電気自動車用空心非接触給電トランスの基本特性
学生員
正員

仲達金子崇一郎*，学生員 遠井裕良，正員

阿部敬大，茂（埼玉大学）

Coreless Transformer for Contactless Power Transfer System of Electric Vehicle
Soichiro Nakadachi，Takahiro Tohi，Yasuyoshi Kaneko，Shigeru Abe（Saitama University）
A coreless transformer of contactless power transfer system is lightweight and has no iron loss. However, the corelesstransformer for electric vehicle has some problems like the electromagnetic shielding in the back of the transformer etc. In thispaper, a new coreless transformer with aluminum sheet is proposed. An efficiency of 94.7% was achieved across 70mm air gap
with experimental coreless transformer.
キーワード：電気自動車，非接触給電，空心トランス, 鉄損
Keywords：Electric vehicle, Contactless power transfer system, Coreless transformer, Iron loss

1. はじめに

VIN IIN

VDC IDC

近年，地球環境問題や石油価格の高騰により，家庭やス

VL IL+

P2

P1れている。しかし利便性，安全性，保守容易性を考慮する

図1と非接触給電方式が望ましく，研究開発が行われている。

V2 ID

RL

CP（PHV）や電気自動車（EV）が普及し始めた。これらの給電には現在は電気ケーブルとコネクタを用いる方式が採用さ

I2CS+Regulated DC
Power Supply

タンドでバッテリに充電するプラグインハイブリッドカー

V1Fig.1.

P3P4

非接触給電システム

Contactless power transfer system

自動車用非接触給電装置はフェライトコアを用いる電磁誘導方式が一般的である。コア損失（鉄損）を無視したモデル解析では給電効率 η は，結合係数 k とコイルの Q で決まる。また鉄損は銅損と同程度になることが知られている。
トランスの高効率化を考えた場合，空心トランスは鉄損がない利点があるが，コアがないため主磁束の磁路整形が難しく結合係数 k が低下する欠点がある。しかし周波数を上げると Q が上がり，効率がコアを有するトランスに近づく

図2可能性がある。また空心トランスは軽量化にも有利である。

Fig.2.

今回空心トランスの可能性を調べるため，高効率化を目

T 型詳細等価回路

Detailed equivalent circuit.

的に電磁遮蔽にアルミ板を用いた空心トランスを設計製作

図 1 に示す。高周波電源にはフルブリッジインバータを用した。給電実験の結果，ギャップ 70mm で 1.5kW を 94.7%い，二次側整流回路には全波整流器を用いた。直列及び並の効率で給電することができた。

列共振コンデンサ CS，CP と整流器と平滑化コンデンサを含

本稿では製作した空心トランスの特性とコア有トランス

む抵抗負荷 RL を加えた詳細等価回路を図 2 に示す。給電トとの特性比較について紹介する。

ランスの巻数比を a=N1/N2 とし，一次側諸量は二次側に換算2. 非接触給電システム

し'（ダッシュ）をつけて表す。実際の給電トランスでは，電源周波数において，r'1，r2 の値が x'0，x'1，x2 の値に比べて〈2･1〉

一次直列二次並列コンデンサ方式一次直列十分小さくなる。したがって r'1，r2 を省略した簡易等価回二次並列コンデンサ方式(1) の非接触給電システムの構成を路で解析を進める(2)。

1まず二次側並列共振コンデンサ CP の値を電源周波数 f0る必要がある。そこで空心トランスの背面に電磁遮蔽を目的とし（ω0=2πf0）において励磁リアクタンス x'0（=ω0l'0）と漏れリアクタンス x2（ω0l2）との和（二次巻線の自己リアクタンスω0L2）に共振するように(1)式の値に定める。

1
 x  x  x ............................................................... (1)0CP p 0 2
次に一次側直列コンデンサ C'S の値を(2)式の値に決める。

x x
1
 x S  0 2  x1 ........................................... (2) 0 C Sx 0  x 2
このとき V'IN と VL，I'IN と IL の関係を求めると，

VIN  bVL ,  IL b,
I IN

図3x0b k ................. (3)x0  x2

Fig.3.
表1となり，非接触給電装置は巻数比 b の理想変圧器と等価とTable 1.

