（様式 20）成果報告書

平成 26 年度 TSUBAME 産業利用トライアルユース 成果報告書

利用課題名 ワイヤレス電力伝送による漏えい電波の環境解析技術の研究開発
英文 Research and Development of Environment Analysis Technique of Leaked Electromagnetic Field from Wireless Power Transfer
利用課題責任者 池田 和彦
Kazuhiko Ikeda
所属 株式会社パナソニック システムネットワークス開発研究所

Panasonic System Networks R&D Lab. Co., Ltd.
http://panasonic.co.jp/avc/psnrd/
邦文抄録（300 字程度）
家庭用電子機器などの充電に用いられるワイヤレス電力伝送（WPT：Wireless Power Transfer）システムが近年検討されている．WPT システムから漏えいする電磁界は他の様々な無線機器に影響を与える可能性があり，その干渉影響を定量的に評価する必要がある．WPT システムの設置が想定される戸建て住宅など
では，近傍に無線通信機器が存在し，それらに影響を及ぼす恐れのある周波数帯の漏えい電磁界評価が必要である．しかしながら，戸建て住宅全体の漏えい電磁界を測定するには多大な時間と労力がかかり，また電磁界シミュレーションでは空間メッシュ数が大規模になる課題がある．そこで本報告では，WPT シス
テムの高調波である 87 MHz，815 MHz，2.497 GHz の漏えい電界の戸建て住宅内特性を，スーパーコンピ
ュータ TSUBAME2.5 を用いて電磁界解析し，測定結果と比較検証する．
英文抄録（100 words 程度）
The wireless power transfer (WPT) system for electronics devices has been actively developed in recent years. Since
the electromagnetic field leaked from the WPT system may cause the false operation of other devices, it is required toquantitatively evaluate the electromagnetic interference. In the housing environment, the WPT system is locatedgenerally close to the wireless communication devices. Therefore, the quantitative evaluation of the leaked
electromagnetic field in various installation environments is indispensable. However, the measurement in the wholehouse involves immense amount of time and effort, and the electromagnetic simulation requires the enormous
analysis meshes because of the volume of the house. In this paper, we evaluate the leaked electric field at 87 MHz,815 MHz and 2.497 GHz in the house by electromagnetic simulation using supercomputer TSUBAME 2.5. The
comparison between the simulation and measurement results is discussed.
Keywords: Electromagnetic simulation, Wireless power transfer, Leaked electromagnetic field

1. まえがきら，戸建て住宅内全体の漏えい電磁界強度を測定するには近年，電気自動車や家庭用電子機器などの充電に用いら膨大な時間と労力がかかるため，電磁界シミュレーション

れるワイヤレス電力伝送（WPT：Wireless Power Transfer）を用いて漏えい電磁界分布を解析することが望ましい．しシステムが検討されている[1],[2]．WPT システムから漏えたがって，WPT システムの設置が想定される戸建て住宅いする電磁界は他の様々な無線機器の誤作動の要因になや商用施設における，広範囲の周波数領域の漏えい電磁界り得るため，漏えい電磁界の強度規制値が盛んに議論されの解析技術が必要である．戸建て住宅全体を含む電磁界シている．多種多様な WPT システムからの漏えい電磁界にミュレーションは大規模な空間メッシュでの解析となる

よって引き起こされる干渉問題が重要な課題となっておため，並列処理によって大規模メッシュの解析が可能なスり，様々な設置環境における定量的な評価が WPT システーパーコンピュータの利用が有効となる．

ムの実現には必要不可欠である．

本利用課題では，ラジオ受信機，携帯端末，無線 LAN

例えば，戸建て住宅では，WPT システムの近傍に様々ルータへの干渉を想定し，WPT システムの高調波であるな無線通信機器が存在し，それらに影響を及ぼす恐れのあ87 MHz，815 MHz，2.497 GHz の漏えい電界の戸建て住宅

る周波数帯の漏えい電磁界評価が必要である．しかしなが内特性をスーパーコンピュータ TSUBAME2.5[3]を用いて（様式 20）成果報告書電磁界解析する．戸建て住宅及び漏えい電界の波源をモデ

図 1 に本検討で用いる住宅モデルを示す．住宅モデルとリングして住宅モデル内の漏えい電界分布を解析し，住宅して，パナソニック保有の戸建て実験住宅をモデリングし内における一部の場所での測定結果と比較することで，解ている．住宅モデルの大きさは 19×14×8 m である．

