JP7148013B1 - 空中移動体および無線送電システム - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1に係る空中移動体への送電システムの構成について、図1から図6を参照して説明する。図1から図4は、実施の形態1に係る空中移動体への送電システムの構成を説明する斜視図、正面図、側面図および平面図である。図5は、送電される空中移動体の底面図である。図6は、実施の形態1に係る空中移動体への送電システムの機能構成を説明するブロック図である。空中移動体とは、ヘリコプタ(回転翼機)、ドローン、無人航空機、UAV(Unmanned Aerial Vehicle)などを含み、地面や水面などから離れて空中を移動する物体である。
Aw1>As>Av (4)
Ar1=Aw1/cosδ>Aw1 (5)
ArX=AwX<Av<As (6)
Av=4*LB 2 (7)
As=4*LB*(LB+2*LP)+π*LP 2 (8)
ArX=AwX=4*LX 2 (9)
Aw1=4*L1 2 (10)
Ar1=Aw1/cosδ=4*L1 2/cosδ (11)
FX=ξX*BX (12)
F1=ξ1*B1 (13)
L1≦LB-(1/√(2))*Lpで、
B1=0 (14-1)
LB-(1/√(2))*Lp≦L1、
かつL1≦LB+(1/√(2))*Lpで、
B1=(π-4*sin-1((LB-L1)/Lp)*Lp 2
-4*(√(Lp 2-(LB-L1)2)
‐(LB-L1))*(LB-L1) (14-2)
LB+(1/√(2))*Lp≦L1≦LB+Lpで、
B1=4*(π-2*cos-1((L1-LB)/Lp))*Lp 2
+8*(√(Lp 2-(L1-LB)2)
*(L1-LB)) (14-3)
LB+Lp≦L1で、
B1=4*π*Lp 2 (14-4)
干渉面積BXについても、受電アンテナ2Xの1辺の長さの半分であるLXを決めると、干渉面積B1と同様に計算できる。
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。
実施の形態2は、角錐の外形を有する受電アンテナを使用する実施の形態である。実施の形態2に係る空中移動体への送電システムの構成について、図10から図15を参照して説明する。図10から図13は、実施の形態2に係る空中移動体への送電システムの構成を説明する斜視図、正面図、側面図および平面図である。図14および図15は、送電される空中移動体の底面図および断面図である。図15は、図13に示すA-A断面での断面図である。
Aw2=(3/2)*√(3)*L2 2>As>Av (4A)
Ar2=Aw2/cosδ (5A)
L2≦(1+1/√(3))*LB-(2/√(3))*Lpで、
B2=0 (15-1)
(1+1/√(3))*LB-(2/√(3))*Lp≦L2
≦(1+1/√(3))*LB+(2/√(3))*Lpで、
B2=8*cos-1(((1/√(3)+1/3)
*LB‐L2/(√(3))/Lp)*Lp 2
-8*((1/√(3)+1/3)*LB‐L2/(√(3))
*√(Lp 2-((1/√(3)+1/3)*LB
‐L2/(√(3))2) (15-2)
(1+1/√(3))*LB+(2/√(3))*Lp≦L2で、
B2=4*π*Lp 2 (15-3)
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。
実施の形態3は、円錐の外形を有する受電アンテナを使用する実施の形態である。実施の形態3に係る空中移動体への送電システムの構成について、図17から図22を参照して説明する。図17から図20は、実施の形態3に係る空中移動体への送電システムの構成を説明する斜視図、正面図、側面図および平面図である。図21および図22は、送電される空中移動体の底面図および断面図である。図22は、図20に示すB-B断面での断面図である。
Ar3=Aw3>As>Av (4B)
L3≦√(2)*LB-Lpで、
