(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータの動作の制御方法であって、前記電動モータが、巻線部と、前記巻線部に対して回転するロータとを備える構成において、
前記電動モータの前記巻線部への電力を、送電コイルと前記巻線部とのワイヤレス磁気結合により伝送することを含む方法において、前記電動モータは、第１の位置に配置されており、前記送電コイルと、前記電動モータの前記動作を制御するとともに前記送電コイルに電気的に結合された電子部品とは、前記第１の位置から離れた第２の位置に配置されており、当該方法が、さらに、
前記電動モータの前記ロータの位置が、送電部のインダクタンスに及ぼす影響を特定することによって、前記電動モータの前記ロータの位置を、前記電子部品を介して特定することと、
前記ロータの位置に応じ、前記巻線部へ電力を伝送するタイミングを前記電子部品を介して制御することと、
前記電動モータの第１巻線の共振周波数に対応する第１の周波数で、前記巻線部へ電力を伝送することと、
前記電動モータの第２巻線の共振周波数に対応し且つ前記第１の周波数の高調波でない第２の周波数で、前記巻線部へ電力を伝送することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記電動モータの前記ロータの回転が、前記送電コイルから引き出される電力によって受ける影響を特定することにより前記ロータの回転を特定することと、
前記ロータの回転に応じて前記電力の伝送のタイミングを制御することと、
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
複数の巻線部および前記複数の巻線部に対して回転するロータを含む電動モータであって、当該複数の巻線部は、それぞれ異なり且つ互いに高調波でない共振周波数を有する、電動モータと、
前記複数の巻線部の各々に対して同時に電力を伝送するように構成された送電コイルと、
を備えており、
前記電動モータが第１の位置に配置され、前記送電コイルと、前記電動モータを制御するとともに前記送電コイルに電気的に結合された電子部品とが、前記第１の位置とは異なる第２の位置に配置され、前記第１の位置と前記第２の位置とは、前記電子部品に悪影響を及ぼす電磁干渉を抑制するのに十分な距離だけ離されている、装置。
【請求項４】
前記複数の巻線部の共振周波数は、当該複数の巻線部のそれぞれの共振ピークの帯域幅分よりも互いに離れている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記複数の巻線部のうちの１つの巻線部の共振周波数は、前記電動モータへのワイヤレス電力伝送の周波数と整合する、請求項３または４に記載の装置。
【請求項６】
前記１つの巻線部に接続されたコンデンサをさらに含み、前記コンデンサの容量は、前記１つの巻線部の前記共振周波数を、前記電動モータへのワイヤレス電力伝送の前記周波数に整合させるように選択される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記１つの巻線部に接続された前記コンデンサは、前記ロータの回転に応じて前記１つの巻線部のインダクタンスが変化すると、前記ロータの位置に応じて前記１つの巻線部に接続された容量を変化させて、前記１つの巻線部の前記共振周波数を一定に維持するよう構成された可変コンデンサを含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
共振を制御する電子部品と、
巻線部および当該巻線部に対して回転するロータを含む電動モータの前記巻線部への電力を、当該巻線部とのワイヤレス磁気結合により伝送するよう構成された送電コイルを有する送電部であって、前記送電コイルが前記電子部品と電気的に結合されており、前記巻線部の共振周波数に対応する複数の異なる周波数において前記巻線部へ電力を伝送する送電部と、
を具備する装置であって、
前記送電部が、
前記電動モータの第１の巻線の共振周波数に対応する第１共振周波数を有する第１送電コイルと、
前記電動モータの第２の巻線の共振周波数に対応し且つ前記第１共振周波数に対し互いに高調波でない第２共振周波数を有する第２送電コイルと、
前記送電部を制御して、前記巻線部への前記電力の伝送タイミングを制御するよう構成されたコントローラと、
を含んでおり、
前記電動モータが第１の位置に配置されており、前記第１および第２送電コイルが、前記第１の位置とは異なる第２の位置に配置されており、前記第１の位置と前記第２の位置とは、前記電子部品に悪影響を及ぼす電磁干渉を抑制するのに十分な距離だけ離されている、
装置。
【請求項９】
前記第１共振周波数及び前記第２共振周波数は、前記第１送電コイル及び前記第２送電コイルのそれぞれの共振ピークの帯域幅分よりも互いに離れている、請求項８の装置。
【請求項１０】
前記送電部は、調整可能な共振周波数を有する送電コイルを含み、
前記コントローラは、前記送電コイルの前記調整可能な共振周波数を調整して、前記巻線部の前記共振周波数と整合させるよう構成されている、
請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記コントローラは、
前記電動モータの前記ロータの位置を、当該ロータの位置が前記送電部のインダクタンスに及ぼす影響を特定することによって特定し、
前記巻線部への前記電力の伝送のタイミングを、前記ロータの前記位置に応じて制御するよう構成されている、
請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記コントローラは、
前記電動モータの前記ロータの回転が、前記送電コイルから引き出される電力によって受ける影響を特定することにより前記ロータの回転を特定し、
前記巻線部への前記電力の伝送のタイミングを、前記ロータの前記回転に応じて制御するよう構成されている、
請求項８又は１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、電動モータ及び電動モータの制御に関する。より具体的には、本開示は、電動モータの制御及び給電をワイヤレスで行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動モータは、電力を機械的動力に変換する装置である。電動モータは、様々な用途に利用可能である。電動モータは、限定するものではないが、例えば、ファン、ポンプ、工具、ディスクドライブ、ドリル、及び、その他の種類の装置の駆動に利用可能である。電動モータは、様々な環境で利用可能である。例えば、電動モータは、固定のプラットフォームにも、また、航空機やその他の種類の輸送体などの可動のプラットフォームにも利用可能である。
【０００３】
航空機において電動モータを利用して、航空機の様々な機能を実現する場合もある。非限定的な例を挙げると、航空機において電動モータを利用して、操縦翼面を動かしたり、ランディングギアを昇降させたり、また、航空機のその他の機能や様々な組み合わせの機能を実行させることができる。
【０００４】
従来の電動モータは、高透磁率のコアに巻回された巻線部及びロータを含む。モータ巻線部の電流を適切に制御することにより、コアが磁化されてロータが回転する。ロータに適切な機械的結合により、モータから機械的動力が得られる。
【０００５】
一般的な電動モータでは、電力は適切な電源から電線で伝送され、スイッチシステムを介してモータ巻線部に供給される。スイッチシステムに含まれるスイッチ素子は、コントローラに制御されることにより、モータ巻線部の電流を適切に制御してモータを駆動する。非限定的な例では、コントローラは、１つ又は複数のマイクロコントローラを用いて、あるいは、その他の適切な装置を用いて実現される。
【０００６】
モータ巻線部への電力供給を制御するためのスイッチシステム、コントローラ、及び、関連する電子部品や巻線部を設けると、モータの重量や大きさが増加することになる。加えて、モータ巻線部に電力を送る各種の電子部品は、電力を消費し、熱を発生させる。これらの電子部品が、モータの重量、大きさ、電力消費、温度に及ぼす影響によって、電動モータを利用できる用途が限定される場合がある。
【０００７】
したがって、上述した事項の少なくともいくつか、及び、他の潜在的な事項を考慮した方法及び装置が望まれる。
【発明の概要】
【０００８】
本開示の実施形態は、電動モータの制御方法を提供する。電動モータの巻線部への電力を、送電コイルと前記巻線部とのワイヤレス磁気結合により伝送する。
【０００９】
本開示の実施形態は、また、ロータと複数の巻線部とを含む電動モータを提供する。前記複数の巻線部は、それぞれ異なる共振周波数を有する。
【００１０】
