JP7236717B2 - Antenna coil design method and its program - Google Patents
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Description
本発明は、無線給電に関し、特にアンテナコイルの設計技術に関する。 The present invention relates to wireless power supply, and more particularly to antenna coil design technology.
無線電力伝送は近傍界型と遠方界型に大別することができる。近傍界型は、磁界や電界を介して送電側と受電側を結びつけることで電力を送る手法であり、大きな電力を高効率で伝送することが可能であるが、伝送距離が短い。一方、遠方界型は、電磁波として飛ばしたエネルギーをアンテナで捕捉・整流することで電力を受け取る手法であり、長距離の伝送が可能であるが、伝送効率は低い。 Wireless power transmission can be broadly classified into a near-field type and a far-field type. The near-field type is a method of transmitting power by connecting the power transmitting side and the power receiving side via a magnetic field or an electric field, and it is possible to transmit a large amount of power with high efficiency, but the transmission distance is short. On the other hand, the far-field type is a method of receiving power by capturing and rectifying the energy emitted as electromagnetic waves with an antenna, and although long-distance transmission is possible, the transmission efficiency is low.
家電機器やスマートフォン、電気自動車への給電を行う場合、数十Wから数kWという比較的大きな電力が必要なため、近傍界方式である、電磁誘導方式、もしくは磁界共振結合型が用いられる。 When power is supplied to home electric appliances, smartphones, and electric vehicles, relatively large power of several tens of W to several kW is required, so near-field systems such as electromagnetic induction or magnetic resonance coupling are used.
電磁誘導型については、2008年に国際標準規格を策定する業界団体であるWireless Power Consortium(WPC)が立ち上げられ、2010年には非接触給電として初の国際規格であるQiが策定された。策定された当初は5W以下の小電力をサポートするものであったが、2015年には15Wまでサポートする規格が制定された。また現在では、WPCに続く標準化団体であるAirFuelAllianceが最大50Wの規格を制定している。しかし、電磁誘導型は伝送距離は数cmに限られ、位置ずれに弱いという特徴のため、無線電力伝送というよりは電源端末の非接触化としての意味合いが強い。 As for the electromagnetic induction type, in 2008, the Wireless Power Consortium (WPC), an industry group that formulates international standards, was launched, and in 2010, Qi, which is the first international standard for contactless power supply, was formulated. Initially, the standard was designed to support low power of 5 W or less, but in 2015, a standard supporting up to 15 W was enacted. Also, at present, AirFuelAlliance, a standardization organization following WPC, has established a maximum 50W standard. However, the electromagnetic induction type has a characteristic that the transmission distance is limited to several centimeters and is vulnerable to positional deviation, so it is more meaningful as a contactless power supply terminal rather than as a wireless power transmission.
一方、磁界共振結合型は、中距離かつ高効率な伝送、位置ズレへの耐性、中継コイルによる簡易な伝送距離の拡大などの特徴を有しており、電磁誘導型の問題を解決している。 On the other hand, the magnetic resonance coupling type has features such as medium-range and high-efficiency transmission, resistance to misalignment, and simple extension of the transmission distance using a repeater coil, solving the problems of the electromagnetic induction type. .
磁界共振結合型無線力伝送方式は、2007年にマサチューセッツ工科大学の研究グループから発表され、1~2mの距離において伝送効率50%以上を実現している(非特許文献1)。ここで、磁界共振結合型の基本的な原理について述べる。図1は、磁界共振結合型の無線給電システムのブロック図である。無線給電システム2は、送電装置(power transmitter)10と受電装置(power receiver)20を備える。送電装置10と受電装置20の間には、電力を中継する中継器が設けられる場合もある。
A magnetic resonance coupling type wireless force transmission system was announced by a research group at the Massachusetts Institute of Technology in 2007, and has achieved a transmission efficiency of 50% or more at a distance of 1 to 2 m (Non-Patent Document 1). Here, the basic principle of the magnetic resonance coupling type will be described. FIG. 1 is a block diagram of a magnetic resonance coupling type wireless power feeding system. The wireless
送電装置10は、送電コイルLTX,共振用キャパシタCTXおよび駆動回路12を備える。駆動回路12は、電磁誘導方式の原理と同様、送電側のコイルLTXに交流電流を流して励振することによって磁界が発生させ、その磁界を受電コイルLRXで取り込むことで電流を誘起し、電力を伝達する。
The
受電装置20は、受電コイルLRX、共振用キャパシタCRXおよび負荷22を備える。負荷22は、受電コイルLRXに流れる交流電流を整流する整流回路などを含む。
The
共振結合型の無線電力伝送は、近接電磁場を送受信の共振器で共振させ、エネルギー伝送を行う。特に、磁界を共振させる磁界共振結合型は、中距離かつ高効率な伝送、位置ズレへの耐性、中継コイルによる簡易な伝送距離の拡大などの特徴を有し、実用化に向けて研究開発が盛んに行われている。磁界共振結合型は様々なアプリケーションへの応用が期待されている。 Resonance-coupling type wireless power transmission resonates a near-field electromagnetic field in a transmitting/receiving resonator to transmit energy. In particular, the magnetic resonance coupling type that resonates the magnetic field has characteristics such as medium-range and high-efficiency transmission, resistance to positional deviation, and simple extension of the transmission distance using a repeater coil. It is actively carried out. The magnetic resonance coupling type is expected to be applied to various applications.
