♫ᅋἲே 㟁Ꮚሗ㏻ಙᏛ ಙᏛᢏሗ THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, TECHNICAL REPORT OF IEICE INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS WPT2012-21 (2012-11)
This article is a technical report without peer review, and its polished and/or extended version may be published elsewhere.
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E-mail: †[email protected], ‡{takura, fsato}@ecei.tohoku.ac.jp
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ࡓࡏ LC 㸬㏙࠸ࡘ᪉ᘧࢱࢫ㟁ຊఏ㏦㸪㟁☢ㄏᑟ㸪LCࢫ ࢻ ࢱࢫ
[Invited] Improvement of Transmission Efficiency for Wireless Power Transfer 㸫Ex. Electromagnetic Induction (Including LC-booster Method)㸫
Hidetoshi MATSUKI† Tetsuya TAKURA‡ and Fumihiro SATO‡
†Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University 6-6-05 Aramaki-Aoba, Aoba, Sendai, 980-8579 Japan
‡Graduate School of Engineering, Tohoku University 6-6-05 Aramaki-Aoba, Aoba, Sendai, 980-8579 Japan E-mail: †[email protected], ‡{takura, fsato}@ecei.tohoku.ac.jp
Abstract Currently, the wireless power transmission technology effort has been made in cooperation with many companies towards the standardization and normalization. There are various forms for wireless power transfer. Microwave, magnetic resonance, electric resonance, and electromagnetic induction are main wireless techniques. We have been studying electromagnetic induction method for many years. As a result, we got a design philosophy that is different from the mere extension of the transformer designing. In the design concept of the transformer, it is necessary to reduce the leakage flux, so that you need to devise the shape of the core inevitably. However, thinking transformer design does not lead to the idea of expanding the transmission distance. Therefore, electromagnetic induction system has given people the impression that the transmission distance is short. We have achieved high transmission efficiency and wide transmission distance because of decreasing the effect of leakage flux in the electromagnetic induction system by using a capacitor skillfully.
In this paper, we describe the approach to the transmission efficiency of electromagnetic induction method as wireless power transfer technology. And, we outline that the maximum transmission efficiency is determined by the figure of merit that are defined by the coupling coefficient and quality factor. Furthermore, we introduce a method that combines LC resonators, called LC-booster method. Keyword Wireless power transfer㸪Electromagnetic induction㸪LC-booster
1
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ku U
nive
rsity
WP
T研究会
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/11/
08
伝送方式
1
Hz
60/50
DC
インバータ
送信器
受信器
コンバータ
負荷
制御器
電池
レーザ
マイクロ波
GHz
交流電界
MHz
交流磁界
kHz~
MHz
非接触電力伝送方式
(非接触充電技術)
直流送電
太陽光電池
燃料電池
DC
レーザ方式
マイクロ波方式
エバネッセント波方式
磁界共鳴(共振)方式
電界共鳴(共振)方式
電磁誘導(共振)方式
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ku U
nive
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/11/
08
2
1.05.0
0.10.5
kr
)120
(377
410
310
210
110
HE
S
0.1
近傍界
遠方界 H
ES
AVm
Am
VHE
//
J/m3
W/m
2
エネルギー
貯蔵
エネルギー伝播
ポインティングベクトル
電界エネルギー
磁界エネルギー
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電磁誘導方式
3
○非接触電力伝送方式
1.マイクロ波伝送方式
2.エバネッセント波方式
3.磁界共鳴方式
4.電界共鳴方式
5.電磁誘導方式
遠方界 無線
近傍界 「無線」
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ku U
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08
○○○
4
W1W
10W
100
kW1kW
10kW
100
W1.0mm
1cm1cm10
m1m10
伝送電力
伝送距離
電磁誘導方式
心臓ペースメーカ
電気刺激
人工括約筋
人工心臓
携帯充電
PC充電
電動車椅子
電気自動車
LRT
時計
ハイパーサーミア
2
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5kW100
電磁誘導
変圧器
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ワイヤレス・エネルギー伝送
6
電力
電力
電力
動力
熱
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08
電磁誘導とは
7
基本は
ファラデーの電磁誘導則
右ねじの法則
電流
変圧器
電磁誘導
電磁誘導
変圧器的(強結合)
力率補償
位置ずれ補償
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08
ワイヤレス給電・医療応用
8
N
475kHz,1mT
020
040
060
0
406080100
Tim
e [s
ec]
Temperature[°C]
Com
plex
type
Onl
y Fe
rrite
Onl
y C
oppe
r
)3(
Grd
FES
Sys
Feed
Direct
)2(
Gnd
FES
.stimlocal
sys
heart
Artificial
sys
iaHypertherm
Functional
sys
feeding
power
Wireless
eTemperatur
Curie
820
11.1
1.22
ギガビット研究会
特別シ
ンポジウム
3
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9
磁心の等価回路
電圧源駆動
t
tNV
dtNv
d
msinsin
2
N
磁束は正弦波で
変化!
