(57)【要約】      （修正有）【課題】エネルギー源からエネルギーを抽出する電流トランスデューサを提供する。【解決手段】電流トランスデューサ３０は、導体１８によって生じる磁束を少なくとも部分的に取り囲むように構成された磁気コアと、前記磁気コアに結合された少なくとも１つのコイルとを備え、前記磁気コアはスーパーマロイ材料を備える。また、前記磁気コアは、実質的に円形、多角形形状、実質的にドーナツ形およびスプリットコアのうちの少なくとも１つである。さらに、前記磁気コアは、それを貫通して前記導体を受け入れるための開口を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体（１８）によって生じる磁場を少なくとも部分的に取り囲むように構成された磁気コア（３２）と、
前記磁気コアに結合された少なくとも１つのコイル（３６）と
を備え、前記磁気コアがスーパーマロイ材料を備える、電流トランスデューサ（３０）。
【請求項２】
前記磁気コアが、実質的に円形、多角形形状、実質的にドーナツ形およびスプリットコアのうちの少なくとも１つである、請求項１記載の電流トランスデューサ。
【請求項３】
前記磁気コアが、それを貫通して前記導体を受け入れるための開口（３４）を備える、請求項１記載の電流トランスデューサ。
【請求項４】
磁気コア（３２）および前記磁気コアに結合された少なくとも１つのコイルを備え、導体（１８）によって生じる磁束を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、前記導体から電圧を生成するように動作可能な、電流トランスデューサ（３０）と、
前記電流トランスデューサによって生成された前記電圧を受け取るために前記電流トランスデューサに電気的に結合され、電気装置（１４）に電力供給するために前記電流トランスデューサによって生成された前記電圧を増幅する、昇圧変圧器（１６）と
を備え、
前記磁気コアがスーパーマロイ材料を備える、エネルギーハーベスティングシステム（１０）。
【請求項５】
前記磁気コアが、実質的な円形、実質的なドーナツ形およびスプリットコアのうちの少なくとも１つである、請求項４記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項６】
前記磁気コアを通って延在する開口（３４）を通って延在する電流通過ケーブル（２０）をさらに備える、請求項４記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項７】
前記電気装置が無線センサ、無線送信機および無線システムのうちの少なくとも１つである、請求項４記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項８】
前記電気装置が工業プロセスを監視する、請求項４記載のエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項９】
磁気コア（３２）および前記磁気コアに結合された少なくとも１つのコイル（３６）を備え、導体（１８）によって生じる磁束を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、前記導体から電圧を生成するように動作可能な、電流トランスデューサ（３０）を提供するステップと、
前記電流トランスデューサによって生成された前記電圧を受け取るために前記電流トランスデューサに電気的に結合され、電気装置（１４）に電力供給するために前記電流トランスデューサによって生成された前記電圧を増幅する、昇圧変圧器（１６）を提供するステップと
を備え、
前記磁気コアがスーパーマロイ材料を備える、エネルギーハーベスティングシステム（１０）を組み立てる方法。
【請求項１０】
昇圧変圧器（１６）に電気的に結合され、磁気コア（３２）および前記磁気コアに結合された少なくとも１つのコイル（３６）を備え、前記磁気コアがスーパーマロイを備える、電流トランスデューサ（３０）を提供するステップと、
導体（１８）によって生じる磁束を少なくとも部分的に取り囲むように前記電流トランスデューサを配置するステップと、
前記電流トランスデューサを用いて電圧を生成するステップと、
前記昇圧変圧器（１６）を用いて生成した電圧を増幅するステップと
を備える、エネルギーハーベスティングの方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、一般にエネルギーハーベスティングに関し、より詳細にはエネルギー源からエネルギーを抽出する電流トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーハーベスティングは、何もしなければシステム中で放散または消失していくはずの電力の回復に使用するための方法である。例えば、周知のエネルギーハーベスティングは、光、熱、風、振動、電流などからエネルギーを得るために使用することができる。多くの周知のシステムでは、電子装置に電力を供給またはバッテリに充電するするバッテリ電力と併せて、採取（ｈａｒｖｅｓｔ）したエネルギーを使用することができる。
【０００３】
センサアセンブリは、関連するマシンの状態およびその動作を監視するために工業環境で使用されることが多い。周知のセンサアセンブリは、バッテリから電力供給をするものが多い。特にセンサが遠隔の場所またはアクセスできない場所にある場合、定期的なバッテリ交換に関連する労働コストのため、市販化が制限される。さらに、バッテリの寿命が限られているため、その廃棄が環境に悪影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０００６８０２号明細書
【発明の概要】
【０００５】
一実施形態において、電流トランスデューサが提供される。この電流トランスデューサは、導体によって生じる磁束を少なくとも部分的に取り囲むように構成された磁気コアを備える。少なくとも１つのコイルが磁気コアに結合され、磁気コアはスーパーマロイ材料を備える。
【０００６】
別の実施形態では、エネルギーハーベスティングシステムが提供される。このエネルギーハーベスティングシステムは、磁気コアおよび磁気コアに結合された少なくとも１つのコイルを含む電流トランスデューサを備える。電流トランスデューサは、導体によって生じる磁束を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、導体から電圧を生成するように動作可能である。エネルギーハーベスティングシステムは、電流トランスデューサによって生成された電圧を受け取るために電流トランスデューサに電気的に結合された昇圧変圧器をさらに備える。昇圧変圧器は、電気装置に電力供給するために電流トランスデューサによって生成された電圧を増幅する。磁気コアはスーパーマロイ材料を備える。
【０００７】
さらに別の実施形態では、エネルギーハーベスティングシステムを組み立てる方法が開示される。この方法は、磁気コアおよび磁気コアに結合された少なくとも１つのコイルを備えた電流トランスデューサを提供するステップを備える。電流トランスデューサは、導体によって生じる磁束を少なくとも部分的に取り囲むように構成され、導体から電圧を生成するように動作可能である。この方法は、電流トランスデューサによって生成された電圧を受け取るために電流トランスデューサに電気的に結合された昇圧変圧器を提供するステップをさらに備える。昇圧変圧器は、電気装置に電力供給するために電流トランスデューサによって生成された電圧を増幅し、磁気コアはスーパーマロイ材料を備える。
【０００８】
さらに別の実施形態では、エネルギーハーベスティングの方法が開示される。この方法は、昇圧変圧器に電気的に結合された電流トランスデューサを提供するステップを備える。電流トランスデューサは、磁気コアおよび磁気コアに結合された少なくとも１つのコイルを備え、磁気コアは、スーパーマロイ材料を備える。この方法は、導体によって生じる磁束を少なくとも部分的に取り囲むように電流トランスデューサを配置するステップと、電流トランスデューサを用いて電圧を生成するステップとをさらに備える。この方法は、昇圧変圧器を用いて生成した電圧を増幅するステップをさらに備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な電力システムの概略図である。
【図２】図１の電力システムで使用する例示的な電流トランスデューサの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、例示的な電力システム１０の概略図である。一般に、例示的実施形態では、電力システム１０は、使用中、昇圧変圧器１６を介して負荷またはエネルギー貯蔵部１４に電力を供給するエネルギーハーベスティング装置１２を備える。さらに、例示的実施形態では、エネルギーハーベスティング装置１２は、負荷またはエネルギー貯蔵部１４で使用する電力を供給するために、例えば交流電流などの電流を誘導によって導体１８からより小さい二次交流電流２２に変換する誘導電流トランスデューサ３０とすることができる。例示的実施形態では、負荷１４は、例えば、無線センサ、現場計器、無線送信機、無線システムまたは他の監視装置などの電子装置でもよい。例示的実施形態では、導体１８は、絶縁ケーブル２０である。あるいは、導体１８は、非絶縁ケーブルまたは電流を伝導できる他の材料のケーブルでもよい。
【００１１】
