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実験＆製作
市販のワイヤレス給電実験キットを利用して手軽に試せる！

ワイヤレス走行中給電
プラレールの製作
阿部 晋士 / 坂井 尚貴 / 大平 孝
Shinji Abe/Naoki Sakai/Takashi Ohira

走行中給電ワールドへ
RF 業界において，放送 / 通信に続く第三の矢としてワイヤレス電力伝送に熱い視線が注がれています．
その身近な応用として，非接触で充電できるスマートフォンが登場しました．また，電気自動車のバッテリをケーブルレスで充電するシステムも研究開発されています．これらはコネクタの接続が不要なので，ケーブル式充電と比べると利便性の向上が期待できます．
しかしながらよく考えてみると，これらは「絶対にワイヤレスじゃなきゃだめ」というシステムではありません．ワイヤレスが絶対的威力を発揮するのは「移動体」です．今世紀初頭にワイヤレス通信が爆発的に普及したのは，携帯電話という移動体に使われたからです．先に例を挙げた電気自動車はバッテリを充電するためにステーションに長時間の停車が必要という，致命的な問題があります．このバッテリ問題は，停車中ではなくて走行中に連続給電できるようになって初めて根本的に解決できます．これを「走行中給電」または「給電走行」と呼んでいます．
走行中給電と聞いて，すぐ思いつくのは架線とパンタグラフです．この方法は古くから鉄道で使われていて実績があります．残念なことに高速で摺動する方式
は接触部に磨耗/瞬断/放電などの問題があり，電気自動車には使えそうにありません．そこでワイヤレス電力伝送で走行中給電するというアイデアが浮上します．

プラレールで実験してみよう！
いきなり本物の電気自動車で実験するのはハードルが高過ぎます．第一歩として模型電車のワイヤレス走行中給電にチャレンジしてみましょう．模型電車の代（1）
表として「プラレール」（タカラトミー社）があります．本来，プラレールは乾電池（つまり直流）で走る玩具です．本記事の実験目標は，プラレールの乾電池を取り外して，代わりに RF 受電器と RF 整流回路を搭載し，ワイヤレス・パワーで走らせることです．もちろんレール側には RF 送電器が必要となります．
プラレールのモータを駆動するために必要な電力は130

数百 mW 程度です．とはいえ，それをワイヤレスで伝送できるしくみを作るには高周波パワー・エレクト
ロニクスの知識が必要です．この世界をまったく未体
験の読者もおられると思います．また，走行中に連続して給電するには送受電器の位置ずれ問題がとても気がかりです．さらにはプラレールを元気よく走らせるため，RF 電源からモータまで高い効率でパワーを伝える工夫も知りたいところです．
本記事はワイヤレス走行中給電のプラレール試作例を紹介します．この実験からヒントを得て，みなさんもぜひチャレンジしてみませんか！

まずは市販キットをそのまま利用● 3.1 RF パワーを生み出すインバータ
ワイヤレスで電力を伝送するためにまず必要となるのが RF パワー（高周波電力）です．パワーといっても電池や安定化電源は直流のエネルギーを供給する働きなので，そのままでは RF パワーを取り出せません．
そこで直流を RF に変換する回路を使います．これがRF インバータです．
RF インバータは RF 発振回路とスイッチング・モードの電力増幅回路から構成されます．スイッチング・モードとは，トランジスタ素子を ON/OFF の 2 状態だけで使う動作です．これを実現する回路構成として
D 級/E 級/F 級があります．スイッチング周波数がkHz 帯では D 級，MHz 帯では E 級，GHz 帯では F 級がおもに使われます．入門用としては kHz 帯の D 級
インバータの利用をお勧めします．
自作することも可能ですが，ここでは CQ 出版社から発売されている「ワイヤレス電力給電実験キット
扁平コイル・セット」（以下 WPT 実験キットと呼ぶ）をそのまま利用します．これには約 5 W の電力を取り出せるD級動作で200 kHzのRF電源が含まれています．
● 3.2 RF パワーを空間伝達する扁平コイル・ペアコイルを二つ用意して，それらを互いに近づけます．
その状態で一方のコイルに RF 電流を流すと，他方のコイルに同じ周波数の RF 電圧が発生します．つまり非接触でエネルギーが伝わります．これを「磁界結合No.41

