(57)【要約】磁束結合領域において磁気結合磁束を生成しまたは受け取るように構成され、第１層に配置された第１のコイル（１５）、および第２のコイル（１６）を含む誘導電力伝送磁束結合装置。第２のコイルの少なくとも一部は第２層に配置され、第１のコイルによる磁束を反射する磁束を生成するように構成される。【選択図】図５（ｇ）【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁束結合領域において磁気結合磁束を生成するか、または受け取るように構成され、第１層に配置された少なくとも１ターンの第１のコイルと、
前記第１のコイルによる磁束に対向する磁束を生成するように構成され、少なくとも一部が第２層に配置された少なくとも１ターンの第２のコイルと
を備える誘導電力伝送磁束結合装置。
【請求項２】
前記第２のコイルによって生成された前記磁束は、前記磁場を前記磁束結合領域内に形作る、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２のコイルによって生成された前記磁束は、前記磁束結合領域の外側における漏洩磁束を低減する、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記磁束結合領域は、前記第１のコイルの片面である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記第２のコイルは、前記磁束結合領域とは反対側の前記第１のコイルの面に設けられる、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第２のコイルによって生成された前記磁束は、前記磁束結合領域とは反対側の前記装置の面における磁束を低減する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記第２のコイルは、前記第１のコイルよりも少ないターンを有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記第２のコイルは短絡されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記第２のコイルは、前記第１のコイルとは別に駆動される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２のコイルは、前記第１のコイルに接続されるが前記第１のコイルとは逆方向に巻き上げられる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２のコイルは、前記第１のコイルよりも少ないアンペアターンを有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１または前記第２のコイルによる前記磁束に対向する磁束を生成するように構成された、少なくとも１ターンの第３のコイルを更に含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１、前記第２、または前記第３のコイルは環形状を備える、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記環形状は、円形、長方形、または正方形の１つを備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
本発明の他の態様において広範に提供される、誘導電力伝送のための磁束を生成する方法であって、
第１のコイルを用いて磁束を生成し、磁気結合磁束を供給することと、
第２のコイルを用いて、前記第１のコイルによって生成される前記磁束に対向する磁束を生成することにより、電力伝送のために使用可能な前記磁束を制御することと
を備える方法。
【請求項１６】
前記第２のコイルは、前記第１のコイルによる磁束を磁束結合領域内に方向付けるために用いられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１および第２のコイルの相対位置を調整することを更に備える、請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記磁束結合領域を拡張するために中間コイルを設けることを更に備える、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
誘導電力伝送のための装置であって、各々が少なくとも１つのコイルを備える複数の隣接する電力伝送モジュールを備え、モジュール内の前記コイルは、そのモジュールから誘導電力伝送のための磁場を供給するために通電されてよく、隣接するモジュール内の１つまたは複数のコイルは、それらのモジュール間に延出する誘導電力伝送のための磁場を供給するために通電されてよい、装置。
【請求項２０】
前記モジュールは横並びに配置される、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記コイルは、誘導的に電力を受け取るように適合された可動物の存在に依存して通電される、請求項１９または２０に記載の装置。
【請求項２２】
１つまたは複数のモジュールによる前記磁場を形作るための反射コイルを備える、請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
可動物への誘導電力伝送のための方法であって、前記可動物への誘導電力伝送のための磁場を供給するために、選択的に、モジュール内の複数のコイルに通電するか、または、隣接するモジュール内の少なくとも１つのコイルに通電することを備える方法。
【請求項２４】
第１の反射コイルを用いて、誘導電力伝送のための前記磁場を形作ることを備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
第２の反射コイルを用いて、誘導電力伝送のための前記磁場を形作ることを更に備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
磁束結合領域において磁気結合磁束を生成するか、または受け取るように構成された、少なくとも１ターンの第１のコイルと、
前記第１のコイルから生じる磁束を反射するように構成された、少なくとも１ターンの第２のコイルと
を備える誘導電力伝送磁束結合装置。
【請求項２７】
磁束結合領域において磁気結合磁束を生成するか、または受け取るように構成された第１のコイルと、
前記第１のコイルから生じる磁束を反射するように構成された、少なくとも１ターンの第２のコイルと、
前記第１のコイルによって生成されるか、または受け取られる前記磁束を拡張するように構成された第３のコイルと
を備える誘導電力伝送磁束結合装置。
【請求項２８】
前記第２のコイルによって生成された前記磁束は、前記磁場を前記磁束結合領域内に形作る、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記第２のコイルによって生成された前記磁束は、前記磁束結合領域の外側における漏洩磁束を低減する、請求項２７または２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記第３のコイルは２つのコイルを備える、請求項２７〜２９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３１】
前記２つのコイル間にはわずかな相互結合しか存在しない、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記２つのコイルは結合される、請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
前記２つのコイルは位相関係に配置される、請求項３０に記載の装置。
【請求項３４】
無線電力伝送のための磁場を拡張するための装置であって、選択された動作周波数またはその付近で共振するように同調された複数のコイルを備える装置。
【請求項３５】
前記コイルは層状に配置される、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記コイル間にはわずかな相互結合しか存在しない、請求項３４または３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記コイルは結合される、請求項３４または３５に記載の装置。
【請求項３８】
前記コイルは位相関係で動作するように構成される、請求項３４〜３７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３９】
磁束結合領域において磁気結合磁束を生成するか、または受け取るように構成され、第１層に配置された第１のコイルおよび第２のコイルと、
前記第１のコイルまたは前記第２のコイルによる前記磁束に対向する磁束を生成するように構成され、少なくとも一部が第２層に配置された第３のコイルと
を備える誘導電力伝送磁束結合装置。
【請求項４０】
前記第３のコイルによって生成される前記磁束は、前記磁場を前記磁束結合領域内に形作る、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記第３のコイルによって生成される前記磁束は、前記磁束結合領域の外側における漏洩磁束を低減する、請求項３９または４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記磁束結合領域は、前記第１層の片面である、請求項３９〜４１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４３】
前記第３のコイルは、前記磁束結合領域と反対側の前記第１層の面に設けられる、請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記第１および第２のコイルの間にはわずかな相互結合しか存在しない、請求項３９〜４３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４５】
前記第１および第２のコイルは結合される、請求項３９〜４３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４６】
前記装置は透磁性材料を含む、請求項３９〜４５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４７】
請求項１〜１４、１９〜２２、または２６〜４６のいずれか１項に記載の装置を備える道路。
【請求項４８】
請求項１〜１４、１９〜２２、または２６〜４６のいずれか１項に記載の装置を備える車両。
【請求項４９】
請求項１〜１４、１９〜２２、または２６〜４６のいずれか１項に記載の装置を備えるパーソナル電子デバイス。
【請求項５０】
請求項１〜１４、１９〜２２、または２６〜４６のいずれか１項に記載の装置を備える充電デバイス。
【請求項５１】
電子部品を実装するための基板であって、
磁束結合領域において磁気結合磁束を生成するか、または受け取るように構成され、第１層に配置された第１のコイルと、
前記第１のコイルによる前記磁束に対向する磁束を生成するように構成され、少なくとも一部が第２層に配置された少なくとも１ターンの第２のコイルと
を備える基板。
【請求項５２】
前記第２のコイルは、前記第１のコイルよりも少ないターンを有する、請求項５１に記載の装置。
【請求項５３】
前記第２のコイルは短絡されている、請求項５１または５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記第２のコイルは、前記第１のコイルとは別に駆動される、請求項５１または５２に記載の装置。
【請求項５５】
前記第２のコイルは、前記第１のコイルに接続されるが前記第１のコイルとは逆方向に巻き上げられる、請求項５１または５２に記載の装置。
【請求項５６】
前記第１のコイルは、前記第２のコイルのアンペアターンの３倍を超えるアンペアターンを有する、請求項１５〜５５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５７】
本明細書に開示される任意の新規特徴または特徴の組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力エネルギー源から磁束を生成し、または電力エネルギー源を供給するために磁束を受け取るための装置に関する。１つのアプリケーションにおいて、本発明は、誘導電力伝送（ＩＰＴ）、すなわち無線電力伝送アプリケーションのための磁束結合構造を提供する。そのようなアプリケーションは、静的および動的な電動車両の充電、およびたとえばモバイル通信デバイスなど低電力アプリケーションを含んでよい。
【背景技術】
【０００２】
ＩＰＴシステムは、国際公開特許公報ＷＯ２０１１／０１６７３６号において、一般的に、および特に電力供給車道アプリケーションに関して説明される。この公報で説明されるシステムにおいて、パッドからパッドへのＩＰＴ送電方法が用いられる。パッドは、送電器および受電器のサイズを可能な限り小さく維持しつつ必要な電力を伝送するために、これらのデバイスの両方にたとえばフェライトなどの透磁性材料を含む。ＩＰＴ車道アプリケーションのための適切なパッドの特定の構造は、ＩＰＴ磁束送信機または受信機を含む国際特許公報ＷＯ２０１０／０９０５３９号において説明され、その文中で（かつ本明細書においても）「ダブルＤ」パッド設計と称される。ダブルＤパッド設計は優れた性能を有し、その設計に従って構成されたパッド構成は、２５〜３０ｍｍ未満の厚さに作られ得るので、たとえば車両充電アプリケーションで用いられる場合、受電パッドは車両の下でほとんど場所を取らない。同様に、ダブルＤ設計に係る送電パッドは、充電を目的としてたとえば車庫の床上または床内部に設置されるのに十分なほど薄く作られ得る。
【０００３】
ダブルＤ設計および他の多数のパッド構造は、必要な磁束を生成するために、たとえばフェライトなどの透磁性材料を用いる。フェライトは、脆性かつ高価であることを含む欠点を有する。特に、車両および車道環境において、フェライトは損傷し易い。車道環境に設置される場合、たとえば４０〜５０トントラックなどの車両が継続的に上を走行することに耐え得るＩＰＴ磁束結合装置を開発する必要がある。また、フェライトの欠点は、たとえば携帯電話など他の装置を充電する他のアプリケーションにも及ぶ。たとえばフェライトなどの材質を低減することにより、コストが抑えられ、頑健性が増し、スペースの節約になる。
【０００４】
国際特許公報ＷＯ２０１３／０６２４２７号は、いくつかの分極フェライトレス磁束結合構造を開示する。図１は、ＷＯ２０１３／０６２４２７号を元にした図を示し、中央コイル２および端コイル３および４を有する磁束結合構造１の実施形態を通る断面図である。装置は、構造の片面における磁束結合領域５内での結合のために使用可能な磁束を生成するために、主に片面にある磁場を生成する。コイル２〜４が通電されると生成される磁束を表すように磁力線が示される。磁力線の密度は、磁場の大きさに比例する。磁力線６は、結合磁束、すなわち、時間変化する磁場によって電力を伝送するために他の磁気構造と結合することが主に意図された磁束を表す。しかし磁力線７は、結合電力に寄与せず、漏洩磁束を構成する。
【０００５】
特にフェライトがない場合、最小限の漏洩磁束を伴う結合磁束の効率的な最大化は、進行中の問題である。低コストで頑丈であり、かつ効率性および安全性の両方の理由のために磁束結合装置によって生成される磁場が制御または成形されることができる解決策を提供する必要が現在進行中で存在する。車両アプリケーションにおいて、この問題は、車道と車両との間にある大幅な変動するエアギャップを介して効率的かつ安全に電力を無線伝送することにも関する。
【０００６】
本明細書を通して従来技術の説明はいずれも、そのような従来技術が周知されており、技術分野における共通一般知識の一部を成すということを認めるものとして考慮されるべきではない。上記で参照した文書の開示は全て、参照によって本明細書に組み込まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、既存の構造の１つまたは複数の欠点を克服する誘導電力伝送磁束結合装置またはモジュール、または無線または誘導電力伝送の方法を提供することである。あるいは、本発明の目的は、少なくとも有用な選択肢を公衆に提供することである。
【０００８】
本発明の更なる目的は、以下の説明によって明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１つの態様において、本発明は、磁束結合領域において磁気結合磁束を生成しまたは受け取るように構成され、第１層に配置される少なくとも１ターンの第１のコイルと、第１のコイルによる磁束に対向する磁束を生成するように構成され、少なくとも一部が第２層に配置される少なくとも１ターンの第２のコイルとを備える誘導電力伝送磁束結合装置を提供する。
【００１０】
第２のコイルによって生成される磁束は、磁場を磁束結合領域内に形作り、または磁束結合領域外の漏洩磁束を低減することができる。
【００１１】
好適には、磁束結合領域は第１のコイルの一方の面である。
【００１２】
１つの実施形態において、第２のコイルは、第１のコイルの磁束結合領域と反対側の面に設けられる。
【００１３】
第２のコイルによって生成される磁束は、装置の磁束結合領域と反対側の面における磁束を低減することができる。
【００１４】
１つの実施形態において、第２のコイルは、第１のコイルよりも少ないターンを有する。
【００１５】
第２のコイルは、短絡、すなわち受動型であってよい。他の実施形態において、第２のコイルは、第１のコイルとは別に駆動される。
【００１６】
好適には、第２のコイルは第１のコイルに接続されるが、第１のコイルと逆方向に巻き上げられる。第２のコイルは、第１のコイルよりも少ないアンペアターンを有してよい。
【００１７】
１つの実施形態において、第１または第２のコイルによる磁束に対向する磁束を生成するように構成された、少なくとも１ターンの第３のコイルが設けられる。
【００１８】
他の態様において、本発明は、装置の第１の面の向こう側にある磁束結合領域において磁束を生成しまたは受け取るように構成され、装置の第１の面に隣接して平面に配置される少なくとも１ターンの第１のコイルを有する第１の磁気構造と、第１のコイルによる磁束に対向する磁束を生成するように構成された導電素子を備える第２の磁気構造とを備える誘導電力伝送磁束結合装置を広範に提供する。
【００１９】
好適には、第１のコイルは、第１の面と導電素子の少なくとも一部との間に配置される。
【００２０】
