♫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: †matsuki@ecei.tohoku.ac.jp, ‡{takura, fsato}@ecei.tohoku.ac.jp

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[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: †matsuki@ecei.tohoku.ac.jp, ‡{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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

08

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」

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

08

5kW100

電磁誘導

変圧器

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

08

ワイヤレス・エネルギー伝送

6

電力

電力

電力

動力

熱

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

08

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

Toho

ku U

nive

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WP

T研究会

2012

/11/

08

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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

08

○○○

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）

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

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

Toho

ku U

nive

rsity

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)

(

QQ

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

Toho

ku U

nive

rsity

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

)(

QQ

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

Toho

ku U

nive

rsity

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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

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

Toho

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nive

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WP

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2012

/11/

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).

Toho

ku U

nive

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WP

T研究会

2012

/11/

08

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

QQ

rC共振条件

共振条件

22

21L

C

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2012

/11/

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

Toho

ku U

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WP

T研究会

2012

/11/

08

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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ku U

nive

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WP

T研究会

2012

/11/

08

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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

08

23

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ku U

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WP

T研究会

2012

/11/

08

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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

08

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

Toho

ku U

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2012

/11/

08

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

QQ

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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

08

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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

08

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

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

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

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

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

nive

rsity

WP

T研究会

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

Toho

ku U

nive

rsity

WP

T研究会

2012

/11/

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）

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