(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軸を有する磁気透過性のコアと、
前記コアの第１の側部に位置し前記第１の軸に沿って分離された極領域を各コイルが形成する２つのコイルであって、前記コアと磁気的に関連し、前記コアの前記第１の側部に設けられた２つのコイルであって、前記コイルのそれぞれは、前記極領域の間に位置する中心領域と、前記中心領域の反対側の端部領域と、前記中心領域および前記端部領域の間の側部領域と、を有し、前記コアは、前記側部領域を越えて延びない、２つのコイルと、  磁気透過材料を含み、各コイルの前記端部領域を越えて設けられ、前記第１の軸に対して相対的に横切るように延びる、補助的な極領域と、
を備える、磁束結合器。
【請求項２】
前記補助的な極領域は、前記コアの一部を備える、請求項１に記載された磁束結合器。
【請求項３】
前記補助的な極領域は、各コイルの前記端部領域に隣接して設けられ、前記端部領域の近傍において使用中の各コイルから発せられる漏れ磁束を吸収する、請求項１又は請求項２に記載された磁束結合器。
【請求項４】
前記補助的な極領域は、各コイルの前記端部領域に隣接して設けられ、前記第１の軸に沿ってずれて配置された場合、他の磁束結合器装置の前記極領域の１つに磁束を結合する、請求項１又は請求項２に記載された磁束結合器。
【請求項５】
前記補助的な極領域は、各コイルの前記側部領域を越えて延びない、先行する請求項のいずれか１つに記載された磁束結合器。
【請求項６】
前記補助的な極領域は、前記端部領域に隣接する表面を備える、先行する請求項のいずれか１つに記載された磁束結合器。
【請求項７】
前記表面は、壁部、リップ、又は凹部のうちの１つを形成する、請求項６に記載された磁束結合器。
【請求項８】
前記コアは、各コイルの前記端部領域を受けるための１又は複数の凹部を含む、先行する請求項のいずれか１つに記載された磁束結合器。
【請求項９】
前記１又は複数の凹部は、結合された磁束が方向づけされるか或いは受け取られる領域に向いている、請求項８に記載された磁束結合器。
【請求項１０】
前記１又は複数の凹部は、前記中心領域に向いている、請求項８に記載された磁束結合器。
【請求項１１】
前記端部領域は、積み重ねられた数巻きのコイルを備える、先行する請求項のいずれか１つに記載された磁束結合器。
【請求項１２】
前記補助的な極領域は、前記端部領域の電流の中心又は前記端部領域の電流の中心の上方に設けられている、先行する請求項のいずれか１つに記載された磁束結合器。
【請求項１３】
前記補助的な極領域は、複数の磁気透過性の材料片を備える、先行する請求項のいずれか１つに記載された磁束結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁束を生成又は受け取るための装置に関する。本発明は特に、これのみに限られないが、誘導電力伝送（ＩＰＴ）システムに用いられる無線電力伝送への応用性を有する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＰＴシステム、および誘導電力の伝送のための一次側巻線および二次側巻線を備えうる１又は複数の巻線を含むパッドの形態での結合装置の使用は、当社の公開された国際特許出願ＷＯ２００８／１４０３３号に記載されており、この内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
ＩＰＴ電力伝送パッドのある特定の応用は電動車両の充電であり、その応用が本発明の１つの応用の背景を提供するためにこのセクションで説明される。しかし、電動車両の充電は１つの応用の例にすぎず、本発明は誘導電力伝送全般への応用性を有している。例えば、電動車両の充電は、車両が静止している間か、或いは車両が道路に沿って移動している間に生じうる。ＩＰＴ電力伝送パッドは、車両における電力“ピックアップ”（すなわち、ＩＰＴシステムの二次側巻線）、および、例えばガレージの床や道路のような固定の場所において電力が供給される“充電パッド”（すなわち、一次側巻線）の双方として用いられうる。
【０００４】
ＩＰＴ道路システムの目的は、車両と物理的に接触することなく静止又は移動している車両に電力を無線伝送することである。システムの送電部分は、一纏めのコイルを提供する電源（例えば上述のパッド）、或いは多くの同様の纏められたコイルを伴うトラックから成り、そのようなシステムが通常は１０ｋＨｚから１５０ｋＨｚのいずれかである適当な周波数で作動するように調整されている。受電装置は車両の下に位置し、車両が一次側送電器の上方又は近傍で静止（電力を結合するのに十分にごく接近）しているときに、電力を受け取るために結合される。また、ピックアップ受電装置は一般に、電力を制御するために車両内の適当なコントローラおよびコンバータに接続された（上述のパッドのような）纏められたコイルを備えている。便宜上、電力がそこから誘導的に受け取られうる道路の一部は、本明細書においてトラックと呼ばれる。
【０００５】
トラックは、道路のレーンの中心に沿って複数のパッドを配置することで形成されうる。それによって、車両がトラックの直ぐ近くで道路に沿って移動する場合の車両への基本的に連続した電力供給の可能性がもたらされる。
【０００６】
近年において上記システムは、持続可能に無線給電された個人輸送を可能とする将来性から、益々注目を受けている。上記システムを有用なものとするために、適正な大きさ（例えば、１００〜３００ｍｍ）の空気間隙を越えて十分な電力を伝送できなければならないだけでなく、車両をトラックに方向づけするシステムへの依存を避けるために、トラックとピックアップとの間のいくらかのずれへの耐性を示さなければならない。道路システムにおいて、そのようなずれは、移動する車両の（縦および移動の方向の双方と直交する）横方向において最も生じ易いだろう。静止車両の充電に関して、適当な縦方向のずれを伴い容認可能なレベルの電力を伝送する能力が、駐車を容易とするために特に問題となる。ピックアップパッドにおける電力伝送プロファイルは、両端の下落が滑らかで、できるだけ広い横方向の間隔に亘って基本的には一定（かつ十分）な滑らかな電力プロファイルであることが望ましい。そのような電力伝送プロファイルは、システムにおける電子（一次側および二次側）レギュレータへの要求を和らげ、動作中に一次側パッドと受電パッドとの間の結合で著しい変動が起きるシステムにおける同等の結合のための改善された動作性能を可能とする。
【０００７】
車両の充電などへの応用における電力伝送のための磁束結合装置の実際の使用では、浮遊磁場すなわち漏れ磁束を減らすことが重要である。特に、装置の間で生じうる相対的なずれを考慮して、パッド装置の結合磁束（すなわち、電力伝送に影響する磁束）を著しく損なうことなく漏れ磁束を最小限化することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、装置の間の結合を著しく損なうことなく磁束結合装置の漏れ磁束を低減することである。
【０００９】
本発明の更なる或いは他の目的は、装置の間で生じうる相対的なずれを考慮して、装置の間の結合を著しく損なうことなく磁気結合装置における漏れ磁束を低減することである。
【００１０】
本発明の更なる或いは他の目的は、改善された結合装置を提供すること、又は、少なくとも既知の装置の有用な代替物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一側面において、本発明は、
第１の軸を有する磁気透過性のコアと、
前記コアの第１の側部に位置し前記第１の軸に沿って分離された極領域を各コイルが形成する、前記コアと磁気的に関連した２つのコイルと、
を備え、
前記コイルのそれぞれは、前記極領域の間に位置する中心領域と、前記中心領域の反対側の端部周縁と、前記中心領域および前記端部周縁の間の側部周縁と、を有し、
補助的な極領域が各コイルの前記端部周縁を越えて設けられる、
磁束結合器を提供する。
【００１２】
一実施形態において、前記補助的な極領域は、前記コアの一部を備えている。
【００１３】
前記補助的な極領域は、前記端部周縁の近傍において使用中の前記各コイルから発せられる漏れ磁束を吸収する。前記補助的な極領域は、前記第１の軸に沿ってずれて配置された場合、他の磁束結合器装置に磁束を結合してもよい。
【００１４】
一実施形態において、前記補助的な極領域は、各コイルの前記側部周縁を越えて延びない。前記補助的な極領域は、前記端部周縁に隣接する表面を備えてもよい。更に、前記極領域は、壁部、リップ、又は凹部のうちの１つを形成してもよい。
【００１５】
前記コアは、各コイルの前記端部周縁を受けるための１又は複数の凹部を含んでもよい。前記凹部は、結合された磁束が方向づけされるか或いは受け取られる領域、或いは前記中心領域に向くことができる。
【００１６】
一実施形態において、前記端部周縁は、積み重ねられた数巻きのコイルを備えている。前記補助的な極領域は、前記周縁領域の電流の中心に対してある角度で設けられてもよい。他の実施形態において、前記補助的な極領域は、複数の極領域を備えている。
【００１７】
他の側面において、本発明は、
結合磁束を生成又は遮るためのコイルと、
前記コイルの周縁部分の近傍において使用中の前記コイルから発せられるであろう漏れ磁束を吸収するように、前記コイルの前記周縁部分を越えて位置する磁気透過性の漏れ磁束吸収手段と、
を備える磁束結合器を提供する。
【００１８】
他の側面において、本発明は、先行する記載のいずれか１つに係る磁束結合器を備える誘導電力伝送システムを提供する。
【００１９】
他の側面において、本発明は、
第１の軸を有する磁気透過性のコアと、
前記コアの第１の側部に位置し前記第１の軸に沿って分離された極領域を各コイルが形成する、前記コアと磁気的に関連した２つのコイルと、
を備え、
前記コイルのそれぞれは、前記極領域の間に位置する中心領域と、前記中心領域の反対側の端部領域と、前記中心領域および前記端部領域の間の側部領域と、を有し、
前記コアは、磁束を導く手段を備え、それによって前記端部領域における磁束が前記コアに入るように促されるとともに、各側部領域の磁束がその側部領域から最も遠い前記極領域に延びるように促される、
磁束結合器を提供する。
【００２０】
他の側面において、本発明は、
第１の軸を有する磁気透過性のコアと、
前記コアの第１の側部に位置し前記第１の軸に沿って分離された極領域を各コイルが形成する、前記コアと磁気的に関連した２つのコイルと、
を備え、
前記コイルのそれぞれは、前記極領域の間に位置する中心領域と、前記中心領域の反対側の端部周縁と、前記中心領域および前記端部周縁の間の側部周縁と、を有し、
前記コアは、各コイルの前記端部周縁を越えて延びるとともに、各コイルの前記側部周縁を越えて延びない、
磁束結合器を提供する。
【００２１】
他の側面において、本発明は、
第１の端部と、第２の端部と、それらの間に設けられる第１の軸と、を有する磁気透過性のコアと、
前記コアの第１の側部に位置し前記第１の軸に沿って分離された極領域を各コイルが形成する、前記コアと磁気的に関連した２つのコイルと、
を備え、
前記第１の端部及び第２の端部は、前記極領域を超えて延び、
前記コアは、前記極領域の間で前記第１の軸を横切る第１の断面を有し、前記第１の断面は、前記第１の軸と平行な方向において前記極領域の間で延びるように磁束を促すための低抵抗領域を有し、
前記コアは、前記極領域を超えた位置において前記第１の軸と平行な第２の断面を有し、前記第２の断面は、前記コアに入るように前記コアの前記端部に隣接する磁束を促すための低抵抗領域を有する、
