特 集非接触給電

１

非接触給電技術阿部

非接触給電，電磁誘導，トランス1．は じ め に茂金子裕良

れている。また埃で接点不良が発生しやすい電話の充電器，水に濡れやすい電動歯ブラシや電気ひげ剃りの充電器

半導体工場の搬送車やテレビ塔用エレベータなどの移動にも用いられている。風のためケーブルが使えないテレビ体に対して，接触給電やケーブルに代わる非接触給電が実塔用エレベータへの給電，充電ステーションでの電気バス用化されている。電気ひげ剃りや電話機では接点レスで非への充電などにも利用されている。電気自動車やプラグイ接触充電するタイプが増えてきた。ヨーロッパでは充電スンハイブリッド自動車へもケーブルレスで充電できれば利テーションで非接触充電する電気バスが走っている。将来便性と安全性が高まるため研究が進められている。

は電気自動車やプラグインハイブリッド自動車さらには移このような非接触給電装置は電磁誘導を利用し，数 mm動ロボットの充電に非接触給電が有望視されている。本特から 10 cm の空隙を隔てて数 W から数十 kW の電力を給集では非接触給電の理論と代表的な応用分野を紹介する。

電している。電源，整流器を除くトランス部の効率は 96

まず，本解説で非接触給電技術の特徴，研究動向，基礎％以上のものもある。非接触給電には，搬送車用のように理論について紹介する。次に「無接触給電搬送システム」

給電線に沿って受電部が移動する移動型（図 1）と，家電と題して，半導体/液晶工場，自動車工場で稼動している用や自動車用のように空隙を隔ててトランスの一次側と二移動型非接触給電について久野氏に解説いただく（製品に次側が定位置に置かれる固定型（図 2）とがある。

よっては無接触給電とも呼ばれる）。次に「電動車両用非いずれのタイプも基本的にはギャップのあるトランスであ接触急速充電システム」と題して，自動車等への非接触給る。しかしギャップ長が大きいため，低結合係数と大きな漏電について紙屋氏らに解説いただく。最後に「家電用非接れインダクタンスの問題がある。この対策として電源周波数触給電装置」と題して，最近適用分野が増えている家電用を 10 kHz 以上にして二次誘起電圧を上げ，一次と二次の漏の小電力非接触給電について安倍氏に解説いただく。

れインダクタンスの補償のためにコンデンサを用いる。結合

2．非接触給電の特徴と研究動向
非接触給電は接点がないため，火花や摩耗粉が発生せインバータ

ほこりず，埃や水分の多い環境，水中でも給電が可能であり，保負荷守も容易になる。したがって，埃を嫌う半導体/液晶工

負荷場，火花を嫌う自動車塗装ラインなどの搬送車で実用化さ
図1

あべ・しげる（正員） 1971 年東京大学工学部電子工学科卒業。1976 年同大大学院博士課程修了。同年三菱電機（株）入社。
中央研究所等で研究開発に従事。1997 年同社稲沢製作所開発部長。2001 年ビルシステム事業本部技師長。2004 年埼玉大学工学部教授，1985 年電気学会論文賞受賞。工学博士。
かねこ・やすよし（正員） 1989 年埼玉大学大学院修士課程修了。同年新日本製鐵（株）入社。1990 年埼玉大学工学部助手，。1995 年同講師，2008 年同准教授。電気機器の制御および産業ロボットの知的情報処理・制御の研究に従事。2008 年溶接学会論文賞受賞。工学博士。

モータ

インバータ
充電回路
二次電池

インバータ

図2796

© 2008 The Institute of Electrical Engineers of Japan.

移動型非接触給電

固定型非接触給電

IEEJ Journal，Vol.１２８，No.１２，２００８特 集IIN

係数が低い場合は二次側に並列共振コンデンサを置く方式が多く用いられる。周波数が高いためコアにはフェライトを用CS

I2IL
V2VIN

RLい，表皮効果による巻線抵抗の増大を防ぐためリッツ線（絶CP

縁被覆された細線を束ねた線）を用いる。フェライトの鉄損は非常に小さく，損失はリッツ線で発生する銅損が主となる。

図3

固定型非接触給電システムの構成

非接触給電のアイディアは古くからあったと言われているが，本格的な研究はインバータが安価に利用できるようになっ た 1980 年 代 半 ば か ら 始 ま っ た（1）。1989 年 に Kelley とOwens が飛行機内の座席への給電システム（2）を，1993 年と1994 年に Green と Boys が現在の移動型の基本となるシス

（8）
（9）
（12）
（a）/S 方式（2）

（10）
（11）
（b）/P 方式（1）

（13）
（14）
（15）
（16）
（c）S/P 方式（5）

（4）
（5）
（6）
（7）
（d）P/P 方式（3）（3）

テム を発表してからは，世界的に研究が広がった。Boysらはその後も多数の論文（4）〜（6）を発表し，特許（7）も多い。日本
では松木らが 1991 年に人工心臓駆動用に皮膚を介して給電する変圧器（8）を発表した。河村らは 1996 年に多軸ロボットの関節に，電力と通信を同時に行う非接触給電方式（9）を提案した。入江らは 1998 年に移動型非接触給電の受電部の等価

