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ワイヤレス電力伝送技術の研究開発と実用化の最前線    
Frontiers of Research and Development of Wireless Power Transfer
[コードNo.2016T019]

※ 本書籍はご試読頂けません ※

■監修/ 篠原真毅
■体裁/ B5判 263ページ
■発行/ 2016年8月29日 (株)シーエムシー出版
■定価/ 73,440円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-7813-1175-3

 
★デバイスを束縛する最後の有線接続である「給電」をワイヤレスで実現する最新技術の最前線!
★携帯電話や医療機器などのデバイスから自動車まで、国内のみならず海外の応用事例も広く紹介しています!
★新規格AirFuel Allianceや安全性の基準の標準化動向についても掲載、関係者必読!

キーワード

伝播 / 電力伝送 / 共振器 / 電磁誘導 / フィルター / アンテナ / 給電 / 整流 / GaN / マイクロ波 / マグネトロン/レクテナ / 電磁波防護 / Qi / AirFuel Alliance / WPC / ITU / エネルギー・ハーベスティング / 電気自動車 / 無線 / ロボット / 宇宙太陽発電 / 医療機器

刊行にあたって

ワイヤレス給電は古くは1900年前後にN. Teslaが実証実験(150kHzの電波送電他)を行ったり、同時期にM. HutinとM. Le-Blancが当時開発が盛んだった電気自動車のワイヤレス給電(3kHzの電磁誘導)の特許を取得したりしたことに始まる。1900年前後のこの取り組みは以降の研究開発にはつながらず、いったんは歴史から姿を消すことになるが、電磁誘導を用いたワイヤレス給電も電波を用いたワイヤレス給電も1960-90年代に様々な研究開発は行われていた。電磁誘導を用いた電動歯ブラシのワイヤレス充電器が商品化されたのは1981年であるし、同じく電磁誘導を利用したICカード規格Felicaが発売されたのは1995年である。しかし、これらの研究開発や商品は世間一般に目立つようなものではなかった。
2007年にMIT(マサチューセッツ工科大学)が発表した共鳴(共振)送電は、瞬く間に世間の注目を集め、それまで目立たなかったワイヤレス給電が広く認知され始めるきっかけとなった。その後、携帯電話の置くだけ充電器の世界標準化を目指したコンソーシアムが複数設立され、2010年前後より様々な国際学会でもワイヤレス給電研究が大きく取り上げられ、現在につながることとなった。ワイヤレス給電は、パワーエレクトロニクスや高周波回路技術、アンテナ技術、半導体技術等様々な技術を基盤としてその組み合わせとエネルギーという新しい視点を取り入れることで成り立つため、古くも新しい技術としてその実用化の期待が高まったのである。高まりすぎた期待が近年「ワイヤレス給電はこの先なくなるの?」という疑問も生んだりもしているが、逆にこのような疑問が生まれた背景を技術的に克服し、ワイヤレス給電の一層の実用化を加速するように現在は研究開発が行われている。これまで電波法的には定義すらなかったワイヤレス給電は、電波の利用法について議論する国際会議International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R)で2013年以降議論が一気に活発化し、並行して電波利用機器の利用法や規格等を定めるARIB(一般社団法人電波産業会)やCISPR(国際無線障害特別委員会)でもワイヤレス給電について議論されるようになった。2015年後半には電波法施行規則の一部を改正する省令が総務省より発行され、国際的にも国内的にもワイヤレス給電の実用化の加速が始まっている。
本書第1章ではワイヤレス給電技術の総論として、ワイヤレス給電の基礎理論、2007年以前のワイヤレス給電の研究開発の歴史と、2007年以後のワイヤレス給電の標準化や国際動向、安全性やEMCの議論を述べている。第2章ではワイヤレス給電が最も期待されている自動車へのワイヤレス給電の応用の最新状況を述べている。第3章では携帯電話やホームユース、工場内搬送車等、様々なワイヤレス給電の応用の最新状況を述べている。本書では電磁誘導を用いたワイヤレス給電も電波を用いたワイヤレス給電も両方をカバーしており、また日本のみならずアメリカ、ヨーロッパ、韓国の研究開発現状もカバーしている。本書を通じ、ワイヤレス給電の基礎から最新の世界のワイヤレス給電の研究開発の現状まですべて俯瞰することができるはずである。

京都大学
篠原真毅

著者一覧

篠原真毅京都大学
平山裕名古屋工業大学
高橋俊輔早稲田大学
松木英敏東北大学
藤野義之東洋大学
庄木裕樹(株)東芝
Nuno Borges CarvalhoInstituto de Telecomunicacoes;Universidade de Aveiro
Apostolos GeorgiadisHeriot-Watt University
Pedro PinhoInstituto de Telecomunicacoes;Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Ana ColladoHeriot-Watt University
Alirio BoaventuraInstituto de Telecomunicacoes;Universidade de Aveiro
Ricardo GoncalvesInstituto de Telecomunicacoes;Universidade de Aveiro
Ricardo CorreiaInstituto de Telecomunicacoes;Universidade de Aveiro
Daniel BeloInstituto de Telecomunicacoes;Universidade de Aveiro
Ricard Martinez AlconUniversitat Politecnica de Catalunya
Kyriaki NiotakiBenetel Ltd.
大西輝夫(株)NTTドコモ
平田晃正名古屋工業大学
和氣加奈子(国研)情報通信研究機構
日景隆北海道大学
横井行雄京都大学
高橋俊輔早稲田大学
Seungyoung AhnKAIST
大平孝豊橋技術科学大学
石野祥太郎古野電気(株)
中川義克インテル(株)
Hatem ZeineOSSIA INC. CEO
Alireza SaghatiOSSIA INC.
鶴田義範(株)ダイヘン
細谷達也(株)村田製作所
原川健一(株)ExH(イー・クロス・エイチ)
張兵(国研)情報通信研究機構
牧野克省(国研)宇宙航空研究開発機構

目 次

第1章総論
1ワイヤレス給電の理論―電磁誘導とマイクロ波送電の関係性―
1.1そもそも、電力とは
1.2そもそも、ワイヤレス電力伝送とは
1.3ワイヤレス給電システムの分類
1.4ワイヤレス給電システムの構成要素
1.4.1結合器
1.4.2ワイヤレス給電システムにおける周波数変換・インピーダンス変換・モード変換の実装方法
1.4.3近傍界型ワイヤレス給電システムにおける構成要素のパラメータ
2電磁誘導方式ワイヤレス給電技術の歴史―EV―
2.1はじめに
2.2移動型ワイヤレス給電
2.3静止型ワイヤレス給電
2.4おわりに
3電磁誘導方式ワイヤレス給電技術の歴史―医療応用―
3.1はじめに
3.2非接触電力伝送方式
3.2.1マイクロ波方式
3.2.2磁界共鳴方式
3.2.3電界共鳴方式
3.2.4電磁誘導方式
3.3医療分野への応用
3.3.1充電式心臓ペースメーカ
3.3.2運動再建電気刺激装置
3.3.3人工心臓
3.4生体影響の考え方
3.4.1100kHzまでの低周波電磁界
3.4.2100kHzを超える高周波電磁界
3.4.3静磁界に対するガイドライン
4マイクロ波方式ワイヤレス給電の歴史
4.1マイクロ波方式ワイヤレス給電の歴史
4.2実証試験を中心としたマイクロ波受電技術
4.3まとめ
5ワイヤレス給電、日本と世界はどう動くのか―標準化の最前線から―
5.1はじめに
5.2制度化・標準化における課題
5.3我が国における制度化
5.4利用周波数の国際協調
5.4.1これまでの国際協調議論
5.4.22016年ITU-R SG1会合の結果
5.4.32016年ITU-R SG1会合以降の対応について
5.5CISPRにおけるEMC規格の標準化状況
5.6IEC TC106における電波暴露評価、測定方法の検討
5.7標準規格化の動向
6Far-Field Wireless Power Transmission For Low Power Applications
6.1概要―小電力応用のための遠距離ワイヤレス電力伝送―
6.2Introduction
6.3Far Field WPT? Rectenna design:recent progress and challenges
6.4Novel materials and technologies? Use of cork as an enabler of smart environments
6.4.1Cork permittivity and loss estimation
6.4.2Design of an UHF RFID tag antenna
6.4.3RFID tag measurements
6.4.4Humidity sensors based on cork
6.4.5Conclusion
6.5Applications―Bateryless Wireless Sensor Networks
6.6Applications―Bateryless Remote Control
6.6.1The proposed system
6.6.2Simulation and measurement results
6.6.3The demonstration prototype
7ばく露評価と国際標準化動向
7.1はじめに
7.2評価指標
7.3ばく露評価手順
7.4ばく露評価例
7.4.1電気自動車用ワイヤレス充電
7.4.2モバイル用ワイヤレス充電
7.5国際標準化の動向
8ワイヤレス給電とEMC―ペースメーカを一例に―
第2章自動車への展開
1EV用ワイヤレス給電の市場概要と今後の標準化ロードマップ
1.1はじめに
1.2ワイヤレス給電の市場概要とロードマップ
1.2.1EV・PHVロードマップ
1.2.2世界のEV・PHEV市場の動向
1.2.3充電インフラとワイヤレス給電の市場
1.3ワイヤレス給電と法制度と規則
1.3.1漏えい電磁界の許容値
1.3.2利用周波数の選定;ITU WRCでの国際的検討
1.3.3人体安全の側面
1.4EV向けワイヤレス給電の国際標準化
1.5今後の展開
2EVバスへのワイヤレス充電システムの開発動向
2.1はじめに
2.2バス用ワイヤレス充電システムの初期の歩み
2.3EVバス用ワイヤレス充電システムの開発動向
2.3.1マウンド方式
2.3.21次コイル可動方式
2.3.32次コイル昇降方式
2.3.4大ギャップ方式
2.4おわりに
3Korean WPT to EV-OLEV
3.1概要-韓国における電気自動車へのワイヤレス給電技術-OLEV
3.2Wireless Power Transfer Technology in Korea
3.2.1Previous and Researches on Wireless Power Transfer
3.3Vehicular Wireless Power Transfer System
3.3.1Concept of On-Line Electric Vehicle
3.3.2Design of OLEV
3.3.3Electromagnetic Field Issue
3.3.4Commercialization
3.4Future Wireless Power Transfer System in Korea
3.4.1Railway Systems
3.4.2Unmanned Aerial Vehicle
4電化道路電気自動車(EVER)
4.1ワイヤレス3本の矢
4.2ワイヤレス電力伝送
4.2.1磁界結合
4.2.2電界結合
4.2.3任意構造への理論拡張
4.3電気自動車
4.3.1停車中充電から走行中給電へ
4.3.2車輪経由電力伝送(V-WPT)
4.3.3右手左手複合系電化道路
4.3.4遠端全反射を利用した移動負荷整合方式
4.3.5バッテリーレス電気自動車
5管内ワイヤレス電力伝送技術の車載応用
5.1車載ワイヤレス技術の動向と要求
5.2管内ワイヤレス電力伝送
5.2.1マイクロ波送電の実用課題
5.2.2管内ワイヤレス電力伝送
5.2.3樹脂導波管技術
5.3ワイヤレス電力・通信伝送
5.3.1伝送方式
5.3.2卓上モデルの評価
5.4今後の展望と課題
第3章携帯電話他への応用展開
1AirFuel Allianceの現状と今後の展開
1.1はじめに
1.2AirFuel Allianceの組織構成
1.3AirFuel Inductive WCの活動
1.4AirFuel Resonance WCの活動
1.5AirFuel Uncoupled WCの活動について
1.6AirFuel Infrastructure WC
1.7最後に
2Remote Wireless Power Transmission System‘Cota’
2.1概要―遠隔ワイヤレス電力伝送システム「Cota」
2.2Abstract
2.3Introduction
2.4Operation Concepts
2.4.1Tuning techniques
2.4.2Near Field Retrodirective Arrays
2.4.3Employing multi-path propagation in Cota’s favor
2.4.4Near-field vs. Far-field power transfer
2.5System
2.5.1The Charger-Client Concept
2.5.2Beaconing
2.6Applications
2.6.1Charging Multiple Devices
2.6.2Safety
2.7Conclusion
3工場内自動搬送台車(AGV)へのワイヤレス給電
3.1はじめに
3.2磁界共鳴方式によるワイヤレス給電の電力伝送原理
3.3AGVの市場について
3.4AGVのワイヤレス給電化の利点について
3.5AGVで使用されている蓄電デバイス
3.6蓄電デバイスとしての電気二重層キャパシタ(EDLC)利用の利点について
3.7実用例
3.8まとめ
4小型MHz帯直流共鳴ワイヤレス給電システムの設計開発
4.1はじめに
4.2直流共鳴ワイヤレス給電システムと高周波パワーエレクトロニクス
4.2.1直流共鳴ワイヤレス給電システムの構成
4.2.2パワーエレクトロニクスにおけるワイヤレス給電
4.2.3高周波パワーエレクトロニクス
4.2.4ワイヤレス給電と絶縁形スイッチング電源
4.2.5共鳴ワイヤレス給電における先行技術
4.2.6直流共鳴方式とMITが示した磁界共鳴方式の比較
4.2.7インピーダンス変換とインピーダンス整合
4.2.8小型MHz帯ワイヤレス給電
4.2.9ワイヤレス給電の回路トポロジー
4.36.78 MHz帯磁界結合方式直流共鳴ワイヤレス給電システム規格
4.3.1システムの概要
4.3.2システム構成
4.3.3システムの仕様
4.3.4電力管理仕様
4.4直流共鳴ワイヤレス給電システムの設計
4.4.1直流共鳴ワイヤレス給電システムの構成
4.4.2直流共鳴ワイヤレス給電システムの電力変換動作
4.4.3共鳴フィールドの周波数領域解析
4.5共鳴結合回路の統一的設計法(MRA/HRA/FRA手法)
4.5.1複共振回路解析(MRA)
4.5.2入力インピーダンスと電圧利得の解析
4.5.3GaN FETを用いた10 MHz級50 W動作実験
4.5.4最適ZVS動作とGaN FETを用いた6.78MHz実験
4.5.5共鳴フィールドの実証実験
4.6まとめ
5電界結合方式を用いた回転体への電力伝送技術
5.1まえがき
5.2電界結合方式
5.2.1電界結合とは
5.2.2回路方式
5.3在来技術との比較
5.4実施例
5.5まとめ
62次元Surface WPT
6.1はじめに
6.2表面電磁界結合WPT技術の概要
6.3電力伝送をする周波数とその共用検討
6.4Q値の算出方法
6.4.1送電シートのQ値の算出方法
6.4.2受電カプラのQ値
6.5電力供給制御方式
6.6表層メッシュパターンの検討
6.7レトロディレクティブ方式による電力伝送
6.8おわりに
7宇宙太陽光発電システムを想定したマイクロ波ビーム方向制御技術の研究開発
7.1はじめに
7.2宇宙太陽光発電システム(SSPS)の概要
7.3過去に世界各国で検討された代表的な宇宙太陽光発電システム(SSPS)
7.4日本において検討されてきた代表的な宇宙太陽光発電システム(SSPS)
7.4.1発送電一体・テザー型SSPS
7.4.2反射鏡型SSPS
7.5宇宙太陽光発電システムの実現に向けて(マイクロ波無線電力伝送地上実証試験の実施)
7.5.1マイクロ波による送電ビームの方向制御方式
7.5.2マイクロ波ビーム方向制御装置の開発
7.5.3マイクロ波ビーム方向制御精度評価試験(屋内試験)
7.5.4屋外でのマイクロ波による無線電力伝送
7.5.5無線電力伝送の実用化に向けた技術実証(デモンストレーション)
7.6おわりに



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