好適には、装置は、第１の面と反対側の第２の面を有し、第１および第２のコイルは、第１の面と第２の面との間に設けられ、第２の磁気構造によって生成される対向磁束は、装置の第２の面またはその向こう側の磁束を実質的に低減する。
【００２１】
１つの実施形態において、導電素子の一部は、第１のコイルが配置される平面と交差してよい。
【００２２】
１つの実施形態において、導電素子の１つまたは複数の部分は、導電素子の他の１つまたは複数の部分よりも第１のコイルに近く位置する。
【００２３】
１つの実施形態において、第１のコイルおよび導電素子は、２つの側部および２つの端部を有する形状であり、導電素子は、導電素子と第１のコイルとの側部が、導電素子と第１のコイルとの端部よりも互いに近くなるように構成される。
【００２４】
１つの実施形態において、第２の磁気構造は、第１の磁気構造に電気的に接続される。
【００２５】
好適には、導電素子は、少なくとも１ターンを有する第２のコイルを備える。
【００２６】
好適には、第２のコイルは、第１のコイルよりも少ないアンペアターンを有するように構成される。
【００２７】
好適には、第２のコイルは、第１のコイルのほぼ半分のアンペアターンを有する。
【００２８】
好適には、第２のコイルは受動型である。
【００２９】
好適には、第２のコイルは短絡回路を備える。
【００３０】
好適には、第２のコイルは平面コイルを備える。
【００３１】
好適には、第２のコイルは、第１のコイルの平面とほぼ平行かつ間隔を有する平面にある。
【００３２】
好適には、第１および第２のコイルはほぼ同軸上にある。
【００３３】
１つの実施形態において、第２のコイルは、短絡回路を備え、第１のコイルの１つの領域から第２のコイルに十分な電流が誘導され第１のコイルの他の領域において第２のコイルによる磁束の制御またはキャンセルが可能であるような第１のコイルに対する位置および形状を有する。
【００３４】
他の実施形態において、第２のコイルは、第１のコイルに電気的に接続され、第１のコイルの１つまたは複数の選択された領域に関連する磁束の制御またはキャンセルが可能であるような第１のコイルに対する位置および形状を有する。
【００３５】
１つの実施形態において、第２の構造は、能動導体および受動導体の両方を含んでよい。この構造は、必要な磁束パターンを供給するために十分な電流が受動導体に誘導されるように互いに対して配置されてよい。
【００３６】
他の態様において、本発明は、装置の第１の面の向こう側にある磁束結合領域において磁束を生成しまたは受け取るように構成され、装置の第１の面に隣接して平面に配置された、各々が少なくとも１ターンを有する１つまたは複数のコイルを備える第１の磁気構造と、第１の磁気構造のコイルによる磁束に対向する磁束を生成するように構成された、各々が少なくとも１ターンを有する複数のコイルを備える第２の磁気構造とを備え、第１の磁気構造は、第２の磁気構造と第１の面との間に配置される、誘導電力伝送磁束結合装置を広範に提供する。
【００３７】
好適には、第２の構造におけるコイルは、ソレノイドコイルを備える。
【００３８】
あるいは、各構造におけるコイルは、平面コイルを備える。
【００３９】
好適には、第１および第２の構造の各々は、２つ以上の同一平面コイルを備える。
【００４０】
好適には、同一平面コイルは、実質的に互いに減結合される。
【００４１】
他の態様において、本発明は、誘導電力伝送のための磁束を生成する方法を提供し、方法は、平面コイルを備える第１の磁気構造を用いて磁束を生成し、電力伝送領域内に磁界を供給することと、第１の磁気構造よりも電力伝送領域から離れた位置にある第２の磁気構造を用いて、第１の磁気構造によって生成される磁束に対向する磁束を生成することにより、電力伝送のために使用可能な磁束を制御することとを備える。
【００４２】
他の態様において、本発明は、誘導電力伝送のための磁界を生成しまたは受け取るための適切な誘導電力伝送装置を広範に提供し、装置は、第１および第２の端部を有する中央コイルと、２つの平面端部コイルとを備え、中央コイルの両端にまたは両端に隣接して１つの端部コイルが設けられており、コイルは、通電されると、端部コイルが中央コイルを通る磁束をガイドし、誘導電力伝送のために装置の向こう側にアーチ型磁束パターンを供給するように動作可能である。
【００４３】
他の態様において、本発明は、装置の第１の面において誘導電力伝送のための磁界を生成しまたは受け取るための適切な誘導電力伝送装置を広範に提供し、装置は、第１の面から離れるほど隣接するターンの間隔が広くなる、第１および第２の端部を有する第１の面にほぼ平行な中央ソレノイドコイルと、２つの端部コイルとを備え、中央コイルの両端にまたは両端に隣接して１つの端部コイルが設けられており、コイルは、通電されると、装置の第１の面において誘導電力伝送のためのアーチ形磁束パターンが使用可能であるように動作可能である。
【００４４】
他の態様において、本発明は、装置の第１の面において誘導電力伝送のための磁界を生成しまたは受け取るための適切な誘導電力伝送装置を広範に提供し、装置は、第１の面に垂直な平面における中央コイルの中央軸を通る断面がほぼ台形である、第１および第２の端部を有する第１の面にほぼ平行な中央ソレノイドコイルと、２つの端部コイルとを備え、中央コイルの両端にまたは両端に隣接して１つの端部コイルが設けられており、コイルは、通電されると、装置の第１の面において誘導電力伝送のためのアーチ形磁束パターンがあるように動作可能である。
【００４５】
他の態様において、本発明は、複数の隣接する電力伝送モジュールを備える誘導電力伝送のための装置を広範に提供し、各モジュールは、少なくとも１つのコイルを備え、モジュール内のコイルは、そのモジュールによる誘導電力伝送のための磁界を供給するために通電されてよく、隣接するモジュール内の１つまたは複数のコイルは、それらのモジュール間に延出する誘導電力伝送のための磁界を供給するために通電されてよい。
【００４６】
他の態様において、本発明は、誘導電力伝送のための装置を広範に提供し、装置は、複数の隣接する電力伝送モジュールを備え、各モジュールは複数のコイルを備え、モジュール内の複数のコイルは、そのモジュールによる誘導電力伝送のための磁界を供給するために通電されてよく、隣接するモジュール内の１つまたは複数のコイルは、それらのモジュール間に延出する誘導電力伝送のための磁界を供給するために通電されてよい。
【００４７】
好適には、モジュールは横並びに配置される。
【００４８】
好適には、コイルは、誘導的に電力を受け取るように適合された可動物の存在に依存して通電される。
【００４９】
他の実施形態において、コイルは、誘導的に電力を受け取るように適合された可動物の特性に依存して通電される。
【００５０】
他の実施形態において、装置は、選択的にコイルに通電するための制御手段を含む。装置はまた、１つまたは複数の電源も含んでよい。
【００５１】
１つの実施形態において、モジュールは、たとえば床または車道など車両が移動し得る表面に隣接して、またはその内部に設けられる。
【００５２】
１つの実施形態において、モジュールの１つまたは複数は、上記のいずれかに記載したような誘導電力伝送装置を備える。
【００５３】
１つの実施形態において、隣接するモジュール内のコイルが通電される場合に隣接するモジュール間の磁束経路を円滑にするために、透磁性材料がモジュールと関連してよい。
【００５４】
他の態様において、本発明は、可動物への誘導電力伝送のための方法を広範に提供し、方法は、可動物への誘導電力伝送のための磁界を供給するために、モジュール内の複数のコイルのいずれかに選択的に通電すること、または隣接するモジュール内の少なくとも１つのコイルに通電することを備える。
【００５５】
他の態様において、本発明は、装置の第１の面の向こう側にある磁束結合領域において磁束を生成しまたは受け取るように構成され、装置の第１の面に隣接する２つの同一平面コイルを有する第１の磁気構造と、第１のコイルにおける磁束に対向する磁束を生成するように構成された２つの同一平面コイルを備える第２の磁気構造とを備える誘導電力伝送磁束結合装置を広範に提供する。好適には、第１の構造は、磁束結合領域と第２の構造との間に配置される。
【００５６】
１つの実施形態において、第１および第２の構造は、互いに対して移動可能である。
【００５７】
追加の実施形態において、１つまたは複数のパラメータに依存して第１および第２の構造の相対位置を制御するために制御手段が設けられる。１つの実施形態において、パラメータは、必要な電力伝送の大きさ、電力伝送の効率、必要な磁界形状の１つまたは複数を備える。
【００５８】
１つの実施形態において、第１の構造のコイルは、第２の構造におけるコイルに対して１より大きいターン比を有する。
【００５９】
１つの実施形態において、構造はフェライトレスである。１つの実施形態において、第１の磁気構造および第２の磁気構造は、たとえばＰＣＢまたはＰＣＢ材料などの非透磁性基板の対向する面に設けられる。
【００６０】
他の態様において、本発明は、磁束結合領域において磁気結合磁束を生成しまたは受け取るように構成された少なくとも１ターンの第１のコイルと、第１のコイルによって生じる磁束を反射するように構成された少なくとも１ターンの第２のコイルとを備える誘導電力伝送磁束結合装置を提供する。
【００６１】