図2(a)、(b)は、無線給電システム2の等価回路図である。図2(a)に示すように、送電コイルLTXと受電コイルLRXは、相互インダクタンスLMで結合している。このような送受電コイルのペアは、図2(b)に示すようにT型等価回路で表されることが知られている。図2(b)の等価回路解析から、無線電力の最大伝送効率ηmaxは、結合係数kと品質係数Qの積を用いて式(1)で表される。
図3は、k2Q1Q2をパラメータとした最大効率を示す図である。図3からわかるように、最大効率はkQについて単調に増加であるため、結合係数kもしくは品質係数Qは共振器の性能指標として用いられる。磁界共振方式は共振はこの品質係数Q値を高めることによって効率を改善していると理解できる。 FIG. 3 is a diagram showing the maximum efficiency with k 2 Q 1 Q 2 as a parameter. As can be seen from FIG. 3, the maximum efficiency increases monotonically with kQ, so either the coupling factor k or the quality factor Q is used as a performance indicator of the resonator. It can be understood that the magnetic resonance method improves efficiency by increasing the quality factor Q value.
従来では、実環境下で用いられる共振器の設計は、経験に頼ったものであり、カットアンドトライによる最適化が必要とされている。これは、伝送効率が共振器の形状、サイズ、巻き数、ピッチなど無数のパラメータに依存することに加え、共振器周辺には受電機器の金属片や電子部品が存在し、周辺物質における損失が生じるためである。したがって共振器の設計を行う際には、これらの動作環境に十分注意を払いパラメータの調整を行っており、設計コストが高くなるという問題があった。 Conventionally, the design of a resonator used in a real environment relies on experience and requires optimization by cut-and-try. In addition to the fact that the transmission efficiency depends on countless parameters such as the shape, size, number of turns, and pitch of the resonator, there are metal pieces and electronic parts of the power receiving device around the resonator, and loss in the surrounding materials is high. for it arises. Therefore, when designing a resonator, sufficient attention is paid to these operating environments and the parameters are adjusted, resulting in a problem of high design costs.
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、アンテナコイル設計時の試行錯誤的な設計の労力を軽減する技術の提供にある。 The present invention has been made in such a situation, and one of the exemplary purposes of certain aspects thereof is to provide a technique for reducing trial and error design effort when designing an antenna coil.
本発明のある態様は、アンテナコイルの設計方法に関する。アンテナコイルの設計方法は、対を成すアンテナコイルを含む周囲環境をモデル化するステップと、設計対象のアンテナを配置すべき空間を複数のメッシュに区切り、モデル化された周辺環境における各メッシュの最適な電流量を計算するステップと、複数のメッシュの電流分布から設計対象のアンテナコイルの形状を取得するステップと、を備える。 One aspect of the present invention relates to a method of designing an antenna coil. The antenna coil design method includes the step of modeling the surrounding environment including the paired antenna coils, dividing the space in which the antenna to be designed should be placed into a plurality of meshes, and determining the optimality of each mesh in the modeled surrounding environment. and obtaining the shape of the antenna coil to be designed from the current distributions of a plurality of meshes.
本発明の別の態様は、アンテナコイルの設計方法である。アンテナコイルの設計方法は、対を成すアンテナコイルを含む周囲環境をモデル化するステップと、設計対象のアンテナを配置すべき空間を複数のメッシュに区切り、モデル化された周辺環境における各メッシュの最適な磁気双極子モーメントを計算するステップと、複数のメッシュの磁気双極子モーメントの分布の等高線を取得するステップと、等高線にもとづいてアンテナコイルの形状を取得するステップと、を備える。 Another aspect of the present invention is a method of designing an antenna coil. The antenna coil design method includes the step of modeling the surrounding environment including the paired antenna coils, dividing the space in which the antenna to be designed should be placed into a plurality of meshes, and determining the optimality of each mesh in the modeled surrounding environment. obtaining contours of the distribution of the magnetic dipole moments of the plurality of meshes; and obtaining the shape of the antenna coil based on the contours.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Any combination of the above constituent elements, and any conversion of the expressions of the present invention into devices, methods, systems, recording media, computer programs, etc. are also effective as embodiments of the present invention.
本発明によれば、アンテナ設計を容易化できる。
を提供できる。
According to the present invention, antenna design can be facilitated.
can provide
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplication of description will be omitted as appropriate. Moreover, the embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and not all features and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the invention.
1. 概要
図1に示すように、無線給電システム2は、送電装置10および受電装置20を含む共振器を形成している。本実施の形態では、この共振器を形成するアンテナコイル(以下、単にコイルともいう)の自動設計方法について説明する。自動設計対象のコイルL1は、送電コイルLTXおよび受電コイルLRXの一方であり、他方(対をなすアンテナコイルL2)の形状などの情報を既知であるとする。
1. Overview As shown in FIG. 1 , the wireless
図4は、アンテナコイルの自動設計方法のフローチャートである。この設計方法は、ソフトウェアプログラムによって具現化され、ソフトウェアプログラムは、コンピュータのメモリにロードされ、コンピュータ(具体的にはCPU)に、フローチャートに示される各処理を実行させる。 FIG. 4 is a flow chart of an automatic antenna coil design method. This design method is embodied by a software program, which is loaded into the computer's memory and causes the computer (specifically, the CPU) to execute each process shown in the flowchart.
はじめに、対をなすコイルL2を含む周辺環境をモデル化する(S100)。周辺環境には、アンテナコイルL2のほか、アンテナコイルL2および設計対象のコイルL1の周辺に存在する金属や誘電体のさまざまな部品などを含む。たとえば、アンテナコイルL1,L2が空間に露出していることは希であり、通常は誘電体のカバーで覆われており、この場合、周辺環境は、このカバーを含む。 First, the surrounding environment including the paired coil L2 is modeled (S100). The surrounding environment includes, in addition to the antenna coil L2, various metal and dielectric parts existing around the antenna coil L2 and the coil L1 to be designed. For example, the antenna coils L1, L2 are rarely exposed to space and are usually covered with a dielectric cover, in which case the surrounding environment includes this cover.
