(57)【要約】誘導電力伝達装置は、第１の磁気結合構造および第２の磁気結合構造を有する。構造は、磁束を生成および／または受容するように適合され、これにより電力を誘導的に伝達する。第１の構造は、実質的に円形のコイル（３）を含む。第２の磁気構造は、透磁性コア（５）と関連付けられた少なくとも２つのコイルの配置構成（６、７）を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁気結合構造および第２の磁気結合構造を含む誘導電力伝達装置であって、前記構造は、磁束を生成および／または受容するように適合され、これにより電力を誘導的に伝達し、前記第１の構造は、実質的に円形のコイルを含み、前記第２の磁気構造は、透磁性コアと関連付けられた少なくとも２つのコイルの配置構成を含む、
装置。
【請求項２】
前記第２の磁気構造の前記コイルは、前記第１の構造と前記第２の構造との間の比較的横断方向の動きに対して結合公差を提供するように配置構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記構造の前記比較的横断方向の位置は異なるため、前記第２の構造の前記コイルは、前記第１の構造によって生成される磁界からの電気エネルギーを異なる量で抽出する、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２の構造の前記コイルのうちの１つのコイルは、前記第１の構造によって生成される磁界の第１の方向成分をより高比率で受容し、前記第２の構造の前記コイルのうち別のコイルは、前記第１の構造によって生成される磁界の第２の方向成分をより高比率で受容する、請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記成分は、相互に直交する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
１つの成分は磁束の垂直成分であり、その他の成分は水平成分である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記成分は直角位相にある、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記第２の構造の前記コイルは平坦なコイルである、請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の構造の前記コイルは平坦なコイルである、請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の構造の２つのコイルは隣接関係にある、請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２の構造は、前記少なくとも２つのコイルに対して空間的直角位相を以て配置構成された第３のコイルを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２の構造は、相互に重複する２つのコイルを含む、請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記第２の構造の前記コアは、磁気抵抗がより高いかまたはより低い領域を有する、請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２の構造の前記コアは格子を含む、請求項１乃至１３のうちいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のうちいずれか１項に記載の装置を含む誘導電力伝達システム。
【請求項１６】
添付図面に図示される実施形態のうち任意の１つを参照して本明細書中に実質的に記載されたような装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電力伝達（ＩＰＴ）に関し、電力の非接触的伝達の目的のために磁束を生成および受容する磁気構造（一般的にカプラまたはパッドと呼ばれる）に関連する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＰＴシステムにより可能となるガルバニックおよび物理的分離により、湿潤環境または汚染された環境における安全な動作が可能になり、その結果、システムの信頼性が得られ、メンテナンスも不要となる。これらの特徴が簡便性と相まって、ＩＰＴシステムは多様な用途に用いられている（例えば、家電製品、無人搬送車および電気自動車（ＥＶ）への電力供給）。典型的なシステムの電力伝達レベルは０．５Ｗ〜５０ｋＷであり、カプラ間の空隙は１〜１５０ｍｍである。ＩＰＴがＥＶ再充電のための理想的な方法である理由として、ユーザの介入が不要である点がある。コンクリートまたはアスファルトを地面の結合構造上に載置することが可能であるため、可動部分を用いた他の任意のシステムの場合よりも、極めて高い耐久性およびバンダルレジスタンスが得られる。ＥＶの非接触充電は、変圧器の場合と同様にコイル間の相互結合を通じて誘導的に達成されることが多い。しかし、固有の空隙が大きいため、結合係数（ｋ）は典型的には０．０１〜０．５ぐらいである。
【０００３】
ＩＰＴシステムは、分散型トポロジーまたは集中型トポロジーに主に分類される。分散型トポロジーは、連続的電力が必要な用途に適しており、集中型トポロジーは、固定位置においてのみ電力伝達が必要な用途に適している。分散型システムは、（トラックを形成する）細長ループ状に配置された一次コイルと、１つ以上の二次コイルとを含む。これらの二次コイルは、トラックの小さな一部へと接続されて、電力を負荷へと提供する。集中システムは、別個の一次コイルおよび二次コイルに基づいており、これらのコイルが密接にアライメントされかつ充分な相互結合を有する場合のみに、電力伝達が可能になる。これらのシステムは、密結合型または疎結合型にさらに分類することができる。密結合システムは比較的小さな空隙と共に動作し、ユーザは典型的には、一次コイルを「差し込む」必要がある。密結合システムの一例として、初期の電気自動車のために提案された「充電パドル」がある。疎結合システムは、大きな空隙と共に動作し、ユーザ介入は不要である。これらのシステムは、本明細書の対象である。車両は典型的には、既知の固定位置に駐車されるので（例えば、駐車場、タクシー乗り場およびガレージ）、疎結合集中トポロジーが最適であると思われ、充電ＥＶの文脈において例示的実施形態を記載する。本発明の分野に関連する当業者であれば、本発明は、他のＩＰＴ用途に関連することを理解する。本文書において、磁気結合構造をカプラまたは電力パッドと呼ぶ。これらによって生成される基本的磁路により、任意のＩＰＴシステムのコストおよび実行可能性が決定されることが多い。
【０００４】
ＥＶ製造業者が考える実用的なレベルとしては、電力レベルが２〜７ｋＷであり、使用可能な空隙は１００〜２５０ｍｍである。そのため、１２５ｍｍ空隙を介して７ｋＷを供給することが可能なカプラ設計が車両にとって欠かせないと考えられる。加えて、システムによる電力伝達を、充分な水平公差（典型的には１００ｍｍを超える）と共に行う必要がある。道路用電気自動車（ＲＰＥＶ）の場合、より高い電力レベルおよびより広い離隔距離においてさらに大きなゾーンが所望される。固定型充電用途およびＲＰＥＶ用途どちらにおいても大規模展開の可能性があるため、双方の用途において機能することができる電力パッドが所望されている。また、これらの用途の電気効率およびコスト効率を最大限とし、なおかつ材料の使用量を最小化する必要もある。これらの要求に起因して、ＥＶ充電はＩＰＴにおいて高要求の用途となっている。
【０００５】
