（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 27 年度 産業利用 成果報告書

長距離海中ワイヤレス電力伝送の電磁界シミュレーション基礎検討
Basic study of long distance wireless power transmission for under seawater using EM simulation
小柳 芳雄
Yoshio Koyanagi
パナソニック株式会社 AVC ネットワークス社
AVC Networks Company Panasonic Corporation
http://panasonic.co.jp/avc/
水中，海水中で用いられるワイヤレス電力伝送が近年検討されている．水中，海水中は空気中と違い，誘電体の性質をもち，導電率が高いという特徴があるため，ワイヤレス電力伝送が困難とされている．
海水中の長距離ワイヤレス電力伝送に用いられるコイルパラメータについての基礎検討を行った．コイルパラメータであるインダクタス値，抵抗値，Q 値は，周りの媒質（空気，水，海水）により異なってくる．今回検討する
コイルは直径 1m と大きく，また海水中で，実際に測定することが困難なモデルである．TSUBAME を用いた電磁界解析で，それらの値を計算し，最適なコイルパラメータ，伝送周波数について示した．
Wireless power transmission in water and seawater has been studied in recent years. It is difficult
to transfer wireless power in water and seawater because it has the property of dielectric andconductor.
We studied the coil parameters to be used in the long-distance wireless power transmission inseawater. The coil parameters, such as inductance, resistance and Q value, depend on the medium( air, water and seawater ). The coil studied is as large as the diameter 1m, also it is actually difficult
to measure the parameters in seawater. We calculate those value by using TSUBAME in theelectromagnetic field simulation and show the optimal coil parameter and the transmission
frequency.

Keywords: Wireless power transfer，Seawater，Electromagnetic simulation

背景と目的設置する必要があるなど，取扱いが難しくなるという問

日本近海の深海には「メタンハイドレード」などのエネ題があり，当然コストも高くなる．海洋資源探査を加速

ルギー資源や「レアアース泥」など豊富な鉱物資源がするためには，ROV や AUV を複数使い，資源の存在眠っている．これらの資源価値は，海洋資源のフロンテが有望な海域を短時間で集中的に探索することが望まィア開拓として期待される．海中で地形や熱水鉱床などれる．ROV や AUV へワイヤレスで電力を供給しバッを効率よく調査するため，海底を自走するロボット

テリーレスで動作できれば 24 時間の運用も可能になり「Remotely Operated Vehicle (ROV：遠隔操作無人

海底資源探査の効率は飛躍的に拡大する．また，バッ探査機）」があるが，調査領域が 1000m～2000m と深テリーの小型化，軽量化，完全密閉構造も可能となりい場所であり，ケーブルで電力送るため広範囲な調査低コストかつ高信頼性の機材を作ることができ，海底資を行うことが難しいのが現状である．また海中を自由に源の開発が飛躍的に進むことが期待できる．

動く潜水艇型のロボット「Autonomous Underwater

しかし，これまで水中や海中で長距離にワイヤレスVehicle（AUV：自立型無人探査機）」は ROV に比べ広で電力を伝送する研究はおこなわれていない．海中は範囲な領域を調査できるが，バッテリーの容量が小さく空中と異なり導電率や誘電率を有する媒質であるため，半日程度の運用しかできないため，充電のたびに深海従来研究されていたワイヤレス電力伝送技術をそのまから引き上げる必要があり,運用上の課題がある．運用

ま適用することはできない．本研究は，電磁界シミュレ時間を長くするためバッテリー容量を大きくすると，本ーション(MW-Studio)を用いてコイルパラメータについ体が大きくなり自重も重くなり船上に大きなクレーンをて検討した．

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本プロジェクトでは，水中，海中のコイルパラメータの解析条件最適値を得るため，TSUBAME を使用した電磁界シミ

解析空間の材質は，海水として，解析エリアサイズ

ュレーションを用いて，コイル伝送周波数の最適値を確は，X×Y×Z＝2×2×2m とした．解析周波数は，認した．

1kHz～100kHz とした．解析には，電磁界シミュレータである CST STUDIO SUITE MW STUDIO を用いた．
表 1 は解析空間である海水の電気特性である．

概要
本年度は，伝送するコイルのモデリングと，コイルを

表 1 海水の電気特性各媒質の中に置き，コイルパラメータを比較した．

海水
コイルのモデリング

比誘電率74比透磁率0.999991

導電率 (S/m)