続いて、設計対象のコイルL1を配置すべき空間を複数のメッシュに区切り、モデル化された周辺環境における各メッシュの最適な電流量を計算する(S102)。空間は、2次元平面であってもよいし、3次元空間であってもよい。 Subsequently, the space in which the coil L1 to be designed should be arranged is divided into a plurality of meshes, and the optimum current amount for each mesh in the modeled surrounding environment is calculated (S102). The space may be a two-dimensional plane or a three-dimensional space.
続いて、複数のメッシュの電流分布から設計対象のコイルL1の形状を取得する(S104)。 Subsequently, the shape of the coil L1 to be designed is acquired from the current distributions of a plurality of meshes (S104).
以上が実施の形態に係るアンテナコイルの設計方法の概要である。以下、この設計方法についてより具体的に説明する。 The above is the outline of the design method of the antenna coil according to the embodiment. This design method will be described in more detail below.
2. 周辺環境のモデル化と導体メッシュの導入
アンテナコイルの自動設計を行う際には、アンテナコイルを組み込む物理的位置とその周辺に存在する物質の3次元形状および材質、それに加え、ペアとなるアンテナコイルの形状を所与とし、アンテナコイルを組み込む物理位置において効率が最大となる電流分布を導出する。ここでペアとなる共振器とは、設計対象が送電コイル(受電コイル)であれば受電コイル(送電コイル)のことを指す。
2. Modeling the Surrounding Environment and Introducing a Conductor Mesh When automatically designing an antenna coil, it is important to consider the physical location of the antenna coil, the three-dimensional shape and material of the material around it, and the paired antenna coils. Given the shape of , we derive the current distribution that maximizes the efficiency at the physical location where the antenna coil is installed. Here, the paired resonator means a power receiving coil (power transmitting coil) if the object of design is a power transmitting coil (power receiving coil).
本実施の形態において、効率は電力効率によって定義するが、RFインバータおよび整流回路での損失は考慮せず、コイル間結合および周辺物質における損失に基づいて解析する。 In the present embodiment, efficiency is defined by power efficiency, but analysis is based on losses in inter-coil coupling and surrounding materials without considering losses in the RF inverter and rectifier circuit.
図5は、細分化された導体メッシュを説明する図である。設計対象となるアンテナコイルL1は、対となるアンテナコイルL2と対向する位置に設けられる。ここでは対をなすアンテナコイルL1を巻数1のループコイルとして簡略化して示す。設計対象となるアンテナコイルL1を組み込むべき空間30は、複数のメッシュに分割される。この例では、空間30は厚さが無視できる平面であり、図中、アンテナのコイル面と直交する方向の電流成分は存在しないものとして扱う。効率が最大となる電流分布を導出する際、この平面30に、導体面と近似できるほど細分化された導体メッシュ32を想定する。導体メッシュ32のサイズは、計算量と、要求される計算精度等を考慮して決めればよく、たとえば、100x100、50x50、10×10のマトリクス状に配置される。なおメッシュは正方形に限定されず、アンテナコイルを設定する領域の形状に応じて、長方形に設定してもよく、したがって50×100などのマトリクス状の導体メッシュを採用することもできる。
FIG. 5 is a diagram illustrating a subdivided conductor mesh. The antenna coil L1 to be designed is provided at a position facing the paired antenna coil L2. Here, the paired antenna coil L1 is simply shown as a loop coil with one turn. A
3. 電流分布の導出
電流分布の導出に際しては、導体メッシュ32の各ループに流れる円電流Iiを考える。そして、効率が最大となる各円電流Iiの値を計算することで、効率が最大となる電流分布を得られる。
3. Derivation of Current Distribution In deriving the current distribution, a circular current I i flowing in each loop of the
図6は、設計対象の無線給電システムのモデルを示す図である。ループの数をNとすると、N個の円電流I1~INはN個のループコイルと捉えられる。このときペアとなる共振器を含めると、N+1ポートの回路網として考えることができる。ゆえに、電磁界シミュレーションまたは等価回路解析などを用いてN+1ポートのZ行列を計算し、これを用いて最適な電流分布を算出する。 FIG. 6 is a diagram showing a model of a wireless power supply system to be designed. If the number of loops is N, N circular currents I 1 to I N can be regarded as N loop coils. At this time, including the paired resonators, it can be considered as a network of N+1 ports. Therefore, electromagnetic field simulation, equivalent circuit analysis, or the like is used to calculate the Z-matrix of the N+1 port, and using this, the optimum current distribution is calculated.
V=Z・I
V={v1,v2,…vN+1}
I={I1,I2,…IN+1}
V=Z・I
V={ v1 , v2 ,... vN+1 }
I={I 1 , I 2 , . . . I N+1 }
ここで、ループ電流により生じる電磁界と周辺物質との間に相互作用が生じる場合、それは導体メッシュ中のインピーダンスの変化、つまり、Z行列の変化として観測することが可能である。 Here, when an interaction occurs between the electromagnetic field generated by the loop current and the surrounding matter, it can be observed as a change in impedance in the conductor mesh, that is, a change in the Z matrix.
