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あいとさどひら
5 years ago
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1 Agilent EEsof 3D EM Application series 磁気共鳴による無線電力伝送システムの解析アジレントテクノロジー第 3 営業統括部 EDA アプリケーションエンジニアリングアプリケーションエンジニア佐々木広明 Page 1

2 アプリケーション概要実情と現状の問題点非接触による電力の供給システムは以前から研究実用化されていますがそのほとんどが電磁誘導の原理を利用したシステムで伝送効率と伝送距離の両方を満足するためには大きな課題がありました近年 MIT より磁気共鳴という方式が提案され理論に基づいた試作機にて実証したことにより高出力高効率長距離伝送の可能性が開けてきましたその設計には回路理論電磁界理論など様々な知識が必要とされています主な対象となる方アプリケーション無線電力伝送 ( 非接触電力伝送 ) 家電自動車 PC 医療機器などの電源を必要とするすべてのシステム ( 特に無線化により安全性利便性向上できるもの問題解決のための最適な解析ソリューション EMPro ユーザーインターフェイス : 3 次元形状入力インターフェイス EMPro 解析エンジン : 有限要素法 (FEM) ADS 回路シミュレーション導入のメリット 3 次元電磁界ツールの導入により解析する形状材質の入力のみで簡単に磁気共鳴電力伝送のモデル化が可能になりますパラメータスイープ機能により形状のパラメータ化が可能でありモデルの最適点を功利的に求めることが可能ですまたモデル周辺の形状も同時に解析することにより実際の使用環境に近いモデルでの特性の評価が可能になります Page 2

共鳴型ワイヤレス給電システム A S D B 図 1 MIT 型の共鳴型ワイヤレス給電システム [1] MIT 型の給電システムを図 1 に示します A のループコイルに接続された高周波電力が送信側コイル S に伝わることで電力を送信します S と D はお互いに同じ共振周波数をもつヘリカル形状のコイルで電磁共鳴により電力を送信します D に送信された電力は

3 共鳴型ワイヤレス給電システム A S D B 図 1 MIT 型の共鳴型ワイヤレス給電システム [1] MIT 型の給電システムを図 1 に示します A のループコイルに接続された高周波電力が送信側コイル S に伝わることで電力を送信します S と D はお互いに同じ共振周波数をもつヘリカル形状のコイルで電磁共鳴により電力を送信します D に送信された電力は負荷が取り付けられたループアンテナ B により取り出すことができます図 2 MIT による検証実験モデル [2] 距離 2.1 m で伝送効率が 40 % を確認 A, B ループコイル半径 : r = 250 [mm] 導線直径 : a= 3.0 [mm] S,D コイルコイル長 : a = 200 [mm] 半径 : r = 300 [mm] 導線直径 : a= 3.0 [mm] 巻き数 : n = 5.25 コイル材質 : 銅 Page 3

4 EMPro による共鳴型電力伝送モデル化共鳴型電力伝送モデルを電磁界解析するために EMPro でモデル化を行います図 3 にモデル図を示しますループコイルなどのサイズは図 2 の MIT モデルを参照しアンテナ間距離 : l =1.5 m で解析を行いましたなおモデルの単純化のためコイルは真円ではなく 8 角形とし導線の断面も 4 角形にてモデル化しています l = 1.5 m EMPro Parts Library によりヘリカル形状の入力も可能図 3 EMPro GUI Page 4

) c) 磁界分布表示 ( コイル間断面 ) 図 4 EMPro 解析結果図 4 a) よりアンテナ間伝送効率を求めると約 74 % の伝送効率が求められます

5 EMPro FEM による解析 EMPro FEM による解析結果を図 4 に示します解析結果は S- パラメータの他電界磁界の空間分布も表示することが可能です送信側受信側 a) S-parameter 解析結果 (S 21, S 11 ) b) 電界分布表示 ( コイル間断面 ) c) 磁界分布表示 ( コイル間断面 ) 図 4 EMPro 解析結果図 4 a) よりアンテナ間伝送効率を求めると約 74 % の伝送効率が求められます ( 図 5) これは次項図 6 の MIT の理論値とほぼ一致しました図 5 伝送効率 (l = 1.5 m) 電力伝送効率 : η 21 η 21 = 100 S 21 2 [%] Page 5

これにより EMPro での解析で実測とほぼ同等の解析を行うことが可能なことが確認できました図 6

6 解析結果の比較次に図 3 の送受信コイル間の距離をパラメータとして EMPro にて電磁界解析を行いました結果を図 7 に示します図 6 の MIT の理論値実験結果と比較してよく一致することを確認しましたこれにより EMPro での解析で実測とほぼ同等の解析を行うことが可能なことが確認できました図 6 電力伝送効率と伝送距離との関係 [1] (MIT による理論と実験 ) 図 7 EMPro による解析結果 Page 6

