磁界方式のワイヤレス給電

Ｑ値

コイルの品質（Quality Factor）を表す指標です。Q値が高いほど、高周波にとって損失の低いコイルとなります。Q値は、インダクタンスL、抵抗R及び周波数で定義され以下の計算式が用いられます。

Q値は、0から∞の範囲となり、周波数が一定であれば、形状とサイズ、材料で決まります。これらの計算式より、Lや周波数がある程度高くする必要があることや、コイル材質の抵抗を減らすことが重要と分かります。Q値は、現実的には一定の値に収まり、大量生産されるコイルでは、100前後になります。1000を超えるコイルは技術的に困難で、10以下は実用的ではありません。周波数によって、大きく変化し、ある周波数で最大値になります。

共鳴方式では、高Q値のコイルを用いる事で、低い結合係数（コイル間の距離）を補っています。 

これらの結合係数（ｋ）及びＱ値により、ワイヤレス給電の伝送効率が決まり、k・Qの積が大きいほど効率が良くなると考えられています。 

 

磁界方式のワイヤレス給電における代表的なパラメーター

ワイヤレス給電を構成するコイルの特性が非常に重要なことが分かりますが、その中で代表的なパラメータやキーワードについて説明します。これら各要素が絡み合う為、各性質を理解した上、コイル設計を進める必要があります。

　 インダクタンス 　
　 キャパシタンス 　
　 LC共振回路 
　 直列共振 
　 並列共振 
　 自己共振周波数 
　 表皮効果と近接効果 
　 直流抵抗 

 インダクタンス 

誘導係数とも言い、同じ電流値であれば、インダクタンスが大きい方が誘導起電力が大きくなります。Ｈ（ヘンリー）という単位を使います。コイルの巻き数と形状で決まり、同じ形状であれば、コイルの巻き数の２乗に比例します。インダクタンスはフェライトコアや周囲金属によっても変動します。

　　　

 
以下の表は実際に5種類のコイルで実測したインダクタンス値です。コイルの径が大きい程、また巻数が多い程、インダクタンス値が大きくなっているのがわかります。



コイルは直流電流をスムーズに通しますが、交流電流に対しては抵抗のように作用します。これを誘導性リアクタンスと言います。電流と磁気の関係で、電流が大きくなると、逆向きの電流を発生させる磁界が発生し、逆に電流が小さくなると、それを大きくする方向に磁界が発生します。誘導性リアクタンスは、周波数に比例して、大きくなります。

　　　

 キャパシタンス 

電気容量の事で、コンデンサーなど絶縁された導体において電荷をどのくらい蓄えられるかを示す量の事です。Ｃ（ファラド）という単位を使います。コイル自身も微小ですがキャパシタンスを持っています。

キャパシタンスが交流回路において、電流の流れを妨げる働きを容量性リアクタンスと言います。誘導性リアクタンスとは逆の性質があり、周波数に反比例します。

 LC共振回路 

コイル（Ｌ）とコンデンサー（Ｃ）で構成された回路で、誘導性と容量性のリアクタンスが等しいときに共振現象が発生します。共振現象が発生すると、コイルを経由して、コンデンサの電極間を電荷が行ったり来たりします。実際には内部抵抗により、エネルギーは減衰していきます。共振が発生する周波数は、計算式で算出する事が可能です。ラジオでは、特定の周波数に合わせる事で、その局の搬送周波数に共振させています。

共振は、コンデンサー（C）の接続位置により、直列共振と並列共振があり、それぞれ特性があります。

 直列共振 

共振周波数(fr)で、回路を流れる電流(i)が最大となります。インピーダンスは最小となります。

 並列共振 

共振周波数(fr)で、回路を流れる電流(i)が最小となります。インピーダンスは最大となります。

 

 自己共振周波数 

コイル自身のキャパシタンスとインダクタンスによって共振が生じる周波数です。誘導性リアクタンスは、周波数が高くなるほど、大きくなりますが、逆に容量性リアクタンスは、低くなります。この２つのパラメーター（インピーダンス）のバランスが取れた周波数を共振周波数と言い、インピーダンスが最大になります。自己共振周波数を超えると、コンデンサとしての機能が支配的になり、コイルとしては機能しなくなります。

 

 表皮効果と近接効果 

表皮効果とは、導線をつかって交流を流す時、周波数が高いほど、導線の表面しか流れなくなる現象です。その為、ワイヤレス給電では、この対策としてリッツ線（撚線）を使い、効率よく電流を流す事が多いです。

　

また、近接効果とは、平行する導線同士が発する磁場によって電流密度にムラが出来て、抵抗があがり、減衰しやすくなる現象です。

 

 直流抵抗 

インダクタを構成する導体へ直流を流した時の抵抗値です。導線が長いほど、抵抗は大きくなります。断面積が大きい程、抵抗は小さくなります。

抵抗値（R）は、材質によって決まる電気抵抗率（p）、物体の長さ（ℓ）、断面積（A）により、左記計算式で求める事が出来ます。

 

ワイヤレス給電の法規と人体への影響について

 

 

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ワイヤレス給電／充電とは？