JP5595098B2 - 電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触で電力を伝送する技術に関する。

電磁誘導を利用して、非接触で電力を伝送できる電力伝送装置が知られている。例えば、特許文献１には、共振結合を備え、需用者に供給する容量形カプラー素子が開示されている。

特表２００１−５１２６３４号公報（ｐ８、ｐ９、Ｆｉｇ．３）

一般に、非接触で電力を伝送する場合、電力送信手段と電力受信手段との間隙が大きくなると、受電側から出力される電力が極端に小さくなり、電力送信手段と電力受信手段との間隙が小さくなると、受電側から出力される電力が極端に大きくなるという問題がある。本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、非接触で電力を伝送するにあたって、電力送信手段と電力受信手段との間隙が変化することによる電力受信手段の出力変化を低減することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電力伝送装置は、電気エネルギを磁気エネルギに変換する給電側コイルを有する電力送信手段と、前記電力送信手段に設けられる第１の共振手段と、前記電力送信手段から出力される磁気エネルギを電気エネルギに変換する受電側コイルを有する電力受信手段と、前記電力受信手段に設けられる第２の共振手段と、を含むことを特徴とする。

この電力伝送装置は、電力送信手段と電力受信手段との両方に、共振手段を備える。このような構成により、二つの共振手段から放出される電力で、電力受信手段から出力される電力を増加させることができる。その結果、非接触で電力を伝送するにあたって、電力送信手段と電力受信手段との間隙が変化することによる電力受信手段の出力変化を低減できる。

本発明の望ましい態様としては、前記第１の共振手段及び前記第２の共振手段は、コンデンサを含むことが好ましい。これによって、共振手段を簡単に構成することができる。

本発明の望ましい態様としては、前記第１の共振手段に含まれるコンデンサは、前記給電側コイルとは異なる給電側共振手段用コイルと電気的に接続され、前記第２の共振手段に含まれるコンデンサは、前記受電側コイルとは異なる受電側共振手段用コイルと電気的に接続されることが好ましい。これによって、第１の共振手段及び第２の共振手段をＬＣ共振回路で構成することができる。

本発明の望ましい態様としては、前記第１の共振手段の共振周波数と、前記第２の共振手段の共振周波数とは異なることが好ましい。これによって、電力送信手段と電力受信手段との間隙の広い範囲で、電力受信手段の出力する電力の低下を抑制できる。

本発明の望ましい態様としては、前記電力送信手段及び前記電力受信手段は、それぞれ、水中の異なる構造物に取り付けられて、前記異なる構造物間で電力を伝送することが好ましい。

本発明は、非接触で電力を伝送するにあたって、電力送信手段と電力受信手段との間隙が変化することによる電力受信手段の出力変化を低減できる。

図１は、本実施形態に係る電力伝送装置の構成図である。 図２は、電力送信手段と電力受信手段との間隙と、電力受信手段が出力する電力との関係を示す図である。 図３は、本実施形態に係る電力伝送装置の使用態様の一例を示す模式図である。 図４は、本実施形態に係る電力伝送装置の使用態様の一例を示す模式図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。以下の構成要素は、適宜組み合わせることができる。

図１は、本実施形態に係る電力伝送装置の構成図である。図２は、電力送信手段と電力受信手段との間隙と、電力受信手段が出力する電力との関係を示す図である。図２の縦軸は、皮相電力（ＶＡ）である。本実施形態に係る電力伝送装置は、電磁誘導を利用して非接触で電力を伝送するものであり、電力送信手段と電力受信手段とに共振手段を設け、伝送する電力の共振を利用して電力を伝送する点に特徴がある。

図１に示すように、電力伝送装置１０は、電力送信手段１０Ａと、電力受信手段１０Ｂとを含んで構成される。電力送信手段１０Ａは、電気エネルギを磁気エネルギに変換する給電側コイル１２Ａ、１３Ａを有する。電力受信手段１０Ｂは、電力送信手段１０Ａから出力される磁気エネルギを電気エネルギに変換する受電側コイル１２Ｂ、１３Ｂを有する。本実施形態において、給電側コイル１２Ａ、１３Ａ及び受電側コイル１２Ｂ、１３Ｂは、いずれも銅線である。

給電側コイル１２Ａ、１３Ａは直列に接続されるとともに、コの字形状の給電側コア１１Ａに巻かれている。受電側コイル１２Ｂ、１３Ｂは直列に接続されるとともに、コの字形状の受電側コア１１Ｂに巻かれている。給電側コイル１２Ａ、１３Ａには、交流電源１（本実施形態では商用電源であり、周波数は数１０Ｈｚ）が接続されている。受電側コイル１２Ｂ、１３Ｂには、負荷２が接続されている。電力送信手段１０Ａから電力受信手段１０Ｂへ電力を伝送する場合、給電側コア１１Ａと受電側コア１１Ｂとが対向して配置されるとともに、給電側コア１１Ａと受電側コア１１Ｂとの間に間隙Ｇが形成される。間隙Ｇは、５ｍｍから３０ｍｍ程度である。

