(57)【要約】【課題】長い距離離れたコイルでも動作しかつ整列不良や負荷変動を受けても高効率であるような非接触型電力転送システムを提供すること。【解決手段】非接触型電力転送システムを提唱する。本システムは、電源に結合されると共に磁場を発生させるように構成された第１のコイルを含む。第１のコイルから磁場を介して電力を受け取るように第２のコイルが構成されている。第１のコイルと第２のコイルの間には場集束素子を配置させると共に、これを定在波電流分布を有する自己共振コイルとして構成している。この場集束素子はさらに、磁場を第２のコイル上に集束させかつ第１のコイルと第２のコイルの間の結合を強化するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源に結合されると共に磁場を発生させるように構成された第１のコイルと、
第１のコイルから磁場を介して電力を受け取るように構成された第２のコイルと、
磁場を第２のコイル上に集束させ第１のコイルと第２のコイルの間の結合を強化するために第１のコイルと第２のコイルの間に配置させると共に定在波電流分布を有する自己共振コイルとして構成させた場集束素子と、
を備える非接触型電力転送システム。
【請求項２】
前記場集束素子は複数の共振子を備える、請求項１に記載の非接触型電力転送システム。
【請求項３】
前記複数の共振子は２つ以上の共振周波数を備える、請求項２に記載の非接触型電力転送システム。
【請求項４】
前記２つ以上の共振周波数は電力及びデータ信号を同時に転送するように構成されている、請求項３に記載の非接触型電力転送システム。
【請求項５】
前記第１のコイル、第２のコイルまたは場集束素子の少なくとも１つは回転軸に沿って互いに回転するように構成されている、請求項１に記載の非接触型電力転送システム。
【請求項６】
前記場集束素子はさらに、電場、磁場または電磁場のうちの少なくとも１つを集束させるように構成されている、請求項１に記載の非接触型電力転送システム。
【請求項７】
励起されると磁場を集束させかつ定在波電流分布を形成するように構成された複数の共振子を備える場集束素子であって、該複数の共振子のうちの１組の共振子は他の共振子と異なる位相で励起されており、かつ該磁気集束素子は少なくとも２つ以上の一意の共振周波数を含む、場集束素子。
【請求項８】
前記共振子は、単一巻コイル、複数巻コイルまたはヘリカルコイルのうちの少なくとも１つを備える、請求項７に記載の場集束素子。
【請求項９】
前記共振子は、うずまき構造、分割リング構造またはロールケーキ型構造のうちの少なくとも１つを備える、請求項８に記載の場集束素子。
【請求項１０】
前記共振子内の電流分布によって磁場分布が成形されている、請求項７に記載の場集束素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には非接触型電力転送に関し、また具体的には共振ベースの非接触型電力転送に関する。
【背景技術】
【０００２】
瞬時型または連続型のエネルギー転送が必要とされるものの相互接続ワイヤでは不便であるようなある種の用途では、非接触型電力転送が望ましい。非接触型電力転送法の１つは、支配的な磁場を発生させる１次変成器コイルと該１次変成器コイルの近傍にあって対応する電圧を発生させる２次変成器コイルとからなる原理に従って動作するような電磁誘導方法である。２次変成器コイルが受け取る磁場はこれら両コイル間の距離の２乗の関数に従って低下するため、距離が数ミリメートルを超えると１次コイルと２次コイルの間の結合は弱くなる。
【０００３】
非接触型電力転送の別の方法では、共振誘導結合によって誘導電力転送の効率を上昇させるようとする。送信器及び受信器の素子は同じ周波数で共振しており、また共振周波数において最大誘導が生じる。しかしこうした共振誘導は負荷やギャップの変動の影響を受けやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第２００９００７２６２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