他の態様において、本発明は、磁束結合領域において磁気結合磁束を生成しまたは受け取るように構成された第１のコイルと、第１のコイルによって生じる磁束を反射するように構成された少なくとも１ターンの第２のコイルと、第１のコイルによって生成されまたは受け取られる磁束を拡張するように構成された第３のコイルとを備える誘導電力伝送磁束結合装置を提供する。
【００６２】
第２のコイルによって生成される磁束は、磁界を磁束結合領域内に形作り、または磁束結合領域外の漏洩磁束を低減し得る。
【００６３】
第３のコイルは２つのコイルを備えてよく、２つのコイル間には最小限の相互結合しか存在しない。
【００６４】
あるいは、２つのコイルは結合される。２つのコイルは、位相関係に配置されてよい。
【００６５】
他の態様において、本発明は、無線電力伝送のための磁界を延出するための装置を提供し、装置は、選択された動作周波数またはその付近で同調された複数のコイルを備える。
【００６６】
コイルは層状に配置されてよく、１つの実施形態において、コイル間には最小限の相互結合しか存在しない。あるいは、コイルは結合される。コイルは、位相関係で動作するように構成されてよい。
【００６７】
他の態様において、本発明は、磁束結合領域において磁束を生成しまたは受け取るように構成され、第１層に配置された第１のコイルおよび第２のコイルと、第１のコイルまたは第２のコイルによる磁束に対向する磁束を生成するように構成され、少なくとも一部が第２層に配置された第３のコイルとを備える誘導電力伝送磁束結合装置を提供する。
【００６８】
第３のコイルによって生成される磁束は、磁界を磁束結合領域内に形作る。
【００６９】
１つの実施形態において、装置は、透磁性材料を含んでよい。
【００７０】
他の態様において、本発明は、上記のいずれかに係る装置を備える車道、車両、パーソナル電子デバイス、または充電デバイスを提供する。
【００７１】
他の態様において、本発明は、電子部品を取り付けるための基板を提供し、基板は、磁束結合領域において磁気結合磁束を生成しまたは受け取るように構成され、第１層に配置された第１のコイルと、第１のコイルによる磁束に対向する磁束を生成するように構成され、少なくとも一部が第２層に配置された少なくとも１ターンの第２のコイルとを備える。
【００７２】
１つの実施形態において、第２のコイルは、第１のコイルよりも少ないターンを有する。第２のコイルは短絡であってよい。
【００７３】
他の実施形態において、第２のコイルは、第１のコイルとは別に駆動される。
【００７４】
第１のコイルは、第２のコイルのアンペアターンの３倍を超えるアンペアターンを有してよい。
【００７５】
他の態様において、本発明は、添付図面に示す任意の実施形態を参照して実質的に本明細書で説明されるような装置を提供する。
【００７６】
他の態様において、本発明は、本明細書に開示される任意の新規特徴、または特徴の新規組み合わせに広範に存在する。
【００７７】
本発明の他の態様は、以下の説明によって明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】既知の磁束結合装置の断面図である。
【図２】新規の磁束結合装置の等角図である。
【図３】図２の装置の分解図である。
【図４】図２に示す装置の中間部を通る垂直面における断面で示される模擬磁束パターンである。
【図５（ａ）】新規の磁束結合装置の側面図である。
【図５（ｂ）】図５（ａ）の等角図である。
【図５（ｃ）】図５（ａ）に示す装置の中間部を通る垂直面における断面で示される模擬磁束パターンである。
【図５（ｄ）】他の新規の磁束結合装置の斜視図である。
【図５（ｅ）】図５（ｄ）の装置の断面図である側面図である。
【図５（ｆ）】図５（ｅ）の再配置である。
【図５（ｇ）】他の新規の結合装置の斜視図である。
【図６】コイル位置決め装置を有する図５（ｇ）の装置の斜視図である。
【図７（ａ）】図５（ｇ）に示す装置の中間部を通る垂直面における断面で示される模擬磁束パターンであるが、異なるアンペアターンを有する。
【図７（ｂ）】図５（ｇ）に示す装置の中間部を通る垂直面における断面で示される模擬磁束パターンであるが、異なるアンペアターンを有する。
【図７（ｃ）】追加の形式または磁束結合装置の図である。
【図７（ｄ）】追加の形式または磁束結合装置の図である。
【図７（ｅ）】８０ｍｍ〜１８０ｍｍの高さ間隔で中央にある場合および位置ずれした場合の様々な間隔における、２８０ｍｍ（符号Ｓ１）および３５０ｍｍ（符号Ｓ２）の公称径を有するフェライトバッキングを備える２つの２次正方形コイルに電力を結合する７００ｍｍ径の１次円形フェライトレス結合器に関する変位に対する結合係数のプロットである。
【図７（ｆ）】８０ｍｍ〜１８０ｍｍの高さ間隔で中央にある場合および位置ずれした場合の様々な間隔における、２８０ｍｍ（符号Ｓ１）および３５０ｍｍ（符号Ｓ２）の公称径を有するフェライトバッキングを備える２つの２次正方形コイルに電力を結合する７００ｍｍ径の１次円形フェライトレス結合器に関する変位に対する結合係数のプロットである。
【図８】第２の磁気構造を下に有する双極パッドを示す斜視図である。
【図９】横並びに配置された図８に係る２つの双極パッド構成を示す。
【図１０（ａ）】無極性１次パッドの上にもたらされた、無極性２次ピックアップパッドを有する車両を示す。
【図１０（ｂ）】双極着磁した１次パッドによって生成された磁場と結合し、またはそれを受け取ることができる２次パッドを有する車両を示す。
【図１０（ｃ）】分極磁場と結合することができる２次パッドを有する、２つの１次パッドにわたる車両を示す。
【図１０（ｄ）】図１０（ｃ）と同様の構造を示すが、１次パッドの極が互いにより遠くに離され、磁場は２つの単極１次パッドによって生成される。
【図１０（ｅ）】各々が異なる極を生成するように通電される車道内の２つの双極パッドを示す。
【図１１】平面１次巻線およびキャンセルコイルの模式図である。
【図１２】横並びの関係で２つのコイルを設けるように繰り返された図１１の構成を示す。
【図１３】磁束パターンを示す、１２を通る断面を示す。
【図１４】図１１の構成に関して異なる形状のキャンセル巻線またはコイルを示す。
【図１５】横並びに配置された図１４に係る２つの巻線構成を通る断面における磁束プロットを示す。
【図１６】追加のキャンセル巻線を有する双極コイル構成の等角図を示す。
【図１７】第１の平面コイルを有するとともに２つのキャンセルコイル構成を有するまた別の形状のパッド構造および双極パッド構成を備える２次パッドの等角図を示す。
【図１８】図１７に示す１次パッドとピックアップパッドとの間の水平面における断面で示される模擬磁束パターンを示す。
【図１９】長手方向における図１７の構成の中間部を通る垂直面で示される模擬磁束パターンの断面を示す。
【図２０】図１７を通る横方向の垂直面における断面を通して模擬磁束パターンを示す。
【図２１】２つのパッド構成にわたるように上方にピックアップパッドが位置する、横並びに配置された２つの図１７の構成を示す。
【図２２】図２１に示す構成の長手方向軸に沿った垂直面における断面で示される模擬磁束パターンである。
【図２３】他の形状の磁束結合装置の側面図である。
【図２４】図２３の装置の等角図である。
【図２７】本発明の１つの実施形態に係る、断面磁束プロット（ｂ）に示す片面磁束パターンを有するＤＤフェライトレス構造（ａ）を示す。
【図２８】図２７の構造の長手方向軸に沿った垂直断面における磁束プロットである。
【図２９】本発明の１つの実施形態に係る片面フェライトレスＤＤＱパッドの等角図を示す。
【図３０】前後に磁場を有する、示される電流の方向によって電力供給される既知の単相トラック（ａ）を示す。
【図３１】本発明の実施形態に係る、トラックの下ではなく上のみに磁場を実現するように上部コイルにおいてより大きいＮＩ比（通常３：１）を有する、提案されたリバースコイルを用いる単相トラック構造を示す。
【図３２（ａ）】２面磁場を有する既知の２相減結合トラック構造を示す。
【図３２（ｂ）】提案された逆向きコイルを用いてトラック構造の下ではなく上のみに磁場を実現する、改良された２相トラック構造を示す。
【図３２（ｃ）】通電された複数の２相トラック部分を用いた長トラック接続を示す。
【図３２（ｄ）】本発明の実施形態に係る３相トラック構造を示す。
【図３３】本発明の実施形態に係る３相パッド構造の等角図を示す。
【図３４】本発明の実施形態に係るコイル構成を有するＰＣＢを通る断面を示す。
【図３５】本発明の他の実施形態に係るコイルを有するＰＣＢを通る断面を示す。
【図３６】コイルを含む構造の一部を通る断面図であり、磁束結合構造が引き込まれた位置にある場合を示す。
【図３７】図３６の別の図であり、装置が引き出された位置にある。
【図３８】開示された実施形態に係る１次、中間、および２次構造の断面図である。
【図３９】開示された他の実施形態に係る１次、中間、および２次構造の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００７９】
以下で説明される誘導電力伝送装置はパッド形状で提供されてよく、他の形状で提供されることもできるが、便宜性のために本明細書においてはパッドまたは電力伝送モジュールと称される。これら新規のパッドはフェライトを有さずともよく、少なくとも１つの実施形態においてはフェライトが全く存在しない。その結果、パッドの構造は、現在知られているものとは全く異なり得る。新規のパッドは、コンクリート、またはたとえばプラスティック、石、または強靭なセラミック材料など他の好適に頑丈な非磁気材料、およびたとえばリッツ線など適切な導体を用いて簡単に作られ得る。パッドは、特にコンクリートで作られる場合、非常に重く有利でありながら現地で簡単な製造工程で組み立てることができるという理由から、車道での誘導電力伝送アプリケーションに適している。
