可通过优化设计提高环境发电设备发电效率的技术
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2020年6月19日
可通过优化设计提高环境发电设备发电效率的技术
利用“Digital Annealer”技术，最大限度提高磁性器件的磁通密度
株式会社富士通研究所（注1）（以下简称：富士通研究所）针对用于能量收集（环境发电）的磁性器件开发了一种技术，通过利用下一代架构“Digital Annealer”（可快速解决组合优化问题），能够对平面（二维）中排列的多个磁体，瞬时进行最佳排布计算，以最大限度提高磁通密度。
开发背景
将电动机或发动机、桥梁或建筑物等的振动能转换为电能的能量收集设备正日益受到关注。这些设备不需要输电线，也无需进行电池更换、充电等作业，可为车载设备、可穿戴设备等设置在室内外各种场景中的IoT设备提供电力。此外，为了解决环境和能源问题，还需进一步提高能量收集设备的效率。
课题
将振动能转换为电能的能量收集设备，利用由永磁体和线圈产生的电磁感应物理现象，可在动能和电能之间进行能量转换。为了最大限度提高能量收集设备的发电效率，需要针对线圈位置，最大限度提高排布在设备内部多个磁体产生的磁通密度。
目前，已知的排布方法是，将多个磁体排成一列（一维），并将磁通量集中在其一侧。今后为了使磁性器件具有更高的发电效率，通过将磁体排列成平面状（二维）可有效增加发电量。但是，排列成平面状（二维）的磁体阵列排布较为复杂。例如，沿三维坐标轴将磁体排列成10个x10个正方形时，磁体取向的组合数将超过10的77次方。因此，设计者很难找出磁体的最佳排布，以最大限度提高线圈附近的磁通密度。
开发的技术
此次，富士通研究所与北海道大学信息科学研究院的五十岚一教授合作，利用可快速解决组合优化问题的下一代架构“Digital Annealer”，开发出了一种技术能够对平面中排列磁体的最佳排布进行瞬时计算。
在“Digital Annealer”中，需要将问题事件都表现为变量0和1。此次，研发人员沿X、Y、Z三个轴，分别用3bit变量表示磁体的可能取向，并利用上述变量和电磁学定律之一的毕奥-萨伐尔定律，对其进行公式化处理以求得磁通密度。利用该公式，研发人员导入了目标函数（函数值应最大化），以使特定部分的磁通密度实现最大化。另外，为了可以用QUBO（解决组合优化问题时所需模型）（注2）进行求解，通过向目标函数增加新的变量，可实现基于“Digital Annealer”的针对平面中磁体排布的最佳结构设计计算。
图. 基于磁体的最佳排布实现针对线圈的磁通密度最大化示意图
效果
基于该技术，通过使用“Digital Annealer”可对平面（二维）中的磁体排布进行最佳设计计算。另外，此次的仿真实验结果显示，10个×10个二维磁体排布的设计优化问题，在几秒钟内便可得到解决。与用传统方法设计的二维阵列排布相比，基于该技术获得的磁体排布的磁通密度提高了17%，能量收集设备的发电效率提高了16%。
另外，该技术除了用于部分磁通密度最大化的计算外，还可应用于直线电机的磁体排布优化，以控制磁通密度的分布状态。
今后
该技术作为富士通株式会社“Digital Annealer”的技术服务之一，富士通研究所将努力推进其2020年度的商业化落地，为用于能量收集的磁性器件的进一步发展做出贡献。