磁束結合器を広く提供する。
【００２２】
他の側面において、本発明は、
第１の端部と、第２の端部と、それらの間に設けられる第１の軸と、を有する磁気透過性のコアと、
前記コアの第１の側部に位置し前記第１の軸に沿って分離された極領域を各コイルが形成する、前記コアと磁気的に関連した２つのコイルと、
前記コアに入るように前記コアの前記端部に隣接する磁束を促すために、前記コアの各端部において或いは各端部と隣接して、前記第１の軸を横断して設けられた磁束を導く手段と、
を備え、
前記第１および第２端部は、前記極領域を超えて延び、
前記コアは、前記極領域の間で前記第１の軸を横切る断面を有し、前記断面は、前記第１の軸と平行な方向において前記極領域の間で延びるように磁束を促すための低抵抗領域を有する、
磁束結合器を提供する。
【００２３】
前記断面は、高抵抗領域によって分離された複数の低抵抗領域を含んでもよい。
【００２４】
前記磁束を導く手段は、前記第１の軸を横切る長軸を有する高透過性磁気材料の長さを備えてもよい。
【００２５】
一実施形態において、前記磁束を導く手段は、前記コアに接続されている。これに代えて、前記磁束を導く手段は、前記コアの各端部に隣接して設けられている。
【００２６】
一実施形態において、コイルは重なっている。
【００２７】
他の実施形態において、３つのコイルが設けられており、前記コイルの１つは他の２つの前記コイルと重なっている。
【００２８】
一実施形態において、前記磁束を導く手段は、実質的に漏れ磁束を低減する。
【００２９】
他の実施形態において、前記磁束を導く手段は、他の結合器装置から前記磁束を導く手段が設けられた前記コアへと磁束を導く。
【００３０】
本発明の他の側面は、以下の説明から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】フェライトシートにて形成された高磁気透過面上で同一平面にあるコイルを有する結合器装置の一形態の斜視図である。
【図２】改善された形態の磁気透過面を有する結合器装置の他の一形態の斜視図であり、電力伝送システムのシミュレーションモデルにおいて使用された磁束“送電”装置および“受電”装置の双方を示す。
【図３】図２に示された配置についてシミュレートされた磁束ベクトル、具体的には（ａ）ｙｚ平面（ｘ＝２００）における磁束密度ベクトルおよび（ｂ）ｘｚ平面（ｙ＝０）における磁束密度ベクトル（Ｉ１＝２３Ａ／coil）を示す。
【図４】電圧が印加された左側のコイルおよび開回路の右側を伴い、かつ（ａ）完全な大きさのシートおよび（ｂ）コイルの下方からフェライトが除去されたフェライトシートの中間を通るｘｙ平面（ｚ＝−１６）においてシミュレートされた磁束密度ベクトルを示す（Ｉ１＝２３Ａ／coil）。
【図５】本明細書においてＤＤパッドと呼ばれる更なる結合器構造の簡略化モデルの斜視図を、コイルａ，ｂおよびそれぞれのコイルの間の相互結合に起因した主磁束経路Φal，ΦblおよびΦipとともに示す。
【図６】図５のＤＤパッドシステムのＸＺ平面におけるシミュレートされた磁束密度ベクトルに理想的な磁束経路を重ね合わせて示し、これらは：頂部、空気間隙および後方漏れ（Φlt，Φla，Φlb）と相互磁束（ΦM）である。Ｉ1＝２３Ａ，２０巻／コイルであり、“受電器”パッドは開回路である。
【図７】ＤＤ構造を有する一次側（送電器又はＴｘ）パッドおよび方形コイル配置を加えたＤＤを有する二次側（受電器又はＲｘ）パッドを示す。
【図８】（ａ）ｘｚおよび（ｂ）ｙｚ平面における、図７の配置についての磁束密度を示す。
【図９】（ａ）は、理想的なフェライトコア構造を示し、（ｂ）はコイルの端部周縁を越えて延びるフェライトを有するＤ１１パッド構造を示し、（ｂ）は（ｂ）に示されたパッドのためのフェライト構造を示す。
【図１０】（ａ）ｘｚおよび（ｂ）ｙｚ平面における図９（Ｄ１１）の配置についての磁束密度を示す。
【図１１】アルミニウムシールドリングを有し、Ｄ１２構造と呼ばれる更なる構造の斜視図を示す。
【図１２】（ａ）ｘｚおよび（ｂ）ｙｚ平面における図１１の配置についての磁束密度を示す。
【図１３】（ａ）伸長フェライト拡張部分を伴う更なるＤＤパッド構造の平面図、および（ｂ）フェライト配置の平面図を示す。
【図１４】（ａ）ｘｚおよび（ｂ）ｙｚ平面における図１３の配置についての磁束密度を示す。
【図１５】（ａ）他の結合器構造の平面図、および（ｂ）一次側および二次側配置の一例を示す斜視図を示す。
【図１６】（ａ）ｘｚおよび（ｙ）ｙｚ平面における図１５の配置についての磁束密度を示す。
【図１７】（ａ）伸長フェライト拡張部分を伴う更なるＤＤパッド構造の平面図、および（ｂ）フェライト配置の平面図を示す。
【図１８】（ａ）ｘｚおよび（ｂ）ｙｚ平面における図１７の配置についての磁束密度を示す。
【図１９】（ａ）コイルの側部周縁も越えて延びる伸長フェライト拡張部分を伴う更なるＤＤパッド構造の平面図、および（ｂ）フェライト配置の平面図を示す。
【図２０】（ａ）ｘｚおよび（ｂ）ｙｚ平面における図１９の配置についての磁束密度を示す。
【図２１】コイルの端部及び側部周縁から間隔を空けた態様で延びるフェライト拡張部分を伴う更なるＤＤパッド構造の平面図を示す。
【図２２】距離に対するシミュレートされた磁界強度のプロットを示す。
【図２３】（ａ）ｄ９構造、（ｂ）Ｄ１１構造、および（ｃ）Ｄ１７構造の平面図を示す。
【図２４】様々なパッド構造について、水平オフセットに対するシミュレートされた電力のプロットを示す。
【図２５】様々なパッド構造について、距離に対するシミュレートされた磁界密度のプロットを示す。
【図２６−１】（ａ）Ｄ１１−２構造、（ｂ）Ｄ１８構造、（ｃ）Ｄ１８構造のためのフェライト配置の平面図を示す。
【図２６−２】（ｄ）Ｄ１９構造、および（ｅ）Ｄ１９構造のためのフェライト配置の平面図を示す。
【図２７】距離に対するシミュレートされた磁界強度のプロットを示す。そして、
【図２８】コイルの端部周縁を越えて延びるフェライトを含む双極パッド構造の平面図を示す。
【図２９】単層ＤＤ構成における一対のコイルを備える、先行技術に係るＩＰＴ磁束結合装置の（ａ）上面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図３０】単層ＤＤＱ構成における一対のコイルを備える、先行技術に係る他のＩＰＴ磁束結合装置の（ａ）上面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図３１】２重層ＤＤコイル構成を伴う、本発明に係るＩＰＴ磁束結合装置の第１の実施形態の（ａ）上面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図３２】２重層ＤＤＱコイル構成を伴う、本発明に係るＩＰＴ磁束結合装置の第２の実施形態の（ａ）上面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図３３】２重層ＤＤコイル構成を伴う、本発明に係るＩＰＴ磁束結合装置の第３の実施形態の（ａ）上面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図３４】２重層ＤＤＱコイル構成を伴う、本発明に係るＩＰＴ磁束結合装置の第４の実施形態の（ａ）上面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図３５】３重層ＤＤコイル構成を伴う、本発明に係るＩＰＴ磁束結合装置の第５の実施形態の（ａ）上面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図３６】４重層ＤＤコイル構成を伴う、本発明に係るＩＰＴ磁束結合装置の第６の実施形態の（ａ）上面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図３７】３重層ＤＤコイル構成を伴う、本発明に係るＩＰＴ磁束結合装置の第７の実施形態の（ａ）上面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図３８】ＤＤＱコイル構成を伴う一実施形態の（ａ）上面図および（ｂ）側面図、および（ｃ）ｘ軸に沿ってずれた一次側および二次側パッド構造の側部立面図を示す。
【図３９】（ａ）−（ｄ）は、ｘ軸に沿った水平ずれを伴う一次側および二次側磁束結合装置の様々な組み合わせについての磁束漏れの等高線図を示す。
【図４０】ｙ軸に沿った水平ずれを伴う、先行技術の単層ＤＤ一次側およびＤＤＱ二次側パッドの間の磁束結合についての磁束漏れの（ａ）端面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図４１】ｙ軸に沿った水平ずれを伴う、本発明の第１の実施形態に係る一次側パッドおよび第２の実施形態に係る二次側パッドの間の磁束結合についての磁束漏れの（ａ）端面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図４２】ｙ軸に沿った水平ずれを伴う、第７の実施形態に係る一次側パッドおよび第２の実施形態に係る二次側パッドの間の磁束結合についての磁束漏れの（ａ）端面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図４３】図１１−図１３の３つの構成それぞれについての種々の距離における磁束密度のグラフを示す。
【図４４】３つの予め定められた寸法のうちの１つをそれぞれ有する複数のフェライトバーを用いた図９のコアの近似の（ａ）上面図；および（ｂ）側面図を示す。
【図４５】双極性パッド（ＢＰＰ）コイル配置の形態における磁束結合器の（ａ）上面図；および（ｂ）側面図を示す。そして、
【図４６】磁束結合装置の更なる実施形態の端部又は周縁領域の断面における部分側部立面図を示す。
【図４７】磁束結合装置の更なる実施形態の端部又は周縁領域の断面における部分側部立面図を示す。
【図４８】磁束結合装置の更なる実施形態の端部又は周縁領域の断面における部分側部立面図を示す。
【図４９】磁束結合装置の更なる実施形態の端部又は周縁領域の断面における部分側部立面図を示す。
【図５０】磁束結合装置の更なる実施形態の端部又は周縁領域の断面における部分側部立面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
漏れ磁束は、結合装置の側部および背部の周囲において生じる傾向がある。結合器の背部から出る磁束を最小限化するための実践的な方法は、第一に生成を避けることである。結合器の一実施形態がパッド１の形態で図１に示されている。結合器構造をここでは“パッド”と呼ぶが、この表現は限定することを意図していない。パッド１はコイルを含み、これらコイルは各コイルの中心の隆起フェライトブロック３を有するフェライトシート２を備える磁気透過コア構造に配置されている。隆起ブロック３は、結合器を改善するために付加される。図１に示されたようにフェライトシート２上の同一平面にあるコイルａおよびｂは、パッドの背部から磁束を出させることができる如何なる磁気作用力（ｍｍｆ）も生成しない。これは、下部すなわちコイルの反対側に配置される（当社の国際特許公報ＷＯ２００８／１４０３３３号に記載された環状パッドのような）アルミニウムシールド（図示しない）が完全に片面磁束の結合器を生成することを可能とする。理想的にはパッドの背部にシールドは必要でないが、実際にシート２を形成する個々のフェライト片の間のフリンジング磁束は鋼鉄などの高抵抗強磁性物質における損失の原因となる。
【００３３】
図１に示されたトポロジーは片面磁束を生成するが、基本的な磁束の経路は理想的でなく、必然的に小さい結合係数をもたらすことになる。図１のトポロジーのインダクタンス（Ｌ）は、図１においてコイルａおよびコイルｂと呼ばれている各コイルのインダクタンスと、それらが並列に接続されている（電流が図１に示した巻回方向に流れる）ためにそれらの間の相互インダクタンスと、で形成される。インダクタンスは、所与の電流についての（特定の回数巻かれた）コイルにおける磁束結合に依存するため、次の磁束を考慮して記述することができる：コイルａについての磁束であるΦａ、コイルｂについての磁束であるΦｂ、コイルｂに起因したコイルａにおける磁束であるΦａｂ、および、コイルａに起因したコイルｂにおける磁束であるΦｂａ。磁束ΦａおよびΦｂは、図１に示されている。
【００３４】
２つのコイルの間の相互磁束をパッド内磁束（Φip）と呼び、図１において大きな弧で示されている。図１のパッドが結合器として用いられる場合、Φipの一部が受電パッドに結合し、それによって電力を伝送する。したがって、パッド内磁束Φipは、比較的大きくなくてはならない。コイルの間の結合を定量化するための効果的な方法は、コイルによって生成される合計磁束とコイルの間の相互インダクタンスとの比であるパッド内結合係数（ｋip）である。図１の実施形態において、コイルの物理的な分離により、および、（図１において陰影が付された領域４にて示されたような）Φipに寄与するコイルの部分が小さいために、Φipは必然的に小さくなる。その結果、磁束を生成する結合器と磁束を受け取る結合器との間の極めて小さい結合係数が生じるだろう。これらの根拠により、図１のパッドトポロジーは実用的な特徴を示すが全体的な結合が所望よりも少ないことによりＩＰＴ充電システムに適していないことが示される。
【００３５】
成形コイルを伴うシミュレーションモデル
図１のトポロジーの表面２のパッド内結合係数は、コイルを正方形にするとともにそれらを互いに近づけ、図２に示されたようにｘ軸に関して区別された中間部を形成することにより増加させることができる。ここで図２を参照すると、同様の結合パッド２０および２１を備えるシミュレーションモデルが、結合性能を調査するために生成された。図２に示されたように長さ７５８ｍｍ（ｘ軸）×幅４１１ｍｍ（ｙ軸）×深さ１６ｍｍ（ｚ軸）の大きさのフェライトシート５を備えるコア構造が用いられた。各コイル６，７は、直径４ｍｍのワイヤの２０巻きから成り、モデルを簡略化するために正方形に形成されている。フェライトシート５は、ｘおよびｙ軸においてコイルの端部および側部周縁から１０ｍｍ余分に延びている。極領域１１は、ｘ軸に沿って分離している。極領域１１の間でパッドの中心にある各コイルの側部８は、各コイルの中心領域を備えている。中心領域は、ｘ＝０での共通境界を共有しており、それ故にパッド内結合係数に寄与する。各コイルの残りの３つの側部はｋipに寄与しない回帰部分と考えられる―２つの側部９（側部領域）は中間部と直交し、残りの側部１０（各コイルの端部又は周縁領域）は離れており、中心領域の反対側にあって電流方向が反対である。双方のコイルの内部領域１１を、（パッド２０および２１の一方とそれらパッドの他方との間の）パッド間磁束がこれらの領域を通過する極領域と呼ぶ。図２の実施形態における極領域１１は隆起していないので、各パッドの縦の側面が短くなる。
【００３６】
パッド２０および２１の間の２００ｍｍの空気間隙を伴うシミュレーションの結果が表１に纏められており、ここでは左列が（パッド２０およびパッド２１の間の）パッド間結合に関するデータを含み、右列が（各パッドのコイル６および７の間の）パッド内結合についてのデータを含んでいる。パッド２０および２１の双方は同一であり、７８９μＨの同一の自己インダクタンスを有している（Ｌ1＝Ｌ2＝Ｌ（パッド））。
【００３７】
なお、シミュレーションにおいてコイルは１本のワイヤで巻かれているが、実際にはインダクタンスを弱めるために２本巻きが用いられるであろうし、送電器において同一のアンペア回数（ＮＩ）を維持するために、ｌ1は２倍である必要がある。０．２１５の結合係数は、２．４ｋＶＡの非補償電力を可能とし、これは類似の大きさの環状および磁束管パッドで可能な電力よりもはるかに高い。
【００３８】
図２の実施形態のパッド内結合係数は０．１５４であり、これはパッド間のｋよりも小さく、結合の大部分は（図１においてΦipで示された）基本的な磁束経路における磁束によらないことを示している。パッドの間の結合係数のかなりの部分は、ｚ軸上に並び互いに近づけて設置されたＷＯ２００８／１４０３３３号の２つの結合環状パッドのようにコア構造５を動作させる各コイルの回帰部分（すなわち、側部９および１０）に起因する。
【表１】
0006378175.tif 000002
【００３９】
図２の実施形態についてのシミュレーションの結果が図３（ａ）および図３（ｂ）に示され、ここではパッド２０および２１の間の磁界形状を示すためにｙｚおよびｚｘ平面における磁束密度ベクトルが用いられている。シミュレーションにおいて、パッド２０は磁束を生成するように電圧が印加され、パッド２１はパッド２０から発生された磁束を遮る又は受け取る。ｘ，ｚおよびｚ軸の原点は、パッド２０の結合面の中心にある。ｙｚ平面は、２００ｍｍでｘ軸と交差するので、極領域の中心の近くに位置している。磁束密度の大きさは、パッドの間の空気間隙における磁束をより良く示すために５ｍＴの最大値に調整されている。図３（ａ）に示されたように、コイルの回帰部分９の周囲には多量の磁束があり、いくらかの磁束は受電装置（相互）磁束におけるコイルの対応する部分に結合するが、大部分は漏れ磁束であり、望ましくないパッド漏れインダクタンスに寄与する。
【００４０】
図３（ｂ）からは、コアの端部すなわちｘ軸の両端部の近くでいくらかの磁束相殺が生じていることが分かり、これはコイルの回帰部分１０における電流方向が中心部分８における電流方向と逆であるためである。相殺の位置は、中心すなわち概ねｘ軸におけるアンペア回数（ＮＩ）の増加により、パッドの端部に偏っている。パッドの背部から直接出る磁束はない。しかし、コイル巻線の回帰部分と繋がるためにパッドの背方を通る磁束経路があるが、これらは長いので磁束密度は低い。
【００４１】
図２に示された結合器構造の漏れインダクタンスは、全てのコイルの回帰部分９および１０の下方からフェライトを除去することで低減でき、これによりコイルのインダクタンスが低減しうるため、好ましくｋが増加するが、Ｍは基本的には影響されないままである。
【００４２】
コイルの回帰部分９および１０の下方からフェライトが除去された図２の実施形態に係る結合器の配置についての結果が表２に示されている。表２の第１列はパッド間結合についてのパラメータを含み、第２列はパッド内結合に関する。Ｍには殆ど変化がなく、Ｌには７８９μＨから７０６μＨへの減少があり、ｋを０．２４に増加させた。
【００４３】
新たなパッドトポロジーは、劇的に変化した結合器装置の間の結合メカニズムをもたらす。結合された装置の回帰巻線部分９および１０は、直接は結合しないが、各結合構造の周囲の磁位を増大させ、相互磁束を、ｘｚおよびｙｚ平面の双方において磁束を生成する構造からそれを受け取る構造にする。トポロジーは、最小のインダクタンスしか追加されないという追加の利点を有する。
【表２】
0006378175.tif 000003
【００４４】
表２に示されたように、パッド内結合係数は、３倍以上の０．４７に増加しており、パッド間の結合が主に図１に表された所望の基本的な経路Φipの磁束によることを示している。ｋipの大きな増加は、パッド内相互インダクタンス（Ｍip）の２倍以上の増加に起因している。コイルが共に近く（固いフェライトシートを伴うタイプおよび回帰部分の下方からフェライトが除去されたタイプの）双方のタイプのパッド対について中間部分を形成すると仮定すると、これは期待よりもはるかに大きい。Ｍipの増加は、フェライトコアの好ましい磁化に起因している。これは、図４（ａ）および図４（ｂ）を参照すると分かる。
【００４５】
図４（ａ）は、図２の結合器パッド２０についてのフェライトシートコア５の中心を通るｘｙ平面における磁束密度ベクトルを示す。結合器パッド２１は、縦（すなわちｚ軸）に２００ｍｍ離れて存しており、開回路とされている。パッド２０の左側コイルは電圧が印加され、右側コイルは開回路とされたままである。磁束密度の大きさは、最大の２０ｍＴに設定されている。最大の磁束密度は、赤のベクトルで示されたように、パッドの中間部分で生じる。これは、回帰部分よりも大きい磁束結合を可能とするコイルの両側部のフェライトの存在に起因する。
【００４６】
大量のフェライトは、電圧が印加されたコイルからの磁束がスラブの全体を横切って広がることを可能とし、調整されたコイルにおいて著しい量の共通モード磁束を生じさせる。共通モード磁束の密度は、緑から青のベクトルで示されたように、右側のコイルの領域にわたって比較的均一である。その結果、パッド内結合は、磁束密度における小さな変化に依存するため、ｋipはたったの０．１５である。
【００４７】
図４（ａ）においてマークが付されたように、磁束密度ベクトルの方向が励磁されたコイルの左側に向かって変化する。これは、コイル構造に起因した電流方向の効果的な変化によって生じる反対磁束（Ｉが付されている）に起因している。それによって磁束反転が生じ、（フェライトで囲われたように）それはコイルの周囲の比較的に低抵抗な経路に起因して中間部において増加した磁束密度によりパッドの左側に位置付けられる。
【００４８】
コイルの回帰部分９および１０の下方からフェライトが除去された、修正された等位面パッドにおける磁束密度ベクトルを図４（ｂ）に示す。この場合においても、左側コイルは励磁コイルであり右側コイルは開回路とされている。フェライトの磁化は、励磁コイルからの著しい量の磁束を隣接するコイルに導き、ｋipが０．１５から０．４７に増加するので、好ましい。また、励磁されたコイルの回帰部分９および１０についての磁束が減少し、それによって漏れインダクタンスが著しく減少する。
【００４９】
フェライトシートの中心面において示された磁束の殆ど全ては、ｘ軸方向である。シートの端部において僅かな発散しかない。これは、磁束がコイルから発散している図４（ａ）の修正された等位面と大きく異なっている。なお、磁束密度ベクトルは、フェライトシートの中心を通るｘｙ軸の平面においてのみ示され；磁束をフェライトシートの面に戻すか又は残すために、明瞭な磁化がｚ軸において必要である。
【００５０】
図４のパッドの双方は、１６ｍｍの厚さのフェライトシートを有するが、図４（ａ）の修正された等位面は図４（ｂ）のパッドよりも著しく大きいフェライト断面領域を有し、より低い２０ｍＴの最大磁束密度をもたらす。
【００５１】
しかし、上述したように、付加的なフェライト領域は、漏れインダクタンスにのみ寄与し、最終的には２つのパッドの間の結合因子を弱める（０．２４に対して０．２２）。図４（ｂ）のパッドは、より少量のフェライトを有し、６０ｍＴの最大磁束密度をもたらす。フェライトの利用は、（この場合は２００ｍｍの空気間隙にて）ｃｍ３当たりのフェライトに結合するＶＡによって測られ、図４（ｂ）のパッドについては０．６ＶＡ／ｃｍ３である。図４（ａ）のパッドについては０．２４ＶＡ／ｃｍ３である。
【００５２】