【００８０】
本開示において、新規のフェライトレス構造は、無極性磁束構造であってよいことが提案され、または２相または３相磁界および関連する磁束経路を生成するように開発され、それらは、通電コイルの適切な配置によって、所望により構造の片面を主に占めるように磁束を形作る。第１のコイルは、結合磁束、すなわち時間変化する磁場によって電力を伝送するために他の磁気構造と結合することを主に目的とした磁束を生成し、または受け取るために用いられる。第２のコイルは、第１のコイルによって生成され、または受け取られた磁束を制御するように第１のコイルに対して配置される。第２のコイルは、第１のコイルによって生成され、または受け取られた磁界を制御するように第１のコイルに対して配置され得る。特に、第２のコイルは、第１のコイルによる漏洩磁束を低減するために用いられてよい。第２のコイルはまた、たとえば効率性を目的として結合磁束を形作るように第１のコイルに対して配置され、または装置が結合する、あるいは結合しようとする磁束結合構造に依存して配置されてもよい。
【００８１】
新規の磁気構造の第１の実施形態を説明するために、図２および３は、上部すなわち上面１０にＮターンを有する第１の円形コイル１２を備えるフェライトレスパッド８の組立図および分解図をそれぞれ示す。複数の楔形ソレノイドコイル１３がコイル１２の下に位置する。コイル１３は、上部コイル１２のすぐ下にある各ソレノイドの表面が、（より広い表面積をカバーするように延伸され得る）同じ巻き数Ｎおよび上部コイル１２と同位相で流れる同じ大きさおよび周波数の電流Ｉを有し、ソレノイドの底面が、（上部コイルと１８０度逆位相の）リターン電流を通すように構成される。したがって、各コイル１３の上面における領域は２ＮＩアンペアターンを有し、各コイル１２の下面における領域（すなわち、コイル１３が下面１４にある領域）は−ＮＩアンペアターンを有する。円形面全体をカバーするようにここでは４つの楔形ソレノイドが示されるが、この数は変えることができ、構造要件に基づいて、たとえば他の実施形態では３またはそれ以上であってよい。ソレノイドコイル１３は、上面１０および下面１３に対して垂直である各ソレノイドの側面が実質的に接触し、同一かつ逆位相の電流で動作するように横並びで配置されるので、隣接する側壁によって生成される任意の磁場が効率的にキャンセルする。
【００８２】
図４は、図２に示すような組立型磁気構造によって生成される磁束パターンの２次元断面図を示す。図４を参照すると、上面１０におけるパッドの中央エリアから出射し、外側で戻る無極性磁場が示される。磁束パターンは、磁束の大半が構造の側部を通って戻り、通常、パッドの裏面すなわち下面１４に存在すると予想される磁場が実質的に移動されることを示す。構造に通電することによって生成される磁場が、構造の片面にあり得る磁束結合領域に有効に供給されると、パッドの裏面または下面に存在し得る不所望の漏洩磁束が減少するので、生成される磁場がほぼ片面に寄る特性が望ましい。
【００８３】
ここで、図２および３で説明される実施形態の改善例が図５（ａ）および５（ｂ）を参照して説明される。この実施形態において、図２および３の楔形ソレノイドコイル１３は、２つの平面コイル１５および１６に置き換えられる。コイル１５および１６は、ソレノイドコイル１３の、図２および３に示す実施形態の上面および下面に隣接する部分を再現する。よってソレノイドコイル１３の側壁は排除される。側壁は互いにキャンセルされる磁束を生成していたので、図５（ａ）および５（ｂ）に示す改善された実施形態は、構造を形成するために必要な導電材料の量が少なくなるという利点を有する。
【００８４】
また平面コイルの使用は、より頑丈な構造を提供することができ、組み立てるのがより簡単であるという利点を有する。平らなパンケーキ状のコイルは、たとえばガラス強化コンクリートなどの導電材料を使用しない道路構造に適したケース内に容易に組み込むことができる。
【００８５】
図５（ａ）および５（ｂ）を続けて参照すると、各々がＮターンを有し同じ電流Ｉによって通電される３つのコイルが存在するが、下部コイル１６は適切な間隙によって隔離され、２つの上部コイル１２および１５と１８０度逆位相で流れる電流を有するように、パッド全体が構成され得る。
【００８６】
図５（ｃ）は、動作中の図５（ａ）および５（ｂ）の実施形態の２次元磁束プロットを示す。図５（ｃ）に見られるように、パッドの裏側または下側からの磁束は抑制され、パッドの上の磁場は、フェライトバッキング上に環状コイルを有するように設計されたパッドと同様の理想的な片面無極性形状を成す。しかし、この構造においてフェライトは存在せず、このパッドは、通行する車両による力がパッド構造または動作に影響を及ぼさないという理由により、たとえば道路内の埋設などの用途に適している。
【００８７】
図５（ａ）および５（ｂ）におけるパッドの２つのコイル１２および１５は、１つのコイル１２／１５がコイル１６の２倍のターンを有するように巻き上げられてよい。また、コイル１２、１５、および１６は全て、１つの全体巻線が上層において２ＮＩおよび下層において−ＮＩをもたらすように巻き上げられてよい。これは、下部コイルを、上部コイルと逆方向に半数のターンを有するように巻き上げることによって実現される。あるいは、下面におけるターン数は、パッドの所望の深さおよび所望の磁束抑制量に依存して変えられ得る。これらの平面コイルの表面積は、同一に作られてよく、または所望の磁場形状に依存して様々な直径を有してもよい。コイルの全てが１つの全体巻線として巻き上げられる場合、その巻線は、無線給電または無線ピックアップ（すなわち２次）回路を目的とした１つのコイルとして同調され得る。
【００８８】
図５（ａ）および５（ｂ）の構造を３つのコイルとして考えると、（底部コイルは実質上−ＮＩを有するが）各コイルがＮＩアンペアターンを有する場合、下部コイル１６は上部コイル１２および１５に近接して設けられるので、結果的に生じる磁場が変化する。下部コイル１６がコイル１５に接触するように作られた場合、コイル１５および１６による磁場はキャンセルし、結果的に生じる磁場は、単一の円形コイル（コイル１２）による磁束成形を伴わないものと同じであるので、結果的に生じる磁場は、フェライトまたは同様の透磁性構造が（たとえば車両内の２次パッドなど）近傍にもたらされない限り、構造の上下で全方向に対称になる。しかし、この磁場形状の制御の欠如は、漏洩磁束を制御し、または起こり得る付近の金属物との磁場結合を制限するという観点からは望ましくない。
【００８９】
２つの上部コイル１２および１５が各々０．５ＮＩアンペアターンで動作し、下部コイル１６が上述したように−ＮＩアンペアターンで動作する場合、下部コイル１６が上部コイル１５の近くにあるほどパッドの上側で抑制される結合磁束が増え、コイル１５および１６が接触すると、効率的な磁束結合装置としての動作は実質上停止に至る。よって、構造の上側の磁場のレベル、および構造の下側での磁束抑制の程度は、コイル１５と１６との間隔および各々におけるＮＩに依存する。同様に、コイル１２および１５が単一コイルを備える場合、構造の上側の磁場および構造の下側での磁束抑制の程度は、コイル１６と複合コイル１２／１５との間隔および各々におけるＮＩに依存する。いくつかの実施形態において、コイル１５と１６との間、またはコイル１６とコイル１２／１５との間に垂直配向ソレノイドコイルを設けることが望ましい。
【００９０】
概念的に、コイル１２／１５と１６との間隔が注意深く選択された場合、下部コイル１６は短絡ターン（すなわち複数ターンを備える短絡コイル）に置き換えられ得る。短絡コイルの使用は、有効電流によってコイル１６を動作させることに対する代替案である。短絡コイルの配置は必然的に、コイル１２および１５における電流と逆位相であり、かつ（間隔に依存する）磁束結合に依存する大きさを有する電流を生じ、同様であるが制御性の劣る結果をもたらす。
【００９１】
他の実施形態は、図２および３と同様の構造に基づいて考案され得る。たとえば、図３のコイル１２が排除され、コイル１３の中央に位置する（図３には示さないが図５（ｄ）に見られる）垂直ソレノイド１４に置き換えられた場合、（上述したように磁束がキャンセルし合うので）コイル１３の隣接する側壁を排除することによって図５（ｄ）に示すような構造が残る。各コイルがＮ＝４ターンを有する場合、可能な巻き線配置が図５（ｅ）の断面図に示される。ソレノイド１４は、その機能を２つに分割し、各半分の効果を図５（ｆ）に示すような平面コイル１５および１６に付加することによって、機能を維持しつつ排除され得る。その結果は、図５（ｇ）に示すような３：１のターン比となる。
【００９２】
第１層のコイル（すなわちコイル１２／１５）と第２層のコイル（すなわちコイル１６）との多数の異なるアンペアターン比が用いられ得ることが分かっている。一般に、第２層のコイルは第１層のコイルよりも少ないアンペアターンを有することが好ましいことが分かっている。上述したように、第１層と第２層とのアンペアターン比が約２：１または３：１である場合、満足な結果が得られる。良好に機能すると思われる比の範囲は１：１〜６：１であり、約１．３：１〜３：１が最も好ましい。一般に、コイル１２／１５と１６とが互いに接近するほど、ＮＩ比を大きくすること、すなわち下部コイル１６に対する上部コイル１２／１５のＮＩを大きくすることが望ましい。したがって、たとえばＰＣＢ上にこの構成が実装される場合、比は、たとえば５：１または６：１など３：１よりも大きくなり得る。
【００９３】
図５（ｄ）〜５（ｇ）、特に図５（ｅ）で説明される構成によると、第１のコイルと第２のコイル（すなわちコイル１５と１６）との間の効果的な離隔距離は、第１のコイルの幅Ｗ、すなわちコイルの直径からコイルの中央開口部を差し引いて２で割ったものとほぼ等しい。第２のコイルの幅を第１のコイルの幅と等しくまたはほぼ等しく維持することによって、効果的な結果が得られる。これは、第１のコイルのターンと比べて、第２のコイルのターンを引き離して延伸することによって実現され得る。以下で詳述するように、２層の間の距離は、必要な磁場に依存して変わってよい。いくつかの実施形態において、コイルまたは層は、それらの間の距離が調整可能であるように設けられ得る。たとえば１つの実施形態において、必要な磁場に依存してコイルを互いに近づけまたは引き離すコイル隔離デバイスまたは移動デバイスが設けられる。１つの実施形態において、磁場はセンサを用いて感知されてよく、他の実施形態において、装置によって生成される磁場に関する２次装置からの情報フィードバックが存在してもよい。センサまたは２次デバイスからのフィードバックに基づいて、コイルは、必要な磁場特性が得られるまで、互いに近づき、または離れるように動かされてよい。
【００９４】
他の実施形態において、コイルを互いに対して動かすように動作可能なデバイスは、追加または代替として、第１層および第２層におけるコイル構造の配列を変えることによって磁場を再配向し、または漏洩磁束やバック磁束を制御するように動作可能である。この場合も、生成されまたは受け取られる磁場の表示を供給するために、２次デバイスまたは複数の２次デバイスまたは他のセンサが用いられ、その情報に基づいて、求められる結果が得られるまで、相対コイル間隔および／または配列がデバイスによって変えられ得る。このプロセスはたとえば図６に示され、ここでは、センサまたは２次デバイスからの情報を受け取るデバイス１７によって、上部コイル１２／１５および下部コイル１６は、間隔および配列の一方または両方において互いに対して移動可能である。デバイス１７は、情報を受け取り処理するためのコントローラと、コイルを互いに対して動かすように動作可能な１つまたは複数のアクチュエータとを備えてよい。アクチュエータは、たとえば電気式、機械式、空圧式、または液圧式であってよい。
【００９５】
他の実施形態において、上層コイルは、たとえば楕円形または長方形など他の形状を備えてよく、デバイス１７は、コイルの相対角度位置を変えることによって、その構造によって生成されまたは受け取られる磁場の性質に影響を与えるように動作可能であってよい。たとえばデバイス１７は、整列した２つの長方形コイルを、各コイルの中心を通る共通軸に関して互いに対し角度移動させるように動作可能であってよい。他の実施形態において、装置１７は、コイルの相対角度位置、配列、および間隔の１つまたは複数を動かすように動作可能であってよい。角分離は、コイルが設けられる層の基本平面に対して垂直な軸以外の軸に関する角度調整を含んでよい。
【００９６】
図５（ｄ）〜図５（ｇ）を参照して説明される構成の他の特徴は、Ｎ／３コイル１６（図５（ｇ））全体の電圧が、電流×Ｎ／３コイルの誘導リアクタンス＋Ｎコイル１５の相互誘導リアクタンス×電流であることである。コイルは逆方向に巻き上げられるので、Ｎ／３コイル全体の電圧は、少なくとも実質的にゼロになり得る。
【００９７】
巻線構成に関して、たとえば図５の実施形態において、上の１８ターンのものおよび下の６ターンのものが存在し全て同じ電流を通すが、６ターンのものは逆方向の電流を有する。
【００９８】
接続を簡単にするために、パッドには１つの端末接続しかなく、巻線に断絶が存在しない（終端を最小限度にする）ように、これらの２つのコイルは直列巻きである。
【００９９】
また、巻線全体の電圧を管理するための例として、まず上層を半分（９ターン）巻き上げた後に底部巻線の６ターンを巻き上げ、その後、上部巻線の最後の９ターンを全て直列に巻き上げて完成させることを採用するのがよい。
【０１００】
ここで図７（ａ）および７（ｂ）を参照すると、２：１および３：１のアンペアターン比を有する２つの同一コイル間での比較が行われ得る。図７（ａ）は、たとえば図６に示すような２つの同一コイルを通る垂直断面から磁束プロットを示し、図７（ｂ）は、同じ離隔距離の同じコイルに関して、上部コイルと下部コイルとの３：１のアンペアターン比を有する場合の磁束プロットを示す。
【０１０１】
この概念は、理想的な片面磁束結合構造をもたらす他のコイル形状または種類にも適用され得る。たとえば図７（ｃ）は、他のソレノイドコイル１６からほぼ軸方向に間隔を有するソレノイドコイル１２／１５を示す。コイル１２／１５は、コイル１６よりも大きいＮＩを有し、コイル１６は、コイル１２／１５と逆方向に流れる電流を有する。この構成において、上記で参照した実施形態において説明したように、コイル１６の下側で磁場が抑制される。コイル１６は、巻線１２／１５の下側から延出する磁場を反射するコイルとして機能するので、磁気反射体として見なされてもよい。その磁場は、所望の磁場形状をもたらすために上向きに反射される。
【０１０２】
図７（ｄ）において、ソレノイドコイルが、垂直ではなく水平に配置される長手方向軸を有する場合でも、この原理が適用される。ここでも、磁場が上部ソレノイドコイル１２／１５の上側に概ね存在するほぼ片面の磁束構成を生成するために、下部コイル１６の下に存在する磁場は低減される。しかし、この構成の側部に存在する磁場は、図５（ａ）〜５（ｇ）の実施形態と比べて大きい。
【０１０３】
本明細書で説明される原理に従って必要な磁場を供給するために、様々なコイル（たとえば１つまたは複数の略環状または環状平面コイルおよび１つまたは複数のソレノイドコイル）の組み合わせが用いられてよいことが分かる。
【０１０４】
上記実施形態は、ほぼ平行な平面に配置された第１のコイル１２／１５および第２のコイル１６を示すが、他の構成も可能であることが理解される。たとえば、第１のコイル１２／１５が磁束結合構造の第１層として設けられ、コイル１６がその構造の第２層として設けられてよい。そのような層は様々な形状であってよく、たとえば曲面状または波状であってよい。上記実施形態において、コイル１２／１５および１６はほぼ同軸上に整列するように示されるが、本明細書のどこかに記載されるように、相対コイル寸法および配列は、使用中、得られる必要がある磁束パターンに依存して変わってよい。コイル１６は、必ずしも平面状ではなく、コイル１２／１５が設けられる層の外形を必ずしも再現していない層に配置されてよい。図５（ａ）、５（ｂ）、および５（ｇ）には円形コイルが示されるが、他の実施形態では、たとえば楕円形、長方形、正方形、または不規則形など他のコイル環形状が用いられてよい。また、コイル１２／１５および１６は、異なる環形状であってよい。
【０１０５】
実際には、反射コイル１６は２次パッドとの結合を僅かに減少させるが、１次パッド１２／１５の裏面の後側および１次パッドと２次パッドとの間の充電エリアの外側における漏洩を抑制するという結果が示されている。最も基本的な形式において、この技術は、環形状を有する主要コイルおよびその下にある環状の同軸反射コイルの場合である。一方または両方のコイルが螺旋巻きであってよく、１つの実施形態において、一方または両方のコイルが中央開口部を有さない螺旋巻きであってよい。
【０１０６】
コイル１２／１５および１６のパラメータは、外径（ＯＤ）、内径（ＩＤ）、およびターン数である。多数のアプリケーションに関して、ＯＤとＩＤとの差は一般的に平均径の１０％〜３０％であり、主要コイルと反射コイルとのターン比は一般的に３：１である。一般に、直径はほぼ同様であり、コイル間の間隔は平均径に近い。コイル間の間隔が狭くなるほど磁場間の相互作用は強くなり、上向きに出射する磁束は少なくなる。このように、高結合磁束を維持するために、ターン比が増やされ、または大きさが再調整されなければならない。したがって、主要コイルと反射コイルとの間に１００〜２００ｍｍの間隔がある場合、ほとんどの大きさに関して３：１のターン比が好ましい。正確なＮＩ比を実現するために、両方のコイルに異なる電流を通すことによって精度の高い制御が実現され得るが、実用上、同じワイヤを用いて両方のコイルを断絶なく巻き上げることが好都合であるため、ターン比を変えることが好ましい。
【０１０７】
各ターン間の距離が４〜５ワイヤ径を超えない限り、コイル幅は、場合によってはコイル径の２０％〜３０％であってよく、より高いＱ値を得るために多フィラーコイルが用いられ得る。
【０１０８】