S
dtdN
vA B
tV
vcos
2
NV
m/
2
・たとえ磁心のBH曲線がヒステリシスをもっていても
磁束は正弦波で変化!
・電圧実効値一定なら最大磁束値も一定
LiN
ただし
mrms
nSB
fV
44.4
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10
誘起電圧
交流電源
N
磁場の変化を妨げる磁束を発生させる電流が流れるよう
に電圧が発生する
定電圧源のため
最大磁束値は一定
磁束は二つのコイ
ル間を共通に通過
電磁誘導
電力用変圧器
これは回路条件!
電流
sこれは電力
用変圧器の
構成要件
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○○○
11
伝送効率
銅損=鉄損
(定格電流)
負荷電流)
NII
m22
(
iPrI
2 2iP効率
定格負荷損
(一定値)
最大効率点
2 2rI
P C●
(一定値)
mMm
負荷損
(銅損)
iP●
負荷率
定格
CN
MC
Pm
P2
CNP
入力電圧一定
(最大磁束一定)
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08
12
誘起電圧
交流電源
N
磁場の変化を妨げる磁束を発生させる電流が流れるよう
に電圧が発生する
定電圧源のため
最大磁束値は一定
磁束は二つのコイ
ル間を共通に通過
電磁誘導
電磁誘導
変圧器
これはいらない?
これも必要
条件ではな
くなる!
電流
s
4
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nive
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T研究
会20
12/1
1/08
電磁
誘導モデル
13
1r2r
1L
M
2L1V
2VLZ
LL
LjX
RZ
1I2I
伝送効率算
定(効率
重視)
任意負荷を
接続した
場合の伝
送特性
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WP
T研究
会20
12/1
1/08
二次直列
Cによるリアクタンス補償
14
21
2
21
2
1
max
22
2
22
122 2 )
(
)1
1(21
1
1)
(
krrM
LC
LX
rM
rrr
R
LmLm最
大効
率負
荷抵抗
最大
効率負
荷リアク
タンス
最適
負荷時
の最大効
率
1r2r
M
1L2L
1V2V
C
LmR
2Lj
RZ
LmL
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WP
T研究
会20
12/1
1/08
電磁
誘導の性能指標
1510
-210
010
210
410
6050100
max [%]
21
2
21
2
)(
k
rrM
)1
1(21
1m
ax
最大
伝送効
率(二次
側共振)
二次コイルのQ
一次コイルのQ
結合係数
::: 21 QQk
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WP
T研究
会20
12/1
1/08
ワンターンコイルの結合係数
16
g =
D/1
0
k ≒
0.4
g =
D/5
k ≒
0.3
g =
D/2
k ≒
0.1
g =
D
k ≒
0.03
誤:電磁誘導の伝送距離が短い
正:伝送コイルのサイズに応じた伝送距離
誤:電磁誘導の伝送距離が短い
正:伝送コイルのサイズに応じた伝送距離
g: G
ap, D
: Dia
met
er o
f coi
l
Coi
l
5
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08
設計例
17
12
21
)1(
1L
kC
12
12
22
21
22
11
rrL
kLR
LL
kr
RC
L
L
12)
(1
LLk
VV
inopen
out
1C1r
2rM
L 1M
L 2 M2C
LRinV
out
VinI
out
I
電圧安定化条件
伝送効率最大条件(固定負荷)
一次直列・二次並列
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08
一般的な共振回路
18
12 2
Q1
121
11
121
11
121
12rR L
11
2 2
2
QrR L
2 22
1Q
rR L
no re
sona
nce
serie
s re
sona
nce
para
llel r
eson
ance
r 1
r 2
RL
L 1L 2
k
*H. M
atsu
ki, e
t al.:
J. M
agn.
Soc
. Jap
an, V
ol.1
8, N
o.2,
pp.
663-
666
(199
4).
*M. I
noue
, H. M
atsu
ki, e
t al.:
J. M
agn.
Soc
. Jap
an, V
ol.2
5, p
p.10
11-1
014
(200
1).
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負荷特性
19
Efficiency
R
●Series-resonance
●Parallel-resonance
12rR L
11
2 2
2
QrR L
11
121
Max
imum
eff
icie
ncy
2 2
2
22
11
rC共振条件
共振条件
22
21L
C
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08
電磁誘導方式も低結合領域へ
20
コイル
整流器
負荷
DC
インバータ
コイル
電磁誘導方式
3-15
0kH
z 2
7μT(
2010改)
(1M
Hz
0.9
2μT)
ICN
IRP 参考レベル
課題:重量、(伝送距離)
ヒトが介在すれば
….