典型的な集中ＩＰＴシステムは、３つの主要成分（すなわち、電源、電力カプラ（パッドの形態をとることが多い）およびピックアップ（ＰＵ）コントローラ）を図１に示すように含む。電源は、正弦波電流をＶＬＦ周波数範囲において生成し、本明細書中において言及する例においては典型的には２０ｋＨｚである。そのため、誘導送信器（Ｔｘ．）パッド（Ｌ１）と、そのインピーダンス整合並列補償コンデンサ（Ｃ１）との間に共振が発生する。このアプローチの場合、Ｌ１中の無効電流（Ｉ１）により、送信器パッドの近隣において比較的高い流束密度が発生するため、所与のスイッチ定格における電力伝達が増加する。典型的なＩＰＴＰＵフロントエンドは、Ｌ２およびＣ２を含む並列共振タンクと、モード切替コントローラとからなる。タンク上の電圧を整流し、モード切替コントローラにより、所定の品質係数（Ｑ）においてタンクが動作して電力伝達を上昇させ、利用可能なＤＣ出力を提供することができる。並列補償が一般的にバッテリー充電用途において用いられる理由として、電流制限特性がある。微調整により負荷（ＱＶｏｃ）上の共振電圧を有効に上昇させてバッテリー電圧と整合させ、その間、負荷電流は、受信器（Ｒｘ．）パッドの短絡電流によって固定される。受信器パッドからの電流が所望の公差範囲内に充分に収まる場合のみ、ＩＰＴシステムは、必要な電力の供給を行うことができる。実際には、これを達成するように、巻数比を調節する。上記した例において、「送信器」パッドは一次巻線にたとえられ、ＰＵへ接続されているかまたはその一部を形成する「受信器」パッド構造は、二次巻線にたとえられる。しかし、本発明は、双方向システム（すなわち、電力の流れる方向を逆転させることが可能なシステム）にも適用することが可能である。
【０００６】
ＩＰＴシステムの電力出力（Ｐｏｕｔ）は、（１）に示すように、ＰＵパッドの開回路電圧（Ｖｏｃ）および短絡電流（Ｉｓｃ）ならびに品質係数によって定量化される。この定量化は、送信器パッドの入力端子（ＶｉｎＩ１）におけるＶＡと、変圧器結合係数（ｋ）と、受信器回路の動作Ｑとによって以下のように表すこともできる。
【数１】
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（１）
【０００７】
結合係数は、異なるパッドトポロジーの磁気特性の直接的比較の有用な尺度として用いることができ、ＬＣＲメータを用いて数個の測定を行うことにより容易に判定することができる。ＰＵの動作Ｑを一時的に無視して、磁気設計および出力電力を分離させた後、ＶＡおよびｋ２を駆動する送信器に関連させる。実際には、供給への入力電圧は限定されている（例えば、２４０Ｖ）ため、最大送信器ＶＡに制約が発生する。その結果、出力電力がｋに強く依存し、所与の空隙において最大ｋを有する設計が好適である。現在のＥＶにおいて、製造業者は小型都市車両に注力しており、これらは典型的には最低地上高が極めて低いため、カプラ間の必要な空隙を１２５ｍｍまで低減することができる。ＪＭＡＧと呼ばれる３Ｄ有限要素方法（ＦＥＭ）ソフトウェアパッケージは、一定の電流源で駆動される電力パッドのモデル化のために用いられる。パッド動きまたはパラメータ変化（例えば、コイル直径）と共にインダクタンスが変化するため、駆動ＶＡが絶対的に増加する。実際、このＶＡの増加は、直列容量をＴｘパッドへ付加することにより、実現することができ、これにより、供給部におけるインダクタンスを有効に低減する。しかし、同調感度も増加するため、実際に付加することが可能な量は限られる。Ｐｓｕおよびｋのピークは通常は、同一設計点において発生することは無い。その結果、性能要求（本明細書中において言及される例中の７ｋＶＡ）を満たすパッド設計を選択するためには、結合およびパッドインダクタンスの駆動における妥協を伴うことが多い。
【０００８】
円形設計に基づいたカプラは、ＥＶ充電において用いられる最も一般的なカプラトポロジーである。公知の円形パッド構造を図２に示し、本発明者らの国際特許出願公開ＷＯ２００８／２４０３３中に記載されている。本明細書中、同文献の内容を参考のため援用する。誘導結合型充電器においては、一般的に２つの円形電力パッドが用いられ、これらの電力パッドの寸法は、例えば直径４００ｍｍであり、厚さが２５ｍｍである。
【０００９】
しかし、このような誘導充電器を用いるためには、充電パッド上に比較的高精度に（典型的には、完全アライメントの５０ｍｍ以内に）車両を配置する必要があり、車両上の電力パッドと地上の電力パッドとの間の離隔距離（すなわち、垂直クリアランス）も高精度に制御する必要がある。原則的には、垂直スペーシングが０ｍｍ〜１００ｍｍである場合、誘導電力伝達の達成が可能であるが、システムが１００ｍｍ用に設定されている場合、１２０ｍｍにおいて電力が大きく低減し、５０ｍｍを下回ると動作不能となり得る。このような状態が発生する理由として、パッド間の距離変化と共に、電力パッドの自己インダクタンスおよび相互インダクタンス双方が大きく変動する点がある。そのため、１００ｍｍにおいて、電力パッド受信器またはピックアップのピックアップ電圧は１００Ｖとなり得、短絡電流は５．０Ａとなると、電力定格が５００Ｗになる。ＩＰＴシステム電子部品がＱ係数４で動作する場合、２ｋＷをバッテリーへと伝達させることができる。しかし、必要な電力を適切なバッテリー電圧で生成することにおいて未だに困難がある。
【００１０】
図２の公知の電力パッド構造は、アルミニウムケース１を含む。アルミニウムケース１は典型的には、８個のフェライトバー２およびコイル３を含む。コイル中の電流に起因して、フェライトバー中に磁束が発生し、この磁束中の磁束線がフェライトバー上に開始し、コイルを含む経路を通じて、バーの他端へと伝播する。この経路は、半楕円形形状とみなすことができる。単一のバー用の磁束線４を図３に示す。これらの磁束線は、フェライト中から上方に出て、バーの他端へと伝播し、直角で入る。パッドへ戻る磁束は無い。なぜならば、固体アルミニウム支持プレート１により、磁束が遮断されるからである。実際のパッドにおいては、これら８個のバーから、図３Ａ中におおよその断面を示す磁束パターンが得られる。実際の磁束パターンのシミュレーションを図３Ｂに示す。
【００１１】
図３Ｂから分かるように、最高点において、磁束線は実質的に水平にある。そのため、一次パッドと二次パッドとの間において可能な最大離隔距離を得るために、この水平磁束を検出することが有利である。しかし、それでも水平磁束は比較的パッドに近接し（パッドからパッドの直径の約１／４が延び）、また、電力パッドの真中心において水平磁束は全く存在しない。そのため、最大流束密度が理想的となる中心点において、実際に利用可能な水平磁束成分はゼロである。本文書中用いられる円形パッドまたはカプラとは、（必ずしも真円ではない）コイル配置構成が活発時において図３Ｂに示す様態と同様の様態で磁束を方向付けるカプラを指す。すなわち、円形カプラを生成する磁束中心から意図される受信器カプラに向かう方向の軸に沿っては水平磁束はほとんど無い。
【００１２】
ピックアップパッド（すなわち、車両に取り付けられた電力パッド）中の誘導電圧は、（相互インダクタンス変動に対応する）離隔距離に対して極めて高感度であるため、１２０ｍｍにおいてはおよそ４０％程低減し、５０ｍｍにおいては係数２程増加する。電力低下に起因して、車両は通常時においてフル充電されなくなり、その上、さらに困難な状況として、より小さな離隔距離において伝達電力が高くなる結果、回路成分への負荷が過度に高くなる。また、離隔距離が低減した場合、ピックアップコイルの自己インダクタンスも変化するため、回路が周波数から外れて動作し、その結果、電源上へのストレスが増加する。離隔距離が減少しても、一次側上の微調整されていないピックアップに起因する電源上へのストレスに耐えることができず、システムをシャットダウンする必要が出てくる。実際に、４０〜１００ｍｍの離隔距離においては動作可能であるものの、より広い範囲においては動作は困難となる。
【００１３】
４０〜１００ｍｍの範囲の離隔距離は極めて小さい。車両の最低地上高が比較的高い場合、車両上の電力パッドを低くするかまたは地上の電力パッドを高くするかのいずれかを行う必要がある。これを行うための自動システムに起因して、充電システムの信頼性に妥協が生じる。あるいは、地上のパッドを固定された隆起プラットフォーム上に設けることもできるが、このようなパッドがある場合、車両非充電時においてつまずく危険性が発生し、ガレージまたは車両および歩行者の通る場所においてはこのような状況を回避することが一般的に必要である。
【００１４】
〔目的〕
本発明の目的は、従来技術の不利点を解消または軽減するかまたは有用な選択肢を少なくとも提供する磁束伝達または受容装置を提供することである。
【発明の概要】
【００１５】
一態様において、本発明は、第１の磁気結合構造および第２の磁気結合構造を含む誘導電力伝達装置を提供する。これらの構造は、磁束を生成および／または受容するように適合され、これにより電力を誘導的に伝達し、第１の構造は、実質的に円形のコイルを含み、第２の磁気構造は、透磁性コアと関連付けられた少なくとも２つのコイルの配置構成を含む。