独立したN個の送電側のアンテナコイルと、ペアとなるひとつの受電側のアンテナコイルにおいて、効率を最大化するN個のループコイルの電流分布は、MISO(Multiple-Input Single-Output)システムにおける効率最大化問題として扱うことができ、その解は既知である(非特許文献2)。Z行列の実数成分の行列R(R=Re[Z])が半正定値であることから、効率を最大化する電流の導出を凸最適化問題に帰着させている。 The current distribution of N loop coils that maximizes the efficiency of independent N antenna coils on the transmitting side and one paired antenna coil on the receiving side is It can be treated as an efficiency maximization problem, and its solution is known (Non-Patent Document 2). Since the real component matrix R (R=Re[Z]) of the Z matrix is positive semidefinite, the derivation of the current that maximizes the efficiency is reduced to a convex optimization problem.
本実施の形態における導体メッシュに関しても、行列Rが半正定値であれば、MISOシステムと同様に効率が最大となる電流分布を導出することができる。導体メッシュとMISOシステムの差異は、前者が隣り合うループ間で導体を共有しているのに対して、後者がそうでない点である。図7は、導体を共有することによるZ行列への影響を説明する図である。ループiと隣り合うループjの両方に含まれているインピーダンスzは、共有する辺を流れる電流の向きが逆であることから、-zとしてZに組み込むこととなる。その結果、導体メッシュの行列Rは以下の式で表される。
任意の実ベクトルIに対して式(4)が成立するため、行列Rは半正定値である。つまり、導体メッシュにおける効率を最大化するループコイルの電流分布はMISOシステムにおける効率最大化問題と同様に解を得ることができる。 Since equation (4) holds for any real vector I, the matrix R is positive semidefinite. Thus, the efficiency maximizing loop coil current distribution in the conductor mesh can be solved similarly to the efficiency maximization problem in the MISO system.
4. 電流分布導出の例
初期検討として、100x100の導体メッシュを想定し、各ループを構成する1辺の抵抗値をr、各ループと受電共振器間の相互インダクタンスがMで一定という条件の下で電流分布を導出する。ここで相互インダクタンスが一定であるということは、受電共振器が生じる磁界分布が均一であるということを意味している。
4. Example of current distribution derivation As an initial study, assuming a 100x100 conductor mesh, the current Derive the distribution. Here, constant mutual inductance means that the magnetic field distribution generated by the power receiving resonator is uniform.
図8は、導出した電流分布の一例を示す図である。ここで横方向については正(負)の値は右(左)向きを表し、縦方向の正(負)の値は上(下)方向を表している。 FIG. 8 is a diagram showing an example of the derived current distribution. Here, a positive (negative) value for the horizontal direction indicates the right (left) direction, and a positive (negative) value for the vertical direction indicates the upward (downward) direction.
5. 磁気双極子モーメントによるアンテナコイルの形状の導出
図8に示されるような電流分布を再現するアンテナコイルの形状の導出について説明する。各電流ループの導出された電流分布は各ループ間で離散的な値をとるため、与えられた電流分布を一つのコイルによって直接再現することは困難である。そこで、磁界共振結合型の基本原理が電磁誘導型と同様、電流が生み出す磁界を介している点に注目し、各ループが生み出す磁界を再現するように共振器を設計する。
5. Derivation of Shape of Antenna Coil by Magnetic Dipole Moment Derivation of the shape of an antenna coil that reproduces the current distribution as shown in FIG. 8 will be described. Since the derived current distribution of each current loop takes discrete values between each loop, it is difficult to directly reproduce the given current distribution by one coil. Therefore, focusing on the fact that the basic principle of the magnetic resonance coupling type is through the magnetic field generated by the current, as with the electromagnetic induction type, the resonator is designed so as to reproduce the magnetic field generated by each loop.
位置rにおける磁界は、磁気双極子モーメントを用いて表現することが可能である。磁気双極子モーメントmとは、磁荷の大きさがqmで等しい正負の磁極対を仮定し、負の磁荷から正の磁荷を向き、磁極間の距離dの大きさを持つベクトルdを用いて、式(4)として定義される。 The magnetic field at position r can be expressed using a magnetic dipole moment. The magnetic dipole moment m is a vector d is defined as equation (4).
磁界B(r)は磁気双極子モーメントを用いて式(5)で表される。
実際には、単独で存在する磁極は見出されておらず、磁気双極子モーメントmは、位置rでの電流密度Je(r)によって式(6)で定義され、式(4)と同値である。
ここで、r’は原点から電流が存在する領域までの位置ベクトル、Vは、電流が分布する領域である。以上から、導体メッシュの各ループが生み出す磁気双極子モーメント求め、再現することで電流分布による磁界を生み出すことができる。電流ループによって囲まれる領域の磁気双極子モーメントは式(6)によって定義されたが、それぞれの磁気双極子モーメントを再現するため、ループをさらに微小なループに分割した際の各微小領域の持つ磁気双極子モーメントについて考える。 Here, r' is the position vector from the origin to the area where the current exists, and V is the area where the current is distributed. From the above, the magnetic dipole moment generated by each loop of the conductor mesh can be obtained and reproduced to generate the magnetic field due to the current distribution. The magnetic dipole moment of the region surrounded by the current loop was defined by Equation (6). Consider the dipole moment.
図9は、微小領域の磁気双極子モーメントを説明する図である。導電電流Iが流れる閉ループCを囲まれた面を面積ΔSiの無数の微小面積に分割し、全ての微小ループに同じ電流Iを仮想的に流したとする。各微小ループは、モーメントmi=μ0IΔSiを持つ磁気双極子に置き換えることができる。 FIG. 9 is a diagram explaining the magnetic dipole moment of a minute region. Suppose that the surface surrounding the closed loop C through which the conductive current I flows is divided into infinitely small areas of area ΔSi , and the same current I is virtually passed through all the small loops. Each microloop can be replaced by a magnetic dipole with moment m i =μ 0 IΔS i .
