PE－15－021
PSE－15－043
SPC－15－074

電気自動車用非接触給電の同一寸法の H 型トランスと円形トランスの給電可能範囲・漏洩電磁界の比較
徐

将希＊

清水

良太郎

金子

裕良（埼玉大学）

Comparison of Charge Zones and Leakage Electromagnetic Field Between the Same Size H-shaped Core
Transformer and Circular Core Transformer of Wireless Power Transfer System for Electric Vehicles
Masaki Jo＊, Ryotaro Shimizu, Yasuyoshi Kaneko, (Saitama University)
Wireless power transfer system for electric vehicles contains two types of transformers: an H-shaped coretransformer and a circular core transformer. In this paper, we present the experimental results of 3 kW power
supply for comparing the charge zones and leakage electromagnetic field between the same coil size H-shaped
core transformer and circular core transformer.
キーワード：電気自動車，非接触給電，トランス，効率，給電可能範囲，漏洩電磁界(Electric vehicle, Wireless power transfer, Transformer, Efficiency, Charge zone, Leakage electromagnetic field)

1. はじめにップ化，左右方向の位置ずれ許容量の点で優れている。一方で円形は角型に比べ周辺環境に放射する漏洩電磁界のレ

近年，環境問題や石油依存度の軽減から電気自動車（EV）

ベルが低い特徴がある。磁界構造の相違から両者にはそのやプラグインハイブリット車（PHV）が注目されている。

ままでは互換性が無く，標準化の上で両トランスの性能比

現在の EV 等への給電はケーブルを用いたコンダクティブ

較が重要である。

方式が主流であるが，利便性，安全性，保守容易性から非これに対し我々は，ギャップ長 125mm で結合係数を揃え

接触給電方式(1)が注目されており，研究が進められている。

た H 型トランスと円形トランスの給電可能範囲の比較を行

電気自動車用の非接触給電装置は地上の送電コイルと車った(4)。しかし，実用上ではコイルサイズを揃えた特性比較

載の受電コイル間のギャップ長変動と前後左右の位置ずれが好ましく，漏洩電磁界の比較もなされていない。

が避けられない。ギャップ長変動や位置ずれが生じると，

本論文では，同一寸法（360mm 四方）の H 型トランス

効率の低下，コイル端子電圧の増大，一次二次電圧比の変と円形トランスの 3kW 給電時の給電可能範囲及び漏洩電磁動によるインバータ容量の増大，などの問題が生じる。よ界の比較を行った結果を報告する。以下，2 章では非接触給ってこれらの問題が生じない，定格の給電電力を高効率か電システムの構成と基本特性について，3 章では H 型トラ

つ安全に給電できる範囲（給電可能範囲）に車を駐車する

ンスと円形トランスの給電可能範囲の比較について，4 章で必要がある。また，電気自動車用非接触給電はエアギャッ

は漏洩電磁界の比較について述べ，5 章でまとめを述べる。

プを介し kW クラスの電力を伝送するため，トランスから放射される漏洩電磁界が大きい。漏洩電界・漏洩磁界は人
体や電子機器に悪影響を与える恐れがあるため，実用化の上でも漏洩電磁界はなるべく低く抑えたい。以上に述べた給電可能範囲及び漏洩電磁界はトランスの性能を表す重要な指標である。
電気自動車用の非接触給電トランスには，磁界構造の違いから，角形コア両側巻（H 型(2)，Solenoid 巻，Polarizedtype(3)とも呼ばれる）と円形コア片側巻（Circular type とも呼ばれる）の 2 方式がある。角形は小型軽量化，長ギャ

図 1 非接触給電システム
Fig. 1.

Wireless power transfer system.

1／6

r'1

I'IN

jx'1

-jx'S

jx2

r2

I2

ID

jx'0
-jxP

V'IN
r'0

RL

V2

図 2 詳細等価回路
Fig. 2.

(a)Detailed equivalent circuit.

Simplified equivalent circuit

(b)

(a)

H-shaped core transformer(a)Circular core transformer

Ideal transformer

図 3 簡易等価回路と理想変圧器
Fig. 3.

Simplified equivalent circuit andideal transformer.

