(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気空気コア装置であって、
螺旋状に巻付けられた板状構造で形成され、空気コアを含む第１のトロイドを備え、前記板状構造は外周面および内周面を有し、前記磁気空気コア装置はさらに、
前記第１のトロイドを同心状に実質的に包んでいる第２のトロイドを備え、前記第１および第２のトロイドの間には第１の空隙が設けられており、前記磁気空気コア装置はさらに、
前記第１のトロイドに接続される戻り端子と、
前記第２のトロイドに接続される開始端子とを備え、前記開始および戻り端子は他の電気装置への接続を可能にする、磁気空気コア装置。
【請求項２】
前記板状構造の各巻きの幅は変化する幅を有する、請求項１に記載の磁気空気コア装置。
【請求項３】
前記第１のトロイドの前記外周面の幅は前記内周面の幅よりも大きい、請求項２に記載の磁気空気コア装置。
【請求項４】
前記第１のトロイドの複数の巻きの各巻きは、第２のキャパシタを作成する第２の隙間によって分離されている、請求項２に記載の磁気空気コア装置。
【請求項５】
前記第２のトロイドと前記第１のトロイドとの間の前記第１の空隙は、第１の静電容量を有する第１のキャパシタを作成する、請求項１に記載の磁気空気コア装置。
【請求項６】
前記第１のキャパシタの前記第１の静電容量は、前記第１の空隙の長さを変えることによって制御され得る、請求項５に記載の磁気空気コア装置。
【請求項７】
前記第２のトロイドは、前記第１のトロイドへのアクセスを可能にする少なくとも１つのトロイダルスロットを含む、請求項１に記載の磁気空気コア装置。
【請求項８】
前記第２のトロイドは、前記第１のトロイドへのアクセスを可能にする少なくとも１つのポロイダルスロットを含む、請求項１に記載の磁気空気コア装置。
【請求項９】
前記第２のトロイドに取付けられる可撓性円形クリップが、前記少なくとも１つのトロイダルスロットおよび前記第１の空隙の長さを変え、前記第１のキャパシタの前記第１の静電容量に対する動的制御を可能にする、請求項６に記載の磁気空気コア装置。
【請求項１０】
前記第２のトロイドは複数の部分を含み、前記複数の部分の各々は前記少なくとも１つのポロイダルスロットの長さを変化させるように取外し可能に取付けられ、前記第１のキャパシタの前記第１の静電容量に対する動的制御を可能にする、請求項１に記載の磁気空気コア装置。
【請求項１１】
前記第１のトロイドは第１の方向における第１の電流の流れを可能にするように構成され、前記第２のトロイドは第２の方向における電流の流れを可能にするように構成される、請求項１に記載の磁気空気コア装置。
【請求項１２】
前記第１の電流の流れの前記第１の方向は、前記第２の電流の流れの前記第２の方向とは反対である、請求項１１に記載の磁気空気コア装置。
【請求項１３】
前記第２のトロイドは、端子を前記第１のトロイドおよび前記第２のトロイドに接続する少なくとも１つの端子スロットを含む、請求項１に記載の磁気空気コア装置。
【請求項１４】
前記第１のトロイドおよび前記第２のトロイドは、前記空気コアの内部に磁束を均一に保持するように構成される、請求項１に記載の磁気空気コア装置。
【請求項１５】
前記第２のトロイドは、複数の入力装置および複数の出力装置を接続するように構成される、請求項１に記載の磁気空気コア装置。
【請求項１６】
前記複数の入力装置は、前記空気コアと同じ周波数で、または前記空気コアとは異なる周波数で動作するように構成され得る、請求項１５に記載の磁気空気コア装置。
【請求項１７】
前記複数の出力装置は、前記空気コアと同じ周波数で、または前記空気コアとは異なる周波数で動作するように構成され得る、請求項１５に記載の磁気空気コア装置。
【請求項１８】
前記第２のトロイドは変圧器として働くように構成される、請求項１に記載の磁気空気コア装置。
【請求項１９】
前記第２のトロイドは無線電力伝達装置として働くように構成される、請求項１に記載の磁気空気コア装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
開示の分野
本願は概して空気コア磁性部品に関する。より特定的には、本開示は、電流を流すことによって通電され得るトロイダル磁性材料からなる高周波数コアに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
磁気コアは、電気、電気機械および磁気装置の重要な部品である。磁気コアは、磁界を回路内に閉じ込めて案内する。たとえば、典型的なインダクタは、磁束を作り出すコイル、磁束を導く磁気コア、および磁気エネルギを蓄える空隙で構成される。空隙は、磁気コアの内部の２つの鉄の平坦面からなる。幾何学的形状、透磁率およびヒステリシス特性、空隙の量、動作周波数、磁性材料等を含むいくつかの要因が、磁気コアの性能特性を規定する。磁気コアは、各々が異なる特性挙動を有する多くの形状で入手可能である。典型的に、高効率および低磁束漏れを有する磁気コアを選択することが望ましい。
