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電磁界シミュレーションの可能性
～ワイヤレス給電の飛躍的な普及を目指して～

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電磁界シミュレーションの必要性

電磁界を数値的にシミュレーションする研究は1960年代に始まりました。そしてここ数十年間のコンピュータの発展は著しく、かつてはスーパーコンピュータでしか計算できなかったようなシミュレーションでさえ、今や汎用のパソコンでも可能になりつつあります。こうして2000年以降には電気機器の設計現場においても電磁気シミュレーションの技術が導入され、机上検討を行うことにより、設計試作の回数を減らす、すなわち開発期間の短縮やコスト削減のために活用されています。
当研究室（電磁気応用研究室）は、電気学会の「電磁界解析の高度化技術調査専門委員会」に属しており、後出の村田製作所の新製品に私たちの研究成果が実装される事例のように、電磁界シミュレータベンダーも加わった中で、主に電磁界解析技術の高度化に寄与しています。

ワイヤレス給電における電磁界シミュレーション

ワイヤレス給電の設計においては、2つの重要な特性(1)電力伝送効率、(2) 漏洩電磁界強度を念頭に置かなければいけません。まずその特性について簡単に説明をすると

1. 電力伝送効率
   現状のワイヤレス給電の電力伝送効率は80%～95%であり、この要因は導体による損失、誘電体による損失、磁性体による損失、そして放射による損失が挙げられます。もちろん、伝送効率は高いほうが望ましいことは言うまでもありません。
2. 漏洩電磁界強度
   電波の利用に関して定められた電波法や、そもそも人体に与える影響への配慮により、受電装置外に放射される電磁界強度は厳密に規制されています。ですから大電力を送電しようとすると、その際に生じる放射電界強度を下げることが必要になってきます。

当研究室では、ワイヤレス給電の上記の2つの重要な特性を電磁界シミュレーションで計算する技術を研究しています。
ワイヤレス給電に用いられる周波数は数十kHz～数MHzであり、これは従来通信に用いられてきた数100MHzと比べると低周波ということになります。そのため、計算領域端部の境界条件に高周波を前提とする従来法を適用すると、正しく計算できません。そこで、当研究室ではImprovised Absorbing Boundary Condition(IABC)という方法を改良し、従来法では正しく計算できなかった電力伝送特性を正しく計算させることに成功しました（下図）。また、当研究室で開発した計算領域端部からの誤差を補正する「摂動近似法」は、2015年度エレクトロニクス研究会 優秀論文として表彰されました。これは村田製作所のFEMTET®というCAEソフトの次期バージョンに実装される予定です。

FEMTET®の製品情報

ワイヤレス給電装置の電力伝送特性の図

ワイヤレス給電装置の電磁場分布の図。左端：補正前／右端：補正後

メッセージ

私たちの研究室が手がけているワイヤレス給電の電磁界は、無線通信機器で使用される高周波と、モーターなどで発生する超低周波の間に位置する中間周波数領域で、これまであまり積極的に手がつけられなかった分野と言えます。電磁界シミュレーション技術自体は、私の主観ではおよそ80％が技術的にも完成されていますが、残りの20％の未解明の課題には、中間周波数帯域における電磁界シミュレーション技術が多く含まれていると考えています。

そこで、この残り20％を研究し解明していくことで電磁界を完全に掌握し、技術的に利用することが可能にすることで，電磁界に関わる製品技術開発がより安く、広範囲に普及して行く助けになると考えています。

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