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技術 無線エネルギー伝達変換装置

出願人 ウィトリシティコーポレーション
発明者 ケスラー,モリス,ピー.カース,アンドレ,ビー.カンパネラ,アンドリュー,ジェイ.フィオレロ,ロンホール,キャサリン,エル.カラリス,アリステイディスクリコウスキー,コンラッドシャツ,デービッド,エー.ソルジャシック,マリンルー,ハーバート,トビーガネム,スティーブン,ジョゼフ
出願日 2016年6月8日 (4年5ヶ月経過) 出願番号 2016-114210
公開日 2016年10月13日 (4年1ヶ月経過) 公開番号 2016-182030
状態 特許登録済
技術分野 電気的推進車両の集電装置 電磁波による給配電方式 車両の電気的な推進・制動 電車への給配電
主要キーワード 分離間隙 導体区分 装置コイル 拡張容積 コンポーネントパラメータ 電気的値 中空容積 取付けポイント
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

第1の複数のパラメータによって特徴付けられる第1の振動磁場を介して無線で受信した電気エネルギー捕捉するように構成された少なくとも1つの受信用磁気共振器、および第1の複数のパラメータとは異なる第2の複数のパラメータによって特徴づけられる第2の振動磁場を生成するように構成された少なくとも1つの送信用磁気共振器を含む無線電力変換装置を改善すること。

解決手段

上記のような無線電力変換装置において、第2の振動磁場を生成する少なくとも1つの送信用磁気共振器に通電するために、少なくとも1つの受信用磁気共振器からの電気エネルギーが使用される。

概要

背景

〔関連技術の説明〕
エネルギーまたは電力は、例えば、「RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESSENERGY TRANSFER」という名称で米国特許公開第2010/0237709号として2010年9月23日に公開された共同所有の米国特許出願第12/789,611号、および「WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATORAPPLICATION」という名称で米国特許公開第2010/0181843号として2010年7月22日に公開された米国特許出願第12/722,050号に詳述されている様々な技術を用いて、無線で伝達され得、それら特許出願の内容が、本明細書に完全に規定されているかのように、全体として組み込まれる。従来技術の無線エネルギー伝達システムは、ユーザーの安全性に関する懸念、低いエネルギー伝達効率、ならびにエネルギー供給およびシンクコンポーネントに対する制限的な物理的近接/配置の許容範囲を含む様々な要因によって制限されてきた。

概要

第1の複数のパラメータによって特徴付けられる第1の振動磁場を介して無線で受信した電気エネルギー捕捉するように構成された少なくとも1つの受信用磁気共振器、および第1の複数のパラメータとは異なる第2の複数のパラメータによって特徴づけられる第2の振動磁場を生成するように構成された少なくとも1つの送信用磁気共振器を含む無線電力変換装置を改善すること。上記のような無線電力変換装置において、第2の振動磁場を生成する少なくとも1つの送信用磁気共振器に通電するために、少なくとも1つの受信用磁気共振器からの電気エネルギーが使用される。

目的

他の実施形態では、無線電力変換装置は、設定可能な磁気共振器を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

第1の複数のパラメータによって特徴づけられる第1の振動磁場を介して無線で受信した電気エネルギー捕捉するように構成された少なくとも1つの受信用磁気共振器と、前記第1の複数のパラメータとは異なる第2の複数のパラメータによって特徴づけられる第2の振動磁場を生成するように構成された少なくとも1つの送信用磁気共振器とを備え、前記第2の振動磁場を生成する前記少なくとも1つの送信用磁気共振器に通電するために、前記少なくとも1つの受信用磁気共振器からの前記電気エネルギーが使用される、無線電力変換装置

請求項2

前記第1の複数のパラメータが、前記第2の複数のパラメータの第2の周波数とは異なる第1の周波数を含む、請求項1に記載の変換装置

請求項3

前記第1の周波数が前記第2の周波数のほぼ整数倍である、請求項2に記載の変換装置。

請求項4

前記第2の周波数が前記第1の周波数のほぼ整数倍である、請求項2に記載の変換装置。

請求項5

前記第1の複数のパラメータが、前記第2の複数のパラメータの第2の振幅とは異なる第1の振幅を含む、請求項1に記載の変換装置。

請求項6

前記第1の複数のパラメータが、前記第2の複数のパラメータの第2の周波数ホッピングシーケンスとは異なる第1の周波数ホッピングシーケンスを含む、請求項1に記載の変換装置。

請求項7

前記第1の複数のパラメータが、前記第2の複数のパラメータの第2のオンオフシーケンスとは異なる第1のオン/オフシーケンスを含む、請求項1に記載の変換装置。

請求項8

前記少なくとも1つの受信用磁気共振器によって捕捉された前記電気エネルギーを直流信号に変換するように構成された第1の変換回路をさらに含む、請求項1に記載の変換装置。

請求項9

前記第1の変換回路からの前記直流信号を交流信号に変換するように構成された第2の変換回路をさらに備え、前記交流信号が前記少なくとも1つの送信用磁気共振器に通電するために使用される、請求項8に記載の変換装置。

請求項10

前記少なくとも1つの受信用磁気共振器および前記少なくとも1つの送信用磁気共振器のうちの少なくとも1つが、品質係数Q>100を有する、請求項1に記載の変換装置。

請求項11

前記少なくとも1つの受信用磁気共振器が、異なるパラメータをもつ磁場からエネルギーを捕捉するように構成可能である、請求項1に記載の変換装置。

請求項12

前記少なくとも1つの送信用磁気共振器が、異なるパラメータをもつ磁場を生成するように構成可能である、請求項1に記載の変換装置。

請求項13

前記少なくとも1つの受信用磁気共振器および前記少なくとも1つの送信共振器ループインダクタ共有する、請求項1に記載の変換装置。

請求項14

第1の複数のパラメータによって特徴づけられる第1の振動磁場を生成するように構成された供給源共振器と、前記第1の複数のパラメータとは異なる第2の複数のパラメータによって特徴づけられる第2の振動磁場を介して無線で受信された電気エネルギーを捕捉するように構成された装置共振器と、前記第2の振動磁場からエネルギーを捕捉するように、かつ、前記第1の振動磁場を生成する前記供給源共振器に通電するように構成された変換回路を含む無線電力変換装置とを備えるシステム

請求項15

前記第1の複数のパラメータおよび前記第2の複数のパラメータが少なくとも周波数において異なる、請求項14に記載のシステム。

請求項16

前記振動磁場の前記第1の複数のパラメータおよび前記第2の複数のパラメータが少なくとも振幅において異なる、請求項14に記載のシステム。

請求項17

前記無線電力変換装置が、前記装置共振器によって捕捉された電気エネルギーによって通電される、請求項14に記載のシステム。

請求項18

前記供給源共振器および前記装置共振器のうちの少なくとも1つが、品質係数Q>100を有する、請求項14に記載の変換装置。

請求項19

前記供給源共振器および前記装置共振器が共有されたループインダクタを含む、請求項14に記載のシステム。

請求項20

構成可能な磁気共振器を提供することと、第1の複数のパラメータによって特徴づけられる第1の振動磁場を捕捉するように前記構成可能な磁気共振器を調整することと、前記振動磁場を電気エネルギーに変換することと、前記電気エネルギーを貯蔵エネルギーとしてエネルギー貯蔵素子内に貯蔵することと、第2の複数のパラメータによって特徴づけられる第2の振動磁場を生成するように前記構成可能な磁気共振器を調整することと、前記第2の振動磁場を生成するために、前記貯蔵されたエネルギーを使用して、前記構成可能な磁気共振器に通電することとを含む、無線電力変換の方法。

請求項21

前記第1の複数のパラメータが、前記第2の複数のパラメータの第2の周波数とは異なる第1の周波数を含む、請求項20に記載の方法。

請求項22

前記第1の複数のパラメータが、前記第2の複数のパラメータの第2の振幅とは異なる第1の振幅を含む、請求項20に記載の方法。

請求項23

前記構成可能な磁気共振器が品質係数Q>100を有する、請求項20に記載の方法。

請求項24

前記エネルギー貯蔵素子内に前記電気エネルギーを貯蔵する前に、前記電気エネルギーを直流信号に変換することをさらに含む、請求項20に記載の方法。

請求項25

前記第2の振動磁場を生成するために前記構成可能な磁気共振器に通電する前に、前記貯蔵されたエネルギーを交流信号に変換することをさらに含む、請求項24に記載の方法。

技術分野

0001

〔関連出願の相互参照
本出願は、次の出願:2011年2月7日に出願された米国特許出願第13/021,965号、2011年1月6日に出願された米国特許出願第12/986,018号、2010年5月28日に出願された米国特許出願第12/789,611号、2010年4月29日に出願された米国特許出願第12/770,137号、2010年4月26日に出願された米国特許出願第12/767,633号、2010年4月13日に出願された米国特許出願第12/759,047号、2010年4月9日に出願された米国特許出願第12/757,716号、2010年3月30日に出願された米国特許出願第12/749,571号、2010年3月10日に出願された米国特許出願第12/721,118号、2010年3月10日に出願された米国特許出願第12/720,866号、および2010年4月20日に出願された米国特許出願第61/326,051号、に対する優先権を主張し、その各々が参照により全体として本明細書に組み込まれる。

0002

本開示は、無線エネルギー伝達、方法、かかる伝達を達成するためのシステムおよび装置、ならびに適用例に関連する。

背景技術

0003

〔関連技術の説明〕
エネルギーまたは電力は、例えば、「RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESSENERGY TRANSFER」という名称で米国特許公開第2010/0237709号として2010年9月23日に公開された共同所有の米国特許出願第12/789,611号、および「WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATORAPPLICATION」という名称で米国特許公開第2010/0181843号として2010年7月22日に公開された米国特許出願第12/722,050号に詳述されている様々な技術を用いて、無線で伝達され得、それら特許出願の内容が、本明細書に完全に規定されているかのように、全体として組み込まれる。従来技術の無線エネルギー伝達システムは、ユーザーの安全性に関する懸念、低いエネルギー伝達効率、ならびにエネルギー供給およびシンクコンポーネントに対する制限的な物理的近接/配置の許容範囲を含む様々な要因によって制限されてきた。

課題を解決するための手段

0004

特に指示のない限り、この開示では、無線エネルギー伝達、無線送電(power transfer)、無線電力伝送(power transmission)、および同様の用語が区別しないで使われる。当業者であれば、様々なシステム構成が、本出願に記載の広範な無線システム設計および機能性によってサポートされ得ることが理解されるであろう。

0005

本明細書に記載の無線エネルギー伝達システムでは、電力は、少なくとも2つの共振器の間で無線交換され得る。共振器は、エネルギーの、供給、受信、保持、伝達、および分散を行い得る。無線電力源は、電源または供給源と呼ばれ得、無線電力の受信器は、装置、受信器および電源負荷と呼ばれ得る。共振器は、供給源、装置、もしくは、同時に両方であり得るか、または、制御された方法で、1つの機能から別の機能に変わり得る。電力供給または電力排出に有線接続されていないエネルギーを保持または分散するように構成されている共振器は、中継器と呼ばれ得る。

0006

本発明の無線エネルギー伝達システムの共振器は、共振器自体のサイズに比較して、長距離に渡って電力を伝送することが可能である。つまり、共振器のサイズが、共振器の構造を囲むことができる最小球面の半径によって特徴づけられる場合、本発明の無線エネルギー伝達システムは、共振器の特性サイズよりも長距離に渡って電力を伝送できる。本システムは、異なる特性サイズを有し、かつ、共振器の誘導素子が異なるサイズ、異なる形状を有し、異なる材料などから成る共振器の間でエネルギー交換することが可能である。

0007

本発明の無線エネルギー伝達システムは、エネルギーが互いに離れている共振物の間で伝達され得、それらが互いから様々な距離にあり得ること、および、それらが互いに相対して移動し得ることを記述することにより、結合領域、通電された領域または容積(volume)を有するとして記述され得る。いくつかの実施形態では、そこを介してエネルギーが伝達できる領域または容積は、アクティブな場領域または容積と呼ばれる。さらに、無線エネルギー伝達システムは、各々が電源、電源負荷、その両方に結合され得るか、またはどちらにも結合され得ない3つ以上の共振器を含み得る。

0008

無線供給されるエネルギーは、電気もしくは電子装置への電力供給、バッテリー再充電、またはエネルギー貯蔵装置充電のために使用され得る。複数の装置が同時に充電もしくは電力供給され得るか、または、1つまたは複数の装置が一定期間エネルギーを受信した後に、電力供給が他の装置に切り替えら得るように、複数の装置への電力供給が順番に行われ得る。様々な実施形態では、複数の装置は、1つもしくは複数の供給源からの電力を、1つもしくは複数の装置と、同時に、もしくは時分割多重化方式で、もしくは周波数多重化方式で、もしくは空間多重化方式で、もしくは配向多重化方式で、または時分割および周波数および空間および配向的多重化の任意の組合わせで、共有し得る。複数の装置は、継続的に、断続的に、定期的に、時々、または一時的に、無線電源として機能するように再構成されている少なくとも1つの装置と、相互に電力を共有し得る。当業者は、本明細書に記載の技術および適用例に適用可能な装置に対して電力供給および/または充電する様々な方法があることを理解するであろう。

0009

実施形態では、無線送電システムは、第1の複数のパラメータによって特徴づけられる第1の振動磁場を通って無線で受信された電気エネルギー捕捉するように構成された、少なくとも1つの受信用磁気共振器を含む、無線電力変換装置を有し得る。本変換装置は、第1の複数のパラメータとは異なる第2の複数のパラメータによって特徴づけられる第2の振動磁場を生成するように構成された、少なくとも1つの伝達用磁気共振器も有し得、少なくとも1つの受信用磁気共振器からの電気エネルギーが、第2の振動磁場を生成する少なくとも1つの伝達用磁気共振器に通電するために使用される。実施形態では、第1の複数のパラメータは、第2の複数のパラメータの第2の周波数とは異なる第1の周波数を含み得、第1の周波数は、第2の周波数のほぼ整数倍であり得る。他の実施形態では、第1の複数のパラメータは、第2の複数のパラメータの第2の振幅とは異なる第1の振幅を含み得る。第1の複数のパラメータは、第2の複数のパラメータの第2の周波数ホッピングシーケンスとは異なる第1の周波数ホッピングシーケンスも含み得、同様に、第1の複数のパラメータは、第2の複数のパラメータの第2のオンオフシーケンスとは異なる第1のオン/オフシーケンスを含み得る。

0010

他の実施形態では、無線送電システムは、第1の複数のパラメータによって特徴づけられる第1の振動磁場を生成するように構成された供給源共振器、および第1の複数のパラメータとは異なる第2の複数のパラメータによって特徴づけられる第2の振動磁場を通って無線で受信された電気エネルギーを捕捉するように構成された装置共振器を含み得る。本システムでは、変換回路を含む無線電力変換装置は、第2の振動磁場からのエネルギーを捕捉し、第1の振動磁場を生成する供給源共振器に通電するように構成され、使用され得る。実施形態では、第1の複数のパラメータは、第2の複数のパラメータの第2の周波数とは異なる第1の周波数を含み得、第1の周波数は、第2の周波数のほぼ整数倍であり得る。他の実施形態では、第1の複数のパラメータは、第2の複数のパラメータの第2の振幅とは異なる第1の振幅を含み得る。第1の複数のパラメータは、第2の複数のパラメータの第2の周波数ホッピングシーケンスとは異なる第1の周波数ホッピングシーケンスも含み得、同様に、第1の複数のパラメータは、第2の複数のパラメータの第2のオン/オフシーケンスとは異なる第1のオン/オフシーケンスを含み得る。

0011

他の実施形態では、無線電力変換装置は、設定可能な磁気共振器を提供すること、第1の複数のパラメータによって特徴づけられる第1の振動磁場を捕捉するために設定可能な磁気共振器を調整すること、振動磁場を電気エネルギーに変換すること、その電気エネルギーを貯蔵エネルギーとしてエネルギー貯蔵素子内に保存すること、第2の複数のパラメータによって特徴づけられる第2の振動磁場を生成するために設定可能な磁気共振器を調整すること、および第2の振動磁場を生成するために貯蔵エネルギーを使用して設定可能な磁気共振器に通電することによって、変換のために使用され得る。