微小ループの隣り合う電流は互いに打ち消しあって、全体としては閉ループCに流れる電流だけが残り、各微小ループの持つ磁気双極子モーメントの和は元々のループCにおける磁気双極子モーメントと一致する。 Adjacent currents in the micro loops cancel each other out, leaving only the current flowing in the closed loop C as a whole, and the sum of the magnetic dipole moments possessed by each micro loop matches the original magnetic dipole moment in the loop C.
つまり、同じ大きさの磁気双極子モーメントを持つループは、それらを囲ったひとつのループに適当な電流を流すことで、まとめて再現することが可能であり、その際の電流は、領域の面積と各ループの磁気双極子モーメントの大きさの関係から、式(7)と求めることができる。
ここで、Siはループが囲う領域の面積、miは囲まれた領域内のループが生み出す磁気双極子モーメントの大きさ、μ0は真空の透磁率を表す。 Here, Si is the area of the region enclosed by the loops, mi is the magnitude of the magnetic dipole moment produced by the loops in the enclosed region, and µ0 is the magnetic permeability of vacuum.
図10は、図8の電流分布から導出される磁気双極子モーメントの分布の一例を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing an example of distribution of magnetic dipole moments derived from the current distribution of FIG.
6. アンテナコイルの形状の導出
本実施の形態では、磁気双極子モーメントの分布の等高線を利用することで、共振器の外形を提示する。なお、等高線は|mmax|/n巻数ごとに引く。mmaxは、磁気双極子モーメントの最大値である。
6. Derivation of Shape of Antenna Coil In this embodiment, contours of the distribution of magnetic dipole moments are used to present the shape of the resonator. Contour lines are drawn every |m max |/n number of turns . m max is the maximum value of the magnetic dipole moment.
図11(a)、(b)は、図10の磁気双極子モーメントの分布から得られるアンテナコイルの形状の一例を示す図である。ここでは100x100の導体メッシュの電流分布について、磁気双極子モーメントの等高線を用いて、アンテナコイルの概形決定を行っており、コイルの巻数は5としている。図10(a)に示すように、アンテナコイルの形状は、等高線に沿うように規定すればよいが、すべてのアンテナコイルに流れる電流が同一であることを前提としているから、最終的にアンテナコイルは、図10(b)に示すように、1本の導体として設計することができる。 11(a) and 11(b) are diagrams showing an example of the shape of the antenna coil obtained from the magnetic dipole moment distribution of FIG. Here, for the current distribution of a 100×100 conductor mesh, contours of the magnetic dipole moment are used to determine the approximate shape of the antenna coil, and the number of turns of the coil is set to 5. As shown in FIG. 10(a), the shape of the antenna coil may be specified along the contour lines. can be designed as a single conductor, as shown in FIG. 10(b).
7. 伝送効率の検証
本設計方法により導出されたアンテナコイルの形状と、一般的に効率が高いとされるコイル形状の伝送効率について比較する。ここではkQ積によって伝送効率を比較する。
7. Verification of Transmission Efficiency The shape of the antenna coil derived by this design method is compared with the transmission efficiency of the coil shape, which is generally considered to be highly efficient. Here, the transmission efficiency is compared by the kQ product.
送電装置10と受電装置20の等価回路からkQ積を求め、kQ積によって効率の改善を確認する。図12(a)、(b)は、複数の送信側共振器を備える無線給電システム2の等価回路図である。kQ積を求める際、図12(b)に示されるように、送信側の多数の共振器を一つの共振器としてまとめる。各微小ループでの、電流の比率をSi=Ii/Imaxとして定義すると、一つにまとめた際の抵抗成分rtotalは共振器アレイによって生じる損失成分に基づいて、式(8)で表される。
その結果、一つにまとめられた送電側の共振器と受電側の共振器のkQ積は式(10)となる。
本手法の有用性を確認するため、一般に効率が高いとされる外側に巻線を集中させたアンテナコイルと本手法によって提示されたアンテナコイルについて比較を行った。巻数を5に固定し、導体メッシュの数を10x10,50x50,100x100と変化させた場合のkQ積の比をとった結果、それぞれ1.24,1.93,3.30となり、いずれのメッシュ数においても、本設計方法による共振器の方がkQ積が高くなった。また、メッシュ数を増やすほど、kQ積の改善量は大きくなることがわかる。 In order to confirm the usefulness of this method, we compared the antenna coil proposed by this method with the antenna coil in which the windings are concentrated on the outer side, which is generally considered to be highly efficient. When the number of turns is fixed to 5 and the number of conductor meshes is changed to 10x10, 50x50, and 100x100, the ratio of kQ products is 1.24, 1.93, and 3.30, respectively. , the kQ product of the resonator according to this design method is higher. Also, it can be seen that as the number of meshes increases, the amount of improvement in the kQ product increases.
また、メッシュ数を100x100に固定し、巻き数を3,5,7と変化させた場合においても、それぞれ5.18,3.30,2.51となり本設計方法による共振器の方がkQ積が高くなり、効率の改善を確認できた。 Also, when the number of meshes is fixed at 100x100 and the number of turns is changed to 3, 5, and 7, the kQ products of the resonator according to this design method are 5.18, 3.30, and 2.51, respectively. increased, and an improvement in efficiency was confirmed.
