JP6400519B2

JP6400519B2 - 電磁界模擬装置

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Publication number: JP6400519B2
Application number: JP2015068729A
Authority: JP
Inventors: 英樹長田; 宮西　克也; 克也宮西; 池田　和彦; 和彦池田; 金子　哲也; 哲也金子; 斎藤　裕; 裕斎藤
Original assignee: Panasonic System Solutions Japan Co Ltd
Current assignee: Panasonic System Solutions Japan Co Ltd
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2018-10-03
Anticipated expiration: 2035-03-30
Also published as: JP2016189663A

Description

本発明は、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界を模擬して発生する電磁界模擬装置に関するものである。

近年、携帯型情報端末や家電機器に充電用の電力をワイヤレス電力伝送により供給する中電力（数百Ｗ）のワイヤレス電力伝送システム(以下、適宜に「ＷＰＴシステム」と呼称する)が普及しつつあり、また、電気自動車に充電用の電力を供給する大電力（数ｋＷ）のＷＰＴシステムも、今後の実用化に向けて開発が進められており、このようなＷＰＴシステムにより、利用者が充電を行う際の利便性を格段に向上させることができる。

近時、ＷＰＴシステムから漏えいする電磁界が電子機器に及ぼす影響を評価することが必要とされている。このとき、ＷＰＴシステムには様々な構成のものがあるため、ＷＰＴシステムの実機が設置された実環境で影響評価を行うことは、期間およびコストの面で現実的ではない。そこで、ＷＰＴシステムから漏えいする電磁界を模擬して発生する電磁界模擬装置が求められる。

このような電磁界模擬装置に関連する技術として、従来、制御部によって高周波信号の周波数、振幅、位相、および波形を変化させることで、任意の電磁界分布を発生させ、任意の空間放射特性を実現する技術が知られている。この技術では、波長に比べて充分に微小なサイズの複数の電磁界放射部を配置し、制御部の動的な制御に応じて各電磁界放射部が放射する電磁界の重ね合わせの結果として、任意形状の電磁界分布を有する電磁界を発生させることができるとされている。

特開２０１４−２２８３２号公報

さて、ＷＰＴシステムでは、給電ケーブルを介して商用電源の電力を送電装置に給電するようにしており、送電装置から漏えいする電磁界に加えて、給電ケーブルから漏えいする電磁界も問題となる。しかしながら、前記従来の技術では、ＷＰＴシステムの送電装置から漏えいする電磁界を相応の精度で再現することができるものの、給電ケーブルから漏えいする電磁界を再現することはできないため、ＷＰＴシステムから漏えいする電磁界を模擬する精度を十分に高めることができないという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界を精度良く模擬することができるように構成された電磁界模擬装置を提供することにある。

本発明の電磁界模擬装置は、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界を模擬して発生する電磁界模擬装置であって、交流信号を発生する第１の発振器と、この第１の発振器の出力信号を増幅する第１の増幅器と、この第１の増幅器の出力信号を電磁波として空間に放射する電磁波放射部と、交流信号を発生する第２の発振器と、この第２の発振器の出力信号を増幅する第２の増幅器と、模擬対象となるワイヤレス電力伝送システムに給電する電源と略同一の定格を有する電源部と、この電源部に一端が接続された模擬電力線と、この模擬電力線の他端に接続された負荷と、前記第２の増幅器の出力信号を前記模擬電力線に重畳する重畳部と、を備えた構成とする。

本発明によれば、電磁波放射部から発生する電磁界により、ワイヤレス電力伝送システムの送電装置から漏えいする電磁界を再現することができる。そして、模擬電力線から発生する電磁界により、ワイヤレス電力伝送システムの送電装置に給電する給電ケーブルから漏えいする電磁界を再現することができる。このため、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界を精度良く模擬することができる。

本実施形態に係る電磁界模擬装置の概略構成図本実施形態に係る電磁界模擬装置の概略構成図住宅に設置された電気自動車用のＷＰＴシステムの給電ケーブルの配線状況を示す説明図図３に示したＷＰＴシステムにおける磁界強度の測定結果を示すグラフ模擬電力線７から発生する磁界Ｈ_ＰＬを求めるための計算モデルを示す説明図模擬電力線７からの距離に応じた磁界の減衰特性を示すグラフ