目下のところ受容可能なものと比べてより長い距離だけ離したコイルでも動作しかつ整列不良や負荷変動を受けても効率がよいような高効率の非接触型電力転送システムが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡単に述べると、非接触型電力転送システムを提唱する。本システムは、電源に結合されると共に磁場を発生させるように構成された第１のコイルを含む。第１のコイルから磁場を介して電力を受け取るように第２のコイルが構成されている。第１のコイルと第２のコイルの間には場集束素子を配置させると共に、これを定在波電流分布を有する自己共振コイルとして構成している。この場集束素子はさらに、磁場を第２のコイル上に集束させかつ第１のコイルと第２のコイルの間の結合を強化するように構成されている。
【０００７】
別の実施形態では、場集束素子を提唱する。この場集束素子は、励起されると磁場を集束させかつ定在波電流分布を形成するように構成された複数の共振子を含む。この複数の共振子のうちの１組の共振子は他の共振子と異なる位相で励起されている。この磁気集束素子はさらに少なくとも２つの一意の共振周波数を備える。
【０００８】
本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による例示的な非接触型電力転送システムを表した図である。
【図２】本発明の一実施形態による例示的な場集束素子を表した図である。
【図３】本発明の様々な実施形態による場集束素子の複数の例示的構造を表した図である。
【図４】複数の共振子がアレイの形に配列されると共に場集束素子として実現されている一実施形態を表した図である。
【図５】本発明の一実施形態による場集束素子の周りの磁場分布を表した図である。
【図６】１次コイルと２次コイルの間の距離の関数とした磁場プロフィールのシミュレーションを表した図である。
【図７】１次コイルと２次コイルの間の距離の関数とした効率プロフィールのシミュレーションを表した図である。
【図８】１次コイルと２次コイルの間の整列不良の関数とした効率プロフィールのシミュレーションを表した図である。
【図９】非接触型電力転送システムが容量性素子を含むような本発明の一実施形態を表した図である。
【図１０】場集束素子によって単一の１次コイルを複数の２次コイルに結合させているような本発明の一実施形態を表した図である。
【図１１】コイル及び／または場集束素子のうちの少なくとも１つが対称軸に沿って回転しているような本発明の一実施形態を表した図である。
【図１２】本発明の一実施形態による共振子の受動型アレイを表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
非接触型電力転送システムは典型的には、１次コイルと２次コイルの間における短距離電力転送により特徴付けされる。例えば誘導式電力転送システムの一実施形態は、１次コイル及び２次コイルを使用しガルバニック絶縁（ｇａｌｖａｎｉｃ  ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）の状態にある２つの回路間で電力を転送する。電源に結合させると１次コイルの周りに磁場が確立される。１次コイルから２次コイルに転送される電力の量は、２次コイルとリンクした１次磁場の量に比例する。電気変成器は高透磁率の磁気コアを使用して１次コイルと２次コイルの間で磁場をリンクさせ、これにより少なくとも約９８％程度の効率を達成している。しかしこうしたシステムを非接触型電力転送向けに構成すると、２つのコイル間のエアギャップによって磁場結合が低下する。こうした結合の低下によって非接触型電力転送システムの効率に悪影響が及ぶ。
【００１１】
本明細書に開示したある種の実施形態によれば、負荷変動に対する感受性が低いロバストな非接触型電力転送システム、コイルの整列不良時の効率のよい電力転送、及び／または電力転送効率を強化する場集束構造が提供される。
【００１２】