【０００３】
トロイド形状磁気コアは、多くの広帯域周波数用途、電力変圧器、およびインダクタに非常に効果的であると見なされることが多い。トロイダルコアは、磁性材料の薄片をテープ状に連続的に巻付けることによって、または加圧されてトロイダル形状に圧縮される鉄粉を用いることによって形成される。理想的なコイルは、トロイドの周囲全体にわたって均一に分布している。この幾何学的形状の対称性によってコアの内部に円形ループの磁界が作り出され、鋭い曲げ部がないために事実上磁界全体がコアに制約される。
【０００４】
ＳｉＣまたはＧａＮワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体は、パワーエレクトロニクスが、最大で数ＭＨｚの、従来のＳｉデバイス回路よりも少なくとも１０倍高い動作周波数を有することを可能にする。さらに、ＷＢＧ半導体のＡＣ特性のため、より少ない受動素子で済む。しかし、変圧器用のコア材料には周波数限界がある。
【０００５】
磁心損失は、変圧器用のほとんどの高周波数用途における重要な限界である。一般的な磁心損失は、変化する磁界からの磁区の伸縮によるヒステリシス損失などの変化する磁界によって、熱を生成してコアの抵抗率を増加させる誘導された電流の循環ループによる過電流損失によって、および導体の表面における電流濃度の増加によってその有効表面積が減少し、次に抵抗率が増加する表皮効果によって起こる。さらに、電磁干渉および電磁両立性は高周波数装置に関する他の問題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
トロイド形状磁気コアは、他の形状と比べて低い磁心損失を提供する。巻線が巻かれたトロイドはいくつかの用途で幅広く用いられている。しかし、巻線を巻く処理は高額であり得、最適でないトロイド構成をもたらす。一般にＱ値と称される高品質係数を提供するより高度なトロイダルコア設計が、高周波数動作の高まる需要とともに必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
概要
本開示の実施形態によると、磁気コア装置が提供される。螺旋状に巻付けられた板状構造で形成され、空気コアを含む第１のトロイドを含む磁気空気コア装置であって、さらに、板状構造は外周面および内周面を有し、磁気空気コア装置はさらに、第１のトロイドを同心状に実質的に包む第２のトロイドを含む。第１および第２のトロイドの間には第１の空隙が設けられている。開始端子が第１のトロイドに接続され、戻り端子が第２のトロイドに接続され、開始および戻り端子は他の電気装置への接続を可能にする。
【０００８】
板状構造の各巻きの幅は変化する幅を有する。第１のトロイドの外周面の幅は内周面の幅よりも大きい。第１のトロイドの複数の巻きの各巻きは、第２のキャパシタを作成する第２の隙間によって分離されている。第２のトロイドと第１のトロイドとの間の第１の空隙は、第１の静電容量を有する第１のキャパシタを作成する。第１のキャパシタの第１の静電容量は、第１の空隙を変えることによって制御され得る。
【０００９】
第２のトロイドは、第１のトロイドへのアクセスを可能にする少なくとも１つのトロイダルスロットと、第１のトロイドへのアクセスを可能にする少なくとも１つのポロイダルスロットと、端子を第１のトロイドおよび第２のトロイドに接続する少なくとも１つの端子スロットとを含む。
【００１０】
さらに、第１のトロイドは第１の方向における第１の電流の流れを可能にするように構成され得、第２のトロイドは第２の方向における電流の流れを可能にするように構成され得る。
【００１１】
例示的な実現例の概略説明および以下のその詳細な説明は本開示の教示の例示的な局面に過ぎず、限定的なものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】フェライト磁気コアの基本特性を示すグラフ図である。
【図２】高精度ロゴスキー電流センサ用のコイル設計を示す図である。
【図３Ａ】本開示の実施形態に係る例示的な表面処理空気コアの斜視図である。
【図３Ｂ−Ｃ】表面処理空気コアの幾何学的形状を示す断面図である。
【図３Ｄ】表面処理空気コアの内部構造を示す断面図である。
【図３Ｅ】電流の流れ方向を示す表面処理空気コアの断面図である。
【図４Ａ】本開示の例示的な実施形態に係る巻線式トロイダルコアのコイル巻線同士の間の浮遊キャパシタを示す図である。
【図４Ｂ】本開示の例示的な実施形態に係る表面処理空気コアトロイドのコイル巻線同士の間の浮遊キャパシタを示す図である。
【図５Ａ】本開示の例示的な実施形態に係る典型的な巻線式トロイダルコアを流れる電流の内在的効果を示す図である。
【図５Ｂ】本開示の例示的な実施形態に係る表面処理空気コアトロイドを流れる電流の内在的効果を示す図である。
