VT－13－013

円形トランス及びＨ型トランスと給電可能な
新Ｈc 型非接触給電トランス
清水

良太郎＊

金子

裕良

阿部

茂（埼玉大学）A New Hc Core Transmitter of Contactless Power Transfer System Interoperable with
Circular Core Receivers and H-shaped Core Receivers
Ryotaro Shimizu＊, Yasuyoshi Kaneko, Shigeru Abe(Saitama University)
There are two types of the transformers in a contactless power transfer system for electric vehicles; arectangular (H-shaped) core double-sided winding type and a circular core single-sided winding type. To
establish the international standardization, there has been an important issue in incompatibility due to thedifference of the magnetic field structure between rectangular core types and circular core types. This paper
proposes a Hc core transmitter of contactless power transfer system interoperable with both type receivers
which adds a central magnetic pole by dividing the coil of the H-shaped core double-sided winding transformer.
The 3kW interoperability tests are carried out and test results are presented.
キーワード：電気自動車，非接触給電，トランス，互換性，効率(Electric vehicle, Contactless power transfer, Transformer, Compatibility, Efficiency)
いる DDQP や BPP は乗用車に搭載するには寸法が幅 700mm

1. はじめに以上と大きく，それらのトランス内で用いられている複数のコイル間やコンデンサとの接続方法や給電実験結果につ

現在，プラグインハイブリット自動車（PHV）や電気自

いてはあまり述べられていない。

動車（EV）の充電には，電気ケーブルとコネクタで車両に

本論文では，DDQP や BPP とは異なるコア・巻線構造を給電するコンダクティブ方式が採用されている。しかし将来は，コードレス化による利便性・安全性・保守性の向上

持ち，角形及び円形トランスと互換性のある新 Hc 型トランから非接触給電方式(1)(2)になると期待されており，研究開発

ス構造を提案する。Hc 型トランスは従来の H 型トランスのが盛んである。2015 年を目標に，欧米で世界標準化の協議

コイルを２分割し，中央部に磁極を追加し，円形トランスが進められている(3)。

との給電を可能にしている。H 型トランスと給電する場合

電気自動車用の非接触給電トランスには，磁界構造の違は２分割したコイル間の接続を変更することで磁界構造をいから，角形コア両側巻(4)（H 型(5)，Solenoid 巻，Polarized

変更し，中央磁極は用いないで給電するのが特徴である。

(6)

(7)

(8) (9)Hc 型トランスは市中の駐車場の送電側トランスに適してとも呼ばれる）の 2 方式がある。角形は小型軽量化，長ギいる。自宅の駐車場には，乗用車に設置された受電側トラャップ化，左右方向の位置ずれ許容量の点で優れ，円形はンスと同じタイプの角形（H 型）あるいは円形の送電側ト漏洩磁界や漏洩電界のレベルが低い点で優れている。磁界

ランスの設置が考えられる。これに対し市中の充電ステー

構造の相違から両者には互換性がなく，研究開発中の大学

ションでは角形及び円形トランスを備えた車に充電する必や企業などでも 2 分されており，標準化の上で大きな課題(7)要がある。もちろん，送電側と受電側を入れ替え，受電側となっている。

を Hc 型トランスにすることも可能である。

type とも呼ばれる）と円形コア片側巻 （Circular type

この問題を解決するため，角形及び円形トランスと互換性のあるトランス構造が Auckland 大学から提案されている。DDQP(10)，BPP(11)(12)と呼ばれるトランスを，受電側（一次側）に用いれば，送電側（二次側）に Polarized type ある
いは Circular type のトランスを用いても給電可能となる。送電側と受電側を入れ替えることも可能である。発表されてFig. 1. Contactless power transfer system.

－27－

2013/2/22©2013IEEJapan

Fig. 2. Detailed equivalent circuit.

(a) Dimensions.

(b) Photograph.

Fig. 4. Dimensions and photograph of Hc core transmitter.

(a) Rectangular core.

Fig. 5. Hc core transmitter winding.
Table 1. Hc core transmitter specifications.
90 mm × 2

Litz wire

0.1 mmφ × 800

Weight without Aluminum sheet

6.92 kg

Size

360 × 300×40 mm(b) Circular core.

