(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状に配設した送電アンテナを介して複数の発振器から、回転体に配設した送信機に駆動電力を供給する回転体へのワイヤレス給電システムであって、
前記発振器は、前記各送電アンテナに対応させて円環状に配設され、発振トリガ信号により最初に駆動される一台の基準発振器から反時計方向および時計方向で隣接する発振器を前記基準発振器から送出する発振トリガ信号でそれぞれ駆動するとともに、前記反時計方向で隣接する発振器および時計方向で隣接する発振器をそれぞれの発振器に時計方向で隣接する発振器および反時計方向で隣接する発振器から送出する発振トリガ信号で順次駆動し、
前記各送電アンテナは、前記各発振器との間が同一長の配線で接続されていることを特徴とする回転体へのワイヤレス給電システム。
【請求項２】
前記発振器は、前記基準発振器を除き、偶数個を配設したことを特徴とする請求項１に記載する回転体へのワイヤレス給電システム。
【請求項３】
前記送信機は、タービンの動翼に配設したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載する回転体へのワイヤレス給電システム。
【請求項４】
タービンの動翼に配設されて前記動翼の歪みや温度を含む所定の物理量を検出するセンサと、前記動翼に配設され前記センサが検出した前記物理量を表す検出信号を入力して固定側の受信機に向けて無線伝送する送信機とを有する運転監視システムを備えたタービンシステムにおいて、
前記送信機の駆動電力を供給するワイヤレス給電システムとして請求項３に記載する回転体へのワイヤレス給電システムを適用したことを特徴とするタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転体へのワイヤレス給電システムおよびタービンシステムに関し、タービン等の回転機械の監視に利用する情報を送信する送信機にワイヤレスで給電する場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
タービンの運転状況を監視する運転監視システムとしてタービンの動翼の歪みや温度等、所定の物理量を検出するセンサを前記動翼に配設するとともに、前記センサが検出した物理量を表す検出信号を固定側（地上側）に無線伝送して所定の信号処理を行うように構成したものが提案されている。
【０００３】
この種の運転監視システムでは、複数のセンサとともに複数の送信機を動翼（回転体側）に配設し、各送信機を介して所定の物理量を表す検出信号を固定側に送出している。ここで、送信機の駆動電力は固定側からワイヤレス給電システムにより供給している。
【０００４】
図６は従来技術に係るワイヤレス給電システムを示すブロック図である。同図に示すように、固定側である各発振器０１には、複数が円環状に配設された送電アンテナ０２がアンプ０３を介して配線０４によりそれぞれ接続されている。各発振器０１は、一台の基準トリガ発生器０１０に並列に接続してあり、基準トリガ発生器０１０が送出する発振トリガ信号により一斉に駆動される。
【０００５】
一方、回転体側には各送信機（本体は図示せず）に内蔵した複数（図では６個）の受電モジュール０５が、例えばタービンの動翼（図示せず）に送信機とともに円環状に配設されている。かくして、送電アンテナ０２を介して受電モジュール０５に向けて放射された電波が、受電モジュール０５で電力に変換され、送信機本体やセンサ等、所定の負荷の駆動電力として供給される。かかる電力により駆動される送信機は、前記動翼の歪みや温度等、センサが検出した所定の物理量を表す検出信号を固定側の信号処理装置（図示せず）に無線で送出する。
【０００６】
上述の如きワイヤレス給電システムにおいて、各送電アンテナ０２から放射される電波は、発振器０１から送電アンテナ０２までの配線０４の長さの差に起因する位相ズレを生起する。すなわち、各発振器０１はＧＨｚオーダーの高周波数の信号を発振するため、配線０４の長さに応じて遅延する発振信号の位相ズレの影響が顕著になり、隣接の送電アンテナ０２からの電波との干渉が生起され、受電側での受電電力のレベルの低下を招来する。
【０００７】
さらに詳言すると、図７は従来技術における配線およびこれに接続された送電アンテナと、受電モジュールとの位置関係を概念的に示す模式図である。同図に示すように、一つの受電モジュール０５で受電する電力レベルは、当該受電モジュール０５の正面で正対する送電アンテナ０２Ａから放射された電波の強度に最も強く影響され、次にその両側の送電アンテナ０２Ｂ,０２Ｃから放射された電波の強度に影響される。ここで、各受電モジュール０５は動翼の回転に伴い固定側の送電アンテナ０２Ｂ、０２Ａ、０２Ｃに順次正対する。
【０００８】
ここで、発振器０１Ａ,０１Ｂ,０１Ｃから送電アンテナ０２Ａ,０２Ｂ,０２Ｃに至る配線０４Ａ,０４Ｂ,０４Ｃの長さが異なる場合、各送電アンテナ０２Ａ,０２Ｂ,０２Ｃから放射される電波は配線０４Ａに対する配線０４Ｂ,０４Ｃの長さの差に応じた所定の位相差を有するものとなる。すなわち、図７において、例えば発振器０５Ｃから送電アンテナ０２Ｃに至る配線０４Ｃは、発振器０５Ａから送電アンテナ０２Ａに至る配線０４Ａの長さよりも距離ｄ１,ｄ２,ｄ３の長さを加算した分だけ長くなり、発振器０５Ｂから送電アンテナ０２Ｂに至る配線０４Ｂの長さにおいても配線０４Ａの長さとは異なるものとなっている。
【０００９】
そこで、何も対策を講じない場合には、送電アンテナ０２Ａに対する送電アンテナ０２Ｂ,０２Ｃからの放射電波による電力レベル特性は、図８に実線０４Ｂ１,０４Ｃ１で示すようになる。ここで、図８は、図７に示す受電モジュール０５が送電アンテナ０２Ａに正対した位置における送電アンテナ０２Ｂ，０２Ａ，０２Ｃの電波の強度（電力レベル）を
示す特性図であり、横軸は送電アンテナ０２Ｂ，０２Ａ，０２Ｃの位置に対応する。図８に示すように、送電アンテナ０２Ｂ，０２Ｃの電波強度ピークは、送電アンテナ０２Ａの電波強度ピークに較べて位相差分だけ低くなる。この場合、送電アンテナ０２Ａに正対する受電モジュール０５が受電する電力レベルＰ０３は、送電アンテナ０２Ａから放射する電波に起因する電力レベルＰ０１に、送電アンテナ０２Ｂ，０２Ｃから放射する電波に起因する電力レベルＰ０２を加算したものとなる。すなわち、Ｐ０３＝Ｐ０１＋２・Ｐ０２で与えられる。
【００１０】
これに対し、図６に示す従来技術に係るワイヤレス給電システムでは、発振器０１と送電アンテナ０２との間に移相器０６を介在させて各送電アンテナ０２から放射される電波の位相を揃えている。この結果、送電アンテナ０２Ｂ，０２Ｃの電波強度の低下が抑えられ、送電アンテナ０２Ｂ,０２Ｃから放射されて受電モジュール０５で受電される電波の強度特性（電力レベル特性）は、図８に点線０４Ｂ２,０４Ｃ２で示すように改善される。これにより、送電アンテナ０２Ａに正対する受電モジュール０５が受電する電力レベルＰ０５は、送電アンテナ０２Ａが放射電波に起因する電力レベルＰ０１に、送電アンテナ０２Ｂ，０２Ｃからの放射電波に起因する電力レベルＰ０４を加算したものとなる。すなわち、Ｐ０５＝Ｐ０１＋２・Ｐ０４で与えられる。従来技術では、移相器０６を設けたことによって電力レベルＰ０５と電力レベルＰ０３の差分だけ電力レベル特性が改善される。
【００１１】
このように、従来技術では各送電アンテナ０２から放射される電波の周波数のみならず配線０４の長さに起因する位相ズレを除去して各送電アンテナ０２が放射する電波の位相が揃うように、発振器０１の発信周波数を制御するとともに移相器０６による移相量の調整を行っている。
【００１２】
なお、ワイヤレス給電により回転体側の送信機に電力を供給する技術を開示する公知文献として特許文献１が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１６−３９４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
図６に示す従来技術に係るワイヤレス給電システムにおいては、配線０４の長さの違いによる位相遅れを補正するための移相器０６を配設しているので、移相器０６が固定側の設備の小型化を阻害する要因となってしまうばかりでなく、移相器０６毎に個別に行なう必要がある移相器０６の移相量の調整作業が面倒であり、これに多大な時間を要する。
【００１５】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、移相器を設けることなく送電アンテナから放射される電波の位相を揃えることができる回転体へのワイヤレス給電システムおよびタービンシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成する本発明に係るワイヤレス給電システムの態様は、次の点を特徴とする。
１）  円環状に配設した送電アンテナを介して複数の発振器から、回転体に配設した送信機に駆動電力を供給する回転体へのワイヤレス給電システムであって、
