磁界調相結合

磁界調相結合（共振誘導結合）とは

磁界調相結合（じかいちょうそうけつごう、英: Magnetic phase synchronous coupling）、または共振誘導結合（きょうしんゆうどうけつごう、英: Resonant inductive coupling）とは、疎に磁気結合された二つのコイル（一次コイルと二次コイル）において、二次側が共振状態になると、コイル間に強い結合が生じる現象を指します。この現象は、近接場ワイヤレス電力伝送の原理を説明する上で重要な役割を果たします。

基本構成と共振現象

磁界調相結合の基本的な構成は、一次側に駆動コイル、二次側に共振回路を設置することです。この際、二次側の共振状態を一次側から観測すると、二つの共振が観測されます。一つは反共振周波数（並列共振周波数）で、もう一つは共振周波数（直列共振周波数）です。二次側の反共振周波数は、二次コイルの自己インダクタンスと共振コンデンサの共振によって生じ、共振周波数は、二次コイルの短絡インダクタンスと共振コンデンサの共振によって生じます。

一次コイルが二次側の共振周波数で駆動されると、一次コイルと二次コイルに流れる電流によって生じる磁界の位相が揃い、磁界位相が同期します。これにより、主磁束（相互磁束）が増加し、二次コイルに最大電圧が発生すると同時に、熱発生が抑制され、効率が向上します。

応用

磁界調相結合は、テスラコイルやCCFLインバータ回路などの共振変圧器に応用されています。また、ワイヤレス電力伝送における磁界共振の基本的な原理でもあります。

共振変圧器

共振変圧器は、高Q値コイルとコンデンサで構成された変圧器で、高周波回路におけるバンドパスフィルタやLLCスイッチング電源などに広く用いられています。この変圧器では、コイル間の磁気結合が疎であっても、共振によって効率的な電力伝送が可能です。

ワイヤレス電力伝送

磁界調相結合を利用したワイヤレス電力伝送システムでは、送電側の駆動回路と受電側のLC回路が大きなギャップを介して離れていても、電力を伝送できます。送電コイルが空間的隔たりを越えて、共振する受電コイルへと電力を伝送します。この技術は、携帯電話やタブレットなどの携帯機器の充電に利用されており、1993年から実用化が始まりました。

WiTricityの磁界共振方式

2006年にWiTricityによって提唱された磁界共振方式では、一次側にも共振回路を追加し、共振による電力伝送強度を向上させています。この方式では、一次側と二次側の共振コイルが共鳴し、結合していることが特徴です。WiTricityの説明によれば、共振による電力伝送は、コイルに交流電流の減衰振動を起こさせることで機能します。一次側共振器のコイルはQ値が高いため、エネルギーはゆっくりと減衰振動します。二次コイルを近づけると、一次側がエネルギーを散逸する前に、二次側がエネルギーを吸収します。機器間の距離が波長の1/4以内であれば、磁界は主に近接場となり、エネルギーは遠方へは放射されません。

その他の応用

磁界調相結合は、CCFLインバータ、スーパーヘテロダイン受信機、テスラコイル、超伝導リニアの集電装置、パッシブRFIDタグ、非接触スマートカードなど、様々な分野に応用されています。

共振結合のメカニズム

通常型の変圧器では、一次コイルが発生した磁界を二次コイルが受け取ることで電力を伝送しますが、距離が離れると効率が低下します。一方、共振結合では、二次コイルに容量性負荷を接続してLC回路を形成し、一次コイルの駆動周波数と二次コイルの共振周波数を一致させることで、コイル間の距離が離れていても効率的な電力伝送が可能です。

結合係数

コイルが疎結合の場合、一次コイルの磁束の一部しか二次コイルと結合しません。結合する部分を主磁束、結合しない部分を漏れ磁束と呼びます。結合の度合いは結合係数（k）で表され、0から±1の間で変化します。結合係数はコイルの幾何配置によって定まり、共振状態の有無に関わらず一定です。共振状態では、結合係数は変化せずに主磁束が大幅に増加します。

共振の種類

共振系は、密結合、疎結合、臨界結合、過結合に分類されます。密結合は鉄芯変圧器のように結合係数がほぼ1の場合、過結合は反共振の効果で結合が妨げられる状態、臨界結合は電力伝送と効率が最大となる状態、疎結合はコイルが離れていて磁束が届かない状態を指します。

電圧利得

非共振結合コイルの電圧利得は、二次コイルと一次コイルのインダクタンス比の平方根に比例しますが、共振結合状態ではより大きな電圧が発生します。共振時には、二次側の短絡インダクタンスと共振キャパシタが共振し、共振キャパシタに発生する電圧はQ値に比例します。

エネルギー伝送と効率

WiTricityの磁気共鳴では、一次側と二次側の共振コイルが対になっていることが特徴です。一次側共振器は駆動コイル電流を増加させ、磁束を増加させます。エネルギーはコイルとキャパシタ間を共振周波数で行き来します。二次コイルが十分な磁界を受けていれば、一次コイルのエネルギーが失われる前に、エネルギーの大部分を吸収できます。高Q値のコイルを使用することで、コイル間の距離が大きくても高効率な伝送が可能です。効率性能指数は、結合係数とQ値によって決定されます。

歴史

1894年、ニコラ・テスラは誘導結合を用いて電灯をワイヤレスで点灯しました。1897年にはテスラコイルの特許を取得しました。1960年代初頭には、共振誘導の電力伝送がペースメーカーなどの埋め込み型医療デバイスに利用され始めました。現在では、電気自動車やバスへの大電力ワイヤレス伝送も研究されています。

1990年、ニュージーランドのJohn BoysとGrant Covicは小エアギャップを越えて大電力を伝送するシステムを開発し、1993年にダイフクによって実用化されました。2006年には、マサチューセッツ工科大学のマリン・ソーリャチッチらが、密結合共振器に基づくワイヤレス電力伝送方式を発表しました。

JR東海のリニアモーターカーでは、走行中の給電に磁界調相結合が応用されています。

他技術との比較

従来型の変圧器と比較すると、共振電力伝送はコイル間の距離が短い場合に効率が劣ります。しかし、電池と比較すると、コストやメンテナンス面で優れています。

規制と安全性

磁界を利用するため、安全性に関するガイドラインが存在します。磁束密度は周波数によって規制値が異なります。

用途

磁界調相結合は、非接触スマートカード、X線発生用高電圧源、テスラコイル、パスポートなどに利用されています。

参考文献

記事末尾に記載。

外部リンク

記事末尾に記載。

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