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1
商用電源周波数で共鳴させた非接触給電装置(60 Hz-WPT)
岡山理科大学 理学部 応用物理学科
准教授 石田弘樹
2
出典 CarWatchhttp://car.watch.impress.co.jp/docs/news/20111013_483382.html
ワイヤレス給電(WPT)の適応分野電気自動車
ロボット分野
出典 昭和飛行機工業株式会社ホームページhttp://www.showa-aircraft.co.jp/
3
従来技術2007年 MIT WiTricity の発明(磁界共鳴もしくは電界共鳴を利用した非接触給電)
A. Kurs et al, Science 317, 83-86 (2007).
音叉(おんさ)
原理はシンプルだが非常に性能が良い
「世界を変える7つの技術」に選出(IEEEより)
出典 WiTricity社 ホームページhttp://witricity.com/
伝送距離2mで45%の電力伝送効率!
4周波数も電圧も一切変換しない。
【従来の方法】
【本発明】
Q. そもそも、なぜ高周波である必要があるのか?
10 MHz
60 Hz
60 Hz-WPTと呼んでいる。
本発明の着想
5
C2L2 RLC1 L1VIN
60 Hz-WPT安価で入手容易な材料を組み合わせて作製した試作機
(a)
Air gap:150mm
Front Side(b)
力率改善用コンデンサSH(Self-Haeling)式コンデンサ
磁性コア(鉄心) 0.35厚珪素鋼板を積層巻線は2 mmΦ 銅エナメル単線
6
60 Hz-WPT 適応分野
シニアカー、電動車椅子電動車両の電気系統を一切、変更することなく実装できる。
7
Q. 商用電源 200 V/ 60 Hz をダイレクトで伝送することのメリットは?
A. シンプルで安価なシステムになる。
A. 電波障害の恐れが無い。使用に法律(電波法)の規制が無い。
A. 例えば鉄筋コンクリート壁越しでも高効率で電力伝送できる。
Q. 商用電源をダイレクトで伝送することのデメリットは?
A. 伝送距離が短い ?
A. 装置が大きくて重くなる ?
Q 確かめたヒトがいるのか?
A. いない
*1960年代に電磁誘導で試みられて上手くいかなかった。
60 Hzのメリット
8
低周波で最大の性能を引き出すためには?等価回路解析よりわかること
rc
jxL
RL
jx1 jx2r1 r2
-jxC2-jxC1
I1
IO
IIN I2 IL
VIN V2
rS
V1 VL
最大効率
最大効率下での出力電力
C2L2 RLC1 L1VIN
コイルのQファクターを大きくすること コイル間の磁気結合係数 k を大きくすること
H. Ishida and H. Furukawa, IEEE Transactions on Power Electronics, 30, 1220-1229(2015).
9
コイルのQファクターを大きくすること
空芯のコイルを用い高周波で駆動させる
従来の高周波のシステム
コイル間の磁気結合係数 k を大きくすること
鉄心(磁性コア)の磁極形状を最適化する
発想の転換
材料に珪素鋼板を用いた場合の最適な駆動周波数は?
出典 WiTricity社 ホームページhttp://witricity.com/
Coil
10
0
1
2
3
100 1000
Powerloss[%
]
Frequency [Hz]
Copper loss
30
40
50
60
70
80
90
100
0
5
10
15
20
25
30
10 100 1000
Tran
smis
sion
effic
ienc
y[%
]Pow
erloss[%]
Frequency [Hz]
Copper loss
Core loss
Efficiency
3 %
磁性コアに珪素鋼板を用いた場合は、170 Hzで最大効率に達する。
ただし、60 Hzにおいても高い効率を維持できる。 60 Hz⇒ 170 Hzに変換するよりも
60 Hzを直接、伝送させた方が総合伝送効率は良い。
最適な周波数は?
