機能材料 2019年10月号 (2019年10月05日発売)

シーエムシー出版
【特集】パワーマグネティックスを利用した高効率デバイスの研究と開発の最新動向
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機能材料 2019年10月号 (2019年10月05日発売) の目次

著者一覧
山本真義  名古屋大学  
菅原聡  福山大学    
細谷達也  ㈱村田製作所  
三島智和  神戸大学  
藤﨑敬介  豊田工業大学    
後藤雄治  大分大学           
芦田裕也  東京大学  
西林仁昭  東京大学   
三輪洋平  岐阜大学  
宇田川太郎  岐阜大学  
沓水祥一  岐阜大学 


目次
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【特集】パワーマグネティックスを利用した高効率デバイスの研究と開発の最新動向

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スイッチング電源に用いる高周波パワー磁気デバイスの最近動向
Technical Trend of High Frequency Magnetic Device Suitable for SMPS
  
 本稿では,大容量バッテリを搭載した次世代自動車には必ず搭載されるDC-DCコンバータにおける磁性部品に対し,異素材複合コアというアプローチにより,広範囲負荷条件においてスイッチング電源の高効率性能を維持することができる可能性について議論を行う。

【目次】
1 はじめに
2 実際にHEVに搭載されたDC-DCコンバータ
3 異素材複合コアのDC-DCコンバータへの応用
 3.1 異素材複合コア
 3.2 実機検証
4 まとめ

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超小型高効率DC-DCコンバータの開発
Development of Ultra Small and High Efficiency DC-DC Converter

 携帯電話に代表される携帯用電子機器の小型化,高機能・高性能化の急速な進展は,これら機器を駆動する電源装置の小型化,高性能化を促進させてきた。本稿では,磁気デバイスと制御ICを一体化することで小型化を図る携帯機器用超小型スイッチングDC-DCコンバータについて,その開発事例を紹介する。

【目次】
1 はじめに
2 インダクタの小型化と高周波化
3 薄膜インダクタとワンチップ電源
4 板状インダクタと超小型高効率DC-DCコンバータ
5 まとめ

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MHz帯高周波ワイヤレス給電システムの技術動向と具体的設計法
Technical Trend and Specific Design Method of High Frequency Wireless Power Transfer System in MHz Band

 MHz帯高周波ワイヤレス給電システムは,IoT機器,小型電子機器,小型医療機器などへの新しい電力供給手段として活用される大きな可能性を有している。端子レスや防水など,これまでにない新しい価値を提供できる。その中でシンプルなシステム構成により実用性が高い,直流共鳴ワイヤレス給電システム(DC-R WPT System, Direct Current-Resonance Wireless Power Transfer System)が注目を集めており,この直流共鳴ワイヤレス給電システムについて,システム規格や具体的設計法,MHz動作実験を解説する。直流共鳴ワイヤレス給電システムは,「直流電源からスイッチング回路を用いて電磁界の共鳴現象を起こし,空間を通して電力を伝送する」という技術思想である。日本発の新しい技術思想であり,世界に先駆けた先進実用技術である。今日では,直流共鳴技術は,直流磁界共鳴技術,また略して磁界共鳴技術,磁界共振技術などとも呼ばれ,広く用いられている。利用シーンや用途は大きく広がっている。電力変換技術を扱うパワーエレクトロニクスと電磁界共鳴フィールドを扱う空間デザイン技術を駆使したワイヤレス給電技術である。システムの具体的設計法では,3手法である①複共振回路解析(MRA,Multi-Resonance Analysis)手法,②調波共鳴解析(HRA,Harmonic Resonance Analysis)手法,③F行列共鳴解析(FRA,F-parameter Resonance Analysis)手法により構成される共鳴結合回路の統一的設計法を用いてシステム設計理論を解説する。さらに,システム設計理論に基づいて設計された6.78MHz動作実験を解説する。GaN FETを用いた6.78MHz動作実験では,直流電源から負荷までの全体電力効率89.5%,出力11.3Wを得るこれまでにない画期的な成果を達成している。