【００１６】
好適には、第２の磁気構造のコイルは、第１の構造と第２の構造との間における比較的横断方向の動きに対して結合公差を提供するように、配置構成される。
【００１７】
好適には、構造の比較的横断方向の位置は異なるため、第２の構造のコイルは、第１の構造によって生成される磁界からの電気エネルギーを異なる量で抽出する。
【００１８】
好適には、第２の構造のコイルのうちの１つのコイルは、第１の構造によって生成される磁界の第１の方向成分をより高比率で受容し、第２の構造のコイルのうち別のコイルは、第１の構造によって生成される磁界の第２の方向成分をより高比率で受容する。
【００１９】
請求項４に記載の装置において、成分は、相互に直交する。
【００２０】
好適には、１つの成分は磁束の垂直成分であり、その他の成分は水平成分である。
【００２１】
好適には、成分は直角位相にある。
【００２２】
好適には、第２の構造のコイルは平坦なコイルである。
【００２３】
好適には、第１の構造のコイルは、平坦なコイルである。
【００２４】
好適には、第２の構造の２つのコイルは隣接関係にある。
【００２５】
好適には、第２の構造は、第３のコイルを含む。第３のコイルは、少なくとも２つのコイルに対して空間的直角位相の状態で配置構成される。
【００２６】
好適には、第２の構造は、相互に重複する２つのコイルを含む。
【００２７】
好適には、第２の構造のコアは、磁気抵抗がより高いかまたはより低い領域を有する。
【００２８】
好適には、第２の構造のコアは、格子を含む。
【００２９】
別の態様において、本発明は、上記記載のうちの１つの装置を含む誘導電力伝達システムを広範に提供する。
【００３０】
別の態様において、本発明は、第１の磁気結合構造および第２の磁気結合構造を含む誘導電力伝達装置を広範に提供する。構造は、磁束を生成および／または受容するように適合され、これにより電力を誘導的に伝達し、第１の構造は、実質的に円形のコイルを含む。第２の磁気構造は、少なくとも２つのコイルの配置構成を含む。少なくとも２つのコイルは、実質的に同一面内に配置される。
【００３１】
好適には、第２の構造の少なくとも２つのコイルは、相互に隣接する。
【００３２】
好適には、第２の構造の少なくとも２つのコイルは隣接関係にある。
【００３３】
あるいは、少なくとも２つのコイルは、相互に重複する。
【００３４】
好適には、第２の構造は、少なくとも２つのコイルに対して空間的直角位相を以て配置構成された第３のコイルを含む。
【００３５】
好適には、双方の構造のコイルは、実質的に平坦なコイルを含む。
【００３６】
別の態様において、本発明は、第１の磁気結合構造および第２の磁気結合構造を含む誘導電力伝達装置を広範に提供する。構造は、磁束を生成および／または受容するように適合され、これにより電力を誘導的に伝達し、第１の構造は、実質的に相互に隣接しかつ実質的に同一面内にあるように配置構成された２つのコイルを含む。第２の磁気構造は、少なくとも３つのコイルの配置構成を含む。２つのコイルが実質的に同一面内に配置され、相互に隣接し、第３のコイルが、２つのコイルと空間的直角位相を以て配置構成される。
【００３７】
好適には、双方の構造のコイルは、実質的に平坦なコイルを含む。
【００３８】
別の態様において、本発明は、本発明の上記記載のうち任意の１つの装置を含むＩＰＴシステムを広範に提供する。
【００３９】
別の態様において、本発明は、誘導電力伝達の方法を提供する。方法は、実質的に円形のコイルを有する第１の構造を用いて磁束を生成するステップと、第１の構造からの磁束を少なくとも２つのコイルを有する第２の構造を用いて受容することとを含む。少なくとも２つのコイルは、実質的に同一面内に配置される。
【００４０】
別の態様において、本発明は、誘導電力伝達の方法を提供する。方法は、実質的に相互に隣接しかつ実質的に同一面内にあるように配置構成された２つのコイルを含む第１の構造を用いて磁束を生成するステップと、第１の構造からの磁束を少なくとも３つのコイルの配置構成を含む第２の構造を用いて受容するステップとを含む。２つのコイルが実質的に同一面内に配置され、相互に隣接し、第３のコイルが、２つのコイルとの空間的直角位相を以て配置構成される。
【００４１】
別の態様において、本発明は、誘導電力伝達磁気結合装置を広範に提供する。誘導電力伝達磁気結合装置は、透磁性材料の格子構造を含む。
【００４２】
好適には、格子構造は、接続された透磁性材料バーを複数含む。
【００４３】
好適には、構造は、複数の長細バーと、バーに接続する複数の接続部材とを含み、これにより格子構造を提供する。
【００４４】
好適には、バーは、実質的に並列である。
【００４５】
好適には、バーは、長手方向に配置構成され、接続部材は、横断方向においてバーと相互接続する。
【００４６】
好適には、相互接続部材は、構造を通じて複数の方向において磁路を提供するように、間隔を空けて配置される。
【００４７】
好適には、構造は、フェライトを含む。
【００４８】
さらなる態様において、本発明は、ＩＰＴ磁束パッドまたはカプラを提供する。ＩＰＴ磁束パッドまたはカプラは、１つ以上の通電可能なコイルを含む。１つ以上の通電可能なコイルは、格子構造を有する透磁性コアと関連付けられる。
【００４９】
好適には、コイル（単数または複数）は、コアの片側に配置される。
【００５０】
好適には、コアは、複数の長細バーと、バーに接続する複数の接続部材とを含み、これにより格子構造を提供する。
【００５１】
別の態様において、本発明は、第１の磁気結合構造および第２の磁気結合構造を含む誘導電力伝達装置を広範に提供する。構造は、磁束を生成および／または受容するように適合され、これにより電力を誘導的に伝達する。第１の構造は、実質的に円形のコイルを含む。第２の磁気構造は、２つ以上のコイルの配置構成を含む。コイルのうち少なくとも１つは、透磁性コアの周囲に巻かれる。
【００５２】
好適には、第２の構造の２つ以上のコイルはどちらとも、コアの周囲に巻かれる。
【００５３】
１つの実施形態において、第２の磁気構造のコイルのうち少なくとも１つは、複数の部分コイルを含む。
【００５４】
１つの実施形態において、第２の磁気構造のコイルのうち１つは、コアを通じて１つの方向に移動する磁束からエネルギーを抽出し、第２の磁気構造のコイルのうち別のものは、コアを通じて異なる方向に移動する磁束からエネルギーを抽出する。
【００５５】
１つの実施形態において、第２の磁気構造のコイルのうち１つは、その他のコイル中において移動する磁束の方向に対して直角な方向において移動する磁束からエネルギーを抽出する。
【００５６】
１つの実施形態において、第２の磁気構造のコイルのうち１つは、実質的に平坦なコイルを含む。別の実施形態において、複数の平坦なコイルは、第２の磁気構造に関連する磁気中に提供される。
【００５７】
本発明のさらなる態様は、以下の記載から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】ＩＰＴシステムの成分を示す基本的な回路図である。
【図２】公知の形態のＩＰＴ電力伝達パッドの一部の斜視図である。
【図３】図２のパッドの一部の断面の立面図であり、磁束線を示す。
【図３Ａ】図２のパッドの断面の平面図および立面図であり、磁束線を示す。
【図３Ｂ】図２のパッドの（磁束線によって示される）磁界のコンピュータシミュレーションの断面の立面図である。
【図４】図２に示すようなパッドを含むＩＰＴシステム磁束送信器および受信器の配置構成の第１の実施形態の部分断面の立面図である。
【図５】図４の配置構成と共に用いられるピックアップ制御回路の簡単な回路図である。
【図６】図２に示すようなパッドを含むＩＰＴシステム磁束送信器および受信器の配置構成の第２の実施形態の立面図である。
【図７】図６の配置構成と共に用いられるピックアップ制御回路の簡単な回路図である。
【図８】図２に示すようなパッドを含むＩＰＴシステム磁束送信器および受信器の配置構成の第３の実施形態の立面図である。
【図９】図２に示すようなパッドを含むＩＰＴシステム磁束送信器および受信器の配置構成の第４の実施形態の部分断面の立面図である。
【図９（ｂ）】図２に示すようなパッドを含むＩＰＴシステム磁束送信器および受信器の配置構成の第５の実施形態の部分断面の立面図である。
