（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 28 年度 産業利用 成果報告書

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
Research and development of environment analysis technique of leaked electromagnetic field from wireless power transfer

池田 和彦
Kazuhiko Ikeda
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
https://panasonic.co.jp/cns/psnrd/
家電機器の充電など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電子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や商業施設などの環境では近傍に様々な無線機器が存在するため，それらに影響を及ぼす恐れのある周波数帯での漏えい電磁界特性の評価が必要である．しかしながら，戸建て住宅や商業施設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，シミュレーションでは解析空間サイズが大規模になる課題がある．筆者らはこれまでスーパーコンピュータ TSUBAME 2.5 を用いて戸建て住宅及び商業施設における漏えい電磁界を解析し，戸建て住宅環境では基礎鉄筋や外壁などの建材が漏えい電磁界特性に大きな影響を与えることを示した．
本利用課題では，商業施設の各建材が漏えい電磁界特性に与える影響をスーパーコンピュータ TSUBAME
2.5 を用いて解析する．
The wireless power transfer (WPT) system for electronics devices and so on has been actively developed in recentyears. Since the electromagnetic field leaked from the WPT system interferes with the other devices, it is required toquantitatively evaluate the electromagnetic interference. In the housing or commercial facilities environment, theWPT system is located generally close to other various devices. If the frequencies of the fundamental andhigh-harmonic component of the WPT system are overlapped with operating frequency of these devices, theelectromagnetic field leaked from the WPT system threatens to interfere with these devices. Thus, it is required toquantitatively evaluate the leaked electromagnetic field at various frequencies. The measurement in the whole houseor commercial facilities involves immense amount of time and effort, and the simulation requires the enormous
analysis size. Therefore, we have analyzed leaked electromagnetic fields in the housing or commercial facilities
environment by using supercomputer TSUBAME 2.5. It was confirmed that metal structures, the steel mesh in thefoundation and steel beam between floors, especially affect the electromagnetic field in the house simulation.
In this paper, we analyze the influence of each building material of the commercial facilities on the leaked
electromagnetic field characteristics by using supercomputer TSUBAME 2.5.

Keywords: Electromagnetic simulation, Ray launching, Wireless power transfer, Leaked electromagnetic field

1. まえがきテムの近傍に様々な無線機器が存在し，それら被干家庭用電子機器や電気自動車の充電に用いられる渉機器に影響を及ぼす恐れのある周波数帯（kHz 帯

ワイヤレス電力伝送（WPT：Wireless Power Transfer）から GHz 帯）の漏えい電磁界評価が重要となる．まシステムが近年検討されている[1],[2]．WPT システ

た，戸建て住宅や商業施設などの建造物は様々な建ムから漏えいする電磁界は他の様々な電子機器の誤材で構成されており，各建材が漏えい電磁界特性へ作動の要因になり得るため，その強度規制値の国際与える影響を解析する必要がある．

標準化に向けた議論が進められている．多種多様な

しかしながら，戸建て住宅や商業施設全体の漏えWPT システムからの漏えい電磁界によって引き起い電磁界を測定するには多大な時間と労力がかかるこされる干渉問題が重要な課題であり，様々な設置ため，シミュレーションを用いて漏えい電磁界を解環境や高次高調波を考慮した定量的な評価が必要不析することが望ましい．戸建て住宅または商業施設

可欠である．例えば住宅環境においては，WPT シス

全体を含むシミュレーションの解析空間は大規模な（様式 20）成果報告書ものになるため，並列演算による大規模解析が可能なスーパーコンピュータの利用が有効となる[3]．
本利用課題では，ラジオ受信機，携帯端末，無線LAN ルータへの干渉を想定し，WPT システムの高2.2 商業施設における漏えい電磁界の解析
本節では，商業施設をモデリングして商業施設モデル内外の漏えい電界を解析し，商業施設の各構造物が漏えい電磁界へ与える影響を解析する．

調波である 87MHz，815MHz，3.5GHz，5.3GHz の漏えい電磁界の商業施設内外における特性を，スーパ

2.2.1 シミュレーション条件

ーコンピュータ TSUBAME 2.5[4]を用いて解析する．

表 2.1 にシミュレーション条件を示す．計算機シ

漏えい電磁界の波源と商業施設をモデリングして商ステムは TSUBAME 2.5，有限積分法の電磁界解析を業施設モデル内及びその周辺の漏えい電磁界を解析用い，解析周波数はラジオ受信機，携帯端末への干し，商業施設モデルにおける各構造物の電気定数を渉を想定した 87MHz，815MHz としている．波源は変更することで各建材が漏えい電磁界特性に与える