本開示の実施形態は、また、送電部とコントローラとを含む装置を提供する。前記送電部は、電動モータの巻線部への電力を、当該巻線部とのワイヤレス磁気結合により伝送するよう構成されている。前記コントローラは、前記送電部を制御して、前記巻線部への前記電力の伝送タイミングを制御するよう構成されている。
【００１１】
これら特徴及び機能は、本開示の様々な実施形態において個別に達成可能であり、また、他の実施形態と組み合わせることも可能である。そのさらなる詳細は、以下の記載及び図面を参照れば明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
例示的な実施形態に特有のものと考えられる新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。ただし、例示的な実施形態、並びに、その好ましい利用形態、及び、さらなる目的や特徴は、本開示の例示的な実施形態についての以下の詳細な説明を添付図面に照らして参照すれば、最もよく理解されるであろう。
【図１】例示的な実施形態による電動モータ環境を示すブロック図である。
【図２】例示的な実施形態による電動モータのワイヤレス制御及びワイヤレス給電を示す図である。
【図３】例示的な実施形態による送電コイルと電動モータの巻線部とを示す模式回路図である。
【図４】例示的な実施形態による電動モータのロータの位置を特定するための表である。
【図５】例示的な実施形態による電動モータのロータの回転を特定するための波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
種々の例示的な実施形態では、所定数の異なる事項が認識及び考慮されている。本明細書において、「所定数の」との用語をアイテムについて用いる場合、１つ又は複数のアイテムを意味している。例えば、「所定数の異なる事項」とは、１つ又は複数の異なる事項を意味している。
【００１４】
種々の例示的な実施形態では、コントローラやスイッチシステムなど、モータの巻線部への給電を行う電子部品により、モータシステム全体の重量、大きさ、エネルギー消費、及び、熱が増加することが考慮されている。冷却システムを用いてモータの電子部品を冷却することは可能であるが、この場合、冷却システムにより、モータシステムの重量、大きさ、エネルギー消費がさらに増加することになる。電動モータの電源は、モータシステムにおいて物理的に最も大きな部品であり、電源の大きさがモータ自体の大きさを上回るような場合もある。
【００１５】
また、種々の例示的な実施形態では、不適切なモータ動作が致命的なシステム障害を引き起こしかねない多くの用途においては、電動モータへの給電を単一のコントローラを用いて制御するのでは不十分な場合があることが考慮されている。例えば、コントローラが電動モータを誤動作させると、モータに修理不可能な損傷をきたす可能性がある。したがって、用途によっては、モータの制御システムを重複して設けることが望ましい。非限定的な例を挙げると、モータ動作を制御するための制御則を、複数のコントローラを用いて同時に実行させる場合がある。コントローラのうちの１つが制御則の処理を誤ったとしても、他のコントローラによって正常なモータ動作が維持される。そのような冗長システムは頑強ではあるが、複数のコントローラを用いるので、モータシステムの大きさ、重量、エネルギー消費、及び、熱が増加することになる。したがって、小型化、軽量化、低エネルギー消費、低温のうちの１つ又は複数が望ましい、あるいは、必須であるような用途では、コントローラの冗長化は現実的ではない。
【００１６】
種々の例示的な実施形態では、モータの電子部品が電動モータシステムの大きさ、重量、エネルギー消費、及び、熱に及ぼす影響によって、様々な用途に電動モータを利用する自由度が制限されることが考慮されている。非限定的な例を挙げると、いくつかの飛行制御用途、医療用インプラント用途、その他の用途において、電動モータを有益に利用できる場合であっても、モータシステムの大きさや熱により電動モータの採用が妨げられていることがある。
【００１７】
種々の例示的な実施形態では、より複雑な回路系統やより高価な部品を用いれば、電動モータの電子部品の嵩や重量を低減可能であることが考慮されている。ただし、そのような複雑な回路系統や高価な部品を用いると、電動モータシステムのコストが上昇することになる。
【００１８】
また、種々の例示的な実施形態では、電動モータが電磁干渉を引き起こすことが考慮されている。電磁干渉は、例えば、電動モータの巻線部と永久磁石との間で発生する。モータの動作を制御する電子部品が、電磁干渉を発生させるモータ部品の近傍に位置する場合、そのような電子部品が電磁干渉により誤動作する場合がある。遮蔽回路や減衰回路、あるいはその両方を用いれば、モータの電子部品に対する電磁干渉を低減可能である。ただし、そのような遮蔽回路や減衰回路を追加すると、モータシステムのサイズや重量がさらに増加することになる。
【００１９】
また、種々の実施形態では、モータに含まれる比較的高価な電子部品は、放射線環境、化学的に活性な環境、生物学的に活性な環境などの過酷な環境に対して脆弱な場合があることが考慮されている。したがって、そのような過酷な環境に耐えることを要求される電動モータには、遮蔽、気密シール、絶縁材などの高価な保護手段が必要な場合がある。ただし、そのような保護手段を用いると、電動モータシステムの大きさや重量がさらに増加することになる。
【００２０】
代わりに、モータの電子部品を、モータの他の部品が置かれうる過酷な環境からバリア（barrier）を挟んで反対側に配置してもよい。バリアは、過酷な環境を囲い込むように、あるいは、モータの電子部品を過酷な環境から隔離するように構成されている。この場合、モータの電子部品からの電線を、過酷な環境内に位置する他のモータ部品に配線するために、バリアに切削やその他の方法により孔を形成する場合がある。しかしながら、そのようなバリアを追加すると、システムの大きさや重量が増加することになる。また、バリアに孔が開いていると、過酷な環境からの漏出のリスクが増すことになる。
【００２１】
したがって、例示的な実施形態によれば、モータの巻線部への電力を、送電コイルとモータの巻線部との間のワイヤレス磁気結合（wireless magnetic coupling）を介して伝送することによって電動モータを制御する方法及び装置が提供される。例えば、電動モータの巻線部への電力は、モータの巻線部と、その巻線部と同じ共振周波数を有する送電コイルとの共振誘導結合（resonant inductive coupling）を介して伝送することができる。例示的な実施形態によれば、例えば、コントローラやスイッチシステムなどのモータの電子部品を、モータの巻線部やロータとは別の位置に配置可能である。
【００２２】
例示的な実施形態によれば、モータが機械的動力を発生させる部分において、電動モータシステムの大きさ、重量、エネルギー消費、及び、熱を小さくすることが可能である。したがって、例示的な実施形態によれば、電動モータを利用できる用途の自由度を高めることができる。
【００２３】
また、例示的な実施形態によれば、モータが発生させる電磁干渉の影響からモータの電子部品を保護するという課題が解決される。例示的な実施形態によれば、モータの電子部品を、モータにおいて電磁干渉を発生させる部品から十分な距離をおいて配置することが可能であり、これにより電磁干渉が電子部品に及ぼす悪影響を低減あるいは回避できる。
【００２４】
また、例示的な実施形態によれば、過酷な環境で動作するモータに含まれる比較的高価又は脆弱な電子部品を保護する、あるいは、不要にするという課題が解決される。例示的な実施形態によれば、電動モータを過酷な環境に配置して利用しつつ、コントローラ、スイッチシステム、及び、モータへの給電部などの、より脆弱な部品については、過酷な環境外に配置すること可能である。加えて、例示的な実施形態によれば、モータの給電や制御は無線で行われるので、モータが置かれる過酷な環境を囲い込むバリアに、電線を配線するための穴を設けることが不要になる。したがって、囲い込んだ環境からの漏出のリスクが低減される。非限定的な例を挙げると、例示的な実施形態を利用すれば、より堅牢で安定的に隔離されたチャンバやその他の密閉環境に置かれた電動モータに給電することが可能である。
【００２５】
図１を参照すると、例示的な実施形態による電動モータ環境を示すブロック図が示されている。電動モータ環境１００は、例示的な実施形態を実施可能な環境の一例である。
【００２６】
電動モータ環境１００としては、電動モータシステム１０２を用いて用途（application）１０６用の機械的動力１０４を提供しうる任意の環境も含まれうる。非限定的な例を挙げると、製造環境、調査環境、医療環境、軍事環境、輸送環境のほか、用途１０６に機械的動力１０４が必要な、あるいは、望ましい任意の環境も、電動モータ環境１００に含まれうる。非限定的な例を挙げると、航空機や他の適切な輸送体といった可動のプラットフォームも、電動モータ環境１００に含まれうる。電動モータ環境１００は人体を含んでいてもよい。