2. 電気自動車用非接触給電システム〈2･1〉 システム構成と基本特性

本論文では SP 方式を採用した。そのシステム構成を図 1 に示す。高周波電源は方形波フルブリッジインバータを用い，二次側整流回路には全波整流器を用いる。直列及び並列コンデンサ CS，
CP と整流器と平滑コンデンサを含む抵抗負荷 RL を加えた詳

図 4 磁界形状
Fig. 4.

Magnetic field.

細等価回路を図 2 に示す。給電トランスの巻数比を a とし，一次側諸量は二次側に換算しダッシュをつけて表す。CS，側巻であるのに対し，H 型コア方式は両側巻であり，円形

CP を式(1)のように選び，電源周波数において l0，l1，l2 よりコア方式に比べトランスのコア幅は約半分で良く，トラン

十分小さい r0，r1，r2 を無視すると，詳細等価回路は式(2)スの小型化が容易である(6)。これは巻線方式により磁界形状のような巻数比 b の理想変圧器と等価となる（図 3 参照）。

が異なるためである（図 4 参照）。円形コイルの磁界形状はここで， b は結合係数 k とほぼ等しい値をとる。
11x x
 xP  x0  x2 ， xS  x1  0 2 ·····(1)0CPx0  x2
0CS

コイルの中心を垂直に貫く形状であり，位置ずれが起きるx0  bV2 ， I IN  ID b ， b ··················(2)VIN
x0  x2

ずれが起きても磁束が打ち消しあわないため，左右方向のと磁束が打ち消しあうようになるが，H 型コア方式ではコ
イルの中心を水平に貫く磁界形状であり，左右方向の位置
位置ずれに強い。

〈2･2〉 トランス効率〈2･4〉 給電可能範囲

銅損のみを考慮したトランス部の最大効率 ηmax とその時の給電電力を送れること，高効率であること，安全であるの抵抗負荷 RLmax は(3)式となる。
1

max 
1

2r2
xP

1 r1

b 2 r2, RL max  xP
1

ことである。効率以外の問題として，ギャップ長が短く位
1 r1
 1 ············(3)b 2 r2(3)式を用いれば，給電トランスの最適設計や最大効率運(Q1=ω0L1/r1, Q1=ω0L2/r2)を用いて(4)式のように表すことができる(5)。

力電圧を高くしないと定格電力を送れない問題，インバー
または位置ずれが大きい時に，端子電圧 V1 が大きくなりす
ぎる問題，などがある。
本論文では， Pout=3.0kW で給電可能（インバータ出力

VIN＜350V，IIN＜35A の範囲），かつトランス効率 ηTR＞90%11

置ずれが小さい時，結合係数 k が高いためにインバータの出
タが進相運転になり運転できない問題，また，ギャップ長転が可能となる。また，(3)式は結合係数 k とコイルの Q 値

max 

給電可能範囲の条件は，定格

2rQ, RL max  2 2k

Q2 ··················(4)Q1k Q1Q2の範囲を給電可能範囲とする。
〈2･5〉 漏洩電磁界

電気自動車用非接触給電はエアギャップを介し電力を伝送するため，周囲に放射される漏電気自動車用非洩電磁界が問題となる可能性がある。漏洩電磁界は人体や接触給電トランスは，角型（H 型）コア方式と円形コア方

電子機器に悪影響を及ぼす。人体への影響に関しては式の二種類があり，巻線方式が異なる。円形コア方式は片ICNIRP によって磁束密度の基準値が定められており，電〈2･3〉 非接触給電トランスの種類

2／6

表 1 トランス仕様
Table 1.

Transformer’s specifications.

Type
Weight[kg]Winding(a)H-shaped core transformer

Circular core

5.69

6.54

(b) Circular core transformer

Secondary

6.68

7.65

Primary

14T×4p14T×2pSecondary

4T×15p

4T×8p

図 5 トランス写真
Fig. 5.

H-shaped core
Primary

表 2 トランス定数

Transformer’s outline.