電流源２４は、ケーブル２０を通して装置２６に電流を供給する。例示的実施形態では、装置２６は、モータ２８である。あるいは、装置２６は、電気システム、工業機械などでもよい。例示的実施形態では、昇圧変圧器１６は、電流トランスデューサ３０から受け取る電圧を増幅することを容易にするために、電流トランスデューサ３０と負荷１４との間で電気的に接続されている。このように、エネルギーハーベスティング装置１２は、負荷１４に電力供給するためにケーブル２０からエネルギーを抽出する。電流トランスデューサ３０は、負荷１４を動作させるのに十分な電力を供給して、それによってバッテリまたは補助電力源を必要としないようにできる。
【００１２】
図２は、システム１０で使用することができる誘導電流トランスデューサ３０の例示的実施形態を示す。一般に、例示的実施形態では、電流トランスデューサ３０は、磁気コア３２を通って延在する中央開口３４を含む磁気コア３２を備える。導体１８は、磁気コア３２が導体１８によって生じる磁束を少なくとも部分的に取り囲むように、少なくとも部分的に中央開口３４を通って延在し、少なくとも１つのコイル３６は、コア３２に巻き付けられる。例示的実施形態では、コイル３６は、複数の巻線３８を含む。あるいは、コイル３６は、単一の巻線３８でもよい。コイル３６は、昇圧変圧器１６および負荷１４を電気的に結合するのに使用する端子４０に結合されている。あるいは、２つ以上の電流トランスデューサ３０を、導体１８の周りに配置し、昇圧変圧器１６またはセパレート昇圧変圧器１６（図示せず）に電気的に結合してもよい。
【００１３】
さらに、例示的実施形態では、コア３２およびコイル３６はハウジング４２に収容されている。ハウジング４２は、プラスチックなどの、電流トランスデューサ３０が本明細書の記述通りに動作できるような任意の適当な材料から製作することができる。あるいは、昇圧変圧器１６および／または負荷もしくはエネルギー貯蔵部１４を、ハウジング４２に収容してもよい。
【００１４】
例示的実施形態では、巻線３８は、コア３２の一部または全部の周囲に巻き付けることができる。あるいは、電流トランスデューサ３０は、動作上それに結合された複数のコイル３６を有してもよい。例示的実施形態では、コイル３６をコア３２に固定するためにロッキング機構（図示せず）が使用され、こうした機構では、限定はしないが接着剤および／またはバンディングなど任意の締結機構によってコア３２に恒久的に結合することができる。あるいは、ロッキング機構は、例えばブラケットおよび／またはクランプによってコア３２に取り外し可能に結合してもよい。
【００１５】
例示的実施形態では、磁気コア３２は実質的に円形である。あるいは、コア３２は、ドーナツ形、三角形、四角形または多角形形状でもよい。例示的実施形態では、磁気コア３２は第１の部分４４および第２の部分４６を備えるスプリットコアである。さらに、例示的実施形態では、電流源２４または装置２６から導体１８を切断する必要がなく、任意の箇所で導体１８の周りにコア３２を好都合に配置することができるように、第１の部分４４および第２の部分４６が取り外し可能に互いに結合されている。これは、特に、導体１８がケーブル２０であり、そのケーブル２０の第１の端部から第２の端部までを測定した長さが長い場合有利になり得る。例示的実施形態では第１の部分４４および第２の部分４６はそれぞれ半円であるが、第１の部分４４および第２の部分４６は本明細書の記述通りに機能できる任意の他の形状でもよい。あるいは、コア３２は、単一の単体コアでもよい。さらに、２つ以上のコア３２を、導体１８の周りに配置し、昇圧変圧器１６に電気的に結合してもよい。
【００１６】
例示的実施形態では、磁気コア３２は、スーパーマロイ材料から製作される。スーパーマロイ材料は、高透磁率および低保磁力をもつ材料を作り出す約８０％のニッケル、５％のモリブデンおよび鉄から製作される。周知のスプリットコア電流トランスデューサは、コアそれぞれの分離のため磁気エネルギーの損失が大きい。周知のスプリットコア電流トランスデューサと対照的に、この実施形態の磁気コア３２は、スーパーマロイ材料から製作されるので、コア３２は、負荷１４に電力を十分に供給する間電流トランスデューサ３０が比較的高効率で動作することを容易にする高透磁率を有する。例えば、磁気コア３２は、５０，０００μrを超える透磁率を有する。
【００１７】
コア３２は、第１の部分４４と第２の部分４６との間を測定した直径Ｄを有する。例示的実施形態では、直径Ｄは約１ｃｍ〜１００ｃｍである。より具体的には、例示的実施形態では、直径Ｄは約２５ｃｍ〜７５ｃｍである。あるいは、コア３２は、エネルギーハーベスティング装置１２が本明細書の記述通りに機能できる任意の直径Ｄであってもよい。
【００１８】