フェライト利用率は、端部の巻線の下方からフェライトが除去されたパッドにおいてより高くなるが、実際の値は最適化された環状の設計と同様である（２００ｍｍの空気間隙の場合０．４ＶＡ／ｃｍ３が可能）。すなわち、理想的な磁束経路を伴ったとしても、修正された等位面は、従前の環状のパッドよりも僅かに多く効果的にフェライトを使用するにすぎない。パッドは、次のセクションで説明するようにフェライトを適切に除去することでより軽く形成し、よりコスト効率を良くすることができる。
【００５３】
“ダブルＤ”（ＤＤ）型結合器の開発
図４（ｂ）に示された６０ｍＴの最大磁束密度は、使用されるフェライト材料が２５℃で４９０ｍＴの飽和磁束密度を有するＮ８７であると仮定すると、極めて低い。フェライトを除去し、より高い磁束密度で動作させると、より高いフェライト利用値をもたらすだろう。図４（ｂ）のフェライトスラブにおける主な磁化はｘ軸において生じるため、良好な結合を維持しつつも図５の概略図に示されたようにコイルａおよびｂが載置されたコア構造を提供するために、フェライト片３０が使用されうる。
【００５４】
図５におけるコイルは、‘ａ’および‘ｂ’が付され、回帰部分がΦblおよびΦalと呼ばれる漏れ磁束と、一部が受電器と結合するパッド内磁束（Φip）と、を生成する。ワイヤの長さを最小限のコスト、漏れインダクタンスおよび銅損へと減らすためにコイルの回帰部分は概略半円に形成されるべきであり、２つのそのようなコイルが連続して配置されていることからこの新たなパッドトポロジーは本明細書において“ダブルＤ”又はＤＤと呼ばれる。パッドの陰影が付された中間部分３２は、（長さＦlの）磁束管と呼ばれ、ここではコイルの形状および近接と、それらが順次に磁気的に接続されていることとに起因して、最大の磁束集中がパッドの中心部に位置している。電力供給によって分かるインピーダンスを弱めるために、コイルは電気的に並列に接続されている。基本的な磁束経路高さｈzは、パッドの長さの半分（Ｐx／２）と比例するが、磁束管の長さ（Ｆl）にも依存する。
【００５５】
２００ｍｍの空気間隙を伴い（いずれも図５に示された構造を有し、縦に並べられた）理想的な送電器および受電器を備えるＤＤパッドシステムにおいて生成される磁束経路を調べるために、Ａ ３Ｄ ＦＥＭモデルが製作された。パッドは、０．７７ｍ掛ける０．４１ｍかつ〜３５ｍｍの厚さの大きさであり、６つのＩ９３コアを備え３３ｍｍの間隔を空けて離れた４つのフェライト片３０を用いている；これらは４×６パッドと呼ばれる。このサイズのダブルＤパッドは、２００ｍｍの空気間隙において０．２３の結合因子を達成する。パッドが作用的な空気間隙と正確に合致している限り、磁束経路は同様であろう。
【００５６】
理想化された磁束経路が重ね合わされて、４×６パッドのシミュレーションモデルの断面が図６に示されている。各パッドは、アルミニウムなどの材料の背面シールド３４を有している。２４０ｍｍの長さの磁束管は、磁束を極面に導き、そこで図示されたｘｚ平面における４つの一般的な経路のうちの１つに放たれる。磁束の大部分は、反対の極面（最短経路）に向かい、空気間隙漏れ磁束を形成し、Φla等位線における最も高い磁束密度によって反射される。磁束管の上で増大されたこの磁束密度は、相互磁束（ΦM）を支えるとともに、受電器パッドにおけるフェライトにある程度引き寄せられる。
【００５７】
残りの２つの磁束経路ΦltおよびΦlbは、大部分が不要物であり、結合には直接的又は間接的に寄与せずむしろ磁場漏れに寄与するので、理想的には、後述するように起こりうる漏れを最小限化するために減らされるべき漏れ磁束である。送電器パッドの後方の磁束（Φlb）は、巻線の回帰部分の漏れに起因し、一方で受電器パッドの上方の磁束（Φlt）は磁束管の漏れに起因する。漏れ磁束ΦlbおよびΦltについての磁束経路は、比較的長く、図６に示されたようにこれらの領域における磁束密度は極めて低くなる。
【００５８】
漏れ磁束低減アプローチ
上述のように、米国特許第４８７３６７７号（セイコー）に説明されたような初期の近接結合システムは、大きなコアについて変圧器および巻線を用いた同様な方法で設計されている。先に示したように、これは、コイルのインダクタンスを著しく増大させるとともに、極を生成する２つのコイルの相互結合を低減する。これは、一次側および二次側のシステムが近接し、低い（それ故に好ましい）抵抗経路を示す変圧器型の応用においては最小限にしか影響しないが、空気間隙が大きく一次側および二次側の間に著しいずれが生じうる弱く結合されたシステムについては、大きなフェライトスラブが用いられた場合に、電力を伝送するシステムの能力およびシステム結合因子における劇的な減少が生じるだろう。これは、拡張されたフェライトが、一次側および二次側の間の磁気の相互結合を生成する所望の磁束経路に反して作用する代替的および望ましい抵抗経路を提供するためである。当社の国際特許公報ＷＯ２０１０／０９０５３９（その開示は参照により本明細書に組み込まれる）において提案されたＤＤパッド構造は、コイルの回帰部分の手前における一次側の概して端部の上のフェライト片を用いており、一方で二次側では（第３の“方形”コイルの性能を改善するために）これらはコイルの回帰部分の下方に延びることができる。各パッドにおけるコイル間結合を最大化するために、露出したフェライトは（極を除いて）存在しない。
【００５９】
この後者の構造の制限は、（上述したように）漏れに寄与する不必要な磁束が含まれず、適切な金属（例えばアルミニウム）シールドの存在に起因して殆どの構造においては磁束がパッドの後方およびより遠くで生じさせられることである。殆ど全ての設計において、パッドは電力結合が達成されることを目的として構成されるが、ここで示されるように、その結果、現在の漏れの限度に関して受け入れられない漏れ磁束を伴う準最適な設計となる。
【００６０】
したがって、少なくとも１つの新たな実施形態において、一次側および二次側のパッドの一方又は双方の端部部分に限られた量のフェライトなどの磁気透過材料を付加し、以下更に説明されるような補助的な極面又は極領域を設けるために特定の部分においてフェライトを選択的に露出することにより、漏れ磁束は低減される。驚くべきことに、活性化されたコイルのトポロジーに基づいて、２つの全く異なる有用な効果がもたらされる。極性が与えられたＤＤのような構造においては、漏れ磁束は著しく低減され、一方で方形コイルのような環状構造においては、主磁束結合が改善される。
【００６１】
解決されるべき固有の問題の例として、図７は、ＷＯ２０１０／０９０５３９に開示されたような極性が与えられた結合器の一般的な配置を示し、ここでは、連続して巻かれているが北および南の極を生成するために位相をずらして電圧が印加される２つのコイルａおよびｂを一次側７０が有し、二次側構造７２が３つのコイルｃ，ｄおよびｅを有している。二次側のコイルｃおよびｄは、一次側のコイルａおよびｂと同一に構成されており、第３のコイルｅは、ＷＯ２０１０／０９０５３９に開示されたような方形巻線として中心に位置している。一次側および二次側の双方は、アルミニウム背面板３４の上方に載置されたフェライト片３０の上方に位置している。この応用において、一次側および二次側の構造は、５００×４００ｍｍ（以下、この設計はＤ９と呼ばれる）よりも僅かに小さい大きさを有し、パッドの間の７５−１５０ｍｍの間隙における一般的な変化を伴い、ｘ又はｙ方向における少なくとも１５０ｍｍの変位を伴う区域において、全出力で結合することが予想されるだろう。この設計についての電力プロファイルが図２４において示され、１４０ｍｍの縦変位について再びＤ９と付されている。
【００６２】
一次側の巻線に電圧が印加された際に、全方向に生成される磁界が生じ、またこの磁界は、図５において既定のΦalおよびΦblが付された漏れ磁束によって駆動されて一次側および二次側パッドの双方の周りに放射される。ＤＤ構造から生成される予期された漏れの例が図８に示されている。ここでは、二次側は、１４０ｍｍのｚ変位と、ｘ方向における＋１００ｍｍおよびｙ方向における＋５０ｍｍの横変位とを有する予想された電力伝送区域に配置されている。一次側のみ電圧が印加された際に発生する漏れ（ここではコイルに１０kHzで電流が与えられた）は、ｘｚおよびｙｚ方向においてパッドを通り表面にて一次側パッドの中間点（ここでは（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０））から１メートルの円を描く縦平面を取ることによって定められる。６．２５ｕＴ（１９９８年に課されたＩＣＮＩＲＰ制限）よりも大きい全ての磁界レベルが赤で示されている。また、二次側が一次側に対して相対的に（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１００，５０，１４０）に位置しているときの磁束密度の実際の値は、（図８に示されたように一次側の中心点から高さ７０ｍｍの位置にて）パッドの間の中途のｘおよびｙ方向のラインに沿って明確に計算することができる。この方向においては、図２２に示されたように、一次側および二次側のパッドの相対的な変位に起因して磁界抑制が最低となる。また、図２２には、一次側パッドの表面（（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）にて始まる）から一次側パッドおよび背部の外側（パッドは約３０ｍｍの厚さ）を通って−ｚ方向に延びるｚ方向の磁束が示されており、この位置の不連続は、理想的には漏れ磁束が零となるべきアルミニウムシールドの後方に存在する一次側パッドの実際の背部の位置を示している。この漏れ磁束は、先に述べた不必要な磁束により存在し、予想されたレベルを優に上回る所望の値以上を有している。
【００６３】
理想の好適なフェライト構造４０が図９（ａ）に概念として示されている。ここでは、フェライトは、補助的な極領域を設けるべく露出された端部４２および４４にて不必要な漏れを捕え、（図４に示されたような）コイルの外側の追加的で不必要な磁束を助長せずに極の間の主磁界を増幅するように形成されている。フェライトは、（図示されないが）コイルが配置される頂面において平坦であるが、下部では飽和を避けるために主磁束が高い領域において必然的に厚く形成されている。コイルの間の中心におけるフェライトが主（すなわち結合）磁束を伝え、より多くの領域を必要とする一方で、送電器の端部は漏れ磁束のみを伝え、極めて薄くすることができる。端部においてコイルは中心より多くの磁界を生成するためこの領域がより多くのフェライトを必要とするので、（主軸を横切る断面を示す）中心線４６にわたって厚さも変化する。実際には、この理想的な構造は、容易に利用可能なフェライト材（フェライトのブロックなど）を用いてしばしば構成され、（飽和が起きない場合に）インダクタンスを減らすべくフェライト材を減らせるという利点がある。したがって、この概念の構造は、一緒にプレスされたフェライトブロックを用いた図９（ｂ）および図９（ｃ）に示されたような実施形式に構成される。
【００６４】