給電側コア１１Ａ及び受電側コア１１Ｂは、鉄が用いられ、例えば、複数のケイ素鋼板を積層して構成される。なお、電力伝送装置１０は、給電側コア１１Ａ及び受電側コア１１Ｂは必ずしも備える必要はなく、少なくとも給電側コイル１２Ａ、１３Ａ及び受電側コイル１２Ｂ、１３Ｂを備えていればよい。

本実施形態において、電力送信手段１０Ａは第１の共振手段を有し、電力受信手段１０Ｂは第２の共振手段を有している。第１の共振手段は、少なくともコンデンサを含む。本実施形態において、第１の共振手段は、給電側コイル１２Ａ、１３Ａとは異なる給電側共振手段用コイル１４Ａとコンデンサ（給電側コンデンサ）１５Ａとを含んで構成される。給電側コンデンサ１５Ａは、給電側共振手段用コイル１４Ａと電気的に接続される（並列接続）。

第２の共振手段も、第１の共振手段と同様に、少なくともコンデンサを含む。本実施形態において、第２の共振手段は、受電側コイル１２Ｂ、１３Ｂとは異なる受電側共振手段用コイル１４Ｂとコンデンサ（受電側コンデンサ）１５Ａとを含んで構成される。受電側コンデンサ１５Ｂは、受電側共振手段用コイル１４Ｂと電気的に接続される（並列接続）。このように、第１の共振手段及び第２の共振手段は、ＬＣ共振回路を構成する。なお、給電側共振手段用コイル１４Ａ及び受電側共振手段用コイル１４Ｂは、本実施形態においてはいずれも銅線であるが、これに限定されるものではない。例えば、アルミニウム、銀等の電気の導体であれば、給電側共振手段用コイル１４Ａ及び受電側共振手段用コイル１４Ｂに用いることができる。電解コンデンサのようなケミカルコンデンサは経年劣化が大きいため、ケミカルコンデンサ以外のコンデンサを給電側コンデンサ１５Ａ及び受電側コンデンサ１５Ｂに用いることが好ましい。これによって、給電側コンデンサ１５Ａ及び受電側コンデンサ１５Ｂの経年劣化を抑制できるので、水中等の保守点検がしにくい場所で電力伝送装置１０を使用する際に好ましい。

給電側共振手段用コイル１４Ａは、給電側コア１１Ａに巻かれるとともに、給電側コイル１２Ａ、１３Ａの間に配置される。受電側共振手段用コイル１４Ｂは、受電側コア１１Ｂに巻かれるとともに、受電側コイル１２Ｂ、１３Ｂの間に配置される。なお、給電側共振手段用コイル１４Ａ及び受電側共振手段用コイル１４Ｂが配置される位置は、上記例に限定されるものではない。

このような構成により、給電側コイル１２Ａ、１３Ａに交流電源１から交流電圧が印加されると、給電側コイル１２Ａ、１３Ａで発生した磁束が、給電側コア１１Ａと受電側コア１１Ｂとの間に形成される間隙Ｇを介して受電側コイル１２Ｂ、１２Ａへ鎖交し、受電側コイル１２Ｂ、１３Ｂに電圧が発生する。すなわち、電力送信手段１０Ａと電力受信手段１０Ｂとは、一次側と二次側とが間隙Ｇによって分離された変圧器を形成することになる。これによって、交流電源１の電力が、電力送信手段１０Ａから電力受信手段１０Ｂへ非接触で伝送される。

図２の実線ＰＬは、第１の共振手段及び第２の共振手段を備えない場合において、電力送信手段１０Ａが出力する電力を同一とした場合に、電力受信手段１０Ｂが出力する電力を示している。このように、電力送信手段１０Ａから出力される電力が同一であれば、電力送信手段１０Ａと電力受信手段１０Ｂとの間隙Ｇが大きくなる程、電力受信手段１０Ｂから出力される電力は小さくなる。

上述したように、電力伝送装置１０は、電力送信手段１０Ａと電力受信手段１０Ｂとに、それぞれ異なる共振手段を有している。電力伝送装置１０は、これらの共振手段により、伝送する電力に電力送信手段１０Ａと電力受信手段１０Ｂとで共振を発生させ、送電効率を向上させる。すなわち、第１の共振手段及び第２の共振手段は、上述したようにＬＣ共振回路で構成され、それぞれの共振周波数で振動する電力を蓄えることができる。この電力は、第１の共振手段及び第２の共振手段が放出する。図２の点線ＰＡが、第１の共振手段が放出する電力であり、点線ＰＢが、第２の共振手段が放出する電力である。

