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平成 29 年電気学会全国大会

中継コイルを用いた非接触コンセントの検討
柿沼賢造＊，金子裕良（埼玉大学）

Study of Wireless Power Transfer Outlet with Repeater Coil
Kenzo Kakinuma＊, Yasuyoshi Kaneko (Saitama University)

１．はじめに近年、ショートによる発火や感電の危険性がない非接触給電技術を家庭内直流給電のコンセントプラグに用いる研究が進められている(1)。非接触コンセントは定電圧入力時に定電圧出力となることが望ましい。従来、広く用いられて

図 1 非接触給電システム(中継コイル方式)
Fig.1. Wireless power transfer system for Repeater coiltopology.

いる一次直列二次並列コンデンサ方式(SP 方式)の場合、二次側装置が不在になると入力インピーダンスが低下し、過大な入力電流が流れる。このような過電流を抑制するために中継コイルを用いてインピーダンス変換を行う方法 (2)が提案されている。本稿では差込式の非接触コンセントとして適応可能なコの字型ソレノイドトランスに中継コイルを

図 2 非接触給電システム(SP 方式)
Fig.2. Wireless power transfer system for SP topology.

応用し、SP 方式と給電特性を比較することで中継コイルの有効性について検討する。

表 1 各コンデンサ方式の特性式

２．非接触給電システム

Table 1. Characteristic expression of each capacitor topology.

図 1 に中継コイル方式を用いた非接触給電システムの構方式

中継コイル方式

SP 方式

コンデンサ

1

 Cr   2 Lr1
 C S1 M 2  L1  1r M 12 

M 2r



1
C S 2 M 2  L2  2 r M 12 

M 1r



1

C s 
M2 2  L1 
L2 
C p  1 2 L2成を示す。フルブリッジインバータで方形波電圧を出力し、BPF を用いてトランスに正弦波電圧を入力する。二次側で全波整流器を通じ、バッテリーを模擬した抵抗負荷へ給電する。図 2 に SP 方式を用いた非接触給電システムの構成を示す。図 1 とは異なり、トランスに方形波電圧を入力する。
中継コイル方式、SP 方式の特性式を表 1 に示す。中継コ
入出力特性

イルのコンデンサ Cr は二次側装置不在時に入力インピーダ
ンス Zin が無限大になるよう、中継コイルのインダクタンスLr と共振するよう定めている。一次側直列コンデンサ Cs1、入力インピーダンス

二次側直列コンデンサ Cs2 は入出力特性として理想変圧器

TypePowerFrequency
Gap
Primary coil
Secondary coil
Repeater coil

タンス L2 と共振するように、一次側直列コンデンサ Cs は一次側電源力率が 1 となるよう定める。このとき入出力特性に理想変圧器特性が成り立つ。これらの共振方法を取ると共振周波数において表 1 に示す関係式が成り立つ。

寸法を図 3、トランス定数を表 3 に、2 巻線トランスの仕様を表 2、外観、寸法を図 4、トランス定数を表 3 に示す。装置は一次側トランスの磁極部を拡張し、その内側に二次側トランスを挿入することで二次側装置の位置ずれによる電圧変動、効率変動を少なくするコの字型構造(3)となっている。

2017/3/15～17M
VLL22

M Z IN    RL
 L2 

3Coil

2Coil50W
90kHz
1.5mm
61T(0.1mmΦ×80)
61T(0.1mmΦ×30)
18T(0.1mmΦ×180)
18T(0.1mmΦ×180)
61T(0.1mmΦ×80)‐

装置全体は二次側コイルを挿入する面以外の 5 面を電磁遮蔽用アルミ板で覆った。3 巻線トランスの周波数特性を図 5に示す。ギャップの小さいトランスは位置ずれ、二次側コイル不在時にインダクタンス値 L の変動が大きい。二次側不在時に高インピーダンス化するため、共振周波数のずれを考慮し、標準状態における駆動周波数付近のインピーダンスが低くなるような二次側巻数を選定した。

-322富山2

M Z IN   1r  RL
 M 2r VIN 

Table 2. Specifications.