片３０としてのフェライトのブロックおよび端部における単一のフェライト片３６を用いて一次側の極を生成するコイルについてのこの磁気構造は、図９（ｂ）および（ｃ）に示されており、本明細書においてはＤ１１と呼ばれる。ここで、コイルａおよびｂは先の設計Ｄ９のサイズと同一のままであるが、アルミニウム背面板３４は、一次側および二次側の双方におけるフェライト片３０の端部に存在するフェライト拡張部分３６を収容するために拡張されている。磁界漏れへの影響は、図１０および図２２において直ぐに明らかとなる。この理由は、（ｘ方向における）パッドの端部の不必要な磁束が補助的な極領域におけるフェライトによって捕えられ、パッドの背部を通って方向づけされるためである。その結果、パッドの背部における磁束漏れは著しく低減され、より少ない漏れが発せられる。その結果、パッドの背部における磁界は、８０ｕＴから２０ｕＴ以下に減少するとともに４００ｍｍの後に６ｕＴに急激に減少し、他方で以前は７７０ｍｍの近辺でこのレベルに減少している。ｘおよびｙ方向において、Ｄ９における９８０ｍｍおよび９００ｍｍの代わりにそれぞれ、Ｄ１１について磁界はそれぞれ８００ｍｍおよび７００ｍｍの後に６．２５ｕＴ以下に減少する。パッドの端部はｘ方向において２４５ｍｍかつｙ方向において１８０ｍｍの近辺であり、漏れ磁束はこの位置の後までは減少し始めないだろう。ｘ方向において、Ｄ１１は６．２５ｕＴのレベルに減少するまでに５５５ｍｍを要し、一方でＤ９は７３５ｍｍ（Ｄ１１に関しては２５％の減少）を要する。ｙ方向において、Ｄ１１の構造についての磁界は、７２０ｍｍではなく５２０ｍｍ以内で減少する（２８％の減少）。
【００６５】
Ｄ１１構造に関する電力プロファイルが（Ｄ９および更に以下で説明される他の構造と比較して）図２４に示されている。この場合において、アルミニウムシールド３４は僅かに大きいが（大きさは図２３に示されている）、これは電力プロファイルを著しくは変化させない。図示されたように、フェライトの追加の影響はＤＤ（Ｄ９）の電力プロファイルを僅かに低減するが（１０％未満）、図示されたように二次側におけるフェライト片３６の存在は方形コイルｅ（図２４においてＱと呼ばれている）の磁束を捕える能力を著しく増加させる（その能力が殆ど２倍）。その結果、ｘ方向における電力供給能力が著しく改善し、ｙ方向においては小さな影響しか与えない。
【００６６】
これに対し、Ｄ１１におけるフェライトが可能とするだけ拡張された体積に合うようにコイル自体が（極があと僅かだけ更に離れて移動できるように）伸長された場合にも、結合された電力の改善がある。この構造は、Ｄ１７として図２３に示されており、伸長されたコイルがフェライト端部片３６を覆っている。結合された電力における（図２４に示されたような）改善は著しく表れるが、これと同時に、コイルがより押し放されるために漏れ磁束の相応の増加が生じる。図示されたように、二次側が横に１２５ｍｍずれた際には、供給される電力がＤ１７とＤ１１とで同一となる。これは電力の結合が期待された電力区域内であるため、結果として、Ｄ１１が磁界漏れを著しく低減するとともに一方でＤ１７が極の端部が大きいためにＤ９以上の漏れを有するであろうと仮定すると利点がない。
【００６７】
これは図２５において立証されており、この図においては、各システムの二次側パッドが（ｍｍで）位置（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１００，５０，１４０）にずれた状態でのＤ１７とＤ１１の出力漏れが比較されている。ここでは、Ｄ９およびＤ１７を駆動するＶＡは同一であり、Ｄ１７によって発生する漏れはｘおよびｙ方向の双方において著しく大きい。Ｄ１７の二次側と結合されるＶＡとＤ１１においてその二次側と結合するＶＡとが同一となるように低減されたＶＡで動作された際にＤ１７によって発生する漏れ（“Ｄ１７Ａｄｊ”が付されている）もまた示されている。この条件下において、“Ｄ１７Ａｄｊ”の漏れは、パッドの寸法の外側においてＤ１１のそれよりも未だに著しく高い。そのため、フェライト設計の影響は著しい改善であり、驚くべきことにこれらの低減された動作環境下においてさえより優れている。
【００６８】
他の好適な磁気構造を評価するとともに、アルミニウムシールド３４の影響を評価するために、種々の他の設計が漏れ磁束を減らすために考えられた。図１１のＤ１２を一次側にアルミニウムシールドリング５０を付加して評価した。結果は図１２および図２２に示されている。この場合においては、フェライトの側部に漏れ磁束が引き寄せられることを妨害するために、フェライト端部片３６へのリングの近接が漏れについて僅かに負の影響を有する。また、二次側にリングを付加することは、方形コイルｅが近接している場合にその電力捕捉にも影響する。
【００６９】
（図１３に示された）Ｄ１３および（図１５に示された）Ｄ１４において、フェライト端部片３６はより大きい補助的な極領域を設けるために（この例においては２倍に）拡大され、アルミニウム構造の大きさが変えられている―Ｄ１３においてはより大きい背面板３４が用いられるとともに一次側シールドリング５０が存在し、一方でＤ１４においてはシールドリング無しでより小さい背面板が用いられている。図２２から分かるように、Ｄ１３は漏れへの最も大きい影響を明確に有し、アルミニウム３４がｚ方向における漏れの遮蔽を補助する一方で、 フェライト拡張部分３６がｘおよびｙ方向における漏れの捕捉に最も大きい影響を有することをＤ１４との比較が示している（ここではＤ１３およびＤ１４の間の違いを見ることは難しい）。結果として、補助的な極を設けるための端部片へのフェライトの付加は、最も著しい影響を有する。補助的な極領域を設ける磁気透過部材が物理的にコアに接続されているか、又はコアの一部である必要がないことは、当業者によって評価されるだろう。
【００７０】
Ｄ１１およびＤ１３（又はＤ１４）を比較すると、パッドの大きさの拡張を考慮すれば漏れの改善が小さいことは注目に値する。図２２において、ｘ方向に７６０ｍｍで漏れが６．２６ｕＴに減少し（Ｄ１３，Ｄ１４）、他方でＤ１１については８００ｍｍでありＤ９においては９８０ｍｍであった。ｙ方向においては、改善はより小さい。このように端部へのフェライト３６の付加は漏れの改善に適合しうるが、フェライト拡張部分を広げることは通常は必要ではない。
【００７１】
付加的な比較のため、および、フェライトがコイルの端部を越えて延びるべきことを更に立証するため、図１７のＤ１５のようにフェライトの大きなブロックが端部に（しかしながらコイルの下方に）配置された。図１８および図２２に示された結果は、これがＤ９と比べて漏れを改善するが、改善はＤ１１に見られるものほど著しくないことを示している。図１９におけるＤ１６の構造によって示されたように横又はｙ方向におけるコイル側部を越えて端部３６に付加的な拡張部分５１を加えることは、図２０および図２２の結果に示されたように漏れの更なる改善を有するが、この場合においてもＤ９は僅かに良い性能を有している。Ｄ１５およびＤ１６における付加的なフェライト材はパッドのインダクタンスを実質的に増大させるが、一方でＤ１１構造におけるような残りの付加されたフェライト３６はコイルの下方で片として残るのでインダクタンスを大幅には増大させない。そのようなＤ１１は、少量のフェライト付加を伴い優れた性能を有している。
【００７２】
Ｄ１１およびＤ１６の最良の改善を組み合わせた構造がＤ１８として図２６（ｂ）および（ｃ）に示されている。これは、コイルの約半分の幅（示されたように４０ｍｍ）で側縁部にてｘ方向に戻って延びる付加されたフェライト５２の小片を伴うＤ１１のフェライト構造（車のバンパーの形状に似ている）を用いている。このフェライトの付加の拡張は、電力結合に負の影響を与えることおよびパッドのインダクタンスを増大させることを避けるために制限される必要があり、回帰コイル幅の半分以下に制限することが最良である。コイル間結合が著しく減少し二次側構造と電力を結合することができなくなるために、ＤＤコイルの端部に沿うｙ方向においてフェライトを拡張することが電力結合に明らかな負の影響を与える場合、そのような注意を払わなければならない理由は図４において先に示されている。図２５に示されたようにＤ１８から発生する漏れがＤ１１，Ｄ１５およびＤ１７に対して比較された場合、ｘ又はｙ方向においてＤ１１を超える測定可能な改善点が得られないことは明らかである。したがって、Ｄ１１の簡易な構造が明らかに好ましい。
【００７３】
図２６（ｄ）および（ｅ）は、Ｄ１１の背面板に及ぶＤ１７の拡大されたコイルを用いることによる影響を示している。修正された設計は、ここではＤ１９と呼ばれる。Ｄ１９から発生する漏れは、図２７における僅かに修正されたアルミニウム背面を伴うＤ１１の漏れと比較されている（この修正されたＤ１１は図２６においてＤ１１−２が改めて付されているが、これらの構造には実際には少しの違いしか無いために、図２７においては単にＤ１１が付されている）。そのため、コイルが載置されたＤ１１−２およびＤ１９の双方のフェライト構造およびアルミニウム背面板は、ここでは同一である。一方で、コイルの大きさは唯一の違いである。Ｄ１１−２およびＤ１９の電力プロファイルは（図２４に示されたように）Ｄ１１およびＤ１７のそれと同一であるために、Ｄ１９の出力は各関心位置でのＤ１１システムと全く同じ電力でその二次側と結合するように調整されている。このように調整された際にＤ１９から発生する漏れは、図２７において“Ｄ１９Ａｄｊ”が付され、双方のシステムが完全に並んだ一次側および二次側構造を有する場合においてＤ１１−２の漏れ（Ｄ１１が付されている）に対して比較されている。予想されたように、これらのシステムがそのように完全に並んだ状態にある場合、それらの間の電力結合には大きな違いがある。実際、Ｄ１９はそのより大きいコイル（約６０％大きい）のためにその二次側に著しく多い電力を結合するため、駆動ＶＡはＤ１１の電力伝送に合わせるために６６％近辺に低減することができ、発生する漏れを同様に低減する。したがって、そのコイルの下方の改善されたフェライト構造によりその漏れが少なくなることが予想されるだろうが、図示されたように、（パッドの最大長であるために最も高い磁場を充電プラットフォームによって車両、ＡＧＶ又はロボットの側部のより近くで生成すると仮定すると、漏れ磁束に最も大きく関係する）ｘ方向においてＤ１１は未だＤ１９を凌いでいる。図２７に示されたように、Ｄ１９における漏れは最悪でパッド寸法の概ね１０％外側まで及ぶ。ｙ方向において、漏れは同様であり、これは同様のフェライト構造に起因する。図示されたように、ｙ軸の漏れは、パッドのこの部分が一般的に狭いと仮定した場合には僅かに少なくなるため、あまり関係がない。
【００７４】
要約すれば、コイルを越える露出された端部片３６によって設けられる補助的な極を伴うフェライト構造は、漏れ低減を達成するための重要な設計である。発生する漏れは理想的な条件の下でも問題を残すために、この改善された構造を覆うようにコイルを拡大する一方で結合を増大させることは、これらのコイルがより低いＶＡで駆動されている場合でさえも何ら有用な利点を提供せず、ｘおよびｙ方向のいずれかにおけるずれを伴ってただ悪化するだけだろう。これは、Ｄ１９（Ｄ１７）およびＤ１１の（二次側と結合された電力によって示されたような）結合が図２４に示されたようにずれに収束するために生じる。これらの条件下において、図２５の例において示されたように、Ｄ１１は漏れに関してＤ１９およびＤ１７を著しく凌いでいる。
【００７５】
Ｄ１１の性能の他の改善は、図２１に示されたように提案することができる。ここでは、パッドのインダクタンスは、端部フェライト片３６とコイルａおよびｂのそれぞれとの間の小さな間隙を設けることによってより低減される。この拡張は、パッドの大きさを増大させることに対して釣り合わされなければならない―しかしながら、道路又は駐車場に配置された一次側パッドの大きさは、材料要求が過度でないとの条件の下でより大きくすることができ、漏れが最小限化される一方で、供給される電力が落とされず、インダクタンスが（供給によってパッドが駆動可能となるように）抑制される。加えて、コイルの側部外周を越えてフェライトが延びるように、端部片３６は拡張部分５１を含むことができる。
【００７６】