11
大きな k をもつ磁極形状にすれば性能は向上する。
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Experiment P3Experiment P2Experiment P1
Calculation P3Calculation P2Calculation P1
Tra
nsm
issi
on e
ffic
ienc
y
[%]
Transmission distance [mm]
(b)
k 小
k 中
k 大
実験的には、確認できた。
シミュレーター上で k を予測できるようにすれば良い。
磁極形状の実験的な検証
12
Maxwell 方程式 時間および空間での中心差分方程式
仮想的に2次元格子を配置し、面方向の磁界強度を計算する。
時間領域差分法(FDTD)
Δx
Δy
Ez (i, j)
Hx (i, j-0.5)
Hy (i-0.5, j)Ez (i+1, j)
Ez (i, j+1) Ez (i+1, j+1)
Hx (i, j+0.5)
Hy (i+0.5, j)
(b)
(1, NΔy) (NΔx, NΔy)
(NΔx, 1)(1, 1)x
y
(a)
z(a)
Air gap:150mm
Front Side(b)
電磁界シミュレーション①
13
磁場B [T]
電磁界シミュレーション②
磁気結合係数 k が推定できる。
GPGPUを用いた高速分散処理(8.0TFLOPS)
14
(a-I) P1: Open-120
Magnetic field H [dB]0
-120Magnetic field H [dB]
0(b-I) P2: Open
Magnetic field H [dB]-120
(c-I) P3: Open
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
20 40 60 80 100 120 140 160
P3 ExperimentP2 ExperimentP1 ExperimentP3 Calculation P2 Calculation P1 Calculation
Cou
plin
g co
effic
ient
k
Transmission distance [mm]
P1
P2
P3
伝送距離と磁気結合係数 k の関係
結合係数はシミュレーターにより、おおよそ予測可能。
曲線は、シミュレーションによる計算結果。
電磁界シミュレーション③
試行的に磁極形状を変え伝送性能を予測できる
15
15 cm
距離 10 cm のとき伝送電力効率 79 %伝送電力 1000 W
現在の試作機の性能
60 Hz
入力電力 出力電力
10 MHz
入力電力 出力電力
距離 15 cm のとき伝送電力効率 70 %伝送電力 482 W
16
2012 東芝セミナー試料より抜粋より
60 Hz WPT
60 Hz WPTは、目指すべき方向に合致している。電力効率は70%と高周波システムより高い。
伝送電力と伝送距離(今後、目指すべき性能)
総合効率の視点から評価することが重要
17
60 Hz-WPTの評価
高周波 WPT 60Hz-WPT 備考
総合効率 高周波電源設備 不要 制御回路 不要
伝送電力 1000 W オーバー
伝送距離 必要十分 15 cm
コスト × 高周波電源設備 不要 制御回路 不要
重量 × 10 kg 軽量化の余地有
18
実用化に向けた課題昭和飛行機工業株式会社 マイクロバスへの非接触給電システム
給電コイル
受電コイル
受電コイル
30 kWシステムで給電コイルの重量が60 kg⇒ 1 kW当たりの重量 2 kg/kW
60 Hz-WPTは、 1 kWシステムで10 kg 程度⇒ 1 kW当たりの重量 10 kg/kW
課題は重量、軽量化することでニーズが生まれると考えている。
軽い!!
19
その他のメリット①
50-mm-thick 100-mm-thick
Power 313 W 163 W
Efficiency 86.7% 78.3%
Power 314 W 165 W
Efficiency 86.5% 78.3%
Power 266 W 139 W
Efficiency 75.4% 67.1%
Power 264 W 139 W
Efficiency 75.2% 67.1%
Air
Concrete
Reinforcedconcrete
(Position A)Reinforced
concrete(Position B)
誘電損失
渦電流損失
周波数の比例
周波数の2乗に比例
低周波であることは、誘電体(コンクリート)導体(鉄骨)に対しても有利に働く。
コンクリート壁越しワイヤレス給電でも伝送効率、出力電力ともほとんど低下しない。
20
共振点(動作点)について【高周波の場合】 コイルのQが大きい ⇒ エネルギーの集中が強い ⇒ 共振ピークが鋭い共振点から外れれば急激に伝送効率、電力は低下する。⇒ 伝送距離の変動などに追従する制御が必要。
【低周波の場合】 コイルのQが小さい ⇒ エネルギーの集中が弱い ⇒ 共振ピークが鈍い共振点から外れても伝送効率、電力は低下は小さい。⇒ 伝送距離の変動などに追従する制御が不要。
0
10
20
30
40
50
60
70
0 50 100 150
ExperimentCalculated by eq.(13)
Freq
uenc
ydi
ffer
ence
betw
een
the
peak
s(r
)[H
z]
Transmission distance [mm]
二つのコイルは、Evanescent tail coupling している。
10
100
1000
10 100
Impe
danc
e[
]
Frequency [Hz]
0 mm10 mm
20 mm
150 mm
30 mm
Ω
コンデンサの値を固定して、伝送距離を変化させても動作点の周波数はほとんど変動しない。⇒伝送距離が変動しても制御が不要。
動作点
その他のメリット②
21
IIIIII
位置ズレした場合は、磁界の主経路がスイッチすることもある。
P1
P2
P3
Coil
10 cm程度の位置ずれは許容できる?
40
50
60
70
80
90
100
0 50 100 150
P3 (Single flare)P2 (Double flare)P1 (Rectangular)Tr
ansm
issio
nef
ficie
ncy
[%]
Lateral displacement[mm]
Transmission distance 50 mm
(a)
P1
P2 P3
位置ずれに対しても P3 の形状が良い。
補足(コイルの位置ズレについて)
22
企業への期待
• 大電力、高効率、低価格を必要とするワイヤレス給電
• 電気機器のノウハウをもつメーカーとの共同開発、軽量化を目指す
• 新たな用途開発
・シニアカー、電動車いす
・フォークリフト、工場の無人搬送車
・建築、土木機器
・水中ポンプやヒーターへの電力供給(熱帯魚など)
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 :非接触給電方法及び装置
• 出願番号 :特願2014-210680• 発明者 :石田弘樹、古川裕人
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お問い合わせ先
岡山理科大学 学外連携推進室
コーディネーター 桑本 誠
TEL 086-256 - 9730
FAX 086-256 - 9732
e-mail [email protected]