Panasonic Technical Journal Vol. 68 No. 1 May 2022

海中内小型移動体向けkW級，高効率，位置自由度の高い無線電力伝送技術
Highly Efficient kW Class Wireless Power Transfer Technology with High Positional Freedom for Small Underwater Mobile Units

枷

場 亮

祐

Ryosuke Hasaba

八 木 達

雄

山口

Tatsuo Yagi

江 口 和

弘

小 柳 芳

Kazuhiro Eguchi

要

修一郎

Shuichiro Yamaguchi

雄

Yoshio Koyanagi

旨
海中内小型移動体として，海中を自由に動くことのできる自律型無人潜水ロボット（Autonomous Underwater

Vehicle：AUV）があげられる．これらは海洋資源の探査や海洋生物の調査，インフラ施設の監視などに利用されている．今後，海洋産業の発展に伴い，利用範囲がさらに広がると考えられる．海中内小型移動体を効率的に活用するため，海から引き上げることなく，海中で電力供給できるシステムが望まれる. 著者らは，海中において磁界結合型の給電位置の自由度が高い無線電力伝送技術の研究を行い，送電電力1 kW，最大電力伝送効率87.5 %で
位置自由度の高い無線電力伝送を達成できた．
Abstract
Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) that can move freely under water are used to explore marine resources, investigate
marine organisms, and monitor infrastructure facilities. Their range of use is expected to expand further as the marine industry
continues to develop. Therefore, a system that can supply power underwater without pulling them up from the sea is desired to utilize
AUVs efficiently. We have transferred 1kW of wireless power in the sea with high positional freedom and power transfer efficiency of
87.5 %.

1．はじめに置合わせが難しいこと，移動体が容量の大きなバッテリー

日本近海には豊富なエネルギー・鉱物資源が存在してい慮すると，送受電アンテナの位置自由度が高く，kW級の高る．海中内小型移動体として，海中を自由に動くことのでい電力を送る高効率の電力伝送システムが求められている．

を積載していること，および電力損失を低減することを考

き る 自 律 型 無 人 潜 水 ロ ボ ッ ト （Autonomous Underwater
Vehicle：AUV）は，海洋資源の探査や海洋生物の調査，イBarge

ンフラ施設の監視などに利用されている．今後，海洋産業の発展に伴い，利用範囲がさらに広がると考えられる．しかし，AUVは電池駆動であるため，活動時間に制約がある．

AUV①Landing

さらに充電または電池交換のたびに海上に上げる必要があるため作業効率が悪い．AUVを効率的に活用するため，海から引き上げることなく，海中で無線電力伝送できるシス

Charging
station

テムが望まれる（第1図）．

③Entry②Underwaternavigation

水中・海中における無線電力伝送の先行研究には，19.9
MHz を用い，送受アンテナ間距離300 mmで伝送効率60 %④Charging⑤Breakaway

以上[1]，1 MHzを用いて距離50 mm，効率40 %[2]，35.4 kHzを用いて距離5 mm，効率92 %[3]のようなものがある．また，送受電アンテナ間に誘電体が存在する場合の無線電力伝送の研究も行われている[4]．いずれも高い伝送効率を確保す

第1図 AUVへの無線電力伝送例
Fig. 1 Example of wireless power transfer to an AUV

るために送受電アンテナ間を近接させる必要がある．近接ではなく，伝送距離を拡大させる方式として，送受電アン

筆者らは，海中で磁界結合型の給電位置の自由度が高い

テナ間に無給電素子を複数使用したドミノ方式がある

無線電力伝送技術の研究を行っている．複数コイルを海中[5][6]．しかしながら，海中内で海中内小型移動体へ無線電に配置することで給電可能なエリアを拡大し，長距離化を力伝送する場合，海流等の影響で送受電アンテナ相互の位実現している[8]-[10]．海中内小型移動体への高電力の無線

41Panasonic Technical Journal Vol. 68 No. 1 May 2022

42

電力伝送を行うため，磁性体を用いて80 %を超える高い伝目標値を下記のように設定した．

送効率を実現している[11][12]．本稿では，海中内小型移動(a)

kW級送電：送電コイルの印加電力1 kW以上

体への電力供給のための，高効率，高電力，位置自由度の(b)

高効率：コイル間効率80 %以上

高い無線電力伝送システムについて述べる．

(c)