【００２７】
電動モータシステム１０２は、電動モータ環境１００において、任意の適切な用途１０６に用いる機械的動力１０４を提供するよう構成されている。非限定的な例を挙げると、用途１０６には、ファン、ポンプ、工具、ディスクドライブ、ドリル、その他の適切な種類の装置や様々な組み合わせ装置を駆動することが含まれうる。非限定的な例を挙げると、航空機における電動モータシステム１０２の用途１０６には、操縦翼面を動かすこと、ランディングギアを昇降させること、また、航空機のその他の機能や様々な組み合わせの機能を実行させることが含まれうる。
【００２８】
電動モータシステム１０２は、電動モータ１０８を含む。電動モータ１０８は、ロータ１１０及び巻線部１１２を含んで構成される。ロータ１１０は、適切に制御された電流を巻線部１１２に流すことによって生じる磁界に反応して動作するよう構成されている。ロータ１１０に対する任意の適切な機械的結合により、用途１０６用の機械的動力１０４が得られる。巻線部１１２は、コイル状に配設された電線を含む。巻線部１１２を構成する電線は、磁気コアに巻回されていてもよい。あるいは、巻線部１１２を構成する電線は、コア材に巻回されていなくてもよく、巻線部１１２は空芯コイルを有してもよい。
【００２９】
例示的な実施形態によれば、電動モータ１０８の制御及び給電用の電子部品は、電動モータ１０８と物理的に隔離されていてもよい。例えば、電動モータ１０８は第１の位置１１４に配置されてもよく、電動モータ１０８の制御及び給電用の電子部品は第２の位置１１６に配置されていてもよい。第１の位置１１４は、第２の位置１１６から任意の適切な距離だけ離間していてもよい。例えば、第１の位置１１４と第２の位置１１６の離間距離は、第１の位置１１４にある電動モータ１０８が発生させる電磁干渉が、第２の位置１１６にある電子部品に悪影響を与えないようにするのに十分な距離としてもよい。
【００３０】
第１の位置１１４と第２の位置１１６とは、適切な物理的なバリアにより隔離されてもよい。例えば、電動モータ１０８は、バリアの一方の側にある第１の位置１１４において比較的過酷な環境に置かれていてもよい。電動モータ１０８を駆動する、より脆弱な電子部品は、バリアの他方の側にある第２の位置１１６において、過酷な環境の外に置かれていてもよい。この場合、電子部品を過酷な環境から保護するための特別な保護手段を不要とすることができる。例示的な実施形態によれば、第１の位置１１４にある電動モータ１０８と、第２の位置１１６にある電子部品との間の通信は、すべて無線で行うことも可能である。したがって、第１の位置１１４を第２の位置１１６から隔てるバリアを設ける場合でも、給電及び制御用の電子部品から電動モータ１０８に電線を通すための穴を設ける必要はない。
【００３１】
電動モータ１０８の制御及び給電用の電子部品には、送電部１１８、コントローラ１２０、スイッチシステム１２２、及び、電源１２３が含まれる。例示的な実施形態によれば、送電部１１８、コントローラ１２０、スイッチシステム１２２、及び、電源１２３は、電動モータ１０８のロータ１１０及び巻線部１１２から物理的に隔離されていてもよい。非限定的な例では、電動モータ１０８のロータ１１０及び巻線部１１２が第１の位置１１４に配置される場合には、送電部１１８、コントローラ１２０、スイッチシステム１２２、及び、電源１２３は、第２の位置１１６に配置されてもよい。
【００３２】
送電部１１８は、適切に制御した電流を電動モータ１０８に供給するよう構成されている。例示的な実施形態によれば、送電部１１８は、電動モータ１０８の巻線部１１２に、ワイヤレス磁気結合１１９を介して電力を伝送するよう構成されている。ワイヤレス磁気結合１１９としては、送電部１１８が発生させる磁界が電動モータ１０８の巻線部１１２とワイヤレスに結合して、巻線部１１２に適切な電流を発生させて電動モータ１０８を駆動するのであれば、任意の適切な方法が含まれうる。
【００３３】
例示的な実施形態によれば、送電部１１８と電動モータ１０８の巻線部１１２とのワイヤレス磁気結合１１９には、共振誘導結合が含まれうる。共振誘導結合は、電気力学的誘導（electrodynamic induction）としても知られている。共振誘導結合は、同じ共振周波数に同調された２つのコイル間で行われる電気エネルギーの近距離ワイヤレス伝送（near field wireless transmission）のことである。共振誘導結合によれば、使用する共振周波数に依存するものの、送電部１１８から電動モータ１０８の巻線部１１２への電力を、数メートルまでの範囲でワイヤレス伝送することが可能である。
【００３４】
送電部１１８は、共振周波数１２６を有する送電コイル１２４を含む。例えば、送電コイル１２４は、電線からなるコイルを含み、コンデンサに接続されて送電コイル１２４に適切な共振周波数１２６が実現される。送電コイル１２４の共振周波数１２６は、電動モータ１０８に含まれる巻線部１１２の共振周波数１２８に整合した周波数であってもよい。例えば、コンデンサは、巻線部１１２を構成するコイルに接続されて、巻線部１１２の適切な共振周波数１２８を実現することができる。共振周波数１２６を有する送電コイル１２４は、送電コイル１２４の共振周波数１２６に整合する共振周波数１２８を有する巻線部１１２と共に、共振変圧器（resonance transformer）を形成して、共振誘導結合を介して送電部１１８から電動モータ１０８へ電力のワイヤレス伝送を行うことができる。送電コイル１２４及び巻線部１１２により形成される共振変圧器は、共振器としても知られている。
【００３５】
電動モータ１０８における異なる巻線部１１２は、異なる共振周波数１２８を有していてもよい。送電部１１８における送電コイル１２４のそれぞれは、各巻線部１１２の共振周波数１２８に対応する異なる共振周波数１２６を有していてもよい。送電部１１８による電力伝送が、巻線部１１２のそれぞれの共振周波数１２８に対応する異なる共振周波数１２６で行われることにより、送電部１１８から伝送される電力を制御して、個別の巻線部１１２に適切な順序で電流を誘導してロータ１１０を回転させることが可能になる。巻線部１１２のうち、送電部１１８により伝送中の電力の共振周波数に対応する共振周波数を有する巻線部にのみ電流が誘導されることが望ましい。
【００３６】
送電部１１８により伝送される電力の共振周波数とは異なる共振周波数を有する巻線部１１２で電流が生成されることを防ぐため、巻線部１１２の共振周波数１２８は、共振周波数１２８同士が互いの高調波にならないように選択することができ、これは送電コイル１２４の共振周波数１２６についても同様である。これに加えて、あるいは、この代わりに、異なる巻線部１１２の共振周波数１２８間の間隔は、各巻線部１１２又は各送電コイル１２４の共振ピークの帯域幅分より大きくてもよく、これは送電コイル１２４の共振周波数１２６同士の間隔についても同様である。共振ピークの帯域幅とは、電力を周波数に対してプロットした曲線において、ピーク電力周波数の両側で電力がピーク電力の半値となる点と点の間の幅のことである。
【００３７】
ロータ１１０と巻線部１１２との相互インダクタンスにより、ロータ１１０の回転につれて巻線部１１２全体のインダクタンスが変化する。その結果、ロータ１１０の回転につれて、それぞれの巻線部１１２の共振周波数１２８が変化する。送電部１１８から巻線部１１２への電力伝送の周波数は、巻線部１１２の共振周波数１２８の変化を追従するように調節することが望ましい。非限定的な例では、送電部１１８による電力伝送の周波数は、適切な演算モデル、適切なフィードバック情報、あるいはその両方を利用して調整してもよい。この代わりに、あるいは、これに加えて、可変コンデンサを、巻線部１１２に電気的に接続すると共に、ロータ１１０に機械的に結合してもよい。この可変コンデンサは、巻線部１１２のインダクタンスの変化に伴って容量が可変に構成されているものである。これにより、ロータ１１０が回転しても、巻線部１１２の共振周波数１２８が一定に保たれる。別の解決手段として、巻線部１１２の共振周波数１２８が送電部１１８の共振周波数１２６と整合している場合に、大きなエネルギーが巻線部１１２に伝送されるようにしてもよい。伝送されたエネルギーは巻線部１１２に蓄えられ、巻線部１１２の共振周波数１２８が送電部１１８の共振周波数１２６と次に整合するまでの期間において消費されるとしてもよい。
【００３８】
