ワイヤレス給電を電気自動車に ～電力伝送の効率化～
愛媛県立松山南高等学校 3年 コイルんず 稲葉光 奥田眞央 越智怜楽 久保田嘉伸 指導教諭 露口猛 川井亮祐
研究の動機
燃料別新車販売台数

ガソリン車〇電気自動車の現状・普及率は低い
・2035年には電気自動車の新車販売率100％宣言(2035年)(2020年)
6.0%

HV
ディーゼル車EV

19.0%

37.1% 55.7%

PHV

27.0%

54.0%

FCV
その他
引用元

Evdays https://evdays.tepco.co.jp/entry/2021/09/28/000020

https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/news/18/05851/

電気自動車約40％100％

電力伝送効率の検討●電気自動車の問題点
・充電場所の不足
・充電に時間がかかる

実験３

コイルの形状による電力伝送効率の比較
目的 伝送効率の良いコイルの形状を調べる。
方法 図８のような，自己インダクタンス107.5μHで形状の異なる３種類のコイルを２組作製した。図９のような回路の負荷抵抗に流れる電流をオシロスコープで測定し、伝送効率を計算した。伝送効率は回路共振時の測定を行った。

送信側コイル
自己インダクタンス
Lp

問題の解決策…一般に電磁誘導を用いたワイヤレス給電の研究が進んでいる

本研究独自の工夫である
１ 強磁性体である鉄をトンネル内壁に利用し、磁束密度を増大
２ 進行方向に磁場をかけることで走行中でも安定した給電の実現⇒従来よりも電力伝送効率の良いワイヤレス給電を目指す。

図８
図１ 本研究で用いた
鉄パイプ

鉄パイプトンネル 磁化の最適条件の検討
実験１

鉄パイプ内と鉄パイプ外との磁束密度の比較
鉄パイプなし目的 鉄パイプによって磁束密度が増大するのか調べる。
方法 図２の条件でコイルに0.50 Aずつ4.0 Aまで電流を流し、テスラメーターでコイル端面の磁束密度を測定した。
結果
鉄パイプ断面中央

1.0

鉄パイプなし2.0
電流値

3.04.0[A]

鉄パイプ断面中央

図３

鉄パイプ断面端

実験１結果

結果は、測定回数10回の平均値

左から
コイルA 内径2.0 ㎝、外径10 cmのスパイダーコイル
コイルB 塩ビパイプ外径2.0 ㎝ソレノイド
コイルC 塩ビパイプ外径9.0 ㎝ソレノイド

負荷抵抗R

図２

実験１

鉄パイプ
コイル

内径：16.4 cm 厚さ：6.0mm
長さ：70.0cm
内径：2.0 ㎝ 長さ：9.0cm
2層100回巻ソレノイド

・ソレノイドコイルはエナメル線周辺の磁束が大きい。

鉄パイプの磁化を強めるにはコイルをパイプに近づけることが有効
鉄パイプ磁化時の磁束密度分布

目的 鉄パイプ磁化時における磁束密度の分布を調べる。
方法 ４層200回巻ソレノイドコイルに4.0 Aの電流 図 ４ 鉄 パ イ プ 断 面 方 向を流し、これを鉄パイプ内中央に入れた場合と の 磁 束 密 度 測 定 の 工 夫
入れない場合における磁束密度の分布を調べた。 鉄パイプ表面に切り込みを入れ、テスラメーターの素子が入るように工夫した。

鉄パイプの中央部に入れた場合

伝送効率 =𝑰𝒔 𝟐 𝑹
𝟐𝟐𝑰𝒑 𝒁𝒑 + 𝑰𝒔 𝒁𝒔

𝟏 𝟐𝟐(𝑹 + 𝒓𝒑 ) +(𝝎𝑳𝒑 −) , 𝒁𝒔 =
𝝎𝑪

𝒁𝒑 =𝒑

1
共振周波数 =
2π 𝑳𝒑 𝑪𝒑Hz =B = 58.6 x -1.98

B = 31.4 x -1.92

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0

中心からの距離 x[cm]