【図６Ａ】本開示の例示的な実施形態に係る巻線式トロイダルコア内に発生する磁束密度の例示的なシミュレーション結果を示す図である。
【図６Ｂ】本開示の例示的な実施形態に係る表面処理空気コア内に発生する磁束密度の例示的なシミュレーション結果を示す図である。
【図６Ｃ】本開示の例示的な実施形態に係る巻線式トロイダルコアおよび表面処理空気コアトロイドの内部の磁束密度の差を示す図である。
【図７Ａ】本開示の例示的な実施形態に係るコイルに印加される励磁電流のステップを示す図である。
【図７Ｂ】本開示の例示的な実施形態に係る巻線式トロイダルコア内に発生する磁束密度の例示的なシミュレーション結果を示す図である。
【図７Ｃ】本開示の例示的な実施形態に係る表面処理空気コア内に発生する磁束密度の例示的なシミュレーション結果を示す図である。
【図７Ｄ】本開示の例示的な実施形態に係る巻線式トロイダルコアおよび表面処理空気コアトロイドの内部の磁束密度の差を示すグラフ図である。
【図８Ａ】本開示の例示的な実施形態に係る変圧器としての表面処理空気コアの例示的な応用の図である。
【図８Ｂ】本開示の例示的な実施形態に係る図８Ａの変圧器の動作回路を示す図である。
【図８Ｃ】本開示の実施形態に係る図８Ａの変圧器構成についての例示的な磁束分布を示す図である。
【図８Ｄ】本開示の例示的な実施形態に係る変圧器内に用いられるフラットワイヤおよびトロイダル巻線コア構造の結合比を比較する図である。
【図９Ａ】本開示の実施形態に係る磁気共鳴無線送電動作のために表面処理空気コアトロイドを採用する動作回路を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ａにおいて用いられる表面処理空気コアトロイド内の磁束密度分布のサンプルシミュレーション結果を示す図である。
【図９Ｃ】本開示の例示的な実施形態に係る、静電容量が変化する際の磁束分布、送電および効率を示すグラフ図である。
【図１０】複数の出力を有する表面処理空気コアトロイド変圧器を採用する近接場無線電力伝達構成を示す図である。
【図１１Ａ】本開示の例示的な実施形態に係る複数の入力および複数の出力を有する近接場無線電力伝達の電力制御グラフを示す図である。
【図１１Ｂ】本開示の例示的な実施形態に係る複数の入力および複数の出力を有する近接場無線電力伝達の電力制御グラフを示す図である。
【図１１Ｃ】本開示の例示的な実施形態に係る複数の入力および複数の出力を有する近接場無線電力伝達の電力制御グラフを示す図である。
【図１２Ａ】本開示の例示的な実施形態に係る表面処理空気コアトロイドの３Ｄプリンティングに基づく製造を示す図である。
【図１２Ｂ】本開示の例示的な実施形態に係る表面処理空気コアトロイドの３Ｄプリンティングに基づく製造を示す図である。
【図１２Ｃ】本開示の例示的な実施形態に係る表面処理空気コアトロイドの３Ｄプリンティングに基づく製造を示す図である。
【図１２Ｄ】本開示の例示的な実施形態に係る表面処理空気コアトロイドの３Ｄプリンティングに基づく製造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
詳細な説明
図面において、同様の参照番号はいくつかの図全体にわたって同一のまたは対応する部分を示す。さらに、ここで用いられる「ａ」、「an」などの語は概して、特に指定のない限り「１つ以上」の意味を有する。図面は概して、指定のない限り一定の縮尺で描かれているか、または概略構造もしくはフローチャートを示している。
【００１４】
高周波数磁気装置は、フェライト材料を用いる固体トロイドまたは空気コアを有するトロイドとして実現され得る。フェライト材料コアを有する装置は、強磁性材料によって運ばれる最大磁束の境界を付ける飽和限界を有する。典型的に、磁束がフェライトコアの透磁率を増加させると、磁界の形成をサポートするフェライトコアの能力は低下する。フェライトコアの透磁率は動作の周波数にも影響されるが、透磁率−周波数関係は非常に複雑である。たとえば図１を参照。
【００１５】
一方、空気コアを有する高周波数磁気装置は、磁界の経路内にフェライト材料を有さない。その結果、当該装置は高周波数動作時に潜在的に低損失を有する。さらに、空気コアを用いるそのような装置は磁束飽和限界を有さない。したがって、より高い磁束が空気コアによってサポートされ得、複数の入力および出力を１つの変圧器に接続することができる。さらに、空気コアの高効率およびより高い相互インダクタンス容量によって、非接触の複数入力および出力送電装置の設計が可能になる。
【００１６】
図１は、Ｍｎ-ＺｎおよびＮｉ-Ｚｎフェライトコアのサンプル周波数対透磁率特性を示す。線Ｌ１０７ａおよびＬ１０７ｂは、フェライトコアの透磁率を周波数の関数として示している。フェライト材料は線Ｌ１０５によって示される「スネークリミット」と称されるトレードオフを提供し、これを超えると透磁率は周波数が増加するにつれて低下する。
