磁界共振結合型無線電力伝送を用いた室内給電の無線化 WIRELESS POWER FEEDING TO ELECTRICAL DEVICES IN AN INDOOR ENVIRONMENT BASED ON MAGNETIC RESONANCE

2014年10月27日

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[図1]無線電力伝送の様子
[Fig. 1] Wireless power transmission using magnetic resonant coupling

 

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[図2]マルチホップ無線電力伝送
[Fig. 2] Multihop wireless transmission scheme

 

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[図3]室内給電システムの完成予想図
[Fig. 3] Conceptional drawing of 2D wireless power transmission system

 

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[図4]電力ルーティングの様子
[Fig. 4] Power routing system

 

無線電力伝送とは,文字通りケーブルを使わずに電気機器に給電することであり,ユビキタス社会におけるセンサやロボットの実用的な運用のための重要な技術です.なかでも磁界共振結合方式の無線電力伝送は,数十cmの距離を他の手法に比べ高効率給電可能であるため,室内給電への応用が期待されています.
磁界共振結合方式では,図2のように,給電コイルと受電コイルの間に中継コイルを挟み込むことで送電可能距離を延長することができるという特徴があります.この性質を利用して,我々は無線給電用の共振器(コイル)を,室内の床や壁にも敷き詰めることによって,室内のあらゆる場所に電力供給可能なシステムを実現すべく研究を行っています.設備的なコストや施工費の観点から,敷き詰めた共振器全てに高周波電源を接続するのではなく,送電器となる一部の共振器以外は中継共振器として動作させ,図3のように電力をマルチホップルーティングすることを想定しています.しかし,既存の設計手法では,任意のホップ数において高効率に給電することは不可能でした.そこで我々は,当時主流だったフィルター理論からのアプローチを捨てて,共振周波数だけに特化した理論を追求することにより,どのようなホップ数でも高効率で給電可能な共振器の配置手法を提案しています.現在では,マイコンとスイッチング素子を用いることによって,電力パスを自由に遠隔制御可能であることも確認しています.この技術以外にも,ループアンテナ理論を応用した人体防護のための漏洩電磁界を低減した共振器構造や,最大効率追従のための電力制御手法の考案に取り組んでいます.

Wireless power transmission is the transmission of the energy from a power source to an electrical equipment without using a cable. This technology plays an important role in ubiquitous computing, such as, providing electricity to robots and sensors. There are various forms of wireless power transmission. The magnetic resonant coupling method is one of them, which is suitable for indoor environments because it has an advantage in terms of efficiency within the range of several dozen centimeters.
It is also possible to extend the transmission range by putting relay resonators between the transmitting resonator and the receiving resonator like in Fig. 2. Using this feature, we propose a two-dimensional wireless power transmission system, as shown in Fig. 3. In this system, we place multiple resonators in a tiled pattern on the floor as well as on the wall. By switching on each resonator element, the system creates line-shaped virtual power routes to the designated devices. However, the main problem with this system was to maximize the efficiency regardless of the number of relay resonators. Therefore, in this study, we have realized a method which can maintain the efficiency at its maximum in any-hop system. This method is based on impedance matching for any-hop straight wireless power transmission using magnetic resonance. Now, we can efficiently forge virtual routes by using microcomputers and switches as shown in Fig. 4. We confirmed the usefulness of this method from a series of experiments.

【参考文献】
Y. Narusue et al. , “Impedance matching method for any-hop straight wireless power transmission using magnetic resonance,” IEEE Radio and Wireless Symposium, pp.193-195, 2013.
橋詰新他, “磁界共振結合型無線電力伝送における電力ルーティングシステムに向けた中継器スイッチングの実装評価,” 信学ソ大, B-21-2, 2014.