前記発振器は、前記各送電アンテナに対応させて円環状に配設され、発振トリガ信号により最初に駆動される一台の基準発振器から反時計方向および時計方向で隣接する発振器を前記基準発振器から送出する発振トリガ信号でそれぞれ駆動するとともに、前記反時計方向で隣接する発振器および時計方向で隣接する発振器をそれぞれの発振器に時計方向で隣接する発振器および反時計方向で隣接する発振器から送出する発振トリガ信号で順次駆動し、
前記各送電アンテナは、前記各発振器との間が同一長の配線で接続されていること。
【００１７】
２）  上記１）において、前記発振器は、前記基準発振器を除き、偶数個を配設したこと。
【００１８】
３）  上記１）または２）において、前記送信機は、タービンの動翼に配設したこと。
【００１９】
また、上記ワイヤレス給電システムを有するタービンシステムの態様は、次の点を特徴とする。
４）  タービンの動翼に配設されて前記動翼の歪みや温度を含む所定の物理量を検出するセンサと、前記動翼に配設され前記センサが検出した前記物理量を表す検出信号を入力して固定側の受信機に向けて無線伝送する送信機とを有する運転監視システムを備えたタービンシステムにおいて、
前記送信機の駆動電力を供給するワイヤレス給電システムとして上記３）に記載する回転体へのワイヤレス給電システムを適用したこと。
【発明の効果】
【００２０】
本発明において、受電モジュールで受信した電波に基づく受電電力は、受電モジュールに対して正対する正面の送電アンテナからの到来電波と、正対する前記送電アンテナに反時計方向および時計方向で隣接する送電アンテナからの到来電波に応じてほぼ支配的に決定される。
【００２１】
ここで、本発明に係るワイヤレス給電システムでは、発振器および送電アンテナ間が同一長の配線で接続され、しかもこれら発振器、送電アンテナおよび配線が全て同じレイアウトで環状に配設されている。この結果、配線長の差に起因する電波の位相差を生起することはない。したがって、従来技術のワイヤレス給電システムには備えていた移相器を除去することができる。また、基準となる一台の発振器から反時計方向および時計方向で隣接する発振器に順次発振トリガ信号を送出して各発振器を駆動している。この結果、発振トリガ信号の伝送のための配線を可及的に短縮でき、移相器を除去し得ることと相俟って固定側の装置の小型化およびコストの低減を実現し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムを示すブロック図である。
【図２】図１に示す実施形態の固定側における機器の配置を正面から見た状態で示すブロック図である。
【図３】本実施形態における発振器およびこれに接続された送電アンテナと、受電モジュールとの位置関係を概念的に示す模式図である。
【図４】図３に示す受電モジュールが送電アンテナに正対した位置における電波の強度（電力レベル）を示す特性図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るガスタービンシステムを示すブロック図である。
【図６】従来技術に係るワイヤレス給電システムを示すブロック図である。
【図７】従来技術における配線およびこれに接続された送電アンテナと、受電モジュールとの位置関係を概念的に示す模式図である。
【図８】図７に示す受電モジュールが送電アンテナに正対した位置における電波の強度（電力レベル）を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
なお、以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
【００２４】
＜ワイヤレス給電システムの実施形態＞
図１は本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムを示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態に係るワイヤレス給電システムは、円環状に配設した送電アンテナ２を介して複数の発振器１から、例えばタービンの動翼等の回転体に配設した送信機（本体は図示せず）の駆動電力を供給する。ここで、受電モジュール５は受信した電波に基づく電磁エネルギーを電力に変換して送信機の駆動電力として供給する。受電モジュール５で変換した電力は、タービンの動翼等、回転体の温度や歪み等、運転時の監視対象となる所定の物理量を検出するセンサの電源としても利用される。ここで、受電モジュール５は通常は送電アンテナ２よりも少ない複数個(図では６個)が各送電アンテナ２に相対向するように環状に配設されている。
【００２５】
図２は図１に示す本実施形態の固定側における機器の配置を正面から見た状態で示すブロック図である。以下、図２を図１に追加して両図に基づき本実施形態を説明する。
【００２６】
