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入門講座

「手ぶら参加歓迎！」
ー気軽に体験できるワイヤレス給電実験ー

2021年03月10日
株式会社スフィンクステクノロジーズ
伊藤 竜次

22021/03/10(水)All rightreserved© SFINX
Technologies
Copyright© 2019
S-FINXTechnologiesCo.,Co., Ltd.
Ltd.

背景、目的(1/2)
無線電力伝送研究専門委員会(WPT委員会)ではこれまで全16回に及ぶコンテストを行ってきました。

競うことをメインとしたコンテストでしたが、、今回は！！
3＋2020年MW

2021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

背景、目的(2/2)
第17回はこれまでと違い，教育的な要素が強いイベントです！
・WPTの研究室に配属されたばかりの学生の方
・知識ゼロで無線電力部署に配属された会社員の方・無線電力に興味があるひと etc

対象者

本日の流れ
気軽に参加
• ⾯倒な準
備はしな
くて⼤丈夫

簡単な講演

10:30‐12:00

⼯作と実験

13:00‐16:00• 初⼼者向け• 豊富な講師にわかりや陣のｻﾎﾟｰﾄ

すく説明

今日の講演をきっかけにﾜｲﾔﾚｽ給電の知識を深めていってください！
42021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

非公開資料52021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

ﾜｲﾔﾚｽ給電はどんなイメージ？

AGV（無⼈搬送台⾞）

f=1/T

マイクロ波

MITEV(電気⾃動⾞)
62021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

目次(チェックシート)
易しい①□直流と交流の違いが説明できる。
□工作キット内における直流と交流のイメージがわかる。

② □電磁誘導型の原理が説明できる。
③□結合係数kの概念が理解できる。
□漏れ磁束と鎖交磁束の違いが説明できる。

④□電磁誘導型と磁界共振型の違いがわかる。
□磁界共振型において共振させるメリットを説明できる。
□Q値の概念が理解できる。

⑤ □kQ積から最大効率ηを計算できる。
難しい
おまけ ⑥

□最大効率を達成できる最適負荷のイメージがわかる。
□整流回路の動作イメージがわかる。
□DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀの動作イメージがわかる。
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①ﾜｲﾔﾚｽ給電を理解するための知識(1/6)

ＷＰＴ(wireless power transfer)→無線で電力を送る技術のことを指す。
WPT技術の中は大きく3つに分けることができる。
磁界結合方式

電界結合方式

電磁波方式

磁界結合方式について理解するために頭に入れておいていただきたいことからから話していきます！
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①ﾜｲﾔﾚｽ給電を理解するための知識(2/6)
まずは「オームの法則」とDCとACについてです！

公式

𝐼𝑉𝑅

𝑉𝐼

𝐼 2𝑅

電力も大事

電流 +1A電流𝑃

電圧

電圧≒+5V5Ω電圧

図1-1 DC回路図

図1-2 DC波形

電圧≒+5V5Ω

図1-4 AC波形

図1-3 AC回路図
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①ﾜｲﾔﾚｽ給電を理解するための知識(3/6)
「DC(直流)」と「AC(交流)」ってつまりどういうこと？

交流

極性が時間によって極性が時間によって変化する

変化しない10.0

極性直流ex)電池

プラス＋

5.0
電圧[V]

直流0.0

交流ex)ｺﾝｾﾝﾄ

‐5.0
極性

マイナスー

‐10.00123
時間t [s]10452021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

①ﾜｲﾔﾚｽ給電を理解するための知識(4/6)

周波数と周期
f=1/T[Hz]

交流においては周波数(周期)が大事！
電圧[V]

T=1/60=0.016[s]16×10-3[s]=16[ms]AC

周期T
5 10 15 20 25 30 35
時間t [ms]

電圧[V]