ロータ１１０の回転が巻線部１１２の共振周波数１２８に及ぼす影響という課題についての別の解決手段は、送電部１１８からの電力伝送を、すべての共振周波数１２６で実質的に連続的に同時に行うことである。巻線部１１２用のコンデンサは、巻線部１１２の共振周波数１２８が、送電部１１８の共振周波数１２６に対して指定のオフセット分だけずれた周波数となるように選択されてもよい。このオフセットは、整流を発生させる位置にロータ１１０がある場合に、ロータ位置が巻線部１１２のインダクタンスに及ぼす影響を埋め合わせて、巻線部１１２の共振周波数１２８が送電部１１８の共振周波数１２６に整合して電力が伝送されるように指定されている。この場合、電動モータ１０８は、ロータ１１０が巻線部１１２に対して適切な位置にある時に、適時に送電部１１８から電力を引き出すような機械的構成を有している。
【００３９】
送電部１１８は、多数の送電コイル１２４を含み、これらは、電動モータ１０８に含まれる巻線部１１２の共振周波数１２８に対応する固定の共振周波数１２６を有するとしてもよい。あるいは、送電部１１８は、可変の共振周波数１３０を有する送電コイル１２９を１つ含んでいてもよい。非限定的な例では、送電コイル１２９の可変共振周波数１３０を、コントローラ１２０により電気的に調整して、巻線部１１２の共振周波数１２８と整合させてもよい。別の例では、送電コイル１２９は、単一の共振周波数で動作するものの、適切な位相関係や高調波発生電子部品を利用して複数の異なる周波数を出力するよう構成されていてもよい。
【００４０】
可変の共振周波数１３０を有する送電コイル１２９を用いることにより、どの電動モータ１０８の共振周波数１２８にも、送電部１１８を同調させることが可能になる。この同調機能により、モータ製造段階における製造誤差を許容できる度合いが高くなる。したがって、そのような共振周波数同調機能を有する送電部１１８は、比較的安価な使い捨て電動モータの給電に利用可能である。また、そのような同調機能を有する送電部１１８は、多くの種類のモータの給電に利用可能である。ただし、固定の共振周波数１２６を有する送電コイル１２４を用いて送電部１１８を構成する方が、コントローラ１２０のプログラミングが簡易であると共に、通信速度を高速化でき、よって、電動モータ１０８の整流速度、ひいては、回転速度を高速化することが可能である。
【００４１】
送電部１１８から電動モータ１０８に伝送される電力は、送電部１１８へは電源１２３から供給されてもよい。電源１２３は、任意の適切な直流電源あるいは交流電源であってもよい。非限定的な例では、電源１２３には、電池、発電機、交流電源コンセント（alternating current power outlet）、交流電源バス（alternating current power bus）、直流電源バス（direct current power bus）、他の任意の適切な電力源、あるいは、任意の適切な電力源の組み合わせが含まれる。
【００４２】
電力は、電源１２３からスイッチシステム１２２を経由して送電部１１８に供給されてもよい。スイッチシステム１２２は、所定数の適切なスイッチ素子１３２を含み、これらスイッチ素子により電源１２３を送電部１１８に接続するものであってもよい。非限定的な例では、スイッチ素子１３２は、任意の適切な固体スイッチ素子を用いて、例えば適切なトランジスタを用いて、実現されてもよい。スイッチ素子１３２は、適切な配置構成でスイッチシステム１２２に配置されていてもよい。これにより、コントローラ１２０がスイッチ素子１３２を制御して、電源１２３から送電部１１８の送電コイル１２４への電力伝送を、電動モータ１０８の駆動に適した態様で実現することが可能になる。非限定的な例では、スイッチ素子１３２は、適切なブリッジ構成でスイッチシステム１２２に配置されてもよい。
【００４３】
コントローラ１２０は、送電部１１８による電動モータ１０８の巻線部１１２への給電を制御することによって、電動モータ１０８の駆動を制御するよう構成されていてもよい。非限定的な例では、コントローラ１２０は、スイッチシステム１２２のスイッチ素子１３２を制御することで電源１２３から送電コイル１２４への給電を制御し、これにより電動モータ１０８の巻線部１１２への電力伝送を制御するよう構成されていてもよい。代わりに、コントローラ１２０は、送電部１１８に含まれて、共振周波数１２６で送電コイル１２４に電流を発生させる発振器の動作を制御し、これにより電動モータ１０８の巻線部１１２への電力伝送を制御するよう構成されていてもよい。このように、送電部１１８に含まれる発振器の動作を制御することによって送電部１１８による電力伝送を制御する構成であれば、スイッチシステム１２２を簡素化でき、場合によっては不要とすることも可能である。
【００４４】
コントローラ１２０は、ハードウェアにより実現してもよいし、ハードウェアとソフトウェアと組み合わせることにより実現してもよい。非限定的な例では、コントローラ１２０は、本明細書に記載したコントローラ１２０の機能のうちの１つ又は複数を実行するように動作する回路を構成するハードウェアを含んでもよい。例示的な本実施形態では、ハードウェアは、所定数の動作を実現するよう構成された回路システム、集積回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス、あるいは、その他の適切な種類のハードウェアの形態をとりうる。プログラマブル論理デバイスを用いると、所定数の動作を実現可能なデバイスとして構成することができる。このデバイスは、所定数の動作を実現するように、後に再構成したり、永続的に構成したりすることが可能である。プログラマブル論理デバイスの例としては、例えば、プログラマブル論理アレイ、プログラマブルアレイ論理、フィールドプログラマブル論理アレイ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、及び、他の適切なハードウェア要素が挙げられる。加えて、処理の実現は、無機材料を組み込んだ有機材料において行ってもよいし、人体を除く有機材料によって全ての処理を構成してもよい。例えば、有機半導体の回路により処理を実現してもよい。
【００４５】
コントローラ１２０は、所定数の制御則１３４を利用して電動モータ１０８の動作を制御してもよい。制御則１３４には、電動モータ１０８の動作を制御するよう構成された１つ又は複数の処理、関数、その他の仕組みが含まれうる。非限定的な例では、制御則１３４は、電動モータ１０８が所望の態様で動作するように、電動モータ１０８の巻線部１１２への給電のタイミング１３６を規定するものであってもよい。タイミング１３６は、電動モータ１０８に所望の動作を行わせるように、個々の巻線部１１２に電力を供給するタイミングを示す。タイミング１３６には、電動モータ１０８に所望の動作を行わせるように、個々の巻線部１１２に電力を供給する順序も包含される。コントローラ１２０は、制御則１３４を利用して、スイッチシステム１２２に含まれるスイッチ素子１３２の切り替えのタイミング１３６を決定する。このタイミングは、所望の順序で電動モータ１０８の巻線部１１２に電力が供給されるように、電源１２３から送電コイル１２４へ給電させるように決定される。
【００４６】
なお、送電部１１８から伝送された電力が蓄積して、電動モータ１０８の巻線部１１２に所望の電流を誘起するまでに、一定の時間がかかる場合がある。巻線部１１２に電流が誘起されるまでの遅延時間については、制御則１３４において対応してもよいし、コントローラ１２０によってタイミング１３６を調整することにより対応してもよい。これにより、選択された巻線部１１２への電力伝送を送電部１１８が適時に開始できる。
【００４７】
制御則１３４は、電動モータ１０８を制御するタイミング１３６をコマンド１３８に応答して規定するものであってもよい。非限定的な例では、コマンド１３８は、ロータ１１０の所望の回転速度及び方向、ロータ１１０が発生させる所望のトルクの量、あるいはその両方を指定するものであってもよい。コマンド１３８は、コントローラ１２０に任意の適切な態様で与えられてもよい。例えば、コマンド１３８は、操作者からコントローラ１２０に、適切な有線あるいは無線のオペレータインタフェースを介して与えられてもよい。この代わりに、あるいは、これに加えて、電動モータ１０８の動作についてのコマンド１３８は、自動化されたシステムからコントローラ１２０に与えられてもよい。
【００４８】
制御則１３４は、電動モータ１０８からのフィードバックを利用して、電動モータ１０８を制御するタイミング１３６を規定するものであってもよい。非限定的な例では、制御則１３４は、ロータ１１０の位置１４０、ロータ１１０の回転１４２、ロータ１１０が発生させるトルク１４７、あるいはその組み合わせ、を特定するフィードバックを利用して、電動モータ１０８を制御するものであってもよい。ロータ１１０の位置１４０とは、電動モータ１０８におけるロータ１１０の回転位置を指す。ロータ１１０の回転１４２は、ロータ１１０の回転速度１４４及び方向１４６を包含する。トルク１４７は、ロータ１１０の回転力（angular force）を指す。