2.1 節で説明したモデルを用い，送信電力は 30dBm影響を検証する．なお，87MHz 及び 815MHz の解析とした．には有限積分法を用いた電磁界シミュレータである

図 2.2 に商業施設モデル及び波源の配置位置を示

CST 社の MICROWAVE STUDIO[5]を，3.5GHz 及びす．商業施設及びその周辺の駐車場を含む解析空間

5.3GHz の解析には筆者らが開発した Ray Launching法を用いた電波伝搬シミュレータ[3]を使用して解析する．

表 2.1

シミュレーション条件

計算機システムTSUBAME 2.5

解析手法

有限積分法電磁界解析

解析周波数87MHz，815MHz

本章では，ラジオ受信機及び携帯端末への干渉を出力30dBm想定し，WPT システムの高調波である 87MHz 及び波源

2. 電磁界解析による漏えい電磁界の解析

815MHz の漏えい電界特性を電磁界解析（有限積分法）により解析する．

87MHz

直径 50mm 巻き数 3T コイル

815MHz88.5×88.5mm パッチアンテナ

解析モデル

商業施設モデル

波源の配置位置

商業施設内イートインスペース

2.1 波源モデルのテーブル裏

図 2.1 に本章で用いる波源モデルを示す．それぞ解析対象エリア

商業施設含む 40×40m エリア

れの周波数で高い電界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ており，87MHz では直径50mm 巻き数 3T のスパイラルコイル，815MHz では

鉄骨梁：金属

屋根：金属

外壁：サイディング

窓ガラス：ガラスZ
Y

88.5×88.5mm 素子のパッチアンテナを波源としてX用いる．
車両：金属

解析空間：40×40×10 m

Y190mm

50mm
XZ

88.5mm

88.5mm波源 （イートインスペースのテーブル裏に配置）

テーブル：木 商品棚：金属

基礎鉄筋：金属

190mm

3turns（a） 87MHz

図 2.1（b） 815MHz

解析モデル（波源）

図 2.2商業施設モデルと波源の配置位置

（様式 20）成果報告書
サイズは 40×40×10m である．波源は商業施設内の815MHz よりも 87MHz の漏えい電界のほうが波源近イートインスペースのテーブル裏に配置する．波源

傍の電界強度が低くなっているが，これは波源のアの向きは図 2.1 及び図 2.2 の座標軸の通りであり，地ンテナが波長に対して十分小さい微小コイルである面に対してコイル開口面またはパッチアンテナ面がためである．

水平となる．

図 2.5 に各構造物の電気定数変更前後の漏えい電図 2.3 に漏えい電磁界特性への影響度を評価する

界強度中央値差分の累積確率分布を示す．図 2.4 に構造物を示す．漏えい電磁界に大きな影響を与える示した解析断面全体に 0.1m 間隔で格子状に評価座ことが予想される比較的大型の構造物を抽出した．

標を配置し，各評価座標を中心とする評価エリア

基礎鉄筋，鉄骨梁，窓ガラス，車両，周辺建造物は（87MHz：3×3m，815MHz：1.5×1.5m）での電界各構造物の有無に対する漏えい電磁界特性を比較し，強度中央値をそれぞれ算出，構造物の電気定数変更

商品棚，外壁，屋根はそれぞれ所定の電気定数から前後で同一評価座標の中央値同士の差分を計算して木の電気定数へ変更する前後で漏えい電磁界特性を累積確率分布のグラフとした．また，表 2.2 に各累比較する．

積確率における漏えい電界強度中央値の差分を示す．
これらの結果より，87MHz 及び 815MHz 両方で窓ガ

2.2.2 評価結果ラスの影響が特に大きいことが確認できる．この要図 2.4 に 87MHz 及び 815MHz における商業施設内因としては，商業施設側面の大半が窓ガラスで構成とその周辺での漏えい電界分布を示す．地面から 1mされており面積が大きいためと考えられる．87MHz，の高さにおける水平面（XY 面）の分布を記載している．波源として用いたアンテナは水平面無指向性