B3=0 (16-1)
√(2)*LB-Lp≦L3≦√(2)*LB+Lpで、
B3=4*cos-1((2*LB 2+L3 2-Lp 2)
/(2√(2)*LB*L3))*L3 2
+4*cos-1((2*LB 2+Lp 2-L3 2)
/(2√(2)*LB*Lp))*Lp 2
-2*√((√(2)*LB+Lp)2-L3 2)
*√(L3 2-(√(2)*LB-Lp)2) (16-2)
√(2)*LB+Lp≦L3で、
B3=4*π*Lp 2 (16-3)
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。
実施の形態4は、鉛直方向に略平行に設けた複数の平面アンテナで受電アンテナを構成する場合である。略平行とは、平行な場合との角度差が数度程度以下である場合である。受電アンテナ2Cでは、複数の平面アンテナを水平面では直交する2方向に配置する。2方向のそれぞれで複数の平面アンテナを配置する。受電アンテナ2Cでは、回転翼の回転軸に平行な方向から見る場合に、平面アンテナの側面が格子状に見えるように平面アンテナを配置して構成する。実施の形態4に係る空中移動体への送電システムの構成について、図24から図29を参照して説明する。図24は、実施の形態4に係る空中移動体への送電システムの構成を説明する斜視図である。図25から図27は、実施の形態4に係る空中移動体への送電システムで送電される空中移動体の構成を説明する正面図、側面図および平面図である。図28は、送電される空中移動体の断面図である。図28は、図27に示すC-C断面での断面図である。図29は、実施の形態4に係る空中移動体への送電システムの機能構成を説明するブロック図である。
Ar4=48*L4*H4 (17)
なお、受電アンテナ2Cでは、互いに表および裏の位置関係を有する2枚の平面アンテナが同時に送電電波5を受信することはできない。そのため、受電アンテナ2Cで実際に使用できる最大の開口面の面積(有効最大開口面積と呼ぶ)を、変数Ar41で表す。開口面積Ar41は、以下のように計算できる。
Ar41=24*L4*H4 (18)
送電アンテナ6Cと受電アンテナ2Cの位置関係によっては、並んで配置された手前側の平面アンテナが奥側の平面アンテナを遮蔽する。遮蔽に関しては、後で検討する。
(A)受電アンテナ2Cに対して、送電電波5はXZ平面に平行な方向から放射される。
(B)XZ平面で送電電波5は、仰角ζの方向に平行に放射される。
受電アンテナ2Cにおいて遮蔽を考慮した有効開口面積を、変数Ar4aで表す。投影有効開口面積は、受電アンテナの有効開口面積を、送電電波5の放射方向に対して垂直な平面に投影した面積である。受電アンテナ2Cの投影有効開口面積を、変数Ar4bで表す。
ζ≦tan-1(H4/L4)で、
Ar4a=L4*(4*H4+8*L4*tanζ) (19-1)
tan-1(H4/L4)≦ζで、
Ar4a=12*L4*H4 (19-2)
投影有効開口面積Ar4bと有効開口面積Ar4aの間には、以下の関係がある。
Ar4b=Ar4a*cosζ (20)
ζ≦tan-1(H4/L4)で、
Ar4b=L4*(4*H4*cosζ+8*L4*sinζ) (21-1)
tan-1(H4/L4)≦ζで、
Ar4b=12*L4*H4*cosζ (21-2)
式(21-1),(21-2)の右辺を、24*L4*H4で割ると、以下となる。
ζ≦tan-1(H4/L4)で、
Ar4b=(1/6)*cosζ
+(1/3)*(L4/H4)*sinζ (22-1)
tan-1(H4/L4)≦ζで、
Ar4b=(1/2)*cosζ (22-2)
式(22-1),(22-2)で計算される投影有効開口面積Ar4bを、正規化した投影有効開口面積と呼ぶ。
(C)受電アンテナ2Cに対して、X軸に対して45度の角度をなすXY平面上に存在する直線およびZ軸を含む平面(斜交XZ平面)に平行な方向から、送電電波5は放射される。
(D)斜交XZ平面で送電電波5は、仰角ζの方向に平行に放射される。