また、拡張部分３６を含むフェライトコア構造は、当社の国際特許公報ＷＯ２０１１／０１６７３７に開示されたものなどの他のパッド構造とともに用いられうる。図２８に一例が示され、ＷＯ２０１１／０１６７３７に記載されたような双極パッドが、フェライト片３０および端部片３６から構成されたコアの上に、相互に分離され重ねられた２つのコイルａ，ｂを含んでいる。コアは、アルミニウム背面板３４の上に設けられている。
【００７７】
一次側において、Ｄ１１で提案されたフェライト拡張部分は、それらの主な目的が漏れ磁束を捕らえることであるため、磁束を多くは伝えない。そのため、フェライト材は、極めて薄くすることができる。二次側において、フェライト端部片によって設けられた補助的な極領域は、２つの役割を有している。一次側におけるように、それらはＤＤの二次側の漏れ磁束を吸収するが、方形巻線においてそれらは二次側がずらされた際に主磁束を伝えるため、動作中に殆ど或いは全く飽和しないようにするために構築されたパッドに用いられるフェライト片と同様の厚さとすべきである。
【００７８】
ここで、更なる実施形態が図２９−図４５を参照して説明される。
【００７９】
先ず図２９を参照すると、装置は、本明細書において単層ダブルＤ又はＤＤ構造と呼ばれる配置の一対のコイルを備えている。装置は、アルミニウム背面板１１３から間隙を介して離れるとともにアルミニウム背面板１１３の上に順に設けられ、磁気透過性のコア１１２が上に置かれた一対の隣接するコイル１１０，１１１を概して備えている。図示された例におけるコアは、コイル１１０，１１１の中心極の間で延びる軸と平行な複数の伸長フェライトバー１１２ａを備えている。フェライトバー１１２ａは、例えば、少なくとも一部が、マンガン亜鉛（Ｍｎ−Ｚｎ）フェライト材で形成されうる。コイル１１０，１１１は、明確化のために図においてそれぞれ長方形領域により表されているが、実際は例えば図示された領域を実質的に占有するリッツ線の実質的に平面らせんの巻線を好ましくは備えている。巻線は、実際には、図で提示されたような正確な長方形であるよりも、むしろ例えば円形又は楕円形となりうる。
【００８０】
コイル１１０，１１１のそれぞれは、極領域の間に位置する中心領域１１０ａ，１１１ａと；、中心領域の反対側の端部領域１１０ｂ，１１１ｂと；、中心及び端部領域のそれぞれの端部の間の側部領域１１０ｃ，１１０ｄ，１１１ｃ，１１１ｄと、を有している。
【００８１】
図３０は、図２９の装置の先行技術の変形例を示しており、図示されたように、コイル１１０，１１１およびコア１１２の間に、隣接した一対の実質的にＤ型のコイル１１０，１１１に加えて中心“方形”コイルが設けられている。したがって、このパッド構成は、ＤＤＱパッドと呼ばれる。
【００８２】
図３１（ａ）および図３１（ｂ）を参照すると、ＤＤ構成の一対のコイルを備える本発明に係るＩＰＴ装置の第１の実施形態が示されている。
【００８３】
この実施形態の例において、コアは、コイル１１０，１１１の反対側の端部においてコイルの端部領域１１０ｂ，１１１ｂと平行な横断フェライトバー対１１２ｂの付加を伴い、コイル１１０，１１１の中心極の間で延びる軸と平行な複数の伸長フェライトバー１１２ａを備えている。バー１１２ｂは、漏れ磁束を吸収する、方向づける、或は導く補助的な極領域を設ける。コアは、好ましくはコイルの端部領域１１０ｂ，１１１ｂを越えて延びるが、コイルの側部領域１１０ｃ，１１０ｄ，１１１ｃ，１１１ｄは越えない。より具体的には、横断フェライトバー１１２ｂは、コイルの端部領域１１０ｂ，１１１ｂの外縁を好ましくは完全に越えて、より具体的には直接隣り合って、伸長フェライトバー１１２ｂを介して設けられている。
【００８４】
コイルの端部領域の横断フェライトバー１１２ｂは、磁束をコアに入るように促し、各側部領域の磁束は、伸長フェライトバー１１２ａによってその側部領域から最も離れた極領域に向かって広がるように促される。
【００８５】
本発明の図示された実施形態によれば、コイルの反対端部領域１１０ｂ，１１１ｂの幅は、それぞれの端部領域１１０ｂ，１１１ｂの隣接した巻線を２つ又はより多くの層に分割することによって、コイルの中心および側部領域（および図２９の先行技術の装置の端部領域１１０ｂ，１１１ｂ）に対して低減されている。したがって、この実施形態における側部領域１１０ｃ，１１０ｄ、１１１ｃ，１１１ｄおよび中心領域１１０ａ，１１１ａの巻線は好ましくは実質的に平面である一方で、端部領域の巻線は少なくとも２つの実質的な平面層に積み重ねられてもよい。コイルによって囲われる領域が同一のままであるために、コイルのインダクタンスは、巻線が全て単一面にある場合であっても同等のままである。
【００８６】
例えば、コイルの外縁を越えた横断フェライトバー１１２ｂを収容するために、および／又は、伸長フェライトバー１１２ａの長さの制限のために、端部領域１１０ｂ，１１１ｂの外縁の間におけるコイルの幅を制限する必要がありうる。伸長フェライトバー１１２ａの長さは、例えば、特定の寸法のフェライトバーの有用性およびコスト検討又はそれらの寸法変更の製造上の難しさによって決定される。
【００８７】
ＩＰＴ装置の応用によっては、パッドの頂部は、上面において如何なる突起も有さず可能な限り平坦であることが好ましいかもしれない。例えば、車両駐車面に埋め込まれるか或いはその上に設けられた、車両を充電するための一次側パッドを装置が備えている場合、如何なる突起もつまずく危険を引き起こす、および／又は、損傷の危険にさらされる。その結果、端部領域１１０ｂ，１１１ｂにおけるコイル巻線の付加的な層は、好ましくは、端部領域１１０ｂ，１１１ｂの第１層、側部領域１１０ｃ，１１０ｄ，１１１ｃ，１１１ｄ、および中心領域１１０ａ，１１１ａの平面の下方に設けられる。コイルは、例えば、平面コイルを巻き、端部領域１１０ｂ，１１１ｂの外側の半分を内側の半分の下に折ることで設けられてもよい。
【００８８】
端部領域におけるコイル１１０，１１１の付加的な深さを収容し、（コアおよび背面板の反対側のコイルの側部上の）パッドの上面が実質的に平坦に止まることを確実にするために、コアは、少なくともコアの部分の上面と重なる端部領域１１０ｂ，１１１ｂの突出した第２層（および／又は、何らかの付加的な層）を受けるための座ぐり部、リベート、又は凹部を好ましくは備えてもよい。従って、実質的に平面である中心領域１１０ａ，１１１ａ、側部領域１１０ｃ，１１０ｄ，１１１ｃ，１１１ｄ、および端部領域１１０ｂ，１１１ｂの第１層は、少なくともコアの部分の上の単一面に好ましくは置かれてもよい。従って、図３１の実施形態において、伸長フェライトバー１１２ａのそれぞれは、図３（ｂ）に示されたように、横断バー１１２ｂに直接隣接した反対端部に凹部又は切り込みを備えている。同図からは、上方に延びるとともに少なくとも部分的にコイルと重なる突出した端縁又は外側リップを横断バー１１２ｂが形成することが分かり（すなわち、この実施形態においては端部領域１１０ｂ，１１１ｂの第２層）、これは以下により詳しく説明されるような付加的な利点を提供しうる。
【００８９】
図３２は、図３１の装置の変形例を示し、ここでは中心“方形”コイルが隣接した一対の実質的なＤ型のコイル１１０，１１１に加えて設けられている。したがって、このパッド構成は、ＤＤＱパッドと呼ばれる。
【００９０】
図３２に示されたＤＤＱパッドの実施形態によれば、請求項１の装置のように、横断バー１１２ｂの間における装置の全幅を低減するためにコイルの端部領域１１０ｂ，１１１ｂが巻線の２つの層に積み重ねられている。しかしながら、図３１の実施形態と異なり、コイル１１０，１１１は、コア１１２において部分的に凹まされていない。その代わりに、端部領域１１０ｂ，１１１ｂにおけるコイル巻線の第２層は、図３２（ｂ）に示されたように、ＤＤコイル１１０，１１１およびコア１１２の間に方形コイルを設えるための空間を提供している。すなわち、方形コイルは、ＤＤコイル１１０，１１１の実質的に平面である中心領域１０ａ，１１ａ、側部領域１０ｃ，１０ｄ，１１ｃ，１１ｄ、および端部領域１１０ｂ，１１１ｂの第１層の下の、端部領域１０ｂ，１１ｂの第２層と実質的に同一平面を成す。
【００９１】
図３３および図３４は、図２９および図３２のＤＤおよびＤＤＱパッドの更なる実施形態をそれぞれ示し、ここでは背面板１１３の大きさが低減されている。
【００９２】
無線電力伝送の多くの応用において、磁束は、電圧が印加されたコイルの一方の軸方向側部にのみ生成されるか、或いはこの軸方向側部からのみ受け取られればよい。車両の充電のためには、例えば、一次側コイルは地面の上又は中に一般的には設けられるであろうし、二次側磁束結合装置を伴う車両は一次側コイルの上にのみ磁束結合のために駐車されるであろう。従って、装置が二次側磁束結合装置に向かって上方に方向づけされた単一側の磁場のみを提供するように、一次側パッドの背面板１１３は一般的にコイルの下方に設けられたアルミニウムなどの実質的に非磁性の材料のシートから成る。同様に、二次側磁束結合装置は、装置を越えて通過する磁束を改善するために、背面板が設けられてもよい。
【００９３】
磁束からコイルの反対側を実質的に遮蔽するために、先行技術の磁束結合装置に係る背面板１１３は一般的に、遮蔽の拡張された領域を設けるためにコアおよびコイルを越えて拡張されている。しかしながら、そのようにすることは、磁場を誘導するとともに過度の熱を生成しうる背面板における渦電流をもたらすことが判明した。
【００９４】
したがって、本発明の種々の実施形態において、背面板１１３はコア１１２および／又はコイル１１０，１１１，１２０の外縁以上には延びておらず、少なくともいくつかの実施形態において、背面板に誘導された渦電流によって間接的に生じる漏れ磁束を低減するために、背面板１１３はコイルおよび／又はコアによって形成される外周から後退するか或いは凹まされてもよい。より具体的には、好ましくは、背面板は装置の端部でコアの外縁以上には延びておらず、それにより背面板はコアによって基本的には遮蔽される。図３３および図３４の図示された実施形態において、例えば、背面板１１３は、ある方向においては横断バー１１２ｂの外縁のみ延び、他の方向においてはコイル１１０，１１１，１２０の側部領域１１０ｃ，１１０ｄ，１１１ｃ，１１１ｄの外縁にのみ延びる実質的に非磁性の材料の長方形シートを備えている。
【００９５】
背面板１１３の大きさを低減することは、渦電流によって間接的に生じた漏れ磁束を、背面板よりもむしろコア１１２に入るように磁束を促すことにより低減する。しかしながら、特定の応用においては、例えば、先行技術のより大きい背面板１１３が遮蔽の理由のために好適となりうる。
【００９６】
図３５および図３６は、図３１のＤＤの実施形態の更なる変形例を示し、ここではコイルの反対端部領域１１０ｂ，１１１ｂが、それぞれの端部領域１１０ｂ，１１１ｂの隣接する巻線をそれぞれの上部に積み重ねられた３つおよび４つの層の間に分離することによって、コイルの中心および側部領域に対してより低減されている。これは、パッド全体の大きさを増大させずに横断フェライトバー１１２ｂを広げることが可能になり、更にはより弱い抵抗により磁束漏れが低減するという追加の利点を有している。
【００９７】
コイル内に凹まされた端部領域１１０ｂ，１１１ｂにおいて巻線の複数層を有する磁束結合装置の設計における重要な検討事項は、凹まされた領域においてコアの断面領域および高さが相応に低減されることである。コアの凹まされた領域が使用において飽和する場合、設計の効率が損なわれるかもしれず、その場合において、コアは磁束のために十分に低い抵抗経路を付与しない場合がある。Ｍｎ−ＺｎフェライトのＢＨ特性を考慮すると、例えば、磁束密度において０．３Ｔ以下はいずれも不飽和とみなすことができ、例えば図３６の４重層装置の試験は０．２６７Ｔの最大磁束密度を示した。
