平成 26 年電気学会産業応用部門大会

4-8

電気自動車用非接触給電トランス 2 台化による漏洩磁界低減法
学生員

濱田 尚平＊

学生員

徐将希

正員

金子裕良

正員

阿部茂（埼玉大学）

Methods for Reducing Magnetic Field Using Two Wireless Power Transformers for ElectricVehicles
Shohei Hamada*, Student Member, Masaki Jo, Student Member, Yasuyoshi Kaneko, Member, Shigeru Abe, Member(Saitama University)

A wireless power transfer system for electric vehicles improves convenience, safety and maintainability. Therefore its
usefulness is expected. A point at issue of wireless power transfer systems is the leakage electromagnetic field that effects on thehuman body and other electronic devices. It is difficult to shield the leakage electromagnetic field around the transformers
because of the air gap. In this paper, an approximate calculation method for the leakage electromagnetic field of the solenoid
type’s transformers is proposed. And we propose a new method to reduce the leakage magnetic field by using two wireless powertransformers.
キーワード：電気自動車，非接触給電，漏洩磁界
Keywords：electric vehicle, wireless power transfer system, leakage magnetic field

1.

計算でトランスの漏洩磁界のモデル化を行った。

はじめに今回提案する漏洩磁界低減法は非接触給電トランスを２

近年環境問題や石油価格の高騰により，プラグインハイ台用いて給電することで，漏洩磁界が相殺され，遠方でのブリッド自動車(PHV)や電気自動車(EV)の普及が進んでい磁界強度を下げることが可能となる。両側巻構造の非接触る。現在これらの自動車の給電方式はケーブルとプラグを給電トランスを複数台用いる給電方法は従来研究で発表さ用いるコンダクティブ方式が一般的であるが，安全性，利れているが，電力の大きな給電に対応しようとするもので，便性，保守性などの面から，今後は非接触給電方式が有望

漏洩磁界の低減までは言及されていない(4)。よって非接触給である。

電装置複数台による漏洩磁界低減法の有用性を検証するた

現在自動車用非接触給電で問題となっているのが電子機めに，トランス 1 台と 2 台の 1.5kW 給電において，ソレノ器や人体への影響が懸念される漏洩電磁界である。電気自イドコイル近似による磁界計算，有限要素法磁界解析ソフ

動車用の非接触給電装置は地上の送電トランスと車載の受トウェア JMAG (JSOL 社製)を用いたシミュレーション，給電トランス間の空隙のために周りを電磁遮蔽することがで電実験中の漏洩磁界測定の 3 つの方法で漏洩磁界強度の評きない。さらに送電トランスと受電トランス間のギャップ価を行った。ただし本研究で比較を行ったのは全て基本波長が大きく給電電力も大きいため，漏洩電磁界も大きくなの漏洩磁界のみである。近似計算，磁界解析シミュレーシることが予想される。また，本研究で用いる両側巻(ソレノョン，給電実験のいずれの結果においてもトランス 2 台化イド)構造の非接触給電トランスは小型・軽量・位置ずれにによる漏洩磁界の低減効果が確認できた。低減出来た磁界強いなどといった利点がある一方で，漏洩電磁界が無視で強度は車の前後方向で 8dB 左右方向で 5.2dB であった。ま(1)

きないとの報告もある 。以上の理由から地上側や車載側にた，漏洩磁界低減法を考える際に今回提案した近似計算法

漏洩電磁界を低減するための対策を施す必要があり，近年が利用可能であることも確認できた。

様々な研究がなされている(2)(3)。

2.

本論文では漏洩磁界に着目して両側巻構造の非接触給電

トランス 2 台による漏洩磁界低減法
トランス 2 台化の給電とは同じ構造をトランスの漏洩磁界低減に効果的な手法を提案し，その低〈2･1〉 原理減効果を検証した。また，単一ソレノイドコイルでの近似有する 2 組の非接触給電トランスを並べて同時に駆動させ
1［ IV - 123 ］Ⓒ 2014 IEE Japan平成 26 年電気学会産業応用部門大会

4-8

Aluminum sheet

αβAluminum sheet

Aluminum sheet

α(a) one transformer

β(b) two transformers
図 1 トランス配置と磁界形状

Fig.1.