1.00
100

鉄筋
金属梁
外壁
屋根
商品棚
窓ガラス
車両
周辺建造物であるため，漏えい電界は波源を中心に放射状に分
累積確率
累積確率 [%][%]
累積確率

布し，各構造物の影響による強度の変動が見られる．

800.800.60
60
0.4040(a)基礎鉄筋(b)鉄骨梁0.2020(c)商品棚

0.00 00(d)窓ガラス

1015201552010
パスロス中央値差分[dB][dB]
電界強度中央値差分[dB]
漏えい電界強度中央値差分

(f)屋根

(e)外壁

(a) 87MHz
(g)車両

1.00
100(h)周辺建造物

鉄筋
金属梁
外壁
屋根
商品棚
窓ガラス
車両
周辺建造物

図 2.3

影響度を評価する構造物

累積確率
累積確率 [%]
[%]
累積確率

0.80
80
0.60
60

大0.40
400.20200.00 0
小01015201552010
パスロス中央値差分[dB][dB]
電界強度中央値差分[dB]
漏えい電界強度中央値差分(b) 815MHz（a） 87MHz

図 2.4（b） 815MHz

商業施設内及び周辺の漏えい電界分布

図 2.5

各構造物の電気定数変更前後の中央値差分の累積確率分布

（様式 20）成果報告書
815MHz 共に次点で周辺建造物，屋根の影響が大きモデルを設計しており，3.5GHz では 20.3×20.3mm 素

く，815MHz では外壁の影響も比較的大きいものと子のパッチアンテナ，5.3GHz では 12.6×12.6mm 素子なっている．のパッチアンテナを波源として用いる．また無線機器の特性を含まない基本的な漏えい電磁界を解析す

3. 幾何光学的電波伝搬解析による漏えい電磁界の解析
本章では，携帯端末及び無線 LAN ルータへの干渉を想定し，WPT システムの高調波である 3.5GHz及び 5.3GHz の漏えい電界特性を幾何光学伝搬解析るため，無線機器をダイポールアンテナで模擬する．

3.2 商業施設における漏えい電磁界の解析
本節では，商業施設を用いて商業施設内の各構造物が漏えい電磁界へ与える影響を解析する．

手法（Ray Launching 法）により解析する．

3.2.1 シミュレーション条件
3.1 波源及び受信機器モデル

表 3.1 にシミュレーション条件を示す．波源は 3.1

図 3.1 に本章で用いる波源モデルを示す．各周波数節で示したパッチアンテナを用い，受信機器はダイで高い電界強度を放射するために周波数ごとに波源ポールアンテナとした．なお，送信電力は 10dBm とした．

表 2.2

各構造物の電気定数変更前後の漏えい電界強度中央値の差分

図 3.2 に商業施設モデルと波源位置を示す．商業施設を中心として，周辺の建物をモデリングする．
波源は商業施設内のイートインスペースのテーブル(a) 87MHz裏に配置する．受信機器は図 3.3 に示すように商業累積確率
構造物

90%

50%

10%

基礎鉄筋

5dB

1dB

0dB

鉄骨梁

3dB

1dB

0dB

外壁

6dB

1dB

0dB

屋根

10dB

4dB

1dB

商品棚9dB

1dB

0dB

窓ガラス

13dB

7dB

3dB

車両

6dB

1dB

0dB

周辺建造物

11dB

3dB

1dB

(b) 815MHz
累積確率

施設を含む 40×40m の空間に 0.1m 間隔で格子状に配（a） 3.5GHz(b)5.3GHz

図 3.1

解析モデル（波源）

表 3.1

シミュレーション条件

計算機システムTSUBAME 2.5

解析手法

Ray Launching 法

構造物

90%

50%

10%

解析周波数

3.5GHz，5.3GHz

基礎鉄筋

29dB

1dB

0dB

出力

10dBm

鉄骨梁

13dB

2dB

0dB

波源

外壁

18dB

1dB

0dB

屋根

20dB

3dB

0dB

受信機器

ダイポールアンテナ

商品棚

0dB

0dB

0dB

解析モデル

商業施設モデル

窓ガラス

30dB

12dB

3dB

波源の配置位置

商業施設内イートインスペース

車両

12dB

0dB

0dB

周辺建造物

31dB

7dB

1dB

3.5GHz20.3×20.3mm パッチアンテナ

5.3GHz12.6×12.6mm パッチアンテナのテーブル裏
受信機器配置位置

商業施設含む 40×40m エリア

（様式 20）成果報告書置しており，受信機器設置位置数は 160,000 点とな

きい要因としては，2 章で説明した 87MHz 及びる．配置高さは地面から 1m とした．

815MHz での結果と同様，商業施設の側面の大半が漏えい電磁界へ与える影響を評価する構造物は図

窓ガラスで構成されており影響が与えられる範囲が3.4 の通りであり，2 章と同様とした．基礎鉄筋，鉄大きいためと考えられる．また，3.5GHz や 5.3GHz

骨梁，窓ガラス，車両，周辺建造物は構造物の追加など比較的高い周波数帯では電波の直進性が強くな

前後で漏えい電磁界を比較し，商品棚，外壁，屋根るため，金属梁，商品棚などの電波を遮蔽する金属はそれぞれの所定の電気定数から木の電気定数へ変製の構造物の影響が高くなることがわかった．

