2014 Fiscal Year Annual Research Report
磁界共鳴によるユビキタスエネルギー社会の実現に向けた研究
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25709020
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
居村 岳広 東京大学, 新領域創成科学研究科, 助教 (30596193)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ワイヤレス電力伝送 / 磁界共振結合 / 磁界共鳴 / 電界共鳴 / 電磁誘導 / ユビキタスエネルギー / 非接触電力伝送 / センサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は『磁界共鳴によるユビキタスエネルギー社会の実現に向けた研究』と題し，磁界共鳴によるワイヤレス給電の包括的な研究を4ヶ年かけて行なうことである。
今後の社会の発展とワイヤレス給電の発展を考えると，いつでもどこでも電力の融通が出来るユビキタスエネルギー社会が到来することは必然である。ユビキタスエネルギー社会では，いつでもどこでも情報のやりとりができるユビキタス社会同様に，エネルギーをいつでもどこでもワイヤレスで享受できる社会である。このユビキタスエネルギー社会では，ワイヤレス給電の適応先は，送電・受電・中継コイルが入り交じった，多対多（以下，N対N）の磁界共鳴型ワイヤレス給電システムになっていく。しかしながら，N対N給電システムに適応できる理論の不足が否めない。
そこで、2年目となる平成26年度は、N対N給電システム共振器理論ベースの設計論の構築、外乱オブザーバを用いたN対N大規模給電システムの協調制御、クロスカップリングキャンセリング法、高Qコイルによる大エアギャップについて研究を行った。完遂したのはクロスカップリングキャンセリング法のみであるが、他の3つについても大きく前進した。特に、外乱オブザーバを用いた制御方式は、それ自体も非常に強力な方法であるが、この研究を進めるにつれ、従来は2つの外乱を個別に対処する必要があったが、外乱を1つにまとめることが可能な条件が判明しつつあり、つまり、原理的にも面白い条件を見つけることが出来た。これ以外にも、従来の常識では考えられなかった、電源側での効率制御が可能であることなどの知見が得られた。
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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
先にも述べたが、本研究は『磁界共鳴によるユビキタスエネルギー社会の実現に向けた研究』であり、かつ、N対N給電システムの実現が主要な目的である。2年目は、N対N給電システム共振器理論ベースの設計論の構築、外乱オブザーバを用いたN対N大規模給電システムの協調制御、クロスカップリングキャンセリング法、高Qコイルによる大エアギャップについて研究を行った。従来は、1対Nが研究対象であったが、N対1も考えられ、これについて定式化を行い一定の成果が得られた。これらの拡張の先にN対Nがあるので、進捗としては良好である。また、外乱オブザーバを用いた制御に関しては、従来は2つの外乱を個別に対処する必要があったが、外乱を1つにまとめることが可能な条件が判明しつつあり、原理的に新しい使用法を見つけることが出来るなど、進捗としてはこちらも良好である。クロスカップリングキャンセリング法は非常にオリジナリティの高い提案であり、かつ、論文誌への掲載もされ、現在特許申請中であり、テーマとしては完遂することができた。高Qコイルによる大エアギャップに関しては、非常に高いQを扱うので、所有していたVNAでは対応することが出来ないことが明確になった。そのため、H27年度に購入予定のインピーダンスアナライザで再度正確な測定を行う。高Q化の理論まではたどり着いている。これ以外にも、従来の常識では考えられなかった、電源側での効率制御が可能であることなどの知見が得られた。上記全体を考慮すると、進捗は良好であると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
複数給電システムを実用レベルまでもっていくには、包括的な研究が必要なのは先述のとおりである。そのためには、4年かけて、一つ一つの技術を丁寧に完成させ、最後に融合させる方法が最善の策である。平成27年度からは，下記、１），２），３）の研究に注力する。
１）磁界共鳴と電磁誘導の統一理論 磁界共鳴は大きなエアギャップにおいて高効率かつ大電力を実現できる唯一の方式である。その理由として、1次側と2次側の共振周波数を同じにすると、音叉のごとく共振周波数においてエネルギーが伝わるという説明がされてきた。申請者は本現象をいち早く等価回路で示した。しかし、電磁誘導との関係については、明確に提示されてこなかった。一方で、1対1の場合は組み合わせに関しては、磁界共鳴が良いと言うことは、共通認識となってきたが、N対Nになったときには、電磁誘導との組み合わせも考えられる。そこで、これら融合の第一歩として、明確に電磁誘導と磁界共鳴の相違点や損失のメカニズムについて解明する。
２）送電側と受電側の独立制御 ワイヤレス電力伝送においては、最大効率となる最適負荷値が存在する。一方で、2次側を最適負荷値にすると受電電力は決まってしまう。そのため、1次側で電力調整をする必要が出てくる。従来、これらは通信を使って行われてきた。しかし、N対Nにした場合、通信を含めたシステムが複雑になることが考えられる。そこで、送電側と受電側が独立に制御をして、つまり、独立に動作することで、最大効率かつ所望電力にできる可能性がある。そこで、送電側と受電側の独立制御の可能性について研究を行う。
３）2次側のみにおける効率と所望電力の実現 先に述べたように、原理的には、2次側を最適負荷値にすると受電電力は決まってしまう。これでは常に1次側の制御も必要になる。そこで、2次側だけで最大効率と所望電力を、制御を用いて実現させる研究を行う。
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| Causes of Carryover |
次年度は、高精度のインピーダンスアナライザを購入する予定があったため、申請者がコントロールできる範囲で、予算を次年度に繰り越すことにした。簡易試作や設計時にはそれほど費用がかからなかったので、来年度にまわすことをよしとした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今までは、VNAでの測定をしていたが、高Qの測定には高精度のインピーダンスアナライザが必要である。デモ機の貸し出しまで話が進んでいるので、精査した上で早い段階で購入する。
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