共鳴誘導結合

共振誘導結合または磁気位相同期結合^{[4] [5]は、}誘導結合の現象であり、緩く結合されたコイルの「二次」（負荷支持側）が共振すると結合が強くなります。^[5]このタイプの共振トランスは 、アナログ回路でバンドパスフィルタとしてよく使用されます。共振誘導結合は、ポータブルコンピュータ、電話、および車両用の ワイヤレス電源システムでも使用されます。

ノートパソコン、タブレット、スマートフォン、ロボット掃除機、埋め込み型医療機器、電気自動車、超高速リニアモーターカー^[7]、無人搬送車[ ⁸ ]などの車両に電力を供給するための短距離（最大2メートル）^[6]ワイヤレス電力システム向けに、さまざまな共振結合システムが使用中または開発中です。 具体的な技術には次のものがあります。

• ウィトリシティ
• レゼンス
• 電子結合
• 無線共鳴エネルギーリンク(WREL)

その他のアプリケーションには次のものがあります:

• パッシブRFID タグ(パスポートなど) や非接触型スマート カードなどによるデータ転送。
• 冷陰極蛍光灯に電力を供給する電力インバータの共振トランス。
• スーパーヘテロダイン受信機の各段を結合し、受信機の選択性は中間周波増幅器内の同調変圧器によって提供される。^{[9] [なぜ? ]}
• X線発生用の高電圧（100万ボルト）源。^[要出典]

テスラコイルは、非常に高い電圧を生成するために使用される共振変圧器回路であり、ヴァンデグラフ発電機などの高電圧静電機械よりもはるかに高い電流を供給することができます。^[10]　しかし、このタイプのシステムは、エネルギーをほとんど無駄にしない現代のワイヤレス電力システムとは異なり、エネルギーの大部分を空間に放射します。

共振トランスは、無線回路のバンドパスフィルタやスイッチング電源 として広く使用されています。

1894年、ニコラ・テスラは共鳴誘導結合（別名「電気力学的誘導」）を使用して、ニューヨーク市のサウスフィフスアベニュー35番地の研究所、後にはイーストヒューストンストリート46番地の研究所で、リン光灯と白熱灯を無線で点灯しました。^{[11] [12] [13]} 1897年に、彼は高電圧共鳴変圧器または「テスラコイル」と呼ばれる装置^[14]の特許を取得しました。共鳴誘導によって一次コイルから二次コイルに電気エネルギーを転送するテスラコイルは、高周波で非常に高い電圧を生成することができます。改良された設計により、「装置自体の破損や、装置に近づく人や取り扱う人への危険などの重大な責任なしに」高電位電流を安全に生成および利用できるようになりました。

1960年代初頭、共鳴誘導ワイヤレスエネルギー伝送は、ペースメーカーや人工心臓などの埋め込み型医療機器^{[15]で効果的に使用されました。初期のシステムでは共鳴受信コイルが使用されていましたが、後のシステム[16]}では共鳴送信コイルも実装されました。これらの医療機器は、低電力電子機器を使用して高効率になるように設計されており、コイルの多少のずれや動的なねじれを効率的に吸収します。埋め込み型アプリケーションでのコイル間の距離は、通常20 cm未満です。今日、共鳴誘導エネルギー伝送は、市販されている多くの埋め込み型医療機器で電力を供給するために定期的に使用されています。^[17]

電気自動車やバスに実験的に電力を供給するためのワイヤレス電気エネルギー伝送は、共鳴誘導エネルギー伝送の高出力アプリケーション（> 10 kW）です。急速充電には高出力レベルが必要であり、運用経済性とシステムの環境への悪影響を回避するために、高いエネルギー伝送効率が必要です。1990年頃に建設された実験的な電化道路テストトラックは、特別に装備されたバス停でプロトタイプバスのバッテリーを充電しながら、 60％を超えるエネルギー効率を達成しました。 ^{[18] [19]} バスには、移動中にコイルのクリアランスを大きくするために、格納式の受信コイルを装備できます。送信コイルと受信コイルの間隔は、電力供給時に10cm未満になるように設計されています。バスに加えて、駐車場やガレージでの電気自動車の充電にもワイヤレス伝送の使用が調査されています。