波が１回
コンセント 上下する 0f=60Hz 所要時間

表1-1 接頭語の単位

RF
通信
f=1GHz10n

記号

読み方

10‐9n

ナノ

10‐6u

マイクロ

10‐3m

ミリ

103k

キロ106

M

メガ

109

G

ギガ

周期T
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1
T=1/109=0.0000000001
時間t [ns][s]
1×10-9[s]=1[ns]112021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

①ﾜｲﾔﾚｽ給電を理解するための知識(5/6)
実際に使われている電気製品で考えると、電気の流れ 〜スマホver〜

電気の流れ 〜⼯作キットver〜

④RF
①AC

①DC

スマホ

③DC
②AC→DC
図1-5 USB充電器②DC→AC③AC↓
AC⑤DC→DC④AC→DC
図1-6 工作キット

このように直流と交流を使い分けて電気製品は作られている。
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①ﾜｲﾔﾚｽ給電を理解するための知識(6/6)
どのような「回路」で電気を変換しているのか。
①DC②DC→AC③AC↓
AC④AC→DC⑤DC→DC

こんなイメージとだけ記憶の⽚隅においてください。
図1-7

工作キット回路図
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①ﾜｲﾔﾚｽ給電を理解するための知識 まとめ・直流回路は一定方向にしか電流は流れないが、交流回路は時間によって流れる方向が変化する。
・オームの法則は絶対使う。
・電力の計算も絶対使う。

𝑉𝑅𝐼𝑃𝑉𝐼

𝐼 2𝑅

・電気の流れ方には直流と交流があり、交流は周波数によって用途が異なる。
・周期と周波数の関係

𝑓1𝑇

・身近なスマートフォンの充電する際にも直流と交流が使い分けられている。
・工作キットは直流から交流に変換し、交流から直流に戻す。

142021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

目次(チェックシート)
易しい①☑直流と交流の違いが説明できる。
☑工作キット内における直流と交流のイメージがわかる。

② □電磁誘導型の原理が説明できる。
③□結合係数kの概念が理解できる。
□漏れ磁束と鎖交磁束の違いが説明できる。

④□電磁誘導型と磁界共振型の違いがわかる。
□磁界共振型において共振させるメリットを説明できる。
□Q値の概念が理解できる。

⑤ □kQ積から最大効率ηを計算できる。
難しい
おまけ ⑥

□最大効率を達成できる最適負荷のイメージがわかる。
□整流回路の動作イメージがわかる。
□DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀの動作イメージがわかる。
152021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

②電磁誘導型の原理(1/4)
ここまで電気の流れかたについてお話しましたが以下のような疑問を持たれた方もいるのではないでしょうか。
なんで交流に変換しないと無線電⼒伝送はできないの？
一言でいうと、 誘導起電力を発生させるため交流が必要だからです。
誘導起電力を説明するためにコイルについて説明します。

ｺｲﾙ(ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ)
量記号:L 単位:H(ﾍﾝﾘｰ)
図2-1 ｽﾊﾟｲﾗﾙｺｲﾙ

図2-2 ｿﾚﾉｲﾄﾞｺｲﾙ→ｺｲﾙ(ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ)は銅線を巻いたもの
162021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

②電磁誘導型の原理(2/4)
「ｺｲﾙの特徴」 電流を流すと磁界が発生する性質がある。
直流は一方向のみ

磁界
磁界電流電流図2-3 右ねじの法則

図2-4 直線の銅線に発生する磁界
図2-5 コイルに発生する磁界

直流磁界:電流の極性が変わらないので磁界も変化しない。
①①②電流

磁界

②繰り返す

磁界電流
図2-6 交流の場合

交流磁界:電流の極性が変わるごとに磁界が変化する。
172021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

②電磁誘導型の原理(3/4)
「ｺｲﾙの特徴」 電流を流すと磁界が発生する。
なら、磁界が発生すると電流が流れる?
ファラデーの実験:片方のｺｲﾙに電流を流せばもう一方のｺｲﾙに電流は流れるのか
スイッチオン