前記課題を解決するためになされた第１の発明は、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界を模擬して発生する電磁界模擬装置であって、交流信号を発生する第１の発振器と、この第１の発振器の出力信号を増幅する第１の増幅器と、この第１の増幅器の出力信号を電磁波として空間に放射する電磁波放射部と、交流信号を発生する第２の発振器と、この第２の発振器の出力信号を増幅する第２の増幅器と、模擬対象となるワイヤレス電力伝送システムに給電する電源と略同一の定格を有する電源部と、この電源部に一端が接続された模擬電力線と、この模擬電力線の他端に接続された負荷と、前記第２の増幅器の出力信号を前記模擬電力線に重畳する重畳部と、を備えた構成とする。

これによると、電磁波放射部から発生する電磁界により、ワイヤレス電力伝送システムの送電装置から漏えいする電磁界を再現することができる。そして、模擬電力線から発生する電磁界により、ワイヤレス電力伝送システムの送電装置に給電する給電ケーブルから漏えいする電磁界を再現することができる。このため、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界を精度良く模擬することができる。

また、第２の発明は、前記模擬電力線は、指向性が異なる電磁波を放射するように折れ線状に設けられた構成とする。

これによると、模擬電力線を折れ線状に設けることで、ワイヤレス電力伝送システムの給電ケーブルから漏えいする電磁界の分布状況を高い精度で再現することができる。このため、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界をより一層精度良く模擬することができる。

また、第３の発明は、前記負荷は、複素インピーダンスの抵抗分及びリアクタンス分を任意に設定できる電子負荷を用いる構成とする。

これによると、電子負荷により実際のＷＰＴシステムの複素インピーダンスを模擬することができる。このため、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界をより一層精度良く模擬することができる。

また、第４の発明は、さらに、前記第１の発振器および前記第２の発振器の周波数、ならびに前記第１の増幅器および前記第２の増幅器の利得を任意に制御可能な制御部を備えた構成とする。

これによると、制御部により、第１の発振器および第２の発振器の周波数を制御することで、模擬対象となるワイヤレス電力伝送システムと同様の周波数の電磁波を発生させることができる。また、制御部により、第１の増幅器および第２の増幅器の利得を制御することで、電磁波放射部による磁界と模擬電力線による磁界との割合を変化させることができる。このため、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界をより一層精度良く模擬することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１および図２は、本実施形態に係る電磁界模擬装置の概略構成図である。

この電磁界模擬装置は、ＷＰＴシステムから漏えいする電磁界を模擬して発生するものであり、第１の発振器１と、第１の増幅器２と、電磁波放射部３と、第２の発振器４と、第２の増幅器５と、電源部６と、模擬電力線７と、電子負荷８と、重畳部９と、制御部１０と、を備えている。

第１の発振器１および第２の発振器４は、任意の周波数の高周波信号（交流信号）を発生するものであり、アナログ式またはディジタル式の発振回路を備えた周波数可変型の発振器である。本実施形態では、第１の発振器１および第２の発振器４はともに、模擬対象となるＷＰＴシステムの駆動周波数と略同一の周波数の高周波信号を発生する。

第１の増幅器２および第２の増幅器５は、それぞれ第１の発振器１および第２の発振器４の出力信号を増幅するものであり、例えば、入力した信号をトランジスタ等を用いて増幅する増幅器や正負両極性についてリニアに増幅するバイポーラ電源等である。

電磁波放射部３は、ＷＰＴシステムの送電装置から漏えいする電磁界を再現するものであり、第１の増幅器２から出力される高周波信号を電磁波として空間に放射する。この電磁波放射部３は、入力した電気信号を電磁波として空間に放射する放射素子で構成され、所望の電磁波を空間へ放射することができるものであればよく、例えば、コイル、ループアンテナ、モノポールアンテナ、電界アンテナなどを使用することができる。