これらの無線共振誘導装置の中には、低ミリワットの電力レベルで動作し、バッテリー駆動のものもあります。その他の装置は、より高いキロワットの電力レベルで動作します。現在の埋め込み型医療機器および道路電化機器の設計では、送信コイルと受信コイル間の動作距離が 10 cm 未満の場合、75% を超える伝送効率が達成されています。^{[引用が必要]}

1993年、ニュージーランドのオークランド大学のジョン・ボーイズ教授とグラント・コビック教授は、小さな空隙を越えて大量のエネルギーを伝送するシステムを開発した。 ^{[4] [5] [20]}これは、日本でも移動式クレーンやAGVの非接触電源として実用化されていた。^[8] 1998年には、この方法で電力を供給されるRFIDタグが特許を取得しました。^[21]

2006 年 11 月、マサチューセッツ工科大学のマリン・ソルジャチッチと他の研究者らは、この近接場挙動を、強く結合した共振器に基づく無線電力伝送に応用しました。^{[22] [23] [24]}理論分析では、^[25]放射と吸収による損失が最小限で、近接場が中距離の範囲 (つまり共振器サイズの数倍) にある電磁共振器を設計することで、中距離の効率的な無線エネルギー伝送が可能になることを実証しました。 その理由は、同じ周波数に調整された 2 つの共振回路が波長の数分の 1 以内にある場合、それらの近接場 (「エバネッセント波」で構成) は、エバネッセント波結合によって結合するためです。 インダクタ間に振動波が発生し、これにより、設計されたすべての損失時間よりもはるかに短い時間で、エネルギーを 1 つのオブジェクトから別のオブジェクトに転送できるため、最大限のエネルギー転送効率が得られます。共鳴波長は共振器よりもはるかに大きいため、磁場は付近の異物を迂回することができ、この中距離エネルギー転送方式では視線を必要としません。特に磁場を利用して結合を実現することで、磁場は生体と弱い相互作用をするため、この方法は安全です。

アップル社は、 WiPower社が2008年に特許を申請した後、2010年にこの技術の特許を申請した。^[26]

JR東海の超電導リニア車両は、従来、ガスタービン発電機による発電を電源としていた。2011年に、AGVのワイヤレス給電方式に類似した技術をベースに開発したJR東海独自の9.8kHz位相同期技術により、大きな隙間を走行しながら給電（CWD：走行中給電）することに成功し、国土交通省から実用化に向けた課題を全てクリアした技術として評価された。^[27]超電導リニアは2027年に建設が始まり、営業運転が開始される予定である。^[28]

一般的な変圧器などの非共振結合インダクタは、一次コイルが磁場を生成し、二次コイルがその磁場を可能な限り覆うという原理で動作します。これにより、二次コイルを通過する電力が一次コイルの電力に可能な限り近くなります。この磁場が二次コイルでカバーされる必要があるため、距離が非常に短くなり、通常は磁気コアが必要になります。距離が長くなると、非共振誘導法は非常に非効率になり、エネルギーの大部分が一次コイルの抵抗損失で無駄になります。

共振を利用すると効率を大幅に向上させることができます。共振結合を使用すると、二次コイルに容量負荷がかかり、同調したLC回路が形成されます。一次コイルを二次側共振周波数で駆動すると、コイル直径の数倍の範囲でコイル間でかなりの電力を適切な効率で伝送できることがわかります。^[29]

バッテリー、特に非充電式バッテリーに関連するコストと比較すると、バッテリーのコストは数百倍も高くなります。近くに電源がある状況では、より安価なソリューションになる可能性があります。^[30]さらに、バッテリーは定期的なメンテナンスと交換が必要ですが、代わりに共鳴エネルギー転送を使用できます。さらに、バッテリーは製造中および廃棄中に汚染を発生させますが、これはほとんど回避されています。