【００１７】
高周波数設計変圧器は、励磁インダクタンスを維持するために巻数が多いコイルを有するだけでなく、コア自体および表皮効果に起因する大きなＡＣ損失も有する。再び図１を参照して、高透磁率および低損失材料（Ｍｎ−Ｚｎ）は５００ｋＨｚあたりに周波数限界を有する（図１の領域Ｒ１０１）。Ｎｉ−Ｚｎフェライトからなる低透磁率および高損失材料は、１ＭＨｚのあたりに高周波数限界を有する（領域Ｒ１０３）。その結果、ほとんどのＤＣ−ＤＣコンバータは1ＭＨｚ未満の動作周波数を有する。対照的に、ＷＢＧ半導体は１ＭＨｚスイッチングで動作可能である。ＷＢＧスイッチング能力を利用するために、磁性部品のための空気コアの使用をここに開示する。
【００１８】
空気コア変圧器に関連付けられるすべての相互結合不良は、ＬＣ共振とも称される共振電磁結合の使用によって克服される。共振電磁結合は、同じコアの周りに巻かれた２つの高品質（Ｑ）コイルで構成され、キャパシタが巻線を横切って２つのＬＣ回路を作成しており、当該ＬＣ回路は同じ装置内または異なる装置内に分散され得る。振動電流がコイルに流されると、ＬＣ回路はコイル内に共振を生成する振動磁界を発生させる。共振コイル内では、コイル内に配置されるいずれのエネルギもいくつかのサイクルにわたって比較的ゆっくり消滅する。第２のコイルを共振コイルに近づけると、コイル同士が離れているとしても、エネルギは失われる前に第２のコイルに伝達される。効率式１は、無線電力伝達技術の基本動作を要約している。
【００１９】
【数１】
0006783538.tif 000002
【００２０】
効率式１は、一次およびに二次コイルの結合係数Ｋおよびそれぞれの品質係数Ｑ1およびＱ2が増加するにつれて効率が単調に増加して１００％に近づくことを示す。
【００２１】
本開示によると、高いＫおよびＱ値は、特に高周波数装置に顕著な浮遊抵抗を減少させつつ、磁束経路を発生させる物理的レイアウトを有するコイルを設計することによって達成される。
【００２２】
図２は、特にロゴスキー電流センサ用に設計された巻線で構成される従来のコイル設計を示す。開始端子２０１で始まり、方向２０３ａに巻付けられて螺旋状トロイダル巻線２０１を形成する当該巻線から、トロイド構造が作成される。戻り巻線２０５が２０１ｃでトロイダル巻線２０１の端に接続され、戻り巻線２０５が戻り端子２０１ｅで終端するようにトロイダル巻線２０１の内部で反対方向２０３ｂに巻付けられている。この巻き方法によってＺ軸磁束干渉が相殺されるため、センサで用いられる場合に信号対雑音比を増加させることができる。または、従来のコイルは、磁性材料からなるトロイダルコアの周りに巻かれた巻線で構成され得る。
【００２３】
図３Ａは、本開示に係る例示的な表面処理空気コアの斜視図である。表面処理空気コア３００は、板状構造を用いて形成されるトロイダル巻線３０１、トロイダル巻線をカプセル化する戻り巻線３０３、ならびにそれぞれ開始端子および戻り端子３０５および３０７を含む。戻り巻線３０３はトロイダル巻線３０１と同心の中空トロイドであり、トロイダル巻線３０１の外部に配置される。
【００２４】
戻り巻線３０３は、トロイダルスロット３１０、ポロイダルスロット３２０、および端子スロット３３０（図３Ａでは見えない、代わりに図３Ｄを参照）を有する。トロイダルスロット３１０は、電流循環をポロイダル方向に制限する。ポロイダルスロット３２０は、電流循環をトロイダル方向に制限する。端子スロット３３０は開始端子３０５にアクセスするために設けられる。
【００２５】
図３Ｂおよび図３Ｃは、表面処理空気コア３００の幾何学的形状を示す断面図である。トロイダル巻線は、中心Ｏからのトロイダル半径Ｒ、中心Ｏ′からのポロイダル半径ｒおよび厚みＴｔを有する。トロイダル巻線３０１は戻り巻線３０３の内部に戻り巻線３０３と同心に位置決めされ、隙間ｄによって分離されている。開始および戻り端子３０５および３０７は互いに分離されている。戻り巻線３０３は、トロイダル半径Ｒ、ポロイダル半径ｒ′および厚みＴｒを有する。ポロイダル半径ｒ′はｒ＋ｄとしても計算され得る。
【００２６】
戻り巻線３０３上のトロイダルスロット３１０は幅Ｗｔｓを有する。幅Ｗｔｓはトロイダル方向に沿って一定でもよいし変化してもよい。図３Ｂに示されるように、トロイダルスロット３１０は１８０度に等しいポロイダル角度θで設けられ、これは戻り巻線３０３の内径Ｒ−ｒ′を表わし、全周を通るが、トロイダルスロット３１０はたとえばθ＝９０度などの中心からの異なるポロイダル角度θで設けられてもよく、戻り巻線３０３の全周に及ばなくてもよい。ポロイダル角度θは、ｚ軸に向かうｘまたはｙ軸（または水平面）から測定される。戻り巻線３０３上のポロイダルスロット３２０は幅Ｗｐｓを有する。幅Ｗｐｓはポロイダル方向に沿って一定でもよいし変化してもよい。
【００２７】