鉄芯

直流

図2-7 ファラデー先生

図2-8 ファラデー先生の実験

実験してみると、ｽｲｯﾁを入れる瞬間や切る瞬間にのみ電球が光った。
182021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

②電磁誘導型の原理(4/4)
なぜ、ｽｲｯﾁのｵﾝｵﾌの瞬間にだけ電流が流れるのか？
→変化する磁界を打ち消すように電流が流れるから。(ﾚﾝﾂの法則)
自己誘導起電力: 𝑒
ｽｲｯﾁｵﾝにより発生した磁界

誘導電流

𝑑𝐼
𝐿𝑑𝑡

誘導電流

電流
電流

打ち消す
ように発生××電流

図2-9 ファラデー先生の実験ver

図2-10 ｽﾊﾟｲﾗﾙｺｲﾙver

・直流電流→ｽｲｯﾁをｵﾝ,ｵﾌの瞬間だけ、磁界が変化するため誘導電流が流れる。
・交流電流→常に磁界が変化するため、常に誘導電流が流れる。
ﾜｲﾔﾚｽ給電においてもｺｲﾙに交流電流を流す必要がある。
192021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

②電磁誘導型の原理まとめ・ｺｲﾙに直流と交流問わず、電流を流すと磁界が発生する。
・電磁誘導とは変化する磁界を打ち消すように誘導電流が流れる現象のこと
・誘導電流を常に流すには交流が必要。
・誘導電流により、離れた場所にあるｺｲﾙに電流を流すことができる。
・誘導電流を大きくする方法には主に以下の3つが挙げられる。
①巻き数を増やす。
②1次側の電流を増やす。

自己誘導起電力: 𝑒

𝐿𝑑𝐼
𝑑𝑡③磁場の変化を早くする。

202021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

目次(チェックシート)
易しい①☑直流と交流の違いが説明できる。
☑工作キット内における直流と交流のイメージがわかる。

② ☑電磁誘導型の原理が説明できる。
③□結合係数kの概念が理解できる。
□漏れ磁束と鎖交磁束の違いが説明できる。

④□電磁誘導型と磁界共振型の違いがわかる。
□磁界共振型において共振させるメリットを説明できる。
□Q値の概念が理解できる。

⑤ □kQ積から最大効率ηを計算できる。
難しい
おまけ ⑥

□最大効率を達成できる最適負荷のイメージがわかる。
□整流回路の動作イメージがわかる。
□DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀの動作イメージがわかる。
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③結合係数とは(1/4)

この章は専門用語が多い！！

磁界型WPTは「結合係数」が大事。(電磁誘導型と磁界共振型)
結合係数は送電側と受電側との結合の度合いを示す無次元数(単位がない)

受電側結合係数が高いほど、送受間のエネルギーのやりとりに無駄がなく効率が高い。

k

難しくいうと、送電側結合係数は送電側で発生した磁束が受電側のｺｲﾙに到達できた割合を示す。

図3-1 送受ｺｲﾙの結合係数イメージ

電源によく使われるﾄﾗﾝｽの結合係数は0.9以上
222021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

③結合係数とは(2/4)

この章は専門用語が多い！！

送電ｺｲﾙと受電ｺｲﾙを行き交う磁束をｼﾐｭﾚｰｼｮﾝで確認してみた。
受電ｺｲﾙ

受電ｺｲﾙ

送電ｺｲﾙ

送電ｺｲﾙ

結合係数=0.20

結合係数=0.06(a)Z=15mm

漏れ磁束
主磁束or鎖交磁束

図3-2 送受ｺｲﾙ間の磁束(a)Z=30mm

送電ｺｲﾙ→受電ｺｲﾙに到達できなかった磁束
送電ｺｲﾙ→受電ｺｲﾙに到達できた磁束→結合係数が高いほど、主磁束が多く、漏れ磁束が少ない。
232021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

③結合係数とは(3/4)