鉄パイプなし鉄パイプ中央部にコイルを入れた場合

図６ 実験２結果

負荷抵抗コンデンサー

R ＝10 ΩC p = C s = 7.34 nF

12π 𝑳s 𝑪s

𝟏 𝟐𝟐(𝑹 + 𝒓𝒔 ) +(𝝎𝑳𝒔 −)𝝎𝑪𝒔

[Hz] =179171 [Hz]図10装置全景

装置ア

装置ウ

装置イ

コイルの組み合わせ

結果

装置アの課題点

80.0

装置名伝送効率

装置ア
装置イ
装置ウ

75.0 ％
0.1 ％
66.9 ％

考察

電力 60.0
伝送 40.0
効率 20.0[％]
0.0

受信用コイル

伝送効率 悪い

送信用コイル

伝送効率 良い0100 200 300 400
送信した周波数 [kHz] 図13 装置アの課題
走行時は、端面同士が合わな
図12 装置アにおける周波数といと効率が良くならない。
伝送効率の関係

・よく使用されているスパイダ―コイル（装置ア）が最も伝送効率が良い。
→端面同士が合わないと伝送効率は良くないという課題点がある。
・装置ウは受信側のコイル内部に向かって送信側コイルの磁束が貫くために伝送効率が良い。
・共振時の伝送効率が最も良い。

実験４

電力伝送時における鉄パイプの有効性の検証
目的 鉄パイプの磁化が電力伝送効率に与える影響を調べる。
方法 装置ウを応用し、図14の条件で実験３と同様の操作を行い、電力伝送効率を検証した。
装置オ

装置カ

装置キ

側面に平行な磁速密度の大きさ[mT] 2.00.0

電力伝送効率測定回路

測定したコイルの組み合わせ12.0

磁 10.0
束 8.0
密 6.0
度 4.0

コンデンサーCrω[rad/s]：角周波数×100 [%]装置エ

図５ 実験２結果

図９

測定条件

鉄パイプは磁束密度増大に有効

結果

コンデンサーCp

計算式

図11・どの電流値でも磁束密度は 鉄パイプ内 > 鉄パイプ外

鉄パイプなしの場合作製した107.5 μHのコイル

鉄パイプ断面端考察

実験２

受信側コイル
自己インダクタンス
Ls

負荷抵抗R

研究の目的

コ 5.0
イル 4.0端
面 3.0の
磁 2.0
束
密 1.0
度
0.0[mT]0.0

内部抵抗rs

内部抵抗rp断面方向の分析

磁束密度は鉄パイプ側面に平行な向き。図５右向きを正とする。

考察・コイルの断面中央は、磁束密度が大きくなる。
・コイルの側面外側は弱まる。
・CDの結果より、コイル内部と同じ向きに磁化していることが分かる。

図14

実験４

装置図

考察

結果
装置名

伝送効率

装置エ
装置オ
装置カ
装置キ

43.7 ％
53.0 ％
64.7 ％
69.6 ％

・受信用コイルは送信用コイルの導線付近に設置した方が大きい磁束の影響を受けるために伝送効率が良い。
・受信用コイルと鉄パイプの中心が近いほど伝送効率は良い。
・装置キにおける伝送効率は装置ウを上回り、鉄パイプの有効性が確認できた。

まとめ
成果 ・伝送効率増大において鉄パイプは有効である。

図７

実験結果から考えられる鉄パイプの磁化のイメージ

鉄パイプの側面に平行な磁束を内部に与えると、パイプ内部の磁束は鉄パイプの磁化によって強められる。

・従来法である装置アの伝送効率が最も良いが、鉄パイプ内の磁束密度分布から、自動車走行時では装置キが最も安定で効率が良いと推測される。
今後の課題 ・さらに伝送効率の高いコイルの検討を行う。
・受信側コイル走行時における伝送効率を求める。
・磁気の人体への影響を考慮した実験モデルを作製する。

謝辞
本研究において協力して下さった先生方に熱く御礼申し上げます。

参考文献 ［1］宮野忠文，山本 晃，長谷川浩治，１４ 非接触電力伝送に関する基礎的検討，(2011)広島県立総合技術研究所 西部工業技術センター研究報告［2］松本秀樹等，ワイヤレス給電用コイルの最適化検討，(2016)，昭和電線ホールディングス株式会社