・高結合の変圧器構造から
低結合の共振器構造へ
6
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低結合領域
21
k <
0.1の領域での非接触給電
k <
0.1の領域での非接触給電
g =
D/2
k ≒
0.1
g =
D
k ≒
0.03
g: G
ap, D
: Dia
met
er o
f coi
l
Coi
l
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低結合領域での方法は
22
基本は
ファラデーの電磁誘導則
電流
変圧器
電磁誘導
電磁誘導
変圧器的(強結合)
LCブースター(弱結合)
力率補償
位置ずれ補償
積極的共振
高Q、波長依存なし
・高結合の変圧器構造から
低結合の共振器構造へ
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23
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参考
24
MIT
Matsuki
η=
40 %
@ 2
m(k
= 0
.002
)
f= 9
.9 M
Hz
η=
70 %
@ k
= 0
.02
f= 3
80 k
Hz
*平成
22年度電気関係学会東北支部連合大会講演番号
1F21
*M. S
olja
cic,
et a
l.:S
cien
ce/A
AAS
, Vol
317,
pp.
83-3
8 (2
007)
.
Prim
ary
Sec
onda
ry
coil
250
mm
40 m
m
600
mm
7
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Boos
ters
25
Boos
ter
Nor
mal
Prim
ary
Coi
l
Seco
ndar
y C
oil
Boos
ter
Coi
lM
CD
R
*T.
Taku
ra,
H.
Mat
suki
, et
al.:
J. M
agn.
Soc
. Ja
pan,
V
ol.3
2, p
p.13
2-13
5 (2
011)
.
*加藤
, 松木他
:第32回日本磁気学会学術講演会
13pC
-7(
2008)
*平成
22年度電気関係学会東北支部連合大会講演番号
1F21
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等価回路
26
r 1r 2
RL
L 1
L 2
k 12
k 13
k 23
C2
r 3
L 3
相互インダクタンスを電圧源と考えることにより電気回路を変形
r 1
r 2
RL
L 1
L 2C
2
r 3L 3
212
IM
j
313
IM
j
112
IM
j
113
IM
j
323
IM
j
223
IM
j
2I 3I
1I
E
【近似
M12,
M23
>> M
13】
2 33
2 3
111
11
111
11
12
1
1
Qr
R
Q
L
33
22 23
21
2 12:
coil3
of
fact
or
Qua
lity
Q
kQ
Qk
*T. T
akur
a, H
. Mat
suki
, et a
l.:J.
Mag
n. S
oc. J
apan
, Vol
.35,
pp.
132-
135
(201
1).
・・・最大効率
・・・最適負荷
*平成
22年度電気関係学会東北支部連合大会講演番号
1F21
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負荷特性
27
Efficiency
R
●Series-resonance
●Parallel-resonance
●LC-booster
12rR L
11
2 2
2
QrR L
11
121
Max
imum
eff
icie
ncy
2 33
2 3
111
11
111
11
12
1
1
Qr
R
Q
L
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実験
28
Type
ソレノイド
Do
[mm
]60
0N
umbe
r of T
urns
17Li
tzW
ire
(a[m
m]/
Num
ber o
f Str
ands
)0.
1 / 1
120
Freq
uenc
y ra
nge
[kH
z]30
1
仕様
二次直列
_Ver
.LC
_Ver
.
電球負荷による効率比較
*田倉
, 佐藤
, 松木
:自動車技術会
2012年春季大会
4-12
, ワイヤレス給電技術
I, 16
8
Toho
ku U
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WP
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08
二次直列
Ver.(
Gap
: 1 m)
29
Series
Resonance
V1
[V]
8.7
I 1[A
]4.
4λ
0.77
P1
[W]
30V
2[A
]22
.36
I 2[A
]0.
5P
2[W
]11
R [Ω
]45
ηη[%]
[%]
3737
*田倉
, 佐藤
, 松木
:自動車技術会
2012年春季大会
4-12
, ワイヤレス給電技術
I, 16
Sec
onda
ryP
rimar
y
Toho
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rsity
WP
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08
LC V
er.(
Gap
: 1 m)
30
LCBooster
V1
[V]
17.5
I 1[A
]1.
7λ
0.99
P1
[W]
30V
2[A
]32
I 2[A
]0.
6P
2[W
]20
R [Ω
]53
ηη[%]
[%]
6767
*田倉
, 佐藤
, 松木
:自動車技術会
2012年春季大会
4-12
, ワイヤレス給電技術
I, 16
Sec
onda
ryP
rimar
y
Toho
ku U
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rsity
WP
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2012
/11/
08
コイル間磁束密度分布
31
Boos
ter
Seri
es
reso
nant
Prim
ary
Coi
lSe
cond
ary
Coi
l
Boos
ter
Coi
l
ICN
IRP2
010
27
T@
300
kHz
30 W送電時
*田倉
, 佐藤
, 松木
:自動車技術会
2012年春季大会
4-12
, ワイヤレス給電技術
I, 16
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08
まとめ
【電磁誘導方式】
共振条件(直・並・
LC)
コイル設計
効率のよい伝送系
負荷とのマッチングに適してる
(電磁誘導でも伝送距離は大差ない)
9
10