| 研究課題/領域番号 |
18K04109
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
高橋 芳浩 日本大学, 理工学部, 教授 (40216768)
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| 研究分担者 |
塩野 光弘 日本大学, 理工学部, 教授 (30206057)
高野 忠 日本大学, 理工学部, 研究員 (80179465)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 非接触電力伝送 / スリップリング / 共振特性 / 高効率電力伝送 |
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| 研究実績の概要 |
電界結合型非接触スリップリングの実現を目指し，最適な入力電圧，周波数，容量およびインダクタンスなどについて検討を行った．また，検討結果を基に各素子を試作し，固定構造において電力伝送実験を実施した．更に，回転可能なコンデンサの構造についても検討を行い，試作を行った．
本スリップリングは回転体間の空隙により構成される容量，コイル，負荷抵抗から成るLCR回路の共振周波数を用いて電力を伝送するものであり，構造の小型化には入力信号の高周波数化が求められる．また回転に伴う容量値の変化を考慮すると，広い帯域幅を有する共振回路での伝送が求められる．そのためには，高電圧かつ大容量コンデンサを使用したシステムを使用する必要がある．本研究では，遮断周波数200kHz, 最大供給電圧／電流42V, 20Aのバイポーラ電源を用いて，周波数100kHzにて電力伝送を行うべく，各回路素子の設計・試作および伝送実験を行った．
本システムにおける電力伝送効率の確認を目的に，まずは１対のLC回路における伝送について検討した．共振時にコンデンサに印加される電圧，極板間隔，および絶縁耐圧を含めて検討した結果，極板間隔0.5mm程度で20nF以上のコンデンサが実現できれば100W程度の電力伝送が可能になることを導出した．そこで，多重積層同軸円筒電極を有するコンデンサを作製した結果，23nFが得られることを確認した．100kHz共振コイルを作製し電力伝送実験を行った結果，伝送効率95%以上で非接触電力伝送が可能であることを確認した．ただし，同軸円筒構造では回転運動が困難であることから円形櫛形電極を有する構造について検討した．その結果，ベアリングの使用により，回転可能な50nF以上の容量を有するコンデンサの実現が可能であることを確認した．以上の結果より，同軸回転運動体間における電界結合型非接触電力伝送の有効性を確認した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
昨年度は， 1対のLC回路による固定構造における電力伝送装置の設計・試作および伝送実験を実施した．基本設計の結果，安定した電力伝送を実現するには，より高周波・高電圧が必要であることを確認した．コンデンサの大容量化により端子間電圧の緩和が可能となり，素子定数変動に対する許容度も増大することを明らかにした．また，周波数100kHzで100W程度の電力伝送を行う際に必要となる素子定数について，大気の絶縁耐圧なども考慮して検討した結果，20nF以上の容量を極板間隔0.4mm以上で作製できれば，安定した電力供給が可能になることを示した．これを基に多重積層同軸円筒型キャパシタを設計・作製した結果，40層積層により23nFの容量を得た．また共振コイルを作製し電力伝送を実施した結果，電力伝送効率95%以上度の非接触電力伝送を確認した．
ただし，同軸円筒型電極構造において大容量化するには軸方向に長い構造が必要であり，回転運動は困難となる．そこで今年度は，回転運動可能なコンデンサについて検討した．対象構造は大小の円板電極を軸方向に積層させた円形櫛形電極構造である．この構造では，電極枚数増大による大容量化が容易であり，両端の絶縁固定板を分離の上，ベアリングで接続することにより回転可能となる．更に，各々の電極板と接する電極を各固定板に取り出すことにより２端子構造が構成できる．設計・試作した結果，内外径10/150mm, 30/170mmの円形電極を0.4mm間隔で18層多層化することにより，回転可能であり，C=17nFのコンデンサが得られることを確認した．2対のLC回路を用いた電界結合型非接触スリップリング実現には50nF程度の同軸回転運動可能なコンデンサが要求されるが，本検討の結果，50層程度の積層円形櫛形電極構造により要求を達成できることを確認し，当初の目標をほぼ達成した．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成30年度は，1対のLC回路により構成した固定構造を用いて電界結合型非接触電力伝送の基本的検討を，令和元年度は同軸回転が可能なコンデンサについて検討を行った．以上の結果により，電界結合型非接触スリップリングの有効性を示した．ただし，現状ではコンデンサの直径170mmと比較的大きな構造であり，応用範囲が限定されるという問題点が残る．構造の小型化には更なる高周波数化が必要である．現在使用している100kHzを10MHzに変更可能であれば，コンデンサの対向面積は1/10に小型化することができる．併せて，現在は既成のバイポーラ電源を用いて電力供給を行っているが，その重量は20kg以上であり，回転運動させながら電力伝送実験を実施することは困難である．
そこで令和2年度は，電力供給源の小型化，高周波数化について検討する．具体的にはスイッチングアンプ（E級アンプ）の適用を予定している．スイッチングアンプは高周波電力を非常に小さな電力損失で発生可能な回路であり，かつ１つのパワートランジスタにより実現可能であることから，現在のバイポーラ電源に比べて飛躍的な小型・軽量化が可能となる．電力供給源をスイッチングアンプにすることにより，バッテリー駆動も可能となり，回転運動させながらの大電力電力伝送も実現可能となる．一方，送信電力の増大に伴い，共振時に各素子に印加される電圧は増大し，内部抵抗による発熱などが問題になることが予想される．そこで，各素子で消費される電力について詳細な評価を行い，耐電力性についても更に検討する．これらの検討を基に，電界結合型非接触スリップリングの試作，電力伝送実験を行う．以上の結果より，電界結合型非接触エネルギー伝送システムとしての最適設計手法を確立する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
購入金額と予算が完全に合致しなかったための端数．本残額は来年度の物品購入費に充当する．
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