【図１０】図２に示すようなパッドを含むＩＰＴシステム磁束送信器および受信器の配置構成の第６の実施形態の平面図である。
【図１１】ＤＤパッドの簡単なモデルであり、コイルａおよびｂならびに相互結合によってそれぞれ生成された主要磁束成分Φａ、ΦｂおよびΦｉｐを含む。
【図１２】（ａ）水平にアライメントされた、ＤＤＱ−ＤＤシステムのｘｚ面における磁束密度ベクトル、及び（ｂ）１９０ｍｍだけミスアライメントされた、ＤＤＱ−ＤＤシステムのｘｚ面における磁束密度ベクトルを示す。
【図１３】多様な幅（Ｉ１＝２３Ａ）の直角位相コイルの電力プロファイルを示す。
【図１４】異なるパッド組み合わせ（ａ）Ｐｓｕおよび（ｂ）ｋ（２０ｋＨｚにおけるＩ１＝２３Ａ）の垂直プロファイルを示す。
【図１５】異なる送信器パッド上の異なるコイルまたは組み合わされたコイルを備えた受信器パッドの電力プロファイルを示す。
【図１６】異なるパッド組み合わせ（Ｑｍａｘ＝６）（ａ）円形対円形およびＤＤＱ対ＤＤ、ならびに（ｂ）円形対円形およびＤＤＱ対円形（２０ｋＨｚにおいてＩ１＝２３Ａ）における７ｋＷ充電ゾーンを示す。
【図１７】側方（上部）からおよび上方（下部）から見たバイポーラパッドを示す。
【図１８】多様なパッド組み合わせにおけるネーティブＶＡ接続（Ｐｓｕ＝Ｉｓｃ＊Ｖｏｃ）の変位を示す。
【図１９】図１８の組み合わせにおいて３ｋＷを達成することが可能な領域を示す。
【図２０】図１８の組み合わせについてパッドが電力を送達する実際のＱを示す。
【図２１】格子を形成する相互接続フェライトブロックを用いた変更されたコアまたは後面を用いることにより、円形送信器パッドからの磁束取得が向上するバイポーラパッドを示す。
【図２２】異なるフェライト後面を用いた４つのバイポーラパッド構造を示す。
【図２３（ａ）】一次円形パッドと、類似のコイルサイズを備えた図１６の多様なバイポーラパッド構造との間のｘ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２３（ｂ）】一次円形パッドと、類似のコイルサイズを備えた図１６の多様なバイポーラパッド構造との間のｘ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２３（ｃ）】一次円形パッドと、類似のコイルサイズを備えた図１６の多様なバイポーラパッド構造との間のｘ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２３（ｄ）】一次円形パッドと、類似のコイルサイズを備えた図１６の多様なバイポーラパッド構造との間のｘ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２４（ａ）】一次円形パッドと、類似のコイルサイズを備えた図１６の多様なバイポーラパッド構造との間のｙ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２４（ｂ）】一次円形パッドと、類似のコイルサイズを備えた図１６の多様なバイポーラパッド構造との間のｙ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２４（ｃ）】一次円形パッドと、類似のコイルサイズを備えた図１６の多様なバイポーラパッド構造との間のｙ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２４（ｄ）】一次円形パッドと、類似のコイルサイズを備えた図１６の多様なバイポーラパッド構造との間のｙ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２５（ａ）】一次円形パッドと、同一のフェライト構造および異なるコイルサイズを有する２つのバイポーラパッド構造との間のｘ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２５（ｂ）】一次円形パッドと、同一のフェライト構造および異なるコイルサイズを有する２つのバイポーラパッド構造との間のｘ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２５（ｃ）】一次円形パッドと、同一のフェライト構造および異なるコイルサイズを有する２つのバイポーラパッド構造との間のｘ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２５（ｄ）】一次円形パッドと、同一のフェライト構造および異なるコイルサイズを有する２つのバイポーラパッド構造との間のｘ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２６（ａ）】一次円形パッドと、同一のフェライト構造および異なるコイルサイズを有する２つのバイポーラパッド構造との間のｙ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２６（ｂ）】一次円形パッドと、同一のフェライト構造および異なるコイルサイズを有する２つのバイポーラパッド構造との間のｙ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２６（ｃ）】一次円形パッドと、同一のフェライト構造および異なるコイルサイズを有する２つのバイポーラパッド構造との間のｙ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２６（ｄ）】一次円形パッドと、同一のフェライト構造および異なるコイルサイズを有する２つのバイポーラパッド構造との間のｙ変位における、電圧、電流結合係数および全体非補償型ＶＡプロファイルをそれぞれ示す。
【図２７】格子の形態のコアまたは後面を有するバイポーラ磁束受信器の下側からの平面図である。
【図２８】格子の形態のコアまたは後面を有するＤＤＱ磁束受信器の上側からの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
記載全体において、適切な場合、多様な実施形態中の類似の特徴を類似の参照符号によって示す。
【００６０】
図４に、ＩＰＴシステムのための磁気構造の新規の相互運用可能な配置構成の第１の実施形態を示す。図４を参照して、システムは、円形送信器構造および受信器を含む。受信器は、（好適には、透磁性フェライトまたは類似の所望の磁気特性を有する材料によって構成された）Ｅ字型の断面を有するコア５を含む。コア５は、３つの実質的に並列な垂直脚部と、隣接脚部を相互に接続する直交接続領域とを含む。このジオメトリのコアを、平坦なＥコアと呼ぶ場合がある。
【００６１】
コア５は、垂直軸（コア５の中央脚部）の周囲に巻かれた第１のコイル６と、コアの水平軸の周囲に巻かれた第２のコイル３とを含む。円形送信器コイル３の中心の近隣にコイル配置構成が配置されるようにピックアップが配置されている様子が図示されている。コイル３中に流れる電流により、反時計回りの磁界および時計回りの磁界が送信器パッドの対向する側部上に図４に示すように発生する。図４から分かるように、受信器構造が送信器上にセンタリングされた場合、コア５の中央脚部を通過する磁束に起因して、コイル６中に電流が発生する。受信器構造が図４に示すように側方に移動した場合（すなわち、中心から外れて移動した場合）、中央脚部を通じて流れる磁束が減少し、コア５の水平軸を流れる磁束が増加し、この磁束に起因して、コイル７中に電流が発生する。そのため、受信器コアと円形送信器との間の相対的位置変化に起因する磁束変動からのエネルギー抽出を確実に行うことができるように複数のコイルが受信器コア周囲に巻かれたこの配置構成により、より広範囲の動きからの電力抽出を行うためのピックアップが可能になる（すなわち、システムにより、結合構造間の相対的横断方向に対する結合公差をより大きくすることが可能になる）。その結果、ミスアライメントに対するシステムの公差がより大きくなる。
【００６２】
図５は、図４のピックアップ構成のための可能な微調整および電力制御回路を示す。この回路は、独立型微調整コンデンサ８および９と、コイル６および７のための整流器１０および１１とをそれぞれ含む。調整回路を主に参照符号１２によって示す。調整回路１２は、公知の様態で動作し、一次コイル３からピックアップを分離して、一定電圧を負荷１３へ供給する。この制御戦略について、米国特許第５，２９３，３０８号中にさらなる詳細が記載されている。本明細書中、同文献の内容を参考のため援用する。