Fig. 3. Magnetic field.

以下，２章では角形トランスと円形トランスの磁界構造

Coil winding

Winding

16 T (2 parallel) × 2

Aluminum sheet (Weight)

600 × 600 × 1 mm (1.06 kg)の相違について，３章では Hc 型トランスの構造と角形及び次巻線の自己インダクタンス ω0L2）に共振するように(1)式

円形トランスとの給電方法について，４章では給電実験結の値に決める。
1= xp = x′0 + x2 ······································· (１)ω 0C ′ p

果について述べ，５章でまとめを述べる。

2. 電気自動車用非接触給電トランス〈2･1〉 電気自動車用非接触給電システム

次に一次側直列コンデンサ CS の値を一次側電源力率が 1になるように(2)式の値に決める。
x′0 x2
1= xs = x′1 +ω 0 C ′s
x′0 + x2 ································ (２)一次直列二次並列コンデンサ方式 (13) の非接触給電システムの構成をFig. 1 に示す。高周波電源に f0=50kHz のフルブリッジインバ

ここで，V'IN と V2，I'IN と ID との関係を求めると，
x′0
V ′IN = bV2，I ′IN = I D b ，b =·················· (３)x′0 + x2ータを用い，二次側整流器は全波整流回路を用いる。給電
トランスを T 型等価回路で表し，直列及び並列共振コンデ
ンサ CS，CP と抵抗負荷 RL を加えた詳細等価回路を Fig. 2 に示す。なお，巻数比を a = N1/N2 とし，一次側諸量は二次側が成り立ち，巻数比 b の理想変圧器と等価となる。この時，に換算し'（ダッシュ）をつけて表す。実際の給電トランスb は結合係数 k にほぼ等しくなる。

では，フェライトコアとリッツ線を用いると鉄損 r'0 と巻線

続いて，銅損のみを考慮したトランス部の最大効率 ηmax

抵抗 r'1，r2 は，電源周波数 f0 においてトランスのリアクタとその時の抵抗負荷 RLmax の値は(4)式となる。

ンス x'0，x'1，x2 に比べ十分小さい。従って，巻線抵抗 r'1，

η max =

r2 と鉄損 r'0 を省略して解析を進める。
まず二次側並列コンデンサ CP の値を，電源周波数 f0 において励磁リアクタンス x'0 と漏れリアクタンス x2 との和（二

－28－

1
2r
1+ 2
xp

1 r ′1+1b 2 r2，RL max = xp

1 r ′1b 2 r2+ 1 ·········· (４)(a) Hc core transmitter and H-shaped core receiver.

(b) Hc core transmitter and Circular core receiver.

Fig. 6. Magnetic field.

〈2･2〉 角形及び円形トランスの磁界構造の相違

電
40

気自動車用非接触給電トランスには，角形と円形の２方式

160

40

があり，コア・巻線方式が違うため磁界構造が Fig. 3 のように異なる。円形トランスの磁界構造はコイルの中心を縦に

150
120

230

240

320

600

貫く形状であり，直径の半分程度の位置ずれで鎖交磁束が打ち消し合い給電できなくなる。角形トランスはコイルの中心を横に貫く磁界構造であり，左右方向の位置ずれが起きても磁束が打ち消し合わないため，左右方向の位置ずれに強い。磁界構造が異なるため，円形トランスと角形トランスの組み合わせでは給電できない（互換性がない）。

160

160

〈2･3〉 互換性のあるトランスの必要性

現在，様々な

大学や企業などで角形及び円形トランスの開発が進められており，両者に互換性がないことが標準化の上で大きな課(a) H-shaped core.

題になっている。もし両方式が実用化されると様々な車両

Fig. 7. Transformer dimensions.

が利用する一般の駐車場では，角形及び円形トランスと互

Table 2. Transformer specifications.

換性のあるトランスが必要となる。

Type

3. 中央磁極を持つ Hc 型非接触給電トランス〈3･1〉 Hc 型非接触給電トランスの構造と仕様(b) Circular core.

