止することができる。

　本発明において、前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値は１０Ａ以上１００Ａ以下であることが好ましく、３０Ａ以上７０Ａ以下であることがより好ましく、４０Ａ以上５０Ａ以下であることが特に好ましい。さらにまた、前記変動範囲の最大値は８００Ａ以上であることが好ましく、１０８０Ａ以上であることが特に好ましい。このように、送電線に流れる電流の変動範囲が非常に広く、一次電流に比例した出力電圧が発生する場合には、電流トランスから極めて大きな出力電圧が発生することになり、余分な電力の処理が極めて困難となる。しかし、本発明では余分な電力の発電が抑えられているので、そのような発熱の問題を解決することができる。

　本発明において、前記磁性コアはフェライトからなる環状コアであり、前記送電線は前記環状コアの中空部を貫通していることが好ましい。磁性コアがフェライトからなる場合には、珪素鋼鈑等の他の磁性材料と比べて酸化による磁気特性の経年劣化を抑えることができる。したがって、例えば１０年以上の長期間にわたって信頼性を確保することができ、メンテナンスが困難な設置環境下で好ましく使用することができる。

　本発明において、前記磁性コアは、前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるようにその断面積が設定されていることが好ましい。磁性コアの磁気特性の選択の幅が狭い場合には、主に磁性コアの断面積によって磁気飽和特性を制御することができる。

　本発明において、前記送電線は架空送電線であることが好ましく、送電電圧が６６ｋＶ以上である高圧送電線であることが特に好ましい。このような高圧の架空送電線の場合、ＩｏＴデバイスの設置やメンテナンスが極めて困難であるため、本発明による効果が顕著である。

　本発明によれば、送電線に流れる電流が小さいときでも所望の電力を発電でき、電流が大きいときには余分な電力をできるだけ発電しない電磁誘導型発電装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態による電磁誘導型発電装置の構成を示す図である。図２は、電流トランスの構造を示す略断面図である。図３は、磁性コアを構成する磁性材料のＢ－Ｈ曲線を示すグラフである。

　以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

　図１は、本発明の実施の形態による電磁誘導型発電装置の構成を示す図である。

　図１に示すように、電磁誘導型発電装置１は、送電線２に取り付けられる電流トランス１０と、電流トランス１０から出力される交流電圧を整流する整流回路２０と、整流回路２０から出力される直流電圧を一定の電圧レベルに制限するレギュレータ回路３０とを備えている。本実施形態による電磁誘導型発電装置はＩｏＴデバイスの電源となるものであり、レギュレータ回路３０の出力端子にはＩｏＴモジュール４０が接続されている。ＩｏＴモジュール４０の種類は特に限定されず、送電線２の物理的又は電気的な状態を計測する各種センサモジュールであってもよく、遠隔監視カメラなどであってもよい。ＩｏＴモジュール４０は通信機能を有し、センサやカメラで収集したデータをサーバに向けて送信することができる。

　送電線２は架空送電線であることが好ましく、送電電圧が６６ｋＶ以上の高圧送電線であることがさらに好ましい。架空送電線は地上から数十メートル以上の高所に架設されているため、ＩｏＴデバイスの設置やメンテナンスが極めて困難であり、さらに送電線２に流れる電流の変動範囲は広く、本発明の効果が顕著だからである。送電線２には商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電流が流れており、送電線２の周囲には交番磁界が発生している。交番磁界の大きさは、送電線２に流れる電流の大きさによって変化する。

　電流トランス１０は、一次巻線としての送電線２に取り付けられた磁性コア１１と、磁性コア１１を介して送電線２に磁気結合された二次巻線１２とを有している。磁性コア１１は例えば分割型トロイダルコアであり、送電線２がトロイダルコアの中空部を貫通するように当該送電線２に取り付けられている。二次巻線１２はトロイダルコアに所定のターン数で巻き回されており、整流回路２０の一対の入力端子は二次巻線１２の両端に接続されている。磁性コア１１は丸型のトロイダルコアに限定されず、角型コア等の多角形の環状コアであってもよい。

　図２は、電流トランス１０の構造を示す略断面図である。図示に示すように、電流トランス１０はアルミケース等の金属ケース１３に収容された状態で送電線２に設置されることが好ましい。この場合、送電線２は金属ケース１３と接触しており、金属ケース１３は送電線２と電気的に接続されているが、金属ケース１３内の電流トランス１０は、絶縁体１４ａ，１４ｂを介して金属ケース１３の外殻１３ａ及び内殻１３ｂと絶縁分離されている。さらに二次巻線１２は絶縁被覆されており、磁性コア１１と二次巻線１２との間の絶縁状態も確保されている。