図１は、電源１４に結合されると共に磁場（図示せず）を発生するように構成された第１のコイル１２を含む本発明の一実施形態による例示的な非接触型電力転送システム１０を表している。第１のコイル１２から電力を受け取るように第２のコイル１６を構成している。本明細書で使用する場合に「第１のコイル」という用語を「１次コイル」と呼ぶこともあり、また「第２のコイル」という用語を「２次コイル」と呼ぶこともある。第１のコイル１２と第２のコイル１６の間には電源１４からの磁場を集束させるために場集束素子１８を配置させている。別の実施形態ではその場集束素子は、電場及び／または電磁場を集束させるために使用されることがある。「磁場集束素子（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ）」と「場集束素子（ｆｉｅｌｄ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ）」とは置き換え可能に使用している。一実施形態では、磁場集束素子１８を自己共振コイルとして構成させると共に、第１のコイルを介して励起したときに定在波電流分布を有させている。別の実施形態では、磁場集束素子１８を下位波長（ｓｕｂ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）共振子をして構成している。さらに別の実施形態ではその磁場集束素子は能動型アレイまたは受動型アレイとして動作する複数の共振子を含んでおり、共振子の各々は定在波電流分布を伴う自己共振コイルとして構成させている。さらに別の実施形態ではその磁場集束素子はこうした共振子を複数組含んでおり、この共振子組の各々はある特定の位相で励起を受けている。共振子組を異なる位相により励起させると、所望の方向で磁場集束を強化し得ることが理解されよう。
【００１３】
磁場集束素子１８はさらに、第１のコイル１２と第２のコイル１６の間の結合を強化するように磁場を第２のコイル１６上に集束させるように構成されている。図示した実施形態では、一例として場集束素子１８を第１のコイル１２のより近くに配置させている。ある種のシステムでは場集束素子１８を第２のコイル１６のより近くに配置させることが有利となり得る。電源１４から転送される電力を利用するために第２のコイル１６に対して負荷２０を結合させている。ある種の実施形態では非接触型電力転送システム１０を、第２のコイルから第１のコイルにも電力を同時に転送するように構成させ、そのシステムを双方向電力転送可能とさせることがある。想定される負荷の非限定の例には、電球、電池、コンピュータ、センサ、あるいは動作のために電力を必要とする任意のデバイスが含まれる。
【００１４】
非接触型電力転送システム１０は、電源１４から負荷２０に電力を転送するために使用されることがある。一実施形態ではその電源１４は、単相ＡＣ電力発生器や３相ＡＣ電力発生器、あるいはその電力をより高い周波数に変換するための電力変換電子回路と組み合わせたＤＣ電力発生器を含む。第１のコイル１２を磁場集束素子１８の共振周波数で励起させると、磁場集束素子１８内部で場集束素子の２つの開放端部（２２、２４）の間に定在波電流分布が生成される。この定在波電流分布によって磁場集束素子１８の周りの磁場分布が不均一となる。こうした不均一な電流分布は、所望の任意の方向（この例では、第２のコイル１６の方向）に磁場を集束させるように構成される。共振周波数で動作しているときは磁場集束素子１８に対する励起が小さい場合であっても、これが磁場集束素子の長さ２５の方向に電流分布の大きな振幅を生成させる。不均一分布の電流規模が大きいと第２のコイル１６の方向で増幅されかつ集束された磁場となり、より高効率の電力転送に繋がる。
【００１５】
図２は、本発明の一実施形態による例示的な場集束素子を表している。図２には、図１の磁場集束素子１８のようにして実現し得る様々な構造の中からその１つを図示している。図示した実施形態において参照番号３０は、本明細書において「オメガ構造」と呼ぶ磁場集束構造であり、数メガヘルツのレンジで動作する。こうした動作周波数は高いキャパシタンス及びインダクタンスを要求する。「オメガ構造」によれば高いキャパシタンス及びインダクタンスが可能であると共に、共振周波数に近い周波数における負の透磁率も可能となる。負の透磁率は支配的な磁場応答で役立つと共に磁場を制御する際に有効である。こうした構造の共振周波数は、周回（３２、３４、３６）の数、周回間のギャップ（３８）、うずまきの幅（４０）を変更することによって制御することが可能である。「オメガ構造」は、うずまき構造と比較して周囲長さが長いため、より低い共振周波数で動作させるためには構造サイズを小さくする必要がある。
【００１６】