Design of transformer and magnetic flux.

表 1 トランス仕様
Table 1.
巻数

Parameters of transformers.
一次側

20T(4p)

二次側6T(12p)トランス本体の寸法

280×300×45mm

1台

600×400×1mm

2台

600×700×1mm遮蔽用アルミ板給電するというものである。そのため従来のトランス 1 台による給電とは異なる磁界形状を持つ。図 1 に給電実験で用いたトランス 1 台と 2 台の場合のトランス配置と磁界形状を示す。トランス 2 台を用いた場合，それぞれのトランスを α，β とする。xz 断面で主磁束のループを見ると，トラ(a) one transformer

ンス 1 台による給電時はループが 1 つなのに対して，トランス 2 台による給電時はループが 2 つとなる。トランス 2台の場合，2 つのループの磁束の方向が逆になる x 方向については，トランスから十分離れた遠方において漏洩磁界が相殺し，磁界強度が下がると考えられる。しかし y 方向は主磁束が弱めあう方向ではないので，磁界強度を確認する必要がある。また，トランス 2 台で図 1(b)のような磁界形状をとると結合係数とトランス効率が上昇することも報告されている(4)。
表 1 に給電実験で使用したトランス 1 台の仕様を示す。
トランス 2 台のときは 1 台のときに使用した同じトランス(b) two transformersを 2 台並べた。ただし電流の方向は 2 台のトランスで逆向きとし，図 1(b)に示される磁界構造となるようにした。トラ

図 2 給電回路
Fig.2.

ンス 1 台と 2 台の回路図を図 2 に示す。トランス 2 台でのExperimental circuit.

給電時は一次側，二次側共にトランスを並列に接続した。
2［ IV - 124 ］Ⓒ 2014 IEE Japan平成 26 年電気学会産業応用部門大会

4-8

図 4 ソレノイドコイルの周辺磁界強度

図 3 円電流の周辺磁界強度
Fig.3.

Fig.4.

The magnetic field by a circular current.

The magnetic field by a solenoid coil.

Aluminum sheet

Aluminum sheet

Aluminum sheet

Aluminum sheet

αβαβAluminum sheet

Aluminum sheet

Aluminum sheet

Aluminum sheet(a)one transformer(b)two transformers

図 5 近似計算時のトランスモデル
Fig.5.

3.
〈3･1〉

Model of approximate calculation.

Nia 2Hx (2 x P2  y P2  z P2 )54r
3Nia 2Hy xP yP
4r 5
3Nia 2Hz xP z P
4r 5

ソレノイドコイル近似による磁界計算法
円電流の周辺磁界強度

図 3 に電流 i が流れる

半径 a のコイルモデルを示す。距離 r と角度 θ を用いて任意の点における磁界強度は(1)式で表される(5)。
Ur1 UH  r Hr  Uia 2 cos4r 2··············· (1)r  x P2  y P2  z P2 (2)また，点 P での磁界強度 H は(3)式で計算できる。

これにターン数 N を乗算し，図 4 のように直交座標系に直H  H x2  H y2  H z2 ················· (3)すと点 P(xP, yP, zP)での成分別磁界強度 Hx，Hy，Hz は(2)式で〈3･2〉非接触給電トランスのモデル化表わされる。

非接触給電トランスの周辺磁界強度を〈3･1〉で述べたソレノイドコイル近3［ IV - 125 ］Ⓒ 2014 IEE Japan平成 26 年電気学会産業応用部門大会

4-8

表 2 近似計算のパラメータ
Table 2.

Parameter of approximate calculation.