コイル幅およびコイル間隔を変えることによって漏洩磁束は制御され、電力対漏洩磁束比の改善は良好なコイルを得るための優れた性能指数である。たとえば図７（ｅ）および７（ｆ）を参照すると、２８０ｍｍの公称径（符号Ｓ１）および３５０ｍｍ径（符号Ｓ２）を有するフェライトバッキングを備えた２つの正方形２次コイルに電力を結合するために７００ｍｍ径を有する１次円形フェライトレス結合器が用いられる場合、８０ｍｍ〜１８０ｍｍの高さ間隔で中央にある場合および位置ずれした場合の様々な間隔において、図７（ｅ）および７（ｆ）に示すように、（元はワイヤの各ターンを接触させることによって４６ｍｍに及ぶ）１次コイル内のワイヤが、（コイル幅を６８ｍｍに広げるように）４ｍｍ間隔にされた場合、パッドの作用領域（最大１００ｍｍ間隔オフセット）において結合は更に５０〜１００％増加した。このように１次ワイヤを広げることにより、結合器の中心における極は、巻線の内周付近および周囲に広がるのではなく互いに接近する。その結果、実際一般的に用いられるような小さな２次パッドと交差するより多くの磁束線が生じ、システム結合を高める。
【０１０９】
他の実施形態において、ここでは同様のパッド構造が双極コイルを用いて実現されてよく、その例が図８を参照して示され説明される。背景技術として、双極性磁束結合構造は、構造を分極または無極性形式で選択的に動作させることができる互いに磁気減結合されたコイルを有する。詳しい情報は、国際公開特許出願ＷＯ２０１１／０１６７３７号およびＷＯ２０１２／０１８２６９号において得られる。
【０１１０】
図８を参照すると、パッド構造２４は、２つのコイル２０および２１を備える上層を有し、２つのコイルは、それらの間の磁気結合が実質的に最小限になるように互いに対して配置される。理想的には相互結合はゼロであるが、実際は、たとえば部品公差などの要因によって僅かな結合が存在し得る。動作中、およそ５％を下回るまで相互結合を低減するのが望ましいと分かっている。２次パッドが存在しない場合、およそ１％を下回る相互結合が望ましい。これらの範囲は多くの場合、コイルの独立した動作を可能にすると同時に、２次構造への適切な電力伝送のためにパッドから十分な距離で使用可能な磁場を生成するために十分である。
【０１１１】
相互結合を最小限にすることによって、コイルは実質的に独立して通電されることができるので、一方または両方のコイルが単極形式で動作してよく、または両方のコイルが相補的に（たとえばコイル間で１８０度逆位相を有する交流電流によって通電されて）動作し、一方のコイルによって形成された極から他方へ延出する磁場を確立してよい。１つの実施形態において、最小限またはほぼ最小限の結合を得るために、コイル２０および２１は、図８に示すように、ほぼ同一平面上で重なり合っている。他の実施形態において、コイル２０および２１は、同じ基本層に配置され得る。そのような層は様々な形状であってよく、たとえば曲面状または波状であってよい。コイルが重なり合う範囲はコイル形状に依存して変わってよい。図８には長方形コイルが示されるが、他の実施形態において、たとえば楕円形、円形、正方形、または不規則形など他のコイル形状が用いられてよい。
【０１１２】
図８を続けて参照すると、コイル２２および２３は、それぞれコイル２０および２１の下に位置する。上記開示によると、コイル２２および２３は、コイル２０および２１によって生成された磁場を制御するために用いられてよい。コイル２２および２３は、４つのコイル２０〜２３を備えるパッド構造によって生成される磁場を制御するため、すなわち構造の上側の磁束結合領域２５内に磁場を形作るため、および／または構造の裏側または下側の領域２６に存在する磁場を低減するために用いられてよい。この実施形態において、コイル２２および２３は、コイル２０および２１に対して同軸上に配列されるが、本明細書のどこかに記載されるように、相対コイル寸法および配列は、使用中、得られる必要がある磁束パターンに依存して変わってよい。ここでも、コイル２２および２３は、必ずしも平面状ではなく、コイル１０および２１が設けられる層の外形を必ずしも再現していない層に配置されてよい。しかし、この特定の実施形態において、コイル２２および２３もまた、第１層または上層におけるコイル２０および２１と同様、実質的に互いに減結合されるように配置されなければならない。
【０１１３】
図８に示す上部コイル２０および２１は、たとえば２Ｎまたは３Ｎ巻き巻き上げられ、下部コイル２２および２３はＮ巻き巻き上げられ得るが、所望の磁束パターンに基づいて他の選択肢が用いられてもよい。しかし図６の実施形態に関する以下の説明は、第１層のコイル２０および２１と第２層のコイル２２および２３との比が２Ｎ：Ｎであると仮定する。
【０１１４】
各層におけるコイル、すなわちコイル２０と２１（第１層）、およびコイル２２と２３（第２層）とは実質的に互いに減結合されるが、層間のコイルは減結合されないことに留意すべきである。上記開示によると、１つの実施形態において、コイル２２はコイル２０と（１８０度）逆位相で駆動され、コイル２３はコイル２１と（１８０度）逆位相で駆動される。実用上、これは、単純にコイル２０および２２を反対方向に巻き上げられた１つの巻線として接続する（かつ同様にコイル２１および２３を同様に巻き上げ接続する）ことによって実現され得る。このように、コイル２０または２１が中心に北極を生成するように作動される場合、コイル２２または２３は南極を生成するように流れる電流を有するが、コイル２２および２３の方が少ないターンを有するので、この南極の生成はより弱い。他の実施形態において、コイル２２および２３は単純に短絡ターンを有してよく、コイル２０および２１の動作による磁束結合によって、これらのコイルの各々に逆位相の電流が流れ、同様であるが制御性の劣る結果が得られる。
【０１１５】
動作中、減結合されたコイル２０および２１は、同期した電流を有する２つの共振型インバータによって個々に同調され、駆動されるので、これらのコイルは、任意の所望の磁場成形を生じるように互いに完全に独立した所望の制御された方法で動作し得る。この方法では、それらは異なる電流の大きさ、異なる位相、または異なる同調周波数で動作され得る。コイル２２および２３と上部コイル２０および２１との（物理的または結合による）接続によって、コイル２２および２３は、この磁場生成をサポートし、パッドのバック磁束を抑制するように動作する。
【０１１６】
重要なことに、各層におけるコイルの減結合特性によって、コイル２０または２１（およびコイル２２または２３）は他のコイルの動作中に遮断されることができる。これは、１つのコイルしか動作する必要がない状況における効率性の利点を有する。たとえば、適切な２次構造が定位置にあり、コイル２０および２１の一方のみによって効率的に電力供給される場合、他方のコイルは遮断されてよく、他方のコイルにおける誘導電流が存在しないので、効率が更に良くなる。
【０１１７】
動作の１つのモードは、単純に、同じ同調周波数かつ同位相または逆位相のいずれかで全てのコイルを動作させることである。同位相で動作する場合、（各々が２Ｎターンを有する）コイル２０および２１は２ＮＩで作動されなければならず、（各々がＮターンを有する）２つの下部コイル２２および２３も互いに同位相で動作するが、これらのコイルにおける電流の方向は上部コイルと反対であるため、−ＮＩを生成する。その結果、図５（ｃ）を参照して上述したものと同様の無極性磁場が生成される。
【０１１８】
減結合コイル２０および２１が１８０度逆位相で動作される（かつ２２および２３も同様である）場合、北南極が生成され、磁場はパッドの伸長方向に分極化する。この例において、上層に２ＮＩが生成され下層に−ＮＩが生成されるように全てのパッド層が同様の形式で動作しなければならないが、所要の磁場形状または磁束パターンに依存して他の構成が用いられてもよいことが分かる。
【０１１９】
円形モードで動作するたとえば双極性などの円形モード結合器または多重コイル結合器の場合、反射コイルを有する適切に設計されたフェライトレス結合器と、同様のパッド面積のフェライトバッキングを有する円形結合器との結合の差は約２０％であり得るが、人が存在し得る充電エリアの外側における所与の漏洩に関して２次パッドに供給されることができる電力量は、（１次パッドに対する２次パッドの位置に依存して変動があり）ほぼ同じか、あるいはフェライトレス結合器の方が良好である。この低い結合の結果、１次コイルは、電力を伝送するために強力に駆動されなければならず、コイル全体の高いボルトアンペアは当然、組み立てられたパッドの品質に依存して所与の電力伝送に関して高いロスをもたらす。実験室内でのパッドの組立ては、フェライトを含む同様の面積のパッドの通常２／３の品質係数を有することが分かった。その結果、同一のフェライト２次パッドに結合する場合、追加のシステムロスは、（１次パッドに対する２次パッドの位置に依存する変化を伴って）所与の電力伝送に関して１〜２％しか高くならない。フェライトレスパッド面積がわずかに大きくされ、それによりフェライトが存在しないことをかんがみて銅使用量をごくわずかに追加する場合、明白に１次フェライトレスパッドの結合係数および品質係数は改善され得る。
【０１２０】