位置自由度が高い：中心位置から30 cm×50 cm以
内のエリアで無線電力伝送できること

2．海中電力伝送の課題と目標値

3．伝送コイルの設計手法

2.1 課題

磁界結合型の無線電力伝送において，伝送コイルの設計

海中内で無線電力伝送を行う際に，以下の点が課題に挙

は，電力伝送効率を決定づけるため，最も重要な部分であげられる．
媒質が海水であり，高い周波数の損失が大きい

る．ここで，設計の見通しを良くするために，はじめにコ②海流により電力伝送の位置ずれが生じる

イル間（送電コイル，受電コイル）の最大効率の導出方法③

小型移動体の電力レベルと金属影響によるコイ

を述べ，その次に入出力の整合を考慮した2段コイルの設計

ル特性劣化

手法について紹介する．

①①について，通常の無線電力伝送であれば媒質は空気であるため，ほとんど損失はなく電磁波が伝わっていくが，

3.1 コイル間の最大効率

海中電力伝送は主に伝わる媒質が導電性をもつ海水である

送電コイル，受電コイルが1対1の2段構成かつ入出力で完ため大きな損失が発生する．媒質が導電率σをもつ場合，

全に整合が取れている場合，磁界結合型電力伝送効率ηmax

電磁波の減衰定数 α [Np/m]

はは，kQ積により以下の式で計算できる[15].

（注1）

1
𝜎𝜎 2
𝛼𝛼 = 𝜔𝜔�𝜇𝜇𝜇𝜇� ��1 + � � − 1�2𝜔𝜔𝜔𝜔𝜂𝜂𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 1 −･･･（1）

2

1 + �1 + 𝑘𝑘12 𝑄𝑄1 𝑄𝑄2・・・・・・・・（2）

ここで，k12は結合係数，送電および受電コイルのインダとなる[13][14]．ここで，角周波数ω = 2πf，f は周波数，μはクタンスと抵抗値をそれぞれL1，L2，r1，r2とした場合，Q1

透磁率，εは誘電率である．海水の電気定数は比透磁率を1，（2）式から，k12，Q1，Q2を= ωL1 / r1，Q2 = ωL2 / r2である．

比誘電率を78，導電率を5.0 S/mとして，海水中で基準点か大きくすることが効率を上げるために必要であることがわ

らある距離の電磁波の減衰量を計算した．

かる．無線電力伝送の位置自由度を高くしようとすると，周波数は1 kHz，100 kHz，10 MHzと設定し，単位メート

コイル間距離が離れていくため，k12は低くなるが，コイル

ルあたりの減衰量をみると，それぞれ1.2 dB，12.2 dB，122のQ1，Q2をより高くすることで，高効率な無線電力伝送がdBとなり，
周波数が高いと減衰が大きい．海水中では，1 kHz可能となる．

など低い周波数を用いることが有効であることがわかる．
3.2 2 段コイルの設計手法②について，海中内は海流などの影響で，電力伝送の位コイルには共振用のキャパシタ，電源回路，負荷抵抗な

置合わせが難しいため，ある程度位置自由度の高い給電システムが求められる．

どが接続されるため，単純に接続しただけでは前述の最大③について，小型移動体はスラスタ，カメラ，制御機器

効率で電力伝送することができない．
そのためコイル前段，を有しており，長時間航行するために，容量の大きなバッ

後段のインピーダンスを考慮し，最大伝送効率となる周波テリーを積載している．そのためkW級での無線電力伝送が数において十分な整合を取りながらシステム設計を行う必必要とされる．また，制御機器は耐圧容器に入っており，

要がある．第2図に，海中に沈めた2段コイルよる等価回路

容器の大部分は金属でできているため，その部分にコイルを示す．

を巻くと渦電流が発生し，コイル特性が大きく劣化するた
め，伝送効率が著しく低下する．

C1

Rr1

k12

Rr2

C2

R1

2.2 目標値
前節の課題を踏まえて，小型移動体向け海中電力伝送の（注1）Np（ネーパ）は対数スケールの単位であり，自然対数を底としたものである．

42

Cr1*

R2
Lr1 Lr2

f0

第2図 2段コイルの等価回路
Fig. 2 Two-stage coil circuit equivalent

Cr1*

受賞技術特集：海中内小型移動体向けkW級，高効率，位置自由度の高い無線電力伝送技術

43

ここでR1，R2は入力および出力インピーダンス，C1，C2

4.1 3 連送電コイルおよびフェライト装荷受電コイル

は整合用コンデンサ，Cr1*，Cr2* は共振用コンデンサである

AUVに対する，高い給電位置自由度と高効率伝送を実現するため，送電コイルを3つ配置しコイル内のどの場所でも[16]．
入出力のインピーダンスR1，R2と伝送周波数を設定し，安定した無線電力伝送ができるシステムを検討する[11]．

