1

24-1-01 - JST

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 24-1-01 - JST

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

(1) 1

��������������

Magnetic Energy Harvesting Project �

�����*1�����

�Kunihisa TASHIRO (Mem.)

This article describes the motivation and basis of magnetic energy harvesting project. Magnetic field is a reusable energy source to be used for both energy harvesting and wireless power transmission applications. From a human effects perspective, ICNIRP2010 provides a guideline for acceptable electromagnetic field level. In this project, "environmental magnetic field" means this acceptable magnetic field level. The main purpose of this project is to provide both of "self-generating parts" and "killer applications" using environmental magnetic fields.

Keywords: magnetic energy harvesting, environmental magnetic field, self-generating parts, killer application �

�����

������������2015 � 12 ������

������ICST2015�The 9th international conference on sensing technology���������������

�[1]������������� EnOcean[2]����

����� Technische Universität München � Norbert Schwesinger �������������������

������������������������

� 1000 ���������������������

������������������������

������������������������

����������������������10,000������������������������

1000 ����������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

����������������Concept of magnetic sonification device � � � � 1st runner up: paper presentation, ICST2015 �������

����������������������

������2007 �� MIT � Kurs �� Science ��

�����[3]������������������

������������������������

����������� 90 %�����������

������������������������

������������������������

�������������������������

���������������� 2 �� 90 %���

������������������ 72 %����

������������������������

������������������������

���������������������

ICNIRP2010 [4]�����������������

������������������������

������������������������

������������

2011 ������������[5]��2012 ��

Metrology for energy harvesting (European metrology programme) � e-newsletter ��������[6]���

�����2007 �� MIT ������ Science ���

������������������������

������������������������

�����������������������

������������������������

�������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�������������[7]����������

���� ������380-8553 ����� 4-17-1����

���������e-mail: [email protected] *1����

�� � ������

Page 2: 24-1-01 - JST

(2)2

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

������������������������

������������������������

������������������������

�������������������

2.1 ���������

���������������������

�SDTC������������ 20 �������

������������������������

������������������������

�����������������CMOS ����

���� AC/DC ����������������

�����������������������

[7]���� 2012 � 6 ������� 5 ������

������������������������

����� 10 �����������������

��2015� 1���������������� 3��

������� 1 ������������� 5 ��

����� 3 ������������������

25 � � � � � � � � � � � � � � � � �

�PLANTheFirst �����������������

�����������������������2014� 12 ����������������������

�������������������������

��[8]���������������������

������������������� 6 ����

�����2014 � 5 ����� 12 ��������

���� 2 ��������������������

�����������������������3������������������������

������������������������

������������������������

������������������� 3 ����

�������

Fig. 1 ��������������������

������������������������

���������������� ICNIRP2010 ��

������������������������

��������������������2015 � 6������������������������

������������������������

�������� 2 ���������������

������������������������

������������������������

������������������������

���������������������

2.2 �����������������

2012 � 5 �������������������

������������������������

������������������������

�����[9]������������ 1 � 6 ���

������������������������

��������� 240 �������������

������������������������

���������� 81�������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

��[10]��������������������

����������(EMS)����������

�����������������������

����������������� 2 ������

���������������Fig. 2 ������

[11]����������������������

���������� 1 �������������

������������������������

����� 100 V ����������������

Fig. 1 Magnetic energy harvesting project in Shinshu University.

Page 3: 24-1-01 - JST

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

(3) 3

������������������������

������������������������

����������� 2 ������������

� 0.2 A ��������������������

������������������������

������������������������

��������������EnOcean������

������������������������

������������������������

���������Fig. 3 ������������

�������������������� 300 ��

������������������������

������������

2.3� ������������������

�����������������������

������������ 2 �����������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�����������������ICNIRP2010 �

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

��������������3 ���������

������������������������

������������������������

������������������������

������������

Fig. 4 � 3 ������������������

������������Fig. 4(a) � Simple-Cubic-3�������(SC3)����������� 3 ���

��������SC3 ���� d [m]��������

d / 2 ���� 3 �����������������

������� 2:1:2 ��������������

����������SC3 ������ 3 �����

�������������� d / 2 ��������

������������������������

��� 2.978/d [�T/A]������[12]�������

�� 24:12:24������� 2 m ������1 A ��

Fig. 2 Wireless current sensor without battery.

Fig. 3 Power monitoring system.

Fig. 4 Examples of coil system for generating environmental magnetic fields to desired space.

