共振器結合型高Q値コイルの開発と無線電力伝送への応用

谐振器耦合高Q值线圈的开发及其在无线电力传输中的应用

• 批准号: 21K04021
• 负责人: 關谷 尚人
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: University of Yamanashi
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04021/
• 关键词: ワイヤレス電力伝送; 高Q値; 超伝導線材

【目的】高周波で低損失を実現できる独自開発した高周波用超伝導線材を用いて同一周波数の４つのコイルから構成される共振器結合型コイルを実現することで，RF磁場の均一性が高く，２軸のRF磁場を発生できる高Q値送電コイルを開発し，それを用いてカプセル内視鏡を想定した小型受電コイルにワイヤレス電力伝送（WPT: Wireless Power Transfer）を行い従来技術では実現できない飛躍的な伝送効率の向上を目指す．【本研究の意義】WPTの伝送効率が向上すれば，カプセル内視鏡に撮影及び撮影した画像を体外へ送信する通信機能の他に，自走機能や診断・治療機能を新たに付加できる可能性があり，体を大きく傷つけることなく診断や治療が行える革新的な低侵襲診断・治療ロボットの実現が期待される．【2022年度実施内容】小型受電コイルへのWPTの設計を行う．例えば，送電コイル（Q = 20,000）と受電コイル（Q = 100）のQ値の差が著しく大きく，なおかつ一方のQ値が非常に小さいWPTの設計には従来のフィルタの設計理論を適用した最適化が行えない．特に受電側は体内にあるため，整合条件を変更することは容易ではない．そこで，受電側の整合条件を変えることなく伝送効率を最大にする方法を検討する．（予定では共振器結合型コイルの作製と評価を2022年度に実施予定であったが，ロシアとウクライナの戦争により超伝導線材の調達が難航したため，2023年度実施内容を前倒して実施した．）【2022年度実施結果】回路解析の結果，受電コイルと負荷側のループコイルとの結合を非常に強くしておくことで，送電コイルの電源側のループコイルとの結合を調整するだけで伝送効率を最大化できることを明らかにした．

[目的] 通过使用可实现高频低损耗的专有高频超导线实现由四个相同频率线圈组成的谐振器耦合线圈，我们开发了高Q值的RF磁场。我们开发了能够产生双轴射频磁场的电力传输线圈，并利用它对胶囊内窥镜用小型电力接收线圈进行无线电力传输（WPT），实现了传统技术无法实现的突破。以提高传输效率。 [本研究的意义] 如果提高WPT的传输效率，除了在体外拍摄和传输图像的通信功能之外，还可以为胶囊内窥镜添加自推进功能和诊断/治疗功能。希望能够实现一种创新的微创诊断/治疗机器人，能够在不对身体造成重大损伤的情况下进行诊断和治疗。 [2022年实施的内容] 设计小型电力接收线圈的WPT。例如，当设计一个 WPT 时，发射线圈（Q = 20,000）和接收线圈（Q = 100）之间的 Q 值差异极大，而其中一个线圈的 Q 值极小，则无法应用传统滤波器设计理论的最优滤波器设计方法。特别是，由于受电侧位于本体内，因此不容易改变匹配条件。因此，我们会考虑一种在不改变接收端匹配条件的情况下最大化传输效率的方法。 （原计划在2022年制造和评估谐振器耦合线圈，但由于俄罗斯和乌克兰之间的战争导致超导线材采购困难，该项目从2023年推迟。） 2022年[结果] 电路分析结果表明，通过使接收线圈与负载侧环形线圈之间的耦合很强，只需调整发射线圈与负载侧环形线圈之间的耦合即可使传输效率最大化。电源方面已经很明显了。

项目成果

高周波用超伝導線材の開発とそれを用いた高Q値コイルによる高効率ワイヤレス電力伝送

使用高Q值线圈开发用于高频高效无线电力传输的超导线材

• 发表时间: 2022
• 作者: Komanaka Ayano;Zhu Wenqi;Wei Xiuqin;Nguyen Kien;Sekiya Hiroo;關谷尚人
• 通讯作者: 關谷尚人

Superconducting wireless power transfer system for capsule endoscopy

用于胶囊内窥镜检查的超导无线电力传输系统

• 发表时间: 2022
• 作者: N. Sekiya;K. Sakuma
• 通讯作者: K. Sakuma

三次元ワイヤレス電力伝送のための複数コイルの結合を用いた送電コイルの設計

利用多线圈耦合进行三维无线电力传输的电力传输线圈设计

• 发表时间: 2022
• 作者: Kawai Yusuke;Yokokura Yuki;Ohishi Kiyoshi;Shinozaki Taiga;作間啓太・池谷 光・關谷尚人
• 通讯作者: 作間啓太・池谷 光・關谷尚人

Wireless Power Transfer System Using High-Quality Factor Superconducting Transmitting Coil for Biomedical Capsule Endoscopy

• DOI: 10.1109/tasc.2023.3256346
• 发表时间: 2023
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity
• 影响因子: 1.8
• 作者: N. Sekiya;N. Oshimoto;Kai Ebihara;Takanori Uchida;K. Sakuma;S. Ono

複数コイルの結合による様々な磁界分布を利用した「いつでもどこでもWPT」

利用多个线圈耦合产生的各种磁场分布的“随时随地 WPT”

• 发表时间: 2021
• 作者: Yutaro Komiyama;Wenqi Zhu;Xiuqin Wei;Kien Nguyen;and Hiroo Sekiya;作間啓太，關谷尚人，池谷光
• 通讯作者: 作間啓太，關谷尚人，池谷光