Table 2.
TypeTransformer’s parameters.
H-shaped coregap[mm]100

150

r1[mΩ]

72.7

r2[mΩ]

150

71.9

125

130.3

7.54

7.43

5.32

8.1

l0[μH]

22.76

14.07

19.75

9.25

l1[μH]

47.53

53.69

82.33

91.63

l2[μH]

4.50

4.92

6.59

7.33

L1[μH]

70.3

67.8

102.1

100.9

L2[μH]

6.36

6.07

8.21

8.08

CS[μF]

0.0551

0.05390.03570.0351f0[kHz](a)H-shaped core transformer(b) Circular core transformer

図 6 トランス寸法

Circular core
100
85

CP[μF]

0.551

0.578

0.427

0.434

k

0.308

0.198

0.195

0.093

b

0.292

0.189

0.196

0.093

RLmax[Ω]

10.9

15.6

31.2

53.1

ηmax[%]

0.986

0.979

0.983

0.956

子機器等への影響に関しては CISPR や電波法等で電磁界強

Q1

516

500

436

413

度の基準値が定められている。漏洩電磁界が規制値に対し

Q2

450

434

824

533

Fig. 6.

Transformer’s dimensions.

どの程度の大きさか検討することは実用化の上で重要であ
表 3 実験における各ギャップ長での抵抗負荷る。

3. H 型トランスと円形トランスの給電可能範囲

Table 3.

Optimum load at each air gap.

gap[mm]

50

100

150

175

200

220

比較実

RL(H-shaped)[Ω]

5

15

25

35

35

40

験に用いる H 型トランス及び円形トランスの写真と寸法をRL(Circular)[Ω]

30

40

100

135

〈3･1〉 H 型トランスと円形トランスの設計

図 5 と図 6 に示す。x 方向は車の前後方向を，y 方向は左右方向を示している。H 型トランス，円形トランスのコイル

るのは，円形トランスの効率はアルミ板の面積が大きいほサイズを 360mm 四方の同一寸法とした。送電部を地表に置ど低下するためである。

く場合，ギャップ長は 70～150mm となるため，今回はギ
ャップ長 100mm，150mm の二点を標準状態とした。

表 1 にトランス仕様を，表 2 にギャップ長 100mm，150mm での H 型トランスと円形トランスの LCR メータにH 型トランスにおいて，一次側及び二次側巻線のターン

よる定数測定結果を示す。同一ギャップでの一次二次自己数は，一次巻線端子電圧 V1 の過大を防ぎ，ギャップ長

インダクタンス L1，L2 を比較すると，円形トランスは H 型

150mm での負荷電圧が 300V 程度となるように一次側：二トランスに比べ，L1 は 1.5 倍，L2 は 1.3 倍大きい。一方，同次側を 14 ターン：4 ターンに設計した。トランス構造によ一ギャップでの結合係数 k を比較すると，H 型トランスはる自己インダクタンスの違いを明らかにするため，円形ト円形トランスに比べ約 0.1 程度高いことがわかる。

ランスは H 型トランスと同様の巻数に設計した。円形トラ

〈3･2〉

実験条件

図 1 の回路を用い，インバータ周

ンスは V1 が過大になってしまうため，一次側は分割コンデ

波数 85kHz で 3kW 給電を行い，ギャップ変動及び標準状ンサ方式(7)を採用した。並列数は，両トランスの巻線抵抗を態からの位置ずれ時のトランス効率 ηTR を測定した。測定範

最小にするため有効巻枠分増やしている。また，漏れ磁束

囲はトランス効率 90%を少し下回る範囲までとした。ここ

遮蔽用アルミ板として，H 型トランスはトランスの背面にで，共振コンデンサ CS，CP 及び抵抗負荷 RL は各ギャップ長

600×600mm×1mm のアルミ板を，円形トランスは 360ごとの最適値とした。表 3 に各ギャップ長での抵抗負荷 RL×2mm のアルミ板を使用している。アルミ板の面積が異なの値を示す。なお，効率の測定には横河電機社製の電力計
3／6

100

100

100
H-shaped(x)H-shaped(y)Circular

90

95

90

85

85
50 100 150 200
gap[mm]

-200

-100
(a)

0
100
x, y[mm]

Efficiency by gap change.

90

85

200

-200

-100
(b)

0
100
x, y[mm]200

gap150mm

図 8 位置ずれ時の効率特性
Fig. 8.

Efficiency by misalignment.