0012

他の実施形態では、無線送電のための共振器は、1つまたは複数のループを形成し、かつ、インダクタンスLを有する導体、容量C、および所望の電気的パラメータを有し、導体に接続されているコンデンサ回路網を含み得、その回路網は、電気的パラメータの第1の温度プロファイルをもつ少なくとも1つの第1のタイプのコンデンサを有し、また、その回路網は、電気的パラメータの第2の温度プロファイルをもつ少なくとも1つの第2のタイプのコンデンサを有する。温度変化に起因する回路網の電気的パラメータにおける変化が、1つのタイプのコンデンサのみが使用される場合に比べて少ないように、第1のタイプのコンデンサの第1の温度プロファイルが、第2のタイプのコンデンサの第2の温度プロファイルを補完する。実施形態では、温度変化に起因する電気的パラメータにおける変化が実質的にゼロであるように、これらのパラメータが選ばれ得る。実施形態では、電気的パラメータは、容量、抵抗、インダクタンス、および同類のものであり得る。

0013

実施形態では、無線送電のための共振器は、1つまたは複数のループを形成する導体、電気的パラメータに対して異なる温度プロファイルをもつ2つ以上のタイプの電気部品を含み得、その電気部品は、前記導体に接続されている回路網を形成し、その回路網では、その部品の温度プロファイルが補完的であって、温度変化に起因する回路の電気的パラメータにおける変化が、1つのタイプの部品のみが使用される場合に比べて少ないように、電気部品が配置される。実施形態では、温度変化に起因する電気的パラメータにおける変化が実質的にゼロであるように、これらのパラメータが選ばれ得る。実施形態では、電気的パラメータは、容量、抵抗、インダクタンス、および同類のものであり得る。

0014

実施形態では、無線送電は、電源に結合され、かつ、振動磁場を生成する供給源高Q磁気共振器、振動磁場を、少なくとも1つの装置共振器に結合された照明に電力供給するために使用される電気エネルギーに変換するように構成された少なくとも1つの装置高Q磁気共振器、および装置共振器よりも大きい、少なくとも1つの中継器共振器を含み得る。中継器共振器は、供給源共振器と装置共振器との間の送電効率を向上させるために、装置共振器よりも供給源共振器から遠くに位置付けられ得る。本システムは、装置共振器の上の戸棚内部に位置付けられている中継器共振器を用いて、壁に取り付けられている供給源から、実質的に戸棚の下の照明に無線で電力供給するために使用され得る。実施形態では、供給源共振器および装置共振器は、10cm以上または20cm以上、および同類のものだけ離され得る。供給源および装置共振器は、実質的に同一の共振周波数に合わせられ得る。

0015

実施形態では、無線送電のための装置は、高Q共振器の少なくとも1つのループを形成する導体、その導体に電気的に結合された容量性部品、およびその導体に電気的に結合された電力および制御回路を含み得る。電力および制御回路は、2つ以上の動作モードを提供し得、高Q共振器が振動磁場を受信および生成する方法を選択する。2つ以上の動作モードには、高Q共振器が、供給源から無線で電力を受信し、受信器に無線で電力を送信するために使用される、中継器動作モードを含み得る。2つ以上の動作モードには、高Q共振器が磁場を生成するために使用される、供給源動作モードを含み得る。2つ以上の動作モードには、高Q共振器が振動磁場を電気エネルギーに変換するために使用される、装置動作モードを含み得る。

0016

実施形態では、共振器は、高Q共振器の少なくとも1つのループを形成する導体の提供、その導体に電気的に結合された容量性部品の提供、その導体に電気的に結合された電力および制御回路の提供、高Q共振器の1つまたは複数のコンポーネントの1つまたは複数の操作パラメータの測定、および1つまたは複数の操作パラメータに基づく電力および制御回路の複数の動作モードのうちの1つの選択により、操作され得る。複数の動作モードには、高Q共振器が、供給源から無線で電力を受信し、受信器に無線で電力を送信するために使用される、中継器動作モードを含み得る。複数の動作モードには、高Q共振器が磁場を生成するために使用される、供給源動作モードを含み得る。複数の動作モードには、高Q共振器が振動磁場を電気エネルギーに変換するために使用される、装置動作モードを含み得る。共振器は、中継器または装置動作モード中に充電され得るバッテリーをさらに含み得る。

0017

別の実施形態では、いくつかの共振器は、支持板、共振器よりも大きなサイズであって支持板の片側に置かれた1枚の良導体、共振器と1枚の良導体との間の分離距離を維持するための分離器部品、および、共振器、分離器、1枚の良導体を覆い、かつ、支持板に取り付けられている非損失性材料のカバーを含む筺体を有し得る。導体シートは、銅、アルミニウム、および同類のものであり得る。1枚の良導体は、共振器のサイズを全ての側において、少なくとも1cmだけ、または少なくとも2cm以上超え得る。

0018

さらに別の実施形態では、無線送電のための共振器は、軸に沿った長さを有する磁性材料、および軸の周囲に複数のループを形成するためにその磁性材料に巻かれた第1の導体を含み得、複数のループは磁性材料にわたるスパンを有し、その長さは、複数のループによって作成された双極子モーメントに平行な磁性材料の最大寸法であり、複数のループのスパンはその長さの約半分である。共振器は、導体に結合された1つまたは複数のコンデンサまたはインダクタを含み得る。いくつかの実施形態では、共振器の共振周波数は、これらのコンデンサによって調整せれ得る。

0019

本明細書で開示するシステムの一実施形態は、振動磁場を生成するように構成された少なくとも1つの高Q共振器を含む供給源共振器、装置共振器を有する車両から離れて置かれている供給源共振器、ならびに、供給源共振器および装置共振器の相対的な位置合わせに関する情報を提供する位置決めシステムを含む。

0020

位置決めシステムは、相対的な位置合わせに関する情報を車両のオペレータに対して表示するように適合されたディスプレイを含み得る。位置決めシステムは、カメラを含み得る。位置決めシステムは、機械視覚を採用し得る。

0021

位置決めシステムは、供給源共振器内の電流を測定し得る。位置決めシステムは、供給源共振器内の電流の位相を測定し得る。位置決めシステムは、供給源共振器内の電圧を測定し得る。位置決めシステムは、供給源共振器内の電圧の位相を測定し得る。位置決めシステムは、供給源共振器または装置共振器の近くの異物を検出するために1つまたは複数のセンサーを含み得る。供給源共振器は、異物を検出すると出力電力を減少させ得る。

0022

位置決めシステムは、供給源共振器を装置共振器との所望の位置合わせに移動させるように構成された1つまたは複数の機械アクチュエータを含み得る。位置決めシステムは、装置共振器を供給源共振器との所望の位置合わせに移動させるように構成された1つまたは複数の機械的アクチュエータを含み得る。

0023

位置決めシステムは、車両の制御システムに結合され得、その車両の自動位置決めのための制御システムに制御信号を提供するように構成され得る。

0024

供給源共振器および装置共振器は、各々、品質係数Q>100をもつ。

0025

本明細書で開示するシステムは、振動磁場を生成するように構成された少なくとも1つの供給源高Q磁気共振器を含む供給源共振器、車両から離れて置かれている供給源共振器、その車両に備え付けられている装置共振器、供給源共振器および装置共振器が所望の位置合わせである場合に、振動磁場を介して電力を受信するように構成された少なくとも1つの装置高Q磁気共振器を含む装置共振器を含み、供給源共振器および装置共振器は、所望の位置合わせからのずれの範囲内で無線送電効率を実質的に維持する大きさおよび配向である。

0026

供給源共振器は、装置共振器よりも大きいことがあり得る。供給源共振器は、装置共振器よりも35%大きいことがあり得る。供給源共振器および装置共振器は、各々、少なくとも1つの磁性材料の軸の周囲に巻かれた導体を含み得、供給源共振器および装置共振器の各々の双極子モーメントは、供給源共振器および装置共振器が所望の位置合わせである場合、車両の最長の寸法に合わされ得る。装置共振器は、車両のくぼんだ部分に組み込まれ得る。装置共振器は、能動温度制御を含み得る。

0027

能動温度制御は、装置共振器の制御可能な冷却を提供するために、車両の冷却システムに結合され得る。能動温度制御は、装置共振器の制御可能な加熱を提供するために、車両の加熱システムに結合され得る。

0028

装置共振器および供給源共振器は、各々、品質係数Q>100をもつ。

0029

別の態様では、システムの一実施形態は、無線送電のための複合共振器を形成するために、電気的に相互接続され、かつ、配列に配置されている複数の共振器を備える装置を含み得、その複数の共振器の各々1つが、その横断面の周囲に巻かれた導線を有する磁性材料ブロックを含み、それにより、その横断面に実質的に等しい領域を囲む少なくとも1つのループを形成し、複数の共振器の各々1つの双極子モーメントが、複数の共振器の互いに1つの双極子モーメントに合わせられるように、複数の共振器が配向される。その装置は、配列に配置された第2の複数の共振器をさらに含み得、第2の複数の共振器は、各々、第2の複数の共振器の互いに1つの双極子モーメントに合わせられた第2の双極子モーメントを有し得る。別の態様では、装置は、配列に配置された第2の複数の共振器をさらに含み得、電気回路内の相互に電気的に接続された第2の複数の共振器が、第1の複数の共振器から分離する。その装置は、複合共振器内に巻かれた導体のない、少なくとも1つの磁性材料ブロックを含み得る。配列内の複数の共振器のうちの隣接するものの間の分離は、配列の幅、高さ、および長さうちの最大のものの10%未満であり得る。

0030

さらに別の態様では、システムの一実施形態は、配列に配置された複数の磁性材料ブロック、および複数の導線を含む無線送電のための装置を含み得、その複数の導線の各々1本が、その周囲にループを形成するために複数のブロックのうちの少なくとも1つの周囲に巻かれ、それにより、複数の共振器を形成し、その複数の共振器は、電気的に相互に接続され、平行な双極子モーメントに配向される。複数の導線によって形成された複数のループは、実質的に同軸であり得る。複数の共振器は、複数の間隙によって相互に空間的に分離され得る。その装置は、複数の電力および制御回路を含み得、複数の電力および制御回路の各々1つは、複数の共振器の異なる1つに電気的の接続されている。各共振器は、装置の共振周波数およびインピーダンスを設定するため、配列に電気的に接続された少なくとも2つのコンデンサをさらに含み得る。

0031

本発明のもう1つの態様では、統合磁気共振器シールド構造は、第1の面および第2の面を有する電気伝導体シート、電気伝導体シートの第1の面の領域を覆う磁性材料ブロック、および、各々が第1の端部および第2の端部を有する複数の導線区分を含み得ると考えられ、そこで導線区分の端部は、導体シートの第1の面上の点の間にある磁性材料ブロックの上を通って経路が定められる。構造のいくつかの実施形態では、各導線区分は、磁性材料ブロックの全ての面の周りに完全には巻かれていない可能性があり、導体シートの最大寸法は、磁性材料ブロックの最大寸法よりも大きい可能性がある。導体シートは、複数の個々に絶縁された導体区分を含み得、いくつかの実施形態では、絶縁された導体区分は、異なる前記導線区分を電気的に接続するように成形され得る。他の実施形態では、絶縁された導体区分は、少なくとも2つの導線区分を直列に接続するように成形され得、導線区分は、磁性材料ブロックの周りを囲む経路を形成するように成形され得、磁性材料ブロックによって重なり合っていない導体シートの領域に実質的に限定される。共振器の動作中に、電流分布を全ての導体区分で実質的に均一にするように、導体区分がサイズ決定、成形、および相互接続される。さらに、構造の導体シートは、磁性材料ブロックによって重なり合っている領域の実質的な部分のカットアウトを含み得る。構造の磁性材料ブロックは、導体シート内の前記カットアウトを通ってアクセス可能な凹状空洞部(recessed cavity)を有するように成形され得、いくつかの実施形態における電力および制御回路の配置を可能にする。さらに、導線区分は、実質的に相互に平行になるように配列され得る。いくつかの実施形態では、いくつかの導線区分は、2つ以上の磁気双極子モーメントを有する構造を生成するために、実質的に非平行になるように配列され得る。導体区分は、プリント基板上に組み立てられ得、導体区分は、リッツ線を含み得る。構造の導線区分および導体シールドは、フレックス回路上に形成され、磁性材料ブロックを受け取るように成形され得る。

0032

本発明のさらに別の態様では、統合磁気共振器シールド構造は、電気伝導体シート、導体シートの領域に重なり合い、かつ覆っている導体シートの第1の面上に位置付けられた磁性材料ブロック、および複数の導線区分を含み得、前記導線区分の端部が導体シートの異なった点で結合され、前記導線区分が磁性材料ブロックの上を通って経路が定められ、導体シールドが、前記共振器の動作中に、導線区分のための電流路として使用される。

0033

一実施形態では、共振器の磁性材料タイルが、実質的に共振器の双極子モーメントに垂直なタイルの継ぎ目または接合部の数を最小限にするように配列され得る。別の態様では、熱導体が、磁性材料タイルと接触して置かれ、実質的に共振器の双極子モーメントに垂直に配向され得る。熱導体は、対流伝導、または放熱を通じて、熱導体によって伝達される熱を分散する、追加の放熱板に接続され得る。細かい磁性材料タイルから成る磁性材料ブロックを含む共振器に対して、熱導体は、好ましくは、タイル間の継ぎ目、特に、共振器の双極子モーメントに垂直な継ぎ目を覆うように、配置される。

0034

実施形態では、無線送電のために適合化されたシステムにおいて、可変インピーダンスを有する誘導負荷を駆動するために、同調可能な共振増幅器回路が提供され得、その回路は、可変デューティサイクルをもつスイッチング増幅器、誘導負荷、誘導負荷とスイッチング増幅器との間の接続、少なくとも1つの同調コンポーネントを含む接続、少なくとも1つの同調コンポーネントおよび増幅器デューティサイクルを調整するためのフィードバックループを含み、そのフィードバックループは、誘導負荷の異なる負荷条件下の増幅器の出力において、ゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングを実質的に維持するために、増幅器のデューティサイクルおよび少なくとも1つの同調コンポーネントを調整する。少なくとも1つの同調コンポーネントは、同調コンデンサを含み得る。同調コンデンサは、誘導負荷と直列であり得る。同調コンデンサは、誘導負荷と並列接続であり得る。誘導負荷とスイッチング増幅器との間の接続は、2つ以上の同調コンポーネントを含み得る。スイッチング増幅器は、可変スイッチング周波数を使用し得る。スイッチング増幅器のバス電圧は、可変であって、誘導負荷に供給される電力量の制御に使用され得る。フィードバックループは、インピーダンス測定設備を含み得る。フィードバックループは、プロセッサを含み得、そのプロセッサは、ゼロ電圧スイッチングが実質的に維持されるように、スイッチング増幅器の出力におけるインピーダンスを監視し、スイッチング増幅器の可変デューティサイクルに対する調整を計算するように構成されている。プロセッサは、ゼロ電流スイッチングが実質的に維持されるように、少なくとも1つの同調コンポーネントに対する第2の調整を計算するように構成され得る。誘導負荷は、高Q磁気共振器を含み得る。回路は、無線送電システムにおける供給源として使用され得る。

0035

実施形態では、スイッチング増幅器と可変インピーダンスをもつ誘導負荷との間の接続を含む、無線送電設備内の共振増幅器回路を調整する方法が提供され得、その方法は、スイッチング増幅器の出力でいくつかのパラメータを測定するステップ、スイッチング増幅器のデューティサイクルを調整するステップ、およびスイッチング増幅器と誘導負荷との間の接続における少なくとも1つの同調コンポーネントを調整するステップを含み、スイッチング増幅器のデューティサイクルの調整および少なくとも1つの同調コンポーネントの調整は、誘導負荷の異なる負荷条件のスイッチング増幅器の出力において、実質的にゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングを維持するために制御される。少なくとも1つの同調コンポーネントは、同調コンデンサを含み得る。いくつかのパラメータの測定は、スイッチング増幅器の出力におけるインピーダンスを含み得る。さらに、スイッチング増幅器のデューティサイクルに対する必要な調整および少なくとも1つの同調コンポーネントに対する調整は、スイッチング増幅器の出力において、実質的にゼロ電圧スイッチングおよび実質的にゼロ電流スイッチングを維持するために、インピーダンスに基づき得る。誘導負荷およびスイッチング増幅器と誘導負荷との間の接続の少なくとも一部は、高Q磁気共振器を形成し得る。回路は、無線送電システムにおける供給源として使用され得る。