電源部６は、模擬対象となるＷＰＴシステムにおける送電装置に給電する電源と略同一の定格（電圧および周波数など）を有する。この電源部６は、交流商用電源に接続され、この交流商用電源が、模擬対象となるＷＰＴシステムの送電装置に給電する電源と略同一の定格を有するものであれば、その電力をそのまま出力し、異なる定格を有するものであれば、適宜に電力を変換して出力する。

模擬電力線７は、ＷＰＴシステムの送電装置に給電する給電ケーブルから漏えいする電磁界を再現するものであり、この模擬電力線７の一端は重畳部９を介して電源部６に接続されており、模擬電力線７の他端は電子負荷８に接続されている。本実施形態では、模擬電力線７は、単相２線、すなわち、２本の導線７ａ，７ｂを有している。

また、図１に示す例では、模擬電力線７は、直線状に延びた状態で配線されている。図２に示す例では、模擬電力線７は、折れ線状に配線されており、直線状に延びた第１の直線状配線部１１と、この第１の直線状配線部１１に対して略直交する方向に延びた第２の直線状配線部１２とを有している。このように、模擬電力線７を、複数の直線状配線部で折れ線状に設けることで、指向性が異なる電磁波を放射することができる。

この模擬電力線７の配線の形態、すなわち、直線状配線部の数、長さおよび角度などは、模擬対象となるＷＰＴシステムに給電する給電ケーブルの実際の配線状況に応じて設定すればよい。したがって、図２に示す例のように、直線状配線部を２つ有する構成に限定されるものではなく、直線状配線部を３つ以上有する構成としてもよい。また、図２に示す例のように、直線状配線部を互いに略直交する方向に設けた構成に限定されるものではなく、直線状配線部は種々の角度に配置することができる。

電子負荷８は、模擬電力線７の２本の導線７ａ，７ｂを流れる電流の振幅と位相を変化させるものである。この電子負荷８は、模擬電力線７の負荷として接続されるが、模擬対象となるＷＰＴシステムの固有の複素インピーダンスに相当するように、その抵抗分およびリアクタンス分を設定することができ、これにより、模擬対象となるＷＰＴシステムと同等の電流の振幅と位相を模擬電力線７で再現することができる。

重畳部９は、第２の増幅器５から出力される信号を模擬電力線７に重畳するものである。ここで、第２の発振器４の周波数ｆ２は、模擬対象となるＷＰＴシステムの駆動周波数と略同一であり、例えば８５ｋＨｚや１ＭＨｚなどとなるが、電源部６から模擬電力線７に供給される電力の周波数は、模擬対象となるＷＰＴシステムに供給される電力と略同一の周波数であり、例えば６０Ｈｚとなり、第２の発振器４の周波数ｆ２は電源部６の周波数より十分に大きいため、第２の増幅器５から出力される信号を模擬電力線７に重畳することで、ＷＰＴシステムで用いられる周波数の信号がノイズとして模擬電力線７に載った状態となる。

制御部１０は、第１の発振器１および第２の発振器４の周波数、ならびに第１の増幅器２および第２の増幅器５の利得を任意に制御するものである。この制御部１０により、第１の発振器１および第２の発振器４が、模擬対象となるＷＰＴシステムの駆動周波数と略同一の周波数に制御される。また、制御部１０により、第１の増幅器２および第２の増幅器５の利得を調整することで、電磁波放射部３による磁界と、模擬電力線７による磁界との割合を変化させることができ、これにより、ＷＰＴシステムから漏えいする電磁界をより一層精度良く模擬することができる。

また、制御部１０は、電源部６を制御して、電源部６から所要の電力を出力させ、また、電子負荷８の抵抗分およびリアクタンス分を制御して、模擬電力線７に流れる電流の振幅と位相を調整する。

次に、模擬対象となるＷＰＴシステムについて説明する。図３は、住宅に設置された電気自動車用のＷＰＴシステムの給電ケーブルの配線状況を示す説明図である。図４は、図３に示したＷＰＴシステムにおける磁界強度の測定結果を示すグラフである。