トランス 1 台

トランス 2 台
i1a[A]i1[A]20e jti2[A]70e j t 1.05

a1[m]
a2[m]
N1[Turn]
N2[Turn]

0.03

Aluminum sheet

10e jt 10e jt
50e j t 0.873

i1b[A]
i2a[A]
a1α，a1β[m]a2α，a2β[m]N1α，N1β[Turn]
N2α，N2β[Turn]

0.02

20
60.02

206Aluminum sheet

表 3 実験条件
Table 3.

Aluminum sheet

Aluminum sheet(a) one transformerαβ

The conditions of the experiments.

周波数
ギャップ長給電電力(b) two transformers

図 6 磁界解析時のモデル
Fig.6.

 50e j t 0.873
0.03

i2b[A]

30kHz70mm
1.5kW

Model of magnetic field analysis.

(a) one transformer(b) two transformers
図 7 給電実験の様子

Fig.7.

The conditions of an experiment.

似による計算方法で計算する際のトランスモデルを図 5 に要素法磁界解析によって調べた。解析する際のモデルを図 6示す。図 4 のモデルをトランスのそれぞれの巻線の中央にに示す。トランスモデルはコアを実際のトランスの磁極の配置し，トランス背面への漏洩磁界を低減するために各ト大きさに合わせて作成した。
このモデルで実験と同条件のギャップ長 70mm，給電電力

ランス背面に設置したアルミ板の磁界に対する鏡面効果を1.5kW，周波数 30kHz で解析を行った。

考慮して，アルミ板で対称となる位置に同じコイルを配置した。それぞれのソレノイドコイルの磁界強度を計算する

給電実験

際に代入したパラメータを表 2 に示す。ソレノイドコイル

5.の円の面積は巻線の断面積に等しく設定し，電流の値は回表 3 に実験条件を示す。トランス 1 台，2 台共にギャップ路シミュレーションソフト PSIM を用いたシミュレーショ

長 70mm で 1.5kW 給電を行い，電源には 30kHz インバータ

ン結果に近い値を代入した。それぞれのソレノイドコイルを用いた。漏洩磁界強度の測定は全無響電波暗室で直径から発生する磁界に対してベクトルの足し合わせを行い，60cm のループアンテナを用いて行った。また，測定距離は求める点の磁界強度とした。

トランス中央から水平に 3m とし，ループアンテナ面を x,y,z4.の 3 方向に向け測定した。磁界測定の様子を図 7 に示す。

有限要素法磁界解析

測定点での磁界強度 H は(3)式で計算した。給電実験での各非接触給電トランスの 2 台化による漏洩磁界低減法の効部の電流電圧を表 4 に示す。

果を磁界解析ソフト(JMAG-Designer Ver.12.1)を用いた有限4［ IV - 126 ］Ⓒ 2014 IEE Japan平成 26 年電気学会産業応用部門大会

4-8

表 4 給電結果
Table 4.

Experimental result.

トランス 1 台
トランス

αRL[Ω]

515VDC[V]

159

114

IDC[A]

10.1

14.9

αβVIN[V]

156

115

115

IIN[A]

12.6

9.07

11.1

V2[V]

121

76.7

76.7

I2[A]

39.7

28.8

28.8

ID[A]

17.1

12.7

13.4

VL[V]

152

87.5

IL[A]

9.86

17.1

Pout[W]

1500

1500

ηTR[%]

96.2

96.4

10095908580757065600近似計算
磁界解析
給電実験

磁界強度H[dBμA/m]

磁界強度H[dBμA/m]

10095908580757065600

トランス 2 台近似計算
磁界解析
給電実験
10 20 30 40 50 60 70 80 90角度[deg]10 20 30 40 50 60 70 80 90角度[deg](a) one transformer(b) two transformers
図 8 漏洩磁界強度
Fig.8.

Leakage magnetic field.

表 5 漏洩磁界強度（単位:dBμA/m）
Table 5.

Leakage magnetic field.

近似計算

6.