上記(C)および(D)が成立する場合での受電アンテナ2Cの有効開口面積を、変数Ar4cで表す。投影有効開口面積を、変数Ar4dで表す。
ζ≦tan-1(H4/(√(2)*L4))で、
Ar4c=L4*(6*H4
+18√(2)*L4*tanζ) (23-1)
tan-1(H4/(√(2)*L4))≦ζで、
Ar4c=L4*H4*(24‐9*(H4/(√(2)
*L4*tanζ))) (23-2)
投影有効開口面積Ar4dと有効開口面積Ar4cの間には、以下の関係がある。
Ar4d=Ar4c*(1/√(2))*cosζ (24)
ζ≦tan-1(H4/(√(2)*L4))で、
Ar4d=L4*((6/√(2))*H4*cosζ
+9*L4*sinζ) (25-1)
tan-1(H4/(√(2)*L4))≦ζで、
Ar4d=L4*H4
*(12√(2)
‐(9/2)*(H4/(L4*tanζ)))
*cosζ (25-2)
ζ≦tan-1(H4/(√(2)*L4))で、
Ar4d=(1/4√(2))*cosζ
+(3/8)*(L4/H4)*sinζ (26-1)
tan-1(H4/(√(2)*L4))≦ζで、
Ar4d=((1/√(2))
‐(3/16)*(H4/(L4*tanζ)))
*cosζ (26-2)
ζ≦tan-1(H4/(√(2)*L4))で、
Ar4d=(1/3√(2))*cosζ
+(1/3)*(L4/H4)*sinζ (27-1)
tan-1(H4/(√(2)*L4))≦ζで、
Ar4d=((1/√(2))
‐(1/6)*(H4/(L4*tanζ)))
*cosζ (27-2)
ζ≦tan-1(H4/(√(2)*L4))で、
Ar4d=(5√(2)/36)*cosζ
+(7/24)*(L4/H4)*sinζ) (28-1)
tan-1(H4/(√(2)*L4))≦ζ
かつ、ζ≦tan-1((√(2)*H4)/L4)で、
Ar4d=((13√(2)/36)
‐(1/9)*(H4/(L4*tanζ)))*cosζ
+(5/72)*(L4/H4)*sinζ) (28-2)
tan-1((√(2)*H4)/L4)≦ζで、
Ar4d=((1/√(2)
‐(1/4)*(H4/(L4*tanζ)))
*cosζ (28-3)
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。
実施の形態5は、受電アンテナを、鉛直方向に略平行に設けた複数の平面アンテナを回転翼の回転軸に平行な方向から見る場合にハニカム状に配置して構成する場合である。実施の形態5に係る空中移動体への送電システムの構成について、図37から図40を参照して説明する。図37から図39は、実施の形態5に係る空中移動体への送電システムで送電される空中移動体の構成を説明する正面図、側面図および平面図である。図40は、送電される空中移動体の断面図である。図40は、図39に示すD-D断面での断面図である。
Ar5=38*L5*H5 (29)
なお、送電電波5は、1方向から放射されるので、表および裏の位置関係を有する2枚の平面アンテナの中で一方だけで受電できる。受電アンテナ2Dの有効最大開口面積を、変数Ar51で表す。開口面積Ar51は、以下のように計算できる。
Ar51=19*L5*H5 (30)
送電アンテナ6Cと受電アンテナ2Cの位置関係によっては、決められた方向に並ぶように配置された手前側の平面アンテナが奥側の平面アンテナを遮蔽する。
(A)受電アンテナ2Dに対して、送電電波5はXZ平面に平行な方向から放射される。
(B)XZ平面で送電電波5は、仰角ζの方向に平行に放射される。
受電アンテナ2Dにおいて遮蔽を考慮した有効開口面積を、変数Ar5aで表す。受電アンテナ2Dの投影有効開口面積を、変数Ar5bで表す。
ζ≦tan-1(H5/(√(3)*L5))で、
Ar5a=(7*H5+8*√(3)*L5*tanζ)
*L5 (31-1)
tan-1(H5/(√(3)*L5))≦ζで、
Ar5a=(19-4*(H5/(√(3)*L5*tanζ))