【００９８】
図示された双方の実施形態において、横断フェラトバー１１２ｂの高さもまた、図３１の実施形態に対して増大されている。従って、これらの実施形態における横断フェライトバー１１２ｂの高さは伸長フェライトバー１１２ａの高さよりも大きく、それによって横断バー１１２ｂはそれぞれコアの反対端部におけるリップを形成している。より具体的には、図３５（ｂ）および図３６（ｂ）に示されたように、横断バー１１２ｂは、上述のように凹まされた場合にそれらの頂面がコイル１１０，１１１の頂面と同一平面に位置するように、好適に寸法決めされている。これは、これらの多くが横断フェライトバー１１２ｂを通るように方向づけすることによって、漏れ磁束をより低減する効果を有している。すなわち、装置の反対端部におけるコアのリップは、コイル１１０，１１１の端部巻線からの漏れを少なくとも改善するか、或いは停止させる。
【００９９】
図３７は、上述の特徴のいくつかを組み合わせた、本発明に係るＩＰＴ装置の好ましい更なる実施形態を示す。具体的には、装置は、コアの伸長フェライトバー１１２ａ内に凹まされた端部領域１１０ｂ，１１１ｂにおける３重層の巻線を有する一対のＤＤコイルと；、図３５および図３６と同様に広げられ、かつ、コイル１１０，１１１の頂面上にあるか或いは同一平面に位置するコアの反対端部にリップを設ける横断フェライトバー１１２ｂと；、コイルの側部領域１１０ｃ，１１０ｄ，１１１ｃ，１１１ｄを越えて延びるがコア１１２の全長よりも短く、それによって当該背面板の反対縁がコアの端部領域１１０ｂ，１１１ｂの外縁および横断フェライトバー１１２ｂの外縁の間で下がる背面板１１３と、を備えている。
【０１００】
上記から分かるように、コアの反対端部におけるコイルの深さ又は高さは、電流の中心すなわちコイルが発することによって生成される磁界がそこから生成される中心点を有するものと考えることができる。（壁部分、リップ、バー、又は他のものによって形成されようが）補助的な極領域が電流の中心又はその上方に設けられる場合、他の面ではそれ自体が漏れ磁束を明らかにするであろうコイルによって発生した漏れ磁束は、補助的な極面に吸収され、導かれ、或いは方向づけられる傾向にあるだろう。図示された例においては、結合磁束が方向づけされるか或いは受け取られる領域に向いた凹部が示されている。しかしながら、他の実施形態において、凹部はコイルの中心に向いてもよく、すなわち補助的な極領域は隣接するコイルの周縁を覆ってもよい。
【０１０１】
例えば、図４６は、限定されないが、先行する実施形態のコイル１１０，１１１などのコイルの端部又は縁部領域の部分断面図を示している。コイルの個々の一巻部分２１０−２１２は、コア１１２（ここでも限定されない）などの磁気透過性の部材に隣接して示されている。端部又は縁部領域における一巻部分２１０−２１２のグループは、中心の一巻部分２１１或いはその近くに電流の中心を有する磁束発生器に相当する。補助的な極領域２１４は、零を超える角度２１６で電流の中心の上方に設けられる。
【０１０２】
図４６を参照して上述された同様の特徴には同様の参照符号を用いて、他の例が図４７に示されている。極領域２１４の高さの上まで一巻部分のグループが拡張されているが、極領域２１４は一巻部分２１１の近傍の電流の中心に対して角度２１６で傾いている。
【０１０３】
２つの更なる例が図４８および図４９に示されている。図４８を参照すると、補助的な極領域は、コイル端部又は縁部領域を越えて傾斜したリップの部分に設けられている。図４９においては、コイルの中心に向いた凹部が設けられている。
【０１０４】
図５０に示された実施形態において、補助的な極領域は、実質的には、コイル縁部領域又はその近傍の一巻部分（又は一巻部分のグループ）の間に位置する複数の磁気透過性の材料片から形成される複数の極領域を備えるように分配される。
【０１０５】
図３７（ａ）を参照すると、本発明のこの例の実施形態は、７７５×４８５×４ｍｍ（長さ×幅×深さ）の大きさの背面板１１３と；、好ましくは全体の大きさ８２６×３９１×２０ｍｍを有し、３９１×７０×２０ｍｍの大きさの一対の横断フェライトバーおよび互いに３３ｍｍの空間を介して離されそれらの間で延びる６８６×２８×１６ｍｍの大きさの複数の伸長フェライトバーを備えるコア１１２と；、幅１２０ｍｍの中心領域１１０ａ，１１１ａ、幅２８ｍｍの端部領域１１０ｂ，１１１ｂ、および幅８０ｍｍの側部領域１１０ｃ，１１０ｄ，１１１ｃ，１１１ｄを含み、３９１×３４３ｍｍの外寸法をそれぞれ有する一対の隣接したコイル１１０，１１１と、を好ましくは有している。
【０１０６】
図３７（ｂ）を具体的に参照すると、図示された実施形態のコイル１０，１１の各平面層は、３重層の端部領域１１０ｂ，１１１ｂにおける合計深さが１２ｍｍとなる約４ｍｍの深さである。これは、コイルの第２および第３層を収容するために、１６ｍｍの深さの伸長フェライトバー１１２ａにおける８ｍｍの凹みを必要とする。従って、この実施形態における横断フェライトバー１１２ｂは、コイル１１０，１１１と同一平面に位置するために２０ｍｍの深さを好ましくは有している。コア１１２は、好ましくは背面板１１３から６ｍｍ空間を空けられ、４ｍｍの厚さである。また、この図からは、長手方向における背面板１１３の反対縁部が、背面板に誘導される渦電流によって間接的に生じる漏れ磁束を低減するために、横断フェライトバー１１２ｂの外縁から後退されるか或いは凹んでいることが分かる。
【０１０７】
上述の寸法は例としてのみ示されたものであり、本発明に係る装置の構成要素の相対的な大きさ又は寸法を限定するものとして解釈されるものではない。構成要素の形状、尺度、および相対的な寸法は、本発明の範囲を離れることなく、妥当な範囲内で変更されてもよい。
【０１０８】
図３８（ａ）および（ｂ）は、概して図３２に関して説明されたものに従う“方形”コイルを有する構造を示しているが、補助的な極領域を設ける端部バー１１２ｂが大きくなっている。この実施形態および図３２および図３４の実施形態における補助的な極領域は、１１０および１１１からの漏れ磁束を低減することができるだけでなく、方形コイル１２０への或いは方形コイル１２０からの磁束を結合するための通路を設けることを支援することができる。この実施形態において、バー１１２ｂは幅３０ｍｍおよび深さ１６ｍｍであり、構造の全体寸法はｙ軸に沿って７７５ｍｍおよびｘ軸に沿って４８５ｍｍである。
【０１０９】
図３８（ｃ）は、ｘ軸に沿って（２００ｍｍの）距離２０２だけ一次側パッド２０１とずれた二次側パッド２００を示し、これは図３９および図４０の等高線図に関連して以下に言及されるずれである。
【０１１０】
図３９は、最悪に近い場合の磁束漏れを実証するための明確な準最適の並びである、各パッドの極の間の線と平行なｘ軸に沿った２００ｍｍの水平ずれを伴って、４つの異なる一次側および二次側パッドの組み合わせの磁束漏れをシミュレートした４つの等高線図を示している。一次側および二次側パッドの間におけるｚ軸又は縦ずれは、パッドそれぞれの表面の間の１２５ｍｍの空気間隙で固定した。等高線図の範囲の尺度には０から１６．９μＴが用いられ、１６．９μＴは人工心臓ペースメーカの問題を防ぐために超えるべきではない磁界である。漏れプロファイルにおける変化を評価するために、一次側パッドは電圧が印加され、二次側パッドは開回路のままとした。図３９−図４２において、パッドは、各プロットの中心付近の水平の線として見られる。
【０１１１】
比較のために、図３９（ａ）は、図３０の先行技術のＤＤＱ二次側パッドと誘導結合された図２９の先行技術のＤＤ一次側パッドについての漏れ磁束を示している。すなわち、どちらのパッドも本発明の種々の実施形態の横断フェライトバー１１２ｂ、凹まされたコイル１１０，１１１、或いは低減された背面板１１３を備えていない。図３９（ｂ）は、図３２の実施形態に係る２重層ＤＤＱ二次側パッドと誘導結合された図３１の２重層ＤＤの実施形態に係る一次側パッドについての漏れ磁束を示している。図３９（ｃ）は、図３４の実施形態に係る２重層ＤＤＱ二次側パッドと誘導結合された図３３の２重層ＤＤの実施形態に係る一次側パッドについての漏れ磁束を示している。図３９（ｄ）は、実質的に図３２に示されたようなものであるがより幅広な横断フェライトバー１１２ｂを伴う２重層ＤＤＱ二次側パッドと誘導結合された図３６の４重層ＤＤの実施形態に係る一次側パッドについての漏れ磁束を示している。
【０１１２】
図３９の図表からは、図３９（ｂ）−図３９（ｄ）のパッドの組み合わせのそれぞれは、直前の図表に対して磁束漏れの改善をもたらすことが分かる。二次側パッドの中心の直ぐ後ろの８００ｍｍにおいて、図３９（ｂ）の磁束は、６１．６μＴであり、例えば図３９（ａ）についての８０．１μＴの磁束から２３．１％の減少である。図３９（ｃ）の実施形態については、磁束は５４．８μＴであり、３１．６％の減少である。
【０１１３】
図４０−図４２は、水平方向のｙ軸に沿った２００ｍｍの水平ずれを伴って（ｘ軸においてはずれがなく）、３つの異なる一次側および二次側パッドの組み合わせの磁束漏れをシミュレートした６つの等高線図を示している。これら３つの異なる一次側および二次側パッドの組み合わせのそれぞれについて、（ａ）ｙ軸を伴う平面における断面、および（ｂ）ｘ軸を伴う平面における断面が示されている。
【０１１４】
先ず図４０を参照すると、磁束漏れは、図３９（ａ）において用いられたものと同じ図２９および図３０の一次側および二次側パッドについて示されている。
【０１１５】
図４１は、図３９（ｂ）で用いられたものと同じ一次側および二次側パッドについての磁束漏れが示されている。すなわち、図３１のＤＤの実施形態に係る２重層一次側パッドが図３２の実施形態に係る２重層ＤＤＱ二次側パッドと誘導結合されている。
【０１１６】
図４２は、図３８に係る二次側パッド、および、図３７の３重層の実施形態に係る一次側パッドについての磁束漏れを示している。
【０１１７】
この場合にも、図４１および図４２に示されたような本発明の２つの実施形態は、図４０に対して改善された磁束漏れを表すことが分かる。これらの改善は、３つの構成それぞれについて中心からの様々な距離における磁束密度の比較を示す図４３のグラフに示されている。この図から分かるように、（図４３における最も下の軌跡を表す）図４２の実施形態の３重層は、結合されたパッドから離れた最も低い磁束密度（すなわち、最も少ない磁界漏れ）を有している。
【０１１８】
実際には、コア配置の設計は、必要な全体寸法のフェライトバーのコスト、および／又は、利用可能性によって少なくとも幾分かは影響されうる。例えば、１１６×３５×１０ｍｍ（長さ×幅×深さ）、１０９×１５×８ｍｍ、および９３×２８×１６ｍｍの標準寸法を有するフェライトバーのみが利用可能および／又は経済的でありうる。図３７のコアは、例えば、図４４に示された寸法のフェライトバーを用いて近似させることができ、この場合においてコアの図示された領域のそれぞれは、上述の寸法の１つにおける複数のフェライトバーを備えている。
【０１１９】
更に、一次側又は二次側パッドとして用いることができる他の磁束結合構成が図４５に示されている。この構成は、先に図２８に関して説明されたものと極めて類似している。この実施形態において、重複コイル１１０および１１１は、フェライト部分１１２ｂの近くでコイルの端部に積み重ねられている（すなわち、一方が他方の上方に重ねられた一巻部分を有している）。これは、図４５（ｂ）において最も良く分かる。この場合においても、部分１１２ｂは、上述したような機能を有する補助的な極領域を設ける。この構造は一次側パッド又は二次側パッドとして用いることができ、説明された他の実施形態と同じく、部分１１２ｂは積み重ねられたコイルの高さ又はその上のレベルに隆起および／又は凹まされてもよい。