0036

本開示は、コンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード変圧器、スイッチ、および同類のものなど、特定の個々の回路部品および素子、回路網、トポロジー、回路および同類のものなど、これらの素子の組合わせ、ならびに、「自己共振(self−resonant)」物体など、容量またはインダクタンスが物体全体に渡って分散された(もしくは、単なる集中とは対照的に、一部分散された)固有の特性を有する物体を参照する。回路または回路網内の可変コンポーネントを調整および制御すると、その回路または回路網の性能を調整し得ること、および、それらの調整は、一般に、調整、調節、整合補正、および同類のものとして記述され得ることが、当業者には理解されるであろう。無線送電システムの動作点を調整または調節する方法は、単独で、または、インダクタおよびコンデンサなどの同調コンポーネント、もしくはインダクタおよびコンデンサのバンクの調整に追加して、使用され得る。当業者は、本開示で説明する特定のトポロジーが、他の様々な方法で実施できることを理解するであろう。

0037

別に定義されていない限り、本明細書で使用する技術および科学用語は、本開示が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。言及されるか、または参照により本明細書に組み込まれる公開、特許出願、特許および他の参照と矛盾する場合には、定義を含めて、本明細書が管理する。

0038

前述したどの特徴も、本開示の範囲から逸脱することなく、単独または組み合わせて使用され得る。本明細書で説明するシステムおよび方法の他の特徴、物体、および利点は、以下の説明および図から明らかであろう。

図面の簡単な説明

0039

無線エネルギー伝達構成のシステムブロック図である。
単純な共振器構造の例示的な構造および概略図である。
単純な共振器構造の例示的な構造および概略図である。
単純な共振器構造の例示的な構造および概略図である。
単純な共振器構造の例示的な構造および概略図である。
単純な共振器構造の例示的な構造および概略図である。
単純な共振器構造の例示的な構造および概略図である。
シングルエンド増幅器を備える無線供給源のブロック図である。
差動増幅器を備える無線供給源のブロック図である。
検出回路のブロック図である。
検出回路のブロック図である。
無線供給源のブロック図である。
無線供給源のブロック図である。
無線供給源のブロック図である。
デューティサイクルの増幅器のパラメータへの影響を示すグラフである。
スイッチング増幅器を備えた無線電源の簡略化回路図である。
無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。
無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。
無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。
無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。
無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。
無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。
スイッチング増幅器および無線電源デバイスを有する無線電源を含む無線エネルギー伝達システムの簡略化回路図である。
無線電源のパラメータの変化の影響を示すグラフである。
磁性材料タイル間の不規則な間隔に起因する、起こり得る不均一な磁場分布を示す共振器の概略図である。
磁性材料ブロック内のホットスポットを減少し得る磁性材料ブロックにおけるタイルの配列を備えた共振器である。
細かい個別のタイルを含む磁性材料ブロックを備えた共振器である。
熱管理のために使用される熱伝導材の追加の細長片を備えた共振器である。
熱管理のために使用される熱伝導材の追加の細長片を備えた共振器である。
中継器共振器を含む共振器構成である。
中継器共振器を含む共振器構成である。
中継器共振器を含む共振器構成である。
中継器共振器を含む共振器構成である。
2つの中継器共振器を含む構成である。
中継器共振器として機能する装置共振器を備えた共振器構成である。
中継器共振器を含む戸棚下の照明の適用例である。
電気コンセントのカバーに組み込まれた供給源共振器である。
共振器筺体の分解図である。
底面に装置共振器が取り付けられた車両である。
供給源共振器がマットに組み込まれている。
装置共振器を備えた車両およびマットに組み込まれた供給源である。
底面に装置共振器が取り付けられたロボットである。
1つのセラミックコンデンサの温度に起因した容量の変化を示すグラフである。
受動補償に使用できる2つのコンポーネントの例示的な容量対温度プロファイルである。
受動補償に使用できる3つのコンポーネントの例示的な容量対温度プロファイルである。
導体のスパンを示す共振器の概略図である。
中空区画を有する共振器の横断面である。
フラップのある導体シールドを備えた共振器の等角図である。
フラップのある導体シールドを備えた共振器の側面図である。
デスク環境で中継器共振器を利用するシステムの概略図である。
複数のモードで動作し得る共振器を利用するシステムの概略図である。
複数の動作モードを有するように構成された共振器の電力および制御回路の回路ブロック図である。
無線電力変換装置を利用するシステムの構成のブロック図である。
中継器としても機能し得る無線電力変換装置を利用するシステムの構成のブロック図である。
異なる構成および無線電力変換装置の使用を示すブロック図である。
2つの別個の共振器および1つの交流直流変換器を使用する無線電力変換装置のブロック図である。
2つの別個の共振器および1つの交流/交流変換器を使用する無線電力変換装置のブロック図である。
1つの共振器を利用する無線電力変換装置の回路ブロック図である。
異なるサイズの共振器を備えた無線電力変換装置を利用するシステム構成の回路図である。
異なるサイズの共振器を備えた無線電力変換装置を利用するシステム構成の回路図である。
車両の横方向のずれまたは左右の位置決めの不確定要素許可する相対的な供給源および装置共振器の寸法を示す概略図である。
単一の磁性材料ブロックを含む共振器である。
複数の別個の磁性材料ブロックを含む共振器である。
複数の別個の磁性材料ブロックを含む共振器である。
複数の別個の磁性材料ブロックを含む共振器である。
1つおよび2つ以上の別個の磁性材料ブロックを含む共振器の間の無線送電特性の比較に使用される共振器構成の等角図である。
1つおよび2つ以上の別個の磁性材料ブロックを含む共振器の間の無線送電特性の比較に使用される共振器構成の等角図である。
1つおよび2つ以上の別個の磁性材料ブロックを含む共振器の間の無線送電特性の比較に使用される共振器構成の等角図である。
各々が導体で覆われている4つの別個の磁性材料ブロックを含む共振器の等角図である。
導体巻線が互い違いになった2つの磁性材料ブロックを含む共振器の上面図である。
間隔を減少させるように成形された2つの磁性材料ブロックを含む共振器の上面図である。
導体シールドを備えた共振器の等角図である。
統合導体シールドを備えた共振器の実施形態の等角図である。
個別の導体区分を有する統合導体シールドを備えた共振器の等角図である。
統合共振器シールド構造の実施形態の上面図である。
統合共振器シールド構造の実施形態の側面図である。
統合共振器シールド構造の実施形態の正面図である。
統合共振器シールド構造の実施形態の分解図である。
導体シールド上に対称な導体区分をもつ統合共振器シールド構造の実施形態の上面図である。
統合共振器シールド構造の別の実施形態の等角図である。
磁性材料ブロック内に空洞部のある統合共振器シールド構造の等角図である。
統合共振器シールド構造の導体部分の実施形態の等角図である。
2つの双極子モーメントをもつ統合共振器シールド構造の実施形態の等角図である。
無線エネルギー伝達の手術用ロボットおよび病院用ベッドへの適用例を示す概略図である。
無線エネルギー伝達の手術用ロボットおよび病院用ベッドへの適用例を示す概略図である。
無線エネルギー伝達を備えた医療用カートの実施形態である。
無線エネルギー伝達を備えたコンピューターカートの実施形態である。

実施例

0040

前述のとおり、本開示は、結合電磁共振器を使用した無線エネルギー伝達に関連する。しかし、かかるエネルギー伝達は、電磁共振器に限定されず、本明細書に記載の無線エネルギー伝達システムは、もっと一般的で、幅広い種類の共振器および共振物を用いて実施され得る。

0041

当業者には認識されるように、共振器ベース送電に対して考慮すべき重要なことには、共振器効率および共振器結合を含む。例えば、結合モード理論(CMT:coupled mode theory)、結合係数および因子、品質係数(Q係数とも呼ばれる)、およびインピーダンス整合など、かかる問題の広範囲にわたる議論が、例えば、2010年9月23日に米国特許20100237709としてとして公開された、「RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESSENERGY TRANSFER」という名称の米国特許出願第12/789,611号、および2010年7月22日に米国特許20100181843として公開された、「WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATORAPPLICATION」という名称の米国特許出願第12/722,050号で提供されており、本明細書で完全に規定されているように、参照により全体として本明細書に組み込まれる。

0042

「共振器」は、エネルギーを少なくとも2つの異なる形式で保存できる共振構造として定義され得、そこで、保存されているエネルギーは、2つの形式の間で変動する。共振構造は、共振(モーダル)周波数fおよび共振(モーダル)場をもつ特定の振動モードを有する。角共振周波数ωは、ω=2πfと定義され得、共振周期Tは、T=1/f=2π/ωと定義され得、かつ、共振波長λは、λ=c/fと定義され得、ここで、cは、関連する場の波(電磁共振器に対しては、光)の速度である。損失機構結合機構または外部エネルギー供給もしくは排出機構がない場合は、共振器Wによって保存されるエネルギーの総量は、一定のままであるが、エネルギーの形式は、その共振器でサポートされる2つの形式の間で変動し、その場合、1つの形式が最大のとき、他は最小であり、逆もまた同様である。

0043

例えば、共振器は、保存されているエネルギーの2つの形式が磁気エネルギーおよび電気エネルギーであるように、構築され得る。さらに、共振器は、電場によって保存されている電気エネルギーが主として構造内に閉じ込められ、他方、磁場によって保存されている磁気エネルギーが主として共振器の周りを囲んでいる領域に存在するように、構築され得る。言い換えれば、総計の電気および磁気エネルギーは等しいが、それらの局所化は異なり得る。かかる構造を使用すると、少なくとも2つの構造の間でのエネルギー交換が、少なくとも2つの共振器の共振近傍磁界によって仲介され得る。これらのタイプの共振器は、「磁気共振器」と呼ばれ得る。

0044

無線送電システムで使用される共振器の重要なパラメータは、共振器の「品質係数」、または「Q係数」、または「Q」であり、それは、エネルギー減衰を特徴づけ、共振器のエネルギー損失反比例する。それは、Q=ω*W/Pと定義され得、ここで、Pは、定常状態で失われる時間平均電力である。すなわち、高Qをもつ共振器は比較的低い固有損失を有し、比較的長い間、エネルギーを保存することができる。共振器は、その固有の減衰率2Γでエネルギーを失うため、そのQ(その固有のQとも呼ばれる)は、Q=ω/2Γによって与えられる。品質係数は、振動周期の数Tも表し、共振器内のエネルギーがe-2πだけ減衰するのにかかる時間である。共振器の品質係数または固有の品質係数またはQは、固有の損失機構のみに起因することに留意されたい。発電機gまたは負荷lに接続または結合された共振器のQは、「負荷品質係数(loaded quality factor)」または「負荷Q」と呼ばれ得る。エネルギー伝達システムの一部にすることを意図していない無関係な物体の存在下での共振器のQは、「摂動品質係数(perturbed quality factor)」または「摂動Q」と呼ばれ得る。

0045

それらの近接場の任意の部分を介して結合されている共振器は、相互に作用し、エネルギーを交換し得る。このエネルギー伝達の効率は、共振器が実質的に同一の共振周波数で動作する場合、著しく向上できる。限定としてではなく一例として、Qsをもつ供給源共振器、およびQdをもつ装置共振器を仮定する。高Q無線エネルギー伝達システムは、高Qである共振器を利用し得る。各共振器のQは、高い可能性がある。共振器Qの幾何平均



も高いか、またはその代りに高い可能性がある。

0046

「結合係数」kは、



の間の数であり、供給源および装置共振器がサブ波長の距離に置かれている場合、それらの共振周波数と無関係(または、ほとんど無関係)であり得る。むしろ、結合係数kは、相対的な幾何学および、それらの結合を仲介する場の物理的な減衰の法則が考慮に入れられる供給源共振器と装置共振器との間の距離によってほとんど決定され得る。CMTで使用される結合係数



は、共振器構造の他の特性と同様に、共振周波数の強関数であり得る。共振器の近接場を利用する無線エネルギー伝達の適用例では、放熱によって失われる電力を減少できるように、共振器のサイズを共振波長よりもずっと小さくすることが望ましい。いくつかの実施形態では、高Q共振器は、サブ波長構造である。いくつかの電磁実施形態では、高Q共振器構造は、100kHzよりも高い共振周波数を有するように設計される。他の実施形態では、共振周波数は、1GHzよりも少ない。

0047

例示的な実施形態では、これらのサブ波長共振器により、遠距離場放射される電力は、共振器の共振周波数およびシステムの動作周波数を低下させることによってさらに減少され得る。他の実施形態では、遠距離場の放射は、遠距離場における破壊性を妨げるために、2つ以上の共振器を遠距離場に対して配列することによって減少され得る。

0048

無線エネルギー伝達システムでは、共振器は、無線エネルギー供給源、無線エネルギー捕捉装置、中継器またはそれらの組合わせとして使用され得る。実施形態では、共振器は、エネルギーの伝達、エネルギーの受信またはエネルギーの中継を交互に行い得る。無線エネルギー伝達システムでは、振動近接磁場を生成するために、1つまたは複数の磁気共振器がエネルギー源に結合され、通電され得る。振動近接磁場内にある他の共振器は、これらの場を捕捉し、そのエネルギーを、有効なエネルギーの無線伝達を可能にする負荷に電力供給または充電するために使用され得る電気エネルギーに変換する。

0049

有効なエネルギー交換におけるいわゆる「有効な」エネルギーは、許容可能な率で電力供給または充電を行うために、装置に供給する必要のあるエネルギーまたは電力である。有効なエネルギー交換に対応する伝達効率は、システムまたは適用例によって異なり得る。例えば、何キロワットもの電力を伝送する高出力車両充電の適用例は、伝達システムの様々なコンポーネントを著しく加熱することなく、車両バッテリーを再充電するのに十分な有効なエネルギー交換となる有効な量の電力を供給するために、少なくとも80%の効率である必要があり得る。いくつかの家庭用電化製品の適用例では、有効なエネルギー交換は、10%を超える任意のエネルギー伝達効率、または充電バッテリーを「満タン」に維持し、かつ、長時間に渡って動作するために許容可能な任意の他の量を含み得る。埋め込まれた医療機器の用途では、有効なエネルギー交換は、患者に害を与えないが、バッテリーの寿命延ばすか、またはセンサーもしくはモニターもしくは刺激装置目覚めさせる、任意の交換であり得る。かかる適用例では、100mWまたはそれ以下の電力が有効であり得る。分散センシングの用途では、マイクロワットの送電が有効であり得、伝送効率は1%を大きく下回っている可能性がある。

0050

電力供給または再充電用途における無線エネルギー伝達のための有効なエネルギー交換は、浪費されるエネルギーレベル熱放散、および関連する場の強度が受忍限度内であり、費用、重量、サイズ、および同類のものなどの関連要因と適切にバランスが取れている限り、効率的、非常に効率的、または十分に効率的であり得る。

