高周波電力伝送系における最大効率の統一理論：「共鳴」も「結合」も用いない明快教授法

摘要

一般にWPT系の効率を向上するにはkQ積を高めるとよいと言われているが、これは普遍ではない。結合係数たが定義できない場合やQが計算できない構造があるからである。本発表はモード結合理論やフィルタ理論の話に入る前のそもそも論である。電界結合であれ磁界結合であれ、あるいはそれらの複合結合であれ、あらゆるWPTはひとつの2ポートボックスとみることができる。ボックス内部にアンテナや自由空間伝搬などの放射モード部分があってもよい。2つのポートそれぞれに最適な整合回路を同時に設けて得られる最大の伝送効率を最大有能電力効率η_(max)と呼ぶ。このη_(max)を2ポートボックスの四端子行列から導出する。導出過程でη_(max)を高めるための指標として効率角θを導入する。例えばよく見かける結合コイル対の場合にはtan2θ＝kQとなる。このθはkQ積を一般に拡張した概念であり、WPTの普遍的性能指標である。たとえWPT構造が単一モード共鳴の結合系でなくとも使える。効率角θを高めることが電力伝送システム設計の第一歩である。θを理解すれば共鳴の概念にとらわれることなくWPT性能向上の本質を学ぶことが可能となる。電磁誘導も磁界共鳴もすべてを包含する明快理論である。