この章は専門用語が多い！！

回路図ではこんな書き方をします。

相互ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ

k:結合係数

漏れｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ

図3-3 回路図による表し方2

漏れｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ

図3-4 回路図による表し方2

漏れｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ 漏れ磁束を作るｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ

相互ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽの公式

相互ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ 主磁束or鎖交磁束を作るｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ

𝑀𝑘 𝐿 1𝐿 2結合係数が1なら、漏れｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽは0となり、ACの電圧はRに無駄なく伝わる。 ※L1=L2242021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

③結合係数とは(4/4)

この章は専門用語が多い！！

各距離の結合係数をグラフで示します。
(電磁界ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝを使うと簡単に算出できます)
受電側0.600.55

Zを変化

結合係数k0.500.400.320.300.200.200.130.10

送電側

0.090.060.000

図3-5 ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ構造(FEMTET)

51015 20z[mm]253035

図3-6 測定結果(FEMTET)

図3-5は工作キットのｺｲﾙと同じ寸法のｺｲﾙをｼﾐｭﾚｰｼｮﾝで再現して計算しています。※ﾌｪﾗｲﾄｼｰﾄはなし
252021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

③結合係数まとめ・結合係数は高いほど良い。最大1.0・送電ｺｲﾙから発生する磁束のうち受電ｺｲﾙに到達する磁束を「主磁束」又は「鎖交磁束」といい、受電ｺｲﾙに到達できなかった磁束を「漏れ磁束」という。
・送電ｺｲﾙと受電ｺｲﾙの結合係数が0.2だとすると、送電ｺｲﾙで発生する磁束の内、20%が主磁束で80%が漏れ磁束である。
・主磁束を発生させるｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽを「相互ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ」といい、漏れ磁束を発生させるｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽを「漏れｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ」という。
・回路図では2通りの書き方がある。

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目次(チェックシート)
易しい①☑直流と交流の違いが説明できる。
☑工作キット内における直流と交流のイメージがわかる。

② ☑電磁誘導型の原理が説明できる。
③☑結合係数kの概念が理解できる。
☑漏れ磁束と鎖交磁束の違いが説明できる。

④□電磁誘導型と磁界共振型の違いがわかる。
□磁界共振型において共振させるメリットを説明できる。
□Q値の概念が理解できる。

⑤ □kQ積から最大効率ηを計算できる。
難しい
おまけ ⑥

□最大効率を達成できる最適負荷のイメージがわかる。
□整流回路の動作イメージがわかる。
□DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀの動作イメージがわかる。
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目次(チェックシート)
易しい①☑直流と交流の違いが説明できる。
☑工作キット内における直流と交流のイメージがわかる。

② ☑電磁誘導型の原理が説明できる。
③☑結合係数kの概念が理解できる。
☑漏れ磁束と鎖交磁束の違いが説明できる。

④□電磁誘導型と磁界共振型の違いがわかる。
□磁界共振型において共振させるメリットを説明できる。
□Q値の概念が理解できる。

⑤ □kQ積から最大効率ηを計算できる。
難しいおまけ ⑥□最大効率を達成できる最適負荷のイメージがわかる。
□整流回路の動作イメージがわかる。
□DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀの動作イメージがわかる。
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④磁界共振型とは(1/5)
電磁誘導型についていろいろ説明してきました。
ｺｲﾙの話ばっかりでｺﾝﾃﾞﾝｻの話がないですよね。
ﾜｲﾔﾚｽ給電を実現するだけなら、ｺﾝﾃﾞﾝｻはいらないんです。
なのになぜｺﾝﾃﾞﾝｻを追加するのか説明していきたいと思います。
磁界結合方式

電磁誘導型

磁界共振型
図4-1 区分分け
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④磁界共振型とは(2/5)
電磁誘導型と磁界共振型の種類について共振とは、回路にあるLとCがある周波数で相殺されることをいい、この周波数を共振周波数と呼びます。

大電力動作できるが効率悪い…。

小電力動作で効率悪い…。

(1)共振なし(N-N)(2)1次側共振型(S-N)

小電力動作だが効率良い!