　本実施形態において、磁性コア１１を構成する磁性材料はフェライトであることが好ましい。フェライトは酸化鉄を主成分とする強磁性材料であり、最初から酸化しているため、珪素鋼鈑等の他の磁性材料と比べて酸化等の経年変化による磁気特性の変化が少ないからである。送電線２に設置されるＩｏＴデバイスは、設置された後の修理や交換が極めて困難であり、例えば１０年以上の長期間にわたって安定的に使用し続けることができ、経年劣化が少ないことが求められるからである。低周波ではフェライトよりも珪素鋼鈑の磁気特性の方が良好であるため、珪素鋼鈑を用いた場合には磁性コアを小型化することが可能である。しかし、経年劣化による信頼性の低下を考慮した場合には、珪素鋼鈑よりもフェライトの方が有利である。

　送電線２に流れる電流は電力需要に応じて大きく変化し、５０Ａ程度の非常に小さな電流から１０８０Ａ以上の極めて大きな電流まで様々である。一方、ＩｏＴデバイスを常に安定的に動作させるためには、送電線２に流れる電流の最小値で所望の電力を発電させることができるだけでなく、送電線２に流れる電流が大きくなっても余分な電力を発生させないことが求められる。一次電流に比例して出力電圧が大きくなる場合、非常に大きな余剰電力が発生することになるからである。例えば、一次電流の最小値が５０Ａであるとき、一次電流が１０８０Ａのときの出力電圧は、一次電流が最小値のときの出力電圧の２１倍以上にもなる。このような余剰電力を熱に変換して放出した場合には、電源装置を含めたＩｏＴデバイス全体の温度上昇をもたらし、経年劣化を加速させる原因となる。

　そのため、本実施形態による電流トランス１０の磁性コア１１は、送電線２に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始め、送電線２に流れる電流が増加しても二次巻線１２からの出力電圧の増加が抑制されるように構成したものである。このように、磁性コア１１が送電線２に流れる電流の変動範囲の最小値近傍で磁気飽和している場合、送電線２に流れる電流をそれ以上増加させても磁性コア１１内の磁束は一次電流に比例して増加せず、二次巻線１２に誘起される出力電圧もほとんど増加しないので、ＩｏＴモジュール４０に余分な電力が供給されることを防止することができる。

　送電線２に流れる電流の変動範囲の最小値は１０Ａ以上１００Ａ以下であることが好ましく、３０Ａ以上７０Ａ以下であることがより好ましく、４０Ａ以上５０Ａ以下であることが特に好ましい。一方、送電線２に流れる電流の変動範囲の最大値は８００Ａ以上であり、１０８０Ａ以上であることが好ましい。このように、送電線２に流れる電流の変動範囲が非常に広く、一次電流に比例した出力電圧が発生する場合には、電流トランス１０から極めて大きな出力電圧が発生することになり、余分な電力の処理が極めて困難となる。しかし、磁性コア１１が磁気飽和している場合には、余分な電力の発電が抑えられているので、そのような発熱の問題を解決することができる。

　図３は、磁性コア１１を構成する磁性材料のＢ－Ｈ曲線を示すグラフである。

　図３に示すように、磁性コア１１が磁気飽和していないときの磁界Ｈと磁束密度Ｂとの間にはＢ＝μＨの関係式が成り立ち、図中の破線のように磁束密度Ｂは磁界Ｈに比例する。しかし、実際のＢ－Ｈ曲線は図中の実線のようになり、磁束密度Ｂは磁界Ｈに比例しなくなる。磁界Ｈは一次電流Ｉに比例するので、この実線は一次電流Ｉに応じて透磁率μが小さくなることを意味する。

　すなわち、一次電流Ｉ（磁界Ｈ）が増加すると、磁束密度Ｂはその磁性材料が持つ最大磁束密度に到達し、それ以上増加しなくなる。このように磁束密度Ｂの変化が非常に小さくなった状態が磁気飽和の状態である。

　本実施形態においては、送電線２に流れる一次電流Ｉがその変動範囲の最小値のときに磁性コア１１が実質的に磁気飽和の状態となるように、磁性コア１１の材質（透磁率）又は断面積を選定した上で二次巻線１２のターン数を算出する。このようにすることで、一次電流が増加しても余剰電力を発生させない電磁誘導型発電装置１を実現することができる。