8. 分散リアクタンス補償
アンテナの物理形状は周波数により制限される。この認識は放射型のアンテナのみならず、磁界共振結合型無線電力伝送で用いる共振器に対しても同様である。動作周波数が高く、また、共振器形状が大きくなると、電流分布に偏りが生じ、ときには共振器内部で電流の向きが逆転する。その際、共振器内で磁界が相殺されることにより、共振器の性能指標であるQ値の低下に直結する。
8. Distributed Reactance Compensation The physical geometry of an antenna is limited by frequency. This recognition applies not only to radiation antennas but also to resonators used in magnetic resonance coupling type wireless power transmission. When the operating frequency is high and the shape of the resonator is large, the current distribution becomes uneven, and sometimes the direction of the current inside the resonator is reversed. At that time, the magnetic field is canceled in the resonator, which directly leads to a decrease in the Q value, which is a performance index of the resonator.
共振器設計のパラメータ調整がいまだ試行錯誤的に行われている一因も電流分布の不均一性にある。本設計方法においても、1本の導体(アンテナコイル)に流れる電流は、均一であることを前提としたものである。ゆえに、適用できる共振器形状は電気的に小型とみなせる範囲に制限される可能性がある。もし、電流分布の不均一性を改善できれば、本設計方法の適用範囲は格段に拡大される。 Non-uniformity of current distribution is one of the reasons why resonator design parameters are still adjusted on a trial-and-error basis. This design method is also based on the premise that the current flowing through one conductor (antenna coil) is uniform. Therefore, the applicable resonator shape may be limited to a range that can be regarded as electrically compact. If the non-uniformity of the current distribution can be improved, the scope of application of this design method will be greatly expanded.
電流分布の不均一性は、アンテナコイルである導線を一種の伝送線路とした際に、線路間に存在する寄生キャパシタに電荷が蓄えられることに起因する。図13(a)、(b)は、損失ありおよび無損失の伝送回路の等価回路図である。単位長あたりのインダクタンスをL、単位長あたりの容量をC、LとCに付随した損失成分をそれぞれRとGとする。RとGが十分小さいとみなせる場合には、図13(b)に示すように、無損失線路となる。 The non-uniformity of the current distribution is caused by the accumulation of electric charge in parasitic capacitors existing between lines when the conducting wire, which is the antenna coil, is used as a kind of transmission line. 13(a) and 13(b) are equivalent circuit diagrams of lossy and lossless transmission circuits. Let L be the inductance per unit length, C be the capacitance per unit length, and R and G be the loss components associated with L and C, respectively. If R and G can be regarded as sufficiently small, the line becomes a lossless line as shown in FIG. 13(b).
本発明者らは、分散リアクタンス補償(DRC:Distributed Reacquantance Compensation)について提案している(非特許文献3)。この分散リアクタンス補償は、もともと、入力ポートだけでなくアンテナコイル中にリアクタンス補償のキャパシタを挿入することで、アンテナコイル周辺の磁界強度を弱め、誘電体損失を低減する技術として提案したものである。 The present inventors have proposed Distributed Reactance Compensation (DRC) (Non-Patent Document 3). This distributed reactance compensation was originally proposed as a technology to weaken the magnetic field strength around the antenna coil and reduce dielectric loss by inserting a reactance compensation capacitor not only in the input port but also in the antenna coil.
従来の集中リアクタンス補償(CRC: Concentrated ReacquantanceCompensation)とは異なり、分散リアクタンス補償では、アンテナコイル内に多数のキャパシタンスを挿入することで、コイル内で共振状態を実現し、線路間での電圧差を低減させ、寄生キャパシタに蓄えられる電荷が減少させている。 Unlike conventional concentrated reactance compensation (CRC), distributed reactance compensation inserts a large number of capacitances in the antenna coil to achieve a resonant state within the coil and reduce the voltage difference between lines. and the charge stored in the parasitic capacitor is reduced.
本発明者らは、分散リアクタンス補償により、誘電体損失の低減のみでなく、アンテナコイルの電流分布の均一化される現象を見いだした。なおこの現象を公知技術とみなしてはならない。 The present inventors have discovered a phenomenon that not only the dielectric loss is reduced but also the current distribution of the antenna coil is made uniform by the distributed reactance compensation. This phenomenon should not be regarded as a known technique.
図14は、分散リアクタンス補償を説明する等価回路図である。アンテナコイルは、複数の要素に分割され、それらの間に補償用のキャパシタが挿入されている。 FIG. 14 is an equivalent circuit diagram illustrating dispersion reactance compensation. The antenna coil is divided into a plurality of elements with compensating capacitors inserted between them.
図15(a)~(d)は、分散リアクタンス補償による電流分布のシミュレーション結果を示す図である。動作周波数6.78MHzにおける直径5mのループコイルの電流分布を電磁界シミュレーションにより計算した。ループコイルの線径は1mm、材質は銅とし、シミュレータにはAltair inc.社製のFEKOを用いた。 FIGS. 15(a) to 15(d) are diagrams showing simulation results of current distribution by distributed reactance compensation. The current distribution of a loop coil with a diameter of 5 m at an operating frequency of 6.78 MHz was calculated by electromagnetic field simulation. The wire diameter of the loop coil was 1 mm, the material was copper, and FEKO manufactured by Altair inc. was used as the simulator.
図15(a)は、補償無しの場合を示す。分散リアクタンス補償は施さず、リアクタンス補償用のキャパシタは入力ポートに接続する。電流分布は共振器内における最大値で正規化している。入力ポート部分で電流強度は最小となり、ポートから最も離れた部分と比較すると約30%程度の電流強度に留まっている。この結果は、動作周波数6.78MHzにおいて、巻数1のアンテナであっても電流分布が大きく歪みうることを示しており、電流分布の歪みは巻数が増えるに従ってさらに増大する。 FIG. 15(a) shows the case without compensation. Distributed reactance compensation is not performed, and the reactance compensation capacitor is connected to the input port. The current distribution is normalized by the maximum value within the resonator. The current intensity is the lowest at the input port portion, remaining at about 30% of the current intensity compared to the portion farthest from the port. The results show that at the operating frequency of 6.78 MHz, the current distribution can be greatly distorted even for an antenna with one turn, and the distortion of the current distribution further increases with increasing number of turns.