Weight[kg]従来の H 型コア両側巻トランス(14)をもとに円形及び角形（H 型）
Winding

トランスと互換性のある Hc 型非接触給電トランスを設計しH-shaped core

Circular core

Primary

6.06

9.82

Secondary

6.43

10.54

Primary

16 T (2 parallel)

16 T (2 parallel)

Secondary

4 T (15 parallel)

4 T (8 parallel)

試作した。Fig. 4 に寸法と写真，Fig. 5 に巻線構造，Table 1のため，Hc 型トランスの中央磁極は，両端の磁極に比べ xに主な仕様を示す。

Hc 型トランスは，H 型トランスに給電する場合，従来の方向は長く y 方向は短くし，ある程度の面積を確保していH 型トランスと同様に Fig. 6(a)のように磁界を発生させるのる。しかし，円形トランスは中心から全方向に磁界が発生で中央磁極は必要ない。むしろ中央磁極により漏れ磁束がするのに対し，Hc 型トランスでは磁界が x 方向だけに発生増加し結合係数 k が低下しないよう注意する必要がある。円するため，Hc 型トランスと円形トランスとでは結合係数 k形トランスに給電する際には Fig. 6(b)のように磁界を発生が低くなることは避けられない。また，Hc 型トランスの 2

させ，Hc 型トランスの中央磁極が円形トランスの中央磁極分割されたコイルのコイル幅が小さくなりすぎると漏れ磁と同じ重要な役割を果たす。

束が増加し，結合係数 k が低下する。
以上を考慮して，Fig. 4 のように中央磁極の寸法を 80×

中央磁極の形状は，（１）円形トランスとの結合係数が高くなるように，（２）位置ずれ許容量が大きくなるように，

200×15mm に，コイル幅を各 90mm に決めた。

（３）主磁束が飽和しないように，決める必要がある。こ〈3･2〉 H 型，円形トランスの仕様－29－

Hc 型トランスのFig. 10. Experimental circuit for the Circular core receiver.

(a) Series.

(b) Parallel.

Fig. 8. Connection methods to H-shaped core.

Fig. 11. Hc core transmitter and H-shaped or Circular core receiver.
Table 4. Transformer parameters.

(a) Series.

SecondaryPrimarygap[mm]f [kHz](b) Parallel.

150

100
50

r [mΩ]

0r [mΩ]
1

85.9

183

r [mΩ]
2

5.99

12.3

l [uH]

0

Table 3. Relationship between winding numbers
and connection methods.

Circular core
Hc core0

Fig. 9. Connection methods to Circular core.

Secondary
Seriesconnection
Parallelconnection

H-shaped core

14.6

0

17.5

33.5

H-shaped core

Circular corel [uH]
1

73.6

125.

2N

N

l [uH]
2

4.67

9.54

C [uF]

0.115

0.064

C [uF]

Lmax

[Ω]

1.758
0.191
0.189
9.22

0.871
0.195
0.180
20.0

η

[%]

96.7

96.5

Q

1

333

275

Q

302

304

N

S

N/2

P

k
b

互換性を確認するために，Fig. 7 の H 型(14)及び円形トランス

R

(15)

を用いた。Table 2 に H 型及び円形トランスの仕様を示す。

max

Hc 型トランスとの給電では，Hc 型トランスを一次側にし，二次側に H 型及び円形トランスを用いる。
〈3･3〉 Hc 型トランスの磁界構造

2H 型トランスに給電する場合は，直列接続の Fig. 8(a)ではH 型トランスに給電する場合は Fig. 6(a)に示したように，2 分割されたそれぞ

電流 I と主磁束 Φ の磁束鎖交数は λ=2NΦ で，並列接続の Fig.