図３に示すように、ＷＰＴシステムの送電装置が住宅に隣接する駐車スペースに設置され、この送電装置から電気自動車に搭載された受電装置にワイヤレス電力伝送により電力が伝送され、電気自動車に搭載された蓄電池が充電される。

住宅には、商用電源の電力（例えばＡＣ２００Ｖ）を送電装置に供給するための給電ケーブルが配線されている。この給電ケーブルは、駐車スペース側の第１の壁パネル（壁１）に沿って垂直方向に延びた部分と、１階と２階とを隔てる床パネルに沿って水平方向に延びた部分と、メータ側の第３の壁パネル（壁３）に沿って垂直方向に延びた部分とによりコ字形状に配線されている。

このようなＷＰＴシステムでは、動作時に発生する送電装置からの伝導ノイズによって給電ケーブルから磁界が発生し、住宅内には、送電装置から漏えいする磁界と、給電ケーブルの３つの直線状配線部から漏えいする磁界とが合成された合成磁界が発生する。

ここで、送電装置の中心からの水平方向に観測位置をずらしながら磁界強度を測定したところ、図４に示すようなグラフが得られる。図４においてｘ［ｍ］は送電装置の中心からの水平方向の距離を表す。このグラフから明らかなように、送電装置の中心からの水平方向の距離が大きくなるに応じて磁界強度が概ね減衰する傾向となり、特に、住宅外側では、３次減衰、すなわち、概ね距離の３乗に比例して磁界強度が減衰する。ところが、住宅内側では、第３の壁パネル（壁３）の近傍で磁界強度が高くなり、また、磁界強度の減衰の傾きが小さくなる場合がある。このような磁界強度の複雑な変化は、図３に示したように給電ケーブルが折れ線状に配線されていることによるものと考えられる。

このような場合、図２に示したように、模擬電力線７を折れ線状に配線することで、模擬対象となるＷＰＴシステムにおける給電ケーブルの実際の配線状況に近似することができ、ＷＰＴシステムの給電ケーブルから漏えいする磁界の分布状況を精度よく再現することができる。

なお、図４は、駐車スペースの地面を基準にした測定高ｌｍで電磁界プローブにより測定したものである。また、送電装置は、スパイラル型コイルを備え、周波数８５ｋＨｚで駆動される。

次に、図１および図２に示した制御部１０の作用について説明する。本電磁界模擬装置では、電磁波放射部３から発生する磁界Ｈ_ＷＰＴと、模擬電力線７から発生する磁界Ｈ_ＰＬｎを加算した合成磁界Ｈが発生し、制御部１０により、第１の増幅器２の利得ｇ_１および第２の増幅器５の利得ｇ_２を調整することで、電磁波放射部３による磁界Ｈ_ＷＰＴと、模擬電力線７による磁界Ｈ_ＰＬｎとの割合を変化させることができる。

ここで、図１に示したように、模擬電力線７が直線状に延びた状態で配線されている場合、すなわち、直線状配線部が１つである場合には、合成磁界Ｈは、次式のように表される。

また、図２に示したように、模擬電力線７が複数の直線状配線部を有する場合には、合成磁界Ｈは、次式のように表される。

ここで、ｎは模擬電力線７の直線状配線部の数である。

次に、図１および図２に示した模擬電力線７から発生する磁界Ｈ_ＰＬについて説明する。図５は、模擬電力線７から発生する磁界Ｈ_ＰＬを求めるための計算モデルを示す説明図である。図６は、模擬電力線７からの距離に応じた磁界の減衰特性を示すグラフである。なお、図６では、距離ｘの軸を対数目盛で示している。

本実施形態では、模擬電力線７の負荷として、模擬対象となるＷＰＴシステムの固有の複素インピーダンスに相当する抵抗分とリアクタンス分を設定できる電子負荷８が模擬電力線７に接続されている。この電子負荷８により、実際のＷＰＴシステムの複素インピーダンスを模擬することができ、模擬電力線７に流れる電流の振幅と位相を変化させることで、模擬電力線７から発生する磁界の特性、特に模擬電力線７からの距離に応じた磁界の減衰特性を変化させることができる。