0051

共振器は、供給源共振器、装置共振器、第1の共振器、第2の共振器、中継器共振器などと呼ばれ得る。実施態様は、3つ以上の共振器を含み得る。例えば、単一の供給源共振器は、エネルギーを複数の装置共振器または複数の装置に伝達し得る。エネルギーは、第1の装置から第2の装置へ、次いで、第2の装置から第3の装置へ、などと伝達され得る。複数の供給源は、エネルギーを単一の装置、または単一の装置共振器に接続された複数の装置、または複数の装置共振器に接続された複数の装置に伝達し得る。共振器は、交互にまたは同時に、供給源、装置として機能し得、かつ/または共振器は、ある位置の供給源から別の位置の装置に電力を中継するために使用され得る。中間の電磁共振器は、無線エネルギー伝達システムの距離範囲拡張するため、および/または集中近接磁場の領域を生成するために使用され得る。複数の共振器は、共にデイジーチェーンで接続され得、延長された距離を渡り、広範な供給源および装置で、エネルギーを交換する。例えば、供給源共振器は、いくつかの中継器共振器を介して、電力を装置共振器に伝送し得る。供給源からのエネルギーは、第1の中継器共振器に伝達され得、第1の中継器共振器は、電力を第2の中継器共振器に伝送し得、そして、第2の中継器共振器は第3の中継器共振器に、といった具合に、最後の中継器共振器がそのエネルギーを装置共振器に伝達するまで伝達し得る。この点において、無線エネルギー伝達の範囲および距離は、中継器共振器を追加することにより、延長および/または調整し得る。高電力レベルは、複数の供給源の間で分割され、複数の装置に伝送され、遠く離れた場所で再結合され得る。

0052

共振器は、結合モード理論モデル回路モデル電磁場モデルなどを使用して設計され得る。共振器は、調節可能な特性サイズを有するように設計され得る。共振器は、異なる電力レベルを処理するように設計され得る。例示的な実施形態では、高出力共振器は、低出力共振器より大きな導体および高い電流または電圧の定格コンポーネントを必要とし得る。

0053

図1は、無線エネルギー伝達システムの例示的な構成および配置の概略図を示す。無線エネルギー伝達システムは、エネルギー源102および随意でセンサーおよび制御装置108に結合された、少なくとも1つの供給源共振器(R1)104(随意でR6、112)を含み得る。エネルギー源は、供給源共振器104を駆動するために使用され得る電気エネルギーに変換できる、任意のタイプのエネルギー源であり得る。エネルギー源は、バッテリー、太陽電池パネル、電気の主管(electrical main)、風力または水力タービン、電磁共振器、発電機、および同類のものであり得る。磁気共振器の駆動に使用される電気エネルギーは、共振器によって振動磁場に変換される。振動磁場は、随意でエネルギードレイン110に結合される装置共振器(R2)106、(R3)116であり得る他の共振器によって捕捉され得る。振動磁場は、無線エネルギー伝達システムを延長または調整するように構成される中継器共振器(R4、R5)に随意で結合され得る。装置共振器は、供給源共振器、中継器共振器および他の装置共振器の近くにある磁場を捕捉し、それらを、エネルギードレインによって使用され得る電気エネルギーに変換し得る。エネルギードレイン110は、電気エネルギーを受信するように構成された、電気、電子、機械または化学装置、および同類のものであり得る。中継器共振器は、供給源、装置および中継器共振器の近くにある磁場を捕捉し得、そのエネルギーを他の共振器に渡し得る。

0054

無線エネルギー伝達システムは、エネルギー源に結合された単一の供給源共振器104およびエネルギードレイン110に結合された単一の装置共振器106を含み得る。実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、1つまたは複数のエネルギー源に結合された複数の供給源共振器を含み得、1つまたは複数のエネルギードレインに結合された複数の装置共振器を含み得る。

0055

実施形態では、エネルギーは、供給源共振器104と装置共振器106との間で直接伝達され得る。他の実施形態では、エネルギーは、1つまたは複数の供給源共振器104、112から1つまたは複数の装置共振器106、116へ、装置共振器、供給源共振器、中継器共振器、および同類のものであり得る任意の数の中間共振器を介して、伝達され得る。エネルギーは、トークンリングメッシュアドホック、および同類のものなどのトポロジーの任意の組合わせで配列されたサブ回路網を含み得る回路網または共振器114の配列を介して、伝達され得る。

0056

実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、集中型の検出および制御システム108を含み得る。実施形態では、共振器のパラメータ、エネルギー源、エネルギードレイン、回路網トポロジー、動作パラメータなどが、システムの特定の動作パラメータを満足するよう、制御プロセッサから監視および調整され得る。中央制御プロセッサは、大域的なエネルギー伝達効率を最適化するため、伝送する電力量を最適化するためなど、システムの個々のコンポーネントのパラメータを調整し得る。他の実施形態は、実質的に分散されている検出および制御システムを有するように設計され得る。検出および制御は、各共振器または共振器のグループ、エネルギー源、エネルギードレイン、および同類のものに組み込まれ得、供給されたる電力を最大限にするため、そのグループ内のエネルギー伝達効率を最大限にするためなど、グループ内の個々のコンポーネントのパラメータを調整するように構成され得る。

0057

実施形態では、無線エネルギー伝達システムのコンポーネントは、装置、供給源、中継器、電源、共振器、および同類のものなど、他のコンポーネントに対する無線または有線データ通信リンクを有し得、分散型または集中型の検出および制御を可能にするために使用できるデータの送信および受信を行い得る。無線通信チャネルは、無線エネルギー伝達チャネルから分離され得るか、または同一であり得る。一実施形態では、電力交換に使用される共振器は、情報を交換するためにも使用され得る。いくつかの場合には、情報は、電源または装置回路内のコンポーネントを調節すること、およびポートパラメータまたは他の監視装置でその変化を検出することにより交換され得る。共振器は、システム内の他の共振器の反射インピーダンスに影響し得る共振器のインピーダンスなどの共振器パラメータを調整、変更、変化、ディザリングなどを行うことにより、相互に信号を送り得る。本明細書に記載のシステムおよび方法は、無線送電システム内の共振器間での電力および通信信号同時伝送を可能にし得るか、または無線エネルギー伝達中に使用される同一の磁場を使用して、異なる期間中に、もしくは異なる周波数で、電力および通信信号の伝送を可能にし得る。他の実施形態では、無線通信は、WiFi、Bluetooth(登録商標)、赤外線、および同類のものなど、別個の無線通信チャネルで可能にされ得る。

0058

実施形態では、無線エネルギー伝達システムは、複数の共振器を含み得、全体的なシステム性能は、システム内の様々な素子を制御することにより改善され得る。例えば、低消費電力の装置は、それらの共振周波数を、高消費電力の装置に電力を供給する高電源の共振周波数から離して調整し得る。このようにして、低および高電源デバイスは、安全に動作するか、または単一の高電源から充電し得る。さらに、充電ゾーン内の複数の装置は、先着順サービスベストエフォート型保証電力(Guaranteed Power)など、様々な消費制御アルゴリズムのうちの任意のものに従って調節された、それらの装置で利用可能な電力を見つけ得る。電力消費アルゴリズムは、本来は階層的であって、特定のユーザーまたは装置のタイプに優先権を与え得るか、または供給源内で利用可能な電力を等分することにより任意の数のユーザーをサポートし得る。電力は、本開示に記述するいずれかの多重化技術によって共有され得る。

0059

実施形態では、形状、構造、および構成の組合わせを使用して、電磁共振器が実現または実施され得る。電磁共振器は、誘導素子、分布インダクタンス、または総インダクタンスLをもつインダクタンスの組合わせ、および容量性素子分布容量、または総容量Cをもつ容量の組合わせを含み得る。容量、インダクタンスおよび抵抗を含む電磁共振器の最小回路モデルを図2Fに示す。共振器は、誘導素子238および容量性素子240を含み得る。コンデンサ240に貯蔵されている電場エネルギーなど、初期エネルギーが提供されると、システムは、コンデンサが伝達するエネルギーをインダクタ238に貯蔵される磁場エネルギーに放出すると振動し、インダクタは同様に、エネルギーを、コンデンサ240に貯蔵される電場エネルギーに伝達して戻す。これらの電磁共振器における固有損失は、誘導および容量性素子における抵抗ならびに放射損失に起因する損失を含み、図2F内で抵抗R242によって表される。

0060

図2Aは、例示的な磁気共振器構造の簡略図を示す。磁気共振器は、導体ループ終端で誘導素子202および容量性素子204として機能する導体のループを含み得る。電磁共振器のインダクタ202およびコンデンサ204は、バル回路素子であり得るか、またはインダクタンスおよび容量が分布され得、導体が構造内で形成、成形、または位置付けられる方法に起因し得る。

0061

例えば、インダクタ202は、図2Aに示すように、表面領域を囲むように導体を成形することによって実現され得る。このタイプの共振器は、容量性負荷ループインダクタまたは容量性負荷誘導ループと呼ばれ得る。任意の数の回転で、任意の形状および寸法の表面を囲む、導電構造(線、管、細長片など)を大まかに示すために「ループ」または「コイル」という用語が使用されることに留意されたい。図2Aでは、囲まれた表面領域が円形であるが、表面は任意の広範な他の形状およびサイズであり得、特定のシステム性能仕様に達するように、および/または特定の容積もしくは空間内に適合するように設計され得る。実施形態では、インダクタンスは、インダクタ素子、分布インダクタンス、回路網、配列、インダクタおよびインダクタンスの直列および並列の組合わせ、ならびに同類のものを使用して、実現され得る。インダクタンスは、固定または可変であり得、共振周波数動作条件と同様に、インピーダンス整合を変えるために使用され得る。

0062

共振器構造に対する所望の共振周波数を達成するために必要な容量を実現する様々な方法がある。コンデンサ極板204は、図2Aに示すように形成され、利用され得るか、または容量は、マルチループ導体の隣接する巻線間で分布および実現され得る。容量は、コンデンサ素子、分布容量、回路網、配列、容量の直列および並列の組合わせ、ならびに同類のものを使用して、実現され得る。容量は、固定または可変であり得、共振周波数動作条件と同様に、インピーダンス整合を変えるために使用され得る。

0063

磁気共振器で使用される誘導素子は、2つ以上のループを含み得、内側へまたは外側へまたは上方へまたは下方へまたはいくつかの方向の組合わせで螺旋状になり得る。一般に、磁気共振器は、様々な形状、サイズおよび巻数を持ち得、また、様々な導体材料から構成され得る。例えば、導体210は、ワイヤー、リッツ線、リボンパイプ導電インクペンキジェル、および同類のものから形成された配線、または回路基板上にプリントされた単一もしくは複数の配線から形成された配線であり得る。誘導ループを形成する回路基板208上の配線パターンの例示的な実施形態を図2Bに示す。

0064

実施形態では、誘導素子は、任意のサイズ、形状、厚さなどの磁性材料を用いて形成され得、かつ広範な透磁率および損失値をもつ材料から成り得る。これらの磁性材料は、固形物であり得、中空容積囲み一緒に貼られているかまたは並べられている、多数の磁性材料の細かい断片から形成され得、そして、それらは、高導電性材料から作られた導電性シートまたは筐体と統合され得る。導体は、磁場を生成するために磁性材料に巻き付けられ得る。これらの導体は、その構造の1つまたは2つ以上の軸に巻き付けられ得る。複数の導体は、カスタマイズされた近接場パターンを形成するためおよび/または構造の双極子モーメントを正しい方向に向けるために、磁性材料に巻き付けられ、並列接続で、または直列で、またはスイッチで結合され得る。磁性材料を含む共振器の例を図2C図2D図2Eに示す。図2Dでは、共振器は、導体224のループの軸に平行な磁気双極子モーメント228を有する構造を作る磁性材料222のコアに巻かれた導体のループ224を含む。共振器は、磁性材料214に直交方向に巻かれた複数の導体のループ216、212を含み得、導体がどのように駆動されるかに応じて、図2Cに示すように2つ以上の方向に向けられ得る磁気双極子モーメント218、220を有する共振器を形成する。

0065

電磁共振器は、その物理的特性によって定義される特性、固有の、または共振周波数を有し得る。この共振周波数は、共振器によって保存されたエネルギーが、共振器の電場WE(WE=q2/2C、式中qは、コンデンサC上の電荷である)によって保存されたエネルギーと磁場WB(WB=Li2/2、式中iは、インダクタLを流れる電流である)によって保存されたエネルギーとの間で変動する周波数である。このエネルギーが交換される周波数は、共振器の特性周波数固有周波数、または共振周波数と呼ばれ得、ωによって与えられる:



共振器の共振周波数は、共振器のインダクタンスL、および/または容量Cを調整することによって変更され得る。一実施形態では、システムパラメータは、最適な動作条件にできるだけ近い状態にするため、動的に調節または調整可能である。しかし、前述した考察に基づき、いくつかのシステムパラメータが可変でないか、またはコンポーネントが動的に調整できない場合でさえ、十分に効率的なエネルギー交換が実現され得る。

0066

実施形態では、共振器は、コンデンサおよび回路素子の回路網内に配置されている2つ以上のコンデンサに結合された誘導素子を含み得る。実施形態では、コンデンサおよび回路素子の結合回路網は、共振器の2つ以上の共振周波数を定義するために使用され得る。実施形態では、共振器は、2つ以上の周波数で、共振、または部分的に共振し得る。

0067

実施形態では、無線電源は、電力供給に結合された少なくとも1つの共振器コイルを含み得、それは、クラスD増幅器またはクラスE増幅器またはそれらの組合わせなど、スイッチング増幅器であり得る。この場合、共振器コイルは、事実上、電力供給に対する電源負荷である。実施形態では、無線電源デバイスは、電源負荷に結合された少なくとも1つの共振器コイルで構成され得、その電源負荷は、クラスD整流器またはクラスE整流器またはそれらの組合わせなど、スイッチング整流器であり得る。この場合、共振器コイルは、事実上、電源負荷に対する電力供給であり、その負荷のインピーダンスは、共振器コイルからの負荷の動作対排出の比率にも直接関連する。電力供給と電源負荷との間の送電効率は、電源の出力インピーダンスが負荷の入力インピーダンスにどのくらい厳密に一致しているかによって影響され得る。電力は、負荷の入力インピーダンスが電力供給の内部インピーダンス複素共役に等しい場合、最大限可能な効率で負荷に供給され得る。最大限の送電効率を獲得するための電力供給または電源負荷の設計は、しばしば「インピーダンス整合」と呼ばれ、システムにおける有効対損失電力の比率の最適化とも呼ばれ得る。インピーダンス整合は、電力供給と電源負荷との間にインピーダンス整合回路網を形成するために、コンデンサ、インダクタ、変圧器、スイッチ、抵抗、および同類のものなどの回路網または素子の組を追加することによって、行われ得る。実施形態では、素子の位置決めにおける機械的調整および変更が、インピーダンス整合を達成するために使用され得る。変化する負荷に対して、インピーダンス整合回路網は、負荷に面している電力供給端子におけるインピーダンスおよび電力供給の特性インピーダンスが、動的環境および動作シナリオにおいてさえ、実質的に互いの複素共役のままであることを確実にするように動的に調整される可変コンポーネントを含み得る。

0068

実施形態では、インピーダンス整合は、電力供給の駆動信号のデューティサイクル、および/もしくは位相、および/もしくは周波数を調整することにより、またはコンデンサなど、電力供給内の物理的コンポーネントを調整することにより、達成し得る。かかる調整機構は、調整可能なインピーダンス整合回路網を使用することなく、または、例えば、より少ない調整可能コンポーネントを有するものなど、簡略化した調整可能なインピーダンス整合回路網を用いて、電力供給と負荷との間のインピーダンス整合を可能にし得るため、有利であり得る。実施形態では、駆動信号のデューティサイクル、および/または周波数、および/または位相を電力供給に合わせると、拡張した同調範囲または精度、より高い電力、電圧および/または電流の能力、より高速電子制御、より少ない外部コンポーネント、および同類のものを備えた、動的インピーダンス整合システムを生じ得る。

0069

いくつかの無線エネルギー伝達システムでは、インダクタンスなどの共振器のパラメータは、周囲の物体、温度、配向、他の共振器の数および位置などの環境条件に影響され得る。共振器の動作パラメータにおける変更は、無線エネルギー伝達における送電効率など、特定のシステムパラメータを変更し得る。例えば、共振器の近くに置かれている高伝導性材料は、共振器の共振周波数をシフトし、他の共振物からそれを離調し得る。いくつかの実施形態では、リアクタンス素子(例えば、誘導素子または容量性素子)を変更することによりその周波数を修正する共振器フィードバック機構が採用される。許容可能な整合条件を達成するために、少なくともいくつかのシステムパラメータが動的に調節可能または調整可能な必要があり得る。ほぼ最適な動作条件を達成するためには、すべてのシステムパラメータが動的に調節可能または調整可能であり得る。しかし、十分に効率的なエネルギー交換は、すべてまたはいくつかのシステムパラメータが可変でなくても、実現し得る。いくつかの例では、少なくともいくつかの装置は、動的に調整可能でない可能性がある。いくつかの例では、少なくともいくつかの供給源は、動的に調整可能でない可能性がある。いくつかの例では、少なくともいくつかの中間共振器は、動的に調整可能でない可能性がある。いくつかの例では、どのシステムパラメータも動的に調整可能でない可能性がある。