図３は、本発明の様々な実施形態による場集束素子の複数の例示的構造を表している。一実施形態ではその場集束素子は単一ループコイル５０を含む。別の実施形態ではその場集束素子は、分割リング構造５２、うずまき構造５４、ロールケーキ型（Ｓｗｉｓｓ−ｒｏｌｌ）構造５６またはヘリカルコイル５８の場合のような複数の周回を含む。ある具体的な用途向けの構造の選択は、場集束素子のサイズ及び自己共振周波数によって決定される。例えば低電力の用途（例えば、約１ワット未満）では、約１０００ＭＨｚまでの共振周波数が実現可能である。高電力用途（例えば、約１００ワット〜約５００キロワット）では、概ね数百ｋＨｚ程度の共振周波数が実現可能である。ある種の用途では、周波数の選択またしたがって場集束素子の設計が高周波の電場及び磁場に対する人の曝露に関する制約によって制御される。
【００１７】
約１００ｋＨｚから約１００ＭＨｚまでの周波数で動作するように構成し得るコンパクトな共振子を提供するためにロールケーキ型コイル５６が使用されることがある。ロールケーキ型の実施形態は、磁場集束強度の拡張を提供するため、並びにキャパシタンス及びインダクタンスの増大またしたがってコイルの空間構造のサイズ削減のためのコンパクト設計を達成するのに役立てるために使用されることがある。単一のロールケーキ型共振子は、数インチまでの距離での磁場の集束を可能とさせるものと予測される。
【００１８】
ヘリカル構造はらせん（ｈｅｌｉｘ）形状にワイヤを巻き付けたものである。ヘリカル構造５８を磁場集束素子として使用すると、高いＱ値（Ｑ  ｆａｃｔｏｒ）を達成することが可能である。一実施形態では、ヘリカル構造の導体の表面に高導電率材料をコーティングすることによって、高周波数における磁場集束素子内の表皮効果の最小化に役立て、またしたがってより高いＱ値を可能としている。ヘリカル共振子は、双極子やループからなるアレイに類似する。ヘリカル構造は、周回のピッチ及び回数を最適化することによって軸方向に磁場を集束するように設計される。
【００１９】
図４は、複数の共振子がアレイの形に配列されると共に場集束素子として実現されている一実施形態を表している。共振子アレイは、指定の位相関係により励起を受けるように直線状アレイや平面状アレイなどの特定のアレイ配列で配列させた複数の共振子コイルを成している。個々の共振子（６６〜７７）または下位波長共振子は所望の方向に磁場を集束させるように構成されている。こうした配列ではアレイ内の共振子からの磁場は、所望の方向では磁場集束を達成するように建設的に干渉し（加え合い）、また残りの空間では破壊的に干渉する（互いに相殺し合う）。別の実施形態ではその共振子は、直線状、円形、平面状または３次元状アレイのうちの少なくとも１つの形で配列される。図示した実施形態では、個々の共振子７０〜７４が１つの横列の形で配列されており、こうした横列の４つ（６６〜６９）を次々に下にして配列させている。アレイ６４の一部である個々の共振子は、協働して少なくとも１つまたは複数の共振周波数向けに構成される。具体的な一実施形態ではそのアレイの個々の共振子はすべて同一である。
【００２０】
別の実施形態では、所望の方向への磁場集束を達成するように、数個の共振子（例えば、共振子７０〜７４）を個別に異なる位相で励起させている。追加の共振子組（例えば、７０、７５〜７９）は具体的なある位相構成を有することがある。これらの実施形態はいずれにおいても、個々の共振子からの磁場のベクトル和によってアレイ６４の全体磁場が決定される。個々の共振子のパラメータまたは共振子組のパラメータを変動させる場合、こうした変動はアレイの全体磁場パターンを成形するように選択されることがある。変動を提供する様々な方法には例えば、幾何学構成（直線状、円形、矩形、球状、その他）、共振子（７６、７８）間の相対変位、個々の共振子の励起振幅、個々の共振子の励起位相、及び個々の共振子の相対パターンが含まれる。
【００２１】
さらに別の実施形態では、１組の共振子（例えば、６６）を具体的なある共振周波数向けに構成し、また別の共振子組６７を別の共振周波数向けに構成している。こうした構成では、第１の共振子組６６を介して電力が転送され、また第２の共振子組６７によりデータが転送されることがある。別法として、アレイ６４を用いて双方向に電力が転送されることがある。例えば、共振子組６６を介してある方向に電力が転送されかつ同時に組６７を介して反対方向に電力が転送される。
【００２２】
アレイの個々の共振子に対して様々な励起スキームが実現されることがある。こうした例の１つは、能動型アレイを形成するようにアレイ内の個々の共振子をすべて励起することを含む。各共振子に対する励起の振幅及び位相は、それぞれの磁気ビーム方向を変更し能動型ビームステアリングを実現するように制御されることがある。