ここで、ＷＰＴシステムでは交流の駆動信号が利用されているが、この駆動信号では、周波数が１００ｋＨｚ程度まででは波長が数ｋｍとなる。例えば８５ｋＨｚの場合には波長は約３．５ｋｍとなる。一方、ＷＰＴシステムの給電ケーブルの配線長は長くても十数ｍ程度であり、ＷＰＴシステムの駆動信号の波長は給電ケーブルの配線長に比較して充分長くなる。このため、駆動信号の周波数が１００ｋＨｚ程度まででは、給電ケーブルの線電流は殆ど変化せず、定常電流とみなすことができる。したがって、本電磁界模擬装置における模擬電力線７の２本の導線７ａ，７ｂに流れる線電流Ｉ_Ｌ，Ｉ_Ｎは、次式のように定常電流とすることができる。

ここで、Ｉは定常電流であり、係数ρは、線電流Ｉ_Ｌ，Ｉ_Ｎの比率、すなわち、線電流Ｉ_Ｌ，Ｉ_Ｎのバランスの崩れ度合いを表す数値であり、模擬電力線７の２本の導線７ａ，７ｂに互いに逆方向に流れる線電流Ｉ_Ｌ，Ｉ_Ｎの見かけ上の振幅差を表す。

このように、模擬電力線７の線電流Ｉ_Ｌ，Ｉ_Ｎを定常電流Ｉとみなすと、模擬電力線７から発生する磁界Ｈ_ＰＬｎは次式で表わされる。

ここで、図５に示すように、模擬電力線７の１つの直線状配線部から発生する磁界Ｈ_ＰＬは、平行な２本の導線７ａ，７ｂに逆方向の電流が流れたときに、導線７ａ，７ｂから発生する磁界Ｈ_ＰＬａ，Ｈ_ＰＬｂをベクトル加算したものである。また、ｘは、２本の導線７ａ，７ｂの中心から観測点Ｐまでの距離であり、ｌは、模擬電力線７の長さであり、ｄは、２本の導線７ａ，７ｂの間隔である。なお、具体例として、定常電流Ｉ、模擬電力線７の線分の長さｌ、および導線間隔ｄはそれぞれ、Ｉ＝１０７．１ｄＢμＡ、ｌ＝６ｍ、ｄ＝７．２ｍｍとなる。

この式４をグラフで表すと、図６に示すようになる。この図６に示すように、係数ρが１から離れると、磁界減衰曲線の傾きが小さくなる、すなわち、模擬電力線７から離れてもあまり減衰しない特性となる。例えば、ρ＝１．０２（振幅差が２％）では、磁界減衰曲線がほぼ１次減衰となり、−２０ｄＢ／Ｄｅｃ、すなわち、距離が１０倍になるごとに２０ｄＢずつ下がる場合の減衰特性に近似する。

また、電子負荷８を設定するにあたっては、模擬対象となるＷＰＴシステムの複素インピーダンスを観測し、その抵抗分及びリアクタンス分と合致するように電子負荷８の抵抗分及びリアクタンス分を設定すればよいが、模擬電力線７にノイズとして重畳される信号の周波数ｆ２が高くなるのに応じて、磁界減衰曲線の傾きが徐々に緩やかになる傾向があるため、模擬対象となるＷＰＴシステムの有する複素インピーダンスに合致するように電子負荷８を設定しても、適切な磁界減衰特性が得られない場合があり、この場合、本電磁界模擬装置において所要の磁界減衰特性が得られるように、模擬対象となるＷＰＴシステムの複素インピーダンスとは異なるように設定値を調整することもできる。

また、本電磁界模擬装置において漏えい電磁界の影響評価を行う際に、磁界の減衰特性を適宜に調整することで、ＷＰＴシステムからの実際の距離より短い距離で漏えい電磁界の影響評価を行うことができる。このため、スペースが限られた実験室内で多様な条件による漏えい電磁界の影響評価を簡単に行うことができる。

