三相移動型非接触給電装置
阿部知史＊，金井 研二，金子裕良，阿部茂 (埼玉大学)

Three-phase Moving Pick-Up Type Contactless Power Transfer Systems
Satoshi Abe, Kenji Kanai, Yasuyoshi Kaneko, Shigeru Abe (Saitama University)

１．はじめに非接触給電は接点の不良、磨耗、火花がなく、クリーン-jx’SU r’1U jx’1U

ルームなどの工場の搬送車で実用化が進んでいる。しかし、

U

現在は単相給電であり、三相の非接触給電は実用化されてI’IN=I’1
V’IN V’1いない。本論文では、一次直列二次並列コンデンサ方式を

jx2U r2U IU2

jx’0-jxPU

N

jx2V r2V IV2

jx’0-jxPV

単相から三相に拡張し、三相非接触給電が可能であることZを示す。三相給電は瞬時電力が一定であり、給電線を２本から３本にするだけで給電電力が 3 倍になる特長がある。
三相移動型非接触給電装置

図１に三相移動型非接触給電装置の構成を示す。給電線は周波数 f0 =20kHzの三相電圧形方形波インバータで駆動し、U,V,W 各相に対して電源と給電線の間に直列共振コンデンサ C Si を、受電部に並列共振コンデンサを CPi を設置する。負荷は等価抵

抗 RLi で表す i  U, V, W  。結線方式は一次、二次共にスター結線とする。

-jx’SV r’1V jx’1VVV1
IV1 CSV

コンデンサと負荷を含めた詳細等価回路(UV 間)

Fig. 2. Detailed equivalent circuit including capasitors andloads.

３．等価回路とコンデンサ CPi CSi の値の決定法
三相非接触給電回路を、まず UV 間、VW 間、WU 間の３つの単相給電回路に分け、それぞれを三相電圧源で駆動

図２に UV 間の詳細等価回路を示す。一次直列二次並列コンデンサ方式では、二次並列コンデンサ CPi は二次巻線

VV2 IV2CPV RLVV
VW1
IW1 CSWの自己インダクタンスと共振するように、一次直列コンデN

VW2 IW2CPW RLW

Wンサ CSU と CSV の合成容量 C SUV は、図２において電源から見たインピーダンス Z が純抵抗になるように選ぶ。各相受電部間に磁気結合が無ければ CPi は各相独立に決めることができる。

図１

三相移動型非接触給電装置

Fig. 1. Three-phase moving pick-up type contactless powertransfer systems.
<２．２>

図２

合わせの理で合成する。
VU2 IU2
CPU RLUUVV2ILVRLVするものとする。次に各一次巻線、二次巻線の電流を重ねHVU1IU1 CSUILURLUV

２．三相移動型非接触給電装置
<２．１>

Z’

VU2

三相非接触給電の問題点

三相の場合、単相にない二つの問題が生じる。第一は実用上３本の給電線を等間隔で平面上に置くため、一次自己インダクタンスが各相でバランスしない問題である。給電線の WU 相の間隔がUV 間,VW 間の２倍あり、WU 間の自己インダクタンスが大きくなる。第二は各相受電部の配置によっては各相間に磁気結合が生じる問題である。
本論文では、第一の問題については、一次直列コンデンサの値を調節することで、第二の問題については、各相の受電部を図１のように物理的にずらし磁気結合をなくすことで解決した。

1
 x P U  x '0  x2U   0 L2 U  1
 0C PU1

 0 C 'S UV

 x 'SUV x '0 x2Ux' x
 0 2V  x '1UV  2 x '0  x2Ux '0  x2V

同様に VW 間、WU 間の回路を考えることにより、二次i  U, V, W  と 合 成 容 量 C Sij
ij  UV, VW, WU  の値が決まる。
図１の一次直列コンデンサ CSi i  U, V, W  は３つの並 列 コ ン デ ン サ CPi

C Sij から次式を用いて、連立方程式を解くことで求める。
C Si C Sj
C Si  C Sj

 C Sij  3 

UV 間には中性点 N があるので、図２の鎖線で U 相と V相に分けることができる。さらに図２に W 相（WN 間）を加えれば三相モデルとなる。

表１ トランス定数
Table 1. Parameters of transformer.

l0 μFl1U μF
l1V μF

l1W μF

l2U μF
l2V μF

l2W μFr 1U mΩ 0.195

8.65

r 1V mΩ 2.65

13.7r 2w mΩ 6.99

CPU μF

V[V]

I[A]

pf

U1

4.65

13.3

0.988

4.56(4.52)

V1

4.66

13.9

0.923

4.42(4.42)

W1

4.86

14.4

0.976

( ) Calculated value from detailed equivalent circuit.