【００２３】
別の実施形態では、単一の共振子を励起させる一方、これ以外の共振子は励起させた共振子と電磁気的に結合させ受動型アレイを形成させることがある。こうした受動型アレイは、数メートルの距離まで効率よく電力の転送が可能な細長い磁場集束ビームを発生させる。
【００２４】
別の実施形態ではそのアレイは、受動型構造を形成する下位波長寸法の個々の共振子を含む。これらの共振子はいずれも特定的に励起（ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ  ｅｘｃｉｔｅｄ）させていない。しかし、これらを磁場の近くに配置させると、アレイが磁場を集束させることになる。こうした受動型構造の空間配置は、実効的な負透磁率が得られるように設計される。
【００２５】
所望であれば、誘電定数（誘電率）が高い材料内、あるいは透磁率が高い磁性材料内、あるいは誘電率が高くかつ透磁率が高い磁気誘電媒質内に共振子または共振子アレイを埋め込み、よりサイズを小さくした共振子でより低い共振周波数を実現することが可能である。高透磁率材料は共振子の自己インダクタンスを増強しかつ高誘電率材料は共振子の自己キャパシタンスを増強しており、共振の周波数が低下する。別の実施形態では高透磁率材料はさらに、１次コイル、場集束素子及び２次コイルの間の結合を増大させるように構成される。バリウムストロンチウムチタン（ただし、これに限らない）などの材料は、高誘電定数を示す材料の一例である。
【００２６】
図５は、本発明の一実施形態による場集束素子の周りの磁場分布を表している。参照番号８０で示した様々なプロットは、磁場集束素子内部の電流分布を表した縦列８２と、対応する２次元磁場プロットを表した縦列８４と、対応する３次元磁場プロットを表した縦列８６と、を含む。ここに図示したプロットは、変動する電流分布を有する場集束素子として例示的な単一ループ（周回）共振子を含むシミュレーション中に得たものである。例えば非自己共振周波数で動作する場集束素子内部の均一な電流分布８８では、均一な磁場分布９０（９２には対応する３次元像示す）が得られることになり、磁場集束には全く至ることがない。しかし場集束素子を参照番号９４に示したような１フルサイクルの定在波電流分布まで励起させると、参照番号９６に示したように自己共振周波数で動作するときに磁場分布の少なくとも２つのローブが生じる。対応する３次元グラフ９８においてより明瞭なように、軸方向９９に沿って磁場の集束が達成される。別の実施形態では、場集束素子をマルチサイクル（例えば、参照番号１００に示したような２サイクル）の定在波電流分布まで励起させると、参照番号１０２に示したような磁場分布が生じる。参照番号１０４に示したように自己共振周波数で動作させると、番号１０６〜１０８のような複数の磁場ローブが達成される。非接触型電力転送要件に応じて具体的なスキームを実現することができる。例えば、１つの１次コイルが１つの２次コイルに電力を転送している非接触型電力転送システムは、磁場集束素子内部に１フルサイクルの定在波電流分布を実現させることがある。１つの１次コイルが２つ以上の２次コイルに電力を転送している非接触型電力転送システムは、磁場集束素子内部にマルチサイクルの定在波電流分布を実現させることがある。
【００２７】
場集束素子内の電流分布（８８、９４、１００）が変化すると磁場分布（９２、９８、１０４）が変更される。したがって場集束素子のコイル内部の電流分布によって磁場分布が決定される。上で検討したように、磁場分布に影響を及ぼすその他の要因には、コイルの幾何学構成やアレイ内の共振子の特殊配列が含まれる。
【００２８】
図６は、１次コイルと２次コイルの間の距離の関数とした磁場プロフィールのシミュレーションである。図示した実施形態では、グラフ１１０は横座標１１２上にミリメートルを単位として計測したコイル間の距離を表しまた縦座標１１４上に正規化した磁場強度を表している。プロフィール１１６は、図１で検討したような磁場集束素子を実現している非接触型電力転送システム内の磁場強度の変動を表している。プロフィール１１８は、磁場集束素子を実現しない典型的な誘導性非接触型電力転送システム内の磁場強度の変動を表している。約１７ｍｍのコイル間距離における磁場強度は磁場集束素子を実現するシステムでは約０．７ユニットであり、また典型的な誘導性非接触型電力転送システムでは約０．１ユニットだけである。磁場集束素子はコイル間の距離が同じ場合、その磁場強度を少なくとも約１５％〜約３０％増大させる。磁場強度のこうした増大によって、電力転送の全体効率が改善されると共に、１次コイルと２次コイルの間の整列不良に対してシステムをよりロバストとさせることが可能となる。
