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ワイヤレス電力伝送解析

磁界共鳴方式の電力伝送

電磁誘導(共振)方式の電力伝送(1)

電磁誘導(共振)方式の電力伝送(2)

電磁誘導(共振)方式の電力伝送(3)

電界結合方式の電力伝送

テスラコイルを用いた電力伝送

磁界共鳴方式の電力伝送解析

磁界共鳴方式は、コイルの自己共振による共鳴現象を利用したもので、数メートル間の高効率電力伝送が可能です。しかし、放射を最小にし、最大な伝送効率を求めるならば、コイルの直径、線径、ピッチ、巻き数、励振コイルとの位置関係など細かく調整する必要があります。これらのパラメータを求めるためには、送受信コイルを数メートル離した状態で、3次元電磁界解析を行う必要があります。図は、MITの実験モデルを設定した例で、高い伝送特性を示していることが確認できます。

磁界共鳴方式の電力伝送解析

磁界共鳴方式の電力伝送解析

磁界共鳴方式の電力伝送解析

※MITモデルの詳細寸法が不明なため、完全な再現モデルではありません

磁界分布

磁界分布

自動車に実装した磁界共鳴電力伝送システムの解析例

自動車に実装した磁界共鳴電力伝送システムの解析例

磁界共鳴方式の電力伝送解析

電磁誘導(共振)方式の電力伝送解析(1)

電磁誘導方式による電力伝送では、低い周波数が用いられることがありますが、数十キロHZ以下の周波数でも解析することが可能です。以下の例は、送信コイルの下に金属板が置かれている場合と、複数の受信コイルが存在する場合の特性と磁界分布を示しています。整合用の回路定数は、最適化機能を用いて決定しています。

金属板を含む伝送系の電流分布と磁界分布

金属板を含む伝送系の電流分布と磁界分布

伝送特性

伝送特性

最適化で決定した結合回路定数

最適化で決定した結合回路定数

複数の受信コイルを設定した例

複数の受信コイルを設定した例

電磁誘導(共振)方式の電力伝送解析(2)

誘導コイルとコンデンサによる共振を有する電磁誘導方式で、MOSFETを用いてスイッチングを行い、全体回路を解析することが可能です。以下は直径5cmのコイルを1cm離した場合のシミュレーションです。トランジェント解析を含めて1分以内で解析が終了しています。出力電圧はピークで約1Vが得られています。

電磁誘導(共振)方式の電力伝送解析

伝送特性(緑)S21max=-1.13dB

伝送特性(緑)S21max=-1.13dB

出力波形(上)、スイッチング波形(下)

出力波形(上)、スイッチング波形(下)

電磁誘導(共振)方式の電力伝送解析

100KHzにおける磁界分布

100KHzにおける磁界分布

電磁誘導(共振)方式の電力伝送解析(3)ー フェライトあり ー(参考データ: フェライト機能はVer.2017にてリリース予定)

誘導コイルとコンデンサによる共振を有する電磁誘導方式で、MOSFETを用いてスイッチングを行い、全体回路を解析することが可能です。以下は直径5cmのコイルを1cm離した場合のシミュレーションです。トランジェント解析を含めて1分以内で解析が終了しています。出力電圧はピークで約1Vが得られています。

電磁誘導(共振)方式の電力伝送解析

175秒/301周波数 トランジェント解析:5秒

175秒/301周波数
トランジェント解析:5秒

伝送特性(緑)S21max=-0.2dB

伝送特性(緑)S21max=-0.2dB

出力波形(上)、スイッチング波形(下)

出力波形(上)、スイッチング波形(下)

100KHzにおける磁界分布

100KHzにおける磁界分布

100KHzにおける磁界分布
磁界が閉じ込められていることがわかる

電界結合方式の電力伝送解析

電界結合方式は、対向する接合容量で電力伝送を行う方式です。直列型と並列型がありますが、以下に並列型の解析例を示します。接合容量を含めた共振系の最適値を求める必要がありますが、S-NAP Wireless Suiteの最適化機能を用いれば、容易にトランスのインダクタンスや結合容量を得ることができます。グラフは対向電極の距離が変化した場合の伝送特性の差を示しています。ビューワは、100KHzにおける電界分布のベクトル表示です。

電界分布

電界分布

電界結合方式の電力伝送解析

電界結合方式の電力伝送解析

伝送特性

伝送特性

距離がずれた場合の伝送特性の変化

図引用:篠原真毅著,“電界磁界結合型 ワイヤレス給電技術”,科学情報技術出版,pp308

テスラコイルを用いた電力伝送解析

テスラコイルはニコラ・テスラの考案した自己共振を持いた高圧発生コイルで、巻き数比をはるかに超える高圧が発生します。右図は1次側が1回巻で2次側が380回巻です。2次側の線間容量とインダクタンスで自己共振点が現れ、非常に高い変換比率になります。S-NAP/WirelessはこのようなHi-Qの回路についても容易に解析が可能です。下の図は1Vの入力に対して2次側に17KVが出ていることがわかります。

テスラコイルを用いた電力伝送解析ル

テスラコイルを用いた電力伝送解析ル

テスラコイルを用いた電力伝送解析

ニコラ・テスラは、このコイルを用いてワイヤレスの電力伝送を試みました。S-NAPでそれを再現することができます。下図のように30cm離れた位置にテスラコルを配置して電磁界解析を行うと、約6.2dBの損失で伝送されることがわかります。整合を調整するとさらなる高効率が期待できます。

テスラコイルを用いた電力伝送解析

PEC

PEC

テスラコイルを用いた電力伝送解析


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