主電源接続機器とは異なり、直接電気接続する必要がないため、機器を密閉して感電の可能性を最小限に抑えることができます。

結合は主に磁場を使用して行われるため、この技術は比較的安全であると考えられます。ほとんどの国では、電磁場への曝露に関する安全基準とガイドラインが存在します (例: ICNIRP ^{[31] [32]} )。システムがガイドラインまたはそれほど厳しくない法的要件を満たすことができるかどうかは、送信機から供給される電力と範囲によって異なります。推奨される最大 B フィールドは周波数の複雑な関数であり、たとえば ICNIRP ガイドラインでは、100 kHz 未満では数十マイクロテスラの RMS フィールドが許可され、VHF では周波数とともに 200 ナノテスラまで低下し、400 MHz を超えるとレベルが低下します。このレベルでは、身体の各部が直径 1 波長に匹敵する電流ループに耐えることができ、深部組織のエネルギー吸収が最大になります。

導入されているシステムはすでに磁場を生成しており、たとえば、高磁場が許容される数十 kHz の電磁調理器や、必要なエネルギーが低いためより高い周波数が可能な非接触型スマート カードリーダーなどがその例です。

スウェーデン軍の調査によると、車両用の動的ワイヤレス電力伝送用の85kHzシステムは、半径300キロメートルまで電磁干渉を引き起こす可能性があることが判明しました。^[33]

このプロセスは、共振トランスフォーマーで発生します。共振トランスフォーマーは、同じコアに巻かれた高Qコイルと、コイルを横切って接続されたコンデンサで構成され、結合されたLC 回路を形成する電気部品です。

最も基本的な共振誘導結合は、一次側の駆動コイル１個と二次側の共振回路１個から構成される。^{[34] [5] [2]}この場合、一次側から二次側の共振状態を観察すると、２つの共振が一組となって観測される。^{[35] [5]}そのうちの１つを反共振周波数（並列共振周波数１）、もう１つを共振周波数（直列共振周波数１'）と呼ぶ。^[5]二次コイルの短絡インダクタンスと共振コンデンサが共振回路に組み合わされる。[ 36 ^{] [5]}一次コイルを二次側の共振周波数（直列共振周波数）で駆動すると、一次コイルと二次コイルの磁界の位相が同期する。^[5]その結果、相互磁束の増加により二次コイルに最大電圧が発生し、一次コイルの銅損が減少し、発熱が減少し、効率が相対的に向上します。^[2]共振誘導結合は、磁気結合コイル間の電気エネルギーの近距離場 無線伝送であり、駆動周波数と同じ周波数で共振するように調整された共振回路の一部です。

変圧器では、一次コイルを流れる電流によって発生する磁束の一部のみが二次コイルに結合し、その逆も同様である。結合する部分は相互磁束と呼ばれ、結合しない部分は漏れ磁束と呼ばれる。^[37]システムが共振状態にない場合、二次側に現れる開回路電圧は、コイルの巻数比から予測されるよりも低くなる。結合の度合いは、結合係数と呼ばれるパラメータによって表される。結合係数kは、変圧器の開回路電圧比と、すべての磁束が一方のコイルから他方のコイルに結合された場合に得られる比として定義される。ただし、開回路でない場合、磁束比は変化する。kの値は 0 から ±1 の間である。各コイルのインダクタンスは、概念的にk :(1− k )の比率で 2 つの部分に分けることができる。これらはそれぞれ、相互磁束を生成するインダクタンスと漏れ磁束を生成するインダクタンスである。

結合係数はシステムの形状の関数です。2 つのコイルの位置関係によって決まります。システムが共振状態にあるときと共振状態にないとき、またはシステムが共振状態にあり、巻数比よりも大きな二次電圧が発生している場合でも、結合係数は変化しません。ただし、共振の場合は磁束比が変化し、相互磁束が増加します。

