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令和 5 年電気学会全国大会

ハルバッハ巻線構造を適用した伝送コイルによるワイヤレス給電システムの漏えい磁界低減
山縣一輝＊，日下佳祐 (長岡技術科学大学)

Reduction in Leakage Electromagnetic Field using Transmission Coils
with Halbach Winding on Wireless Power Transfer
Kazuki Yamagata, Keisuke Kusaka (Nagaoka University of Technology)

１．はじめに

３．電磁界解析による漏えい磁界低減効果の検証

近年，電動車両の普及を促進するためワイヤレス給電シス

漏えい磁界の低減効果を検証するため，電磁界解析ソフテムの実用化に向けた検討が進められている。本技術により， ト（JMAG）による漏えい磁界の評価を行った。モデルは，電動車両使用者は充電ケーブルを接続することなく車両の実際のコイルをスケーリングして作成したものを対象とし，充電が可能となるため利便性が改善される期待がある。しか比較のためハルバッハ巻線構造を適用したコイルと，同サし，ワイヤレス給電には電力伝送時に伝送コイル周囲に漏えイズのスパイラルコイルを用意した。なお，両モデルにおけい磁界が発生する問題がある。漏えい磁界については人体防る送電側及び受電側の伝送コイルに与える電流値は同一と護の観点からガイドラインが定められており，実用化にあたし，送電側を 2.44 Arms，受電側を 2.75 Arms とした。っては本規格を満足するよう漏えい磁界を抑制する必要が

図 3 に電磁界解析における漏えい磁界の評価ポイントをある(1)。そこで本研究では，ハルバッハ巻線構造を伝送コイ示す。本測定点も伝送コイルと同様にスケーリングしたもルに適用することで漏えい磁界の低減が可能であることを，のであり，実システムにおいて，車両内部及び車両近傍の人実機試験により実証したので報告する。

体位置を想定して決定した。

２．ハルバッハ巻線構造を適用した伝送コイル

300 mm
400 mmハルバッハ巻線構造は，磁石の片側のみに磁界を発生させることが可能な磁石配置（ハルバッハ配列(2)）を巻線により再現したものである。図 1 にハルバッハ巻線構造を適用したコイルの断面図を示す。ハルバッハ巻線構造では，コイル断面から見て上下方向に磁界を発生させる巻線に加えて左右方向に磁界を発生させる巻線を追加する。本巻線により，発生する磁界をコイルの片側に集中させることができる(3)。
図 2 にハルバッハ巻線構造を適用した伝送コイル構造を示す。本検討では，ワイヤレス給電の送電側と受電側の伝送

Aluminum plate

45 mm
5 mm

FerriteGap
100 mmWinding

5 mm
45 mm

FerriteAluminum plate

図 2 ハルバッハ巻線構造を適用した伝送コイル
Fig. 2. The transmission coils with Halbach winding structure.

コイルをハルバッハ巻線構造として，伝送コイル間に磁界2Bを集中させることで，周囲に漏えいする磁界を低減する。
1B

153 mm

3B

300 mm

300 mm

125 mm
1A
2A②175 mm

Reference point：Direction of H-field-174名古屋

150 mm
153 mm
2A①

3A②150 mm

3A①

図 3 漏えい磁界評価ポイント
Fig. 3. The evaluation point of leakage electromagnetic field.

図 1 ハルバッハ巻線構造
Fig. 1. Section diagram of a coil with Halbach winding structure.