れのコイル（coil1，coil2）に流れる電流の向きを揃え，同8(b)では両コイルの電流が I/2 になるため，電流 I との磁束

じ方向に磁束を発生させる。円形トランスに給電する場合

鎖交数は λ=NΦ となる。直列接続の場合は巻数が 2N で，並は，Fig. 6(b)に示したように，coil2 に流れる電流を逆向きに

列接続の場合は巻数が N で巻線（リッツ線）の並列数が２し，それぞれのコイルは逆向きの磁束を発生させる。

倍になる。直列接続でも並列接続でも φ1=φ2=Φ である。

〈3･4〉 ２ 分 割 さ れ た コ イ ル 間 の 接 続 と 巻 数 の 関 係

円形トランスに給電する場合，Fig. 6(b)より主磁束 Φ の半

前述した磁界構造を作るために，２分割されたコイル間を分の磁束 Φ/2 (=φ1=φ2) が coil1 と coil2 と鎖交する。coil1，

適切に接続し，電流の流れる向きを調整する必要がある。H

coil2 が Fig. 9(a)の直列接続の場合は電流 I と主磁束 Φ の磁型トランスに給電する時の接続を Fig. 8 に，円形トランスに

束鎖交数は λ=NΦ となる。これに対し並列接続の場合は各コ給電する時の接続を Fig. 9 に示す。２分割されたコイルはイルに流れる電流が I/2 になるため，電流 I との磁束鎖交数Fig. 8，Fig. 9 のように直列あるいは並列接続することで，一は λ=NΦ/2 となる。直列接続の場合は巻数が N で，並列接続

つのコイルとみなすことできる。重要なことは接続方法にの場合は巻数が N/2 で巻線（リッツ線）の並列数が２倍にな

よってコイルの巻数が変わることである。

る。

これは，電流 I と主磁束 Φ の磁束鎖交数 λ(=NΦ=LI)から

Hc 型トランスのコイルの接続法とコイルを一つとみなし説明できる。簡単のために，Fig. 6 の coil1 と coil2 の巻数をた場合の巻数の関係を Table 3 に示す。実用上は一次側を駆どちらも N，coil1，coil2 に鎖交する磁束をそれぞれ φ1，φ2

動するインバータの容量（kVA）を最小にしたいので，インとし，位置ずれのない状態で考える。インバータの出力電バータの出力電圧及び電流が，二次側トランスの種類（H流を I とすると，coil1 と coil2 に流れる電流は，直列接続の型か円形）によって大きく変化すると扱い難い。本論文の場合は I，並列接続の場合は I/2 となる。

ように，二次側トランスの巻数が等しく，結合係数 k や二次

－30－

1
I1a

I1b
0
80

k

100
120
gap [mm]

140

0

IIN

V2

200

2

I1a

VIN
I1b

100

1

η
k

0
0

20

40
60
x [mm]

3

PD
V2

200

2

VIN
IIN

η

100

1

50

I1b

I1a

k

0
0

0
100

80

300

100
y [mm]PD[kW], k, η

η

100

3

PD

Voltage[V],Current×5[A]

IIN

300

PD[kW], k, η2

V2

Voltage[V],Current×10[A]

200

3

PD

VIN

PD[kW], k, η

Voltage[V],Current×10[A]

300

0
200

150

100

VIN
1

η

V1
k

0
80

100
120
gap [mm]

140

0

2

IIN
100

VIN

V1

η

1

k
0
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
x [mm]

3

PD

300

V2

2

200
VIN

IIN
100

1

η

V1

PD[kW], k, η

IIN

V2
200

VIN[V],V1/5[V],Current×10[A]

2

3

PD

300

PD[kW], k, η

V2
200

VIN[V],V1/5[V],Current×10[A]

3

PD

300

PD[kW], k, η

VIN[V],V1/5[V],Current×10[A]Fig. 12. Experimental results (primary: Hc core; secondary: H-shaped core).

k
0
0

50

0
150

100
y [mm]

Fig. 13. Experimental results (primary: Hc core; secondary: Circular core).
Table 5. Values of resonant capacitors and a resistance load.
SecondaryPrimary
C [uF]
S（corresponding gap）
C [uF]
P（corresponding gap）
RL[Ω]（corresponding gap）