スに比べ約 4 倍以上の位置ずれ許容量を持つことがわかる。

WT3000 を用いた。
〈3･3〉 ギャップ変動特性

95

gap100mm

図 7 ギャップ変動時の効率特性
Fig. 7.

H-shaped(x)H-shaped(y)CircularTR [%]

95

TR [%]

TR [%]

H-shaped
Circular

図 7 にギャップ変動時の〈3･5〉給電可能範囲まとめ

ギャップ変動時の給電給電効率を示す。ギャップ長 50mm では結合係数 k が高く可能範囲（トランス効率 90%以上）は，H 型トランスは gap

安定化電源出力電圧の最大値（350V）を超えるため 1.5kW≦200mm，円形トランスは gap≦150mm となった。また，給電とし，他は 3kW 給電とした。

ギャップ長 100mm での位置ずれ時の給電可能範囲は，Hギャップ長 100mm の給電効率は，H 型トランスが型トランスは x≦125mm，y≦200mm となり，円形トラン

94.9%，円形トランスが 95.2%で，効率はほぼ等しい。ギャスは r（半径方向）≦75mm となった。ギャップ長 150mm

ップ長 150mm では H 型トランスが 93.2%，円形トランス

での位置ずれ時の給電可能範囲は H 型トランスは x ≦が 90.5%で，H 型トランスは円形トランスに比べ効率が125mm，y≦200mm となり，円形トランスは r≦25mm と2.7%高い。短ギャップでは両トランスに大きな差はないが，なった。両トランスのターン数，並列数，巻き方などの巻ギャップ長が大きくなると H 型トランスのほうが円形トラ線構造に関して詳細な最適化は図っていないが，平面寸法

ンスに比べ効率が高いことがわかる。H 型トランスはギャ

及びターン数が同じ場合においては，これらの結果から，H

ップ長 200mm の長ギャップでもトランス効率 90.3%を達型トランスは円形トランスに比べ給電可能範囲が広く，長成している。

ギャップで位置ずれの大きい電気自動車用非接触給電に適〈3･4〉 位 置 ず れ 特 性標準状態（ギャップ長100mm，150mm）での位置ずれ特性を測定した。測定はトランスの対称性から，H 型トランスは x≧0，y≧0 の範囲，したトランスと言える。

4. H 型トランスと円形トランスの漏洩電磁界
図 1 の回路を用い，インバータ周

円形トランスは r≧0 の範囲とし，測定結果を負領域に拡大〈4･1〉 実験条件

して図示した。図 8 のグラフの白塗りの点は入力電流がイ

波数 85kHz，3kW 給電時の H 型トランスと円形トランス

ンバータ容量を超えるため 1.5kW 給電とした際の効率を示の漏洩電磁界の比較を行った。測定は 6 面電波暗室で行っしている。

いが，位置ずれが生じると H 型トランスは x，y 方向ともに
円形トランスに比べトランス効率が高い。また，H 型トランスの位置ずれ時の効率は x 方向に比べ y 方向が高い。効率
90%以上となる範囲は円形トランスが 75mm であるのに対し，H 型トランスは x=125mm で 91.4%，y=200mm で 91.8%と，高効率を維持していることがわかる。

1000
500
flux density [T]

図 8(a)にギャップ長 100mm の位置ずれ特性を示す。位
置ずれなしの場合のトランス効率は両トランスでほぼ等し

100
50 27
10 6.255

図 8(b)にギャップ長 150mm の位置ずれ特性を示す。ギ10.5

ャップ長 150mm では，円形トランスは H 型トランスの x0.1方向に比べトランス効率が全体的に 2.5～3%程度低い。効率 90%以上となる範囲は円形トランスが 25mm 以下に対し，H 型トランスは x=125mm で 90.1%，
y=200mm で 90.4%となり，グラフから，H 型トランスの y 方向は円形トラン

H-shaped(x) (gap150mm)
H-shaped(y) (gap150mm)
Circular(gap150mm)
H-shaped(x) (gap100mm)
H-shaped(y) (gap100mm)
Circular(gap100mm)

300
1000
distance from center [mm]3000

図 9 漏洩磁束密度の比較
Fig. 9.

