| 研究課題/領域番号 |
21K04030
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| 研究機関 | 東京都市大学 |
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研究代表者 |
桐生 昭吾 東京都市大学, 理工学部, 教授 (00356908)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 非接触電力伝送 / 裁縫技術 / 縫込みコイル / 磁場共鳴 / リッツ線の損失 |
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| 研究実績の概要 |
6.78MHzや13.56 MHz帯へ駆動周波数を上げるために、縫込みコイルの10 MHz程度までの損失評価を行った。リッツ線の近接効果による損失を評価するために1 turnのコイルを作製し損失を測定した。リッツ線の素線数が100本以上の線については、その損失が周波数の二乗にほぼ比例しており、リッツ線自体の損失がDC損失と近接効果であることが分かった。次に巻き線間の近接効果による損失を評価するために、もう1 turnのコイルを同じ布上に作製し、二つのコイルを並列接続し損失を評価した。この結果線間を数mm離すと巻き線間の近接効果は無視できることが分かった。縫込みコイルでは密巻きが難しいため、巻き線間の近接効果は無視できることが明らかになった。次に、巻き線間の浮遊容量による損失を評価するために、前述した二つのコイルを直列に接続し損失評価を行った。この場合は、損失の周波数特性は周波数の二乗よりも緩やかで、かつ巻き線間を10 mm程度離しても周波数特性は二乗にならなかった。これより、縫込みコイルの損失は線間容量が大きく影響していることが明らかになった。
縫込みコイルの作製方法としては、手縫い、下糸にリッツ線を用いたミシン縫いの方法をすでに試みているが、これらの方法では直径1mmを超える太いリッツ線を縫い込むのが困難であった。2021年度に太いリッツ線を布に縫い付ける方法としてニードルパンチを利用した方法を開発した。これにより太いリッツ線を布に縫い付けることが可能になり低周波での損失を減らすことが可能になった。
2021年度から電波による無線電力伝送を目指し、144 MHz帯を用いた縫込みアンテナの研究に着手している。フラクタルパターンの縫込みアンテナを作製し電波の反射係数S11を測定した結果、-30 dB以上の低反射アンテナを作製することができた。
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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
2021年度は縫込みコイルの高周波での利用を検討するために縫込みコイルの損失について基礎的な研究を行った。この研究を行うために年度始めに300 MHzまでのインピーダンスを測定するインピーダンスメータを購入した。これを用いて縫込みコイルのインピーダンスの評価を行った。損失をDC損失、近接効果による損失、浮遊容量による損失、表皮効果による損失に分類し、これらを評価できる方法を検討した。10 MHz程度までの表皮効果を無視できるよう素線径0.04 mmで本数が30, 100, 300, 660 本のリッツ線を用いて損失評価を行った。この結果、100本以上のリッツ線については1 turnのコイルでは損失が周波数の二乗に比例して増加し、高周波では近接効果の影響が顕著になることを確認できた。また2 turnのコイルでは損失は周波数の二乗に比例しておらず、線間容量が影響していることが確認できた。以上より研究目標である6.78 MHzや13.56 MHzの磁場共鳴非接触電力伝送への縫込みコイルの応用について必須のコイルの損失に対する知見を得られた。
低損失のコイルを作製するためには、太いリッツ線を用いることが一つの方法である。太いリッツ線を布に縫い込むのは、これまでの手縫いの方法やミシンの下糸を用いる方法では困難であった。そこで、ニードルパンチ法という手芸手法を用いることにより布に太いリッツ線を縫い付ける方法を考案した。これにより、直径1 mmを超えるリッツ線を布に縫い付けることが可能になった。この方法で太いリッツ線を布に縫い付けることが可能になったことから、少なくとも比較的低周波での損失を大幅に減らすことが可能になった。
以上より、初年度では、縫込みコイルの損失評価に焦点を当てた研究を主に行い、概ね計画通りに研究が進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
2021年度に得られた成果を2022年度に研究発表を行う。2021年度で得られた縫込みコイルの損失に関する知見を元に高周波帯での縫込みコイルの設計や作製およびその評価を行う。また、6.78 MHz, 13.56 MHz帯での応用を目指し、インピーダンス整合コイルとこれまでに研究してきた補助コイルを用いた回路解析を行う。
また、2021年度に縫込みアンテナを試作したところ144 MHz帯で比較的良好な特性が得られることが判明した。そこで、縫込みアンテナを用いた電波による電力伝送の研究に着手する。このために、電磁界解析ソフトを用いてアンテナ特性の解析を行う。すでにフラクタルパターンを用いたアンテナは比較的良好な反射特性を持つことが分かったので、より詳しい設計と試作を行い144 MHz帯での電力伝送実験に着手する。
近年、時間反転パリティを用いた磁場共鳴電力伝送が提案された。これは負性抵抗発振現象を用いた電力伝送であり、比較的強いコイル結合時に起こる共振周波数の変化を自動的に調整できるという利点がある。現在、我々が研究を行っている縫込み補助コイルを用いた電力伝送においても、送電コイルと補助コイルのQ値が大きいため、結合係数の変化によって共振周波数が変化することが判明している。時間反転パリティを用いることによって、結合係数の変化に応じて変化する共振周波数を送電側で調整する必要が無くなるため、我々の研究にも大きな利点があると考えられる。そこで、この方法の研究に着手し、縫込み補助コイルを用いた非接触電力伝送への適用を研究する。現在、すでに回路シミュレータによって補助コイルを用いた系でも動作することを確認しており、今後、詳細な設計やDC損失をどこまで減らせるかなどを回路シミュレータにより解析し、試作実験を行う予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2021年度予算については、ほぼ使い切った。
2022年度については、高周波での電力伝送実験を行うために、高周波発振器およびスペクトル解析器を購入する。また、縫込みコイルを作製するためのリッツ線を購入する。電力伝送実験のためのケーブル、コネクタ、および電子部品類を購入する。
さらに、これまでの成果を学会発表するための旅費および学会参加費として使用する。
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