第１の共振手段及び第２の共振手段がそれぞれ蓄えた電力を放出することにより、図２の一点鎖線ＰＨで示すように、電力受信手段１０Ｂから出力される電力は、第１の共振手段が放出する電力と第２の共振手段が放出する電力とが合成された分、増加する。これによって、電力受信手段１０Ｂから出力される電力は、第１の共振手段及び第２の共振手段を備えない場合と比較して増加する。その結果、電力送信手段１０Ａと電力受信手段１０Ｂとの間隙Ｇが大きくなった場合でも、送電効率の低下を抑制し、非接触での効率的な電力の伝送を実現する。送電効率とは、電力送信手段１０Ａに入力された電力Ｗａに対する電力受信手段１０Ｂが出力する電力Ｗｂとの比Ｗｂ／Ｗａである。

電力伝送装置１０は、共振を利用して送電効率の低下を抑制するので、商用周波数の交流電源である交流電源１から供給される交流の周波数を高くする必要はない。これによって、電力伝送装置１０は、周波数変換装置が不要になり、部品点数を削減できるので、電力伝送装置１０全体をコンパクトにすることができるとともに、電力伝送装置１０の製造コストを低減できる。また、電力伝送装置１０から発生するノイズを低減できる。給電側コイル１２Ａ、１３Ａ及び受電側コイル１２Ｂ、１４Ａの巻数を多くすれば、これらを流れる電流を小さくできるので、これらの素線径を小さくできる。その結果、電力伝送装置１０全体をよりコンパクトにすることができる。交流電源１は、上述したものに限定されず、交流電力を生み出すものであればよい。例えば、自家発電機等の発電機であってもよく、ＤＣ／ＡＣコンバータを備える太陽光発電装置や燃料電池発電装置、あるいは風力発電装置等であってもよい。

第１の共振手段を構成する給電側コンデンサ１５Ａの静電容量をＣａ、給電側共振手段用コイル１４ＡのインダクタンスをＬａとすると、第１の共振手段の共振周波数ｆａは、１／（２×π×√（Ｌａ×Ｃａ））となる。同様に、第２の共振手段を構成する受電側コンデンサ１５Ｂの静電容量をＣｂ、受電側共振手段用コイル１４ＢのインダクタンスをＬｂとすると、第２の共振手段の共振周波数ｆｂは、１／（２×π×√（Ｌｂ×Ｃｂ））となる。

第１の共振手段の共振周波数ｆａと、第２の共振手段の共振周波数ｆｂとは同じであってもよいが、本実施形態では、両者を異ならせている。このようにすると、図２に示すように、第１の共振手段が放出する電力のピークと、第２の共振手段が放出する電力のピークとが異なるので、第１の共振手段が放出する電力と第２の共振手段が放出する電力とが合成され、電力受信手段１０Ｂの出力する電力の増加する範囲が広くなる。その結果、間隙Ｇの広い範囲で、電力受信手段１０Ｂの出力する電力の低下及び送電効率の低下を抑制し、非接触での効率的な電力の伝送を実現できる。このため、第１の共振手段の共振周波数ｆａと、第２の共振手段の共振周波数ｆｂと異ならせると、電力送信手段１０Ａと電力受信手段１０Ｂとの間隔が大きく変化するような場合であっても、安定して電力を伝送できる。

図３は、本実施形態に係る電力伝送装置の使用態様の一例を示す模式図である。図３は、可動式防波堤２０の可動体２２の機器類２３に電力を供給するために、電力伝送装置１０を用いた例を示している。可動式防波堤２０は、水底Ｂを掘削して可動体２２を配置し、津波や高潮が発生したときに、可動体２２内に空気を吹き込み、可動体２２を水底Ｂから水面Ｈへ向かって浮上させて、津波や高潮の通過を阻害し、港湾設備等を保護する。可動体２２は、内部に機器類２３を有しているが、この機器類２３へ可動体２２の外部から電力を供給する必要がある。

電力伝送装置１０の電力受信手段１０Ｂは、構造物である可動体２２の頂部に取り付けられる。電力受信手段１０Ｂの取り付け位置はこれに限定されるものではなく、例えば、可動体２２の胴部、底部等であってもよい。電力伝送装置１０の電力送信手段１０Ａは、可動体２２が水底Ｂで待機している状態において、可動体２２を格納する立て坑の開口部の周囲に設けられる構造物であるベース２１に、電力受信手段１０Ｂと対向するように取り付けられる。電力送信手段１０Ａの入力端子は、陸上に配置される交流電源１に接続されて、これから交流電力の供給を受けて、可動体２２に取り付けられた電力受信手段１０Ｂへ電力を出力する。電力受信手段１０Ｂの出力端子は、可動体２２の機器類２３と接続されて、電力送信手段１０Ａから電送された電力を機器類２３へ供給する。