析モデルの妥当性を検証する．また，各周波数における使図 2 に波源モデルを示す．それぞれの周波数で高い電界用ノード数と解析時間の関係を把握し，電磁界シミュレー強度を放射するために周波数ごとに波源モデルを設計しションにおける TSUBAME2.5 活用の有効性を検討する．ており，87 MHz では直径 5 cm 巻き数 3T のスパイラルコ
イル、
815 MHz では 88.5×88.5 mm 素子のパッチアンテナ，

2. 解析モデルと解析条件
表 1 に解析条件を示す．計算機システムはスーパーコン
ピュータ TSUBAME2.5，電磁界解析には有限積分法を用いた電磁界シミュレータである CST 社の MICROWAVESTUDIO[4]を使用する．解析周波数は，ラジオ受信機，携帯端末，無線 LAN ルータへの干渉を想定し 87 MHz，815
MHz，2.497 GHz としている．

電磁界解析

MICROWAVE STUDIO

解析周波数

87 MHz，815 MHz，2.497 GHz

機器

ブ，815 MHz ではスマートフォン（端末下部のモノポールアンテナ），2.497 GHz では無線 LAN ルータ（端末側部のダイポールアンテナ）を受信機器として用いる．の電力伝送を想定し，1 階リビング壁面の TV ラック内にTSUBAME 2.5受信

図 3 に受信機器モデルを示す．87 MHz では電界プローの配置位置）を示す．波源は 1 階リビングの壁掛け TV へ計算機システム

波源源として用いる．

図 4 に波源の配置位置及び観測区間の場所（＝受信機器

表 1 解析条件

87 MHz2.497 GHz では 28.9×28.9 mm 素子のパッチアンテナを波配置している．波源の配置向きは，図 1 及び図 2 の座標軸

Z190mm

直径 5cm 巻き数 3T コイル

YX

120mm
88.5mm815 MHz

88.5×88.5 mm パッチアンテナ

2.497 GHz

28.9×28.9 mm パッチアンテナ

87 MHz

電界プローブ

815 MHzスマートフォン

2.497 GHz

無線 LAN ルータ

88.5mm（a） 87MHz（b） 815MHz

190mm

28.9mm
28.9mm

120mm（c） 2.497GHz

図 2 解析モデル（波源）

住宅モデル

戸建て実験住宅モデル

波源の配置位置

1 階リビングの TV ラック内

受信機器の配置位置

1 階キッチン，2 階子供部屋

ZZYX

電界プローブYX（a） 87MHz（b） 815MHz（c） 2.497GHz

図 3 解析モデル（受信機器）
観測区間の始点観測区間の終点

8m

キッチンの観測区間

14m

19m

子供部屋の観測区間

波源

Y

図 1 解析モデル（戸建て実験住宅）（a） 1階（b） 2階Z

図 4 波源の配置位置と観測区間（受信機器の位置）

X

（様式 20）成果報告書の通りであり，壁面に対してコイルまたはパッチアンテナ

電界プローブを 1 階キッチン及び 2 階子供部屋の観測区間が水平（＝地面に対して垂直）となる．また，様々な無線内を移動させた場合の電界強度の解析結果と測定結果を機器の設置が想定される 1 階キッチン及び 2 階子供部屋に記載している．電界強度は 3 軸合成値とした．図 6 より，図 3 の受信機器を配置し，図 4 に示す観測区間内を移動さ

1 階キッチンにおいて解析結果と測定結果の電界強度のせた場合の電界強度または受信電力を観測する．

差分が大きいことがわかる．これは，初期住宅モデルに実験住宅との差異があるためと考えられ，住宅モデルの改良

3. 解析結果と測定結果の比較
本章では，住宅内の漏えい電界について解析結果と測定結果を比較検証し，解析モデルを構築する．解析周波数
87 MHz，815 MHz，2.497 GHz の順で検討し，全ての周波が必要である．
図 7 に住宅モデルの改良箇所を示す．初期住宅モデルと実験住宅との差分として，以下の 8 項目を抽出した．