図15(b)~(d)は、分散リアクタンス補償を施した場合のシミュレーション結果を示す。分散リアクタンス補償に用いるキャパシタの数Nは2,4,8の3通りである。電流分布が均一であるとき、各キャパシタにおける電流と入力ポートを流れる電流とは、その強度および向きが等しくなる。この条件に基づき、電流分布が均一となるキャパシタンスを考える。 FIGS. 15(b) to (d) show simulation results when dispersion reactance compensation is performed. The number N of capacitors used for dispersion reactance compensation is 2, 4, and 8. When the current distribution is uniform, the current in each capacitor and the current through the input port are equal in magnitude and direction. Based on this condition, the capacitance that makes the current distribution uniform is considered.
キャパシタンスの導出には、キャパシタを接続する箇所をポートとして電磁界シミュレーションを行い、N+1ポートの回路網として導出したSパラメータを使用する。Sパラメータを変換して得られるZパラメータを用いると、各ポートの電流が等しくIとなる条件は、-ZcI=Z’(1,1,1,…,1)TIにより記述できる。ここで、Z’はインピーダンス行列Zから入力ポートに該当する行を削除したN×(N+1)行列、Zcは接続するキャパシタのインピーダンスから成るN次の行ベクトルである。接続すべきキャパシタンスは式(11)を解くことによって求められる。
Zc=-Z’(1,1,1,…,1)T (11)
For the derivation of the capacitance, an electromagnetic field simulation is performed with the points where the capacitors are connected as ports, and S-parameters derived as a circuit network of N+1 ports are used. Using the Z parameter obtained by converting the S parameter, the condition that the currents of the ports are equal to I can be described by −Z c I=Z′(1, 1, 1, . . . , 1) T I . Here, Z′ is an N×(N+1) matrix obtained by deleting rows corresponding to input ports from the impedance matrix Z, and Zc is an Nth-order row vector consisting of impedances of connected capacitors. The capacitance to be connected is found by solving equation (11).
Zc = -Z'(1, 1, 1, ..., 1) T (11)
直径5mのループコイルに等間隔でキャパシタを配置し、式(11)によりキャパシタンスを計算したところ、対称性により値は位置に依存せず、N=2のとき56.7pF、N=4のとき98.1pF、N=8のとき179.4pFとなった。 Capacitors were placed at equal intervals in a loop coil with a diameter of 5 m, and the capacitance was calculated by equation (11). It was 98.1 pF and 179.4 pF when N=8.
図15(b)~(d)においては、電流分布をより詳細に示すため、各図により、濃淡と電流値との対応が異なることに注意されたい。入力ポートおよびキャパシタ挿入部分における電流分布が等しくなっており、また、分散リアクタンス補償に用いるキャパシタの個数が増えるほどに電流分布が均一になることを確認できる。N=8のとき、共振器内における電流強度の差異は1%以下に抑えられる。 In FIGS. 15(b) to 15(d), in order to show the current distribution in more detail, it should be noted that the correspondence between the shading and the current value differs depending on each figure. It can be confirmed that the current distribution is equal at the input port and the capacitor insertion portion, and that the current distribution becomes more uniform as the number of capacitors used for distributed reactance compensation increases. When N=8, the difference in current intensity within the resonator is suppressed to 1% or less.
分散リアクタンス補償によって電流分布が均一になる要因は伝送線路理論により考察できる。共振器内の導線を一種の伝送線路としてみたとき、電流分布が不均一となるのは、線路間に存在する寄生キャパシタに電荷が蓄えられることによる。分散リアクタンス補償は共振器内に多数のキャパシタンスを配置することで線路間の電位差を低減させるため、寄生キャパシタに蓄えられる電荷が減少し、電流分布が均一化したものと考えられる。 The reason why the current distribution becomes uniform by the distributed reactance compensation can be considered from the transmission line theory. When the conducting wire in the resonator is regarded as a kind of transmission line, the non-uniform current distribution is caused by the accumulation of electric charge in the parasitic capacitor existing between the lines. Distributed reactance compensation reduces the potential difference between lines by arranging a large number of capacitances in the resonator.
このように、分散リアクタンス補償を行うことで、アンテナコイルの電流分布が均一化できる。そこで本設計方法を利用したソフトウェアプログラムには、数MHzあるいはそれ以上の周波数帯域で使用されるアンテナ設計に際しては、分散リアクタンス補償を組み込むことが好ましい。 By performing distributed reactance compensation in this way, the current distribution of the antenna coil can be made uniform. Therefore, it is preferable to incorporate dispersion reactance compensation into the software program using this design method when designing an antenna used in a frequency band of several MHz or more.
上述の本設計手法により、アンテナコイルの形状が決定される。そして、アンテナコイルに対して分散補償に関する追加の処理が実行される。挿入すべきキャパシタの個数Nは、マニュアルで指定してもよいし、図15(a)に示すように補償無しのときの電流の不均一性を計算し、不均一性にもとづいて、キャパシタの個数Nを決定してもよい。 The design method described above determines the shape of the antenna coil. Additional processing for dispersion compensation is then performed on the antenna coil. The number N of capacitors to be inserted may be specified manually, or the non-uniformity of the current without compensation is calculated as shown in FIG. A number N may be determined.