空心トランスCoreless transformer.

空心トランスの仕様

Specification of Coreless transformer.

なり，b の値は結合係数 k とほぼ等しい値をとることが知られている(3)。また，このようにコンデンサを接続すると共振周波数で入力側から見たインピーダンス Z は，2 x0  RL ................................................................. (4)Z  xx
2 
 0となり力率は RL の値によらず 1 となる。
図 2 でトランス部の最大効率 ηmax とその時の抵抗負荷

RLmax は (5)式で表される結合係数 k とコイルの Q を用いて，(6)式のように表せる(4)。
LMk
,Q1  1 ,r1
L1 L2

 max 121
k Q1Q2〈2･2〉,WeightQ2 rQ
RLmax  2 2k

L2 .......................... (5)Windingr2

Q2............................. (6)Q1表2Table 2.

空心トランスの特徴と課題

Primary
Secondary
Lits wire
Al sheet

空心トランスのf0[kHz]gap[mm]r1[mΩ]
r2[mΩ]
l0[μH]
l1[μH]
l2[μH]
L1[μH]
L2[μH]

特徴として，（１）コアを用いないために軽量化かつ製造コストの削減が可能である，（２）鉄損が生じない，（３）主磁束の磁路整形が難しい，ことがあげられる。
特に（３）によってコア有トランスと比べると k が大きく低下してしまう。従って空心トランスは，(6)式より効率が低下するため，周波数を高く選びコイルの Q を大きくする

2.31kg20T(1P)
4T(5P)
φ0.1mm×1200
500×500×2mm

空心トランス定数

Parameters of Coreless transformer.

213
10.5
16.2
88.4
3.60
105
4.24

10070
Q1Q2k
RLmax[Ω]ηmax[%]
CS[μF]
CP[μF]

ことで，k の低下に伴う効率低下を補う。

たアルミ板(500×500×2mm)を設置した。

（３）の磁路整形に関しては電磁遮蔽のアルミ板の設置位〈3･2〉

置を工夫した。詳しくは次章で述べる。

3122560.156
1595.50.0320.615

アルミ板付き空心トランスの k と Q

トランス

背面にアルミ板を設置するとトランスとアルミ板間の距離によってk と Q が大幅に変化することが分かった。トランスとアルミ板

3. 電磁遮蔽用アルミ板付き空心トランスの特性間の距離を h とし h が 0~150mm の範囲で変化した時の k と〈3･1〉

空心トランスの仕様

図 3 に試作した空心ト

Q の変化を図 4 に示す。なお，k は各 h においてトランスのランスを示し，仕様と定数を表 1，2 に示す。

定数を測定し計算で求めた。また，アルミ板がない状態を空心トランスでは，コアにより主磁束の磁路を整形できh=∞として k，Q1，Q2 を破線で示した。

ないので，両側巻トランス構造は採用困難である。本研究

図 4 から k は h の増加に対して上昇し 100mm を越すと値では片側巻トランス構造を採用した(5)。

が飽和傾向となる。アルミ板とトランスの距離が近い時は，また，電気自動車用非接触給電トランスは，給電時に車体底

図 5 のようにアルミ板が主磁束の経路を遮蔽してしまうた

面の誘導加熱を防ぐため，車載トランス背面側の磁束を遮蔽す
2

表3700k (h=∞)

0.22Q1(h=∞)

0.2k

0.18 Q
0.16600k

Q1 5002(h=∞)

Q20.140.120
図450100h[mm]

300
200

max

0.1

400

Table 3.
f0 [kHz]gap[mm]P4[kW]η[%]RL[Ω]VDC[V]
VIN[V]
V1[V]
V2[V]
VL[V]

Q1,Q2,max [%]0.241000150

給電実験結果Experimental result
10070
1.5
94.730IDC[A]

153146860
169
211.8

10.8

IIN[A]

13.1

ID[A]
IL[A]

12.4
7.09

V1  L1 I IN .......................................................................... (7)トランスーアルミ板間距離と k，Q1，Q2

ここで，抵抗負荷に RLmax を接続した場合，IIN は(3)，(6)式

Fig.4. Distance between transformer and aluminum sheet.