（3）式～（6）式から，整合用，共振用のコンデンサの定第3図（b）は検討した送受電コイル，AUV耐圧容器の断数を決定させる．ここで i＝1，2である．
𝐶𝐶𝐶𝐶𝑖𝑖 =𝐶𝐶𝑖𝑖 =

している．コイルはポリエチレンパイプ内に導体径8.4 mm，1
𝜔𝜔02 𝐿𝐿𝐿𝐿𝑖𝑖

𝜔𝜔0 𝐿𝐿𝐿𝐿𝑖𝑖𝑅𝑅𝑅𝑅𝑖𝑖 =𝑄𝑄𝑄𝑄𝑖𝑖面図である．送電コイルは直径1 mで0.5 mの間隔で3つ配置

・・・・・・・・・（3）

外形11 mmの電線を10巻きしている．3つの送電コイルへの接続は並列あるいは直列が考えられるが，シミュレーショ

・・・・・・・・・（4）システムでは直列接続を採用した．また，送電コイルを分

１

・・・・・
（5）

𝜔𝜔 𝐿𝐿𝐿𝐿𝜔𝜔0 𝑅𝑅𝑖𝑖 � 0 𝑖𝑖 − 1
𝑘𝑘12 𝑅𝑅𝑖𝑖

𝐶𝐶𝐶𝐶𝑖𝑖∗ = 𝐶𝐶𝐶𝐶𝑖𝑖 − 𝐶𝐶𝑖𝑖 �1 −ンの検討結果より直列給電の方がQを高くできるため，本割できることにより，海流の影響低減や実験時の運搬性が良くなっている．受電コイルはAUV本体を想定した直径250 mm，長さ502 mmのアルミ製耐圧容器に5 mm厚のフェ𝑘𝑘𝑅𝑅𝑖𝑖�𝜔𝜔0 𝐿𝐿𝐿𝐿𝑖𝑖

・・・
（6）

ライト板を貼り付け，導体径8.4 mm，外形11 mmの電線を20巻きしている．アルミ容器とコイル間にフェライトを入伝送効率 η [%]はコイルのインダクタンスL，Q，結合係れることで磁気シールドを行い，渦電流損によるコイルの数 k，コンデンサの容量Cから，高周波回路シミュレータよQ，結合係数kの低下を防ぎ，効率を大幅に上げることがで

りSパラメータを計算し，（7）式より求める．

きる．

（7）
𝜂𝜂 = |S21 |2 × 100 ・・・・・・・・・・・・・・

4．伝送システムと評価方法

4.2 シミュレーション方法
無線電力伝送システムが大型であり，実験場所も限定されるため，事前にシミュレーションできることは非常に重ヘリカルコイル内部ではコイル間の結合係数は大きく変要である．シミュレーションでは，第4図のモデルに対し化せず一定であるため，（2）式からコイルのQ値が高けれて，有限要素法を用いて，コイルのインダクタンス，抵抗，ば，
高効率で位置自由度の高い無線電力伝送が可能である．

結合係数kを0.1 kHz～10 kHzの範囲で計算した．解析空間は第3図（a）はヘリカル状の送電コイル，受電コイルの断面

数メートルの大規模かつ導電率をもつ海水であること，コ図である．ここでは，筆者らが考案した，送電コイル内部

イルは実際には複雑な構造であること，の2つの理由から計であればどこでも受電コイルに給電できる無線電力伝送シ

算リソースを大きく消費し，計算時間も長くなってしまう．

ステムと，その評価方法について述べる．

そのため，解析空間は送電コイルの直径の3倍程度とし，コ
イルは単線でモデリングを行った．第1表はシミュレーシ
ョンで用いた材料特性であり，これらの定数を用いて計算

Wireless power transfer aera

した．

Aluminum pillar
500
mm
Tx
coil

Tx
coil

Pipe

Ferrite502
mm

Rx coil

500
mm
Rx coil
(a)

