解析力学を応用した電界共振結合型ワイヤレス給電システムにおける新しい等価回路の提案と解析

摘要

ワイヤレス給電は非接触で電気機器に給電できることから，利便性が高く安全な給電技術であるので，小電力から大電力までの様々な分野での適応が検討されている。特に2007年にMIT(Massachusetts Institute of Technology)が中距離で電力伝送可能な，共振結合型のワイヤレス給電システムを提案して以降，共振結合型のワイヤレス給電システムが盛hに研究されている。共振結合型ワイヤレス給電における研究の多くは，2つのコイル(アンテナ)間の磁気結合を用いる磁界共振結合型の研究である。磁界共振結合型は，位置ずれに強く，中距離間を高い効率で電力伝送できるという魅力的な利点を有する。この技術は磁界のみに限らず，電界にも応用が可能である。電界共振結合型は2つの電極(カプラ)間の電界結合を介して電力を送る技術であり，送電側をLC直列共振構造とすることで高効率な電力伝送が可能である。また電界共振結合型は磁界共振結合型と比較して重量の観点やEMC(Electro-Magnetic)の観点から優れているという報告がなされている。一般的に共振結合型の電力伝送で用いるアンテナやカプラは，物理的な構造と対応させた等価回路(以下，物理等価回路)を用いて解析されており，電界共振結合型では，物理等価回路が大きく2つの方式に分けられる。具体的には，受電側の共振用コイルの接続方式で分けられ，1次側直列2次側直列方式(S/S方式)と1次側直列2次側並列方式(S/P方式)の2つの方式である。これら2つの方式の物理等価回路は複雑な電流経路をもつLC共振回路となっているため，直感で回路の動作を理解することが困難である。Fパラメータなどを用いることで物理等価回路の解析は可能であるが，途中式が複雑になる上に，等価回路を構成する各回路素子同士の関係や，共振ループなどが理解しづらい。したがって基礎的な直並列のLC共振回路のみで構成された，より簡単な構造を有する等価回路で置き換えることが望ましい。