より(8)式のように表される。

I IN P3P3IL
11ab ab RLmax a kr2Q2

Q1........................ (8)Q2

 b  k (a) h=10mm.

ここで，非接触給電では一次側と二次側に同じ形状のコイルを用いる場合，Q1，Q2 と L'1，L2 がほぼ等しい値となるため，(8)式を(7)式に代入すると V1 は(9)式で表される。

V1  L1 I IN (b)h=40mm.

L1 P3........................................... (9)k a 2 L2  L1(9)式より，k が低く，f0 が高い空心トランスでは V1 が上昇してしまうことがわかる。したがって k が低く，共振周波数の高い空心トランスでは V1 の値に注意する必要がある。
V1 の上昇に対する対策としては，一次巻数 N1 の低減や，V1 の値を約 1/n に出来る一次巻線の n 分割(7)が有効である。

4.

給電実験と考察〈4･1〉

給電実験結果図 1 の回路を用いてギャップ長 70mm，電源周波数 100kHz で給電実験を行った。結果を表 3 に示す。
結果として空心トランスを用いて 1.5kW の給電を 94.7%の高効率で行うことを確認できた。また，V1 が高いため給(c) h=∞.

図5Fig.5.

電電力は 1.5kW に制約された。巻線分割を行えばさらに給アルミ板による主磁束の遮蔽電電力を大きくできるであろう。

Shielded main flux by aluminum sheet.

〈4･2〉

め k が低下する。

H 型コア有トランスとの特性比較

試作した

空心トランスと過去に試作した H 型コア有トランスの特性

また Q1，Q2 も k と同様の傾向を示した。アルミ板とコイを比較した。H 型コア有トランスの仕様を表 4，定数を表 5

ルの距離 h が小さいとコイルの自己インダクタンス L1，L2に示す。

が低下し，アルミ板の渦電流により r1，r2 が増加する(6)。

表 1,2,4,5 より，空心トランスはコア有トランスに比べ，このため(5)式より Q1，Q2 が低下する。試作した空心トラ

トランス重量を 2.3kg と約半分に削減できること，k が 0.156ンスでは効率と装置の厚みを考慮し h=40mm に選定した。と約半分に低下すること，および高周波化によってコイル〈3･3〉

その他の課題空心トランスは k が小さく周の Q が約 300 と 1.7 倍大きいことが確認できる。

波数が高いため，以下のようにコア有トランスに比べ，一ここで，電気自動車では駐車時に前後左右の位置のずれ次側コイルの端子間電圧 V1 が高くなる。

が避けられないため，一次側トランスと二次側トランスの一次巻線端子間電圧 V1 は(7)式で表される。

位置ずれによる特性変化を検証した。図 6 にギャップ長を3表4Table 4.

70mm として空心トランスと H 型コア有トランスを用いてH 型コア有トランスの仕様

位置ずれ r が 0～60 mm まで変化させたときの効率と k，及Specification of transformer with H type’s ferrite core.

び V1 の変化を示す。H 型コア有トランスでは位置ずれの方
Unit:mm

300150向によって特性が異なっており左右方向（y 方向）の位置ずれに強いことが分かっている(8)。
3 章で述べたように空心トランスは V1 が高い電圧になるが，位置ずれが生じることでさらに k が低下し，V1 が上昇Windingする。その結果，V1 によっても位置ずれ許容範囲が制限さxれる。試作したトランスでは，位置ずれが 60 mm より大きyくなると一次巻線の端子電圧 V1 が過大になるため実験は行Coreわなかった。一方 H 型コア有トランスでは k の値が高く，WeightPrimary
SecondaryWinding
Lits wire
Al sheet

Table 5.

