ワイヤレス給電
ワイヤレス給電とは、導線を用いず電力を送受する技術である。送電側で電磁界を生成し、受電側がそれをエネルギーとして取り出す。方式は近距離の電磁誘導・磁界共鳴、中距離の電界結合、遠距離のRF・マイクロ波・光学方式に大別できる。コネクタ摩耗や接点腐食の回避、密閉・防水設計、回転・移動体への給電といった利点をもつ一方、効率・距離・位置合わせ・電磁適合性のトレードオフが本質課題である。民生ではWPCのQiが普及し、産業・モビリティでは高耐環境・高出力の専用規格が使われる。用語としてWPT(=Wireless Power Transfer)が併用されるが、本稿ではワイヤレス給電で統一する。
物理原理
電磁誘導は送受コイル間の相互インダクタンスMにより起電力が生じる現象で、結合係数kとQ値が効率を左右する。磁界共鳴は両側をLC共振させインピーダンス補償で結合を強め、数cm～十数cmの距離でも有効にエネルギー移送できる。電界結合は容量性電極で高周波電界を介して電力を伝える。放射型は電磁波として送信し、受信側アンテナと整流器(レクテナ)で直流に変換する。いずれも結合の強さ、周波数、損失(銅損・誘電損・渦電流損)が指標となる。
技術方式
- 電磁誘導方式：数mm～数cm、100 kHz～500 kHz。Qiに代表され、位置合わせが重要。
- 磁界共鳴方式：数cm～数十cm、数百kHz～数MHz。複数台同時給電や自由度の高い配置が可能。
- 電界結合方式：薄型電極で実装容易。金属環境では損失増大に留意。
- RF/マイクロ波方式：915 MHzや2.45 GHz等。長距離だが出力は小さく用途限定。
- 光学/レーザ方式：高指向性で距離を稼げるが見通しと安全対策が要る。
規格とエコシステム
民生機器ではWPCのQiが事実上の標準で、BPP(5 W級)やEPP(15 W級)などプロファイルを定め、FOD(異物検出)や制御通信も規定する。AirFuel Allianceは共鳴系や電界結合系を推進する。モビリティ分野では車載向けの車室内Qi、車両用地上パッド給電では国際規格や業界標準が整備されつつある。産業用途では独自仕様も多く、部材・環境・電磁適合の要件に合わせて最適化される。
効率と距離のトレードオフ
効率ηは主に結合係数k、Q値、補償回路の設計で決まる。コイル間距離や軸ずれが増えるほどkが低下し、発熱と伝送損が増える。薄型化は漏れ磁束の増加やシールド不足を招きやすい。金属片やコイン等は渦電流で局所加熱を生むためFODが必須である。近接・整列時の誘導/共鳴は高効率だが距離に敏感、逆にRF・光学は距離に強いが総合効率は低下する。
回路構成
送電側はDC-ACインバータ(フル/ハーフブリッジ)で高周波電流を生成し、補償コンデンサと送電コイルで磁界を形成する。受電側は整流(同期整流を含む)とDC-DCで所望電圧に変換する。制御はASK/FSK等のバックチャネルで電力要求や温度・位置情報を伝送し、出力・周波数・デューティを最適化する。半導体は低損失FETやGaNが好適で、フェライトシートやリッツ線で損失低減を図る。
安全性と法規
人体曝露はICNIRP等の指針に基づき設計し、漏えい磁界や表面温度上昇を監視する。金属異物・過熱・過電流・過電圧の保護は多重に実装する。EMC/EMIの観点では伝導・放射ノイズ、他機器(特に通信系)との共存を評価する。各国の電波・無線設備規制への適合、認証(いわゆる技適等)や規格試験への対応が製品化の前提となる。
応用
- スマートフォン/ウェアラブルの日常充電
- 電動歯ブラシや密閉小型機器の給電
- AGV/ロボットの非接触ドッキング
- 医療用体内デバイスの経皮給電
- EVのパッド式充電や停車中補給
- 水中・粉塵・防爆環境でのセンサ給電
歴史的背景
初期の着想はテスラに遡るが、実用化は小電力の誘導応用から進展した。電動歯ブラシや産業用誘導加熱が普及し、2000年代後半にスマートフォンの普及とともに標準化が加速した。共鳴方式は配置自由度の向上を狙って研究開発が活発化し、部材・制御の進歩が民生から産業へ波及している。
設計上の要点
コイル径・巻数・線種(リッツ)・フェライトシールドでQと漏れ磁束を制御し、補償トポロジ(Series/Parallel/Hybrid)で伝送条件を整える。周波数選定は損失・騒音・規制帯域の折衝である。熱設計ではコイル・半導体・磁性体の損失配分を計算し、温度センサと制御で上限を守る。位置ずれ許容度を高めるための多コイル/誘導板や磁気アライメントも有効である。
課題
位置合わせ感度、金属近接による発熱、距離増加時の効率低下、EMI対策、部材コストが代表的課題である。機器間相互運用性や異物検出の確実性、ユーザビリティ(置きやすさ・発熱感)も品質を左右する。用途別の規格差異が設計複雑度を高めるため、要件定義と試験計画の早期確立が重要である。