0070

いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータにおける変更は、動作環境または動作点における変化を受けると、補足的または逆の向きもしくは方向に変わる特性をもつコンポーネントを選択することにより、軽減され得る。実施形態では、システムは、温度、電力レベル、周波数、および同類のものに起因する逆依存(opposite dependence)またはパラメータ変動を有する、コンデンサなどのコンポーネントを用いて設計され得る。いくつかの実施形態では、温度関数などのコンポーネント値がシステムのマイクロコントローラ内のルックアップテーブルに保存され得、温度センサーからの読出しが、温度によって誘発されたコンポーネント値の変化を補償するように他のパラメータを調整するために、システム制御フィードバックループで使用され得る。

0071

いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータ値における変化が、調整可能コンポーネントを含む能動調整回路で補償され得る。システムおよびコンポーネントの動作環境および動作点を監視する回路が、設計に組み込まれ得る。監視回路は、コンポーネントのパラメータにおける変化を能動的に埋め合わせるために必要な信号を提供し得る。例えば、温度の読取りは、システムの容量における予期される変化を計算するため、または、その容量の以前に測定された値を示すために使用され得、温度範囲にわたって所望の容量を維持するために、他のコンデンサに切り替えるか、またはコンデンサを調整することによって補償を可能にする。実施形態では、RF増幅器スイッチング波形が、システム内のコンポーネント値または負荷変化を補償するように調整され得る。いくつかの実施形態では、コンポーネントのパラメータにおける変化は、能動冷却、加熱、能動的な環境調整、および同類のものを用いて補償され得る。

0072

パラメータ測定回路は、システム内の特定の電力、電圧、および電流、信号を測定または監視し得、プロセッサまたは制御回路は、それらの測定値に基づいて特定の設定または動作パラメータを調整し得る。さらに、システム全体にわたって、電圧および電流信号の振幅および位相、ならびに電力信号の振幅が、システム性能を測定または監視するためにアクセスされ得る。本開示全体で参照される測定信号は、電圧信号、電流信号、電力信号、温度信号、および同類のもののみならず、ポートパラメータ信号の任意の組合わせであり得る。これらのパラメータは、アナログおよびデジタル技術を用いて測定され得、それらはサンプリングおよび処理され得、いくつかの既知のアナログおよびデジタル処理技術を用いてデジタル化または変換され得る。実施形態では、特定の測定量の既定値システムコントローラまたは記憶場所にロードされ、様々なフィードバックおよび制御ループで使用される。実施形態では、測定された信号、監視された信号、および/または事前設定された信号が、共振器および/またはシステムの動作を制御するために、フィードバック回路またはシステムで使用され得る。

0073

調整アルゴリズムが、磁気共振器の周波数Qおよび/またはインピーダンスを調整するために使用され得る。そのアルゴリズムは、システムに対する所望の動作点からの逸脱度に関連する入力基準信号として取り得、システムを所望の動作点(または複数の動作点)に戻すために、システムの可変または調整可能な素子を制御する、その逸脱に関連する訂正または制御信号を出力し得る。磁気共振器用の基準信号は、共振器が無線送電システム内で電力を交換している間に、取得され得るか、またはそれらは、システム動作中に回路から交換され得る。システムに対する補正が、継続的に、定期的に、閾値を超えると、デジタル方式で、アナログ方式で、および同類のもので、適用または実行され得る。

0074

実施形態では、損失の多い異物および物体が、無線送電システムの共振器の磁気および/または電気エネルギーを吸収することにより、効率低下の可能性を取り込み得る。これらの影響は、損失の多い異物および物体の影響を最小限にするように共振器を位置付けることによって、および構造的な場成形素子(例えば、導電性構造、板、およびシート、磁性材料構造、板、およびシート、ならびにそれらの組合わせ)をそれらの効果が最小限になるように配置することによって、様々な実施形態で軽減され得る。

0075

損失の多い材料の共振器への影響を低下させる1つの方法は、高伝導性材料、磁性材料、またはそれらの組合わせを、それらが損失性物体を回避するように共振器場を成形するために使用することである。例示的な実施形態では、高伝導性材料および磁性材料の層状構造が、共振器の電磁場を偏向させることにより、それらの近くにある損失性物体を回避するように、その電磁場の調整、成形、方向づけ再配向などを行い得る。図2Dは、導体シート226の下にあり得る損失性物体を回避するように、共振器の場を調整するために使用され得る磁性材料の下に導体シート226を有する共振器の上面図を示す。良導体226の層またはシートは、所与の適用例に最も適している可能性があるので、銅、銀、アルミニウムなどの、任意の高伝導性材料を含み得る。特定の実施形態では、良導体の層またはシートは、共振器の動作周波数において導体の表皮厚さよりも厚い。導体シートは、好ましくは、共振器のサイズよりも大きく、共振器の物理的な範囲を超えて延在し得る。

0076

電送されている電力量が、アクティブな場の容積に立ち入り得る人または動物に対して安全上の問題を提示し得る環境およびシステムでは、安全対策がシステムに含まれ得る。電力レベルが特殊化安全対策を必要とする環境では、共振器のパッケージング、構造、材料、および同類のものが、磁気共振器内の誘導ループからの間隔または「隔離」区域を提供するように設計され得る。さらなる保護を提供するために、高Q共振器ならびに電力および制御回路は、高い電圧または電流を筐体内に制限し、かつ、共振器および電気部品を、天候湿度、砂、埃、および他の外部要素、ならびに衝突、振動、擦れ爆発、および他のタイプの機械的衝撃から保護する、筐体内に配置され得る。かかる筐体は、電気部品および共振器に対する許容可能な動作温度範囲を維持するための熱散逸など、様々な要因に対する注意を必要とする。実施形態では、筐体は、複合材料プラスチック、木材、コンクリート、および同類のものなどの非損失性材料で構築され得、共振器コンポーネントに対して損失性物体からの最小限の距離を提供するために使用され得る。損失性物体または金属性の物体、塩水、油および同類のものを含み得る環境からの最小限の分離距離が、無線エネルギー伝達の効率を向上させ得る。実施形態では、共振器または共振器のシステムの摂動Qを増加させるために、「隔離」区域が使用され得る。実施形態では、最小限の分離距離は、より確実な、またはより不変な共振器の動作パラメータを提供し得る。

0077

実施形態では、共振器ならびにそれらそれぞれのセンサーおよび制御回路が、他の電子ならびに制御システムおよびサブシステムとの様々なレベルの統合を有し得る。いくつかの実施形態では、電力および制御回路ならびに装置共振器は、完全に別個のモジュールであるか、または既存のシステムに対して最小限の統合を有する筐体であり、電力出力および制御ならびに診断インタフェースを提供する。いくつかの実施形態では、装置は、共振器および回路組立体を筐体内部の空洞部に収容するように構成されるか、または装置のハウジングまたは筐体に組み込まれる。

0078

共振器回路

0079

図3および図4は、無線エネルギー伝達システムの例示的な供給源のための発電、監視、および制御コンポーネントを示す高レベルブロック図である。図3は、ハーフブリッジスイッチング電力増幅器ならびに関連する測定、調整、および制御回路のうちのいくつかを含む供給源のブロック図である。図4は、フルブリッジのスイッチング増幅器ならびに関連する測定、調整、および制御回路のうちのいくつかを含む供給源のブロック図である。

0080

図3に示すハーフブリッジのシステムトポロジーは、制御アルゴリズム328を実行する処理装置を含み得る。制御アルゴリズム328を実行する処理装置は、マイクロコントローラ、特定用途向け回路フィールドプログラマブルゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、および同類のものであり得る。処理装置は、単一の装置であり得るか、または装置の回路網であり得る。制御アルゴリズムは、処理装置の任意の部分上で実行し得る。アルゴリズムは、特定の用途のためにカスタマイズし得、アナログおよびデジタル回路ならびに信号の組合わせを含み得る。マスターアルゴリズム(master algorithm)は、電圧信号およびレベル、電流信号およびレベル、信号位相デジタルカウント設定、ならびに同類のものを測定および調整し得る。

0081

システムは、無線通信回路312に結合された、随意の供給源/装置および/または供給源/他の共振器通信回路332を含み得る。随意の供給源/装置および/または供給源/他の共振器通信回路332は、マスター制御アルゴリズムを実行する同一の処理装置の一部であり得、マイクロコントローラ302内の一部または回路であり得、無線送電モジュールの外部にあり得、有線で電力供給されるかまたはバッテリーで電力供給される用途で使用される通信コントローラと実質的に類似しているが、無線送電を強化またはサポートするためのいくつかの新しいまたは異なる機能を含むように適合され得る。

0082

システムは、少なくとも2つのトランジスタゲートドライバ334に結合されたPWM発生器306を含み得、制御アルゴリズムによって制御され得る。2つのトランジスタゲートドライバ334は、インピーダンス整合回路網コンポーネント342を介して供給源共振器コイル344を駆動する2つの電力トランジスタ336に、直接またはゲート駆動変圧器を経由して結合され得る。電力トランジスタ336は、調整可能な直流供給304に結合されて電力供給され得、調整可能な直流供給304は、可変バス電圧Vbusによって制御され得る。Vbusコントローラは、制御アルゴリズム328によって制御され得、マイクロコントローラ302または他の集積回路の一部であるか、またはそれに組み込まれ得る。Vbusコントローラ326は、増幅器の電力出力および共振器コイル344に供給される電力を制御するために使用され得る調整可能な直流供給304の電圧出力を制御し得る。

0083

システムは、信号を、例えば、アナログ・デジタル変換器ADC)314、316などのプロセッサおよび/または変換器に入力する前に、成形、変更、フィルタリング、処理、バッファリング、および同類のことを行う信号フィルタリングおよびバッファリング回路318、320を含め、検出および測定回路を含み得る。ADC 314、316などのプロセッサおよび変換器は、マイクロコントローラ302に組み込まれ得るか、または、処理コア330に結合され得る別個の回路である得る。測定信号に基づき、制御アルゴリズム328は、PWM発生器306、通信コントローラ332、Vbus制御326、供給源インピーダンス整合コントローラ338、フィルタリング/バッファリング素子318、320、変換器314、316、共振器コイル344を生成、制限、開始、除去(extinguish)、制御、調整、または変更し得、マイクロコントローラ302の一部であるか、それに組み込まれるか、または別個の回路であり得る。インピーダンス整合回路網342および共振器コイル344は、本明細書に記載のように、コンデンサ、スイッチ、インダクタ、および同類のものなどの、電気的に制御可能で、可変、または調整可能コンポーネントを含み得、これらのコンポーネントは、供給源インピーダンス整合コントローラ338から受信した信号に従って、それらのコンポーネント値または動作点を調整し得る。コンポーネントは、共振器に供給された電力と共振器によって供給された電力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器のQ、および任意の他の結合システム、および同類のものを含め、共振器の動作および特性を調節するように調整され得る。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料またはそれらの任意の組合わせを含む平面共振器を含め、本明細書に記載の任意のタイプまたは構造の共振器であり得る。

0084

図4に示すフルブリッジのシステムトポロジーは、マスター制御アルゴリズム328を実行する処理装置を含み得る。制御アルゴリズム328を実行する処理装置は、マイクロコントローラ、特定用途向け回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ、および同類のものであり得る。システムは、無線通信回路312に結合された、供給源/装置および/または供給源/他の共振器通信回路332を含み得る。供給源/装置および/または供給源/他の共振器通信回路332は、マスター制御アルゴリズムを実行する同一の処理装置の一部であり得、マイクロコントローラ302内の一部または回路であり得、無線送電モジュールの外部にあり得、有線で電力供給されるかまたはバッテリーで電力供給される用途で使用される通信コントローラと実質的に類似しているが、無線送電を強化またはサポートするためのいくつかの新しいまたは異なる機能を含むように適合され得る。

0085

システムは、マスター制御アルゴリズムで生成された信号によって制御され得る、少なくとも4つのトランジスタゲートドライバ334に結合された少なくとも2つの出力をもつPWM発生器306を含み得る。4つのトランジスタゲートドライバ334は、4つの電力トランジスタ336に、直接または、インピーダンス整合回路網342を介して供給源共振器コイル344を駆動し得るゲート駆動変圧器を経由して結合され得る。電力トランジスタ336は、調整可能な直流供給304に結合されて電力供給され得、調整可能な直流供給304は、マスター制御アルゴリズムによって制御され得るVbusコントローラ326によって制御され得る。Vbusコントローラ326は、増幅器の電力出力および共振器コイル344に供給される電力を制御するために使用され得る調整可能な直流供給304の電圧出力を制御し得る。

0086

システムは、信号を、アナログ・デジタル変換器(ADC)314、316などのプロセッサおよび/または変換器に入力する前に、成形、変更、フィルタリング、処理、バッファリング、および同類のことを行う信号フィルタリングおよびバッファリング回路318、320ならびに差動/シングルエンド変換回路402、404を含め、検出および測定回路を含み得る。ADC 314、316などのプロセッサおよび/または変換器は、マイクロコントローラ302に組み込まれ得るか、または、処理コア330に結合され得る別個の回路である得る。測定信号に基づき、マスター制御アルゴリズムは、PWM発生器410、通信コントローラ332、Vbusコントローラ326、供給源インピーダンス整合コントローラ338、フィルタリング/バッファリング素子318、320、差動/シングルエンド変換回路402、404、変換器314、316、共振器コイル344を生成、制限、開始、除去、制御、調整、または変更し得、マイクロコントローラ302の一部であるか、それに組み込まれるか、または別個の回路であり得る。

0087

インピーダンス整合回路網342および共振器コイル344は、本明細書に記載のように、コンデンサ、スイッチ、インダクタ、および同類のものなどの、電気的に制御可能で、可変、または調整可能コンポーネントを含み得、これらのコンポーネントは、供給源インピーダンス整合コントローラ338から受信した信号に従って、それらのコンポーネント値または動作点を調整し得る。コンポーネントは、共振器に供給された電力と共振器によって供給された電力、共振器の共振周波数、共振器のインピーダンス、共振器のQ、および任意の他の結合システム、および同類のものを含め、共振器の動作および特性の調節を可能にするように調整され得る。共振器は、容量性負荷ループ共振器、磁性材料またはそれらの任意の組合わせを含む平面共振器を含め、本明細書に記載の任意のタイプまたは構造の共振器であり得る。

0088

インピーダンス整合回路網は、コンデンサ、インダクタ、および本明細書に記載のコンポーネントの回路網などの、固定値コンポーネントを含み得る。インピーダンス整合回路網の部分A、B、およびCは、本明細書に記載のとおり、インダクタ、コンデンサ、変圧器、およびかかるコンポーネントの直列および並列の組合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、インピーダンス整合回路網の部分A、B、およびCは、空(短絡した)であり得る。いくつかの実施形態では、部分Bは、インダクタおよびコンデンサの直列の組合わせを含み、部分Cは空である。

0089

フルブリッジトポロジーは、同等なハーフブリッジ増幅器と同じDCバス電圧を使用して、より高い出力電力レベルでの動作を可能にし得る。図3のハーフブリッジの例示的なトポロジーは、シングルエンド駆動信号を提供し得るが、他方、図4の例示的なフルブリッジトポロジーは、差動駆動を供給源共振器308に提供し得る。インピーダンス整合トポロジーおよびコンポーネントおよび共振器構造は、本明細書に記載のように、2つのシステムによって異なり得る。