Tx
coil

第1表

計算時に使用した材料定数

Table 1 Material property for calculation
Conductivity Relative

1000 mm(b)

permittivity permeability

[S/m]
Air

Relative-

Dielectric

Magnetic

loss

loss

coefficient coefficient

1.0

1.0

-

-

Copper

5.8 ✕ 10

1.0

1.0

-

-

（b）送受電コイル，AUV耐圧容器の断面図

Aluminum

3.8 ✕ 10

1.0

1.0

-

-

Fig. 3 (a) Cross-sectional view of helical power transfer/ receiving coil

Polyethylene

-

2.25

1.0

0.001

-

第3図 （a）ヘリカル状の送受電コイルの断面図

77(b) Cross-sectional view of coils and AUV pressure resistant

Rubber

1.0 ✕ 10

3.0

1.0

-

-

container

Ferrite

0.25

1.0

3400

-

0.015

Seawater

6.39

78

1.0

-

-

-15

43

Panasonic Technical Journal Vol. 68 No. 1 May 2022

44

4.3 コイルの試作と評価方法

は水温により必ずしも一定ではない[18]．実環境より厳し

実験ではコイルを塩水に完全に沈めるため，防水構造がい条件とし，塩分濃度を4.7 %，導電率6.39 S/mとして実験重要である．第4図は試作したコイルの外観であり，3つのを行った．実験値は，0.1 kHz～10 kHzの範囲で送電コイル

送電コイルを500 mm間隔で直列に繋いだものである．送電のインダクタンスL1は約900 μH，受電コイルL2は，約400 μH

コイルは防水コネクタを介して電線で測定機器に接続してあるが，L1の計算値は実験値に対し約12 ％低くなった．実いる．受電コイルはアルミ製の中空円柱耐圧容器にフェラ

験用に作製したコイル電線がパイプ内で密巻になり，シミ

イトシートをはり付け，フェライト上にコイルを20巻きしュレーションモデルとの差が生じているためと考えられる．

ている．

受電コイルは実験値に比べ，計算値が5 ％低い値であった．
第5図はコイルのQ値の実験値と計算値の周波数特性である．2 kHzにおける送電コイルのQ値は，実験値に対し，Water proof connector
FerriteRx coil

計算値は約半分となり，受電コイルも計算値は実験値よりも35 %低い値となった．電線間の近接効果で実験値のコイ
ル抵抗値が低くなったためと考えられる．実験値と計算値

Tx coils

で傾向は大体合っているが，今後，モデル詳細化やモデル化が不可能部分については近似モデルなどを導入しさらなる検討が必要である．なお．受電コイルが送電コイル中央にあるときのコイル間の結合係数k12は，測定周波数範囲ではほぼ一定となり，約0.24，計算値では約0.22となった．
Aluminum pillar
10090Fig. 4 Experimental coils and pressure resistant container

80〔1〕コイル特性の測定方法
海中にコイルを沈めた場合のコイルのインダクタンスL，
結合係数kは，Vector Network Analyzer（VNA）を用いてSパ

Efficiency
Efficiency[%] [%]

第4図 実験用コイルと耐圧容器

70
Rx meas.

60
Rx sim.

50
40
30

ラメータを測定し，Zパラメータに変換して求める．コイ

20

ルの抵抗は数十 mΩレベルと非常に小さいため，ゲインフ

10ェーズテストポートの付いたVNAによりGain Phase Shunt

Tx meas.

Tx sim.

0
0.1

1

10

Frequency
Frequency [kHz][kHz]

Thru (GPST)法を用いて測定する[17]．
〔2〕電力測定方法

第5図 送受電コイルQ値の実験値，計算値の比較

VNAでは伝送電力がmWレベルで小さい．kWレベルの高

Fig. 5 Comparison of experimental and calculated power

い電力が送れることを確認するため，ファンクション・ジ

transfer / receiving coil Q valuesェネレータ（FG），パワーアンプ（AMP），整合回路，整流回路，電子負荷を接続し，各接点にパワーアナライザを用いて測定した．

5.2 電力伝送効率
第6図はコイル間の最大伝送効率である．最大伝送効率

これらの検討，測定方法をとおして，2章の目標であるkW

ηmaxを（1）式より計算する．結合係数は実験値では0.24，級の電力伝送，高効率，位置自由度の高い無線電力伝送の計算値では0.22を用いる．
2 kHzのときに効率は最大となり，評価を行う．

ηmaxは実験値において89.8 %，シミュレーションでは82.8 %となった．

5．無線電力伝送特性

次に2段コイルの無線電力伝送システムの最適化を行う．
伝送効率が最大となる2 kHzにおける各コイルの測定値は，5.1 コイル特性

Lr1 = 954 μH，Qr1 =83，Lr2 = 414 μH，Qr2 = 71，k12 = 0.24であ海中でのコイルの特性を評価するため，直径1.6 m，高さる．この値から，入出力インピーダンスR1 = R2 = 10 Ωとし