【００４９】
コントローラ１２０が利用する所望のフィードバックを電動モータ１０８から得るために、センサ１４８を用いてもよい。センサ１４８は、ロータ１１０の位置１４０、ロータ１１０の回転１４２、ロータ１１０が発生させるトルク１４７、あるいはその組み合わせを特定するよう構成されていてもよい。代わりに、センサ１４８は、ロータ１１０の位置１４０、ロータ１１０の回転１４２、ロータ１１０が発生させるトルク１４７、あるいはその組み合わせをコントローラ１２０が特定するための情報を提供するよう構成されていてもよい。非限定的な例では、センサ１４８は、ホール素子（Hall effect device）を含みうる。複数のホール素子を利用して、既知の方法でロータ１１０の位置１４０を特定しうる。この代わりに、あるいは、これに加えて、センサ１４８は、巻線部１１２を流れる電流を特定するのに適切なセンサ、任意の他の適切なセンサ、適切なセンサの様々な組み合わせを含みうる。
【００５０】
センサ１４８は、任意の適切な方法で電動モータ１０８に接続あるいは装着されて、コントローラ１２０が利用する所望のフィードバック情報を取得するものとしてもよい。センサ１４８は、第１の位置１１４で電動モータ１０８に接続され、その情報は、送信部１５０を用いて、第２の位置１１６のコントローラ１２０に送信されてもよい。送信部１５０によって第１の位置１１４から送信された情報は、受信部１５２を用いて、第２の位置１１６でコントローラ１２０に受信されてもよい。非限定的な例では、適切な送信部１５０及び受信部１５２を利用して、第１の位置１１４のセンサ１４８と第２の位置１１６のコントローラ１２０との間に、無線通信リンク、有線通信リンク、光通信リンク、あるいは任意の他の適切な通信リンクを構成してもよい。
【００５１】
第１の位置１１４のセンサ１４８及び送信部１５０が動作するための電力は、任意の適切な態様で供給可能である。非限定的な例では、センサ１４８及び送信部１５０の電力は、電動モータ１０８の巻線部１１２から供給してもよい。この場合、センサ１４８及び送信部１５０が動作するための電力を、ロータ１１０を回転させる電力に上乗せして、送電部１１８から巻線部１１２に伝送してもよい。
【００５２】
ロータ１１０の位置１４０、ロータ１１０の回転１４２、ロータ１１０が発生させるトルク１４７、あるいはその組み合わせを特定するフィードバックは、電動モータ１０８に接続したセンサ１４８を用いることなく取得して、コントローラ１２０の利用に供することも可能である。この場合、第１の位置１１４にある電動モータ１０８に関連づけられたセンサ１４８及び送信部１５０も、第２の位置１１６にあるコントローラ１２０に関連づけられた受信部１５２も不要である。非限定的な例では、電動モータ１０８をコントローラ１２０においてモデル化して、これによりコントローラ１２０が、任意の時点のロータ１１０の位置１４０を算出するとしてもよい。この代わりに、あるいは、これに加えて、ロータ１１０の位置１４０、ロータ１１０の回転１４２、ロータ１１０が発生させるトルク１４７、あるいはその組み合わせを、ロータ１１０の位置１４０及び回転１４２が送電部１１８に及ぼす影響から特定するものとしてもよい。
【００５３】
例えば、ロータ１１０の位置１４０は、送電部１１８に含まれる送電コイル１２４のインダクタンスに影響を及ぼしうる。コントローラ１２０は、ロータ１１０の位置１４０が送電コイル１２４のインダクタンスに及ぼす影響を特定し、これによりロータ１１０の位置１４０を特定するよう構成されていてもよい。コントローラ１２０は、送電部１１８から電動モータ１０８の巻線部１１２への給電に適切なタイミング１３６を、特定されたロータ１１０の位置１４０を利用して特定するものとしてもよい。
【００５４】
また、ロータ１１０の回転１４２は、送電コイル１２４が電動モータ１０８の巻線部１１２に伝送するために取り込む電力に影響を及ぼす。コントローラ１２０は、送電コイル１２４が取り込む電力に対してロータ１１０の回転１４２が及ぼした影響を特定することにより、ロータ１１０の回転１４２、ロータ１１０が発生させたトルク１４７、あるいはその両方を特定するように構成されていてもよい。コントローラ１２０は、特定されたロータ１１０の回転１４２、ロータ１１０が発生させるとして特定されたトルク１４７、あるいはその両方を利用して、送電部１１８から電動モータ１０８の巻線部１１２に給電するのに適切なタイミング１３６を特定するものとしてもよい。
【００５５】
図１の内容は、例示的な実施形態を実現可能な態様について、物理的な限定や構造的な限定を課すことを意図するものではない。図に示した構成要素に加えて、又は、これに代えて、他の構成要素を用いてもよい。省略可能な構成要素も含まれうる。また、図に示したブロックは、機能部のいくつかを表している。例示的な一実施形態において実施する際には、これらのブロックの１つ又はそれ以上を、組み合わせたり、分割したり、あるいは組み合わせて異なるブロックに分割したりしてもよい。
【００５６】
例えば、例示的な実施形態を用いて、異なる各種の電動モータにワイヤレス給電を行うことができる。共振誘導結合は交流電流を発生させるので、これを用いて、交流モータにワイヤレス給電を行うことが可能である。交流電流の正と負の極性が共振周波数で入れ替わるのに伴って、モータ巻線部の極性も同様に切り替わる。交流モータは、その共振周波数が、永久磁石ロータを回転させるのに必要なタイミングでモータ巻線部の電流を変化させる周波数と整合するように構成されていてもよい。このような構成により、モータに整流子やスリップリングを設ける必要がなくなる。例示的な実施形態にしたがってワイヤレスで制御及び給電される交流モータは、相対的に極めて小型、軽量、省電力のモータが望ましい用途において特に有用である、例えば、比較的安価な使い捨てモータや他の適切な用途に特に有用である。
【００５７】
例示的な実施形態は、永久磁石ではなく鉄製のロータを有する交流モータへのワイヤレス給電に利用可能である。この場合、鉄製のロータを引き寄せるのは、モータ巻線部に流れる電流が生成する電界方向ではなく電界強度である。このようなモータでは、直前の段落で説明した安価な交流モータよりも、精密で変則的な整流制御が可能である。このようなモータは、ロボットアームやロボットハンドなどの機械的な結合部を動作させる用途、あるいは、その他の適切な用途において特に有用である。
【００５８】
例示的な実施形態を利用可能な別のモータ構成には、ステータとしてのコイル群を中心に置き、ロータとして機能する回転永久磁石を外側に配置したものある。この種類のモータは、上述した他の種類のモータに比べると、トルクは高いが、回転速度は遅い。この種類のモータでは、ロータの回転円周が大きくなっていることにより、完全に１回転するのに、より長く時間がかかる。
【００５９】
例示的な実施形態によれば、複数の送電部を適切に配置することにより、複数の電動モータに対してワイヤレス給電を行うことも可能である。非限定的な例を挙げると、複数の電動モータを、ロボットの接合部、人工義肢（bionic limb）、人工臓器、機械的な創造物（mechanical creature）、その他の適切な用途において用いることができる。この場合、例示的な実施形態では、複数の送電部は、複数の電動モータが送電部のアレイからワイヤレスで給電と制御とを受けるコマンドセンター構成（command center configuration）やその他の適切な構成に配置することができる。
【００６０】
例示的な実施形態によれば、複数のコントローラを用いて電動モータへのワイヤレス給電を制御することが可能である。非限定的な例を挙げると、複数のコントローラは、電動モータの制御に最善の次の工程を、同時に決定するよう構成されていてもよい。例示的な実施形態による送電部を用いると、これら複数のコントローラが一番多く導き出した結論に従って電動モータへのワイヤレス給電を行うことができる。この方法で複数のコントローラを用いると、より堅実なモータ動作が可能になる。コントローラは、電動モータから物理的に隔離されているので、モータを制御するコントローラの数を増やしても、モータ自体の大きさや重量には影響しない。
【００６１】
図２を参照して、電動モータの制御と給電をワイヤレスで行う例示的な一実施形態について説明する。この実施形態における電動モータ２００は、図１の電動モータ１０８の実施例である。電動モータ２００への給電は、送電部２０２によりワイヤレスで行う。送電部２０２は、図１の送電部１１８の実施例である。この実施例では、電動モータ２００は三相モータの一例である。例示的な実施形態は、これ以外のいくつの数の相を有する電動モータのワイヤレス給電にも利用できる。
【００６２】
