Analysis of Induced Electromotive Force of Environmental Magnetic-Field Generator

Sotoshi YAMADA, Shinji IKEDA, Kunihisa TASHIRO
2020 Journal of the Japan Society of Applied Electromagnetics and Mechanics  
The functions of sensing, control and communication in wireless sensor devices could be driven with minute electric power below mW level. In these devices, attention has been paid to minute electric power supply from environmental energy (light, heat, vibration, electromagnetic fields, etc.) instead of batteries. The power induced by leakage magnetic fields is a stable minute sources secured near electric power equipment. We proposed an environmental magnetic-field generator consisting of a
more » ... consisting of a solenoid coil and an prolate shelltype magnetic core to compress low-level magnetic fields below mT. The analytical equation of the electromotive force induced on the generator could be derived to characterize the performance. The validity of the equation was discussed by comparing the experimental results of the tested models with the calculated values by the expression. It was clarified that the shape of the generator was discussed and that a small power of mW level could be supplied. (2020 年 3 月 31 日受付,2020 年 6 月 7 日再受付) 1 緒言 工業生産業界の生産管理や効率的な生産プロセス にむけてIoT技術が積極的に採用されている[1]。その 状況の中,ワイヤレスセンサは情報を検出,ネットワ ークにアップロードする重要な要素である。ワイヤレ スセンサは,センサ,情報処理,通信のそれぞれのデ バイスとこれらに電源を供給するする電源部からなる。 センサや通信デバイスの省電力化によりボタン電池の ような小電源装置でも数年以上の期間で駆動できるよ うになっている[2]。 ワイヤレスでの小電力の供給には,電池のほかに環 境エネルギー(光,熱,振動,電磁界,など)から供 給するエネルギーハベストが検討されている。 しかし, 環境エネルギー源は環境に依存する不安定で小エネル ギー源であり,ワイヤレスセンサを設置する場所等の 状況を分析しエネルギー源を選択する必要がある。本 稿で対象とする環境中に存在する交流磁界に基づく環 境磁界発電器は,たとえば漏洩磁界が周りに寄生する 電力機器の近傍のワイヤレスセンサに適用できる[3-7]。 本稿では環境磁界のエネルギー源に基づく環境磁 界発電器について,環境磁界レベル(サブmTから数 mT) , 商用周波数(50, 60 Hz)からIoT機器を駆動できる 数Vから数10Vの交流電圧,mW から数10 mWレベル の電力を連続的に供給できることを目的とする。 本稿では,ソレノイドコイルと低レベルの環境磁界 を増大する形状の磁心から構成した発電器を対象にそ の起電力の解析式を導出した。磁心は軽量化のため柱 状の磁心に変えて新たにシェル構造を提案する。補講 では,シェル形磁心の発電器を試作し,解析式による 電圧,電力などを検証したので報告する [8] 。 2 環境磁界発電器と起電力の解析 2.1 環境磁界発電器 低レベルの環境磁界からワイヤレスセンサ等に利 用可能な電圧・電力を得るためには,環境磁界を収束 し増強させる機構が必須である。これにより発電装置 の体積を押さえながら発電量を増大できる。本稿で対 象とする環境磁界発電器は,Fig. 1に示すような細長い 磁心にソレノイド状のコイルを巻いた単純でかつ製作 容易な構造である。発電器は,Fig. 1(a)に示すように発 電器の軸方向と磁界方向と一致させて配置する。一様 な方向と分布と仮定した環境磁界中に配置した環境磁 界発電器の磁心には, Fig. 1(b)のように周りの磁界が集 まる。これを磁束収束作用と呼ぶ。磁心の磁束収束が 効率的に作用させることにより,起電力および電力を 増加する。 連絡先:山田外史,〒923-8511 石川県小松市四丁町ヌ1-3 公立小松大学生産システム科学部
doi:10.14243/jsaem.28.156 fatcat:srg4wq7slbcfnlst56wlfu623e