例題42 電磁共鳴型の無線電力伝送

本例題について

  • 開放型コイルによる電磁共鳴型無線電力伝送の解析例を示します。
     

  • 低周波解析用の開放境界(※1)を使用することで精度の向上を図ります。
     

  • 表に記載されていない条件は初期設定の条件を使用します。

解析空間

項目

条件

解析空間

3次元

モデル単位

m

 

解析条件

自己共振するコイルのサイズ(50cm四方)に対して解析周波数における波長(25m)が非常に大きくなるため開放境界の種類を低周波解析用の吸収境界に設定します。

 

項目

条件

ソルバ

電磁波解析[Hertz]

解析の種類

調和解析

 

タブ設定

設定項目

条件

開放境界

種類

吸収境界(低周波)

メッシュ

周波数依存メッシュの設定

参照周波数:12[MHz]

表皮厚みより厚い導体ボディを境界条件とするをチェック

調和解析

スープタイプ

等間隔 分割数 をチェック

スイープ値

最小 11[MHz]

最大 13[MHz]

分割数: 200

スイープの設定

高速スイープを選択

Sパラ変化量: 1×10-3

 

モデル図

モデルは開放型のコイル2つ(Coil1, Coil2)と球の空気領域(Air)から構成されます。

ぞれぞれのコイルは12MHzあたりで自己共振をもつように設計されています。空気領域のサイズは直径2mであり自己共振周波数における波長である25mよりも

非常に小さく設定されています。

 

ボディ属性および材料定数の設定

ボディ No./ボディタイプ

ボディ名

材料名

1, 2/Solid

Coil1

008_銅Cu※

3/Solid

Air

000_空気※

4, 5/Solid

Coil2

008_銅Cu※

※材料データベースを利用

 

境界条件

境界条件名/トポロジー

タブ

境界条件の種類

条件

Port1/Face

電気

入出力ポート

基準インピーダンス:
 50Ωに設定

 

積分路

 Path1を設定

Port2/Face

電気

入出力ポート

基準インピーダンス:
 50Ωに設定

 

積分路

 Path1を設定

外部境界条件

電気

開放境界

 

 

メッシュ/解析の設定

設定項目

条件

周波数依存メッシュの設定

参照周波数:12[MHz]

表皮厚みより厚い導体ボディを境界条件とするをチェック

 

解析結果

開放型のコイル(Coil1, Coil2)は12MHzあたりで自己共振するよう設計されており、実際に次の図が示すSパラメータから12MHzあたりで共振していることが確認できます。

 

自己共振を起こしている12MHzあたりではS21がS11よりも大きくなっておりPort1から入力された電力の大半がPort2へと伝送されていることがわかります。

 

次のグラフでは次式で示される効率(Efficiency)をプロット(橙)しています。

 

Efficiency = |S21| 2/ ( 1 – |S11|2 )

 

 

 

この図では比較として従来の吸収境界による結果(青)と、吸収境界を波源から十分離れた距離(10m)に設定した結果(黒)も示しています。

 

解析周波数における波長はおよそ25mであり、開放境界の位置は波源であるポートからよそ1mと非常に近い場所に設定されています。

従来の吸収境界ではこのように波源から近すぎる開放境界は精度が悪く、結果として吸収境界の結果(青)は今回用いた低周波解析用の

開放境界の結果(橙)と差が出ています。

 

波源から十分遠い距離に吸収境界を設定した結果(黒)と比較することで、低周波解析用の開放境界は波源からの位置が近いにもかかわらず

開放境界を精度高く実現していることがわかります。

[参考文献]

※1 近畿大学菅原賢悟先生のケルビン変換による方法を用いています

「電磁場開領域問題におけるケルビン変換の適用範囲拡大(その1)静磁場問題への適用 (静止器 回転機合同研究会・電磁界数値計算技術とその応用)」

 

 

 

 

 

 

 

 

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