磁界解析

給電実験

角度[deg]
01台
81.7

2台
66.7

1台
1012台
82.6

1台
93.9

2台
85.9

3080.8

64.3

99.6

80.3

93.5

85.0

60

78.1

59.7

97.0

79.4

92.6

85.8

9075.7

60.5

94.5

81.5

92.086.8方向）までの磁界強度である。

漏洩磁界強度結果

トランス 1 台のとき磁界強度はすべての検討結果で，0°ソレノイドコイル近似による磁界計算法，有限要素法磁（x 方向）から 90°（y 方向）になるにつれて一様に減少し界解析，給電実験のそれぞれの実験結果の比較を行ったグた。磁界強度は 0°（x 方向）よりも 90°（y 方向）の方が，ラフを図 8，数値データを表 5 に示す。計算・測定した位置近似計算，有限要素法磁界解析，給電実験でそれぞれはトランス中央から水平に 3m で 0°（x 方向）から 90°（y6.00dB，5.97dB，1.90dB 低くなった。
5［ IV - 127 ］Ⓒ 2014 IEE Japan平成 26 年電気学会産業応用部門大会

4-8
トランス 2 台のときの磁界強度は近似計算では 0 から65°まで一様に減少し，65°から 90°（y 方向）までは増加していった。ただし磁界強度が最も高かったのは 0°（x 方向）の 66.7dBμA/m で磁界強度が最も低かったのは 65°の59.6dBμA/m であった。
有限要素法磁界解析では 45°で磁界強度が 78.7dBμA/mと最も低く，0°（x 方向）で磁界強度が 82.6dBμA/m と最も高くなった。
給電実験では 30°で磁界強度が 85.0dBμA/m と最も低くなり，90°（y 方向）で磁界強度が 86.8dBμA/m と最も高くなった。
3 つの検討結果から，トランス 2 台化によりどの角度においても磁界強度の低減が可能であることを確認できた。特に磁界強度を低減できると予想された 0°（x 方向）については給電実験で 8dB 低減でき、磁界強度を低減できるか不明であった 90°（y 方向）では 5.2dB 低減できた
ソレノイドコイル近似による磁界計算法が実際の給電実験結果より 10dB～20dB 程度低くなっているのは，フェライ
トコア，トランス長さなどを考慮していないことが原因であると考えられる。今後これらを考慮したモデルにすることで実験との誤差を改善できると思われる。

7.

まとめ

トランス 2 台化による漏洩磁界低減法を提案しトランス 1台のときの基本波の漏洩磁界の比較を行った。トランスを 2台化することで，漏洩磁界が車の前後方向で 8dB，左右方向で 5.2dB 低減でき，間の角度においても低減可能であることが確認できた。この結果から非接触給電トランス 2 台化による漏洩磁界低減法が有効であることを確認した。
非接触給電トランスの漏洩磁界のモデル化を行い，傾向を見る上での有用性を確認できた。今後は今回使用したトランスモデルにフェライトコア，コイルの長さ等を考慮してモデル化することにより漏洩磁界測定結果に近い値を得ることができると考えられる。

文献(１) 清水良太郎・金子裕良・阿部 茂：「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」，平成 25 年電気学会
研究会資料，VT-13-13 (2013.2.22)(２) 毎川研吾・今井邦夫・皆川祐介・有満捻・岩野浩:「電気自動車用非接触給電システムの周辺磁場低減技術」自動車技術会,学術講演会前刷集 No.110-13(2013)(３) 佐藤亨耶・徐将希・金子裕良・阿部 茂:「電気自動車用非接触給電の漏洩電解の高調波成分の低減法」半導体電力変換モータードライ
ブ合同研究会,SPC-14-16,MD-14-16(2014.1.24)(４) 藤田到・阿部茂:「電気自動車用非接触給電トランスの複数モジュール構成による大容量化」電気学会産業応用部門大会論文集,No. 4-9，
pp.IV111-IV114 (2012.8.23)(５) 山口昌一郎,基礎電磁気学,電気学会(1986.1.20)

6［ IV - 128 ］Ⓒ 2014 IEE Japan