WPT」と呼びます．
コイル間の結合性能を高めるには，結合係数 k にコ
イルの Q ファクタを乗じた「kQ 積」を大きくするこ

DC
12V
入力

扁平送電コイルとが必要条件です．結合係数k は，コイルの大きさや受電回路（RF整流回路）コイル間距離など，幾何的形状で決まります．一方，コイル形状の工夫で連続給電
前節の実験で，ワイヤレス電力伝送によってモータが回ることがわかりました．そうなると実際に走行させたくなります．送電側のコイルをレールに取り付け，

No.41

送電回路
（RF電源）＋−モータへ

kQ 積はコイルに使う導線の RF 電気抵抗が支配要因となります．RF 電気抵抗を低減する導線として「リッツ線」があります．これは髪の毛ほどの細いエナメル線を束ねた撚り線です．
市販のリッツ線を購入して自分でコイルを巻くことも可能ですが，ここでは上述の WPT 実験キットに含まれている扁平コイルをペアでそのまま利用します．
● 3.3 RF パワーを DC パワーへ戻す整流回路
受電コイルで受け取った RF パワーは，そのままではモータを駆動できません．なぜならプラレールに使われているモータが直流モータだからです．そこで
RF を直流に戻す回路を使います．これが RF 整流回路です．
RF 整流回路はダイオードとLC 素子があれば作ることができます．回路構成としては，ダイオードを 1 個だけ使う直列シングル型や並列シングル型，2 個使う倍電圧型や倍電流型，4 個使うブリッジ型があります．
モータのような低い直流抵抗値をもつ負荷を駆動するには倍電流型が適しています．
整流回路を自作することも可能ですが，ここでは上述の WPT 実験キットに含まれている倍電流型整流回路をそのまま利用します．
● 3.4 組み合わせてモータを駆動してみよう
上で述べたように，今回の実験に必要な基本機能はWPT 実験キットにすべて含まれています．さっそくモータを接続してみましょう．接続のようすを写真 1に示します．
二つのコイルを間近に接近させた状態で，送電回路に与える直流電圧を 0 V から徐々に 10 V 程度まで上げていくとモータが回転し始めます．
もしうまくいかない場合は，配線の各接続箇所に接続不良がないかチェックしてください．動作が正常なら，直流電源から数百 mA くらい流れているはずです．
電流が流れていなければ，送電回路周りの接続不良が考えられます．もし電流が流れているのに，モータが回らない時は受電回路の周りを確認してください．落
ち着いて分析すれば原因が見つかります．モータが回転すれば，第 1 段階クリアです．稿末に文献（4）としてあげた動画も参考にしてください．

扁平受電コイル（2）市販のワイヤレス給電実験キット〈 写真 1 〉

受電側のコイルを車両に取り付ければいいですね．
でもちょっと待ってください．ここで一つ問題があります．このコイルは送受どちらも直径 4cm 程度の円形コイルです．発車する時点でこれらを互いに近接配置してあったとしても，車両が走行し始めると，それに伴って二つのコイルが物理的に離れていきます．
そうするとコイル間の磁界結合がだんだん弱くなっていきます．
一体どれくらいの距離まで電力が届くのでしょうか？ 実測してみましょう．モータを回した状態でコイルを遠ざけていき，モータ回転のようすをみることもできます．それでもいいのですが，ここでは本格的RF 計測器であるベクトル・ネットワーク・アナライザ（VNA）を使ってコイル間の結合性能を定量的に調べてみました．
測定中のコイル・ペアを写真 2 に，測定系を写真 3にそれぞれ示します．VNA には ZNB8（ローデ＆シュワルツ社）を使いました．
● 4.1 S パラメータから最大電力伝送効率ηmax を求める
一般に VNA から出力されるのは四つの S パラメー
タです．例えば S 21 はコイル間の伝達係数です．S パ
ラメータは本来，基準インピーダンスを 50Ωとした指標なので，そのままでは使えません．なぜなら，このコイルが 50Ω系で最大性能を発揮するかどうか不明だからです．そこで，S パラメータの測定値を普遍的な性能指標である「最大電力伝送効率」（ηmax）に換算します．換算の流れを以下に示します．
S 11 S 12…………………………………（1）S＝S 21 S 22

I＝

100
1……………………………………（2）

X 11 X 12
R 11 R 12＋j
R 21 R 22
X 21 X 22……………………………………（3）−1）I −S ）＝Z ＝50（I ＋S （kQ ＝R 212＋X 212………………………（4）R 11 R 22 −R 12 R 21131