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平成 28 年電気学会全国大会

差込式非接触給電トランスの開発と性能評価
柿沼賢造＊，金子裕良（埼玉大学）

Development and Evaluation of Insertion Type Wireless Power Transformer
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)。非接触コンセント用トランスは小型軽量な形状が望まれ、ギャップ長が短いが位置ずれに対しFig.1.て強いことが望まれる。更に機器や人体への影響を考慮し、

図 1 非接触給電システム
Wireless power transfer system for SP topology.

漏洩電磁界を抑制する構造を考慮する必要がある。本稿では差込式の非接触コンセントとして適応可能な薄型コの字ソレノイドトランスを提案し、給電実験を行って空芯円形形状のトランスと性能比較した。また電磁遮蔽用アルミ板による漏洩電磁界の低減効果について検討する。

２．非接触給電システム
図 1 に一次直列二次並列コンデンサ方式(SP 方式)を用いFig.2.

た非接触給電システムの構成を示す(2)。フルブリッジインバ

図 2 詳細等価回路
Detailed equivalent circuit.

ータで方形波電圧を出力し、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 に詳細等価回路を示す。一次側諸量は二次側に換算
し’(ダッシュ)をつけて表す。二次側並列コンデンサ Cp は二次側自己インダクタンス 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(1)式の値に(a)トランス外観定める。このとき(2)式のような変圧比 b の理想変圧器特性

図 3 薄型コの字ソレノイドトランスが成り立つ。また、鉄損を無視し、銅損のみを考慮したトランス効率は(3)式のように表される。(3)式よりトランス

Fig.3.の最大効率max とそのときの負荷抵抗値 RLmax は(4)式で表３．非接触給電トランスされる。

U-shaped thin solenoid transformer.

薄型コの字ソレノイドトランスの外観、寸法を図 3、仕様

1x' x 0 L2  xp  x0'  x2 , 1  xs'  0 2  x1' ...... (1)'0 C p0 C sx0'  x2''VIN bV2 , I IN
 I D / b, b 



(b)寸法

RL I Lx0'  x2' ' 21 IN r2 I 22

トランスの磁極部を拡張しているため、内部に挿入する小型二次側トランスの位置ずれによる効率低下も少ない(3)。今............................... (2)回はバッテリーへの充電を考慮して入力 100V、出力 40V、1.25A、50W の仕様で設計した。コアにはフェライト、巻線

2RL I L  r I
2x0'を表 1 に示す。コの字ソレノイドトランスは外側の一次側............................................... (3)にはリッツ線を用いた。二次側トランスはコア断面積が小さいと磁気飽和、自己インダクタンスが小さいと過電流、並列数増加による巻線厚みの増加が考えられる。トランス

1 max 2r
1 2xp1 r', RL max  xp 2 1  1 ......... (4)1 r1'
1b r2b 2 r2が過電流、磁気飽和せず、薄型化を維持できるようにコア寸法、巻数比を考慮した。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(AlC：Aluminumcase)で覆った。トランスの一次側はコアによりコの字型に構成され、二次側は厚さ 2mm のフェライトを繋げて構成し2016/3/16～18-292仙台( 第 4 分冊 )©2016 IEE Japan

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平成 28 年電気学会全国大会

表 1 トランス仕様
Table 1.

Specifications.

表 2 給電実験結果
Table 2.

表 3 比較実験結果

Experimental results.

Table 3.

SolenoidType

Solenoid+AlC+AlC

VIN[V

96.9

Frequency[kHz]

90

V2[V]

31.1

ro1[m

2810

914

1550

Gap[mm]1.5

3.57

ro2[m

99.4

98.0

144

0.385

0.364

0.699

0.360

TypeI2[]SolenoidComparing experimental results.