電動モータ２００は、ロータ２０４及び巻線部２０６、２０８、２１０を含む。巻線部２０６を第１巻線部とし、巻線部２０８を第２巻線部とし、巻線部２１０を第３巻線部として記載する場合がある。巻線部２０６、２０８、２１０は、それぞれ異なる共振周波数を有するように構成されている。例えば、巻線部２０６は、第１共振周波数を有するように構成されており、巻線部２０８は、第２共振周波数を有するように構成されており、巻線部２１０は、第３共振周波数を有するように構成されていてもよい。
【００６３】
送電部２０２は、送電コイル２１２、送電コイル２１４、及び、送電コイル２１６を含む。送電コイル２１２を第１送電コイルとし、送電コイル２１４を第２送電コイルとし、送電コイル２１６を第３送電コイルとして記載する場合がある。
【００６４】
送電コイル２１２、２１４、２１６は、巻線部２０６、２０８、２１０の共振周波数に対応して、それぞれ異なる共振周波数を有するように構成されている。例えば、送電コイル２１２は、巻線部２０６の第１共振周波数に対応する共振周波数２１８を有しており、送電コイル２１４は、巻線部２０８の第２共振周波数に対応する共振周波数２２０を有しており、送電コイル２１６は、巻線部２１０の第３共振周波数に対応する共振周波数２２２を有していてもよい。
【００６５】
送電コイル２１２、２１４、２１６への電力は、電源２２４からスイッチシステム２２６を経由して供給されてもよい。電動モータ２００を駆動するには、巻線部２０６、２０８、２１０に適切な順序で電流を流して、ロータ２０４を回転させる。コントローラ２２８は、任意の時点の順序で、巻線部２０６、２０８、２１０のうちのどの巻線部に電力を供給すべきかを判定するよう構成されている。コントローラ２２８は、スイッチシステム２２６に含まれるスイッチ素子を駆動して、電源２２４からの電力が適切な順序で送電コイル２１２、２１４、２１６に提供されるようにしてもよい。これを受けて、送電コイル２１２、２１４、２１６では、それぞれに対応する共振周波数２１８、２２０、２２２で磁束の変化が生じる。このように、共振周波数２１８、２２０、２２２での磁束変化が適切な順序で生じることによって、巻線部２０６、２０８、２１０に所望の電流が適切な順序で発生して、ロータ２０４を回転させる。巻線部２０６、２０８、２１０の共振周波数はそれぞれ異なるので、送電部２０２が共振周波数２１８、２２０、２２２のいずれかの周波数で電力を伝送すると、巻線部２０６、２０８、２１０のうち、対応する共振周波数を有する１つの巻線部にのみ電流が発生する。これにより、巻線部２０６、２０８、２１０に適切な順序で個別に給電することができる。
【００６６】
図３を参照すると、例示的な実施形態による送電コイル及び電動モータの巻線部を示す模式回路図が示されている。送電コイル３００は、図１に示す送電部１１８に含まれる送電コイル１２４のうちの１つについての実施例である。送電コイル３００は、送電部３０１の一部を構成するものであってもよい。巻線部３０２は、図１に示す電動モータ１０８の１つの相に対応する巻線部１１２の実施例である。巻線部３０２及びロータ３０４は、それぞれ電動モータ３０５の一部を構成する。
【００６７】
送電コイル３００は、電線から成るコイルであってもよい。コンデンサ３０６は、送電コイル３００の両端に接続されて、送電コイル３００の共振周波数を、下記式に従った所望の周波数にする。
【数１】
0006745724.tif 000002
式中のｆは、送電コイル３００の共振周波数を表し、Ｌは、送電コイル３００のインダクタンスを表し、Ｃは、コンデンサ３０６の容量を表す。コンデンサ３０６は、１つ又は複数のコンデンサを用いて実現することができる。
【００６８】
電力は、電源３０８から発振器３１０を介して送電コイル３００に給電される。発振器３１０は、アナログ装置あるいは他の適切な装置として実現可能であり、これは送電コイル３００の公称共振周波数で電流を発生させて磁束を変化させるよう構成される。発振器３１０は、適切に制御されることにより、送電コイル３００の磁束を共振周波数で適時に変化させて、巻線部３０２に電流を発生させるものであってもよい。
【００６９】
巻線部３０２は、コイル３１２を含む。非限定的な例では、コイル３１２は、磁気コアに巻回された電線から成る。あるいは、コイル３１２を構成する電線は、芯材に巻回されていなくてもよく、コイル３１２は空芯コアであってもよい。巻線部３０２にはコンデンサ３１４が接続されている。このコンデンサは、巻線部３０２の共振周波数を、上述した式に従った所望の周波数にする。この場合、式中のｆは巻線部３０２の共振周波数を表し、Ｌはコイル３１２のインダクタンスを表し、Ｃは、コンデンサ３１４の容量を表す。コンデンサ３１４は、１つ又は複数コンデンサを用いて実現できる。
【００７０】
送電部３０１に含まれる送電コイル３００及びコンデンサ３０６、並びに、巻線部３０２に含まれるコイル３１２及びコンデンサ３１４は、送電コイル３００の共振周波数が、巻線部３０２の共振周波数と整合するように選択されてもよい。この場合、発振器３１０により送電コイル３００に誘導された磁束を、共振誘導結合によって巻線部３０２に結合させることができる。巻線部３０２に結合された磁束は、巻線部３０２に電流を発生させ、これがロータ３０４を回転させる。発振器３１０は適切に制御されて、送電コイル３００に磁束を発生させ、これにより巻線部３０２に適切なタイミングで電流を発生させて、ロータ３０４を回転させるものであってもよい。
【００７１】
巻線部３０２全体のインダクタンスは、巻線部３０２に対するロータ３０４の位置が変化するのに伴って変化する。巻線部３０２と送電コイル３００との相互インダクタンスにより、ロータ３０４が回転すると、これに対応して送電コイル３００のインダクダンスも変化する。例えば、送電コイル３００全体のインダクタンスは、ロータ３０４が位置３１８から矢印３２０が示す方向に移動するにつれて変化する。ロータ３０４の回転が送電部３０１に及ぼす影響に基づいて、ロータ３０４の位置、ロータ３０４の回転、あるいはその両方を特定することが可能である。
【００７２】
次に図４を参照すると、例示的な実施形態により、電動モータにおけるロータの位置を特定するための表が示されている。表４００を参照して説明する方法は、ロータ位置の静的測定を含み、この測定は、例示的な実施形態による送電部に含まれる送電コイルのインダクタンスにロータ位置が及ぼす影響に基づいて行われる。本方法によるロータ位置の特定は、モータの起動時にロータの回転を開始させるために最初に給電すべきモータ巻線部を特定するのに有用である。ただし、この例に限定されるものではない。ロータ位置を特定する本方法は、電動モータの駆動を制御する他の適切な目的でも有用である。表４００を参照して説明する本方法を、例えば、コントローラ１２０において実施し、これにより、図１の送電部１１８に含まれる送電コイル１２４にロータ１１０の位置１４０が及ぼす影響に基づいて、電動モータ１０８におけるロータ１１０の位置１４０を特定してもよい。
【００７３】
電動モータにおいて、ある特定の巻線部のインダクタンスは、当該巻線部に電動モータのロータが近づくのにつれて増加する。相互インダクタンスにより、例示的な実施形態による巻線部に電力をワイヤレス伝送する送電コイルのインダクタンスも同様に増加する。送電コイルのインダクタンスが増加すると、送電コイルの共振周波数は低くなる。共振周波数のこのような変化を特定、利用することによって、その送電コイルに対応するモータ巻線部に対するロータ位置を特定することができる。モータの他の巻線部に対するロータの位置も、同様の処理により特定することができる。よって、全てのモータ巻線部に対するロータの位置は、その巻線部へのワイヤレス給電を行う送電コイルの共振周波数の変化から特定することができる。
【００７４】
再び図３を参照すると、送電コイル３００の共振周波数の変化は、発振器３１０の周波数を、送電コイル３００及びコンデンサ３０６からなる並列回路の共振周波数と比較することにより特定可能である。発振器３１０の周波数は、送電コイル３００及びコンデンサ３０６の公称共振周波数に固定された周波数であってもよい。ただし、送電コイル３００及びコンデンサ３０６からなる並列回路の実際の共振周波数は、ロータ３０４の位置変化に伴って送電コイル３００のインダクタンスが変化するにつれて変化する。したがって、ロータ３０４の位置変化に伴う送電コイル３００の共振周波数の変化は、発振器３１０の周波数を、送電コイル３００の実際の共振周波数と比較することにより特定可能である。
【００７５】