U2

23.8

1.06

0.974

V2

23.1

1.03

0.975

W2

22.8

1.010.974

CSV μF

CSW μF

13.3

r 2V mΩ 7.00

21.4
4.49(4.52)

8.95

r 2U mΩ 2.75

CSU μF

RLi 1/6a7.65

r 1W mΩ 1.65

表３ 実験結果
Table 3. Experimental results.

表２ 実験装置の定数
Table 2. Parameters of experiment.

21.0(22.8)
35.9(37.1)
23.6(22.6)

CPV μF
CPW μF

13.8

7.32
100
Vvw

Vuv

90

Vwu

15A

Iu1

Iw1

Iv1

80

効率[%]

5V

70
60
5020V

Vu20Vw2

Vv2

0.05
時間[ms]

0.1

00.05
時間[ms]

0.1 00.05
時間[ms]

400200.1

図４図１の回路で実験を行った。高周

波電 源 に は 三 相 方 形 波 イ ン バ ー タ を 用 い 出 力 周波数は20kHz とした。給電線には長さ 3.9m のリッツ線(φ0.25mm×24×16)を用いた。受電部は U 字断面のフェライトコア(H38×W40×L80)にリッツ線(φ0.25mm×24×2)を 6 ターン巻い

給電効率

トランス定数とコンデンサの値

力率は、一次直列コンデンサ CSi の値を調整することで改善することができる。

<４・４> 効率負荷特性

トランス定数は LCR メータで 20kHz で測定した。一次側から各受電部の開放時と短絡時、および二次側から一次と各受電部の開放時の R と L を測定し、ニュートンラフソン法で計算し求図２の U 相分の等価回路において、給電効率  は(4)式で、これが最大となる負荷抵抗R Lm の値とそのときの最大効率 m は(5)式で表される。
た。負荷抵抗は 20Ωあるいは 50Ωとした。

<４・２>

100いのは、負荷抵抗のインダクタンス分のためである。一次

４．実験結果
実験回路

80Fig. 4. Efficiency

図３ 実験結果
Fig. 3. Experimental results.

<４・１>

4060
抵抗RL[Ω]RL2
r' R  RL  1  r2 1   L  b2
  xP  

RLm  xP

1 r '1
1b 2 r2bx'0 4 x'0  x2

1m 1

めた。表１にトランスの定数測定結果を示す。

2r2xP

1 r '1
1b2 r 5

2コンデンサ CPi と CSi の値は LCR メータを用いて次のよ負荷抵抗による効率の変化と実験結果を図４に示す。実験

うに決めた。まず、二次自己インダクタンス L2i を測定し(1)では RL  21.4,  82.1% となった。トランス定数の各相の式より CPi を決定した。次に、図２のインピーダンス Z’を平均値を用いて計算すると RLm  24.2, m  82.7% となり測定し、Z が純抵抗になる（電源力率が 1 となる）合成容ほぼ等しい。

量 C Sij を求め、(3)式を用い CSi 決定した。結果を表２に示５．まとめす。実験ではこれらの値を用いた。表２の（）内の値は、表１のトランス定数から(1)～(3)式で計算した値である。

l1 の V 相のアンバランスは C SV で調整されている。
<４・３>

実験結果

実験結果を図３と表３に示す。図３より、一次相電流と二次相電圧の位相は一致しており、二次電圧も相間平衡のとれた三相給電であることが確認できる。送電電力は 20.9W、受電電力は 17.1W である。
表３に各相の一次と二次の相電圧と相電流の実効値と力率を示す。各相の力率はほぼ１である。二次力率が 1 でな

一次直列二次並列コンデンサを用いた三相移動型非接触給電装置の設計法を示し、理論通りの特性が得られることを実験で確認した。三相モデルとその定数の決定法、給電線の自己インダクタンスの相間不平衡問題の解決法、受電部の相間磁気結合解消の重要性などを示した。
文献(1) 金子・松下・及川・阿部：電学論 D, Vol.128，No.7 (2008)(2) G.A.Covic, J.T.Boys, et al：IEEE Trans. IE Vol.54 No.6 (2007)