*H5*L5 (31-2)
ζ≦tan-1(H5/(√(3)*L5))で、
Ar5b=(5*H5*cosζ+6*√(3)
*L5*sinζ)*L5 (32-1)
tan-1(H5/(√(3)*L5))≦ζで、
Ar5b=(13-2*(H5/(√(3)*L5*tanζ))
*H5*L5*cosζ (32-2)
ζ≦tan-1(H5/(√(3)*L5))で、
Ar5b=(5/19)*cosζ
+(6√(3)/19)
*(L5/H5)*sinζ (33-1)
tan-1(H5/(√(3)*L5))≦ζで、
Ar5b=(13/19)*cosζ
‐(2/(19√(3)))
*(H5/L5)*(cosζ/tanζ) (33-2)
(C)受電アンテナ2Dに対して、Y軸に対して30度の角度をなすXY平面上に存在する直線およびZ軸を含む平面(斜交YZ平面)に平行な方向から、送電電波5は放射される。
(D)斜交YZ平面で送電電波5は、仰角ζの方向に平行に放射される。
上記(C)および(D)が成立する場合での受電アンテナ2Dの有効開口面積を、変数Ar5cで表す。投影有効開口面積を、変数Ar5dで表す。
ζ≦tan-1(H5/(2*L5))で、
Ar5c=(5*H5+8*L5*tanζ)*L5 (34-1)
tan-1(H5/(2*L5))≦ζで、
Ar5c=(13*L5-2*H5/tanζ)
*H5 (34-2)
投影有効開口面積Ar5dと有効開口面積Ar5cの間には、以下の関係がある。
Ar5d=Ar5c*(√(3)/2)*cosζ (35)
ζ≦tan-1(H5/(2*L5))で、
Ar5d=(√(3)/2)
*(5*H5*cosζ+8*L5*sinζ)
*L5 (36-1)
tan-1(H5/(2*L5))≦ζで、
Ar5d=(√(3)/2)
*(13*L5-2*H5/tanζ)
*H5*cosζ (36-2)
ζ≦tan-1(H5/(2*L5))で、
Ar5d=(√(3)/38)
*(5*cosζ
+8*(L5/H5)*sinζ) (37-1)
tan-1(H5/(2*L5))≦ζで、
Ar5d=(√(3)/38)
*(13-2*H5/(L5*tanζ))
*cosζ (37-2)
実施の形態6は、開口面を鉛直方向に略平行に設けた受電アンテナを有する空中移動体に、鉛直方向に略平行な開口面を有する送電アンテナを有する複数の送電装置から送電する場合である。実施の形態6に係る空中移動体への送電システムの構成について、図44から図48を参照して説明する。図44から図47は、実施の形態6に係る空中移動体への送電システムの構成を説明する斜視図、正面図、側面図、平面図である。図48は、実施の形態6に係る空中移動体への送電システムの機能構成を説明するブロック図である。
LE=D*tanθ0 (38)
なお、送電可能範囲は、送電アンテナ6Eの円錐状の方向範囲と想定受電平面とが交差する範囲である。
G≦2*LE (39)
式(38)を式(39)に代入して、以下となる。
G≦2*D*tanθ0 (40)
1、1C、1E 送電装置(無線送電装置)、
2、2A、2B、2C、2C1、2C2、2D、2E、2F 受電アンテナ、
3、3A、3B、3C、3D、3E、3F 受電装置、
4、4A、4B、4C、4C1、4D、4D1、4F ドローン(空中移動体)、
4E ドローン(空中移動体)、
4X 無人ビークル(空中移動体)、
5 送電電波(電波)、
6、6C、6E 送電アンテナ、
7 素子送電アンテナ(素子アンテナ)、
8 回転翼、
9 モータ(電動機)、
10 飛行制御装置、
11 バッテリ(蓄電池)、
12 電源回路、
13 機体、
13A 本体部、
13B 翼支持部、
14 素子受電アンテナ、
15 整流回路(変換器)、
16 電力合成回路、
17 下降気流、
18、18C、18E 送電制御装置(存在方向決定部)、
19 素子モジュール、
19P 一段素子モジュール(素子モジュール)、
19S 二段素子モジュール(素子モジュール)、
20 送信信号生成部、
21 分配回路、
22 移相器、