【００２９】
図７は、１次コイルと２次コイルの間の距離の関数とした効率プロフィールのシミュレーションを表している。図示した実施形態では、グラフ１２２は、横座標１２４上にミリメートルを単位として計測したコイル間の距離を表しまた縦座標１２６上に効率を表している。プロフィール１２８は、図１で検討したような磁場集束素子を実現している非接触型電力転送システム内の効率の変動を表している。プロフィール１３０は、磁場集束素子を実現しない典型的な誘導性非接触型電力転送システム内の効率の変動を表している。約３２ｍｍのコイル間距離における非接触型電力転送システムの効率は、磁場集束素子を実現するシステムでは約９５％である。しかし典型的な誘導性非接触型転送システムでは、同じ約３２ｍｍのコイル間距離でも電力転送効率は約５５％である。磁場集束素子によって同じコイル間距離において効率が少なくとも約４０％〜約５０％だけ向上する。
【００３０】
図８は、１次コイルと２次コイルの間の整列不良の関数とした効率プロフィールのシミュレーションを表している。図示した実施形態ではグラフ１３２は、横座標１３４上にミリメートルを単位として計測したコイル間の整列不良を表しまた縦座標１３６上に効率を表している。プロフィール１３８は、図１で検討したような磁場集束素子を実現している非接触型電力転送システム内の効率の変動を表している。プロフィール１４０は、磁場集束素子を実現しない典型的な誘導性非接触型電力転送システム内の効率の変動を表している。コイル間の整列不良が約１４ｍｍの非接触型電力転送システムの効率は、磁場集束素子を実現するシステムでは約９５％である。しかし、コイル間の整列不良が同じ約１４ｍｍでも、典型的な非接触型誘導式電力転送の効率は約７２％である。図示したプロフィールから明らかなように、磁場集束素子によって整列不良時の効率が向上する。
【００３１】
図９は、容量性素子を含む非接触型電力転送システムの一実施形態を表している。非接触型電力転送システム１４４は、第１のコイル及び第２のコイルのそれぞれに結合された少なくとも１つの容量性素子を含む。容量性素子１４６、１４８は第１のコイル１２及び第２のコイル１６とで、第１のコイル、第２のコイル及び磁場集束素子１８が同じ共振周波数で共振するような同調した共振回路を形成している。
【００３２】
図１０は、場集束素子によって単一の１次コイルを複数の２次コイルに結合させているような一実施形態を表している。例えば場集束素子１５６は、（図５において参照番号１００で示したような）マルチサイクル電流分布を受けたときに複数の磁場分布ローブ（１５３、１５５、１５７、１５９）を示す。図示した実施形態では非接触型電力転送システム１５２は、１つの第１のコイル１５４と少なくとも２つ以上の第２のコイル１５８〜１６２とを結合するように構成された場集束素子１５６を含む。第２のコイル１５８〜１６２は様々な負荷と個々に結合されている。こうした構成によれば、１つの電源からの電力を複数の負荷に同時に転送することが可能となる。
【００３３】
図１１は、コイル及び／または場集束素子のうちの少なくとも１つが対称軸に沿って回転しているような一実施形態を表している。非接触型電力転送システム１６６は、第１のコイル１７０、第２のコイル１７２及び場集束素子１７４の少なくとも１つあるいは全部がこれに沿って回転するように構成される回転軸１６８を含む。図示した実施形態では、第１のコイル１７０は固定されており、また第２のコイル１７２及び場集束素子１７４は回転シャフト１７６上に装着されている。一実施形態では動作の間において回転する磁場集束素子１７４は、静止した第１のコイル１７０と回転する第２のコイル１７２を結合させる回転軸に沿って磁場を集束させるように構成されている。
【００３４】