Comparison of leakage flux density.

4／6

140

E field intensity [dB V/m]

H-shaped
Circular

120
100
80
60
10

50 100frequency [kHz](a)

E field intensity [dB μV/m]

160
135.7
122.1
116.5
113.1

100

80
60
50 100frequency [kHz]
(b)

112.4
105.6
86.8

gap150mm

Leakage electric field at 3m distance.
160

149.4

109.2
105.5

113.1

120

120.6
114.2

100

81.1

60

H-shaped
Circular
CISPR11

137.9

140

83.4

255
425
Frequency [kHz]5003m 地点の漏洩電界強度

80

(a)

100

10

H-shaped
Circular
CISPR11

145.9

85

120

gap100mm

Fig. 10.

120

H-shaped
Circular

140

500

図 10

140

160

E field intensity [dB μV/m]

E field intensity [dB V/m]

160

112.0
104.9

110.3107.6
86.8

83.4

80

81.1

60
85

595

gap100mm

255
425
Frequency [kHz]
(b)

595

gap150mm

図 11 基本波及び高調波の漏洩電界強度の比較
Comparison of leakage electric field of fundamental and harmonic components.

た。漏洩磁束密度の測定には Narda 社製の磁界暴露レベル
テ ス タ ELT400 を 用 い ， 漏 洩 電 界 の 測 定 はETS-LINDGREN 社製の直径 60cm のループアンテナを用いた。なお，ループアンテナで測定された値は磁界である
ため，磁界を電界に換算した。
〈4･2〉 漏洩磁束密度の比較

磁界は人体へ悪影響を及ぼす。ICNIRP2010(8)の基準以下（50kHz では 27μT 以下)
であれば人体への影響はないと言われている。ここでは
ICNIRP1998（50kHz では 6.25μT 以下）についても同様の検討を行う。
標準状態（ギャップ長 100mm，150mm）での位置ずれ

160
E field intensity[dBV/m]

Fig. 11.

150

140

130
0

なしの時の 3kW 給電時の H 型トランスと円形トランスの漏洩磁束密度の比較を図 9 に示す。図中の実線はギャップ
長 150mm，点線はギャップ長 100mm の測定結果を示している。トランスの指向性から H 型トランスは x 方向と y 方
向の両方向の磁束密度を測定した。

H-shaped(x)H-shaped(y)Circular100
x,y[mm]200

図 12 位置ずれ時の基本波の漏洩電界強度の変化(gap100mm)
Fig. 12.

Comparison of leakage electric field offundamental and harmonic components.

H 型トランスの x 方向の磁束密度は y 方向に比べ平均で約 2 倍大きい。また，H 型トランスの x 方向の磁束密度は外側のラインと仮定した場合，いずれの場合も車の外側で円形トランスに比べ平均で約 6～7 倍大きい。また，両トラ

は 27μT の基準値を下回るため，安全と言える。

ンスにおいて，ギャップ長 150mm の場合の磁束密度はギャ〈4･3〉 漏洩電界強度の比較

ップ長 100mm の場合に比べ，平均で約 1.5 倍大きい。

響を及ぼす。現在電気自動車用非接触給電に関する規制値

自動車の車幅を 1700mm，左右後ろ方向 850mm を車の電界は電子機器へ悪影

は検討段階であるため，CISPR11 で定められている IH 調
5／6

理器の基準を参考に比較を行った。測定は非接触給電装置の中心から水平に 3m 離れた点で行った。
図 10，11 に(a)ギャップ長 100mm，(b)ギャップ長 150mmにおける H 型トランスと円形トランス漏洩電界強度を示す。図中の点線は CISPR11 の IH 調理器基準を示している。
H 型トランスは y 方向に比べ x 方向の漏洩電界強度が大き
いため，x 方向の結果のみを示した。
円形トランスの基本波の電界強度は，H 型トランスに比べ，ギャップ長 100mm で 10.2dB，ギャップ長 150mm で11.5dB 低く，高調波の電界強度についても円形トランスは
H 型トランスに比べ約 3～7dB 低い。
また，図 12 にギャップ長 100mm での位置ずれ時の基本
波の漏洩電界強度を示す。円形トランスは H 型トランスに比べ位置ずれ時の基本波の漏洩電界の上昇率が高い結果となった。これは，漏洩電界は一次二次巻線に生じる起磁力の合成（N1IIN+N2I2）に比例する(9)ためであり，円形トラン
スの方が位置ずれ時の結合係数 k の変化の割合が大きく，式(2)より，IIN の増加が大きいためである。円形トランスが大きな位置ずれ時でも 3kW 給電可能であると仮定した場合，
左右方向位置ずれ 150mm 程度で H 型トランスよりも漏洩電界が大きくなる可能性がある。
いずれの場合についても漏洩電界は IH 調理器基準値を