一実施形態では、トロイダル巻線３０１と戻り巻線３０３との間の隙間ｄは変化してもよい。たとえば、戻り巻線３０３の外側に円形クリップが取付けられてもよい。ホースクランプなどの円形クリップを締付けるか緩めることによって、それぞれ隙間ｄを減少または増加させることができる。円形クリップによって隙間ｄの変動が可能になり、これによって次に表面処理空気コア３００の動的な静電容量制御が可能になる。
【００２８】
さらに別の実施形態では、戻り巻線は、小型の円形パイプなどの小さい部分同士を接続して完全なトロイダル形状を作ることによって製造することができる。当該部分は着脱可能とすることができ、当該部分の１つ以上を取外すことによってポロイダルスロット３２０のサイズを変化させるように用いられ得る。部分から構成されるトロイド設計によって幅Ｗｐｓの変動が可能になり、これによって次に表面処理空気コア３００の動的な静電容量制御が可能になる。
【００２９】
図３Ｄは、表面処理空気コア３００の内部構造を示す断面図である。トロイダル巻線は、トロイダル方向に沿って板状の螺旋巻線を有する。板状の螺旋巻線は開始点３０５Ｃから時計回り方向に捩じられ、開始点３０５Ｃに戻るまでトロイダル方向に沿って連続している。小さい隙間ｄ１が２つの隣接する巻線同士の間に維持される。隙間ｄ１は、トロイダル巻線の２つの連続する巻き同士の間に分離を提供する。さらに、隙間ｄ１は、表面処理空気コア３００の静電容量を決定する際の要因である。トロイダル巻線は、トロイダル半径Ｒに沿って変化する幅を有し得る。巻き毎に、外周面に向かう外側幅Ｗｔａは内周面に向かう内側幅Ｗｔｂよりも幅広である。板同士の間の隙間ｄ１は通常は一定に、かつ外側幅Ｗｔａよりも小さく維持されるため、巻きの表面積が増加する。トロイダル巻線３０１のすべての巻きは、トロイダル巻線３０１と戻り巻線３０３との間の隙間ｄによって分離されている。戻り巻線３０３は連続面を有し、トロイダル巻線３０１の外部に位置決めされる。
【００３０】
開始端子３０５は戻り巻線３０３に接続され、矩形断面を有し得る。または、開始端子３０５は中空の円形断面であってもよい。戻り端子３０７はトロイダル巻線３０１に接続され、戻り端子３０７も矩形断面を有し得る。または、戻り端子３０７は中空の円形断面であってもよい。さらに、トロイダル巻線３０１および戻り巻線３０３は、端子スロット３３０から見える接続点３３０ａで接続される。開始および戻り端子３０５および３０７は入力として用いられ、電源（図示せず）に接続され得る。電源が起動すると、電流が表面処理空気コアに流れ始める。付加的な端子が複数の入力および出力に接続するように設けられてもよい。
【００３１】
図３Ｅは、電流の流れ方向を示す表面処理空気コアの断面図である。電源（図示せず）が表面処理空気コアに接続されると、電流ＩＡが時計回り方向にトロイダル巻線３０１に沿って螺旋方向３１０ａに流れ、電流ＩＢが反時計回り方向にトロイダル方向３１０ｂに沿って戻り巻線３０３内に流れる。したがって、電流ＩＡおよびＩＢは反対方向に流れている。電流ＩＡは、トロイダル巻線３０１の中心に向かって導かれる磁力ＦＡと、磁界ＢＡ（図示せず）とを発生させる。電流ＩＢは、戻り巻線３０３の中心から離れるように導かれる磁力ＦＢと、磁界ＢＢ（図示せず）とを発生させる。表面処理空気コアの閉ループ形態および構造の対称性のため、磁界ＢＡおよびＢＢはトロイドの内部に閉じ込められる。
【００３２】
本開示の実施形態によると、表面処理空気コアは板状の電力搬送導体であり、コアの周りに巻かれた巻線を含まない。図３に示されるように、戻りの構造の表面積は無視できず、これは狭い隙間ｄを有するトロイダル巻線を覆う。表面処理空気コアについて、自己インダクタンスＬSおよび内部静電容量ＣSは以下のように式２および３を用いて計算することができる。
【００３３】
【数２】
0006783538.tif 000003
【００３４】
上記の式２および３において、Ｎはトロイダル巻数であり、Ｒはトロイダル半径であり、ｒはポロイダル半径であり、μ0は空間の透磁率の定数であり、μrはコアの相対透磁率であり、∈0は電気定数であり、∈rは板同士の間の材料の相対静的誘電率であり、ｄはトロイダル面と戻り構造との間の距離である。
【００３５】
共振点において、共振周波数ｆresおよび品質係数Ｑは以下のように式４および５を用いて計算することができる。
【００３６】
【数３】
0006783538.tif 000004
【００３７】
上記の式４および５において、ＲSはＬSおよびＣSの全浮遊抵抗である。本開示に係る表面処理空気コアは、低等化直列抵抗（ＥＳＲ）キャパシタ（高いＱ動作）、減少した内在的効果（高いＱ動作）、および磁束充填効果（高いＫ動作）を含む、ＬＣ共振動作のための高いＫＱを生じさせる３つの特徴を有する。
【００３８】
用いられるサンプルパラメータが、本開示に係る表面処理空気コアについての表１に提示される。
【００３９】
【表１】
0006783538.tif 000005
【００４０】