更する前後で漏えい電磁界を比較する．

3.2.2 評価結果
図 3.5 に各構造物の電気定数変更前後の中央値差(a)基礎鉄筋(b)鉄骨梁(c)商品棚(d)窓ガラス(e)外壁(f)屋根(g)車両(h)周辺建造物分の累積確率分布を示し，表 3.2 に各累積確率におけるパスロス中央値の差分を示す．これらの結果から，窓ガラス，鉄骨梁，商品棚，外壁が伝搬特性へ大きく影響することがわかる．窓ガラスの影響が大

図 3.4
周辺建造物：
コンクリート

影響度を検証する構造物

100

鉄筋
金属梁
外壁
屋根
商品棚
窓ガラス
車両
周辺建造物

累積確率 [%]

80

商業施設

商品棚：金属
屋根：金属

40
20

外壁：サイディング

鉄骨梁：金属6000

基礎鉄筋：金属

波源

51015
パスロス中央値差分[dB](a) 3.5GHz

車両：金属

テーブル：木20

窓ガラス：ガラス100

商業施設モデルと波源位置

80
累積確率 [%]

図 3.2鉄筋金属梁
外壁
屋根
商品棚
窓ガラス
車両
周辺建造物

6040
2000h=1.0m

51015
パスロス中央値差分[dB]

20(b) 5.3GHz1m

図 3.31m

受信機器設定位置

図 3.5

各構造物の電気定数変更前後の中央値差分の累積確率分布

（様式 20）成果報告書
4 まとめ

参考文献

本利用課題ではスーパーコンピュータ TSUBAME
2.5 を用いて商業施設における漏えい電磁界特性を解析した．商業施設モデルにおける各構造物の電気定数を変更し比較することで構造物が漏えい電磁界特性に与える影響を検証し，窓ガラスや外壁などのサイズの大きい建材が特に影響することを把握した．
TSUBAME 2.5 を用いることで，商業施設及びその周辺建造物を含む大規模なモデルを解析でき，有限積[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.
[2] J. Kim et al., “Electromagnetic Interference andRadiation from Wireless Power Transfer Systems,” 2014
IEEE International Symposium on Electro- magneticCompatibility, Aug. 2014.
[3] K. Takagi, T. Yui, M. Anada, T. Izumi, H. Uno, H.
Watanabe and Y. Saito, “Analysis of Electromagnetic
Field Leaked from Wireless Power Transfer System in
Case-study House,” WPTC 2015, P2.5, May 2015.

分法電磁界解析及び Ray launching 法電波伝搬解析[4] 東京工業大学 学術国際情報センター, TSUBAME(http:// www.gsic.titech.ac.jp/tsubame).

における TSUBAME 2.5 の有用性を確認した．

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

なお，本研究は総務省平成 27 年度電波資源拡大のための研究開発「ワイヤレス電力伝送による漏えい電波の環境解析技術の研究開発」の一部である．

表 3.2

各構造物の電気定数変更前後のパスロス
中央値の差分(a) 3.5GHz
累積確率

構造物

90%

50%

10%

基礎鉄筋

2.8dB

0.6dB

0.1dB

鉄骨梁

15.5dB

3.6dB

0.5dB

外壁

5.9dB

3.6dB

0.5dB

屋根

1.5dB

0.2dB

0.0dB

商品棚

8.1dB

2.2dB

0.4dB

窓ガラス

26.5dB

5.7dB

1.3dB

車両

2.3dB

0.1dB

0.0dB

周辺建造物

5.7dB

0.3dB

0.1dB

(b) 5.3GHz
累積確率
構造物

90%

50%

10%

基礎鉄筋

2.6dB

0.5dB0.0dB

鉄骨梁

16.5dB

4.2dB

0.7dB

外壁

7.3dB

4.2dB

0.7dB

屋根

1.4dB

0.1dB

0.0dB

商品棚

8.0dB

1.9dB

0.2dB

窓ガラス

28.2dB

6.9dB

1.3dB

車両

2.3dB

0.0dB

0.0dB

周辺建造物

4.6dB

0.2dB

0.0dB