図4コンデンサ配置 S：Series，P：Parallel（10）回路を，2000 年にイミッタンス変換器の適用を発表した。
VDC（11）

安倍らは 1999 年に家電充電器用を発表，綾野らは 2003

年にエレベータへの応用（12）を発表した。筆者らは 2007 年に

I1 CS

VAC

一次直列二次並列コンデンサ方式の特性（13）を，2008 年にそVINの移動型への拡張と給電効率（14）について発表した。

CP3．非接触給電のシステム構成
固定型非接触給電のシステム構成例を図 3 に示す。電源の周波数 f0 は 10 〜 100 kHz の範囲で最適な値が選ばれ

図5CP

V2V3RL2

RL3

移動型非接触給電システムる。二次出力は通常直流に変換して利用するが，図 3 では負荷電力に相当する等価抵抗 RL で表している。図 3 は一インダクタンス）と二次側回路が直列接続となる。受電部次側に直列コンデンサ CS を二次側に並列共振コンデンサの数を 1 とすると固定型の等価回路となる。図 6 で一次側CP を配置する方式（S/P 方式と記す）である。CP はトラの諸量は二次側に換算して，ダッシュを付けて表している。

ンスの二次自己インダクタンス L2 との共振周波数が電源周波数 f0 となる値に，CS は電源力率が 1 になる値に選ぶ。

（14）
4．一次直列二次並列コンデンサ方式の特性（13）これ以外にも図 4 のようにさまざまなコンデンサ配置が一次直列二次並列コンデンサ方式（S/P 方式）には興味提案されている。非接触給電では用途によりトランスの結深い特性がある。この特性を利用すると非接触給電の特性合係数 k の値が異なる。k が大きい場合は，相互インダク解析が容易になる。

タンスが大きいため，一次と二次に漏れインダクタンスを

図 6 の等価回路で巻線抵抗 r1，r2 は漏れリアクタンス x1，補償するために二次側に直列コンデンサ CS を配置するだ

x2 に比べ十分小さく，鉄損を表す r0 も励磁リアクタンス x0け（/S 方式）でよい場合もある。k が 0 . 6 以下の場合はに比べ十分小さいので，巻線抵抗を省略した簡略モデルで考二次側に並列コンデンサ CP を配置する方式（/P 方式），。
える。x0 は一次側に含めて（１）式で表す（a は巻数比）

さらに電源力率改善のために一次側に直列コンデンサ CSを配置する方式（S/P 方式），あるいは並列コンデンサ CPを配置する方式（P/P 方式）が用いられる。一般的には（S/P 方式），（P/P 方式）が多い。

2x′（1）
0 ＝ x0 a ，x0 ＝ ω 0 l 0 ，ω 0 ＝ 2 π f0 ………………

二次側の並列コンデンサ CP の値は，電源周波数 f0 において二次自己インダクタンス L2 と共振するように（２）式受電部が 2 個の移動型非接触給電のシステム構成例を図の値に決め，一次側直列コンデンサ CS の値を，一次側電5 に，その詳細等価回路を図 6 に示す。移動型の等価回路

源力率が 1 となるように，（３）式の値に決める。ここででは図 6 のように受電部の数だけ励磁リアクタンス（相互m は受電部の個数である。CP，CS の値は負荷 RL2，RL3 に電学誌，１２８ 巻１２ 号，２００８ 年

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特 集

S−jx′jx′
1BI′
IN＝I′1V′
INr′
1r′0V′
1jx 2r2IL2V2RL2ILRL2
RL3jx 2V′INV′IN/bI3

RLm＋1
ICp3

IL3V3

RL3V03−jx Pjx′0A′

ICp2−jx Pr2r′0I′
IN＝I′
1V02jx′0ZI2

図7理想変圧器を用いた移動型の等価回路

1002009015080100

図6移動型の等価回路

よらず，励磁リアクタンス x0 と漏れリアクタンス x1，x2と巻数比 a，受電部の個数 m で決まる。したがって給電

1

ω0 CP

（2）
＝ xp ＝ x′
0 ＋ x 2 ＝ω 0 L2 ………………………

6002040605080

1000

負荷抵抗［Ω］m x′
10 x2…………………………（3）＝ x′＋x′s ＝1ࠈω 0 CS′′x 0＋x2
図 6 の各負荷抵抗 RL2，RL3 の電圧 V2，V3 と電流 IL2，IL3は次式で近似できる。

V2＝等価回路から求めた効率
式（9）から求めた効率等価回路から求めた給電電力効率の実験結果給電電力の実験結果

70

電力が変化しても CP， CS の値は一定でよい。

給電電力 [W]B′

効率 [%]

AVIN′

V3 ＝

b RL 2 ＋ RL3

V2 ＋V3 ＝b

ここで，b ＝給電効率，給電電力と負荷抵抗の関係（14）は負荷抵抗の値で分圧され，ある受電部の電力が変化すると他の受電部の電圧が変化する。
（２）定電流源で駆動すれば，移動型複数受電部の場合，