1.8 mの水槽に塩水を入れて，送受電コイルを完全に沈めてて（3）式～（6）式を用いて計算した．その結果，C1 = 4.0

測定した．一般的な海水の塩分濃度は約3.5 %だが，導電率μF，Cr1* =3.5 μF，C2 = 7.4 μF，Cr2* =11.3 μF，Rr1 = 144 mΩ，44受賞技術特集：海中内小型移動体向けkW級，高効率，位置自由度の高い無線電力伝送技術

45

Rr2 = 73 mΩとなる．これらの値からS21を求め，（7）式で伝受電コイルの位置を送電コイル内で変更しても，伝送効

送効率を求めると，89.2 %であり，kQ積から求めた伝送効率が大きくかわらないところから，本システムは位置自由率89.8 %とよく一致した．

度の高い無線電力伝送方式であるといえる．

95

6．まとめ

Meas.

90
85

本稿では，海中において，海中内小型移動体への磁界結

Efficiency [%]Efficiency [%]80

合型の無線電力伝送技術を紹介した．海中では海水の導電

Sim.

75

性，海流，水中移動体の金属影響で無線電力伝送は困難で70あったが，本提案システムを用いることで，1 kWの送電，

65

中心位置から30 cm以内の無線電力伝送かつ最大電力伝送

60

効率87.5 %の無線電力伝送を可能とし，それぞれ目標値を55達成できた．

50
0.1

1Frequency [kHz]10

Frequency [kHz]

送電コイルの直径が1 mであったが，海中移動体が大きくなるとコイルもそれに伴い大型化される．無線電力伝送シ
ステムの大型化，さらなる高効率化，大電力化や充電時の第6図 電力伝送効率の比較

制御方法が今後の課題であり，継続した技術開発が必要でFig. 6 Comparison of power transfer efficiency

ある．

5.3 kW 級電力伝送と位置自由度の評価

本研究の一部は，防衛装備庁が実施する安全保障技術研

kW級かつ位置自由度の高い無線電力伝送が行えること

究推進制度（JPJ004596）の支援を受けたものである．

を確認するため，受電コイルを送電コイル内部で動かし伝送効率の測定を行った．1 kWの電力を送電コイルに印加す
参考文献

る．第7図は受電コイル位置を変更させたときの伝送効率である．送電周波数は2 kHzとした．送電コイルの中央を原点（x, z）=（0, 0）とし，受電コイルを移動させた．x，zの取り得る範囲は -0.3 m ≦ x ≦ 0.3 m，-0.5 m ≦ z ≦ 0.5 mとなる．
（x, z）=（0.3 m, 0 m）のときに最大効率87.5 %，(x, z）

[1]
[2]

=（0 m, 0.5 m）のときに最小効率85.9 %であった．
[3]
95.0
x = 0 m, meas.

Efficiency (%)

Efficiency [%]

90.0

85.0

[4]

x = 0.3 m, meas.

[5]zx = 0 m, sim.

80.0

[6]
O

75.0

x

x = 0.3 m, sim.

[7]
70.0
0

0.1

0.2

0.3

Position (m)

0.4

0.5

Position [m]第7図 受電コイル位置変更時の効率
Fig. 7 Efficiency when changing the position of the power[8]

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receiving coil

45

46

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Panasonic Technical Journal Vol. 68 No. 1 May 2022

執筆者紹介
枷場 亮祐

Ryosuke Hasaba

パナソニック インダストリー（株）
技術本部
Engineering Div., Panasonic Industry Co., Ltd.

八木 達雄

Tatsuo Yagi（株）パナソニック システムネットワークス開
発研究所
Panasonic System Networks R&D Lab. Co., Ltd.

山口 修一郎Shuichiro Yamaguchi（株）パナソニック システムネットワークス開
発研究所
Panasonic System Networks R&D Lab. Co., Ltd.

江口 和弘

Kazuhiro Eguchi

パナソニック コネクト（株）
技術研究開発本部
R&D Div., Panasonic Connect Co., Ltd.
博士（工学）
小柳 芳雄

Yoshio Koyanagi（株）パナソニック システムネットワークス開
発研究所
Panasonic System Networks R&D Lab. Co., Ltd.
博士（工学）

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