大電力動作かつ効率良い!!

(3)2次側共振型(N-S)(4)磁界共振(共鳴)型(S-S)
30

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④磁界共振型とは(3/5)
１次側共振をすると、なぜ大電力化ができるのか。
そのために皮相電力、有効電力、無効電力を簡単に説明する。
位相θ[deg]
1次側電流

1次側電流

AC電圧

AC電圧

図4-2 非共振型の等価回路
ﾎﾟｲﾝﾄ:ｺｲﾙに電圧をかけると電流は遅れる。
図4-3 電圧と電流の位相関係

𝑃皮相𝑉𝐼𝑃有効𝑉𝐼𝑐𝑜𝑠θ ②有効電力:負荷Rで消費される電力

𝑃無効𝑉𝐼𝑠𝑖𝑛θ

①皮相電力:交流電源から送り出される電力③無効電力:負荷Rと交流電源の間を往復しているだけの電力→電力を大きくしようとすると、無効電力が増え、損失が増加する。
312021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

④磁界共振型とは(4/5)

ﾎﾟｲﾝﾄ:ｺﾝﾃﾞﾝｻに電圧をかけると電流は進む。

１次側共振を行うと入力電圧と入力電流の位相差が無くなり、無効電力が大幅になくなる。
C追加により位相改善
1次側電流 小1次側電流 大抵抗が隠れている。

抵抗が隠れている。

図4-4 電磁誘導型の等価回路

AC電圧

図4-5 1次側共振型の等価回路

AC電圧

位相ずれ有り無効電力 大1次側電流

位相ずれ無し無効電力 小1次側電流
図4-7 1次側共振型の入力電圧と電流

図4-6 電磁誘導型の入力電圧と電流電圧と電流の位相差が小さくなり、ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが低下し、有効電力が大きくなる。→大電力化が可能。
322021/03/10(水)All right reserved © SFINX Technologies Co., Ltd.

④磁界共振型とは(5/5)
2次側共振をすると、なぜ効率が増加するのか。
等価回路を使って説明する。
1次側電流

2次側電流

1次側電流

図4-8 電磁誘導型の等価回路共振により、ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ低下

2次側電流

図4-9 2次側共振型の等価回路

1次側電流
1次側電流
2次側電流

2次側電流

図4-10 電磁誘導型の1次側電流と2次側電流

図4-11 2次側共振型の1次側電流と2次側電流

2次側のｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが低下し、2次側電流が増加する。
→1次側電流は変わっていないので効率は増加している。
33

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④電磁誘導型と磁界共振型まとめ・磁界型には非共振型(N-N),1次側共振型(S-N),2次側共振型(N-S),
磁界共振型(S-S)がある。

共振周波数f[Hz]1・非共振型でもﾜｲﾔﾚｽ給電は可能だが、小電力かつ低効率。 𝑓
2π 𝐿𝐶・1次側にｺﾝﾃﾞﾝｻを追加すると大電力化が可能。
・2次側にｺﾝﾃﾞﾝｻを追加すると高効率化が可能。
・ｺｲﾙに電圧をかけると電流が90deg遅れ、ｺﾝﾃﾞﾝｻに電圧をかけると90deg進む。
・電圧と電流の位相差により有効電力、無効電力が決まる。
位相差が0degだと皮相電力(全電力)=有効電力になる。

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目次(チェックシート)
易しい①☑直流と交流の違いが説明できる。
☑工作キット内における直流と交流のイメージがわかる。

② ☑電磁誘導型の原理が説明できる。
③☑結合係数kの概念が理解できる。
☑漏れ磁束と鎖交磁束の違いが説明できる。

④☑電磁誘導型と磁界共振型の違いがわかる。
☑磁界共振型において共振させるメリットを説明できる。
□Q値の概念が理解できる。

⑤ □kQ積から最大効率ηを計算できる。
難しいおまけ ⑥□最大効率を達成できる最適負荷のイメージがわかる。
□整流回路の動作イメージがわかる。
□DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀの動作イメージがわかる。
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⑤.1 Qとは(1/2)
結合係数kの次はQの説明をします。
簡単にいうと、Qはエネルギーを蓄える係数(ちなみにkはエネルギーを伝達する係数)
受電側