共振システムは、密結合、疎結合、臨界結合、または過結合であると言われています。密結合は、従来の鉄心変圧器と同様に結合係数が約 1 の場合です。過結合は、二次コイルが非常に近く、反共振の影響により相互磁束の形成が妨げられる場合で、臨界結合は通過帯域での転送が最適である場合です。疎結合は、コイルが互いに離れているため、磁束のほとんどが二次コイルを通り抜ける場合です。テスラ コイルでは約 0.2 が使用され、誘導ワイヤレス電力伝送などのより長い距離では、0.01 未満になる場合があります。

一般に、非共振結合コイルの電圧利得は、二次インダクタンスと一次インダクタンスの比の平方根に正比例します。

${\displaystyle A=k{\sqrt {\frac {L_{2}}{L_{1}}}}\,}$

ただし、共振結合状態の場合はより高い電圧が発生します。二次側の短絡インダクタンスL _sc2は次式で求められます。

${\displaystyle L_{sc2}=(1-k^{2})\cdot {L_{2}}}$

短絡インダクタンスL _sc2と二次側の共振コンデンサCrが共振します。共振周波数ω ₂は以下のようになります。

${\displaystyle \omega _{2}={1 \over {\sqrt {L_{sc2}C_{r}}}}={1 \over {\sqrt {(1-k^{2})\cdot {L_{2}}C_{r}}}}}$

負荷抵抗をRlとすると、二次共振回路のQ値は次のようになります。

${\displaystyle Q_{2}=R_{l}{\sqrt {\frac {C_{r}}{L_{sc2}}}}\,}$

共振周波数のピーク時に共振コンデンサCrに発生する電圧はQ値に比例する。したがって、共振時の一次コイルに対する二次コイルの電圧利得Arは、

${\displaystyle A_{r}=kQ_{2}{\sqrt {\frac {L_{2}}{L_{1}}}}\,}$

タイプ PP の場合、Q1 は電圧ゲインに寄与しません。

WiTricityタイプの磁気共鳴は、一次側の共鳴コイルと二次側の共鳴コイルが対になっているのが特徴です。一次共鳴コイルは、一次駆動コイル電流を増加させ、一次共振器の周囲に発生する磁束を増加させます。これは、一次コイルを高電圧で駆動することと同等です。左図のタイプの場合、一般的な原理は、容量負荷された一次コイルに所定の振動量のエネルギー (たとえば、パルスまたは一連のパルス) が加えられると、コイルが「鳴り」、振動磁場を形成するというものです。

共鳴伝送は、コイルリングを振動電流で作ることによって機能します。これにより、振動磁場が生成されます。コイルの共鳴性が高いため、コイルに蓄えられたエネルギーは、非常に多くのサイクルにわたって比較的ゆっくりと減衰します。ただし、2 番目のコイルをコイルの近くに持ってくると、コイルは、エネルギーが失われる前に、ある程度離れていても、ほとんどのエネルギーを拾うことができます。使用される場は主に非放射性の近接場(エバネッセント波と呼ばれることもあります) であり、すべてのハードウェアが 1/4 波長の距離内に維持されるため、送信機から無限遠に放射されるエネルギーはほとんどありません。

エネルギーは、共振周波数でインダクタの磁場とコンデンサの電界の間で行き来します。この振動は、主に抵抗損失と放射損失により、ゲイン帯域幅 ( Q係数) によって決まる速度で減衰します。ただし、二次コイルが磁場を十分に遮断して、一次コイルの各サイクルで失われるエネルギーよりも多くのエネルギーを吸収すれば、エネルギーの大部分は依然として伝達されます。

Q値は非常に高くなる可能性があるので（実験的には空芯コイルで約1000が実証されている^[38]）、高効率を達成するためには、コイルからの距離とともに磁場が急速に弱まるにもかかわらず、1つのコイルから他のコイルに磁場のごく一部を結合するだけでよく、一次コイルと二次コイルは直径数個分離れていてもよい。

効率の指標は次のようになる：^[39]

${\displaystyle U=k{\sqrt {Q_{1}Q_{2}}}}$

ここで、Q ₁とQ _{2 は}それぞれ送信コイルと受信コイルの Q 係数であり、k は前述の結合係数です。

そして達成可能な最大効率は次の通りである: ^[39]