0090

図3および図4に示す例示的なシステムは、供給源増幅器内のマイクロコントローラのシャットダウンを引き起こすため、または増幅器の動作を変更もしくは中断するために使用され得る、故障検出回路340をさらに含み得る。この保護回路は、増幅器の反流、直流供給304からの増幅器バス電圧(Vbus)、供給源共振器308および/もしくは随意の同調板に渡る電圧、またはシステム内のコンポーネントに損傷を生じ得るか、もしくは望ましくない動作状態を生じさせ得る任意の他の電圧または電流信号を監視するための1つの高速比較器または複数の比較器を含み得る。好ましい実施形態は、異なる用途に関連した潜在的に望ましくない動作モードによって決まり得る。いくつかの実施形態では、保護回路が実施されないか、または回路が装着されない可能性がある。いくつかの実施形態では、システムおよびコンポーネント保護は、マスター制御アルゴリズムならびに他のシステム監査および制御回路の一部として実施され得る。実施形態では、専用故障回路340は、システムシャットダウン、出力電力の減少(例えば、Bbusの減少)、PWM発生器に対する変更、動作周波数における変更、同調素子に対する変更、または動作点モードを調整するため、システム性能を向上させるため、および/もしくは保護を提供するために、制御アルゴリズム328によって実施され得る任意の他の合理的な動作を引き起こし得るマスター制御アルゴリズム328に結合された出力(図示せず)を含み得る。

0091

本明細書に記載のとおり、無線送電システム内の供給源は、供給源コイル344を、マスター制御アルゴリズムの一部であり得るシステム制御ループに対して誤りまたは制御信号として駆動するインピーダンス整合回路網342の入力インピーダンスの測定値を使用し得る。例示的な実施形態では、3つのパラメータの任意の組合わせにおける変動が、環境条件における変化、結合における変化、装置電力需要における変化、モジュール、回路、コンポーネントまたはサブシステム性能における変化、システム内の供給源、装置、または中継器の数の増加または減少、ユーザー主導の変化、および同類のものを補償するように、無線電力供給源を調整するために使用され得る。例示的な実施形態では、増幅器デューティサイクルに対する変化、可変コンデンサおよびインダクタなどの可変電気部品のコンポーネント値に対する変化、およびDCバス電圧に対する変化が、無線供給源の動作点または動作範囲を変更するために使用され、特定のシステム動作値を向上し得る。異なる用途に対して適用された制御アルゴリズムの詳細は、所望のシステム性能および動作に応じて変わり得る。

0092

本明細書に記載し、図3および図4に示すようなインピーダンス測定回路は、2チャネル同時サンプリングADCを使用して実施され得、これらのADCは、マイクロコントローラチップに組み込まれ得るか、または別個の回路の一部であり得る。供給源共振器のインピーダンス整合回路網および/または供給源共振器への入力における電圧および電流信号の同時サンプリングは、電流および電圧信号の位相および振幅情報をもたらし得、既知の信号処理技術を用いて処理されて、複素インピーダンスパラメータをもたらし得る。いくつかの実施形態では、電圧信号のみまたは電流信号のみの監査で十分であり得る。

0093

本明細書に記載のインピーダンス測定は、他のいくつかの既知のサンプリング方法よりも相対的に単純であり得る直接サンプリング法を使用し得る。実施形態では、測定された電圧および電流信号は、ADCに入力される前に、フィルタリング/バッファリング回路によって調整、フィルタリングおよびスケーリングされ得る。実施形態では、フィルタリング/バッファリング回路は、様々な信号レベルおよび周波数で動作するように調整可能であり得、フィルター波形および幅などの回路パラメータが、手動により、電子的に、自動的に、制御信号に応答して、マスター制御アルゴリズムによって、および同類のもので調整され得る。フィルタリング/バッファリング回路の例示的な実施形態を図3図4、および図5に示す。

0094

図5は、フィルタリング/バッファリング回路で使用され得る例示的な回路コンポーネントのより詳細な図を示す。実施形態では、およびシステム設計で使用されるADCのタイプに応じて、シングルエンド増幅器トポロジーは、差動からシングルエンド信号フォーマットに変換するハードウェアを不要にすることにより、システム、サブシステム、モジュールおよび/またはコンポーネント性能を特徴づけるために使用されるアナログ信号測定経路の複雑さを低減し得る。他の実施形態では、差動信号フォーマットが望ましい可能性がある。図5に示す実施態様は例示的なものであり、本明細書に記載する機能を実施する唯一可能な方法と解釈すべきではない。むしろ、アナログ信号経路は異なる入力要件のコンポーネントを採用し得、したがって、異なる信号経路アーキテクチャを持ち得ることを理解すべきである。

0095

シングルエンドおよび差動増幅器トポロジーの両方では、共振器コイル344を駆動するインピーダンス整合回路網342への入力電流は、コンデンサ324全体の電圧を測定することによるか、または一種電流センサーを用いて取得され得る。図3の例示的なシングルエンド増幅器トポロジーに対して、電流は、インピーダンス整合回路網342からの接地電流経路上で検知され得る。図4に示す例示的な差動電力増幅器に対して、共振器コイル344を駆動するインピーダンス整合回路網342への入力電流は、コンデンサ324の端子全体で差動増幅器を用いるか、または一種の電流センサーを用いて、測定され得る。図4の差動トポロジーでは、コンデンサ324は、供給源電力増幅器の負の出力端子重複され得る。

0096

両方のトポロジーでは、供給源共振器およびインピーダンス整合回路網への入力電圧および電流を表すシングルエンド信号が取得されると、信号波形の所望の部分を取得するために信号502がフィルタリングされ得る。実施形態では、信号は、その信号の基本成分を取得するためにフィルタリングされ得る。実施形態では、低域、帯域通過ノッチ、および同類のものなど、実行したフィルタリングのタイプ、ならびに、楕円(elliptical)、チェビシェフ、バターワース、および同類のものなど、使用したフィルタートポロジーは、システムの特定の要件によって決まり得る。いくつかの実施形態では、フィルタリングは必要とされないであろう。

0097

電圧および電流信号は、随意の増幅器504によって増幅され得る。随意の増幅器504の増幅率は、固定または可変であり得る。増幅器の増幅率は、手動により、電子的に、自動的に、制御信号に応答して、および同類のもので制御され得る。増幅器の増幅率は、フィードバックループで、制御アルゴリズムに応じて、マスター制御アルゴリズムによって、および同類のもので調整され得る。実施形態では、増幅器に対して必要な性能仕様は、信号強度および所望の測定精度によって決まり得、異なる用途シナリオおよび制御アルゴリズムによって異なり得る。

0098

測定されたアナログ信号は、それらに加えられた直流オフセット506を有し得、それは、信号を、いくつかのシステムに対しては0〜3.3Vであり得るADCの入力電圧範囲にするために必要とされ得る。いくつかのシステムでは、この段階は、使用する特定のADCの仕様に応じて、必要でない可能性がある。

0099

前述のように、発電機と電源負荷との間の送電効率は、発電機の出力インピーダンスが負荷の入力インピーダンスにどのくらい厳密に一致しているかによって影響され得る。図6Aに示すような例示的なシステムでは、電力は、負荷604の入力インピーダンスが発電機または電力増幅器602の内部インピーダンスの複素共役に等しい場合、最大限可能な効率で負荷に供給され得る。高いおよび/または最大限の送電効率を獲得するための発電機または負荷インピーダンスの設計は、「インピーダンス整合」と呼ばれ得る。インピーダンス整合は、図6Bに示すように、発電機602と電源負荷604との間に、インピーダンス整合回路網606を形成するために、コンデンサ、抵抗、インダクタ、変圧器、スイッチ、および同類のものなど、適切な回路網または素子の組を挿入することによって、行われ得る。他の実施形態では、素子の位置決めにおける機械的調整および変更が、インピーダンス整合を達成するために使用され得る。前述のように、変化する負荷に対して、インピーダンス整合回路網606は、負荷に面している発電機端子におけるインピーダンスおよび発電機の特性インピーダンスが、動的環境および動作シナリオにおいてさえ、実質的に互いの複素共役のままであることを確実にするように動的に調整される可変コンポーネントを含み得る。実施形態では、動的インピーダンス整合は、発電機の駆動信号のデューティサイクル、および/もしくは位相、および/もしくは周波数を調整することにより、または、図6Cに示すように、コンデンサなどの発電機内の物理的コンポーネントを調整することにより、達成し得る。かかる調整機構は、調整可能なインピーダンス整合回路網を使用することなく、または、例えば、より少ない調整可能コンポーネントを有するものなど、簡略化した調整可能なインピーダンス整合回路網606を用いて、発電機608と負荷との間のインピーダンス整合を可能にし得るため、有利であり得る。実施形態では、駆動信号のデューティサイクル、および/または周波数、および/または位相を電力供給に合わせることは、拡張した同調範囲または精度、より高い電力、電圧および/または電流の能力、より高速な電子制御、より少ない外部コンポーネント、および同類のものを備えた、動的インピーダンス整合システムを生じ得る。以下に記載する、インピーダンス整合の方法、アーキテクチャ、アルゴリズム、プロトコル、回路、測定、制御、および同類のものは、本明細書に記載のように、発電機が高Q磁気共振器を駆動するシステムにおいて、および高Q無線送電システムにおいて有用であり得る。無線送電システムでは、発電機は、供給源共振器とも呼ばれる、共振器を駆動する電力増幅器であり得、その共振器は、電力増幅器に対する負荷であり得る。無線電力の用途では、電力増幅器から共振器への電力供給効率を制御するため、電力増幅器と共振器との間のインピーダンス整合を制御することが望ましい。インピーダンス整合は、共振器を駆動する電力増幅器の駆動信号のデューティサイクル、および/または位相、および/または周波数を調整または調節することにより、達成され得るか、または一部達成され得る。

0100

スイッチング増幅器の効率

0101

クラスD、E、F増幅器、および同類のものまたはそれらの任意の組合わせなどのスイッチング増幅器は、増幅器のスイッチング素子上で電力が
散逸されない場合、最大限の効率で電力を負荷に供給する。この動作条件は、スイッチング素子全体の電圧およびスイッチング素子を流れる電流の両方がゼロである場合に、最もクリティカルスイッチング動作(すなわち、スイッチング損失につながる可能性が最も高いもの)が行われるように、システムを設計することにより達成され得る。これらの条件は、それぞれ、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)およびゼロ電流スイッチング(ZCS)条件と呼ばれ得る。増幅器がZVSおよびZCSで動作する場合、スイッチング素子全体の電圧またはスイッチング素子を流れる電流のいずれかがゼロであり、したがって、スイッチ上で電力は
散逸し得ない。スイッチング増幅器は、特定の周波数または周波数範囲で、直流(または超低周波交流)電力から交流電力に変換し得、フィルターは、スイッチング処理によって生成され得る望ましくない調波が、負荷に達し、そこで
散逸するのを防ぐために、負荷の前に導入され得る。実施形態では、スイッチング増幅器は、重要な品質係数(例えばQ>5)をもち、同時にZVSおよびZCSをもたらす、特定のインピーダンス



の共振器負荷に接続される場合に、最大限の電力変換効率で動作するように設計され得る。Z0=R0−jX0を増幅器の特性インピーダンスとして定義し、最大限の送電効率の達成が、共振器負荷を増幅器の特性インピーダンスに適合させるインピーダンスと同等になるようにする。

0102

スイッチング増幅器では、スイッチング素子のスイッチング周波数fswitch(ここで、fswitch=ω/2π)、およびスイッチング素子のONスイッチ状態持続時間のデューティサイクルdcは、増幅器の全てのスイッチング素子に対して同一であり得る。本明細書では、クラスDおよびクラスDE増幅器の両方、すなわち、dc<=50%のスイッチング増幅器を示すために用語「クラスD」を使用する。

0103

増幅器の特性インピーダンスの値は、スイッチング素子の動作周波数、増幅器トポロジー、およびスイッチングシーケンスによって決まり得る。いくつかの実施形態では、スイッチング増幅器は、ハーフブリッジトポロジーであり、また、いくつかの実施形態では、フルブリッジトポロジーであり得る。いくつかの実施形態では、スイッチング増幅器は、クラスDであり、また、いくつかの実施形態では、クラスEであり得る。前述の実施形態のいずれかでは、ブリッジの素子が対称であると仮定すると、スイッチング増幅器の特性インピーダンスは、形式
R0=FR(dc)/ωCa,X0=Fx(dc)/ωCa (1)
を有し、式中dcは、スイッチング素子のONスイッチ状態のデューティサイクルであり、関数FR(dc)およびFX(dc)は、図7(クラスDおよびEの両方に対して)に示されており、ωは、スイッチング素子が切り替わる周波数であり、また、Ca=naCswitch(ここで、Cswitchは、スイッチと並列接続で配置されたトランジスタ出力容量およびあり得る外部コンデンサの両方を含む、各スイッチ全体の容量であり、一方、フルブリッジに対して、na=1およびハーフブリッジに対して、na=2)である。クラスDに対して、解析方程式
FR(dc)=sin2u/π,FX(dc)=(u−sinu*cosu)/π(2)
を記述することもでき、式中、u=π(1−2*dc)であり、クラスD増幅器の特性インピーダンスレベルが、デューティサイクルdcが50%に向かって増加するにつれて低下することを示す。dc=50%のクラスD増幅器の動作に対して、ZVSおよびZCSの達成は、スイッチング素子が実質的に出力容量を有せず(Ca=0)、負荷が厳密に共振状態(X0=0)であり、一方、R0が任意であり得る場合に限り可能である。

0104

インピーダンス整合回路網
適用例では、駆動された負荷は、それが接続されている、外部駆動回路の特性インピーダンスとは大きく異なっているインピーダンスを有し得る。さらに、駆動された負荷は共振回路網ではない可能性がある。インピーダンス整合回路網(IMN)は、IMN回路および負荷から構成される回路網の入力において見られるインピーダンスを調整するため、図6Bに示すように、負荷の前に接続され得る回路網である。IMN回路は、通常は、この調整を、駆動周波数に近い共振器を作成することにより、達成し得る。かかるIMN回路は、発電機から負荷への送電効率を最大限にする(共振器およびインピーダンス整合−スイッチング増幅器に対するZVSおよびZCS)ために必要な全ての条件を達成するので、実施形態では、IMN回路は、駆動回路と負荷との間に使用され得る。

0105

図6Bに示す構成に対して、仮に、インピーダンス整合回路網(IMN)および負荷(今後は、合わせてIMN+負荷として示す)をZl=Rl(ω)+jXl(ω)としよう。この回路網の特性インピーダンスZ0=R0−jX0の外部回路に対するインピーダンス整合条件は、その結果、Rl(ω)=R0、Xl(ω)=X0である。

0106

可変負荷の調整可能なインピーダンス整合のための方法

0107

負荷が可変であり得る実施形態では、負荷と、線形またはスイッチング電力増幅器などの外部駆動回路との間のインピーダンス整合は、可変負荷を外部回路の固定特性インピーダンスZ0に適合させるように調整し得るIMN回路内の調節可能/調整可能コンポーネントを使用することにより達成され得る(図6B)。インピーダンスの実数部および虚数部の両方を適合させるために、IMN回路内の2つの調整可能/可変素子が必要とされ得る。

0108

実施形態では、負荷は、インピーダンスR+jωLをもつ誘導性(共振器コイルなど)であり得、そのため、IMN回路内の2つの調整可能素子は、2つの調整可能容量回路網または1つの調整可能容量回路網と1つの調整可能インダクタンス回路網または1つの調整可能容量回路網と1つの調整可能相互インダクタンス回路網であり得る。

0109

負荷が可変であり得る実施形態では、負荷と、線形またはスイッチング電力増幅器などの駆動回路との間のインピーダンス整合は、増幅器の特性インピーダンスZ0を、IMN回路および負荷(IMN+負荷)から構成される回路網の(負荷変動に起因する)可変入力インピーダンスに適合させるように調整し得る増幅器回路内の調節可能/調整可能コンポーネントまたはパラメータを使用することにより達成され得、ここで、IMN回路も調整可能であり得る(図6C)。インピーダンスの実数部および虚数部の両方を適合させるために、増幅器およびIMN回路内の合計2つの調整可能/可変素子またはパラメータが必要とされ得る。開示されるインピーダンス整合方法では、IMN回路内の調整可能/可変素子の必要数を減らすことができ、またはIMN回路内の調整可能/可変素子に対する要件を完全に取り除くことさえできる。いくつかの例では、電力増幅器内の1つの調整可能素子およびIMN回路内の1つの調整可能素子が使用され得る。いくつかの例では、電力増幅器内の2つの調整可能素子およびIMN回路内の調整可能素子は0個で使用され得る。