2023/3/15～17200 mm

153 mm©2023 IEE Japan

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令和 5 年電気学会全国大会

図 4 に電磁界解析によって得られた，スパイラルモデル

1000とハルバッハ巻線モデルの各測定ポイントにおける磁束密60.050.0

デルでは全ての測定ポイントでスパイラルモデルより磁束密度が低下し，平均で約 48%低減できることが確認できる。
これより，伝送コイルに同振幅の電流を通流させた場合，ハルバッハ巻線構造の適用により伝送コイル周辺の漏えい磁

10040.030.01020.010.0

界が低減可能であることを確認した。
1４．漏えい磁界低減効果の実機検証

0.01A

図 5 に実機試験用の伝送コイルを示す。実験においても，構造を変更可能なようにすることで，提案構造と従来構造を同一の基板で実現した。伝送コイルの巻き数は送電側と受電側で同一としスパイラルコイルを 25turn，ハルバッハ
巻線コイルについてはコイル断面から見て上下方向に磁界を発生させる巻線は端部を 10turn，中央部を 15turn，左右方向に磁界を発生させる巻線は 10 turn とした。なお，伝送電力は 500W（スパイラルコイル接続時）とし，実験システムの共振周波数の都合から，ハルバッハ巻線適用時の伝送周波数を 86kHz，スパイラル巻線適用時の伝送周波数を 96kHzとした。
図 6 に実機試験によって得られた，スパイラルコイルと

2A②

3A①

3A②

Halbach

1B2B

3B

Reduction rate

図 6 各測定点における磁束密度の測定結果
Fig. 6. Measurement results of magnetic flux density
at each measurement point.

パイラル構造を有する伝送コイルと比較を行う。これらの伝送コイルはプリント基板上に作成され，端子により巻線2A①

Spiral

漏えい磁界の低減効果を検証するため，従来構造としてス

Reduction rate [%]Magnetic flux density [µT]

度の解析結果を示す。図 4 に示す通り，ハルバッハ巻線モ電側の伝送コイルに供給する電流振幅を同一とし，図 3 に示す各ポイントの磁束密度を電磁場測定プローブ（ELT-400
磁界暴露レベルテスタ）により測定した。電流値と測定ポイントは電磁界解析実施時と同一条件である。
図 6 に示す通り，ハルバッハ巻線コイルでは全ての測定ポイントでスパイラルコイルより磁束密度が低下し，平均で約 22%低下していることが確認できる。以上より，伝送コイルに通流する電流値が同一の場合，ハルバッハ巻線構造の適用により伝送コイル周辺の漏えい磁界が低減可能であることを実験により示した。

5．まとめ

ハルバッハ巻線コイルの各測定ポイントにおける磁束密度

本研究では，ワイヤレス給電システムの伝送コイルに対の測定結果を示す。本試験では，両システムで送電側及び受してハルバッハ巻線構造を適用した場合の伝送コイル周辺の漏えい磁界低減効果について，電磁界解析と実機試験に10060.0より検証した。検証の結果，伝送コイルに通流する電流値が50.0同一の場合，ハルバッハ巻線構造を適用した伝送コイルで40.030.0

1020.0

Reduction rate [%]Magnetic flux density [µT]1000は伝送コイル周辺の磁束密度がスパイラルコイルに対して抑制できることを確認した。

10.0
1
2A①

2A②

Spiral3A①
Halbach

3A②

1B

2B

献(1) International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection

0.01A

文(ICNIRP), "ICNIRP GUIDELINES FOR LIMITING EXPOSURE

3BReduction rate

TO TIME-VARYING ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS

図 4 各測定点における磁束密度の解析結果
Fig. 4. Analysis result of magnetic flux density at each measurement point.

(1HZ – 100 kHZ)", (2010)(2) K. Halbach, " Design of Permanent Multipole Magnets withAluminum plate
Oriented Rare-Earth Cobalt Material ", Nuclear Instruments &Methods, vol. 19, no. 1, pp. 1-10, (1979)

Transmission Coils(3) H. Kim, K. Hwang, J. Park, D. Kim and S. Ahn, " Design ofsingle-sided AC magnetic field generating coil for wireless power

Aluminum platetransfer ", in 2017 IEEE Wireless Power Transfer Conference

図 5 実機試験用伝送コイル
Fig. 5. The transmission coils for experiment.

(WPTC), pp. 1-3, (2017)-1752023/3/15～17名古屋©2023 IEE Japan