空間・時間反転対称性により実現する移動対象へのワイヤレス給電
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21K04036
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21010:Power engineering-related
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| Research Institution | Okayama University of Science |
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Principal Investigator |
石田 弘樹 岡山理科大学, 理学部, 准教授 (50413761)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | ワイヤレス給電 / 磁界共鳴方式 / 空間・時間反転対称性 / 結合モード理論 / パリティ・時間対称性 / 高ロバスト / スイッチングモードアンプ |
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| Outline of Research at the Start |
磁気共鳴方式のワイヤレス給電では、給電コイルと受電コイルの間の距離が変化すると伝送電力も変化してしまう。伝送電力は常に一定であることが望ましいため、給電コイルと受電コイルの間の距離が変化しても伝送電力が一定になるような電力制御を行う必要がある。本研究では、2017年に発表された時間・空間反転対称性の原理を利用してこの制御を行う。時間・空間反転対称性を利用することで、これまで課題であった応答性の劇的な改善が期待できる。応答性を改善することで高速で移動する給電対象へのワイヤレス給電を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
空間・時間反転対称性（PT対称性）をもつワイヤレス給電を低周波領域で実現するため、結合モード理論（CMT理論）および等価回路による理論解析を行い、30～40kHzの低周波においてもPT対称性を保存するための条件を見出した。理論解析により見出された条件を満たすような給電コイル、受電コイル、インバーター、AC-DCコンバータの設計を行った。試作したシステム（AC-DCコンバータを除く）の実験的検証の結果、45gの小型コイルを35kHz付近で駆動させた場合、伝送距離40mmまでPT対称性を保持することを確認した。40mmの距離は、理論解析の結果と一致しており、低周波においてもPT対称性をもつワイヤレス給電システムが実現可能であることを理論と実験の両面から確認した。なお、伝送距離はコイルの大きさにおおよそ比例するため、より長い距離までPT対称性を保持するシステムを構築することは可能であると考えられる。また、伝送電力に関しては、電力対重量比（コイル重量1kgあたりの電力）500W/kgであり、既存の電磁誘導方式や磁界共鳴方式と比べ遜色ないことを確認した。
コイルの位置が連続的に変化した場合のロバスト性を確認するため、リニアモータを用いてコイルに往復運動や急激なステップ状の変位を与えた実験を行った。その結果、10Hzの往復運動、0.2秒の短い時間でのステップ状の変位では、伝送効率および伝送効率は変化せず、一定に保たれることを確認することができた。実験設備の関係から、これ以上速い変位を与える実験を行うことができなかったが、本システムのコイル位置の変位に対する応答性が非常に速いことを確認することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
３年間の研究期間の１年目にあたる本年度は、研究実施計画に基づき、理論的な解析を中心に行い、低周波において長い伝送距離に渡ってPT対称性を保存するための条件を見出すことに成功した。本格的な実験は２年目に予定していたが、理論解析に基づいた実機の製作を先行して実施することができた。その結果、理論と実験結果の一致を確認した。また、伝送距離を20mmから40mmの約2倍に伸ばすことに成功した。以上の結果より、おおむね順調に発展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
３年間の研究期間の２年目では、研究実施計画に基づき、システム構築を行い、電力伝送性能の向上を図る。交流電源（インバータ）については、FETを用いた共振型インバータを開発することで95%以上の高い電力変換効率を実現する。また、電磁界シミュレーションによりコイル形状の最適化し、伝送距離を研究前の20mmから60mmまで向上させる。さらに、伝送電力についても、巻線の最適化等により研究前の10Wから50Wまで向上させる計画である。
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Report
(1 results)
Research Products
(2 results)