以上のように、本実施形態では、交流信号を発生する第１の発振器１と、この第１の発振器１の出力信号を増幅する第１の増幅器２と、この第１の増幅器２の出力信号を電磁波として空間に放射する電磁波放射部３と、交流信号を発生する第２の発振器４と、この第２の発振器４の出力信号を増幅する第２の増幅器５と、模擬対象となるＷＰＴシステムに給電する電源と略同一の定格を有する電源部６と、この電源部６に一端が接続された模擬電力線７と、この模擬電力線７の他端に接続された負荷としての電子負荷８と、第２の増幅器５の出力信号を模擬電力線７に重畳する重畳部９と、を備えたものとした。

このような構成により、電磁波放射部３から３次減衰曲線で表される電磁界分布を発生させることができ、これにより、ＷＰＴシステムの送電装置から漏えいする電磁界を再現することができる。また、模擬電力線７から２次〜１次減衰曲線で表される電磁界分布を発生させることができ、これにより、ＷＰＴシステムに給電する給電ケーブルから漏えいする電磁界を再現することができる。このため、ＷＰＴシステムから漏えいする電磁界を精度良く模擬することができる。

また、本実施形態では、模擬電力線７が、指向性が異なる電磁波を放射するように折れ線状に設けられた構成としており、これにより、ＷＰＴシステムの給電ケーブルから漏えいする電磁界の分布状況を高い精度で再現することができる。このため、ＷＰＴシステムから漏えいする電磁界をより一層精度良く模擬することができる。

また、本実施形態では、模擬電力線７に接続される負荷として、複素インピーダンスの抵抗分及びリアクタンス分を任意に設定できる電子負荷８を用いる構成としており、この電子負荷８により実際のＷＰＴシステムの複素インピーダンスを模擬することができる。このため、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界をより一層精度良く模擬することができる。

また、本実施形態では、制御部１０において、第１の発振器１および第２の発振器４の周波数を任意に制御する構成としており、これにより、模擬対象となるＷＰＴシステムと同様の周波数の電磁波を発生させることができる。また、制御部１０において、第１の増幅器２および第２の増幅器５の利得を任意に制御する構成としており、これにより、電磁波放射部３による磁界と模擬電力線７による磁界との割合を変化させることができる。このため、ＷＰＴシステムから漏えいする電磁界をより一層精度良く模擬することができる。

以上、本発明を特定の実施形態に基づいて説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。また、上記実施形態に示した本発明に係る電磁界模擬装置の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

本発明に係る電磁界模擬装置は、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界を精度良く模擬することができる効果を有し、ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界を模擬して発生する電磁界模擬装置などとして有用である。

１発振器
２増幅器
３電磁波放射部
４発振器
５増幅器
６電源部
７模擬電力線、７ａ，７ｂ導線
８電子負荷
９重畳部
１０制御部
１１，１２直線状配線部

Claims

ワイヤレス電力伝送システムから漏えいする電磁界を模擬して発生する電磁界模擬装置であって、
交流信号を発生する第１の発振器と、
この第１の発振器の出力信号を増幅する第１の増幅器と、
この第１の増幅器の出力信号を電磁波として空間に放射する電磁波放射部と、
交流信号を発生する第２の発振器と、
この第２の発振器の出力信号を増幅する第２の増幅器と、
模擬対象となるワイヤレス電力伝送システムに給電する電源と略同一の定格を有する電源部と、
この電源部に一端が接続された模擬電力線と、
この模擬電力線の他端に接続された負荷と、
前記第２の増幅器の出力信号を前記模擬電力線に重畳する重畳部と、
を備えたことを特徴とする電磁界模擬装置。
前記模擬電力線は、指向性が異なる電磁波を放射するように折れ線状に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電磁界模擬装置。
前記負荷は、複素インピーダンスの抵抗分及びリアクタンス分を任意に設定できる電子負荷を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁界模擬装置。
さらに、前記第１の発振器および前記第２の発振器の周波数、ならびに前記第１の増幅器および前記第２の増幅器の利得を任意に制御可能な制御部を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電磁界模擬装置。