SP 方式は二次側並列コンデンサ Cp が二次側自己インダク

非接触コンセント用 3 巻線トランスの仕様を表 2、外観、

M 1r
VL
M 2r

表 2 トランス仕様

特性が成り立ち、一次側電源力率が 1 となるように定める。

３．非接触給電トランス

VIN ( 第 4 分冊 )©2017 IEE Japan

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平成 29 年電気学会全国大会

図 5 3 巻線トランスの周波数特性
図 3 3 巻線トランス

図 4 2 巻線トランス

Fig.5. Frequency characteristic of three

Fig.3. Three windings transformer.

Fig.4. Two windings transformer.

windings.
表 3 トランス定数
Table 3. Transformer parameters.

L1 [μH]
Lr [μH]L2 [μH]M1r [μH]
M2r [μH]
M12 [μH]
k1r
k2r
k12

In ALC

図 6 インピーダンス特性
Fig.6. Experimental results of impedance characteristic.

3Coil
414
412
17.2
405
47.2
46.2
0.981
0.561
0.548

2Coil
405
‐
17.8‐
‐
49.1‐
‐
0.579

r1 [Ω]
rr [Ω]
r2 [Ω]
CS1 [μF]
Cr [μF]
CS2 [μF]
Cp [μF]

3Coil
2.45
2.51
0.05510.179
0.00759
0.265
‐

2Coil
2.28‐
0.05290.0116‐‐0.177

表 4 二次側不在時の給電実験結果
Table 4. Experimental results without secondary coil.

ＶIN [V]IIN [A]
Ir [A]ZIN [Ω]PIN [W]

In ALC

3Coil
124
0.268
0.590
461
1.91

2Coil(Exp)
4.22
1.25
3.39
4.65

2Coil(Sim)
78
20.9
3.73
1200

標準位置における 3 巻線トランスの給電効率は 95.3%と高図 7 位置ずれ時の効率変動
Fig.7. Efficiency change at misalignment.

い値を示した。位置ずれに強い領域(位置ずれ 30mm まで)双方の装置は比較のため巻数、ギャップ長を統一している。
3 巻線トランスの特性について検討するために比較実験を行った。試作した 3 巻線トランスは巻線厚みが大きい。比較位置を対等にするため 2 巻線トランスの差込側装置の位置を 0mm と定め、3 巻線トランスは 5mm の位置を標準状態とした。実験条件としてそれぞれの装置を定電圧駆動し、において 3 巻線トランスの給電効率の低下は 0.4%以内であり、2 巻線トランス同様位置ずれに強い特性を維持できている。効率に関しては巻線の並列数、最大効率となる負荷抵抗値を双方の装置で揃える、など効率を比較するための条件を統一し、今後検討する必要がある。

５．まとめ

50W 給電を行った。このときトランス効率が最大となる負ギャップ長の小さい非接触コンセント用トランスに中継荷抵抗値を実験中に測定し、その値を電子負荷の負荷抵抗コイルを用いた場合の特性について検討した。中継コイル値として用いた。

を巻くことで二次側装置がない場合でも標準状態より高いインピーダンスが得られ、定電圧駆動時に過電流の抑制効

４．実験結果図 6 より 2 巻線トランスは定電圧駆動時、位置ずれに伴いインピーダンスが低下するため、入力電流が増加するのに対し、3 巻線トランスは位置ずれに伴いインピーダンスが増加しており、定電圧駆動時においても過電流の抑制効果果があることを示した。また、給電装置の位置ずれに強い特性を維持することが可能であることを示した。中継コイ
ルを用いたトランスのトランス効率は 95.3%であり、中継コイルを用いても高効率で給電可能であることを示した。

があることを確認できた。表 4 より 3 巻線トランスの二次側不在時のインピーダンスは 461Ω であり、標準状態より高い値を示した。また、給電損失は 1.91W まで抑制することができた。図 7 に位置ずれに伴う給電効率の変化を示す。

2017/3/15～17

文
(1)
(2)
(3)

-323富山( 第 4 分冊 )献

小鹿他:電学論 D Vol.135,No.1,pp.49-57(2015)
小林他:無線電力伝送研究会 WPT2014-54,pp.21-26(2014)
吉岡他:平成 26 年電学全大 No.4-091,pp.150-151(2014)©2017 IEE Japan