0110

実施形態では、電力増幅器内の調整可能素子またはパラメータは、トランジスタ、スイッチ、ダイオードおよび同類のものに適用される駆動信号の周波数、振幅、位相、波形、デューティサイクルおよび同類のものであり得る。

0111

実施形態では、調整可能な特性インピーダンスを有する電力増幅器は、クラスD、E、Fの調整可能スイッチング増幅器またはそれらの任意の組合わせであり得る。方程式(1)および(2)を組み合わせると、この回路網に対するインピーダンス整合条件は、
Rl(ω)=FR(dc)/ωCa,Xl(ω)=FX(dc)/ωCa (3)
である。

0112

調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、1つの調整可能素子は、容量Caであり、それは、スイッチング素子と並列接続で配置されている外部コンデンサを調整することによって調整され得る。

0113

調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、1つの調整可能素子は、増幅器のスイッチング素子のONスイッチ状態のデューティサイクルdcであり得る。デューティサイクルdcのパルス幅変調(PWM)による調整は、出力電力制御を達成するためにスイッチング増幅器で使用されてきた。本明細書では、PWMは、インピーダンス整合を達成するため、すなわち、方程式(3)を満足するため、したがって、増幅器効率を最大限にするためにも使用され得ることを開示する。

0114

調整可能スイッチング増幅器のいくつかの例では、1つの調整可能素子は、スイッチング周波数であり得、それは、IMN+負荷回路網の駆動周波数でもあり、また、IMN+負荷回路網の共振周波数に実質的に近くなるように設計され得る。スイッチング周波数の調整は、増幅器の特性インピーダンスおよびIMN+負荷回路網のインピーダンスを変更し得る。増幅器のスイッチング周波数は、もう1つの調整可能パラメータと共に適切に調整され得、そのため、方程式(3)が満足される。

0115

動的インピーダンス整合のために増幅器のデューティサイクルおよび/または駆動周波数を調整する利点は、これらのパラメータが電子的に迅速に、かつ広範囲に渡って調整可能なことである。対照的に、例えば、大きな電圧を維持でき、かつ、十分に大きい調整可能範囲を有する調整可能コンデンサおよび品質係数は、費用がかかるか、時間がかかるか、または必要なコンポーネント仕様を利用できない可能性がある。

0116

可変負荷の調整可能なインピーダンス整合のための方法例

0117

クラスD電力増幅器802、インピーダンス整合回路網804、および誘導負荷806の回路レベルの構造を示す簡略化回路図を図8に示す。この概略図は、電源810、スイッチング素子808、およびコンデンサを含むスイッチング増幅器804を備えたシステムの基本的なコンポーネントを示す。インピーダンス整合回路網804は、インダクタおよびコンデンサ、ならびにインダクタおよび抵抗としてモデル化された負荷806を含む。

0118

本発明の調整方式の例示的な実施形態は、図8に示すように、スイッチング周波数fで動作し、かつ、IMNを経由して低損失誘導素子R+jωLを駆動する、ハーフブリッジクラスD増幅器を含む。

0119

いくつかの実施形態では、L´は調整可能であり得る。L´は、インダクタ上の可変タップ点によるか、または調整可能キャパシタを直列または並列でインダクタに接続することにより、調整し得る。いくつかの実施形態では、Caは調整可能であり得る。ハーフブリッジトポロジーに対して、Caは、コンデンサCswitchの並列和のみが増幅器動作に対して重要であるため、これらのコンデンサのいずれか一方または両方を変化させることにより調整し得る。フルブリッジトポロジーに対して、Caは、コンデンサCswitchの組合わせ(ブリッジの2つの部分に関連する2つの並列和の直列和)のみが増幅器動作に対して重要であるため、1つ、2つ、3つ、または全てのコンデンサを変化させることにより調整し得る。

0120

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、IMNのコンポーネントのうちの2つが調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、L´およびC2が調整し得る。そこで、図9は、f=250kHz、dc=40%、Ca=640pFおよびC1=10nFに対して、誘導素子の可変RおよびLの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な2つの調整可能コンポーネントの値、ならびに、増幅器の(所与のDCバス電圧における)出力電力の関連する変動を示す。IMNは常に増幅器の固定特性インピーダンスに適合されるので、誘導素子は可変であるが、出力電力は常に一定である。

0121

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、スイッチング増幅器内の素子も調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、容量Caは、IMNコンデンサC2と共に調整し得る。そこで、図10は、f=250kHz、dc=40%、C1=10nFおよびωL´=1000Ωに対して、誘導素子の可変RおよびLの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な2つの調整可能コンポーネントの値、ならびに、増幅器の(所与のDCバス電圧における)出力電力の関連する変動を示す。図10から、C2は、主にLにおける変動に応じて調整する必要があること、および出力電力はRが増加するにつれて減少することが推測できる。

0122

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、デューティサイクルdcは、IMNコンデンサC2と共に調整し得る。そこで、図11は、f=250kHz、Ca=640pF、C1=10nFおよびωL´=1000Ωに対して、誘導素子の可変RおよびLの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な2つの調整可能パラメータの値、ならびに、増幅器の(所与のDCバス電圧における)出力電力の関連する変動を示す。図11から、C2は、主にLにおける変動に応じて調整する必要があること、および出力電力はRが増加するにつれて減少することが推測できる。

0123

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、容量Caは、IMNコンデンサL´と共に調整し得る。そこで、図11Aは、f=250kHz、dc=40%、C1=10nFおよびC2=7.5nFに対して、誘導素子の可変Rの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な2つの調整可能パラメータの値、ならびに、増幅器の(所与のDCバス電圧における)出力電力の関連する変動を示す。図11Aから、出力電力はRが増加するにつれて減少することが推測できる。

0124

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、デューティサイクルdcは、IMNコンデンサL´と共に調整し得る。そこで、図11Bは、誘導素子の可変Rの関数としてf=250kHz、Ca=640pF、C1=10nFおよびC2=7.5nFに対して、誘導素子の可変Rの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な2つの調整可能パラメータの値、ならびに、増幅器の(所与のDCバス電圧における)出力電力の関連する変動を示す。図11Bから、出力電力はRが増加するにつれて減少することが推測できる。

0125

調整可能なインピーダンス整合のいくつかの実施形態では、IMN内の素子は調整可能でなく、スイッチング増幅器内の素子のみが調整可能であり得る。いくつかの実施形態では、デューティサイクルduは、容量Caと共に調整し得る。そこで、図11Cは、f=250kHz、C1=10nF、C2=7.5nFおよびωL´=1000Ωに対して、誘導素子の可変Rの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な2つの調整可能パラメータの値、ならびに、増幅器の(所与のDCバス電圧における)出力電力の関連する変動を示す。図11Cから、出力電力はRの非単調な関数であることが推測できる。これらの実施形態は、Lにおける変動(および、したがって共振周波数)があまり大きくない場合に、動的インピーダンス整合を達成することが可能であり得る。

0126

いくつかの実施形態では、IMN内に固定素子を有し、また、前述の説明のように、Lが大きく変動する場合、動的インピーダンス整合は、外部周波数f(例えば、スイッチング増幅器のスイッチング周波数)の駆動周波数を、共振器の可変共振周波数に従うように、変更することにより達成され得る。スイッチング周波数fおよびスイッチのデューティサイクルdcを2つの可変パラメータとして使用すると、RおよびLはいずれの可変コンポーネントも必要とせずに変化するので、完全なインピーダンス整合が達成できる。そこで、図12は、Ca=640pF、C1=10nF、C2=7.5nFおよびL´=637μHに対して、誘導素子の可変RおよびLの関数としてインピーダンス整合を達成するために必要な2つの調整可能パラメータの値、ならびに、増幅器の(所与のDCバス電圧における)出力電力の関連する変動を示す。図12から、前述の説明のように、fは、主にLにおける変動に応じて調整する必要があることが推測できる。

0127

無線送電システムのための調整可能なインピーダンス整合

0128

無線送電の適用例では、低損失誘導素子は、1つまたは複数の装置共振器または、例えば、中継器共振器などの他の共振器に結合された供給源共振器のコイルであり得る。誘導素子のインピーダンスR+jωLは、供給源共振器のコイル上の他の共振器の反射インピーダンスを含み得る。誘導素子のRおよびLの変動は、供給源共振器および/もしくは他の共振器の近くの外部摂動またはコンポーネントの熱ドリフトに起因して生じ得る。誘導素子のRおよびLの変動は、無線送電システムの通常の使用中にも、供給源に関する装置および他の共振器の相対運動に起因して生じ得る。供給源に関するこれらの装置および他の共振器の相対運動、または他の供給源の相対運動もしくは位置は、装置の供給源への可変結合(および、したがって、可変反射インピーダンス)となり得る。さらに、誘導素子のRおよびLの変動は、無線送電システムの通常の使用中にも、それらの負荷の消費電力における変化など、他の結合共振器内部の変化に起因して生じ得る。これまでに開示した全ての方法および実施形態は、この誘導素子の、それを駆動する外部回路との動的インピーダンス整合を達成するために、この事例にも当てはまる

0129

現在開示されている無線送電システムのための動的インピーダンス整合方法を明示するために、負荷抵抗を駆動する装置共振器の装置コイル誘導的に結合されている、低損失供給源コイルを含む供給源共振器を考える。

0130

いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合は、供給源回路において達成し得る。いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合は、装置回路においても達成し得る。完全なインピーダンス整合が(供給源および装置の両方で)取得される場合、供給源誘導素子の実効抵抗(すなわち、供給源コイルの抵抗RS+装置からの反射インピーダンス)は



である。(同様に、装置誘導素子の実効抵抗は



であり、ここで、Rdは、装置コイルの抵抗である)。運動に起因するコイル間の相互インダクタンスの動的変動は、



の動的変動となる。それ故、供給源および装置の両方が動的に調整される場合、相互インダクタンスの変動は、供給源回路側からは、供給源誘導素子抵抗Rにおける変動として見られる。このタイプの変動では、Lが変化しない可能性があるので、共振器の共振周波数は実質的に変化しない可能性があることに留意されたい。それ故、動的インピーダンス整合に対して提示した全ての方法および例は、無線送電システムの供給源回路に対して使用され得る。

0131

図9図12で、抵抗Rは、供給源コイルおよび装置コイルの供給源コイルへの反射インピーダンスの両方を表すので、増加するUに起因してRが増加するにつれ、関連する無線送電効率が向上することに留意されたい。いくつかの実施形態では、ほぼ一定の電力が、装置回路によって駆動される負荷において必要とされ得る。装置に伝送される電力の一定レベルを達成するために、供給源回路の必要な出力電力は、Uが増加するにつれて減少する必要があり得る。動的インピーダンス整合が、増幅器パラメータのいくつかを調整することによって達成される場合、増幅器の出力電力は、それに応じて変化し得る。いくつかの実施形態では、出力電力の自動変動は、一定の装置電力要件を満足するように、Rと共に単調に減少するのが好まれる。出力電力レベルが、発電機の直流駆動電圧を調整することによって設定される実施形態では、出力電力のRに対する単調な減少をもたらす調整可能パラメータのインピーダンス整合セットの使用は、一定の電力が、直流駆動電圧の適度な調整のみで、装置内の電力負荷において維持できることを暗示し得る。出力電力レベルを調整するための「ノブ」が、インピーダンス整合回路網内のスイッチング増幅器またはコンポーネントのデューティサイクルdcまたは位相である、実施形態では、出力電力のRに対する単調な減少をもたらす調整可能パラメータのインピーダンス整合セットの使用は、一定の電力が、この電力「ノブ」の適度な調整のみで、装置内の電力負荷において維持できることを暗示し得る。

0132

図9図12の例では、Rs=0.19Ωであれば、範囲R=0.2−2Ωは、ほぼUsd=0.3−10.5に対応する。これらの値に対して、供給源および装置の両方が動的にインピーダンス整合されている場合、図14では、点線で、負荷において一定の電力レベルを維持する必要がある出力電力(2乗された直流電圧正規化された)を示す。実線および点線との間の同様の傾向が、出力電力のかかる変化をもつ調整可能なパラメータの組がなぜ好ましい可能性があるかを明らかにする。

0133

いくつかの実施形態では、動的インピーダンス整合が供給源回路で達成され得るが、インピーダンス整合は、装置回路では達成され得ないか、または部分的のみ達成され得る。供給源コイルと装置コイルとの間の相互インダクタンスが変動するので、装置の供給源への可変反射インピーダンスは、供給源誘導素子の実効抵抗Rおよび実効インダクタンスLの両方の変動となり得る。これまでに提示した動的インピーダンス整合のための方法は、適用可能であり、無線送電システムの調整可能供給源回路に対して使用できる。

0134

一例として、図14の回路を考えるが、この図では、f=250kHz、Ca=640pF、RS=0.19Ω、LS=100μH、C1S=10nF、ωL´S=1000Ω、Rd=0.3Ω、Ld=40μH、C1d=87.5nF、C2d=13nF、ωL´d=400ΩおよびZl=50Ωであり、ここで、sおよびdは、それぞれ供給源および装置共振器を示し、システムはUsd=3で整合される。スイッチング増幅器のデューティサイクルdcおよびコンデンサC2Sの調整は、調整不能な装置が、供給源と装置との間の相互インダクタンスMを変化させる供給源に相対して移動しているので、共振器を動的にインピーダンス整合するために使用され得る。図14では、増幅器の直流電圧ごとの出力電力の変化に従って、調整可能パラメータの必要な値を示す。点線は、再度、負荷における電力を一定値にできるように、必要とされる増幅器の出力電力を示す。

0135

いくつかの実施形態では、供給源駆動回路の駆動周波数fの調整は、さらに、供給源と1つまたは複数の装置との間の無線送電のシステムに対して、供給源における動的インピーダンス整合を達成するために使用され得る。前述の説明のとおり、この方法は、供給源インダクタンスLS、および、したがって供給源共振周波数において変動がある場合にさえ、供給源の完全な動的インピーダンス整合を可能にする。供給源から装置への効率的な送電のため、装置共振周波数は、整合された駆動および供給源共振周波数の変動に従うように調整する必要がある。供給源または装置共振器のいずれかの共振周波数において変動がある場合は、装置容量の調整(例えば、図13の実施形態では、C1dまたはC2d)が必要であり得る。実際には、複数の供給源および装置を備える無線送電システムでは、駆動周波数の調整は、1つのみの供給源−物体共振周波数(source−object resonant frequency)を調整する必要性を軽減するが、残りの全ての物体は、それらの共振周波数を駆動周波数に整合させるように調整する機構(調整可能容量など)が必要であり得る。

0136

共振器の熱管理

0137

無線エネルギー伝達システムでは、無線伝達プロセス中に失われたエネルギーの一部が熱として散逸される。エネルギーは、共振器コンポーネント自体内で散逸し得る。例えば、高Q導体およびコンポーネントでさえ、多少の損失または抵抗を有し、これらの導体およびコンポーネントは、電流および/または電磁場がそれらを流れる際に加熱し得る。エネルギーは、共振器の周囲の材料または物体内で散逸し得る。例えば、不完全導体または誘電体周囲または近くの共振器で散逸した渦電流は、それらの物体を加熱し得る。それらの物体の材料特性に影響を及ぼすことに加えて、この熱は、導電性放射性、または対流性プロセスを通って共振器コンポーネントに伝達され得る。これらの加熱効果のいずれも共振器Q、インピーダンス、周波数など、および、それ故、無線エネルギー伝達システムに影響し得る。

0138

磁性材料のブロックまたはコアを含む共振器では、ヒステリシス損失および誘電渦電流から生じた抵抗損失に起因して、磁性材料内で熱が生成され得る。両方の影響は、材料における磁束密度によって決まり、両方とも、特に、流束密度または渦電流が集中または局所化し得る領域内で、相当量の熱を生成できる。流束密度に加えて、振動磁場の周波数、磁性材料組成および損失、ならびに磁性材料の周囲または動作温度が、どのようにヒステリシス損失および抵抗損失が材料を加熱するかに影響し得る。