発振器１は、各送電アンテナ２に対応させて円環状に配設されている。そして、基準トリガ発生器１０が発生する発振トリガ信号により一台の基準発振器１１を最初に駆動し、次に基準発振器１１から反時計方向および時計方向で隣接する発振器１を基準発振器１１から送出する発振トリガ信号でそれぞれ駆動する。続いて、反時計方向で隣接する発振器１および時計方向で隣接する発振器１を、それぞれの発振器１に時計方向（基準発振器１１側）で隣接する発振器１および反時計方向（基準発振器１１側）で隣接する発振器１から送出する発振トリガ信号で順次駆動する。すなわち、各発振器１は、時計方向および反時計方向で隣接する発振器１から送出される発振トリガ信号により反時計方向および時計方向に順次移動しつつ所定の発振動作を開始する。ここで、本実施形態においては各発振器１からアンプ３を介して送電アンテナ２に至る配線４は全て同一長となっている。すなわち、発振器１、アンプ３、送電アンテナ２で形成される各送電ユニットは全て同一構成となって環状に配設されている。
【００２７】
ここで、最初に駆動される一台の基準発振器１１が属する送電ユニットの符号を（Ｚｅｒｏ）とし、送電ユニット（Ｚｅｒｏ）から反時計方向および時計方向で順次隣接する送電ユニットの符号は、反時計方向に関しては、Ａ−１，Ａ−２，Ａ−３，・・・，Ａ−（Ｎ−２），Ａ−（Ｎ-１），Ａ−Ｎとするとともに、時計方向に関しては、Ｂ−１，Ｂ−２，Ｂ−３，・・・，Ｂ−（Ｎ−２），Ｂ−（Ｎ-１），Ｂ−Ｎとする。
【００２８】
かくして、各送電ユニット（Ａ−１）および（Ｂ−１）は、基準トリガ発生器１０が発生する発振トリガ信号で駆動が開始され、送電ユニット（Ａ−２）は時計方向で隣接する送電ユニット（Ａ−１）の発振器１が送出する発振トリガ信号で駆動が開始される。また、送電ユニット（Ｂ−２）は反時計方向で隣接する送電ユニット（Ｂ-１）の発振器１が送出する発振トリガ信号で駆動が開始される。
【００２９】
以下同様にして各送電ユニット（Ａ−３）〜（Ａ−Ｎ）および送電ユニット（Ｂ−３）〜（Ｂ−Ｎ）の駆動が順次開始される。この結果、反時計方向と時計方向とでハイフォンの後の番号が同じ、すなわち、例えば送電ユニット（Ａ−３）と送電ユニット（Ｂー３）とからは完全に位相が一致した電波が放射される。したがって、送電ユニット（Ａ−Ｎ）と送電ユニット（Ｂ−Ｎ）から放射される電波も同一位相となる。
【００３０】
このように、本実施形態では、各発振器１が直前に駆動された発振器が送出する発振トリガ信号により反時計方向および時計方向に順次駆動されるので、発振器１のトリガに要する配線長（発振器１の出力と、これに隣接する発振器１のトリガ入力との配線長）を最小にすることができ、この配線長に応じて生じる隣接する送信ユニット間での発振トリガ信号の時間差を僅かなものにすることができる。この結果、送電ユニット（Ｚｅｒｏ）、各送電ユニット（Ａ−１）〜（Ａ−Ｎ）および送電ユニット（Ｂ−１）〜（Ｂ−Ｎ）の配線４を同一長としたことと相俟って各送電アンテナ２から放射される電波の位相ズレを最小限度に抑えて位相を良好に揃えることができる。また、発振器１を駆動させる発振トリガ信号を伝送するための配線を最短にすることができる。この結果、固定側機器の設置スぺースの縮小化等を介してシステムの小型化に寄与し得る。
【００３１】
さらに詳言すると、従来技術における図７に相当する特性である図３に示すように、一つの受電モジュール５で受電する電力のレベルは、当該受電モジュール５の正面で正対する送電アンテナ２Ａから放射された電波の強度に最も強く影響され、次にその両側の送電アンテナ２Ｂ,２Ｃから放射された電波の強度に影響される。ここで、発振器１Ａ,１Ｂ,１Ｃから送電アンテナ２Ａ,２Ｂ,２Ｃに至る配線４Ａ,４Ｂ,４Ｃの長さは同一であり、また各発振器１の発振タイミングもごく僅かのずれしか生起していないので、送電アンテナ２Ａ,２Ｂ,２Ｃから放射される電波は、殆どズレを生起することなく揃っている。
【００３２】
図４は図３に示す受電モジュール５が送電アンテナ２に正対した位置における電波の強度（電力レベル）を示す特性図であり、図８に対応する。図４に示すように、この場合、送電アンテナ２Ｂ、２Ｃから得られる電力レベルは、図４に実線４Ｂ１、４Ｃ１で示すように、送電アンテナ２Ｂ、２Ｃから得られ、図４に点線４Ｂ２、４Ｃ２で示す理想的な電力レベルより僅かに小さいだけでほとんど同等である。ここで、理想的な電力レベルとは、送電アンテナ２Ａ,２Ｂ,２Ｃから放射される各電波間の位相差が零の場合の電力レベルであり、図４に実線４Ａ１で示す送電アンテナ２Ａから得られる電波と同等の電力レベルである。
【００３３】