文献(１) 阿部 茂・金子裕良：「非接触給電技術」，電気学会誌，Vol.128，No.12，
pp.796-799 (2008)(２) 千明将人・長塚裕一・金子裕良・阿部 茂・保田富夫・鈴木 明：「新
コア構造による電気自動車用非接触給電装置トランスの小型軽量化」，電気学会半導体電力変換研究会資料，SPC-11-48，pp.139-144(2011)(３) M.Budhia, G.A.Covic, and J.T.Boys：“A New Magnetic Coupler
for Inductive Power Transfer Electric Vehicle Charging
Systems”, IEEEIECON 2010, pp. 2481-2486 (2010)(４) 三田祐輔・金子裕良・阿部 茂：「電気自動車用非接触給電装置の H型トランスと円形トランスの給電可能範囲の比較」，平成 25 年電気学会自動車研究会資料，VT-13-005，pp.25-30 (2013)(５) 遠井敬大・金子裕良・阿部 茂：「非接触給電の最大効率の結合係数
k とコイルの Q による表現」，電気学会論文誌 D，Vol.132，No.1，
pp.123-124 (2012)(６) 岩田卓也・江原夏樹・金子裕良・阿部 茂・保田富夫・井田和彦：「電
気自動車用非接触給電装置のトランス巻線方式による特性比較」，電
学半導体電力変換研究会資料，SPC-09-39，pp.109-114 (2009)(７) 山中智裕・野口真伍・金子裕良・阿部 茂, 保田富夫, 鈴木 明：「電気自動車の急速充電用非接触給電システム」，平成 23 年電気学会産業応用部門大会，JIASC2011，2-11，pp.II407-II412 (2011)(８) International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection(ICNIRP), “Guidelines for limiting exposure to time varying
electric, magnetic, and electromagnetic fields” (2010).
(９) 毎川研吾・今井邦夫・皆川裕介・有満 稔・岩野 浩：「電気自動車用
非接触充電システムの周辺磁場低減技術」，自動車技術会学術講演会
前刷集 No.110-13 (2013)

上回るため，低減対策が必要である

5. まとめ
本 論 文 で は 周 波 数 85kHz ， 3kW 給 電 時 の 同 一 寸 法（360mm 四方）の H 型トランスと円形トランスの給電可能範囲及び漏洩電磁界の比較を行った。
ギャップ変動時の給電可能範囲は，H 型トランスはギャ
ップ長 200mm 以下，円形トランスは 150mm 以下となった。
また，ギャップ長 100mm での位置ずれ時の給電可能範囲
は，H 型トランスは前後方向 125mm 以下，左右方向 200mm
以下，円形トランスは半径方向 75mm 以下となった。ギャップ長 150mm での位置ずれ時の給電可能範囲は，H 型ト
ランスは前後方向 125mm 以下，左右方向 200mm 以下，円形トランスは半径方向 25mm 以下となった。円形トランスに比べ，H 型トランスの給電可能範囲が広い。特に駐車時の位置合わせが難しい左右方向位置ずれは，H 型トランス
は円形トランスに比べギャップ長 100mm で 2 倍以上，ギャップ長 150mm で 4 倍以上給電可能範囲が広い結果となった。
漏洩電界に関しては，H 型トランスに比べ円形トランス
は基本波の漏洩電界が約 10dB 低い。しかし，円形トランスは H 型トランスよりも位置ずれ時の基本波の漏洩電界の上昇率が高い結果となった。いずれの場合についても漏洩電
界は IH 調理器基準値を上回るため，低減対策が必要である。

6／6