【００６３】
必要ならば、一連の微調整コンデンサを各コイル６および７に対して設けてもよく、これにより、第１のコイルおよび第２のコイル双方の有効短絡電流および開回路電圧出力を整合させることが確実になり、これにより、電力プロファイルの均等化が可能になる。
【００６４】
図６は、本発明による、ピックアップのための受信器装置の第２の実施形態を示す。この実施形態において、図４の２つのコイル６および７はそれぞれ、１組の部分コイル（本実施形態においてはハーフコイル）１４および１５ならびに１６および１７を含む。この構成において、送信器パッドの円形コイル３からの垂直に方向付けられた磁束は、Ｅコアの中央脚部を通じて流れ、コアの接続部を通じて分離する。これらの接続部は、中央脚部のいずれかの側部に設けられ、中央脚部をコアの残りの２つの脚部へと接続させる。理解されるように、接続部の軸部は、コア５の脚部の軸部に直交しており、本実施形態において、部分コイルはコア５の接続部上に設けられる。コイル１６および１７は、コア５の中央脚部中に流れる磁束からエネルギーを抽出し、接続部を通じて分割し、これにより、コイル１６および１７は、図７に示すように発生した電流を加算するように配置構成される。この電流は、各コイル中において異なる方向に流れる。コイル１２および１３は、コア５を通じて水平方向に１つの方向に流れる磁束からエネルギーを抽出し、これにより、これらのコイルは、発生した電流を加算するように配置構成される。本実施形態における関連する微調整および電力制御回路を図７に示す。
【００６５】
図７中の微調整コンデンサは、異なる磁気回路に全て対応するように、個別に選択する必要がある。ここでも、この配線配置構成により、図５に示すような同一形態の出力が得られ、この配線配置構成は、トラック回路の追加により無限に延長することが可能である。また、脚部および接続部をさらなる部分コイルと共に追加することにより、Ｅコアも延長可能である。ここでも、一連の微調整コンデンサをコイル出力に整合するようにコイルのために設けることができ、よって、電力プロファイルをさらに均等化することが可能になる。
【００６６】
第１の実施形態と同様に、図６および図７の実施形態において、配置構成により、電子制御回路の変更またはコスト増加を殆ど伴うことなく、有用な電力出力を達成しつつ円形パッド構造を用いたＩＰＴシステムの横方向（すなわち、横断方向の）動きの有効範囲が増加する。
【００６７】
図８を参照して、さらなる実施形態が図示されている。この実施形態において、図６および図７の実施形態は、コア５を有する。コア５は、Ｅコアとしてではなく平坦なコア構造として設けられる。磁束を受容（または伝達）する穴領域２０が残るように、部分コイル１４および１５ならびに１６および１７をコアの周囲に巻き付ける。この実施形態の動作は、図６および図７の実施形態を参照して説明したものと同じである。
【００６８】
図９を参照して、さらなる実施形態が図示されている。この実施形態において、図６および図７の実施形態は、コア５を有する。コア５は、Ｅコアとしてではなく平坦なコア構造として設けられる。部分コイル１４および１５はここでも存在しており、コアを通じて１方向に移動する磁束を取得し、この構成において同相で付加される。別の実施形態として、１つのより大きな単一のコイル（１４および１５の組み合わせ）が設けられる。部分コイル１６および１７の代わりに、平坦なコイル２１が用いられる。平坦なコイル２１は、平坦なコイル２１の後方のコア中央部のコア５に進入する磁束を取得する。
【００６９】
図９ｂを参照して、さらなる実施形態が図示される。この実施形態において、図６および図７の実施形態は、Ｅコアとしてではなく平坦なコア構造として設けられたコア５を有する。部分コイル１４および１５はここでも存在しており、コアを通じて反対方向に移動する磁束を取得する。そのため、この構成において、部分コイル１４および１５は、相がずれた状態で付加される。部分コイル１６および１７の代わりに、相がずれた２つの平坦なコイル２２が付加される。
【００７０】
図１０は、受信器構造のさらなる実施形態を示す。この実施形態において、図７および図８の実施形態の部分コイル１４および１５の代わりに、単一の中央コイル２３が用いられる。電気接続も図１０中に図示される。部分コイル１６および１７が相がずれた状態で接続されており、これにより、第２のコイルにより、コア中において反対方向において移動する磁束からエネルギーが抽出される。
【００７１】
別の実施形態において、新規のパッドトポロジーにより、図１１に示すようなフェライト細長片の（周囲ではなく）上方に２つのコイルを配置することにより、不要な後方磁路が無くなる。本文書中、この形態のパッドをＷＯ２０１００９０５３９Ａ１に記載のようにＤＤパッドまたは構造と呼ぶ。フェライト（これは、実施形態中において並列バーの形態で提供されており、これによりコアにおいて磁気抵抗がより高いまたはより低い領域が得られ、所望の磁路が促進される）により、コイルの後側の主要磁束が方向付けられ、磁束が一側部上に強制的に放射され、その結果損失がほとんど無くなる。理想的なＤＤ磁路を図１１に示す。これらの経路により、類似の形状の受信器パッドの結合が可能になる。なぜならば、基本的高さ（ｈｚ）がパッド長さの1/2に比例するからである。２つの電力パッド間の高結合係数を達成するための主要な特徴として、パッド内結合ｋｉｐがある。図１１の影付き領域内におけるコイルの幅を調節することによりパッド内磁束（Φｉｐ）の高さを制御して、コイルａおよびｂ間に「フラックス管」を得る。受信器パッドへ結合する磁束Φｉｐのごく一部は相互磁束（ΦＭ）となり、よって、フラックス管を形成するコイルの部分を最大限に長くすべきである。逆に、銅の節約およびＲａｃの低減のため、コイルの残りの長さを最小限にする必要がある。このようにすることにより、コイル形状が「Ｄ」の字型となり、このようなコイルが２つ背中合わせに設けられるため、本明細書中パッドをダブルＤ（ＤＤ）と呼ぶ。
【００７２】
最適化プロセスの結果、６×１９３コアを含む（図１１に示すような）４つの細長片を用いた７７０ｍｍ×４１０ｍｍのパッドが構築された。このコイルは、６．３６ｍｍ２Ｌｉｔｚワイヤをピッチ６．１ｍｍで２０回巻くことによって得られ、その結果、長さ２４０ｍｍのフラックス管（４３％をフェライトで被覆）が得られた。
【００７３】
ＤＤ受信器コイルは、水平磁束成分のみを結合させることができる。そのため、第２の受信器コイルを追加することにより、受信器パッドのｘ方向水平オフセットに対する公差を大幅に向上させることができる。このコイルは、垂直磁束のみを取得するように設計され、ＤＤに対して空間的直角位相をとる。このさらなるコイルは、磁束取得の向上のために長尺のフェライト細長片を必要とし、本明細書中、この組み合わせ構造をＤＤＱ受信器と呼ぶ。この形態の受信器について、ＷＯ２０１００９０５３９中に記載がある。図１２（ａ）の磁束プロットに示すように、パッドがアライメントされている（δｚは１２５ｍｍ）とき、ＤＤ送信器と直角位相受信器コイルとの間に相互磁束は存在せず、ＤＤからはフル出力電力が供給される。しかし、（図１２（ｂ）の磁束プロットの場合のように）受信器が１９０ｍｍだけ水平オフセットした場合、直角位相コイルは磁界取得のための理想的な位置に配置され、フル出力電力を供給することができる。その間、ＤＤの電力プロファイルはヌルに近づく（これは、δｘ＝２４０ｍｍにおいて発生する）。
【００７４】
ＷＯ２０１００９０５３９に記載のＤＤＱ受信器の場合、直角位相コイルを任意の最適化の前に構築していたが、このように決定されていたのは、コイル幅低減により性能向上が得られるからである。最適化プロセスを行うためには、多様な幅の直角位相コイルについてｘ方向の電力プロファイルを入手する必要がある。これらのプロファイルは、１２５ｍｍ空隙と共に行われ、結果を図１３に示す。差し込み図から分かるように、所与のコイル幅範囲について、ＤＤコイル内に適合させる必要がある。４５０ｍｍ幅のコイルにおいてＰｓｕが達成されたが、Ｐｓｕは類似であるがＬｉｔｚワイヤの長さが全体的に１．６ｍ低減したため、４１０ｍｍ幅が選択された。
【００７５】