RL 2V IN′

図8V IN′I L 2 ＝ I L3＝x′0x′0＋ x2

RL3b RL 2＋ RL3
V IN′

1b RL 2 ＋ RL 3ある受電部の電力が変化しても他の受電部は定電圧とな……
（4）る。しかし，軽負荷の受電部は過電圧になる恐れがある。
このような受電部は端子を短絡すれば（RL ＝ 0），回路から切り離すことができる。

…
（5）

上記の理想変圧器特性を利用すれば給電効率の近似式が簡単に求まる。入力電流を I′1（＝ I′IN）とすれば，図 7 より各負荷抵抗を流れる電流 IL と，図 6 の各二次巻線の電流………………………………（6）（４）（５）式より図 6 で巻線抵抗を省略した等価回路は図 7I2 は（８）式で近似できる。なお ICp は CP の電流である。

R
I 2 ＝ I L＋ I Cp ＝ b I1′1＋ LxP

 I L ＝ b I1′（m ＝ 2）の理想トランスの回路と等価になる。この理想トランスの巻数比 b も負荷 RL2，RL3 の値によらない。図 6 の AA′から見た負荷側のインピーダンス Z は（７）式で表される。

から給電効率 h は（ ９）式で近似できる。

η＝
＝以上より給電電力の変化，すなわち負荷抵抗の変化に対し（S/P 方式）は，（１）定電圧源で駆動すれば，固定型（m ＝ 1）の場合，受電部電圧 V2 は定電圧となる。移動型複数受電部の場………（8）

ここで巻線抵抗 r1，r2 を考慮すれば，各抵抗の消費電力

2x′0Z＝（ RL 2 ＋ RL 3 ）…………………………（7）＋x′x202mR L I L22mR I ＋ r1′I1′＋ mr2 I 22mRL2L Lr′RmRL ＋ 21 ＋ mr2 1＋ LxPb…………………
（9）2

給電効率 h が最大となる抵抗 RLmax の値，そのときの最大効率 h max を求めると（10）式となる。

合，各受電部の電圧の和は一定であるが，各受電部の電圧
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IEEJ Journal，Vol.１２８，No.１２，２００８特 集

RL max＝xp

1 r′
1＋1 ηmax＝b 2 mr2│Z│80│Z│150qq

12r 1 r′ …
（10）
1＋ 2 2 1 ＋1xp b mr2

図 8（14）に給電効率と負荷抵抗（給電電力）の関係の一例

506040│Z│0いのでリッツ線を用いれば効率は高くなるはずである。しかし二次並列コンデンサ方式では，負荷電流と並列コンデ

0│Z│
5020−50q0を示す。非接触給電の主な損失は銅損であり，巻数も少な

5010025103050−500q
2510［kHz］［kHz］（a）RL＝100 Ω（b）RL＝10 Ω

図93050電源から見た Z の周波数特性（13）f0 ＝ 10 kHz

ンサ電流の和が二次巻線に流れるため銅損が増える。給電
効率最大のときの負荷電流 IL と並列コンデンサ電流 ICp のれからは電力の分野もワイヤレスすなわち非接触給電が広比を求めると（11）式となり，並列コンデンサには負荷電がり便利になることを期待したい。
（2008 年 8 月 21 日受付）

流より大きな電流が流れることが分かる。これが通常のトランスより効率が悪化する原因である。

 IL ：I Cp ＝1：

1 r′
1＋1 …………………………（11）b 2 mr2（10）式から給電効率を上げるには，細いリッツ線を用いて巻線抵抗を下げ，励磁リアクタンスを上げ，定格電力時の等価抵抗が（10）式の RLmax の値になるように定数を調整することが重要である。
以上（S/P 方式）で説明したが，（P/P 方式）と（S/P方式）は図 6 の BB′より右側は同じ回路である。入力部のと負荷抵抗 RL が同じであれば各部の電圧，電流電圧 V1 ′の値は同じになるので，（P/P 方式）の特性も推定可能である。
非接触給電は共振回路を用いるので周波数特性にも注意が必要である。図 9（13）に（S/P 方式）の電源から見たインピーダンス Z の周波数特性の例を示す。（７）式から分かるように電源周波数（共振周波数）での Z の絶対値は負
荷抵抗 RL の和の b2 倍となる。軽負荷（負荷抵抗大）では電源周波数付近のゲイン特性は凸形になり，周波数が少し変化しただけでインピーダンスが下がり電流が急増するので注意が必要である。重負荷（負荷抵抗小）では凹形になり周波数変動による特性変化は小さくなる。

5．お わ り に
非接触給電は IH 調理器とよく似た技術である。例えば
電源周波数が 20 kHz 程度の場合，近くに鉄があれば，この鉄が発熱し効率が下がり，薄いアルミ板があれば，これろうえいは発熱せずに電磁シールドが可能となる。また，漏洩電磁界の人体や周辺機器への影響に注意する必要がある。
通信はワイヤレスの時代となり非常に便利になった。こ電学誌，１２８ 巻１２ 号，２００８ 年

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