Efficiency and Magnetic Flux in Magnetic Resonant Coupling

Abstract

Takehiro IMURA Typically, the difference between electromagnetic induction and magnetic resonant coupling is ambiguous. However, these two technologies are seamlessly connected. In this paper, the superiority of magnetic resonant coupling over electromagnetic induction, as well as the magnetic flux distinctive features, are demonstrated and discussed by comparing four circuit topologies. It is shown that only the S-S topology can achieve both high power and maximum efficiency and that the magnetic flux possesses unique characteristics. (2016 年 8 月 23 日受付) １ まえがき 2007 年に新しいワイヤレス電力伝送方式として MIT から磁界共振結合（磁界共鳴）と電界共振結合 （電界共鳴）が発表された[1, 2]。電界共振結合[3, 4] も同様に議論できるが，本稿では磁界の結合を取り 上げる。磁界共振結合に関しては，2 つの共振コイ ル間において，エアギャップ 1m で効率約 90％，ま た， エアギャップ 2m で効率約 45～50％かつ 60W を ワイヤレスで電力伝送出来ることが示された。実験 に使用した送電と受電用の共振コイルは半径 30cm， 5.25 巻，周波数は約 10MHz である。 磁界共振結合に関しては，これまでに，音叉による 説明，現象の解明[5, 6]や，等価回路化の提案[4, 7-9]や バンドパス理論を用いた解釈[10, 11]，kQ 積による解 釈[12, 13]， 効率最大化の提案[14]動作周波数の拡大[15]， 中継コイル[16, 17]複数負荷への給電[18]など多くの発 表がある。この技術は，様々な応用が期待され，電気 自動車へのワイヤレス給電[19, 20]や走行中の電気自 動車へのワイヤレス給電[21]，家庭内の家電へのワイ ヤレス給電[22]，電車への給電[23-26]など，様々な検 討がされている。 一方で，理論背景に関しては，先に述べたように， 音叉を用いた説明や，結合モード理論を用いた説明 であり[1, 2]かつ，動作周波数も当時は多くの人にと ってなじみのない 10MHz で説明した故に，当時は， この現象が電磁誘導の一種かどうかということ自体 が最初の発表当初より議論を呼んでいた[27]。この 電磁誘導方式と磁界共振結合方式の相違について は，近年では，磁界共振結合の現象説明や，等価回 路表現などの研究の成果もあり，電磁誘導方式の回 路条件を絞ったものが磁界共振結合方式であるとい う認識が広がる中[7-10, 28, 29]，筆者らは文献[30] で，4 つの共振条件を比べることで明確に磁界共振 結合が電磁誘導の一種であることを示した。 そこで，本稿では，共振がない従来の電磁誘導方 式から，共振を上手に利用した磁界共振結合方式ま でに遷移する振る舞いを漏れなく示す事により，大 エアギャップ時の磁界共振結合の優位性について示 し，その時の磁束のふるまいについて述べる。 ２ 従来の電磁誘導と磁界共振結合 従来の電磁誘導は，1 次側共振もしくは 2 次側共振 が主に採用されていた。その場合，大きなエアギャッ プに電力を送る場合，電力と効率のどちらかのみ良く なるだけであり，1 次側共振では効率が悪く，2 次側共 振では電力がほとんど受け取れないため現実的には使 いものにならなかった。これらに対し，1 次側共振と 2 次側共振をもつ磁界共振結合は大電力かつ高効率を大 エアギャップでも実現できる。その一端がわかる写真 を Fig.に示す。 連絡先： 居村 岳広，〒277-8561 千葉県柏市柏の葉 5-1-5， 東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻，