2019年電気学会産業応用部門大会

1-15

コの字型トランスを用いた海中非接触給電の検討
古山和宜＊

金子裕良（埼玉大学）

Study on Under Seawater Wireless Power Transfer System using U-shaped Core Transformer
Kazuki Furuyama＊, Yasuyoshi Kaneko (Saitama University)

Currently, the exploration and development of marine resources is attracting attention, and interest in wireless power transfer system inseawater applicable to AUV. However, many studies using circular core have been made, but studies using U-shaped core have not beenmade. In this paper, comparison and examination of transformer efficiency in air and seawater in plug type using U-shaped core. Also,transformer characteristics and power transmission efficiency by salinity concentration in plug part were investigated. As a result of power
supply experiment, we obtained transformer efficiency 92.2% at 250W in seawater.
キーワード：非接触給電，コの字型トランス，海水中，磁気回路
Keywords：Contactless Power Transfer System, U-shaped Core Transformer, Under Seawater, Magnetic circuit

1.

2.

はじめに

近年，海洋資源の探査・開発に注目が集まっている。この

海中非接触給電システム＜2・1＞

非接触給電システムの構成

一次直列二

背景には，石油資源等の枯渇による資源問題が挙げられる。

次並列コンデンサ方式 (5)を用いた非接触給電システムの構

現在，海洋探査機器として ROV(Remotely Operated Vehicle)

成を Fig.1 に示す。一次直列二次並列コンデンサ方式では，が実用化されている。これは，母船とワイヤーで接続し電力定電圧源で駆動すれば二次側の電圧も負荷に依らず定電圧供給や情報の送信を行い，遠隔操作によって航行し海洋探にすることが可能となる。これにより，AUV に搭載されて査を行う。

いるバッテリーの充電状態を考慮する必要なく給電を行う

AUV(Autonomous Underwater Vehicle)はバッテリーを動力ことができる。

源とし，海中を自立航行する海洋探査機器として実用化が進められている。バッテリー充電を行うためには船舶が必要となり，ワイヤーを用いた給電では接続部の漏電や腐食などが懸念される。そこで，バッテリー充電に非接触給電技術を用いることで保守性の向上が期待できる。
現在，AUV に適用できる海中非接触給電の研究が活発に行われている(1) - (3)。しかし，円形トランスを用いた検討は多く行われているが，コの字型トランスを用いた検討はなさ

Fig.1 Wireless power transfer system

れていない。また，円形トランスを用いた海中非接触給電において空気中での給電時に比べ効率が低下するという報告＜2・2＞

海中非接触給電における損失

海中非接

触給電では，水・海水が誘電体であるために空気中での給電がなされている(4)。
本論文では，コの字型トランスを用いた差込式の形状にに比べ誘電損失が増加し効率が低下するという報告がなさ

おける空気中及び海水を模擬した塩水中のトランス効率のれている(4)。また，特に海中では導電率が増加することによ比較・検討を行った。また差込式の場合，ケース内に塩が析り渦電流損が生じ，コイル電流・駆動周波数の増加に対し非出することによって塩分濃度が変化する可能性も考えられ線形的に損失が増加するという報告がなされている (3)。このる。そこで，塩分濃度によるトランス特性及び電力伝送効率要因から，海中非接触給電の効率は駆動周波数 38.9kHz で最の検討も行った。

大となり，それ以上の周波数では効率が下がるという結果［ I - 95 ］

Ⓒ 2019 IEE Japan

2019年電気学会産業応用部門大会

1-15も得られている(3)。しかし，空気中の非接触給電において駆動周波数を高くすることで効率が高くなる (6)という報告もあるため，海中非接触給電においても高い駆動周波数で海水による損失が少ない方式・形状の検討は必要である。

3.

コの字型トランス＜3・1＞

Fig.2(a)にトランス形状による磁界構造

コの字型トランスの磁界構造の概形，Fig.2(b)に円形トランスの磁界構造の概形を示す。コの字型トランスの磁界構造
では，磁束線の大部分がコイル部分を通過する。これに対し(a) U-shaped core

円形トランスの磁界構造は噴水状に広がる構造となっており，海中であれば磁束の大部分が海水を通過する。海中非接触給電は空気中のものに比べ海水による損失が生じてしまう(3)(4)が，コの字型トランスであればその磁界構造から円形トランスよりも海水部分を磁束が通らないため海水による影響を軽減できると考えられる。よって，本稿ではコの字型トランスについての検討を進める。
＜3・2＞

磁気回路

Fig.3(a)に差込式コの字型トランスの断面図，Fig.3(b)に差込式コの字型トランスの上面図，Fig.4 に差込式コの字型トランスの磁気回路を示す。Fig.3 の(b) Circular core