Qrx

算出式

k𝑄

ω𝐿
𝑅

Qが高いほどエネルギーを蓄えることができる。

送電側

Qtx

図5-1 磁界共振型のイメージ

電磁誘導の公式でもわかるように誘導電流をより流すには

𝑒36𝑑𝐼
𝐿𝑑𝑡

・Lが大きいほど良い。
・tが小さい(fが大きい)ほど良い。
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⑤.1 Qとは(2/2)
実際に工作キットで使われているコイルのLとRを測定することでQを算出してます。
図5-2 WT505090-10F2-LP-G1
109Ls[uH]

8Rs[mΩ]

250

250

200

Q=216 f=400kHz

200

5150410032Q=83150

f=70kHzQ

6R[mΩ]

L[uH]

7300

100

5050001

図5-3 LCRメーター

0100

1k10kf[Hz]

100k

1M100

図5-4 測定結果

1k10kf[Hz]

100k

1M

周波数が高くなるほどQが高い。
Rは小さいほど良いが、「近接効果」,「表皮効果」によって大きくなることがある。
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⑤.2 kとQから効率を計算(1/1)
kとQがわかると、効率を計算することができる。
𝑘𝑄積

kQ積による伝送効率η[%]効率算出式

𝑓𝑚𝑘 𝑄𝑡𝑥𝑄𝑟𝑥
𝑓𝑚

η%

11𝑓𝑚

20.76 8383

10096.9%

63.1

表5-1 Tx-Rx距離による理論効率特性一覧
Tx-Rx
結合係数k kQ積
効率[%]
備考
距離[mm]
50.76
63.1
96.9

1008060

100.4839.8

95.1

40150.29

24.1

92.0

20200.18

14.9

87.5

0250.12

10.0

81.8

300.08

6.6

74.1

510

15202530

Tx-Rx距離[mm]図5-5→理論上96.9%の効率で電力伝送可能。

Tx-Rx距離による理論効率特性
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⑤.3 最適負荷とは(1/1)
距離30mmにおける最大効率は74.1%であった。
しかし、この最大効率は「最適な負荷」を接続した場合の効率である。
P-S方式

𝑅𝐿𝑀𝐴𝑋 𝑃𝑆

𝑘𝑟2 𝑄𝑡𝑥𝑄𝑟𝑥

0.08

𝑅𝐿𝑀𝐴𝑋 𝑃𝑃

𝑟2𝑄𝑟𝑥 𝑄𝑟𝑥
𝑘𝑄𝑡𝑥

0.03 83 830.08
830.03 83

830.20Ω

P-P方式

31.2Ω

効率η[%]※計算式の算出方法に関しては参考資料参照
100P-S方式

80P-P方式

表5-2最大効率ηmaxとその抵抗負荷の値RLmax

60
402000.010.1

110

1001000

R[Ω]

図5-6

P-S方式とP-P方式の負荷効率特性

参考資料⑬遠井 敬大,金子 裕良,阿部 茂“非接触給電の最大効率の結合係数kとコイルのQによる表現”
392021/03/10(水)電気学会研究会資料. SPC, 半導体電力変換研究会 2011(176), pp.17-22, 2011-12-01
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⑤ Q,kQ,最適負荷まとめ・kがエネルギーを伝達する係数だとするとQはエネルギーを蓄える係数.
k,Qともに無次元量で単位(Ω,H,F等)はありません。
・Q値が高いほどエネルギーを蓄えることができる。
・kとQからkQ積を算出し、最大効率ηを計算することができる。
・最大効率ηを実現できるのは最適負荷のときのみ。
・最適負荷はN-N,N-S,S-S,S-P,P-S,P-P(他多数)の方式により異なる。