ＬＣ共振を達成するために、従来の巻線は動作周波数を設定する付加的な静電容量を必要とする。その結果、端子またはキャパシタＥＳＲに起因する浮遊抵抗はＱを減少させる。図４を参照して、本開示に係る表面処理空気コア構造は、付加的な静電容量を必要とせずに内部静電容量ＣSを生じさせる。さらに、表面処理空気コアの内部静電容量は、隙間サイズｄ１を変えることによって、またはコアの内部に誘電材料を挿入することによって調整され得る。さらに、トロイダル巻線と戻り巻線との間の隙間ｄによって発生するトロイダル巻線抵抗およびキャパシタＣXの抵抗は共有される。たとえば、Ｃｘ１，Ｃｘ２，Ｃｘ３からの抵抗はトロイダル巻線３０１と戻り巻線３０３との間で共有される。したがって、表面処理空気コアの全浮遊抵抗は巻線式コイルの抵抗よりも小さい。また、本開示に係る表面処理空気コアは高いＱ値を維持しつつＬＣを１つの物体に統合する。
【００４１】
図５Ａおよび図５Ｂは、トロイダルコア内の２つの異なる方向性電流同士の間の磁力に起因する内在的効果を示す。図５Ａは、巻線式コイル２００のトロイド巻線２０１についての内在的効果を示す。高周波数での表皮効果によって抵抗が大幅に増加し、電流はトロイダル導体の内側部分で集中するため、巻線式コイルインピーダンスが増加する。電力搬送導体の増加した表面積によって抵抗が低下する。したがって、表面処理空気コア３００は低抵抗Ｒｓを有し、これによって次に式５に規定されるようにＱ値が増加する。
【００４２】
図５Ｂは、本開示の表面処理空気コア構造によって得られる内在的効果減少を確認するシミュレーション結果を示す。電流ＩＢが戻り巻線３０３内で反時計回り方向に流れている場合、磁力−界ＦＢが外向き方向に、すなわち円の中心から離れるように生じる。同様に、電流ＩＡがトロイダル巻線３０１内で時計方向に流れている場合、磁力−界ＦＡが内向き方向に（すなわち円の中心に向かって）生じる。磁力−場ＦＢおよびＦＡの方向は反対方向であるため、それらは相殺効果を有し、表面処理空気コア内の有効磁力界が減少する。
【００４３】
一般に、電流を搬送する導体について、磁力は導体からの距離に反比例し、電流密度に正比例する。低磁力は導体内の低電流密度を示す。低電流密度は、そのような低抵抗が観察されるため、電流が流れるのにより高い表面が利用可能であることを示す。抵抗は長さに正比例し、表面積に反比例することが周知である。さらに、戻り巻線３０３の電流密度はトロイダル巻線３０１の電流密度よりも低いべきである。したがって、有効に、表面処理空気コアはトロイダルコイル内によりバランスの取れた電流密度を有し、表面処理空気コアの有効抵抗は低い。この効果は、効率的な送電を可能にする高いＱに寄与する。
【００４４】
図６Ａ〜図６Ｃは、それぞれ、従来の巻線式コアおよび本開示に係る表面処理空気コアおよびに電流を流した時の磁束密度効果の差を示す。従来の巻線式コイル２００および本開示に係る表面処理空気コアコイル３００に流す電流の量は同じである。周波数は共振点に設定され、これは表面処理空気コアのＬＣ値から決定され得る。図６Ａは、内部の戻り巻線２０５（図示せず）を有する巻線式コア２００が不均一な磁束分布を有することを示す。高磁束密度が巻線の近くで観察され、最大であるが不均一に分布した磁束が巻線式コイルの最も内側の部分において観察される。図６Ｂは、表面処理空気コア３００が巻線式コイル種類と比較して調節された磁束および少ない漏れを有することを示す。最大磁束は表面処理空気コアの最も内側の部分において均一に分布している。図６Ｃは、距離Ｘに対する磁束密度分布をさらに示す。Ｘ軸に沿って、中心Ｏを有するコイル６０１に印が付けられている。コイル６０１は巻線式または表面処理された空気コアの種類であり得る。円６０５ａおよび６０５ｂはコイル６０１の断面を表わす。磁束はコイル６０１の周りに分布している。これらのグラフは、従来の巻線式コイルの磁束分布である曲線６１０が不規則であり、巻線式コイル領域の外部に２０ｍＴよりも大きい高磁束密度を有することを示す。一方、曲線６２０は、表面処理空気コアがコイルの外部に５ｍＴ未満の低磁束密度を有し、トロイドの内部で急激に増加し、コイルの中心に向かって急激に低下することを示す。表面処理空気コアコイルの外部のより少ない漏れ磁束は、外部装置への低電磁干渉、ならびに、巻線、回路基板、および他の金属材料などの外部材料からのより低い妨害を示す。
【００４５】