ケースの材質は樹脂，一次側コイルのフェライトの材質はFig.2 Magnetic field structure

PC-90，二次側コイルのフェライトの材質は PC-40 である。
Fig.4 の𝑅𝐴は Fig.3 の A 部分の磁気抵抗，𝑅𝐵 は B 部分の磁気抵抗，𝑅𝐶 は C 部分の磁気抵抗，𝑅𝐷 は D 部分の磁気抵抗，𝑅𝐸は黒色の点線部分 E のうち D 部分以外における磁気抵抗，
𝑅𝐹 は F 部分の磁気抵抗である。また，𝑁は一次側コイルの巻数，𝐼は一次側コイルの電流である。ここで，磁気抵抗𝑅は(1)式で表される。
𝑙𝑅=𝜇𝑆(1)ただし，𝑙 は磁気回路の長さ，𝜇 は透磁率，𝑆 は断面積である。また，比透磁率𝜇𝑟 は(2)式で表される。
𝜇𝜇𝑟 =𝜇0(a) Cross section(2)

ただし，𝜇0 は真空の透磁率である。(2)式より，透磁率が高いほど比透磁率が高いということがわかる。また，空気・海水・樹脂の比透磁率は1と同じであるため Fig.3，Fig.4 の磁気抵抗において同一とみなした。コの字型トランスの二次側コイルに使われている PC-40 の比透磁率は2300と空気・海水・樹脂に比べて非常に高いため(1)式より D 部分の磁気抵抗が C・E・F 部分より非常に小さい値となることが(b) Top
Fig.3 Plugin U-shaped core

わかる。これは，Fig.4 の磁気抵抗𝑅𝐷 部分を磁束が非常に通りやすいということであり，これによって磁束が集中し分散しなくなる。従って，海水部分を通る磁束が少なくなると考えられる。
＜3・3＞

磁界解析による磁束分布

電磁界解析ソフトウェア JMAG(JSOL 社製)を用いて，給電時における差込式コの字型トランスの磁束分布を調べた。一次側コイルに 85kHz，1A の正弦波を流した際のシミュレーション結果［ I - 96 ］

Fig.4 Magnetic circuitⒸ 2019 IEE Japan2019年電気学会産業応用部門大会

1-15を Fig.5 に示す。
Fig.5 を見ると，フェライトコア部分に磁束が集中していることが確認できた。また，ケース内の海水部分の磁束密度はフェライト部分に比べ非常に低く，フェライト間部分以外の海水部分には磁束があまり通っていないことを確認した。

4.

給電実験

＜4・1＞

実験条件

一次側にコの字型トランス，二Fig.5 Magnetic flux distribution of transformer

次側に I 型トランスを用いて 250W 給電実験を行った。媒体
Table.1 Transformer parameters

を，空気・水(水道水)・海水(塩水)とし，実験時の回路は Fig.6のように組み，コの字型トランスと I 型トランス間のギャッGap [mm]30よび用いたトランスの定数・コンデンサ・最適負荷の値をFrequency [kHz]85示す。トランス定数は一次・二次コイル間ギャップ 30mm でPrimary winding

40T

Secondary winding

20T

𝑟1 [mΩ]330

実験を三回ずつ行った。各媒体におけるトランス効率の平𝑟2 [mΩ]49.5

均値を Table.2 に示す。空気・水道水・塩水のトランス効率

𝐿1 [μH]513

𝐿2 [μH]36.4

𝑘0.187𝐶𝑠 [nF]

7.33

二次側コ𝐶𝑝 [nF]

95.6

イルの差込深さを Fig.8 に示すように 5，10cm とし，それぞ𝑅𝐿 [Ω]78.1

プは 30mm，電源電圧は 100V とした。Table.1 に実験条件お測定した。
＜4・2＞

実験結果

ケース内の媒体を空気・水道水・塩水(塩分濃度 3.5%)とし，それぞれにおいて 250W 給電は最大で 0.2%差となった。
従って，空気・水道水・塩水においてトランス効率に変動がないことを確認した。また，塩水中においてトランス効率92.2%を得ることができた。
＜4・3＞

塩分濃度によるトランス特性れについて塩水の塩分濃度を 0～8%の 2%刻みで変化させた
ときの各種トランス特性の測定結果を Fig.7 に示す。また，測定時に用いたトランスの写真を Fig.8 に示す。測定時の塩Table.2 Transformer efficiency