非限定的な例では、発振器３１０の周波数と送電コイル３００の実際の周波数との差分は、発振器３１０からのＡＣ電圧及び発振器３１０からのＡＣ電流を用いて特定可能である。発振器３１０からのＡＣ電圧は、電圧センサ４０１を用いて特定することができる。発振器３１０からのＡＣ電流は、電流センサ４０２を用いて特定することができる。任意の適切な電圧センサ４０１及び電流センサ４０２を利用して、発振器３１０からのＡＣ電圧及びＡＣ電流をそれぞれ特定可能である。発振器３１０からのＡＣ電圧と発振器３１０からのＡＣ電流との位相ずれを測定し、発振器３１０からのＡＣ電圧の振幅及び発振器３１０からのＡＣ電流の振幅を測定し、その比率を算出することにより、送電コイル３００及びコンデンサ３０６からなる並列回路について、発振器３１０の周波数に対するインピーダンスを既知の方法で特定することができる。このインピーダンスを利用して、送電コイル３００の実際の共振周波数と、送電コイル３００の公称共振周波数で送電コイル３００を駆動する発振器３１０の周波数との差分を判定できる。種々のモータ巻線部に対応する送電コイルにおけるこれらの周波数間の相対的な差分を利用して、巻線部に対するロータの位置を特定することができる。
【００７６】
図４を参照すると、表４００は、三相モータの巻線部に対応する送電コイルにおいて、送電コイルの周波数と発振器の周波数との間の相対的な差分をどのように利用してモータ巻線部に対するロータの位置を特定するかの例を示している。例示的な実施形態によれば、これ以外の任意の数の相を有する電動モータであっても、同様の方法によってロータ位置を特定することができる。この例では、巻線部Ａ４０４、巻線部Ｂ４０６、及び巻線部Ｃ４０８を含む電動モータ４０３におけるロータの位置が特定される。送電コイルＴＸＡは、巻線部Ａ４０４へのワイヤレス給電を、巻線部Ａ４０４の共振周波数に対応する共振周波数で行うのに用いられる。発振器ＯＳＣＡは、送電コイルＴＸＡの公称共振周波数で送電コイルＴＸＡを駆動するよう構成されている。送電コイルＴＸＢは、巻線部Ｂ４０６へのワイヤレス給電を、巻線部Ｂ４０６の共振周波数に対応する共振周波数で行うのに用いられる。発振器ＯＳＣＢは、送電コイルＴＸＢの公称共振周波数で送電コイルＴＸＢを駆動するよう構成されている。送電コイルＴＸＣは、巻線部Ｃ４０８へのワイヤレス給電を、巻線部Ｃ４０８の共振周波数に対応する共振周波数で行うのに用いられる。発振器ＯＳＣＣは、送電コイルＴＸＣの公称共振周波数で送電コイルＴＸＣを駆動するよう構成されている。表４００において、周波数差分が大であるとは、中の周波数差分よりも差分が大きいことを意味し、周波数差分が中であるとは、小の周波数差分よりも差分が大きいことを意味する。
【００７７】
ロータが位置４１４にある時は、ロータはその回転において、巻線部Ａ４０４に最も近く、巻線部Ｂ４０６及び巻線部Ｃ４０８からは相対的に遠くに位置する。この場合、ロータ位置４１４では、巻線部Ａ４０４及び対応する送電コイルＴＸＡのインダクタンスに及ぼす影響が最も大きく、巻線部Ｂ４０６及び対応する送電コイルＴＸＢのインダクタンス、並びに、巻線部Ｃ４０８及び対応する送電コイルＴＸＣのインダクタンスに及ぼす影響は相対的に小さい。ロータ位置４１４が及ぼすこの影響は、送電コイルＴＸＡの周波数と、送電コイルＴＸＡを駆動する発振器ＯＳＣＡの周波数との差分が相対的に大きく、送電コイルＴＸＢの周波数と、送電コイルＴＸＢを駆動する発振器ＯＳＣＢの周波数との差分が相対的に小さく、また、送電コイルＴＸＣの周波数と、送電コイルＴＸＣを駆動する発振器ＯＳＣＣの周波数との差分が相対的に小さいことにより特定可能である。
【００７８】
ロータが位置４１６にある時は、ロータはその回転において、巻線部Ａ４０４と巻線部Ｂ４０６との間に位置し、巻線部Ｃ４０８からは相対的に遠くに位置する。この場合、ロータ位置４１６では、巻線部Ａ４０４、これに対応する送電コイルＴＸＡ、巻線部Ｂ４０６、及び、これに対応する送電コイルＴＸＢのインダクタンスに及ぼす影響が相対的に大きく、巻線部Ｃ４０８及び対応する送電コイルＴＸＣのインダクタンスに及ぼす影響は相対的に小さい。ロータ位置４１６が及ぼすこの影響は、送電コイルＴＸＡの周波数と、送電コイルＴＸＡを駆動する発振器ＯＳＣＡの周波数との差分が相対的に中程度であり、送電コイルＴＸＢの周波数と、送電コイルＴＸＢを駆動する発振器ＯＳＣＢの周波数との差分が相対的に中程度であり、送電コイルＴＸＣの周波数と、送電コイルＴＸＣを駆動する発振器ＯＳＣＣの周波数との差分が相対的に小さいことにより特定可能である。
【００７９】
ロータが位置４１８にある時は、ロータはその回転において、巻線部Ｂ４０６に最も近く、巻線部Ａ４０４及び巻線部Ｃ４０８からは相対的に遠くに位置する。この場合、ロータ位置４１８では、巻線部Ｂ４０６及び対応する送電コイルＴＸＢのインダクタンスに及ぼす影響が最も大きく、巻線部Ａ４０４、これに対応する送電コイルＴＸＡ、巻線部Ｃ４０８、及び、これに対応する送電コイルＴＸＣのインダクタンスに及ぼす影響は相対的に小さい。ロータ位置４１８が及ぼすこの影響は、送電コイルＴＸＡの周波数と、送電コイルＴＸＡを駆動する発振器ＯＳＣＡの周波数との差分が相対的に小さく、送電コイルＴＸＢの周波数と、送電コイルＴＸＢを駆動する発振器ＯＳＣＢの周波数との差分が相対的に大きく、送電コイルＴＸＣの周波数と、送電コイルＴＸＣを駆動する発振器ＯＳＣＣの周波数との差分が相対的に小さいことにより特定可能である。
【００８０】
ロータが位置４２０にある時は、ロータはその回転において、巻線部Ｂ４０６と巻線部Ｃ４０８の間に位置し、巻線部Ａ４０４からは相対的に遠くに位置する。この場合、ロータ位置４２０では、送電コイルＴＸＢ、これに対応する巻線部Ｂ４０６、巻線部Ｃ４０８、及び、これに対応する送電コイルＴＸＣのインダクタンスに与え得る影響は相対的に大きく、巻線部Ａ４０４及び対応する送電コイルＴＸＡのインダクタンスに及ぼす影響は相対的に小さい。ロータ位置４２０が及ぼすこの影響は、送電コイルＴＸＡの周波数と、送電コイルＴＸＡを駆動する発振器ＯＳＣＡの周波数との差分が相対的に小さく、送電コイルＴＸＢの周波数と、送電コイルＴＸＢを駆動する発振器ＯＳＣＢの周波数との差分が相対的に中程度であり、送電コイルＴＸＣの周波数と、送電コイルＴＸＣを駆動する発振器ＯＳＣＣの周波数との差分が相対的に中程度であることにより特定可能である。
【００８１】
ロータが位置４２２にある時は、ロータはその回転において、巻線部Ｃ４０８に最も近く、巻線部Ａ４０４及び巻線部Ｂ４０６とからは相対的に遠くに位置する。この場合、ロータ位置４２２では、巻線部Ｃ４０８及び対応する送電コイルＴＸＣのインダクタンスに及ぼす影響が最も大きく、巻線部Ａ４０４、これに対応する送電コイルＴＸＡ、巻線部Ｂ４０６、及び、これに対応する送電コイルＴＸＢのインダクタンスに及ぼす影響は相対的に小さい。ロータ位置４２２が及ぼすこの影響は、送電コイルＴＸＡの周波数と、送電コイルＴＸＡを駆動する発振器ＯＳＣＡの周波数との差分が相対的に小さく、送電コイルＴＸＢの周波数と、送電コイルＴＸＢを駆動する発振器ＯＳＣＢの周波数との差分が相対的に小さく、送電コイルＴＸＣの周波数と、送電コイルＴＸＣを駆動する発振器ＯＳＣＣの周波数との差分が相対的に大きいことにより特定可能である。
【００８２】
ロータが位置４２４にある時は、ロータはその回転において、巻線部Ａ４０４と巻線部Ｃ４０８との間に位置し、巻線部Ｂ４０６からは相対的に遠くに位置する。この場合、ロータ位置４２４では、巻線部Ａ４０４、これに対応する送電コイルＴＸＡ、巻線部Ｃ４０８、及び、これに対応する送電コイルＴＸＣのインダクタンスに及ぼす影響は相対的に大きく、巻線部Ｂ４０６及び対応する送電コイルＴＸＢのインダクタンスに及ぼす影響は相対的に小さい。ロータ位置４２４が及ぼすこの影響は、送電コイルＴＸＡの周波数と、送電コイルＴＸＡを駆動する発振器ＯＳＣＡの周波数との差分が相対的に中程度であり、送電コイルＴＸＢの周波数と、送電コイルＴＸＢを駆動する発振器ＯＳＣＢの周波数との差分が相対的に小さく、送電コイルＴＸＣの周波数と、送電コイルＴＸＣを駆動する発振器ＯＳＣＣの周波数との差分が相対的に中程度であることにより特定可能である。
【００８３】
図５を参照すると、例示的な実施形態による電動モータのロータ動作を特定するための波形図が示されている。波形図５００を参照して説明する方法はロータ回転の動的測定を含み、この測定は、例示的な実施形態による送電部に含まれる送電コイルに伝送される電力に基づいて行われる。本方法によるロータの回転の特定は、ロータの回転速度、回転方向、動的位置、及び、トルクを特定するのに有用である。ただし、これらの例に限定されるものではない。また、本方法によるロータの回転の特定は、例示的な実施形態による電動モータの動作を制御する他の適切な目的や、そのような目的の様々な組み合わせにおいても有用である。ここに説明する本方法を、例えば、図１のコントローラ１２０において実施してもよく、これにより、ロータ１１０の回転１４２が送電部１１８に及ぼす影響に基づいて、ロータ１１０の回転１４２及びトルク１４７を特定してもよい。
【００８４】