周波数も低いため V1 は空心トランスほど高電圧にはならな

4.8 kg20T(2P)
6T(6P)
φ0.1mm×1200
400×600×1mm

い。その結果 H 型コア有トランスは空心トランスと比べ位置ずれ許容範囲も広くなる。また空心トランスは円形トランスとなるため元来位置ずれに対する k の低下が大きく(7)，表 5 H 型コア有トランスの定数効率の低下も大きい。このように空心トランスは位置ずれ

Parameters of transformer with H type’s ferrite core.

に対して弱くなることは避けられない。

f0[kHz]gap[mm]r1[mΩ]
r2[mΩ]
l0[μH]
l1[μH]
l2[μH]
L1[μH]
L2[μH]

30
70
Q1
Q2
k
RLmax[Ω]ηmax[%]
CS[μF]
CP[μF]

171
18.1
58.7
110
9.83
186
15.1

5. まとめ186
1570.349
7.5
96.8
0.190
1.861

電気自動車用の非接触給電に用いる空心トランスを試作し給電実験を行った。空心トランスは円形コイルとなるため，背面に電磁遮蔽のアルミ板が必要であるが，コイルとアルミ板の距離が特性に大きな影響を与えることが分かった。また結合係数 k が小さく周波数が高いためトランスの一1000次巻線端子電圧が高くなりやすく，一次巻線の巻数を下げ900る等の対策が必要である。1.5kW 給電実験ではコア有トラン

V1 [V]

800

スに近い 94.7%の効率が得られた。

V1 (Coreless)空心トランスは軽量で安価が求められ，大きな位置ずれが700生じず，トランスの厚さも許容できる用途に適していると600

言えよう。

V1 (H-shaped "x")

500
4000

V1 (H-shaped "y")10203040r，x，y [mm]

50文

60(1)

(a) Increace in V1.
k (H-shaped "x")k (H-shaped "y") (H-shaped "y")

(3)

0.3

95

 (Coreless) (H-shaped "x")900(2)

0.4(4)k ［%］

100(5)

0.2k (Coreless)10203040r，x，y [mm](6)500.160(7)(b) Efficiency and k.

(8)

図 6 位置ずれ特性
Fig.6. Characteristic in position change.

4献

藤田敏博・金子裕良・阿部 茂：「直列および並列共振コンデンサを用いた非接触給電システム」，電学論 D，Vol.127，No.2，pp174‐
180(2007)阿部 茂・金子裕良：「非接触給電技術」,学会誌 Vol.128,No.12
pp.796-799 (2008)
Mickel Budhia，Grant A .covic，John T Boys and Chang-Yu Huang:：“Development and evaluation of single sided flux couplers for contactlesselectric vehicle changing”,IEEE, pp614-621(2011)
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」，電学論 D，Vol.132(2012)，No.1，pp123-124
岩田卓也・江原夏樹・金子裕良・阿部 茂：「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」，電気学会半導体電力変換研究会,SPC-09-39,pp.109-114(2009.3)
江原夏樹・岩田卓也・辻俊明・金子裕良・阿部 茂：「漏れ磁束遮蔽アルミ板付き非接触給電の特性」平成 20 年電気学会全国大会講演論
文集,vol.4,pp.323-324(2008)
山中智裕・野口真伍・金子裕良・阿部 茂：「電気自動車の急速充電用非接触給電システム」，JIASC2011，2-11，pp407-412
千明将人・長塚裕一・金子裕良・阿部 茂：「新コア構造による電気自 動 車 用 非 接 触 給 電 ト ラ ン ス の 小 型 軽 量 化 」
SPC-11-048,pp.139-144,2011