図７Ａ〜図７Ｄは、従来の巻線式コアおよび本開示に係る表面処理空気コアに外部巻線からの励磁を印加した時の磁束密度効果の差を示す。図７Ａは、従来の巻線式コアについての磁束密度効果を測定するための構成を示す。励磁コイル７０１が１アンペアの電流によって駆動される。周波数は、表面処理空気コアコイルのＬＣ値によって決定される共振点ｆresとして設定される。図７Ｂは、磁束密度が巻線式コア２０１の中心で最小となり、励磁コイル７０１が接続されると最大になることを示す。図７Ｃは、表面処理空気コア３００における磁束密度がトロイダル巻線３０１内で最大であり、戻り巻線３０３内で最小であることを示す。図７Ｂおよび図７Ｃの磁束密度分布は図７Ｄのグラフにさらに示されている。グラフ中の曲線７１０は、巻線式コイルが一次コイルの周りに、すなわち０から４５度および３２５から３６０度で集中している高いパーセンテージの磁束密度を有するのに対して、一次コイルから離れて、すなわち９０から２７０度ではコイル内の磁束密度はほぼゼロであることを示す。一方、曲線７２０は、表面処理空気コアがコイル全体にわたってより一層調節された磁束密度を有することを示す。
【００４６】
上述のように、本開示に係る表面処理空気コアは非常に効率的であり、センサ、誘導モータ、高周波数変圧器、無線充電器、フィルタ等のいくつかの用途を潜在的に有し得る。たとえば、表面処理空気コアを用いて、高い測定精度を有するセンサを作成することができる。センサは、表面処理空気コアの近傍に配置された電流を搬送する導体を流れる電流を、当該電流の周りの磁束の変化を測定することによって測定することができる。センサは、その金属板特性のため、巻線式コイル構成とは対照的にトロイドの内部の磁束のみを検知する。
【００４７】
図８Ａ〜図８Ｃは、表面処理空気コアコイルの変圧器への適用を示す。図８Ａは、変圧器動作のための物理的構成を示す。一次巻線８０１ａが表面処理空気コア３００の周りに取付けられ、一次巻線８０１ａの反対側の二次巻線８０３ｂが表面処理空気コア３００の周りに取付けられる。図８Ｂは、一次および二次巻線８０１ｂおよび８０３ｂがそれぞれ表面処理空気コア３００上に巻かれ、入力電圧ＶIがＶI＝１０Ｖにおいて一次コイル８０１ａを励磁する回路図を示す。二次巻線８０３ｂは、一次巻線８０１ｂによって励磁された交差磁束に比例する電圧Ｖ２を有する。この調査では、一次コイルと表面処理空気コアコイルとの間の結合比Ｋは０．８よりも大きく、約０．８８に達した。
【００４８】
図８Ｃおよび図８Ｄは、図８Ｃにおける螺旋形に巻かれた巻線および図８Ｄにおける円形に巻かれた巻線などの、他の種類のコア構造の結合比の比較を示す。たとえば、図８Ｃを参照して、一次８０１ｄおよび二次８０３ｄに接続されたトロイダル巻線コイルのＫ値は０．５である。一方、図８Ｄを参照して、円形に巻かれた配線８０１ｅおよび８０３ｅのＫ値は０．１である。したがって、本開示に係る表面処理空気コアについては、０．８８にほぼ等しい結合比Ｋは、螺旋形に巻かれた巻線および円形に巻かれた巻線などの他の空気コア設計よりもはるかに高い。
【００４９】
図９Ａ〜図９Ｃは、表面処理空気コア構造の無線送電用途への適用を示す。図９Ａは、表面処理空気コアを用いる無線送電の回路図である。一次および二次巻線９０１および９０３は、無線送電動作のためにそれぞれ直列キャパシタＣ１およびＣ２を接続する。ＡＣ電力が、中継コイルとして働く表面処理空気コアコイル３００を介して一次巻線９０１から二次巻線９０３に送られる。電力は、磁気誘導によって一次巻線９０１から二次巻線９０３に繰返し伝達される。図９Ｂは磁束密度分布のシミュレーション結果を示す。磁束は、トロイダル巻線３０１が中継コイルとして動作する時にトロイダル巻線３０１の内部に充填される。最大磁束密度はトロイダル巻線３０１の中心で観察されるのに対して、トロイドの残りの部分では、磁束は漏れ磁束がほとんどない状態で均一に分布している。図９Ｃは、二次静電容量Ｃ２が変化する際の送電電力および効率の変化を示す。２４ｎＦの二次静電容量が用いられる場合、効率は共振周波数で８６％に達する。送電電力は二次（受信機側）静電容量Ｃ２を変化させることによって制御され得る。たとえば、二次静電容量Ｃ２を増加させるにつれて送電電力は指数的に減少する。したがって、高い送電のためには低い二次静電容量Ｃ２が望ましい。
【００５０】
図１０は、表面処理空気コアの複数入力および複数出力電力伝達構成への適用を示す。この例では、３つのモジュールの各々に周波数選択可能整流器および超短波（ＶＨＦ）インバータが備え付けられている。モジュールＭ１は電源であり、モジュールＭ２およびＭ３は受信機である。モジュールＭ１から、一次ＤＣ電力１０１０が超短波（ＶＨＦ）インバータ１００３ａを介してＡＣに変換され、ＡＣ電流は周波数選択可能整流器１００１ａによって共振周波数ｆresに設定される。ＡＣ電流は、表面処理空気コア内に共振磁束１００５を生じさせる共振周波数を有する。送電は、図９Ｃを参照して上述したように、共振周波数ｆresでピーク効率を有する。モジュールＭ２およびＭ３はそれぞれ周波数選択可能整流器１００３ｂおよび１００３ｃに、かつそれぞれＶＨＦインバータ１００１ｂおよび１００１ｃに接続される。モジュールＭ２は表面処理空気コア３００からＡＣ電力を受信し、周波数選択可能整流器１００３ｂを介してＤＣ電力を生成するように整流される。同様に、モジュールＭ３は表面処理空気コア３００からＡＣ電流を受信し、周波数選択可能整流器１００３ｃを介してＤＣ電力を生成するように整流される。上記の構成は、モジュールＭ２およびＭ３の受信周波数に基づいてさまざまな動作モードを生成し得る。たとえば、完全不整合モードでは、Ｍ２およびＭ３の双方がモジュールＭ１の周波数範囲外の周波数に設定される。一部不整合モードでは、モジュールＭ２は共振周波数ｆresの近くに設定され、モジュールＭ３はモジュールＭ１の周波数範囲外の周波数に設定される。エネルギ分布モードでは、モジュールＭ２およびＭ３の双方がモジュールＭ１の周波数帯域内の周波数に設定される。各モードの送電特性を図１１Ａ〜図１１Ｃに示す。