図１２は、本発明の一実施形態による共振子の受動型アレイを表している。共振子アレイ１８０は、その各々が異なる定在波電流分布（例えば、半サイクル、１フルサイクルまたはマルチサイクル）を有するように構成された複数の個別の共振子１８２〜１９０を含む。例示的な一実施形態では共振子１８２は、図１０において上で検討したような４つの磁場分布ローブを生成させるように共振周波数でマルチサイクル電流分布を有するように構成されている。したがって４つの共振子１８４〜１９０を、その各々が中心の共振子１８２と磁気的に結合されるように共振子１８２の周りに配置させている。共振子１８４〜１９０はさらに、同じ共振周波数で単一サイクル電流分布を有するように構成し、これによりこれら４つの磁場のベクトル和が軸方向１９２に増強された集束磁場となるようにしている。
【００３５】
本明細書においてある種の実施形態で開示したような非接触型電力転送システムは場集束素子を含むように構成されると共に、こうしたシステムの共振周波数が場集束素子の構造により決定されると共に１次及び２次コイルの回路や負荷パラメータと無関係であるため負荷の変動の影響をより受けにくいので有利である。典型的な共振誘導結合ベースの非接触型電力転送システムの効率は、負荷の変動に影響されやすい。こうした誘導性システムにおいて負荷が変動した場合、２次回路の共振周波数が変化してインピーダンス不整合を生じさせ、これにより電力転送の能力及び効率が低下する。本明細書に記載したように、非接触型電力転送システムの磁場集束及び効率を強化するために場集束素子を用いることができる。さらに、上で検討したように単一の共振子または共振子アレイが複数の共振周波数を含み、これら共振周波数の両者またはいずれかによる電力及び／またはデータの転送を可能とさせることがある。例えば、１つの周波数を２次コイルに接続された装置を付勢させるように１次コイルから２次コイルに電力を転送するために使用することがあり、また別の周波数を１次コイルと２次コイルの間でデータ信号を伝送するために使用することがある。電力及びデータの伝送は、１次コイル、場集束素子及び２次コイルにわたって同時に達成することが可能である。
【００３６】
本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  非接触型電力転送システム
１２  第１のコイル
１４  電源
１６  第２のコイル
１８  磁場集束素子／場集束素子
２０  負荷
２２  開放端部
２４  開放端部
２５  長さ
３０  磁場集束構造
３２  周回
３４  周回
３６  周回
３８  周回間のギャップ
４０  うずまきの幅
５０  単一ループコイル
５２  分割リング構造
５４  うずまき構造
５６  ロールケーキ型構造
５８  ヘリカルコイル
６４  共振子アレイ／場集束素子
６６〜６９  共振子組
７０〜７４  個々の共振子
７６  共振子間の変位
７８  共振子間の変位
７５〜７９  個々の共振子
８２  縦列
８４  縦列
８６  縦列
８８  均一な電流分布
９０  磁場分布
９２  磁場分布
９４  １フルサイクルの定在波電流分布
９６  磁場分布
９７  垂直中心軸
９８  磁場分布
９９  軸方向
１００  マルチサイクルの定在波電流分布
１０２  磁場分布
１０４  磁場分布
１０６〜１０９  複数のローブ
１１０  グラフ
１１２  計測距離（単位：ミリメートル）
１１４  磁場強度
１１６  プロフィール
１１８  プロフィール
１２２  グラフ
１２４  計測距離（単位：ミリメートル）
１２６  効率
１２８  プロフィール
１３０  プロフィール
１３２  グラフ
１３４  計測したコイル間の整列不良（単位：ミリメートル）
１３６  効率
１３８  プロフィール
１４０  プロフィール
１４４  非接触型電力転送システム
１４６  容量性素子
１４８  容量性素子
１５２  非接触型電力転送システム
１５４  第１のコイル
１５６  磁場集束素子
１５８〜１６２  第２のコイル
１６６  非接触型電力転送システム
１６８  回転軸
１７０  第１のコイル
１７２  第２のコイル
１７４  場集束素子
１７６  回転シャフト
１８０  共振子アレイ
１８２〜１９０  共振子
１９２  軸方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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