Automatic coil design for low magnetic field leakage and high power transfer efficiency in wireless power transfer systems

自动线圈设计，可在无线功率传输系统中实现低磁场泄漏和高功率传输效率

基本信息

批准号：
22KJ0953
负责人：
小渕大輔
金额：
$ 1.09万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0953/
关键词：
無線電力伝送無線給電ワイヤレス給電磁界

项目摘要

安全で高効率な無線電力伝送を実現するコイルの自動設計に向けて，送受電コイル同士で漏洩磁界を相殺しつつ効率を最大化する２次元電流分布を，メッシュ状導体を用いて解析し，磁気双極子モーメントに基づき電流分布からコイル形状を抽出することが本研究の目的である．本年度の研究では，a)電磁界シミュレーションによる理論の検証，および，b)金属３Dプリンタを用いたコイル実装を実施した．理論の検証では，提案する漏洩磁界を相殺する理論を電磁界シミュレーションを用いて検証し，最適な電流分布の導出，およびコイル形状の導出に使用できることを確認した．さらに，電磁界シミュレーションの結果に基づき自由空間上において，漏洩磁界相殺可能な送受電器コイル形状と効率最大化可能な送受電器コイル形状を導出した．金属３Dプリンタによる実装では，導出したコイル形状をプリンタに入力可能なファイルに変換するプログラムを作成し，実際にコイルを実装した．漏洩磁界相殺可能なコイルと効率最大化可能なコイルの2種類を，実装したが，2つのコイルは巻き数とコイルサイズ，コイル線径を同じ条件にしているため，それぞれの性能を比較することで，提案するコイルの漏洩磁界や効率を評価することができる．金属３Dプリンタを用いてコイルを作成する上で，コイルの最低線径やコイル全体のサイズといった，設計上の制約条件があることも明らかになった．そうした制約を踏まえたコイル設計を今後実施する予定であり，適切なアプリケーションについても検討する．また，現在，提案するコイル形状の導出手法について論文を執筆中であり，来年度内に論文誌に投稿する予定である．

为了自动设计实现安全、高效无线电力传输的线圈，我们使用网状导体来分析二维电流分布，以最大限度地提高效率，同时消除发射和接收线圈之间的漏磁场。根据磁偶极矩从电流分布中提取线圈形状。在今年的研究中，我们进行了a）使用电磁场模拟验证理论，b）使用金属3D打印机安装线圈。在验证理论时，我们利用电磁场模拟验证了所提出的消除漏磁场的理论，并证实它可以用来推导最佳电流分布和线圈形状。此外，根据电磁场仿真的结果，我们推导出可以消除漏磁场的电力发送器/接收器线圈形状以及可以最大限度地提高自由空间效率的电力发送器/接收器线圈形状。为了使用金属 3D 打印机实现，我们创建了一个程序，将导出的线圈形状转换为可以输入打印机的文件，然后实际安装线圈。我们实现了两种类型的线圈：一种可以消除漏磁场，另一种可以最大限度地提高效率，因为这两种线圈具有相同的匝数、线圈尺寸和线圈线径，因此我们无法比较它们的性能。评估所提出的线圈的漏磁场和效率。很明显，使用金属 3D 打印机创建线圈时存在设计限制，例如线圈的最小线径和线圈的整体尺寸。我们计划将来设计一种考虑到这些限制的线圈，同时也会考虑适当的应用。此外，我们目前正在撰写一篇关于推导线圈形状的拟议方法的论文，并计划在明年将其提交给期刊。