水の量は水深が 10cm になるようにした。Fig.7(a)に示すよう

Media

Efficiency [%]に，一次・二次コイルの巻線抵抗は塩分濃度の増加に対してAir

92.1て塩水の導電率が増加したことにより渦電流が増加しそれWater

92.3による損失が巻線抵抗として計測されたことが原因だと考Seawater

92.2

線形的に増加している。これは，塩分濃度の増加にともなっえられる。

Fig.6 Circuit of experiment［ I - 97 ］

Ⓒ 2019 IEE Japan

2019年電気学会産業応用部門大会400390
380370
360
350
340
330
320310300

62
r1 Depth:10cm
r1 Depth:5cm
r2 Depth:10cm
r2 Depth:5cm

5854
50

Resistance value(r2) [mΩ]Resistance value(r1) [mΩ]1-15

Fig.8 Insertion depth & Photograph of plugin U-shaped core

46012345678100

Efficincy [%]Salinity concentration [%](a) Primary & Secondary winding resistance
38510
37500
490

36480

L1 Depth:10cm
L2 Depth:10cm

470

L1 Depth:5cm
L2 Depth:5cm

35460

Inductance(L2) [μH]

Inductance(L1) [μH]520

246Salinity concentration [%]5cm
10cm5cm (Air)
10cm (Air)80700246
Salinity concentration [%]8Fig.9 Efficiency by each insertion depth

5.

34090

まとめ

本論文では，コの字型トランスを用いた空気中・海中非接8触給電の比較・検討および，塩分濃度によるトランス特性の(b) Primary & Secondary inductance検討を行った。

Coupling coefficient

従来の海中非接触給電で検討されていた円形トランスによる給電では空気中に比べ海中では給電効率が低下すると0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.050報告されていた(4)。しかし，コの字型トランスを用いた 250W

Depth:10cm
Depth:5cm

給電実験を行ったところ，空気中・塩水中によるトランス効率に変動がなく，塩水中においてトランス効率 92.2%と高い値を得た。また，塩分濃度による各種トランス特性の測定を行ったところ，一次・二次コイルの巻線抵抗が塩分濃度の増024Salinity concentration [%]6加に対して線形的に増加していることを確認した。各差込8深さによる測定結果を元にシミュレーションを行ったところ，差込深さ 5cm，10cm では効率が 89%，92%という高い(c) Coupling coefficientFig.7 Transformer characteristic
Fig.7(b), (c)に示すように，差込深さが深いほど一次・二次値が得られることを確認した。
今後は，コの字型トランスを完全に水没させた状態でのコイルのインダクタンス値および結合係数は高くなった。

検討および，円形トランスを用いて本論文と同様の条件で各差込深さにおいて塩分濃度によるインダクタンス値およ実験を行い，比較・検討する予定である。

び結合係数に線形的な傾向は確認できなかった。
＜4・4＞

給電シミュレーション

各塩分濃度および差込深さにおいて Fig.7 に示した測定結果の平均値，および塩分濃度 4%時の最適負荷を用いてシミュレーションを行った。
Fig.6 の回路に関して巻き線抵抗を考慮した上で電源電圧を 100V，周波数 85kHz として回路シミュレータ PSIM による電力伝送効率のシミュレーション結果を Fig.9 に示す。
Fig.9 に示すように差込深さ 5cm，10cm でそれぞれ効率が89%，92%という高い値が得られた。この結果から，最深部分よりも 5cm 程度であれば離れてしまっても高い効率で給電できることを確認した。また，差込深さ 5cm，10cm における空気中・塩水中の電力伝送効率をそれぞれ比較すると，ほとんど変わらないことを確認した。

［ I - 98 ］

文献(１) 権田貴紀, 元谷 卓, 道木加絵, 鳥井昭宏, 「海中非接触給電における給電・受電コイルを格納した防水ケース内の空気層の厚みの効果」,
電学論 C, Vol.138 No.12 pp.1478-1484(2018)(２) 佐藤直樹, 井上鴻志, 木船弘康, 「AUV 向け水中給電ステーションにおけるコイル配置に関する基礎検討」, 半導体電力変換モータドライ
ブ合同研究会, SPC-17-4, MD-17-4(2017)(３) Zhiyuan Cheng, Yang Lei, Kai Song, Chunbo Zhu, “Design and Loss
Analysis of Loosely Coupled Transformer for an Underwater High-Power
Inductive Power Transfer System”, IEEE TRANSACTIONS ONMAGNETICS,.VOl.51, NO.7(2015)(４) 篠原俊也, 稲森真美子, 森本雅之, 「海水中での非接触電力伝送の損失解析」, 平成 29 年電気学会産業応用部門大会, I-29(2017)(５) 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 pp.174-180 (2007)(６) 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.132No.1pp.123-124(2011)Ⓒ 2019 IEE Japan