H-shaped core

Circular core

Hc core0.116（100mm）

0.0664，0.0659（100mm）

1.734（150mm）

0.847（100mm）

20（150mm）

40（100mm）

Table 6. Parameters of experiments.
SecondaryPrimaryf0[kHz]gap[mm]x[mm]y[mm]VIN[V]IIN[A]
V1[V]
V2[V]
I1a[A]
I1b[A]PD[kW]
η[%]kH-shaped core

Circular core
Hc core
50

150
0
0
177
23.5
686
201
12.1
11.9
3.00
92.7
0.191

100
0
149
31.4
908
199
14.9
16.6
3.00
90.2
0.147

0
150
148
29.7
864
198
14.8
14.9
3.00
90.6
0.149

0
200
135
35.3
1010
198
17.6
17.7
3.00
88.8
0.126

0
0
219
17.4
496
264

60
0
166
25.4
663
264

100
90
0
152
37.0
958
264

3.00
95.0
0.195

3.00
91.6
0.146

3.00
85.7
0.101

0
100
169
24.5
640
264

0
150
143
36.7
934
264

130
0
0
161
26.2
679
266

3.00
92.0
0.147

3.00
86.2
0.103

3.00
91.7
0.131

-

形トランスへの給電では直列接続とした。

側直流出力電圧も近い値の場合は，一次側トランスの巻数が二次側トランスによって変わらないことが重要である。

二次側トランスが円形トランスの場合は H 型トランスの従って H 型トランスへの給電では並列接続に，円形トラ

場合に比べて結合係数 k が少し下がる。そこで，位置ずれな

ンスへの給電では直列接続に地上側の Hc 型トランスのコイ

しで結合係数 k≒0.2 となるギャップ長（H 型トランスは

ル接続を切り換える。

150mm，円形トランスは 100mm）をそれぞれ標準状態とした。Fig. 11 に標準状態でのトランス写真を，Table 4 に標準

4. 給電実験結果〈4･1〉 3kW 給電実験概要

状態での LCR メータによる定数測定結果を示す。
一次側に Hc 型トランス

Table 5 に実験で用いた直列及び並列共振コンデンサ CS，を，二次側に H 型トランス及び円形トランス用いて，3kW

CP と抵抗負荷 RL の値を示す。Table 5 の（）内の数値は，値給電実験を行った。二次側が H 型トランスの場合は Fig. 1を定めたときの最適なギャップ長である。 CS を標準状態のの回路で，円形トランスの場合は Fig. 10 の回路で実験を行

ギャップ長ではなく 100mm での最適値に設定したのは，ギった。Fig. 10 は一次巻線及び一次側直列コンデンサ CS を２

ャップ長が小さい時のインバータの進相運転を防ぐためで分割した回路(16)となっている。これは，二次側が円形トラある。

ンスの場合はギャップ長や位置ずれが大きくなると結合係電気自動車の充電は，市中の駐車場より自宅で行う回数

数 k 著しく低下し，一次巻線端子電圧 V1 が過大となり一次の方が多いと考えられる。従って CP の値は自宅での給電効

側直列コンデンサ CS の耐圧や一次巻線の絶縁が問題になる率が高くなるよう，車載側と同タイプのトランスとの給電ためである。ギャップ長変動は一般的な電気自動車の車高効率が最大となるように定めるのが適切である。幸い CP のに積載量による変化を考慮して 80~150mm，位置ずれ特性は

値は、(1)式に示されるように二次巻線の自己インダクタン

位置ずれなしの状態から前後方向を ±100mm ，左右方向をス ω0L2 と電源周波数 f0 で決まり，L2 は一次側トランスによ±200mm の範囲で測定した。前後方向はタイヤ止めの利用をって変わらない。市中の駐車場の送電側トランスに Hc 型ト

想定し，位置ずれ誤差は小さいとした。Hc 型トランスのコ

ランスのような互換性のあるトランスを用いる場合、車載

イル間の接続は，H 型トランスへの給電では並列接続，円側の CP の値は送電側トランスによって変更する必要はな－31－

い。今回は，Table 5 に示した標準状態において H 型及び円央磁極を加えることで，角形トランス及び円形トランスと形トランス同士で定数測定を行った時の最適な CP の値を用の給電を可能にした Hc 型トランスを提案した。