そして、アンテナコイルの形状が既知であれば、それを伝送線路とみなしたときのSパラメータ(Zパラメータ)が計算できる。Nが定まると、Zパラメータを利用して、式(11)を解くことにより、挿入すべきキャパシタの容量値を計算することができる。 If the shape of the antenna coil is known, the S parameter (Z parameter) can be calculated when it is regarded as a transmission line. Once N is determined, the capacitance value of the capacitor to be inserted can be calculated by solving equation (11) using the Z parameter.
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments merely show the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the scope of claims. Many modifications and changes in arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.
2 無線給電システム
10 送電装置
20 受電装置
LTX 送電コイル
CTX 共振キャパシタ
LRX 受電コイル
CRX 共振キャパシタ
2 wireless
Claims (8)
前記コンピュータが、対を成すアンテナコイルを含む周囲環境をモデル化するステップと、
前記コンピュータが、設計対象のアンテナを配置すべき空間を複数のメッシュに区切り、前記モデル化された前記周囲環境における各メッシュの効率が最大となる電流量を計算するステップと、
前記コンピュータが、前記複数のメッシュの電流分布から前記設計対象のアンテナコイルの形状を取得するステップと、
を備えることを特徴とするアンテナコイルの設計方法。 A method for designing an antenna coil using a computer ,
said computer modeling an ambient environment including paired antenna coils;
a step in which the computer divides the space in which the antenna to be designed should be placed into a plurality of meshes, and calculates the amount of current that maximizes the efficiency of each mesh in the modeled ambient environment;
a step in which the computer acquires the shape of the antenna coil to be designed from the current distribution of the plurality of meshes;
A method of designing an antenna coil, comprising:
前記コンピュータが、前記磁気双極子モーメントの分布の等高線を取得するステップと、
をさらに備え、前記設計対象のアンテナコイルの形状は、前記等高線に応じていることを特徴とする請求項1に記載の設計方法。 the computer calculating a magnetic dipole moment distribution from the current distribution of the plurality of meshes;
the computer obtaining contours of the distribution of the magnetic dipole moment;
2. The design method according to claim 1, wherein the shape of the antenna coil to be designed corresponds to the contour lines.
前記コンピュータが、対を成すアンテナコイルを含む周囲環境をモデル化するステップと、
前記コンピュータが、設計対象のアンテナを配置すべき空間を複数のメッシュに区切り、前記モデル化された前記周囲環境における各メッシュの効率が最大となる磁気双極子モーメントを計算するステップと、
前記コンピュータが、前記複数のメッシュの磁気双極子モーメントの分布の等高線を取得するステップと、
前記コンピュータが、前記等高線にもとづいて前記アンテナコイルの形状を取得するステップと、
を備えることを特徴とするアンテナコイルの設計方法。 A method for designing an antenna coil using the computer ,
said computer modeling an ambient environment including paired antenna coils;
a step in which the computer divides the space in which the antenna to be designed should be placed into a plurality of meshes, and calculates a magnetic dipole moment that maximizes the efficiency of each mesh in the modeled ambient environment;
the computer obtaining contours of the distribution of magnetic dipole moments of the plurality of meshes;
the computer acquiring the shape of the antenna coil based on the contour lines;
A method of designing an antenna coil, comprising:
対を成すアンテナコイルを含む周囲環境をモデル化させるステップと、
設計対象のアンテナを配置すべき空間を複数のメッシュに区切り、前記モデル化された前記周囲環境における各メッシュの効率が最大となる電流量を計算させるステップと、
前記複数のメッシュの電流分布からアンテナコイルの形状を取得させるステップと、
を実行させるためのプログラム。 to the computer,
modeling an ambient environment including paired antenna coils;
a step of dividing the space in which the antenna to be designed should be placed into a plurality of meshes, and calculating the amount of current that maximizes the efficiency of each mesh in the modeled ambient environment;
obtaining the shape of the antenna coil from the current distribution of the plurality of meshes;
program to run the
前記複数のメッシュの電流分布から、磁気双極子モーメントの分布を計算するステップと、
前記磁気双極子モーメントの分布の等高線を取得するステップと、
前記等高線に応じて前記設計対象のアンテナコイルの形状を取得するステップと、
をさらに実行させることを特徴とする請求項5に記載のプログラム。 to said computer;
calculating a distribution of magnetic dipole moments from the current distribution of the plurality of meshes;
obtaining contours of the distribution of the magnetic dipole moment;
obtaining a shape of the antenna coil to be designed according to the contour lines;
6. The program according to claim 5, further causing the execution of
対を成すアンテナコイルを含む周囲環境をモデル化するステップと、
設計対象のアンテナを配置すべき空間を複数のメッシュに区切り、前記モデル化された前記周囲環境における各メッシュの効率が最大となる磁気双極子モーメントを計算するステップと、
前記複数のメッシュの磁気双極子モーメントの分布の等高線を取得するステップと、
前記等高線にもとづいて前記設計対象のアンテナコイルの形状を取得するステップと、
を実行させることを特徴とするプログラム。 to the computer,
modeling an ambient environment including paired antenna coils;
dividing the space in which the antenna to be designed should be arranged into a plurality of meshes, and calculating the magnetic dipole moment that maximizes the efficiency of each mesh in the modeled ambient environment;
obtaining contours of the distribution of magnetic dipole moments of the plurality of meshes;
obtaining a shape of the antenna coil to be designed based on the contour lines;
A program characterized by causing the execution of
前記設計対象のアンテナを複数の要素に分割し、分割された要素の間に、キャパシタを挿入するステップをさらに実行させることを特徴とする請求項5から7のいずれかに記載のプログラム。 to the computer,
8. The program according to any one of claims 5 to 7, further causing a step of dividing the antenna to be designed into a plurality of elements and inserting capacitors between the divided elements.
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