本実施形態において、送電アンテナ２Ａに正対する受電モジュール５が受電する電力レベルＰ３は、送電アンテナ２Ａから放射する電波に起因する電力レベルＰ１に、送電アンテナ２Ｂ，２Ｃから放射する電波に起因する電力レベルＰ２を加算したものとなる。すなわち、Ｐ３＝Ｐ１＋２・Ｐ２で与えられる。一方、この場合の最大の電力レベルＰ５は、受電モジュール５が送電アンテナ２Ａと正対する位置における点線４Ｂ２、４Ｃ２の電力レベルＰ４の２倍と電力レベルＰ１を加算したもの、すなわちＰ５＝Ｐ１＋２・Ｐ４で与えられる。電力レベルＰ３は電力レベルＰ５に対し若干小さいだけである。すなわち、本実施形態においては、従来技術の如き移相器を用いなくてもこれと同等またはそれ以上の電力レベルＰ３を得ることができる。特に、位相が完全に一致していると考えられる送電ユニット（Ａ−Ｎ）、（Ｂ−Ｎ）を含む場合は、最も良好な電力レベル特性が得られる。
【００３４】
なお、本実施形態では基準発振器１１を除き反時計方向および時計方向にはＮ個づつ全体で偶数個の送電ユニット（Ａ−１）〜（Ａ−Ｎ）および送電ユニット（Ｂ−１）〜（Ｂ−Ｎ）を設けたが、これに限るものではない。奇数であっても構わない。ただ、偶数の場合には、上述のごとく基準発振器１１と対極位置にある送電ユニット（Ａ−Ｎ）, （Ｂ−Ｎ）から放射される電波の位相を完全に揃えることができる。
【００３５】
＜タービンシステムの実施形態＞
図５は本発明の他の実施形態に係るガスタービンシステムを示すブロック図である。同図に示すように、ガスタービン本体１００は、圧縮機１０１、燃料タンク１０２、燃焼器１０３、タービン室１０４、動翼１０５、静翼１０６および回転軸１０７を有しており、動翼１０５に作用する力を回転軸１０７の回転駆動力として出力するものである。さらに詳言すると、圧縮機１０１は吸引した空気を圧縮して燃焼器１０３に供給する。燃料タンク１０２に貯留されている燃料はポンプ１０８で汲みあげて燃焼器１０３に供給する。この結果、燃焼器１０３では圧縮空気のもとで燃料が燃焼され高温・高圧の駆動ガスを生成する。かかる駆動ガスは、タービン室１０４内の静翼１０６と動翼１０５との間で膨張して駆動力を発生し、動翼１０５を介して回転軸１０７を軸回りに回転させる。
【００３６】
本形態に係るガスタービンシステムは、ガスタービン本体１００、ワイヤレス給電システム２００および運転監視システム３００を組合せてなる。ワイヤレス給電システム２００は図１に基づき説明した前記実施形態に係るものである。そこで、図５中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００３７】
本実施形態におけるタービン本体１００の回転体である動翼１０５には、その歪みや温度を計測する複数のセンサ２０が配設してある。各センサ２０で検出した所定の物理量を表す検出信号は、センサ２０とともに回転体である動翼１０５に複数個配設された送信機２１を介して固定側（地上側）のアンテナ３２に向けて電波として放射される。アンテナ３２を介して受信機３３で受信された前記検出信号は、信号処理装置３４で所定の信号処理を行うことでガスタービン本体１００の運転状況を表す情報として生成され、必要に応じ表示部３５に表示される。ここで、送信機２１は受電モジュール５（図１参照）を内蔵しており、該受電モジュール５を介してワイヤレス給電システム２００から必要な駆動電力が無線で供給される。
【００３８】
したがって、本実施形態によれば、図１に示すワイヤレス給電システムにより高効率で駆動電力を充電された送信機２１によりガスタービン１００の動翼１０５に関する所定の運転情報を長期に亘り安定して固定側に送出することができる。この結果、ガスタービン本体１００の適格な運転監視を行うことができる。
【００３９】
＜他の実施形態＞
なお、上記実施形態では回転体としてガスタービンの動翼を例に採り説明したが、これに限るものではない。回転体に配設されている送信機に電磁エネルギーとしての電力を供給する場合であれば特に制限はなく、広く適用し得る。
【符号の説明】
【００４０】
Ｚｅｒｏ、（Ａ−１）〜（Ａ−Ｎ）、（Ｂ−１）〜（Ｂ−Ｎ）  送電ユニット
１  発振器
２  送電アンテナ
４  配線
５  受電モジュール
１０  基準トリガ発生器
２０  センサ
２１  送信機
１００  ガスタービン本体
１０５  動翼（回転体）
２００  ワイヤレス給電システム
３００  運転監視システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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