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目次(チェックシート)
易しい①☑直流と交流の違いが説明できる。
☑工作キット内における直流と交流のイメージがわかる。

② ☑電磁誘導型の原理が説明できる。
③☑結合係数kの概念が理解できる。
☑漏れ磁束と鎖交磁束の違いが説明できる。

④☑電磁誘導型と磁界共振型の違いがわかる。
☑磁界共振型において共振させるメリットを説明できる。
☑ Q値の概念が理解できる。

⑤ ☑ kQ積から最大効率ηを計算できる。
難しい
おまけ ⑥

☑最大効率を達成できる最適負荷のイメージがわかる。
□整流回路の動作イメージがわかる。
□DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀの動作イメージがわかる。
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(参考文献) WPT設計に関する参考文献
もっと知りたいかたは原理については、以下の参考文献をご覧ください。

kQ積に関する参考文献②大平孝、” 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」も用いない明解教授法－ ”、信学技報WPT2014-05, pp.23-26, 2014年4月.
③粟井郁雄、“ﾜｲﾔﾚｽ給電ｼｽﾃﾑのkQ積理論再考-消費電力と入射電力比からの導出-”
信学技報WPT2016-44, pp.11-16, 2017年1月．
④大平 孝「ﾌﾘｽとkQ」ITUｼﾞｬｰﾅﾙ, vol.49, no.7, pp.13-16, Jul. 2019.
⑤大平 孝「電界結合ﾜｲﾔﾚｽ電力伝送」MOTORｴﾚｸﾄﾛﾆｽ, no.10, pp.93-102, Apr. 2019.
⑥大平 孝「ﾜｲﾔﾚｽ電力伝送の基礎」RFﾜｰﾙﾄﾞ, no.43, pp.17-29, Aug. 2018.
⑦大平 孝「ﾜｲﾔﾚｽ結合の最新常識kQ積をﾏｽﾀしよう」ｸﾞﾘｰﾝｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ, no.19, pp.78-88, Apr. 2017.

結合係数kに関する参考文献⑧大平 孝,今更ながら,kって何?,"信学誌,vol.102,no.1,pp.79-82,Aug.2016

無負荷Q値に関する参考文献⑨大平 孝,"Qファクタは七色仮面,"信学誌,vol.99,no.8,pp.856-858,Aug.2016⑩水野皓司,"今更ながら,Qって何?,"信学誌,vol.99,no.12,pp.1191-1192,Dec.2016

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目次(チェックシート)
易しい①☑直流と交流の違いが説明できる。
☑工作キット内における直流と交流のイメージがわかる。

② ☑電磁誘導型の原理が説明できる。
③☑結合係数kの概念が理解できる。
☑漏れ磁束と鎖交磁束の違いが説明できる。

④☑電磁誘導型と磁界共振型の違いがわかる。
☑磁界共振型において共振させるメリットを説明できる。
☑ Q値の概念が理解できる。

⑤ ☑ kQ積から最大効率ηを計算できる。
難しい
おまけ ⑥

☑最大効率を達成できる最適負荷のイメージがわかる。
□整流回路の動作イメージがわかる。
□DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀの動作イメージがわかる。
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⑥.1工作キット回路図
続いて、もう一度工作キットの回路図を示します。
①DC②DC→AC

③AC
↓
AC

説明終了

説明不要

図6-1

工作キット回路図

説明終了
44④AC→DC⑤DC→DC説明します！
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⑥.1 整流回路とは(1/2)
整流回路はDとCの合わせ技。

AK

ｱﾉｰﾄﾞ

ｶｿｰﾄﾞ

×ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ
特性:整流作用（電流を一定方向にしか流さない作用）〇
ちなみにこちらはLED
足が長いほうがｱﾉｰﾄﾞ
図6-2 ﾌﾙﾌﾞﾘｯｼﾞﾀﾞｲｵｰﾄﾞ回路