電動モータにおいてロータが回転すると、各モータ巻線部から順に電力が引き出され、引き出された電力が機械的動力に変換される。例示的な実施形態によれば、各モータ巻線部は、対応する送電コイルから順に無線で電力を引き出す。つまり、複数の送電コイルは、ロータが回転するにつれてそれぞれ順に電力を引き出す。送電コイルが電力を引き出す順を利用すれば、ロータの回転方向を特定することが可能である。ある送電コイルが引き出す電力におけるピークと、同一の送電コイルが引き出す電力における次のピークとの時間間隔は、ロータが半回転する時間に相当する。この時間間隔を利用すれば、ロータの回転速度を特定することが可能である。
【００８５】
ロータにより得られる機械的動力は、全送電コイルから引き出される電力の合計に対して効率係数（efficiency factor）を乗じた結果と等価である。効率係数は、既知の方法で測定あるいは算出可能である。ロータが生成する機械的動力は、トルクに角速度を乗じた値と等しい。したがって、ロータの回転により生成されるトルクを算出するには、例えば、送電コイルが引き出した電力として測定された値の合計に効率係数を乗じ、その積をロータの回転速度で割ればよい。
【００８６】
送電コイルが引き出して、例示的な実施形態による電動モータの巻線部にワイヤレス伝送する電力は、任意の適切な方法を用いて特定することができる。例えば、再び図３を参照すると、送電コイル３００が引き出して電動モータ３０５の巻線部３０２に伝送する電力は、送電コイル３００への発振器３１０の出力から特定可能である。非限定的な例では、送電コイル３００が引き出す電力は、電圧センサ４０１及び電流センサ４０２、又は、その他の適切な方法により得られる電圧及び電流の測定値を用いて特定することができる。
【００８７】
図５を参照すると、波形図５００は、例示的な実施形態による三相電動モータ５０４に対するワイヤレス給電を行う３つの送電コイルにより引き出される電力を示している。波形図５００が示す波形を利用して、電動モータ５０４に含まれるロータ５０５の回転及びトルクを特定することができる。例示的な実施形態によれば、これ以外の任意の数の相を有する電動モータであっても、同様の方法によりロータの回転及びトルクを特定可能である。波形図５００の軸５０６は、電力を表している。波形図５００の軸５０８は、時間を表している。
【００８８】
この例では、電動モータ５０４は、ロータ５０５と、巻線部Ａ５１０、巻線部Ｂ５１２、巻線部Ｃ５１４と、を含む。波形５１６は、巻線部Ａ５１０へのワイヤレス給電を、当該巻線部Ａ５１０の共振周波数に対応する共振周波数で行うのに用いられる送電コイルが引き出した電力を表している。波形５１８は、巻線部Ｂ５１２へのワイヤレス給電を、当該巻線部Ｂ５１２の共振周波数に対応する共振周波数で行う送電コイルが引き出した電力を表している。波形５２０は、巻線部Ｃ５１４へのワイヤレス給電を、当該巻線部Ｃ５１４の共振周波数に対応する共振周波数で行うのに用いられる送電コイルが引き出した電力を表している。
【００８９】
時点１では、ロータ５０５は、電動モータ５０４の巻線部Ｃ５１４と整列した位置にある。非限定的な例を挙げると、電動モータ５０４の巻線部に対するロータ５０５の位置は、図４を参照して上述した方法を用いて特定することができる。波形５１６は、巻線部Ａ５１０へのワイヤレス給電を行う送電コイルに伝送される電力が増加していることを示す。よって、巻線部Ａ５１０が、送電コイルから磁気エネルギーとしてワイヤレスで引き出す電力も増加している。この磁力により巻線部Ａ５１０がロータ５０５を引き寄せるので、磁気エネルギーが運動エネルギーに変換される。
【００９０】
時点２では、ロータ５０５が巻線部Ａ５１０に近づくにつれて、巻線部Ａ５１０に対応する送電コイルから巻線部Ａ５１０が引き出す電力が受動的に減少し、巻線部Ａ５１０がロータ５０５を引き寄せる力が低下するので、磁気エネルギーから運動エネルギーへの変換も減少する。波形５１６は、巻線部Ａ５１０が引き出す電力が減少するにつれ、巻線部Ａ５１０へのワイヤレス電力伝送を行う送電コイルが引き出す電力も減少していることを示す。
【００９１】
時点３では、ロータ５０５は、巻線部Ａ５１０と整列する位置にある。波形５１６は、巻線部Ａ５１０へのワイヤレス給電を行う送電コイルが、この時点では電力を全く引き出していないことを示している。これは、巻線部Ａ５１０が送電コイルから引き出している電力がゼロであることによる。ただし、波形５１８が示すように、巻線部Ｂ５１２へのワイヤレス給電を行う送電コイルが引き出す電力が増加しており、これにより、巻線部Ｂ５１２がロータ５０５を引き寄せるので、ロータ５０５が引き続き回転する。
【００９２】
時点４では、ロータ５０５が巻線部Ｂ５１２に近づくにつれて、巻線部Ｂ５１２へのワイヤレス給電を行う送電コイルから巻線部Ｂ５１２が引き出す電力が受動的に減少し、巻線部Ｂ５１２がロータ５０５を引き寄せる力が低下するので、磁気エネルギーから変換される運動エネルギーも減少する。波形５１８は、巻線部Ｂ５１２が引き出す電力が減少するにつれ、巻線部Ｂ５１２にワイヤレス給電を行う送電コイルに給電される電力が減少していることを示す。
【００９３】
時点５では、ロータ５０５は、巻線部Ｂ５１２と整列する位置にある。波形５１８は、巻線部Ｂ５１２にワイヤレス給電を行う送電コイルが、この時点では電力を全く引き出していないことを示している。これは、巻線部Ｂ５１２が送電コイルから引き出している電力がゼロであることによる。ただし、波形５２０が示すように、巻線部Ｃ５１４へのワイヤレス給電を行う送電コイルが引き出す電力が増加しており、これにより、巻線部Ｃ５１４がロータ５０５を引き寄せるので、ロータ５０５が引き続き回転する。
【００９４】
このプロセスは継続して行われ、巻線部Ａ５１０、巻線部Ｂ５１２、及び、巻線部Ｃ５１４への給電を行う送電コイルが順に引き出す電力によってロータ５０５を回転させる。この場合、波形５１６、５１８、５２０の順序は、巻線部Ａ５１０に対応する送電コイルにより電力が引き出され、次に、巻線部Ｂ５１２に対応する送電コイルにより電力が引き出され、次に、巻線部Ｃ５１４に対応する送電コイルにより電力が引き出されることを示している。この順序の場合、ロータ５０５は矢印５２１の方向に回転する。
【００９５】
波形５１６、５１８、５２０の期間は、ロータ５０５が半回転する期間に相当する。非限定的な例では期間５２２は、波形５１６、５１８、５２０のいずれかの波形におけるピークと、同一の波形における次のピークとの間の期間として特定可能である。ロータ５０５の回転速度は、既知の方法により、期間５２２の逆数の半分として特定可能である。ロータ５０５の回転により生成されるトルクは、巻線部Ａ５１０、巻線部Ｂ５１２、及び、巻線部Ｃ５１４に対応する各送電コイルが引き出す電力の合計に対して効率係数を乗じ、その積をロータ５０５の回転速度で割ることにより算出できる。この例では、巻線部Ａ５１０、巻線部Ｂ５１２、及び、巻線部Ｃ５１４に対応する送電コイルが引き出す電力の合計は、波形５１６、５１８、５２０の高さの合計に相当する。
【００９６】
例示的な実施形態は、共振誘導結合を介して電動モータの巻線部への給電と制御とをワイヤレスで行うシステム及び方法を提供する。大きさ、重量、及び電源の改善について言えば、例示的な実施形態によれば、モータ部分そのものを小さくして、それ以上は縮小不可能なフォームファクタ（form factor）とすることができる。例示的な実施形態によれば、電動モータをより柔軟に様々な用途で利用することが可能になり、これにより電動モータを利用する製品のサイズを小さくし、そのような製品の電力依存度を低くし、そのような製品の信頼性を高め、メンテナンスのコストを低減することができる。１つ又は複数の例示的な実施形態では、過酷な環境で保護壁や他の適切な遮蔽構造を介して電動モータを駆動する態様が改善されている。例示的な実施形態のうちの１つ又は複数によれば、比較的安価な使い捨て電動モータを用いる用途において、当該モータへのワイヤレス給電に用いる電子部品部分については再利用することが可能になる。
【００９７】
様々な例示的な実施形態の説明は、例示及び説明のために提示したものであり、すべてを網羅することや、開示した形態での実施に限定することを意図するものではない。多くの変更又は変形が当業者には明らかであろう。また、例示的な実施形態は、他の例示的な実施形態とは異なる特徴をもたらしうる。選択した実施形態は、実施形態の原理及び実際の用途を最も的確に説明するために、且つ、想定した特定の用途に合わせて種々の改変を加えた様々な実施形態のための開示を当業者が理解できるようにするために、選択且つ記載したものである。
【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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