　一次電流Ｉによって誘起される磁界Ｈ（起磁力）の大きさは、磁性コア１１の断面積や透磁率に比例する。磁性コア１１の断面積を大きくすれば起磁力Ｈも大きくなり、磁性コア１１の透磁率μを大きくすれば起磁力も大きくなる。そのため、磁性コア１１の断面積や透磁率μを調整することにより、磁性コア１１の磁気飽和特性を調整することができ、送電線２に流れる電流の変動範囲が当該送電線２に対して規定される最小値（例えば５０Ａ）のときに磁性コア１１が磁気飽和し始めるようにすることができる。

　本実施形態においては、送電線２に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるように磁性コア１１の断面積が設定されていることが特に好ましい。磁性コア１１にフェライトを用いる場合、磁気特性の選択の幅が狭いことから、磁性コア１１の断面積によって磁気飽和特性を調整することができる。

　送電線２に流れる電流がその変動範囲の最小値（例えば５０Ａ）であるときの磁性コア１１の起磁力をＨ_Ｌとし、送電線２に流れる電流がその変動範囲の最大値（例えば１２００Ａ）であるときの磁性コア１１の起磁力をＨ_Ｈとし、磁性コア１１は起磁力がＨ_Ｌのときに磁気飽和し始めるものとする。起磁力がＨ_Ｌであるときの磁性コア１１の磁束密度はＢ_Ｌであり、起磁力がＨ_Ｈであるときの磁性コア１１の磁束密度はＢ_Ｈである。ここで、起磁力Ｈ_Ｈは起磁力Ｈ_Ｌの２４倍であるが、磁性コア１１は磁気飽和していることから、磁束密度Ｂ_Ｈは磁束密度Ｂ_Ｌの２倍以下とすることができる。つまり、一次電流Ｉが最大値のときの出力電圧Ｖ_Ｏは、一次電流Ｉが最小値のときの出力電圧Ｖ_Ｏの２倍以下に抑えられるので、レギュレータ回路３０で制御可能な電圧レベルであり、余剰電力の発生を抑えることができる。

　以上説明したように、本実施形態による電磁誘導型発電装置１は、一次巻線としての送電線２に取り付けられる電流トランス１０を含み、電流トランス１０の磁性コア１１は、送電線２に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるように構成されているので、二次巻線１２に誘起される出力電圧の増加を抑制することができ、ＩｏＴデバイスで消費しきれない余分な電力の発生を抑制することができる。

　以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

　例えば、上記実施形態においては、ＩｏＴデバイスを架空送電線に設置する場合を好ましい例として挙げたが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、地中送電線などの他の送電線に対しても適用可能である。ただし、架空送電線には非常に大きな電流が流れるため、余分な電力の影響も非常に大きく、さらに架空送電線へのＩｏＴデバイスの設置やメンテナンスも非常に困難であるため、本発明の効果が顕著である。

１　　電磁誘導型発電装置
２　　送電線
１０　　電流トランス
１１　　磁性コア
１２　　二次巻線
１３　　金属ケース
１３ａ　　金属ケースの外殻
１３ｂ　　金属ケースの内殻
１４ａ，１４ｂ　　絶縁体
２０　　整流回路
３０　　レギュレータ回路
４０　　ＩｏＴモジュール

Claims

　一次巻線としての送電線に取り付けられる電流トランスと、
　前記電流トランスから出力される交流電圧を整流する整流回路と、
　前記整流回路から出力される直流電圧を一定の電圧レベルに制限するレギュレータ回路とを備え、
　前記電流トランスは、前記送電線に取り付けられた磁性コアと、前記磁性コアを介して前記送電線に磁気結合された二次巻線とを有し、
　前記磁性コアは、前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるように構成されていることを特徴とする電磁誘導型発電装置。
　前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値が１０Ａ以上１００Ａ以下である、請求項１に記載の電磁誘導型発電装置。
　前記磁性コアがフェライトからなる環状コアであり、前記送電線は前記環状コアの中空部を貫通している、請求項１又は２に記載の電磁誘導型発電装置。
　前記磁性コアは、前記送電線に流れる電流の変動範囲の最小値近傍において磁気飽和し始めるようにその断面積が設定されている、請求項３に記載の電磁誘導型発電装置。
　前記送電線が架空送電線である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電磁誘導型発電装置。