Type

Solenoid+AlC

N1[T]61(1p)

VL[V]

40.9

k0.560N2[T]18(6p)

IL[]

1.23

b0.804Circular

Circular

Circular

Circular+FMS+FMS+AlC933

2640

2920

66.1

232

259

0.489

0.549

0.498

0.476

0.535

0.492

+AlC

PL[W]

50

PL[W]

50.3

L1[H]

416

683

140

206

265

238

Δ[A/mm2](limit)

3.00

[94.0

L2[H]

17.6

18.1

12.5

18.9

24.3

21.2

B2[T](limit) 0.30

Δ[A/mm2]

2.53

RLmax[

21.9

16.7

20.3

27.1

29.0

27.0

B2[T]

0.108

max[

95.8

97.0

89.5

97.0

93.3

91.2

[Exp

94.3

93.5

90.5

96.9(a)トランス外観(a)x 方向(b)寸法

図 4 空芯円形トランス
Fig.4. Coreless Circular Transformer.

た。製作したトランスの漏洩磁界とアルミ板による遮蔽効果について検討するために図 4 に示す、コの字ソレノイドトランスと同じ電源周波数、ほぼ同寸法、同巻数の空芯円形トランスを作製した。比較パターンとしてソレノイドト(b)y 方向

ランス、円形トランスそれぞれに電磁遮蔽用アルミ板を用(c)z 方向

図 5 各方向の漏洩磁束密度いた場合と用いなかった場合について検討した。また、ア

Fig.5. Leakage flux density of each direction.

ルミ板の渦電流損を低減するために、遮蔽板と空芯円形ト

円形は z 方向の漏洩磁束が強く、ICNIRP2010 の基準値 27μTランスの間(トランスから 2mm の距離)に磁気シート(日立を上回ることを確認した。また、電磁遮蔽用アルミ板によ金属製ファインメットシート：FMS)を差し込んだパターン

りどちらのトランスでも y、z 方向の漏洩磁束が基準値以下についても検討した。になることを確認した。ただし、開口面 x 方向の漏洩磁束４．実験結果は基準値を下回っていないため実用的には開口面もアルミ薄型コの字ソレノイドトランスの給電実験結果を表 2 に示す。表 1 で設定した電流密度、磁束密度の許容値を下回っており、トランス効率 94.0%を実現した。また、ソレノイドトランスと空芯円形トランスの比較結果について表 3に示す。上段の値は LCR メータによる定数測定から算出し、板で覆う構造を検討する必要がある。以上の検討よりソレノイド型トランスに電磁遮蔽用アルミ板を組み合わせても効率の低下がなく、漏洩磁界が低減可能であると考えられる。

５．まとめ

下段の値は直流負荷抵抗の値を調整して得た給電実験時の差込式非接触コンセントにも適応可能な二次側寸法が最高効率値である。ソレノイド型にアルミ板を用いると k、45x20x8mm のトランスに 50W 給電し、効率 94.0%を実現しb、ro1 が増加し、L1 が減少するが k が増加するため銅損によた。ソレノイド型トランスに電磁遮蔽用アルミ板を用いる

る効率低下は 1.2%に収まる。一方、空芯円形の場合、r がと効率の低下がなく漏洩磁界の遮蔽が可能であることを検増加、k、L が減少するため銅損による効率低下が 7.5％と大証した。

きい。給電実験による鉄損も考慮した効率の測定よりソレ
ノイド型はアルミ板による効率の低下がなく、空芯円形はアルミ板による効率の低下が 6.4%であった。
トランス中心から x、y、z の三方向について測定した漏洩磁束密度を図 5 に示す。ソレノイド型は x、y 方向、空芯

2016/3/16～18-293仙台( 第 4 分冊 )

文(1)
(2)
(3)

献

小鹿他:電学論 D Vol.135,No.1,pp.49-57(2015)
阿部他:電学誌 Vol.128,No.12,pp.796-799(2008)
吉岡他:平成 26 年電学全大 No.4-091,pp.150-151(2014)©2016 IEE Japan