3.53

コイルの線は，材質は銅で，線径 d1＝3.7mm，被覆厚み t1＝2.75mm のものを使用した．コイル半径ro＝1000mm として，ターン数を N とした．図 1 は巻
き数 N=10 のコイルモデルである．

結果および考察coil

コイルの巻き数 N を変更して，コイルパラメータの比較を行った．インダクタンス値，抵抗値は，Q 値が最大Port 2のところを計算した．

vacuum

図 3，4 からコイルの巻数 N に比例して，インダクタン
Port 1

ス値，抵抗値が比例して増大していることがわかる．図

図 1 コイルモデル 巻き数 N=105 は，巻数ごとの Q 値の最大点を示したものである，巻
き数 N が増えていくと，Q 値は飽和していき，N=100 の

図 2 はコイルを Z 方向から見たものである．コイル

ところで最大値 Q=84 となることがわかった．のインピーダンスを計算するために，励振用のポート 1，2 を作成し，ポートとコイル間には 0 [Ω]のエレメ

9.00E-03

8.00E-03ントを挿入している．周辺の媒質が塩水だと，電気が7.00E-03流れてしまうため，コイルの周りに被覆として，空気L「H]

6.00E-03の絶縁層を作成した．

5.00E-03

4.00E-03
3.00E-03

Y2.00E-03

coilPort 2t1

1.00E-03

d1/2

0.00E+00
020

406080100

コイル巻き数Nvacuumt1

図 3 コイル巻き数 N とインダクタンス値

Ld1

t1
coil

thick

Port 1X
d1

Z

roL_M

図 2 Z 方向から見たコイルモデル

120

（様式 20）成果報告書
今回，解析に用いた方法は，有限要素法であるため，1.6
1.4

PC のメモリ量が重要となる．表 2 は弊社所有 PC と抵抗「ohm]1.2TSUBAME を比較したものである．30GB のメモリ使1用モデルでは，計算時間に大きく差が出ない．しかしな

0.80.6

がら，巻き数が十数以上である 30GB 以上のモデルで0.4あると，当所有の PC では，計算自体できないので，0.20020406080100120

コイル巻き数N

TSUBAME が所有している高メモリ搭載の解析は非常に有用な結果となった．

図 4 コイル巻き数 N と抵抗値

表 2 計算機の比較
CPU90.00

コア
論理プロセッサ
メモリ

80.00
70.00

GPUQ値

60.00
50.00
40.00

同モデル計算30.00

PC-A
Xeon E5-2630
2.6GHz61232GBNVIDIA Quadro k4000
NVIDIA Tesla K20c

TSUBAME 2.5 TypeB
Xeon 5670
2.93GHz
122496GB
K20X ＊ 324472944

27719488

1532277

1531298

9429 s(= 2 h, 37 m, 09 s)

8114 s(= 2 h, 15 m, 14 s)

メモリ最大値
メッシュ（Number ofmesh cells ）Solver time

20.00
10.00
0.00
020406080100120

コイル巻き数N

まとめ、今後の課題

海水中のコイルパラメータについて電磁界シミュレ

図 5 コイル巻き数 N と Q 値ーションを用いて解析した．
コイルの巻き数増加に伴い，コイルの Q 値が最大となる周波数が低い周波数側にシフトしていることが示したものである．巻数 N を増やしていくと，周波数がわかった．コイルの巻き数増加に伴い，コイルの Q2kHz に飽和していることがわかる．コイルの Q 値を上値が増加するが，最大点が存在することがわかった．

げるには，線径を大きくし，抵抗値を下げる必要があ

コイルの直径 1m，線径 3.7mm では，Q の最大値は，る．

巻き数 N=100 で Q=84 となることがわかった．コイ周波数「kHz]図 6 は巻き数 N ごとに Q 値が最大となる周波数を12.00

ルの Q 値を上げるためには，線径を太くし，抵抗値10.00を下げる必要がある．

8.00

今後の課題は，コイルの直径，コイルの線径や，被6.00

覆の材質を変更した場合のコイルパラメータの検討

4.00と，コイルを 2 素子，3 素子と増やした時の，伝搬特2.00性を解析することである．

0.00
020406080100120

コイル巻き数

図 6 コイル巻き数と Q 値が最大となる周波数

計算機の比較計算機の比較を行うため，当所有 PC と TSUBAMEで比較を行った．表は，メモリを 30GB 程度使用するモデルの計算結果である．