Page 4: 24-1-01 - JST

(4)4

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

������� 17.87 �T ����������3 ��

������������������������

������������������������

��������������� Fig. 4(b) �Simple-Box-9 �������(SB9)���������

�� 9 �����������SB9 ���� d [m]��

������d / 4��������9��������

����������������2:1:1:1:1:1:1:1:2�������������������������

������������ 4.762 / d [µT/A]�����

�������������� 2 m��������

��� 4 m), ���� 28:14:14:14:14:14:14:14:28 ��

����1 A ��������� 37.04 µT �����

�����SB9 ������������ 20 %���

��� 1 %���� 50 %������ 10 %����

���������[12]��� SB9 ��������

������������������������

�����������SB9 �����������

����������������� Fig. 5 ����

���������� 141.4 �Tp-p, 60 Hz ������

1 %�� 10 %������������������

������������������������

������������������������

������������������������

� 10 %��������������������

20 %������

������������

3.1 ���������

Fig. 6 ��������������������

������������������������

��� 50/60 Hz �� ICNIRP2010 ���������

������������ 0.2 mT ��������

������������������� 2 ����

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�������� Cockcroft-Walton ��(CW ��)��

Fig. 5 Example of measured harvesting power.

Fig. 6 Energy flow in the energy harvesting device.

(a) Equivalent circuit

(b) Configuration example with Brooks coil Fig. 7 Example of energy harvesting module.

Page 5: 24-1-01 - JST

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

(5) 5

������� CMOS �������������

������������������������

3.2 ���������

����������������������

�� Fig. 7(a)������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�� Fig. 7(b)�������� c��� 2c��� 4c ��� 1:2:4 ��������(Brooks ���)�����

�������[13]�

W = c5× (27�3 � f 2/16�)×(µ0H) 2 [W] (1)

����c [m]����������������f [Hz]����������� [�m]����������µ0H[T]�����������������������

������������������������

������� 1 ����������������

������������������������

����������������������� c� 5 ���������������� 2 �����

�������������������������

������������������Fig. 8 ���

�������������������[14]���

������������������������

��Q ���������������������

���������������������Fig. 7(b)����������������60 Hz �����

� 20 ��������� g ������������

���� Q �������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�� µeff ������������������[15]�Fig. 9 � Brooks �����������������

����������� Fig. 7(b)���������

��������������0.2 mT, 60 Hz ����

Fig. 8 Concept of the magnetic flux concentration [14].

Fig. 9 Estimated power as a function of coil size[13].

Fig. 10 Optimum load based on maximum power transfer theorem.

Fig. 11 Equivalent circuit of a magnetic energy harvesting device having power converting module.

Page 6: 24-1-01 - JST

(6)6

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

������� 2 cm �������� 1 µW ����

��2 ��������������������� 2cm ������������ 50,000 �������

�������� 50 mW ������������

������������������������

�� 30 cm � 320 cm � Brooks ���������1 W� 100 kW �������������������

������������������������

���������������

3.3 ���������

Fig. 10 ����������� Vin [V]����� R[�]��������� RL [�]����������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

���������������������(RL=R)����������������������(Vout

= Vin/2)����Fig. 11 ��������������

������������������������

������������������������

�����������������������

Vcw[V]���������������������

������Vout [V]���������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

Vcw = (1/2) Vin������������������

���Vout� Vcw���� s ������������

����� R ��� RL �������������

����������������������[16]�

RL = 2s2R [�] (2)

Fig. 12�CW������������������

������������������������

������������������������

��������������� RIdeal�������

������������������������

������������������������

��� 40 %������������RIdeal�����

�������������� 6 %��������

���������

��������������

4.1 ������������

�����������������������

������������[17]��Meta-Mathematica��

��������������Meta-Physics������

������������������������

�������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

��

4.2 �������������

�����������������������

������������������������

������(Magnetic sonification)���������

���������������������Fig. 13������������������������

����������[18]�������� 15 ���

�� FM ��������������������

������������������������

����� 1919 �����������������

������������������������

�����������[19]�����������

Fig. 12 An example of experimental confirmation of optimum load condition [16].

Page 7: 24-1-01 - JST

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

(7) 7

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������

4.3 ��������������

�����������������������

������������������������

������������������������

������������������������

�������������SMES��������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

����������� kW �����������

����[20]�Fig. 14 ��������������

������������������������

����3 ��������������������

������������������������

AEM �������� 3 ������������

��������� 1 ��������������

������������������������

����������������������

4.4 ��������

�����������������������

������������������������

�������������������������

������������������������

������������������������

2020 ���������������������

�����������2015 �����������

��������������������� JAXA�����[21]������������������

��� 20 ��������2015 ���������

������������������������

������������������������

������������� 2001���� 10�� 418�����������������[22]������

������� Drone ��������������

��������������������� Drone������������������������

������ 2 � 3 ���������������

������Fig. 15 ���������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

Fig. 13 Magnetic field alarm [18].