Hc 型トランスは２分割したコイルを，H 型トランスとのい，給電実験を行った。
〈4･2〉 H 型トランスへの給電実験結果

Table 6 と給電では並列接続に，円形トランスとの給電では直列接続

Fig. 12 にギャップ変動特性と位置ずれ特性をそれぞれ示にすることで接続後の巻数を揃えることができ，インバー

す。ギャップ長 150mm の標準状態でのトランス効率 ηTR は

タ容量を増すことなく両トランスに給電可能である。また，

92.7%で，x≦100mm，y≦150mm の位置ずれであればトラン

車載側トランスの共振コンデンサの値も変更する必要がな

ス効率 ηTR が 90%以上であった。Fig. 7(a)に示す H 型トランい。しかし，円形トランスとの給電では結合係数 k の低下がス同士での標準状態（ギャップ長 150mm，位置ずれなし）

避けられず，ギャップ長を小さくする対策が必要となる。

における結合係数 k は 0.197 であり，一次側を Hc 型トラン

本論文で提案した角形及び円形トランスと互換性のある

スとした場合の結合係数 k の値 0.191 に比べ，差は約 3%とトランス構造が電気自動車用非接触給電方式の標準化の参小さかった。これより Hc 型トランスの中央磁極による漏れ考になれば幸いである。

磁束の増加は無視できると思われる。また，今回の実験では Fig.7 に示した coil1，coil2 を並列接続としたため，x 方向

文の位置ずれによってそれぞれのコイルに流れる電流にアン(１) 自動車技術会：「自動車技術ハンドブック⑩設計（EV・ハイブリッド）編」，自動車技術会，pp.322-336 (2011)(２) 電気学会・移動体用エネルギーストレージシステム技術調査専門委
員会編：「電池システム技術」, オーム社, pp.236-264 (2012)(３) 阿部 茂：「EV・PHEV 用非接触給電の技術動向」，電学誌，Vol.133，
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バランス(17)が生じる。Table 6 より，x 方向の最大位置ずれ±100mm においても， I1a=14.9A （ coil1 に流れる電流），I1b=16.6A（coil2 に流れる電流）と，電流のアンバランスは±11.4%であった。電流のアンバランスもコイルの電流密度やコアの磁束密度に余裕があれば，実用上の問題はないと考えられる。
〈4･3〉 円形トランスへの給電実験結果

Table 6 とFig. 13 にギャップ変動特性と位置ずれ特性をそれぞれ示す。一次巻線端子電圧 V1 が過大となることから，位置ずれ
特性は x=90mm，y=150mm まで測定した。ギャップ長 100mmの標準状態でのトランス効率 ηTR は 95.0%と高いが，位置ずれによってトランス効率 ηTR が急激に低下し，90.0%以上となる範囲はギャップ長≦130mm，位置ずれは x≦60mm，y≦100mm であった。Hc 型トランスを一次側に用いると，二次側が円形トランスでも y 方向の位置ずれ許容量が大きくなるが，二次側が H 型トランスの場合に比べると 50mm 程
度小さくなる。Hc 型トランスから円形トランスへの給電は可能であるが，H 型トランスへの給電に比べ結合係数 k が小さくなるため，標準ギャップ長を小さくするなど，結合係
数 k の低下を防ぐ対策が必要となる。
〈4･4〉 給電実験結果まとめ

献車載トランスのコンデ

ンサ CP は，H 型あるいは円形トランス間同士の給電時に最適な値としておけば，一次側が Hc 型トランスになってもCP の値を変更せずに給電可能であることが確認できた。ただし，一次側の Hc 型トランスの２分割されたコイルは，二次側トランスに応じてコイル間の接続方法と一次直列コン
デンサ CS の値を切り替える必要がある。

Hc 型トランスは円形及び H 型トランスと給電可能である
ことは確認できたが，円形トランスとの給電では結合係数 kの低下により，ギャップ長や位置ずれ許容量の性能が低下することは避けられない。結合係数 k を高める方法を考える必要がある。

5. むすび
本論文では，従来の H 型トランスのコイルを２分割し中－32－