トポロジー最適化によるワイヤレス電力伝送の効率最大化

通过拓扑优化最大限度地提高无线电力传输效率

• 批准号: 22K20431
• 负责人: 大友 佳嗣
• 金额: $ 1.83万
• 依托单位: Nagasaki University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-08-31 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K20431/
• 关键词: ワイヤレス電力伝送; トポロジー最適化; 電力伝送効率; パワエレ回路

申請者らはワイヤレス電力伝送装置の磁気特性に着目したトポロジー最適化法をこれまで開発し，結合係数や漏洩磁界を飛躍的に改善できることを示してきた。しかし，これまで提案してきたトポロジー最適化では，ワイヤレス電力伝送装置の回路特性まで考慮した最適化には至っていなかったため，システム全体の電力伝送効率を改善する観点において課題が残されていた。本研究では，ワイヤレス電力伝送装置の磁気特性および回路特性の双方に着目した送受電コイルのトポロジー最適化法を開発し，電気的および磁気的に高性能なワイヤレス電力伝送装置を実現する。2022年度は上記目的を達成するため，次の研究を実施した。(1)送受電コイルの実製造性を考慮した形状最適化を実現するため，パラメータ最適化とトポロジー最適化を組み合わせる，ハイブリッド最適化法を新たに開発した。(2)磁気特性と回路特性を同時に考慮するための最適化アルゴリズムを新たに構築した。(3)近接効果に起因するコイル巻線の交流抵抗の評価を容易に実現するため，申請者らがこれまでに開発した「均質化有限要素法」を上記の最適化アルゴリズムに導入した。(4)ハイブリッド最適化法により得られる送受電コイル形状の工学的特徴を抽出するため，主成分分析を利用した特徴量抽出のための手法を開発した。また，主成分分析により得られる主要な特徴量に対して局所探索を施し，更なる特性改善を実施する手法を開発した。これら研究成果の一部は既に国内学会において発表しており，提案法により得られた最適形状については現在，特許出願中である。

申请人以前已经开发了一种拓扑优化方法，该方法侧重于无线功率传输设备的磁性特性，表明他们可以显着改善耦合系数和泄漏磁场。但是，我们到目前为止提出的拓扑优化尚未被优化考虑无线电力传输设备的电路特性，因此在提高整个系统的电力传输效率方面仍然存在问题。在这项研究中，我们开发了一种拓扑优化方法，用于电力传输和接收线圈，该方法着重于无线电源传输设备的磁性和电路特性，并实现了电气和磁场中的高性能无线电源传输设备。在2022财年，进行了以下研究以实现上述目标。 （1）为了考虑到功率传输和接收线圈的实际生产性，已经开发了一种新的混合优化方法，结合了参数优化和拓扑优化。 （2）已构建了一种新的优化算法，以同时考虑磁性和电路特性。 （3）为了轻松评估由于接近性效应而引起的线圈绕组的AC电阻，申请人引入了他们迄今为止他们已经开发到上述优化算法中的“均质化有限元法”。 （4）为了提取通过混合优化获得的功率传输和接收线圈形状的工程特征，开发了一种使用主成分分析提取特征数量的方法。此外，已经开发了一种方法来通过对主成分分析获得的主要特征进行本地搜索来进一步改善特征。这些研究结果中的一些已经在日本的学术会议上提出，目前使用所提出的方法获得的最佳形状正在申请专利。

项目成果

磁性体コア，コイル部品，及び非接触給電システム

磁芯、线圈部件和非接触式电力传输系统

• 发表时间: 2023

磁気・回路特性を考慮したワイヤレス電力伝送用送受電コイルのパラメータ・トポロジー最適化

考虑磁和电路特性的无线电力传输功率发射和接收线圈的参数和拓扑优化

• 发表时间: 2023
• 作者: 安岡慎之介; 大田怜佳; 岡本一輝; 石濱圭佑; 清水荘雄; 角嶋邦之; 上原雅人; 山田浩志; 秋山守人; 小金澤智之; L. S. Kumara;O. Seo; 坂田修身; 舟窪浩;大友 佳嗣，佐藤 一樹，小野坂 健，五十嵐 一
• 通讯作者: 大友 佳嗣，佐藤 一樹，小野坂 健，五十嵐 一