【目次】
1 直流共鳴ワイヤレス給電システム
2 6.78MHz帯および13.56MHz帯磁界結合直流共鳴ワイヤレス給電システム規格
 2.1 システム規格の概要
 2.2 直流共鳴ワイヤレス給電システムの基本ブロック図
 2.3 直流共鳴ワイヤレス給電システムの技術的条件
  2.3.1 電力供給に用いる動作周波数
  2.3.2 電力管理機構に用いる周波数
  2.3.3 電力供給の電力範囲の検出と停止
 2.4 直流共鳴ワイヤレス給電システムの仕様
  2.4.1 電力管理機構の仕様
  2.4.2 電力通信技術
  2.4.3 共鳴変調方式
3 直流共鳴ワイヤレス給電システムの設計
 3.1 直流共鳴ワイヤレス給電システムの構成
 3.2 直流共鳴ワイヤレス給電システムの電力変換動作
 3.3 電磁界共鳴フィールドの周波数領域解析
4 共鳴結合回路の統一的設計法(MRA/HRA/FRA手法)
 4.1 複共振回路解析と調波共鳴解析とF行列共鳴解析
 4.2 入力インピーダンスと電圧利得の解析
5 直流共鳴ワイヤレス給電システムの具体的設計法
 5.1 商品企画と共鳴コイル設計(設計手順(1),(2))
 5.2 共鳴条件の設計(設計手順(3))
 5.3 回路シミュレーションと実機評価(設計手順(4),(5))
6 直流共鳴ワイヤレス給電システムの動作実験
 6.1 GaN FETを用いた10MHz級50W動作実験
 6.2 最適ZVS動作とGaN FETを用いた6.78MHz動作実験
 6.3 電磁界共鳴フィールドの実証実験
7 まとめ 
 
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非接触給電装置・電気―磁気エネルギー変換システム
Inductive Power Transfer and Energy Conversion Systems
 
 電磁誘導方式非接触給電システムや高周波誘導加熱電源などの電気/磁気エネルギー非接触変換器に不可欠な高周波インバータや整流回路,さらには商用周波から高周波を生成する直接周波数変換回路について最新技術をレビューするとともに,ワイドバンドギャップパワーデバイスを適用した研究事例を紹介する。
  
【目次】
1 はじめに
2 非接触給電システムと高周波電力変換回路
 2.1 高周波共振形インバータ
 2.2 高周波整流回路
3 高周波誘導加熱電源
4 今後の動向

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パワーエレクトロニクス励磁下の高周波大電力用磁気の必要性
Necessity of High Power and High Frequency Magnetism under Power Electronics Excitation
 
 パワーエレクトロニクス技術は電気エネルギーの電力変換技術として普及期に来ている。GaN,SiCといった高耐圧材料の利用素子の実用化といったその高周波大電力化の流れの中で,コスト,小型化,損失のボトルネックとなっているのが高周波大容量向けの磁性材料であり,その開発が今後大いに期待される。

【目次】 
1 電気エネルギーとパワーエレクトロニクス 
2 パワーエレクトロニクス励磁
3 高周波大電力用磁性材料の必要性

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電磁気を利用した材料評価
Material Evaluation Using Electromagnetism

 金属内の電磁気特性は材料中の様々な状態によって変化するため,間接的にその状態を評価することができる。ここでは,交流磁界を印加させその大きさを検出することで,主に磁性材料の状態を評価する手法について紹介する。具体的には,石油製油所で使用される加熱炉鋼管の内外面に生じた浸炭層の厚み評価や,高架橋や大型構造物等で使用される高張力ボルトの緩み評価について述べる。

【目次】
1 はじめに
2 鋼管表裏面浸炭層の深さの評価
 2.1 加熱炉鋼管
 2.2 鋼管内の浸炭層の磁化特性と導電率
 2.3 励磁条件
 2.4 表裏面浸炭深さによる検定線
 2.5 表裏面浸炭層の深さ評価
3 高張力ボルトの緩みの評価
 3.1 提案電磁気センサと評価法
 3.2 ボルトの緩み評価
4 まとめ
   
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 [Material Report-R&D]

分子触媒を用いた温和な条件における触媒的アンモニア合成反応の開発
Development of Catalytic Ammonia Formation under Mild Reaction Conditions by Using Molecular Catalysts

 ハーバー・ボッシュ法に代わる次世代型アンモニア合成法として,ニトロゲナーゼ酵素を模倣した分子触媒を用いた,温和な条件における触媒的アンモニア合成が注目されている。本稿では,最近の触媒的アンモニア合成反応の展開と最近筆者らにより開発された水をプロトン源として直接利用した高効率な触媒反応を中心に解説する。

1 はじめに
2 分子触媒を用いたアンモニア合成反応
3 水をプロトン源とする新しい反応系
4 おわりに

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 [Material Report-R&D]

CO2ガスを利用してすばやく自己修復する気体可塑性エラストマー
A Gas-Plastic Elastomer that Quickly Self-Heals with the Aid of CO2 Gas

 ポリジメチルシロキサン(PDMS)に少量のイオン成分を導入し,そのイオン成分どうしの凝集によって物理的に架橋したエラストマーが,常温・常圧の二酸化炭素(CO2)によって効果的に可塑化されることを発見した。さらにCO2を利用することで,このエラストマーの室温での自己修復を10倍近く加速でき,また-20℃での寒冷条件でも自己修復を誘起できることを見出した。

1 はじめに
2 CO2によって自己修復を促進するエラストマーの分子デザインと機能発現メカニズムの概略
3 イオン性PDMSエラストマーの力学特性
4 CO2ガスによるイオン性PDMSエラストマーの可塑化挙動
5 CO2ガスによる自己修復の促進
6 おわりに

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