ＩＰＴ充電の利点は周知であり、学術界および産業界により、システムの大幅な発展が得られている。現在、円形パッドは、基本的に低性能でありまたＲＰＥＶ用途には不適切ではあるものの、最も一般的に用いられている。シミュレーションを通じた相互運用性調査を行う前に、実験測定対シミュレーションを行って、異なるパッドを含むモデルが高精度であるかを確認した（元々の寸法が７００ｍｍの円形パッドを用いた）。その結果、両者の結果に対応関係が認められたため、円形パッド中のコイルの直径をδＡｌ４０ｍｍに調節し、直角位相コイル幅を４１０ｍｍに設定した。３つの異なる組み合わせを「受信器対送信器」と呼び、以下の３つの組み合わせを用いた：円形対円形、ＤＤＱ対円形およびＤＤＱ対ＤＤ。
【００７６】
最適化を行う前に、先に述べた組み合わせについて性能測定をいくつか行い、また、本明細書中、図１７に示すバイポーラパッドと呼ばれるパッド構造のさらなる形態についても行った。１つの実施形態において、バイポーラパッドは、下部から、アルミニウムプレート３７と、誘電スペーサ３６と、４行のフェライトバー３５（本明細書中フェライトと呼ぶ）を含むコア３４と、２つのコイル３２および３３と、誘電カバー３８とからなる。これらのコイル３２および３３は、平坦な実質的に同一平面上にあり、重複し、理想的には（必ずしも必要ではないが）「矩形」であり（実際には、コイル３２および３３は、Ｌｉｔｚワイヤ巻回を容易にするためにより楕円形に近い形状であり）、横方向に分散される。コア３４はシールドとして機能するため、理想的には全磁束をコア４を通じてパッド上部を通じて通すとよい。プレート３７は、以下の２つのみを行うように機能する：ａ）特定の環境内においてコア３４の上方に存在し得る小さな漂遊磁界またはスプリアス磁界を無くすこと、およびｂ）さらなる構造強度を提供すること。
【００７７】
バイポーラパッドの磁気構造は、コイル３２および３３間の相互結合が実質的に無いように設計される。その結果、相互の結合電圧も無しでコイルの調整を任意の大きさまたは位相において独立的に行うことが可能になり、よって、その他のコイルの磁束取得および電力伝達への影響無く、各コイルを独立的に調整し規制することができる。
【００７８】
バイポーラパッドの２つの一次コイル３２および３３が相互に任意に重複して配置された場合、コイル間に相互結合が発生する。しかし、コイル幅の重複比が特定レベルになった場合、この相互結合はほぼゼロになる。各コイル間の相互結合を確実にゼロにするための理想的な重複は、フェライトの存在に起因して、簡単に得ることはできないものの、１つのコイルを固定し、このコイルへの通電を所定の電流で固定周波数で（例えば適切な３Ｄシミュレータを介してまたは適切な実験セットアップを用いて）行うことにより、決定することができる。その後、第２の一次コイル中において発生した開回路電圧を測定することができる。重複を変化させるように第２のコイルを移動させた場合、結合電圧が変化する。これを（理想的にはゼロまで）最小化した場合、理想的な構成を設定することが可能になる。
【００７９】
コイル３２および３３のこの磁気分離により、コイルのうちいずれかの調整を独立的に行い、出力を整流することが可能になり、相互の影響は発生しない。そのため、その他のコイルの磁束取得に影響を与えることなく、コイル３２および３３をスイッチを用いてオフにする（独立的に分離させる）ことができる。
【００８０】
図１８〜図２０は、直径７００ｍｍの送信器を介してパッド中に４０Ａがある状態において円形パッドから発生した磁束について、円形パッド、ＤＤＱパッドおよびバイポーラパッドそれぞれの受信器としての性能の実際の測定を示す。推定される電力要求は３ｋＷである。
【００８１】
図１８は、変位がある場合のネーティブＶＡ結合（Ｐｓｕ＝Ｉｓｃ＊Ｖｏｃ）を示す。円形パッドを除いて、ＤＤＱおよびバイポーラパッドの分極時において、中央からのｙ変位およびｘ変位（単位：ｍｍ）の測定を別個に行う。
【００８２】
図１９は、３ｋＷを達成することが可能な領域を示す。実際は、実際の電力ｏｕｔはＰｏ＝Ｑ＊Ｐｓｕとなる。微調整および動作周波数の不確実性下において電力を確実に送達するためおよび損失を抑えるために、パッドの動作Ｑは通常は６よりも下の値で保持される。
【００８３】
パッドの作動ＶＡはＱ＊Ｐであり、設計コイルの品質（ＱＬ）＝３００である。最大電力および最大Ｑにおける最悪の場合の損失は、ＶＡ／ＱＬ＝６＊３０００／３００＝６０Ｗ（２％）である。
【００８４】
Ｑが６を超える必要がある場合、３ｋＷを送達することができないことが想定され、送達可能な電力が示される。
【００８５】
図２０は、電力送達のためにパッドが動作する実際のＱを示す。
【００８６】
全ての場合において、ＤＤＱパッドおよびバイポーラパッドは、円形の場合よりもより広範な範囲において電力送達を行うことができる点に留意されたい。ここで、円形パッドは、全方向においてフル電力を送達することができ、その際の変位は１６０ｍｍである。
【００８７】
（車両に沿った）ｙ方向において、より小型のＤＤＱおよびバイポーラもこれを達成することができ、ＤＤＱが１８０ｍｍまで大きくなると、より大きな変位で動作する。（車両を交差する）ｘ方向において、ＤＤＱパッドおよびバイポーラパッドは、フル電力を＞３２０ｍｍ（公差の２倍）で送達し、これを超えた場合、大きな電力を送達する。
【００８８】
以下、最適化されたパッド配置構成についての結果を、図１４〜図１６を参照して説明する。
【００８９】
送信器パッドおよび受信器パッドが完全にアライメントしている場合における、１００ｍｍ〜２５０ｍｍの空隙に対する垂直プロファイルＰｓｕおよびｋを図１４（ａ）および図１４（ｂ）にそれぞれ示す。ＤＤＱ−ＤＤ組み合わせの場合、その他の２つの場合よりもずっと良好な電力伝達が得られている。ＤＤＱ受信器パッドは、円形送信器との動作に合わせて特別に設計されているが、それでも、ＤＤＱが円形パッド上にセンタリングされた場合に直角位相から全出力電力が得られるため、ほとんど理想的な同一の性能を達成する。結合が良好である理由として、コイルのサイズが類似しており、直角位相コイルのサイズが４５０×３９１ｍｍであり、円形送信器のサイズが４１６ｍｍである点がある。ＤＤＱの電力出力は、円形対円形設計のものと常に近いため、パッドは完全に相互運用可能なものとしてみなされる。円形送信器パッドが充電位置に存在する場合、ＤＤＱ受信器を備えた車両は、この送信器と磁気結合することができ、同様に調整された周波数で動作した場合、（同一送信器パッドと共に動作するように特別設計された円形カプラを備えたＥＶとして）ほとんど同一のフル電力充電速度を実現可能に受容することができる。
【００９０】
円形対円形システムは分極しないが、分極受信器が用いられた場合、システムが分極し、完全な特徴付けのために完全な３Ｄ電力プロファイルが必要となる。多数のシミュレーションを行って、２０ｍｍインクリメントを全方向において用いて、図１５に示すＰｓｕプロファイルを決定した。全シミュレーションにおける垂直空隙を１２５ｍｍに設定し、２０ｋＨｚにおいてＩ１は２３Ａである。図１５（ａ）〜図１５（ｅ）のＰｓｕプロファイルにおいては、比較のため、円形送信器によって励起されたパッドについての結果を第１の列が示し、比較のためにＤＤＱ受信器がＤＤ送信器の上方で動作する場合の結果を第２の列が示す。図１５（ａ）は、円形対円形システムのプロファイルを示し、これは円形パッドに固有の電力ヌルを明確に示す。全ての円形プロファイルは、パッドが水平にアライメントされることによりＰｓｕに関係無くこのヌルを通過する。そのため、基本的公差にリミットが発生し、アライメント手段無しでは、固定型充電において理想以下になり、ＲＰＥＶにおいて望ましくなくなる。
【００９１】
円形送信器によって励起されたＤＤＱのプロファイルを図１５（ｂ）に示す。ピークＰｓｕ（図１４（ａ）に示す）は、円形受信器によって達成されているものと似ているが、ＤＤコイルからの貢献に起因して、ｘ軸における水平公差は、円形受信器の場合よりも有意に良好になっている。全パッドの厚さは同じであるが、ＤＤＱの表面積は０．３２ｍ２である一方、円形パッドの表面積は０．３８ｍ２である。全ての材料要求においてＤＤＱは円形よりもわずかに高いため、円形受信器よりもＤＤＱ受信器を用いる方が好ましい。なぜならば、ＤＤＱ受信器は、円形受信器よりも水平ミスアライメントに対する公差がずっと高いからである。図１５（ｃ）は、（ＤＤ送信器によって励起された場合の）ＤＤコイルおよびＱコイルのＰｓｕを別個に示す。ＤＤ単独の電力出力は、円形送信器を用いた場合に可能な電力出力よりもずっと高い。ここで、ＤＤがヌルになったときに受信器がミスアライメントし、最大出力となったとき、直角位相コイルは、全体的出力に大幅に貢献する。δｘが大きい表面の注釈付き部分は、ヌルを通過した後のＤＤの電力出力である。円形送信器（図１５（ｄ））およびＤＤ送信器（図１５（ｅ））によって励起された場合のＤＤおよび直角位相の出力の全体も、比較のために示す。これらの組み合わせにより、円形受信器の場合よりもより広範な充電ゾーンが可能となる。図１５（ｂ）または図９（ｃ）に示す個々のコイルのプロファイルのバランスがとれているため、電力プロファイルは、ｘ軸においてどちらも極めてスムーズである。これらのプロファイルから分かるように、図１５（ａ）の円形対円形プロファイルと比較して、ＤＤＱ受信器は大幅に向上した性能を提供する。