数において解析結果と測定結果の差分が小さい解析モデ①

基礎のコンクリート内部の鉄筋を追加

ルの構築が目標である．

②

階層間の金属製の梁を追加③

バルコニー床の材質を変更（鋼板を模擬）④

階段手すりの金属製の支柱を追加⑤

窓ガラスの材質を変更（UV カットガラスを模擬）⑥屋根の材質を変更（遮熱仕様鋼板を模擬）⑦

外壁の材質を変更（サイディング材を模擬）⑧

内壁と天井の材質を変更（石膏ボードを模擬）

3.1. 87 MHz の解析結果と測定結果の比較
87 MHz では，解析結果と測定結果の比較の指標として電界プローブで観測した電界強度を用いる．
図 5 に初期住宅モデルを示す．初期住宅モデルは，住宅モデルの各構造に設定する材質を 4 種類のみとした簡易モデルであり，屋根・外壁・内壁の材質を木に，地面・石垣の材質をコンクリートに，玄関のドア・浴室・太陽光パネル・屋外設備の材質を金属に，窓ガラスの材質をガラスに設定している．
図 6 に初期住宅モデルにおける電界強度の解析結果と① 基礎内部の鉄筋追加② 階層間の梁追加③ バルコニー床の金属化④ 階段手すりの支柱追加⑤ 窓ガラスの材質変更⑥ 屋根の金属化⑦ 外壁の材質変更⑧ 内壁・天井の材質変更

測定結果の比較を示す．波源の送信電力は 10 dBm とし，
屋根
材質：木

浴室
材質：金属
屋外設備材質：金属

石垣
地面
玄関のドア 窓ガラス
材質：コンクリート 材質：コンクリート 材質：金属 材質：ガラス（a） 全景（b） 1階の断面図

図 5 初期住宅モデル
120120電界強度 [dBuV/m]

100

806087MHz, 10dBm
初期住宅モデル1階キッチン

40120

Meas.
Sim.

20806087MHz, 10dBm
初期住宅モデル2階子供部屋

40200

123120

Meas.
Sim.

100

電界強度 [dBuV/m]

Meas.
Sim.

100

電界強度 [dBuV/m]

図 7 住宅モデルの改良箇所

806087MHz, 10dBm
改良住宅モデル1階キッチン

40
200

123

Meas.
Sim.

100

電界強度 [dBuV/m]

太陽光パネル
材質：金属

内壁
材質：木

外壁
材質：木

80
6087MHz, 10dBm
改良住宅モデル2階子供部屋

40200123012移動距離 [m]移動距離 [m]移動距離 [m]移動距離 [m]（a） 1階キッチン（b） 2階子供部屋（a） 1階キッチン（b） 2階子供部屋

図 6 初期住宅モデルでの電界強度（87 MHz）

図 8 改良住宅モデルでの電界強度（87 MHz）

3

（様式 20）成果報告書
図 8 に①～⑧の項目を全て反映した改良住宅モデルに移動区間中央値（区間長：4 波長）を算出してグラフに記おける電界強度の解析結果と測定結果の比較を示す．初期載している．図 9 より，1 階キッチン，2 階子供部屋共に住宅モデルでは差分が大きかった 1 階キッチンで解析結解析結果と測定結果の電界強度がよく一致することが確

果の電界強度が増大し，測定結果との差分が低減すること認できる．観測区間における区間中央値の差分は 1 階キッが確認できる．改良住宅モデルを用いることで，観測区間

チンでは 0.1 dB，2 階子供部屋では 1.5 dB である．

における解析結果と測定結果の電界強度の区間平均値の差分を 1 階キッチンでは 2.2 dB，2 階子供部屋では 2.0 dBまで低減できている．また，①～⑧の項目をそれぞれ検証した結果，①基礎内部の鉄筋追加，③バルコニー床の金属化，⑦外壁の材質変更が 87 MHz の電界強度に与える影響が特に大きいことを確認している．

3.3. 2.497 GHz の解析結果と測定結果の比較
2.497 GHz では，815 MHz の場合と同様に，解析結果と測定結果の比較のための指標として伝搬損失を用いる．住宅モデルは 87 MHz 及び 815 MHz と同様の改良住宅モデルを使用する．
図 10 に改良住宅モデルにおける伝搬損失の解析結果と3.2. 815 MHz の解析結果と測定結果の比較測定結果の比較を示す．815 MHz の場合と同様，伝搬損失

815 MHz では，解析結果と測定結果の比較のための指標の移動区間中央値（区間長：4 波長）をグラフに記載してとして，受信機器（スマートフォン）で観測した受信電力いる．電界強度の区間中央値の差分は 1 階キッチンではから波源の送信電力を減算することで算出した伝搬損失2.3 dB，2 階子供部屋では 3.3 dB 程度である．2.497 GHzを用いる．住宅モデルとしては，87 MHz で構築した改良においても，87 MHz 及び 815 MHz と同様の改良住宅モデ住宅モデルを使用する．

ルを用いることで解析結果と測定結果がよく一致してお図 9 に改良住宅モデルにおける伝搬損失の解析結果と測定結果の比較を示す．815 MHz では波長が観測区間よりも短く，区間内にヌルが多数存在するため，伝搬損失の-20-60-80-100

815MHz
改良住宅モデル1階キッチン

大-60-80-100-120

815MHz
改良住宅モデル2階子供部屋

-120
0.0

0.5

1.0

1.5

0.0

0.51.0

移動距離 [m]移動距離 [m]（a） 1階キッチン（b） 2階子供部屋

1.5-20（a） 1階-20Meas.
Sim.