【０１２０】
この発明が例として説明されるとともにそれらの可能性の有る実施形態に言及したが、発明の範囲を離れることなくそれらに加えて修正又は改善がなされうると解される。また、本発明は、本願の明細書において示されるか或いは言及された部分、要素、および特徴の２つ又はより多くのいずれか或いは全ての組み合わせにおいて、個別に又は集合的に、上記の部分、要素、および特徴に広く存在すると考えられうる。更に、均等物として知られた本発明の特定の構成要素又は完成品が参照された箇所において、そのような均等物は個々に説明されたものとして本明細書に組み込まれる。
【０１２１】
具体的には、本明細書において説明された本発明の実施形態の例が複数の伸長フェライトバーを備えるコアを有する一方で、本発明は、それらに限定されず、例えば、その代わりに非鉄磁気透過性材料および／又は磁気透過材料の実質的に平面であるシートを備えてもよい。シートは伸長フェライトバーよりも実質的に薄くてもよく、これにより低プロファイルの磁束結合装置がもたらされ、少なくともいくつかの応用においてはこの理由のために好まれうる。また、シートコアは、コイル１０ｂ，１１ｂの端部領域に隣接するコアの各端部における突出領域の形式の横断バーを備えてもよく、これらの領域はコアにおけるリップを同様に設けるものであってもよい。
【０１２２】
いくつかの実施形態において、コイル１０，１１は、端部領域１０ｂ，１１ｂのみだけでなくその全ての周辺について複数の層を備えてもよい。しかしながら、端部領域は、横断フェライトバー１２ｂを考慮してコイルの他の領域に対して端部領域１０ｂ，１１ｂの幅を低減するためにコア内へ凹まされた少なくとも１つの付加的な層を好ましくは備えている。コイルそれぞれの巻線が複数の層に好ましくは等しく分割され、互いの上に直接積み重ねられている一方で、これらの特徴は本発明にとって本質的ではなく、他の実施形態において、１又は複数の層は異なる数の巻線をそれぞれが備えてもよく、および／又は、巻線の少なくとも１つの隣接する層に対してずらして配置されるか或いはオフセットされてもよい。
【０１２３】
また、本発明の種々の実施形態は、例えば、衝撃、破片、又は短絡による損傷からコイル、コア、および／又は背面板を守るためにカバーが設けられてもよい。カバーは、横断フェライトバー１２ｂに隣接し、そこから上に向けて突出してコイルを反対側に横切ってもよい。カバーは、好ましくは、電力の伝送を妨害しないようにプラスチックなどの非磁性材料から実質的に構成されるが、少なくともいくつかの実施形態においては、装置の後方および／又は側部への磁束漏れをより改善するために、コアに或いはコアに隣接して、磁束をコア１２に向かわせる磁気透過性材料を備えてもよい。
【０１２４】
本発明の種々の実施形態において、コアのリップは、コイル１０，１１の少なくとも１つの層を受けるコアにおける凹部を越えて上方に；、コイル１０，１１の上面と同一面に位置するようにコイル１０，１１の上面に；、或いは、磁束をコアに入るように更に促すためにコイルの上面を越えて突出して延びている。
【０１２５】
さらに、本発明は、本明細書で示されたＤＤ又はＤＤＱコイル構成を備える応用に限定されず、一対の重なったコイルを備える少なくとも双極性パッド（ＢＰＰ）構成を含む如何なる他のコイル構成における応用を有してもよい。
【０１２６】
前述の内容から、一次側および／又は二次側パッドの後方および／又は側部への磁束漏れの低減されたレベルを伴った電力の無線伝送を可能とする磁束結合ＩＰＴ装置が提供されることが分かるだろう。
【０１２７】
文脈が明確に示している場合を除き、説明全体を通して、“含む”、“備えている”、“備える”などの言葉は、排他的又は網羅的な意味とは反対の包括的な意味、すなわち“含むが、限定されず”の意味に解釈されるものである。
【０１２８】
明細書全体を通して先行技術の考察は、そのような先行技術が広く知られているか或いはその分野における共通の一般知識の一部を形成することの了解と決してみなされるべきではない。
【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（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図９（ｃ）】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３（ａ）】
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【図１３（ｂ）】
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【図１４】
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【図１５（ａ）】
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【図１５（ｂ）】
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【図１６（ａ）】
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【図１６（ｂ）】
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【図１７（ａ）】
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【図１７（ｂ）】
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【図１８（ａ）】
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【図１８（ｂ）】
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【図１９（ａ）】
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【図１９（ｂ）】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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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２６（ｅ）】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１（ａ）】
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【図３１（ｂ）】
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【図３２（ａ）】
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【図３２（ｂ）】
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【図３３（ａ）】
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【図３３（ｂ）】
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【図３４（ａ）】
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【図３４（ｂ）】
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【図３５（ａ）】
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【図３５（ｂ）】
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【図３６（ａ）】
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【図３６（ｂ）】
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【図３７（ａ）】
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【図３７（ｂ）】
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【図３８（ａ）】
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【図３８（ｂ）】
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【図３８（ｃ）】
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【図３９（ａ）】
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【図３９（ｂ）】
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【図３９（ｃ）】
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【図３９（ｄ）】
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【図４０（ａ）】
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【図４０（ｂ）】
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【図４１（ａ）】
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【図４１（ｂ）】
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【図４２（ａ）】
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【図４２（ｂ）】
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【図４３】
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【図４４（ａ）】
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【図４４（ｂ）】
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【図４５（ａ）】
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【図４５（ｂ）】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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