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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

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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/

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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

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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

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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）

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(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

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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

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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

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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！！

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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

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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）

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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 m-kuwamoto@office.ous.ac.jp