【００５１】
図１１Ａは、完全不整合モードの電力分布を示す。このモードでは、モジュールＭ２およびＭ３はモジュールＭ１の周波数帯域外にあるか、またはモジュールＭ１と位相がずれている。全電力が無効電力として蓄えられ、正味のエネルギ伝達はない。図１１Ｂは、モジュールＭ２がモジュールＭ１と同じ共振周波数に設定されている、つまり言い換えればモジュールＭ２がモジュールＭ１と位相が一致しており、モジュールＭ３がモジュール１と位相がずれている場合である。この場合、モジュールＭ１からモジュールＭ２にエネルギが送られる。モジュールＭ２はＡＣ電力のほとんどすべてを吸収し、モジュールＭ３に電力は伝達されない。図１１Ｃはエネルギ分布モードにおける電力分布を示す。モジュールＭ２およびＭ３は、双方がモジュールＭ１の周波数帯域内の異なる周波数受信機を使用している。この場合、電力は一部がモジュールＭ２によって、一部がモジュールＭ３によって吸収される。
【００５２】
図１２Ａ〜図１２Ｄは、３次元（３Ｄ）プリンティング技術を用いる表面処理空気コアのサンプル作製を示す。まず、トロイダル巻線３０１および戻り巻線の３Ｄコンピュータ支援描画（ＣＡＤ）モデルが構築される。表面処理空気コアインダクタの幾何学的形状は図３に示されている。次に、３Ｄプリンタを用いて表面処理空気コアの３ＤのＣＡＤモデルがプリントされる。３Ｄプリンタは、物理的な３Ｄアーティファクトを生成する金属、プラスチックまたは他の好適な材料を採用し得る。物理的アーティファクトは単一ユニットとして、または複数のパーツとして製造され得る。個々のパーツが３Ｄプリントされ、最終的な物理的な３Ｄアーティファクトを生成するように組立てられ得る。本開示の実施形態では、表面処理空気コアは複数の部品として製造され、表面処理空気コアの最終的な物理的な３Ｄアーティファクトを生成するように組立てられる。図１２Ａ〜図１２Ｃは、表面処理空気コア３００の異なるパーツの画像である。戻り巻線は図１２Ａおよび図１２Ｃに示されるように２つのパーツ３０３ａおよび３０３ｂとして製造され、トロイダル巻線３００は図１２Ｂに示されるように単一ユニットとして製造される。図１２Ｄを参照して、戻り巻線の半分３０３ａおよび３０３ｂは表面処理空気コア３００を構築するようにトロイダル巻線３０１の周りに組立てられる。戻り巻線の半分３０３ａおよび３０３ｂは、溶接またはレーザ焼結などのさまざまな接合法を用いて互いに接合され得る。さらに、表面処理空気コアの各パーツは、２つの非常に良好な導電性および熱伝導性材料であるスターリング銀および銅などの異なる材料または材料の組合せを用いて作製され得る。
【００５３】
または、３Ｄプリンタは、プラスチックなどの鋳造可能材料を用いて表面処理空気コアの物理的な３Ｄアーティファクトを生成することもできる。表面処理空気コアのトロイダル巻線および戻り巻線のプラスチック金型が作成され得る。インダクタは、低コストのステレオリソグラフィまたはレーザ焼結３Ｄプリンタを用いて樹脂にプリントされ得る。さらに、表面処理空気コアインダクタのトロイダル巻線および戻り巻線のプラスチック金型は、フェライトなどの所望の材料から表面処理コアを作製する鋳造プロセスに用いられ得る。
【００５４】
表面処理空気コア製造は３Ｄプリンティング技術に限定されない。代替的に、表面処理空気コアを製造するいくつかの他の技術が用いられてもよい。たとえば、所望の幾何学的形状のトロイダル巻線は、たとえばスターリング銀のシートメタルをローラに通過させた後、トロイダル巻線上で戻り巻線の成形または３Ｄプリンティングを行うによって作製され得る。使用材料によっては、シートメタルをローラに通過させる前に、または成形プロセスの前に付加的な熱処理が必要となり得る。このモデルのシミュレーション結果を図９Ｂに示す。
【００５５】
具体化された際の本技術は上述の実施形態に限定されず、さまざまな修正、変形および代替例が本技術の記載される精神および範囲内にある限り本技術に対してなされ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ−Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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