Fig. 14 Concept of energy converting device.

Fig. 15 Concept of activity control of movable bodies .

Page 8: 24-1-01 - JST

(8)8

日本 AEM 学会誌 Vol. 24, No.1 (2016)

������������������������

�����[23]�

�����

������������� 34 ��� 74 ����

���������������10 ��������

�����2014 ������������[7]�2015�������������������[24]���

������������������������

������������������������

������������������������

���������������������2015 �

12 ��������������� 8, 10, 12 ����

����������������Fig. 16 �

MADONIC ������������������

����2012 � 6 ����������������

������� 19 ����������������

������������������������

������������������������

�������

����

[1] ICST2015 ������

http://seat.massey.ac.nz/conferences/icst2015/ [2] enocean ���������

https://www.enocean.com/jp/ [3] A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher,

M. Solja�i�, “Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances”, Science, Vol. 317, pp. 83-36, 2007.

[4] ICNIRP, Guideline for limiting exposure to time-varing electric and magnetic field (1 Hz to 100 kHz), Health phys Vol.99 No.6, pp.818-836,2010.

[5] K. Tashiro, H. Wakiwaka, S. Inoue, and Y. Uchiyama, Energy harvesting of magnetic power-line noise, IEEE Transactions on Magnetics, 47(10), pp.4441-4444, 2011.

[6] EMRP(e-news, Issue 5, Winter 2012) http://projects.npl.co.uk/energy_harvesting/

[7] ����������������

http://www.shinshu-u.ac.jp/project/kankyojikai/ [8] ��������, ������ 18 �������"��

�������������������������

������",������, 2014. [9] ��������������������

http://www.town.sakaki.nagano.jp/smarttown/smarttown_movie/index.html

[10] ���������������������

� � http://www.shinshu-u.ac.jp/project/shindai-zuno/ [11] �����

http://www.midori-electronics.com/service2.html

[12] K. Tashiro, A. Matsuoka, and H. Wakiwaka, Simple-Box-9 coil system: A novel approach to design of a square coil system for producing uniform magnetic fields, Materials Science Forum, vol. 670, pp. 275-283, 2011.

[13] K. Tashiro, H. Wakiwaka and Y. Uchiyama, Theoretical design of energy harvesting module or wireless power transmission receiver using magnetic field of 0.2 mT at 60 Hz, Journal of Energy and Power Engineering 7, pp. 740-745, 2013.

[14] K. Tashiro, G. Hattori, and H. Wakiwaka, "Magnetic flux concentration methods for magnetic energy harvesting module", EPJ Web of Conferences, 40, 06011, 2013.

[15] K. Tashiro, H. Wakiwaka, G. Hattori " Estimation of effective permeability for dumbbell-shaped magnetic cores", IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 51, No. 1, 4000304, 2015.

[16] �������������������������

�������������Cockcroft-Walton ����

������ 23 � MAGDA ����������,pp. 427-432, 2014.

[17] ����, ��������, ����, 1992. [18] K. Tashiro, A. Ikegami, S. Shimada, H. Kojima, and H.

Wakiwaka, “Design of Self-generating Component Powered by Magnetic Energy Harvesting—Magnetic Field Alarm”, Springer , Next Generation Sensors and Systems, Smart Sensors, Measurement and Instrumentation , 16:311-330 2015.

[19] ���, �����, ����, ������ ����

��������, �����, 2013. [20] ����, ����, �����, "���������

����������������", �� AEM ���,Vol. 23, No. 1 , pp. 93-98, 2015.

[21] ������������/������������

http://www.aero.jaxa.jp/research/frontier/feather/ [22] The Washington Post ��(2014 � 6 � 20 �)

http://www.washingtonpost.com/sf/investigative/2014/06/20/when-drones-fall-from-the-sky/

[23] ����, ����, ����, “����������

�������������������”, � 24 �

MAGDA������� in Tohoku(MAGDA2015), OS4-1, 2015.

[24] ��������, ����, ���, ����,���

�, ���, ����, ����, ����, ����, "�������������", ������, 2016.

Fig. 16 MADONIC, the youngest band in the world.