R電圧

AK

ｱﾉｰﾄﾞ

ｶｿｰﾄﾞ

AC電圧
図6-3 AC電圧とR電圧の波形
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⑥.1 整流回路とは(2/2)
更にｺﾝﾃﾞﾝｻを追加することで、電圧値を「平滑」できる。
平滑用ｺﾝﾃﾞﾝｻ
特性:電圧が高い時には充電、低い時には放電することで電圧の変動を抑える。

AC電圧

図6-4 ﾌﾙﾌﾞﾘｯｼﾞﾀﾞｲｵｰﾄﾞ回路

R電圧

図6-5 AC電圧とR電圧の波形

AC電圧

R電圧

図6-7 AC電圧とR電圧の波形

図6-6 ﾌﾙﾌﾞﾘｯｼﾞﾀﾞｲｵｰﾄﾞ+ｺﾝﾃﾞﾝｻ回路
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⑥.2 DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀとは(1/1)
DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀとは「直流電圧を昇降できる制御装置」
また、「ｽｲｯﾁﾝｸﾞ電源」や「ｽｲｯﾁﾝｸﾞﾚｷﾞｭﾚｰﾀ」とも呼ばれる。
略してDDｺﾝと呼ばれることが多い。

図6-9 昇圧ﾁｮｯﾊﾟ回路

図6-8 降圧ﾁｮｯﾊﾟ回路

DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀには他にもたくさんあります。
興味がある方はぜひ調べてみてください！！

図6-10 昇降圧ﾁｮｯﾊﾟ回路

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⑥整流回路、DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀ まとめ・整流回路はAC→DCにする回路
・本工作キットの整流回路はﾀﾞｲｵｰﾄﾞDを使った基礎的な方法
・Dは損失が大きいので、効率改善としてFETを使う同期整流方式もある。
・DCｺﾝﾊﾞｰﾀはDC→DCにする回路
・ｺｲﾙが受け取った電圧をそのまま入力するとﾌｧﾝが壊れるので電圧を小さくしている。
・電圧を下げる「降圧方式」,電圧を上げる「昇圧方式」,
電圧を上げ下げする「昇降圧方式」がある。

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目次(チェックシート)
易しい①☑直流と交流の違いが説明できる。
☑工作キット内における直流と交流のイメージがわかる。

② ☑電磁誘導型の原理が説明できる。
③☑結合係数kの概念が理解できる。
☑漏れ磁束と鎖交磁束の違いが説明できる。

④☑電磁誘導型と磁界共振型の違いがわかる。
☑磁界共振型において共振させるメリットを説明できる。
☑ Q値の概念が理解できる。

⑤ ☑ kQ積から最大効率ηを計算できる。
難しい
おまけ ⑥

☑最大効率を達成できる最適負荷のイメージがわかる。
☑整流回路の動作イメージがわかる。
☑DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀの動作イメージがわかる。
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⑦工作キット回路図
最後に、もう一度工作キットの回路図を示します。
①DC②DC→AC③AC↓AC

図6-11④AC→DC⑤DC→DC

工作キット回路図

発表前の印象とは変わりましたか？
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発表が終わりました！いかがでしたか？
易しい□直流と交流の違いが説明できる。
□工作キット内における直流と交流のイメージがわかる。
□電磁誘導型の原理が説明できる。
□結合係数kの概念が理解できる。
□漏れ磁束と鎖交磁束の違いが説明できる。
□電磁誘導型と磁界共振型の違いがわかる。
□磁界共振型において共振させるメリットを説明できる。
□Q値の概念が理解できる。
□kQ積から最大効率ηを計算できる。

難しい
おまけ

□最大効率を達成できる最適負荷のイメージがわかる。
□整流回路の動作イメージがわかる。
□DCDCｺﾝﾊﾞｰﾀの動作イメージがわかる。
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