${\displaystyle \eta _{opt}={\frac {U^{2}}{(1+{\sqrt {1+U^{2}}})^{2}}}}$

Q 値は非常に高いため、送信コイルに低電力が供給された場合でも、複数のサイクルにわたって比較的強力なフィールドが構築され、受信可能な電力が増加します。共振時には、コイルに供給される電力よりもはるかに多くの電力が振動フィールドに存在し、受信コイルはその一定の割合を受信します。

非共振変圧器の多層二次側とは異なり、この目的のためのコイルは、適切なコンデンサと並列に接続された単層ソレノイド（表皮効果を最小限に抑え、 Q を向上させるため）であることが多い。代替共振器の形状には、波巻きリッツ線とループギャップ共振器（LGR）がある。リッツ線ベースの共振器では、絶縁体がないか、誘電率が低く、誘電損失を最小限に抑えるためにシルクなどの低損失材料が使用されている。^[要出典] LGRの形状には、共振器構造の外側の電界が非常に弱いため、人体が電界にさらされる可能性が最小限に抑えられ、電力伝送効率が近くの誘電体の影響を受けにくくなるという利点がある。^[40]

各サイクルで一次コイルに徐々にエネルギーを供給するために、さまざまな回路を使用することができます。1つの回路はコルピッツ発振器を使用しています。^[38]

テスラコイルでは、断続的なスイッチングシステムである「回路コントローラ」または「ブレーク」を使用して、一次コイルにインパルス信号を注入します。すると、二次コイルが鳴り、減衰します。^{[引用が必要]}

二次受信コイルは一次送信コイルと同様の設計です。二次コイルを一次コイルと同じ共振周波数で動作させることで、送信機の周波数で二次コイルのインピーダンスが低くなり、エネルギーが最適に吸収されます。

二次コイルからエネルギーを除去するには、AC を直接使用したり整流したり、レギュレータ回路を使用して DC 電圧を生成するなど、 さまざまな方法を使用できます。

• エバネッセント波結合
• インダクタンス
• 短絡インダクタンス
• ウォーデンクリフ塔

• ニューヨーク市のマンホールの蓋に共鳴充電器が隠されている
• IEEE Spectrum: ワイヤレス電力の批判的考察
• インテル：最後のコードを切断、ワイヤレス給電
• Yahoo ニュース: インテル、ワイヤレス電源システムで電源コードを廃止
• BBCニュース: スパゲッティ電源ケーブルの終焉
• 「Marin Soljačić（研究チームリーダー）の MIT ホームページ」
• Jonathan Fildes (2007-06-07)。「ワイヤレス エネルギーの約束が強化される」。BBCニュース。
• JR Minkel (2007-06-07)。「ワイヤレスエネルギーで 7 フィート離れたところから電球を点灯」。Scientific American。
• キャサリン・ノイエス (2007-06-08)。「MIT の魔法使いが空中で電気を発射」。TechNewsWorld。
• Chris Peredun、Kristopher Kubicki (2007-06-11)。「MIT のエンジニアがワイヤレス電力システムを発表」。DailyTech。2013-01-12にオリジナルからアーカイブ。
• 「強く結合した磁気共鳴によるワイヤレス電力伝送のためのオンライン資料のサポート」。サイエンス マガジン。
• ゲイリー・ピーターソン (2008-08-06)。「ウィトリシティを予測する」21世紀の本。
• IEEE MTT-S ウェブサイトの William C. Brown の略歴
• Anuradha Menon (2008-11-14)。「Intel のワイヤレス パワー テクノロジーのデモ」。The Future of Things電子マガジン。2010-12-09 にオリジナルからアーカイブされました。

• Rezence – ワイヤレス電力アライアンスが推進するワイヤレス電力規格の公式サイト
• Qi – ワイヤレスパワーコンソーシアムが推進するワイヤレスパワー規格の公式サイト
• PMA – Power Matters Alliance が推進するワイヤレス電力規格の公式サイト
• Instructables: ワイヤレス電源