【００９２】
充電ゾーンは、空隙および使用可能なＱにおいて所望の電力を送達することが可能な物理的動作領域を規定する。この動作において、最大Ｑを６と仮定し、空隙を１２５ｍｍに設定する。ＤＤ送信器上において動作するＤＤＱ受信器パッドの結果と、図１６（ａ）および図１６（ｂ）中の円形パッド上において動作する同一パッドの結果とをそれぞれ比較することができる。円形システムを比較のために用いた場合、両者とも充電ゾーンが可能であることを示す。顕著なことに、物理的により小型であるＤＤＱ−ＤＤパッドの方が、円形パッドよりも性能において大幅に上回った。ＤＤ単独でも、電子誘導無しの駐車を行えるくらいの充分な充電ゾーンが得られた。直角位相コイルまたはＤＤコイルのいずれかを用いて、ＤＤ充電ゾーンおよび直角位相充電ゾーンが重複する領域内において、フル出力電力を供給することができる。明確なＤＤ充電ゾーンおよび直角位相充電ゾーンの外部の領域（図１６（ａ）中、ＤＤ＋Ｑによって示す）は、いずれかのコイルの出力が所望の７ｋＷを得るのに不十分であることを示す。しかし、双方のコイルを組み合わせた場合、電力出力は≧７ｋＷである。δｘが極めて高い場合にＤＤ「ゾーン」が小さくなっているが、これは、ＤＤがヌルを通過し、必要な７ｋＷを供給することができることを示す。
【００９３】
本明細書中に記載のＤＤＱ−ＤＤパッドがＲＰＥＶ用途にとって理想的である理由として、電力ゾーンがｙ軸においてスムーズである点がある。実際、充電および車両推進に必要な２０〜６０ｋＷを満たすためにパッドサイズのスケーリングを行うことが必要である。しかし、このコンセプトを例示するために、（図１２に示す）パッド幅が（ｙ軸に沿った）移動方向となるように、ＤＤパッドを道路に沿って配置することができる。ここで調査したＤＤは幅がわずか４１０ｍｍであり、ＤＤＱ受信器がｙ軸において２０５ｍｍだけオフセットした場合、７ｋＷを容易に伝達することができる。この点において、ＤＤＱ受信器はまたｙ軸において隣接送信器から２０５ｍｍ効率的にオフセットされるため、ＥＶへの連続的電力供給が可能になる。この点において、双方のパッドからの貢献に起因して電力が７ｋＷを大幅に上回る可能性が高くなり、そのため、これらの送信器パッドを道路内において空隙を挟んだ形態で配置することができる点に留意されたい。その結果、道路のｋｍあたりに必要なパッド数がサイズと関係無く低減するため、ＲＰＥＶシステムのコストが低減する。理想的なパッドピッチを決定するためには、大規模な最適化プロセスが必要となり、これは本文書の範囲を超えている。円形パッド上のＤＤＱのための充電ゾーンを図１６（ｂ）に示す。この充電ゾーンは、円形パッドのみを用いた場合よりもはるかに大きなゾーンである。ＤＤＱ受信器は、円形パッドに基づいたシステムと完全に相互運用可能なものであるとみなされ、図示のように、ＥＶの方が基本的により高い公差を有する。
【００９４】
本発明によって提供される新規の分極カプラ（ＤＤＱ）は、単一の側方磁路を有しつつ、円形パッドの２倍の磁路高さを生成する。ＤＤ送信器は、連続的磁路を生成し、ＲＰＥＶ推進および充電にとって理想的である。また、ＤＤＱパッドは、従来の円形パッドと相互運用可能であり、実際に、円形受信器の場合よりもはるかに高い公差を提供する。図示のように、この新規のＤＤパッドトポロジーを用いれば、従来の設計の場合よりもＩＰＴＥＶ充電のコスト効率を大幅に向上させることができる。
【００９５】
これとは対照的に、既存のパッドの場合、磁路が制限される。図１７のバイポーラパッドについて検討する。ここで、フェライト後面は、図１１のＤＤ送信器と同様のバー２５を有する。これらのフェライト細長片は、Ｎ極およびＳ極から延びる分極磁界の取得に適しているが、円形送信器上に配置した場合、送信器への結合向上のために力線を多様な方向に延ばす必要が出てくる。しかし、受信器において、これらの力線を各フェライト細長片において直角で進入および退出させる必要があり、その結果、経路の磁気抵抗が増加する。
【００９６】
ここで図２１を参照して、新規のフェライト後部構造が提案されている。この構造は、重複するフェライトセグメントの細長片４５を含み、これにより、双方の種類の送信器に適した全方向における低い磁気抵抗経路が得られる。図２２に示すように、これを通常の構造およびこの構造の変更例と比較して評価することができる。この構造の変更例においては、後面をコイルサイズよりも低減している。その結果を図２３および図２４に示す。その後、後面を一定に保持した場合およびコイルを低減した場合との比較を行った。
【００９７】
一次円形パッドとの比較を行った。この一次円形パッドは、全体パッド直径が４２０ｍｍ、コイル内径が１９０ｍｍ、コイル外径が２８６ｍｍ、長さがそれぞれ１１８ｍｍの８本のフェライトスポークとなるように構築した。この一次円形パッドを２０Ａｒｍｓ電流で２０ｋＨｚで通電した。送信器および受信器パッド間の距離（ｚオフセット）を全試験対象システムにおいて４０ｍｍで維持し、評価中のバイポーラ受信器それぞれをｘ方向およびｙ方向において横方向に（図１１中に示す動き指定に従って）移動させた。受信器を送信器上に完全にセンタリングした場合、ｘ寸法、ｙ寸法およびｚ寸法（単位：ｍｍ）は０、０、４０である。バイポーラ構造の最大寸法は３００×３００ｍｍである。コイルの外寸は２８０ｍｍ×２８０ｍｍであり、それぞれにおいて４ｍｍ直径幅のＬｉｔｚを５回２本巻き（して幅４０ｍｍ）とした。実際のコイル寸法は、２つのコイル間の重複に基づく。この元々のモデルにおいて、フェライト構造は、３つのフェライト細長片を示し、３つの標準フェライトバーによって構成され、それぞれ、寸法が長さ９３ｍｍ×幅２８ｍｍ×深さ１６ｍｍである。その結果、送信器がＤＤ構造である場合に期待されるように、低い磁気抵抗経路がｘ方向に沿って延びる磁界に対して与えられる。
【００９８】
円形送信器は、磁界が中心から全方向に外側に沿って延びているので、磁界のｘとｙ両方向に低い磁気抵抗経路を提供することによってできる任意の向上を評価するために、後者のモデルにおいて、フェライト構造は、それぞれ長さ１１０ｍｍ×幅１５×深さ８ｍｍであるより小型のフェライトバーを用いる。これらのフェライトバーを重複させることにより、フェライトの延長をｘ方向およびｙ方向双方に可能にする。フェライト構造の全体的長さは２８０ｍｍであり、幅は、選択されたフェライトバー数によって決定した。飽和についての懸念がある場合、フェライトバーの深さは通常重要となる。調査した場合においては、フェライトが飽和に近づくことは無かったため、より重要なことに、バーの幅および長さに変動があった。記載のように、全ての場合において、評価システム間においてフェライト構造の全体長さは類似しているが、幅において変動があった。
【００９９】
Ｐ１（図２２）と呼ばれる構造において、２６個のフェライトブロックを用い、（２つの受信器コイル間に相互結合が発生しないように各新規モデルについて決定された重複を除いて）元々のモデルに類似するサイズのコイル下に配置した。フェライト構造は、Ｐ１−ＣＳと呼ばれる第２のモデルにおいて同一である。Ｐ１−ＣＳは、より小型のコイルを用いている点のみにおいて異なる（このより小型のコイルの外寸が１０ｍｍだけ低減されて、１０ｍｍのフェライトを受信器パッドのｘ面およびｙ面上に露出させて、磁束取得を促進する）。Ｐ２と呼ばれる最終構造は、１６個のフェライトブロックと、（相互結合を発生させないようにするための重複を除いて）Ｐ１と類似のコイルとを有する。
【０１００】