7 モデル周辺環境の影響 : 金属板の効果共鳴型電力伝送の場合電磁誘導型などと比較し周辺環境の影響を受けにくいと言われていますそこで送受信アンテナ間に大きな金属板を挿入した場合の影響を EMPro で解析を行いましたアンテナ間距離は 1 m とし金属板は中央に配置しています 1.6 m の金属板図 8 金属板の影響の解析 ( アンテナ間距離 : l = 1 m) Page 7

モデル周辺環境の影響 : 金属板の効果解析結果を表 1 に示します金属板がない場合に約 90 % の伝送効率が

以上の伝送効率が得られました他の方式ではこのような効率を得ることは困難です電界磁界分布の結果を図 9 に示します

8 モデル周辺環境の影響 : 金属板の効果解析結果を表 1 に示します金属板がない場合に約 90 % の伝送効率が金属板がある場合約 57 % となりました効率は大幅に落ちるものの金属板でアンテナ間を遮蔽した場合でも 50 % 以上の伝送効率が得られました他の方式ではこのような効率を得ることは困難です電界磁界分布の結果を図 9 に示します金属板がある場合でもない場合と比較すると少ないですが共鳴状態となり電力が送信できていることが確認できます E-field l = 1.0 m 金属板無し l = 1.0 m 金属板有り送信側金属板受信側表 1 伝送効率 H-field 解析モデル伝送効率 [%] 金属板無し 90.1 金属板有り 56.7 図 9 電界磁界分布解析結果 Page 8

9 伝送効率向上の検討伝送効率の向上としてリピータデバイスを挿入する方法が提案されていますそこで図 1 の S, D のヘリカル型コイルと同じコイルをリピータデバイスとしてアンテナ間に挿入し解析を行いました l = 2.0 m リピータデバイス a) リピータデバイス無し b) リピータデバイス有り ( 中央に配置 ) 図 10 リピータデバイスの解析 ( アンテナ間距離 : l = 2 m) Page 9

無し Repeater Device 有り送信側 Repeater 受信側表 2

10 電力伝送の効率化の検討 : 伝送距離 2 m 解析結果を表 2 に示します自由空間におけるアンテナ間距離 2 m のとき伝送効率が 48.4 % の結果がリピータデバイスを挿入することにより約 80 % まで伝送効率が向上しました電界磁界分布の結果を図 11 に示しますリピータデバイスを挿入した場合各ヘリカル型アンテナが共鳴状態となり電力が伝送されている様子が確認できます E-field Repeater Device 無し Repeater Device 有り送信側 Repeater 受信側表 2 伝送効率 H-field 解析モデル伝送効率 [%] Repeater Device 無し 48.4 Repeater Device 有り 80.1 図 11 電界磁界分布解析結果 Page 10

11 今後の拡張 : システム全体での伝送効率の検証共振型電力伝送の電磁界モデルを検証後にはコイル以外のシステム全体での検証が必要になると考えます EMPro では簡単に弊社回路シミュレータの ADS と協調して解析を行うことができますしたがってシステム全体での解析を EMPro と ADS で効率よく検証することが可能になります ADS 回路シミュレータ上で信号発生回路整流回路を含めシステム全体解析が可能 EMPro の解析結果は ADS DesignKit として Import 可能 Page 11

12 まとめ共鳴型無線電力伝送システムは電磁界解析ツールを使って簡単にモデル化および解析結果の検証を行うことができます EMPro FEM の解析結果は理論値とほぼ一致することを確認しました EMPro では電力伝送モデルだけではなく実装環境に近いモデルで検証することが可能なので使用環境に合わせた最適設計を行うことができますシステム全体のモデルの検証が必要な場合には ADS 回路シミュレータを使用して効率的に EMPro との協調解析が可能になります References [1] A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljačić : Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances, Science, 317, pp (2007) [2] Supporting Online Material for [1] Page 12

Microsoft PowerPoint - EMPro_ADS_co_design_draft.ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - EMPro_ADS_co_design_draft.ppt [互換モード] 3 次元電磁界シミュレータ (EMPro) と回路シミュレータ (ADS) との効率的な協調解析事例のご紹介 Page 1 EMPro 2010 3 次元電磁界解析専用プラットフォーム 3 次元形状入力に特化した操作性 Windows & Linux 対応多くの 3D CAD フォーマットの Import をサポート Fastest, t Highest Capacity 3 次元フルウェーブ電磁界シミュレーション