このように、電力伝送装置１０の電力送信手段１０Ａ及び電力受信手段１０Ｂは、それぞれ、水中の異なる構造物に取り付けられて、異なる構造物間で電力を伝送する。電力伝送装置１０は、上述したように、全体をコンパクトにすることができる。これによって、電力伝送装置１０の交換が必要になった場合には、潜水夫の人力でも取り扱いが容易になる。そして、電力伝送装置１０は人力で簡単に交換できるので、交換時の費用も低減できる。

図４は、本実施形態に係る電力伝送装置の使用態様の一例を示す模式図である。図４は、岸壁４に停泊中の船舶３０に、停泊中に消費する電力を供給するために、電力伝送装置１０を用いた例を示している。岸壁４には、電力伝送装置１０の電力送信手段１０Ａが設けられており、船舶３０には電力受信手段１０Ｂが設けられる。また、岸壁４の電力送信手段１０Ａの周囲には磁石３Ａが取り付けられ、船舶３０の電力受信手段１０Ｂの周囲には、磁石３Ａと対向する位置に、磁性体で構成される磁石接触部３Ｂが設けられる。磁石３Ａは電磁石である。

電力送信手段１０Ａの入力端子は、陸上に配置される交流電源１に接続されて、これから交流電力の供給を受けて、船舶３０に取り付けられた電力受信手段１０Ｂへ電力を伝送する。電力受信手段１０Ｂの出力端子は、船舶３０の負荷２と接続されて、電力送信手段１０Ａから電送された電力を負荷２へ出力する。

船舶３０が岸壁に接岸すると、磁石３Ａと磁石接触部３Ｂとが接する。この状態で磁石３Ａに通電すると、磁力によって磁石３Ａに磁石接触部３Ｂが固定され、岸壁４と船舶３０とが位置決めされる。電力送信手段１０Ａが電力受信手段１０Ｂへ交流電力を出力すると、電力受信手段１０Ｂは、電力送信手段１０Ａから出力された交流電力を負荷２へ電力を出力する。このような構成により、岸壁４に停泊中の船舶３０へ電力を供給することができる。電力伝送装置１０の使用態様は上述した例に限定されるものではなく、この他にも、電気自動車への充電、浮き桟橋の電力供給等に適用できる。

以上のように、本発明に係る電力伝送装置は、電力送信手段と電力受信手段との間隙が変化することによる電力受信手段から出力される電力の変動を低減することに有用である。

１ 交流電源
２ 負荷
３Ａ 磁石
３Ｂ 磁石接触部
４ 岸壁
１０ 電力伝送装置
１０Ａ 電力送信手段
１０Ｂ 電力受信手段
１１Ａ 給電側コア
１１Ｂ 受電側コア
１２Ａ、１３Ａ 給電側コイル
１２Ｂ、１３Ｂ 受電側コイル
１４Ａ 給電側共振手段用コイル
１４Ｂ 受電側共振手段用コイル
１５Ａ 給電側コンデンサ
１５Ｂ 受電側コンデンサ
２０ 可動式防波堤
３０ 船舶

Claims (4)

1. 水中の可動式防波堤の構造物に取り付けられ、陸上に配置される交流電源から受けた電気エネルギを磁気エネルギに変換する給電側コイルを有する電力送信手段と、
   前記電力送信手段に設けられる第１の共振手段と、
   前記構造物とは異なる、水中の前記可動式防波堤の構造物に格納される可動体に取り付けられて、前記電力送信手段から出力される磁気エネルギを電気エネルギに変換する受電側コイルを有する電力受信手段と、
   前記電力受信手段に設けられる第２の共振手段と、
   を含むことを特徴とする電力伝送装置。
2. 前記第１の共振手段及び前記第２の共振手段は、コンデンサを含む請求項１に記載の電力伝送装置。
3. 前記第１の共振手段に含まれるコンデンサは、前記給電側コイルとは異なる給電側共振手段用コイルと電気的に接続され、
   前記第２の共振手段に含まれるコンデンサは、前記受電側コイルとは異なる受電側共振手段用コイルと電気的に接続される、請求項２に記載の電力伝送装置。
4. 前記第１の共振手段の共振周波数と、前記第２の共振手段の共振周波数とは異なる請求項１から３のいずれか１項に記載の電力伝送装置。

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