23 増幅器、
24 回転架台、
25 送電ユニット、
26 パイロット送信機、
27 パイロット送信アンテナ、
28 パイロット信号、
29 パイロット受信アンテナ、
30 到来方向検出装置、
31 基板、
δ 受電アンテナの開口面と回転軸垂直平面とがなす角度、
ζ 送電電波5が放射される方向の仰角、
θ0 送電アンテナ6Eの正面方向に対する送電電波5の放射方向、
V 機体投影範囲、
R 回転翼投影範囲、
S 回転翼投影領域、
W1 受電アンテナ2の受電面投影範囲、
WX 受電アンテナ2Xの受電面投影範囲、
W2 受電アンテナ2Aの受電面投影範囲、
W3 受電アンテナ2Bの受電面投影範囲、
K1 受電アンテナ2の干渉領域、
KX 受電アンテナ2Xの干渉領域、
K2 受電アンテナ2Aの干渉領域、
K3 受電アンテナ2Bの干渉領域、
Av 機体投影範囲Vの面積(機体投影面積)、
As 回転翼投影領域Sの面積(回転翼投影面積)、
Aw1 受電面投影範囲W1の面積(受電面投影面積)、
AwX 受電面投影範囲WXの面積(受電面投影面積)、
Aw2 受電面投影範囲W2の面積(受電面投影面積)、
Aw3 受電面投影範囲W3の面積(受電面投影面積)、
Ar1 受電アンテナ2の開口面の面積(受電面積)、
Ar2 受電アンテナ2Aの開口面の面積(受電面積)、
Ar3 受電アンテナ2Bの開口面の面積(受電面積)、
Ar4 受電アンテナ2Cの開口面の面積(受電面積)、
Ar5 受電アンテナ2Dの開口面の面積(受電面積)、
Ar41 受電アンテナ2Cの有効最大開口面積、
Ar51 受電アンテナ2Dの有効最大開口面積、
Ar4a 受電アンテナ2Cの有効開口面積、
Ar5a 受電アンテナ2Dの有効開口面積、
Ar4b 受電アンテナ2Cの投影有効開口面積、
Ar5b 受電アンテナ2Dの投影有効開口面積、
Ar4c 受電アンテナ2Cの有効開口面積、
Ar5c 受電アンテナ2Dの有効開口面積、
Ar4d 受電アンテナ2Cの投影有効開口面積、
Ar5d 受電アンテナ2Dの投影有効開口面積、
B1 干渉領域K1の面積(干渉面積)、
BX 干渉領域KXの面積(干渉面積)、
B2 干渉領域K2の面積(干渉面積)、
B3 干渉領域K3の面積(干渉面積)、
F1 受電アンテナ2において下降気流17が発生させる抗力、
FX 受電アンテナ2Xにおいて下降気流17が発生させる抗力、
F2 受電アンテナ2Aにおいて下降気流17が発生させる抗力、
F3 受電アンテナ2Bにおいて下降気流17が発生させる抗力、
FALOW 許容できる抗力Fの上限、
ξ1 受電アンテナ2での抗力発生係数、
ξX 受電アンテナ2Xでの抗力発生係数、
ξ2 受電アンテナ2Aでの抗力発生係数、
ξ3 受電アンテナ2Bでの抗力発生係数。
Claims (3)
- 回転して揚力を発生させる回転翼と、
前記回転翼が設けられる機体と、
電力を伝送する電波を受信する線状の受電アンテナと、
前記回転翼の回転軸に平行な方向である回転軸方向に略平行であり、下側の側面に前記受電アンテナが接続する基板に設けられた、前記受電アンテナが受信した前記電波の電力を直流電力に変換する変換器と、
直流電力を蓄える蓄電池と、
前記変換器が変換する直流電力、あるいは前記蓄電池に蓄えられた直流電力が供給されて、前記回転翼を回転させる動力を発生させる電動機とを備えた空中移動体。 - 前記回転軸方向に垂直な平面である回転軸垂直平面における第1の方向を向いた前記基板、および前記回転軸垂直平面において前記第1の方向と交差する方向である第2の方向を向く前記基板が存在するように、複数の前記基板が配置されている、請求項1に記載の空中移動体。
- 請求項1または請求項2に記載の空中移動体と、
指向方向を変更できる送電アンテナと、前記受電アンテナが存在する方向である存在方向に前記指向方向を向ける指向方向変更部とを有する送電装置とを備えた空中移動体への送電システム。
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