図２３および図２４は、元々のモデルをＰ１およびＰ２と比較してシミュレートした動作結果を示す。図２３中、ｘ方向における受信器の移動の影響を円形送信器と比較して示し、図２４中、ｙ方向における動きを検討した。記載のように、３つのモデルは全て、受信器中において（相互結合を回避するための重複の小さな差を除いて）実質的に同じコイルサイズを有する。
【０１０１】
図示のように、結果においては若干の非対称性があるが、このような非対称性が発生する原因として、バイポーラ受信器上のコイル４３をフェライト細長片からさらに離隔方向に間隔を空けて配置しているため、コイル４２よりも円形送信器に近接する点がある。そのため、受信器が中心から左方向へ変位した場合、アライメントコイル４３がより多くの電力と結合することが判明した。図２３および図２４中のＶ１およびＶ２ならびにＩ１およびＩ２は、バイポーラパッドについて、コイル４２およびコイル４３中の電圧および電流にそれぞれ関連する点に留意されたい。この結果を考慮すると、特に電圧結合および伝達される非補償型電力全体の点において、より大きなフェライト構造が有利である。元々のモデルにおいて、幅２８ｍｍの３つのバーを用いて、端部において磁束を取得することができる（全体で８４ｍｍ）。フェライト構造Ｐ１において、幅がそれぞれ１５ｍｍであるより肉薄のバー９本（全体で１３５ｍｍ）により、より広範な領域上の端部において磁束を取得した。一方、フェライト構造Ｐ２においては、幅がそれぞれ１５ｍｍであるより肉薄のバー５本（全体で７５ｍｍ）により、より狭い領域において取得を行った。記載のように、広範な領域の磁束取得においては、（バーまたはＰ２を含む元々の設計とＰ１を比較した場合において）結合電圧が（特に中心領域において）増加したが、変位がｘ方向において２００ｍｍおよびｙ方向において１００ｍｍを超えた場合、取得磁束の低下がより急速になった。中心にて全体的に利用可能な非補償型電力は、Ｐ１をＰ２と比較した場合に４３％だけ増加し、Ｐ１を元々のバー設計と比較した場合に２６％だけ増加した。このような小型の受信器の作動範囲を検討することは典型的には、ｘ変位が＋／−１５０ｍｍでありｙ変位が＋／−１００ｍｍとなり、これは有意なことである。
【０１０２】
図２５および図２６を参照して、ここで、フェライト構造は同一だが、バイポーラコイルはサイズが異なる２つのデザインを比較する。図示のように、設計「Ｐ１−ＣＳ」は、磁束取得のために端部においてさらなる磁束を露出させるためにサイズが低減されたコイルを含むフェライト構造Ｐ１を含む。これらのコイルそれぞれを送信器上にセンタリングした場合、実際の電圧はコイル面積低減のために若干低減するが、若干オフセットした場合、これらの電圧は類似した。対照的に、電流は＋／−１００ｍｍオフセット内においてほとんど影響を受けておらず、（特にバイポーラ受信器を送信器上にセンタリングした場合に）概して増加しており、アライメントされたときに結合向上を示し、非補償型電力は１０％増加した。
【０１０３】
所望の態様において、結合の向上が公差と共に提供される。よって、より大型のコイルと、全方向において磁束を取得することができるフェライト後面とが好適である可能性が高い。
【０１０４】
よって、図２７および図２８は、分極構造および円形構造双方において確実に相互運用可能とするために、バイポーラ受信器およびＤＤＱ受信器双方に適している可能な構造を示す。選択された位置においてバー４５を相互接続させるさらなるフェライト相互接続ブロック４７により、受信器が円形送信器から横方向に変位した場合に、磁束のための低磁気抵抗のさらなる経路または領域（すなわち、横断方向の経路、長手方向および横断方向間の角度にある経路）が可能となる。フェライト細長片は、分極送信器にとって最適である。よって、格子コア構造が得られる。
【０１０５】
図２８において、２つの隣接するダブルＤコイルを参照符号４８によって示し、重複する直角位相（Ｑ）コイルを参照符号４９によって示す。
【０１０６】
当業者であれば、上記において記載した構造は、双方向において用いることが可能であることを理解する。よって、円形パッド構造を磁束送信器の一例として記載してきたが、システムを逆転させて、円形構造を受信器として用いることも可能である。さらに、記載の新規のコア構造は、磁束生成配置構成において用いることが可能である。
【０１０７】
当業者であれば、現段階における好適な実施形態における多様な変更および改変を想起する点に留意されたい。このような変更および改変は、本発明に付随する利点を失うことなく、本発明の意図および範囲から逸脱することなく行うことが可能である。よって、このような変更および改変は、本発明に含まれることが意図される。
【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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９ｂ】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４（ａ）】
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【図１４（ｂ）】
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【図１６（ａ）】
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【図１６（ｂ）】
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【図２１】
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【図２３（ａ）】
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【図２３（ｂ）】
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【図２３（ｃ）】
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【図２３（ｄ）】
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【図２４（ａ）】
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【図２４（ｂ）】
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【図２４（ｃ）】
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【図２４（ｄ）】
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【図２５（ａ）】
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【図２５（ｂ）】
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【図２５（ｃ）】
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【図２５（ｄ）】
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【図２６（ａ）】
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【図２６（ｂ）】
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【図２６（ｃ）】
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【図２６（ｄ）】
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【図２７】
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【図１】
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【図１１】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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