例示的実施形態では、導体１８によって生じる磁束により、コイルの巻線３８に電流が誘導される。例示的実施形態では、電流は、変圧器１６が受け取る二次電流２２として端子４０を介してコイル３６から流れる。
【００１９】
例示的実施形態では、昇圧変圧器１６は、ハウジング５０、入力側部分５２および出力側部分５４を備える。二次電流２２は、入力側部分５２で受け取られ、例えば一実施形態では、入力電圧は出力側部分５４ではるかに高い電圧に増幅される。昇圧変圧器１６は、例えば、出力側部分５４から５Ｖ〜１２Ｖの電気信号を供給する。ただし、昇圧変圧器１６は、電力システム１０が本明細書の記述通りに機能できる任意の電圧信号を供給してもよい。
【００２０】
上記のように、負荷１４は、システムまたはポンプ、モータ、タービン、エンジンもしくは工業プロセスなどの構成部品の健全性を監視するための監視装置でもよい。例示的実施形態では、電流は出力側部分５４から負荷１４に流れる。例示的実施形態では、負荷１４は、極めて重要なマシンの振動、温度および圧力などの主要な指標を測定し異常状態を見つけるために時間経過と共に情報を追跡する、マシン状態監視システムでもよい。前に述べたように、負荷１４は、例えば無線センサ、現場計器、無線送信機、無線システムまたは他の監視装置などの電子装置でもよい。負荷１４は、負荷１４の任意の監視機能または送受信機能に電力供給するために昇圧変圧器１６の出力側部分５４からの二次電流２２を使用し、それによって代替の電力源からの電力供給の必要性を減らす。
【００２１】
動作中、電流トランスデューサ３０が提供される。電流トランスデューサ３０は、導体１８が中央開口３４を少なくとも部分的に貫通するように導体１８の周りに配置される。電流トランスデューサ３０は、負荷１４に電気的に結合された昇圧変圧器１６に電気的に結合される。導体１８を流れる電流により磁束が発生し、その磁束がコイル３６に交流電流を誘導する。誘導電流は、端子４０を介して昇圧変圧器の入力側部分５２に流れ、増幅されてより高い電圧になる。増幅された電流は、昇圧変圧器の出力側部分５４から負荷またはエネルギー貯蔵部１４に流れ、負荷１４に電力を供給するために使用されるか、または後に使用するために貯蔵される。
【００２２】
本明細書に記載の例示的エネルギーハーベスタは、誘導電流トランスデューサを用いて費用効率が高く確実な方法で既存の電力ケーブルから電力を発生する。これにより、エネルギーハーベスタは、深海または宇宙空間での用途など極めて狭小および／または遠隔の場所で有用となり得る。可動部がなくなるか大幅に数が減るため、このエネルギーハーベスタは周知のエネルギーハーベスタより簡易的でより安価に製造できることが有利である。環境から電力を採取することによって、センサは、実質的に保守不要でその寿命にわたって電力を自給することができる。すなわち、本明細書に記載の例示的エネルギーハーベスタは、保守不要のマシン状態監視用の無線センサと一体で製作できる。周知のセンサと比較して、この電流システムでは、無線センサに電力供給するのに使用するバッテリは、サイズを小型化すること、またはなくすことさえ可能であり、それによって保守作業および環境への影響を低減することができる。
【００２３】
以上本明細書において、複数の例を使用して、最良の形態を含め本発明を開示し、また、いずれの当業者も、いずれの装置またはシステムを製作および使用でき、組み込まれたいずれの方法も実行できることを含め、本発明を実施できるようにしている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到した他の例を包含することができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構成要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構成要素を含む場合は特許請求の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２４】
１０  電力システム
１２  エネルギーハーベスティング装置
１４  負荷またはエネルギー貯蔵部
１６  昇圧変圧器
１８  導体
２０  ケーブル
２２  二次電流
２４  電流源
２６  装置
２８  モータ
３０  誘導電流トランスデューサ
３２  磁気コア
３４  中央開口
３６  コイル
３８  巻線
４０  端子
４２  ハウジング
４４  第１の部分
４６  第２の部分
５０  ハウジング
５２  入力側部分
５４  出力側部分
【図１】
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【図２】
2014022740.tif 000004