Meas.
Sim.

-40

伝搬損失 [dB]-40伝搬損失 [dB]

波源
小図 9 改良住宅モデルでの伝搬損失（815 MHz）

-60-80-100

本章では，3 章で構築した解析モデルを用いて，各解析

Meas.
Sim.

-40

伝搬損失 [dB]

伝搬損失 [dB]-40

4. 住宅内の漏えい電界分布の解析
周波数の住宅内における漏えい電界を解析する．

-20

Meas.
Sim.

り，本解析モデルは妥当であると考えられる．

2.497GHz
改良住宅モデル1階キッチン-60-80-100-120

2.497GHz
改良住宅モデル2階子供部屋

-120
0.0

0.5

1.0

1.5

0.0

0.5

1.0

移動距離 [m]移動距離 [m]（a） 1階キッチン（b） 2階子供部屋

図 10 改良住宅モデルでの伝搬損失（2.497 GHz）

1.5（b） 2階

図 11 住宅内における電界分布（87 MHz）

（様式 20）成果報告書
図 11，図 12，図 13 に 87 MHz，815 MHz，2.497 GHzする解析モデルを構築し，住宅内における 87 MHz，815の住宅内電界分布の解析結果をそれぞれ示す．住宅モデル

MHz 及び 2.497 GHz の漏えい電界分布を解析した．

は改良住宅モデル，波源は表 1 及び図 2 で説明した通りで

TSUBAME2.5 の 56 ノード並列計算により約 52 億メッシあり，送信電力は各周波数で同様としている．図 11～図ュのモデルを約 10 時間で解析でき，電磁界シミュレーシ

13 の比較により，波源の違い（87 MHz：微小コイル，815ョンにおける TSUBAME2.5 の有用性を確認した．

MHz 及び 2.497 GHz：パッチアンテナ）による電界分布のなお，本研究は総務省平成 26 年度電波資源拡大のため差や，周波数が高いほど漏えい電界の直進性が強まる傾向の研究開発「ワイヤレス電力伝送による漏えい電波の環境などが確認できる．

解析技術の研究開発」の一部である．

5. 解析モデルのメッシュ数と解析時間

参考文献

表 2 に各解析周波数におけるメッシュ数，ノード数，解析時間の関係を示す．それぞれ改良住宅モデルでの値を記載している．本検討で用いた電磁界シミュレーションでは，[1] Q. Chen et al., “Antenna Characterization for WirelessPower Transmission System Using Near Field Coupling,”
IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 54, No. 4,
Aug. 2012.

大な解析時間が必要となる．このため，815 MHz では[2] J. Kim et al., “Electromagnetic Interference andRadiation from Wireless Power Transfer Systems,” 2014
IEEE International Symposium on ElectromagneticCompatibility, Aug. 2014.

TSUBAME 2.5 による 16 ノード並列計算，2.497 GHz では[3] 東京工業大学 学術国際情報センター TSUBAME（http://www.gsic.titech.ac.jp/tsubame）

56 ノード並列計算を用い，解析時間を約 10 時間に抑えた．

[4] CST MICROWAVE STUDIO（http://www.cst.com/）

周波数に応じて解析メッシュ数が指数関数的に増大し，膨6. まとめ

表 2 メッシュ数・ノード数・解析時間の関係

本利用課題では，スーパーコンピュータ TSUBAME2.5

解析周波数

メッシュ数

ノード数

解析時間

を用いて，漏えい電界の住宅内特性を電磁界シミュレーシ

87 MHz

0.5 億

14 時間

815 MHz11 億1610 時間

2.497 GHz52 億

5610 時間ョンにより解析した．解析結果と測定結果を比較することで，住宅の基礎内部の鉄筋や外壁の材質が漏えい電界に与える影響が大きいことを把握した．測定結果と傾向が一致

大大波源

波源

小小（a） 1階（a） 1階（b） 2階（b） 2階

図 12 住宅内における電界分布（815 MHz）

図 13 住宅内における電界分布（2.497 GHz）