0139

実施形態では、磁性材料の加熱を最小化するために、材料の種類、ブロックの寸法、および同類のものなどの磁性材料の特性、ならびに磁場パラメータが、特定の動作電力レベルおよび環境に対して、選択され得る。いくつかの実施形態では、磁性材料ブロックにおける変化、亀裂、または欠陥が、無線送電用途における磁性材料の損失および加熱を増加させ得る。

0140

欠陥のある磁性ブロック、またはより大きなユニットに配置された磁性材料の小さいサイズのタイルまたは断片から構成された磁性ブロックについて、そのブロックにおける損失が不均一であり得、磁性材料の隣接するタイルまたは断片の間に不均等性または比較的狭い間隙がある領域に集中し得る。例えば、不規則な間隙が材料の磁性ブロック内に存在すると、その材料を通る様々な磁束経路の実効磁気抵抗が実質的に不規則であり得、磁場は、磁気抵抗が最低であるブロックの部分により集中し得る。いくつかの場合には、実効磁気抵抗は、タイルまたは断片の間の間隙が最も狭いか、または欠陥の密度が最も低いところで最低であり得る。磁気材料が磁場を導くので、磁束密度は、実質的にブロック全体で均一ではあり得ないが、相対的により低い磁気抵抗を提供する領域に集中し得る。磁性材料ブロック内の磁場の不規則な集中は、材料における不均一な損失および熱放散となり得る。

0141

例えば、図15に示すように、導体1506ループの軸に垂直な継ぎ目1508を形成するように結合された、磁性材料の2つの別個のタイル1502、1504から構成される磁性材料ブロックに巻かれた導体1506を含む磁気共振器を考える。磁性材料タイル1502、1504の間の継ぎ目1508内の不規則な間隙は、共振器内の磁場1512(破線磁力線で概略的に表す)を、磁性材料の横断面の部分領域1510内に集中させ得る。磁場は磁気抵抗の最も少ない経路をたどるので、磁性材料の2つの断片の間の空隙を含む経路は、磁性材料の断片がより小さい空隙に触れるか、またはより小さい空隙を有する点において磁性材料の幅を横切る磁気抵抗経路よりも事実上高い磁気抵抗経路を作成し得る。磁束密度は、それ故、磁性材料の比較的小さい交差領域優先的に流れ、結果として、その小領域1510内の磁束の高い集中となる。

0142

対象の多くの磁性材料では、より不均一な流束密度分散がより高い総合損失をもたらす。その上、より不均一な流束密度分散は、材料飽和となり、磁束が集中している領域の局部加熱を引き起こし得る。局部加熱は、磁性材料の特性を変更し得、場合によっては損失を悪化させる。例えば、いくつかの材料の操作の関連するレジーム(regime)では、ヒステリシスおよび抵抗損失が温度とともに増大する。材料の加熱が材料損失を増加させ、その結果、さらなる加熱となる場合、材料の温度が上昇し続け、是正処置が取られなければ、急騰さえし得る。ある場合には、温度が100°Cまたはそれ以上に達し得、無線送電の磁性材料および性能を低下させ得る。ある場合には、磁性材料が損傷し得るか、または、周囲の電子部品、パッケージングおよび/または筐体が過度の熱によって損傷し得る。

0143

実施形態では、磁性材料ブロックのタイルまたは断片の間の変動または不規則性が、整合、研磨研削、および同類のものによって最小化され得、タイルまたは断片の縁部が、磁性材料タイル間の締りばめを確実にするため、実質的により均一な磁気抵抗を磁性材料ブロックの横断面全体にわたって提供する。実施形態では、磁性材料ブロックは、タイルが間隙なくしっかりと締め付けられることを確実にするため、タイル間に圧縮力を提供するための手段を必要とし得る。実施形態では、タイルが密着したままであることを確実にするため、タイル間に接着剤が使用され得る。

0144

実施形態では、磁性材料の隣接するタイルの不規則な間隔は、磁性材料の隣接するタイル間に意図的な間隙(deliberate gap)を追加することにより、削減し得る。実施形態では、意図的な間隙は、磁性材料タイルまたは断片の間の均一または規則正しい分離を確実にするために、スペーサとして使用され得る。可撓性材料の意図的な間隙も、タイルの移動または振動に起因する間隔における不規則性を削減し得る。実施形態では、磁性材料の隣接するタイルの縁部が、電気絶縁体を用いて、貼られ、浸され、覆われるなどされ得て、ブロックの削減された断面積を渦電流が流れるのを防ぎ、従って、材料における渦電流損失を低下させる。実施形態では、セパレータ共振器パッケージングに組み込まれ得る。スペーサは、1mm以下の間隔を提供し得る。

0145

実施形態では、タイル間のスペーサの機械的特性は、外部の衝撃および振動のみならず、本質的効果(例えば、磁気歪み熱膨張、および同類のもの)に起因する、タイルの寸法および/または形状における変化などの機械的効果に対する全体構造耐性を向上させるように選択され得る。例えば、スペーサは、個々のタイルの膨張および/または収縮順応するために、所望の量の機械的弾力性を有し得、また、タイルが機械的振動にさらされる場合にタイルへの圧力を削減する役に立ち得、したがって、磁性材料における亀裂および他の欠陥の出現を削減する役に立つ。

0146

実施形態では、磁性材料ブロックから構成される個別のタイルを、共振器の双極子モーメントに垂直なタイル間の継ぎ目または間隙の数を最小限にするように配置することは好ましくあり得る。実施形態では、磁性材料タイルを、共振器を含む導体のループによって形成された軸に垂直なタイル間の間隙の数を最小限にするように配置および向けることは好ましくあり得る。

0147

例えば、図16に示す共振器構造を考える。共振器は、3×2の配列に配置された6つの別々の個々のタイル1602を含む磁性材料ブロックに巻かれた導体1604を含む。タイルの配列は、磁性材料ブロックを一方向に横切ると2本のタイルの継ぎ目1606、1608、および磁性材料ブロックを直交方向に横切ると1本のみのタイルの継ぎ目1610となる。実施形態では、共振器の双極子モーメントがタイルの継ぎ目の最も少ない数に垂直になるように、導線1604を磁性材料ブロックに巻き付けることが好ましくあり得る。本発明人は、共振器の双極子モーメントと平行な継ぎ目および間隙1606、1608の周囲に誘導加熱が比較的少ないことに気付いた。共振器の双極子モーメントに垂直な継ぎ目および間隙は、クリティカルな継ぎ目またはクリティカルな継ぎ目領域とも呼ばれる。しかし、渦電流損失を削減するために、共振器の双極子モーメントと平行な間隙(1606および1608など)を電気的に絶縁することは、さらに望ましくあり得る。かかる平行な間隙によって分離されたタイル間の不均一な接触は、渦電流が狭い接触点を流れるようにし得、かかる点における大きな損失となる。

0148

実施形態では、間隔における不規則性は、磁性材料が熱くなる際に、材料特性の局部的悪化を防ぐため、クリティカルな継ぎ目領域の十分な冷却で許容され得る。磁性材料の温度を限界温度以下に維持すると、十分に高い温度によって生じる熱暴走を防ぎ得る。クリティカルな継ぎ目領域の適切な冷却で、無線エネルギー伝達の性能は、不規則な間隔、亀裂、またはタイル間の間隙に起因する追加の損失および加熱効果にもかかわらず、満足のいくものであり得る。

0149

磁性材料の過度の局部加熱を防ぐための共振器構造の効果的な放熱は、いくつかの課題を提起する。放熱板および熱伝導のために一般に使用される金属材料は、無線エネルギー伝達用に共振器によって使用される磁場と相互作用する可能性があり、システムの性能に影響する。それらの位置、サイズ、方向、および使用は、これらの放熱材料の存在下で、共振器の摂動Qを過度に低下させないように設計すべきである。さらに、フェライトなど、磁性材料の比較的低い熱伝導率のせいで、磁気共振器に近接して相当量の損失性材料を配置することを必要とし得る十分な冷却を提供するために、放熱板と磁性材料との間に比較的大きな接触領域が必要とされ得る。

0150

実施形態では、共振器の十分な冷却が、熱伝導材の戦略的な配置を用いて、無線エネルギー伝達性能への最小限の影響で達成され得る。実施形態では、熱伝導材の細長片が、導線のループ間に、磁性材料ブロックと熱的に接触して配置され得る。

0151

熱伝導材の細長片を備えた共振器の一例示的な実施形態を図17に示す。図17Aは、導電性細長片がなく、間隙または継ぎ目を形成する磁性材料のより小さいタイルを含む磁性材料ブロックを有する共振器構造を示す。図17Bおよび図17Cに示すように、熱伝導材の細長片1708は、導体のループ1702の間に、磁性材料ブロック1704と熱的に接触して配置され得る。共振器のパラメータに対する細長片の影響を最小限にするため、いくつかの実施形態では、細長片を導体のループに平行に、または共振器の双極子モーメントに垂直に配置することは好ましくあり得る。導体の細長片は、できるだけ多くのタイル間の継ぎ目または間隙、特に、共振器の双極子モーメントに垂直なタイル間の継ぎ目をカバーするように配置され得る。

0152

実施形態では、熱伝導材は、銅、アルミニウム、真鍮、熱エポキシペーストパッド、および同類のものを含み得、少なくとも共振器内の磁性材料の熱伝導率(いくつかの市販のフェライト材料に対して、〜5W/(K−m))である熱伝導率を有する任意の材料であり得る。熱伝導材も導電性である実施形態では、材料は、短絡または、磁性材料もしくは共振器の導体ループとの直接電気接触を防ぐために、電気絶縁体の層または被覆を必要とし得る。

0153

実施形態では、熱伝導材の細長片が、熱を共振器構造から、熱エネルギーを安全に散逸できる構造または媒体へ伝導するために使用され得る。実施形態では、熱伝導性細長片が、受動もしくは強制対流、放熱、または環境への伝導を使用して熱エネルギーを散逸可能な、その導体細長片の上に配置された大きな平板などの放熱板に接続され得る。実施形態では、システムは、熱伝導性細長片から熱エネルギーを散逸できる共振器構造の外部または内部であり得、かつ、液体冷却システム強制換気システム、および同類のものを含み得る、任意の数の能動冷却システムを含み得る。例えば、熱伝導性細長片は、中空であるか、または、磁性材料を冷却するために、ポンプ注入されるかまたは押し出される冷却液のための経路を含み得る。実施形態では、良導体(銅、銀、アルミニウム、および同類のものなど)で作られた場偏向器(field deflector)は、放熱器の一部として2倍になり得る。磁性材料と場偏向器との間のスペースに熱および電気導電性細長片を追加すると、そのスペース内の電磁場が通常、場偏向器の存在によって抑制されるので、摂動Qに対して限界効果を有し得る。かかる導電性細長片は、異なる細長片の間での温度分散をより均一にするために、磁性材料および場偏向器の両方に熱的に接続され得る。

0154

実施形態では、熱伝導性細長片は、少なくとも1つの導体ループが磁性材料に巻き付くことができるように間隔が空けられる。実施形態では、熱伝導材の細長片は、磁性材料のいくつかまたは全ての間隙または継ぎ目のみに位置付けられ得る。他の実施形態では、細長片は、実質的にそのスパンにわたって、磁性材料と接するように位置付けられ得る。他の実施形態では、細長片は、磁性材料内の流束密度に適合するように分散され得る。共振器の通常動作下でより高い磁束密度をもち得る磁性材料領域は、熱伝導性細長片とのより高い接触密度を持ち得る。実施形態では、例えば、図17Aに示すものなど、磁性材料内の最も高い磁束密度は、磁性材料ブロックの中心に向かって認められ得、より低い密度は、共振器の双極子モーメントの方向に、ブロックの端部に向かって認められ得る。

0155

熱伝導性細長片の使用が、潜在的なホットスポットにおける温度のみならず、磁性材料全体の温度を下げるのにどのように役立つかを示すために、本発明人は、図17Cに示すものに類似した共振器構造の有限要素シミュレーションを実行している。周波数235kHzで動作し、それぞれが40Aのピーク電流を搬送する、10回巻いたリッツ線(構造の対称面から25mm、40mm、55mm、90mmおよび105mmのところで対称的に配置された)で磁場を発生させた、寸法が30cm×30cm×5mmの磁性材料EPCOS N95のブロックを含み、中心軸が構造の対称面から75mm、0mm、および+75のところに配置されている、3本の3×3/4×1’のアルミニウム(合金6063)の中空正方形管(肉厚1/8”)を用いて、50cm×50cm×4mmの場偏向器に熱的に接続されている構造がシミュレートされた。場偏向器および中空管に起因する摂動Qが(中空管のない同一構造に対する1710に比べて)1400であることが分かった。シールドおよび管において散逸した電力は35.6Wと計算され、他方、磁性材料において散逸した電力は58.3Wであった。構造が空気対流および放熱および24℃の周囲の温度によって冷却されると仮定すると、構造内の最高温度は(中空管の間のほぼ中間にある磁性材料内の点において)85℃であり、他方、中空管に接触している磁性材料の一部における温度は約68℃であった。比較すると、熱伝導性中空管のない同一の共振器が、同一の40Wピーク励磁電流に対して磁性材料において62.0Wを散逸し、磁性材料における最高温度が111℃であることが分かった。

0156

導電性細長片の利点は、管と良い熱的接触にある磁性材料の一部に欠陥が取り込まれる場合でも、さらに明らかである。磁性材料の中心に置かれ、かつ、双極子モーメントに垂直に配向された、長さ10cmおよび0.5mmの空隙は、磁性材料において散逸された電力が69.9W(前述した欠陥のない例に比べて追加の11.6Wは、その空隙の近くに高度に集中している)まで増加するが、導電性管は、磁性材料における最高温度が、11℃〜96℃の比較的緩やかな上昇のみであることを保証する。対照的に、導電性管のない同じ欠陥は、その欠陥の近辺で161℃の最高温度となる。導電性管本体を大きな熱質量と熱的に接続することまたはそれらを能動的に冷却することなど、対流および放熱以外の冷却システムは、同じ電流レベルで、この共振器に対するさらに低い動作温度をもたらす。

0157

実施形態では、材料の熱伝導性細長片は、磁性材料内に不規則な間隙を生じ得る亀裂が入る最も高い可能性を有し得る領域に位置付けられ得る。かかる領域は、材料上に高応力もしくは歪みのある領域、または共振器のパッケージングからの支援または支持が弱い領域であり得る。戦略的に配置された熱伝導性細長片は、亀裂または不規則な間隙が磁性材料内にできる時に、磁性材料の温度がその限界温度以下で維持されるであろうことを確実にし得る。限界温度は、磁性材料のキュリー温度、または共振器の特性が所望の性能パラメータを超えて劣化されている任意の温度として定義され得る。

0158

実施形態では、放熱構造は、磁性材料に対する機械的支持を提供し得る。実施形態では、放熱構造は、共振器に対して、外部の衝撃および振動のみならず、(熱膨張、磁気歪み、および同類のものに起因する)その素子の固有の寸法における変化に対する非常に大きな耐性を提供するように、(例えば、エポキシ、熱パッド、および構造の異なる素子と熱的に接続するための適切な機械的特性を有する同類のものを使用することにより)所望の量の機械的弾力性を有し、亀裂および他の欠陥が生じるのを防ぐように設計され得る。

0159

共振器が、磁性材料に巻き付いた直交巻線を含む実施形態では、導体材料の細長片が、2つの直交する隣接したループの組によって区切られた領域内の磁性材料と熱的に接触するように調整され得る。実施形態では、細長片は、磁性材料と少なくとも1つの点で熱的に接触しながら、少なくとも1つの直交巻線の導体の周囲に適するように適切な刻み目を含み得る。実施形態では、磁性材料は、隣接するループの間に置かれた、いくつかの熱伝導性ブロックと熱的に接触している可能性がある。熱伝導性ブロックは、次いで、良熱導体によって熱的に相互に接続および/または放熱され得る。

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