ダブルＤコイル構造と同様の磁束パターンを生成するためのモードで動作する、たとえばダブルＤコイル構造または双極パッドなどの分極フェライトレス結合器（両方が以下で詳述される）の場合、既知の２次パッドとの結合は、円形トポロジよりも低くなることが分かっている。同様の面積におけるフェライト設計とフェライトレス設計との結合の差は、通常、設計に基づいて５０〜６５％である。この結合の低下が生じる理由は、ダブルＤモードの中央の広げられたコイルの下における磁束のための経路長さは長くなり得るが、これらの磁場はフェライトを通過するため非常に低いリラクタンスを有する磁束パイプが生じ、それによって磁場強度を大幅に低下させることなく北極および南極が分離されることによる。その結果、フェライトを有するダブルＤ１次パッドにおいて、このように磁場強度を大幅に低下させることなく１次パッドの上側に高いアーチ状磁束が生成され得る。一方、フェライトレスパッドの中央におけるワイヤを広げることによって北極と南極とが分離される場合、広げられたワイヤの下のリラクタンスは空気のリラクタンスであり、経路長さが長くなるほど、フェライトダブルＤ構造と類似した磁場形状が生じ、生成される磁場の強度は大幅に低くなる。その結果、２次パッドとの低い結合が生じる。この低い結合に関わらず、動作中、フェライトレスダブルＤパッドは、（２次パッドへ伝送される所与の電力について）通常の動作条件下における同様の面積の従来のフェライトベースのパッドと比べて、人間が存在し得る領域に生じる漏洩が少ないことが分かった。しかし、低い結合およびパッドの品質係数に起因して、予想される動作上の位置ずれに基づく約２〜５％の追加のシステムロスが指摘された。
【０１２１】
したがって、円形および分極パッド設計の両方において、説明されたフェライトレス構造は、同様の表面積のパッドが用いられ、かつパッド自体が本質的に頑丈である場合、僅かな追加のシステムロスを伴って同様または少ない漏洩で必要な電力を伝送できることが分かった。
【０１２２】
フェライトレスダブルＤパッドまたはダブルＤモードにおける双極パッドにおける磁場強度の減衰を克服するために、磁場を形作るためにフェライトレス設計を用い、かつパッドの中央におけるワイヤが広げられたエリアの下側に所望の磁束パイプを実現するために少量のフェライトを用いるハイブリッドパッド構造が考案され得る。このハイブリッド構造に導入されるフェライトの量は、従来のフェライトダブルＤパッドよりも大幅に少なく、かつ車道アプリケーションなどにおいて予想される力から十分保護されるほど少ないと予想される。設計において、導入されるフェライトは破損しないように確実に封入されることが理想的であり、動作中に飽和しない容量においても十分である。フェライトバーの代替物は、カバーで保護された真空状態の粉末状フェライトまたは砂鉄であってよく、それらは低い相対透磁率にも関わらず、元来のフェライトレスパッドに対して磁場強度および２次パッドとの結合における改善を確実にする。このハイブリッドパッド構造に対する他の代替例は、所望の「磁束パイプ」の生成を補助するために本質的に非脆性であるファインメットまたは他のアモルファス材料を用いることを含み、これらの材料は当然、１次パッドの頑健性に対応する。
【０１２３】
実際には、１次パッドが説明されたが、これらの設計は２次パッドにおいて用いられてもよく、それが望ましいアプリケーションにおいては１次パッドが従来のフェライトパッドである。
【０１２４】
一般に主要駆動コイルと同一の構造であるがより少ないターンを有するように示されるフェライトレスパッド設計内の反射コイルは、人間が存在し得る電力伝送領域外で生じる磁束漏洩のレベルにおける改善を実現するように主要コイルに対して巻線を広げ、または径を巻き上げることによって形状を修正されてもよい。シミュレートの結果、２次パッドへの所与の電力伝送に関して、反射コイルの径を５０％程度大きくすると漏洩が減少し得るが、これは１次パッドと２次パッドとの結合に悪影響を及ぼし易いことが分かっている。しかし、人間が存在する地点における所与のレベルの磁束漏洩に対して２次パッドへ伝送することができる電力は増加し得る。これは、規格によって強制される制限に達する前に、より多くの電力が伝送され得ることを意味する。したがって、反射コイルの径を主要コイルに対して様々なサイズに調整することは、重要な設計パラメータであり、想定される動作に基づいて最適化され得る。
【０１２５】
当然、３相または４相減結合コイル構造が望ましい場合、図３３の例に示すようなマルチドライブ機能を有する同様の多相コイルパッドが適用され得る。
【０１２６】
本明細書で説明される例は、主に、車両への電力供給および車道システムの使用に関する。しかし、多数の他のアプリケーションも可能であることが理解される。
【０１２７】
無線充電経路またはストリップの考案は、たとえばタクシー乗り場など緩慢に移動する車両や停止する車両への充電アプリケーション、およびたとえば車道充電など動的アプリケーションのために望ましい。これは、図９を参照して例示的に後述される追加の実施形態において示される。図内で、図８を参照して説明したような２つの双極フェライトレスパッド２４は、たとえば車両が移動し得る経路または車道に沿って横並びに配置される。説明を簡略化するために、１つのパッドは２４Ａと示され、隣のパッドは２４Ｂと示される。互いに近接して設置された隣接するパッド２４Ａおよび２４Ｂは、減結合されていない。しかし、動作中、（たとえば）車載２次パッドが、たとえばパッド２４Ａのすぐ上にある場合など電力を受け取る位置にある時、パッド２４のみが電力伝送のために通電される。したがって、パッド２４Ａが通電されると、生成された磁束は、隣接するパッド２４Ｂではなく車載２次パッドに優先的に結合する。
【０１２８】
図１０（ａ）〜（ｅ）を参照して動作モードが詳述され得る。これらの図において、パッド２４は、１つまたは複数のパッド２４に結合してそこから電力を受け取ることができる２次パッドまたは磁束結合構造２５を有する車両３０を支持する任意の構造である道路２８内または上に設けられる。
【０１２９】
図１０（ａ）を参照すると、２次パッド２５が無極性構造を備え、たとえばパッド２４Ａの上に位置する場合、パッド２４Ａは、同位相で自身のコイルによって通電され得る。パッド２４Ａのコイル２０および２１は同位相の電流を有し、コイル２２および２３は、互いに同位相かつコイル２０および２１に対して１８０度逆位相の電流を有する。これは図１０（ａ）に示され、パッド２４Ａの中央が何らかの時点で北極を有すると同時に、外側が南極を示し得る。
【０１３０】
他の動作モードが図１０（ｂ）に示される。この例において、２次パッド２５は、分極構造、すなわち、構造の一方の端に極領域を有し、他方の端に反対の極領域を有するように適合された構造を備える。分極構造の１つの例は、パッド２４Ａの長手方向軸に長手方向平行に配置されたソレノイドである。分極パッド構造の他の例は、本明細書で上述され、ＷＯ２０１０／０９０５３９号において公表された、パッド２４Ａの長手方向軸に長手方向平行に整列したダブルＤパッド設計である。分極２次パッド２５に電力を伝送するために、パッド２４Ａのコイル２０および２１は１８０度逆位相で動作し、磁束は、２次パッド内に向かって、コイル２０の通電によって確立されたＮ極から分極２次パッド２５の第１の極へアーチ状を描き、２次パッド２５の第２の極を出て、コイル２１の通電によって形成されたＳ極へ戻る。コイル２２および２３は、互いに１８０度逆位相かつコイル２０および２１に対して１８０度逆位相である電流を有する。
【０１３１】
他の動作モードが図１０（ｃ）を参照して説明される。この例において、２次パッド２５は再び極性構造である。たとえば車両３０がタクシー乗り場に駐車した場合、またはパッド２４Ａと２４Ｂとの間を移動する場合、双極パッドの２つの外側コイルは反対の極を形成するように動作され得る。したがって、パッド２４Ａのコイル２１およびパッド２４Ｂのコイル２０は逆位相で通電される。それぞれのパッドのコイル２３および２２は、互いに逆位相かつコイル２１および２０とそれぞれ逆位相で動作する。パッド２４Ａおよび２４Ｂの他のコイルは、この動作モードにおいて通電されないので、磁場は、必要に応じて車両の下に局在する。
【０１３２】
図１０（ｄ）および１０（ｅ）は、１次パッド２４からより遠く離れた２次構造に電力伝送するために利用できる動作モードを示す。図示された例において、２次パッド２５は分極構造であり、たとえばＳＵＶやトラックなど平均以上の地上高を有する車両３０に設けられる。これらの図面内のパッド構造を示すために参照番号２４Ａおよび２４Ｂが用いられるが、他の構造が用いられてもよい。図１０（ｄ）において、たとえば図１１のパッドのような無極性パッドが用いられてもよい。
【０１３３】
図１０（ｅ）において、車両は、２つのパッド２４Ａと２４Ｂとの間を移動している。このモードでは、各パッドは、減結合された同位相の片方とともに動作され得る。したがって、パッド２４Ａのコイル２０および２１は同位相で動作し、パッド２４Ｂのコイル２０および２１は同位相で動作する。しかし、パッド２４Ａのコイルは、パッド２４Ｂのコイルと逆位相である。それによって、広い極間隔を有する大きなフェライトレスパッドがもたらされるので、地上高の大きい車両との結合、または（たとえば高い電力伝送が望まれ得る）広い極間隔を有する大きな２次構造２５を有する車両との結合が可能な高いアーチ状磁束場が生じる。１つの実施形態において、第２層のコイル２２および２３は必要とされず、代わりに、隣接するパッド間の磁束経路を可能にするたとえばフェライトなどの材料と置き換えられる。
【０１３４】
動的車道アプリケーションの場合、この概念が更に進められ、車道は、地中に配置された平面コイルを備える個々のセクションから構成されると考えられてよく、（図１０に示すように）車両が一連のパッドの上を走行する間、車両の位置に基づいて必要に応じて１つまたは複数のパッドが作動されてよい。これらの車道セクションは、図１１で後述するような単純なコイル構造、または図８および９で上述した複雑なコイル構造を用いて構成されると考えられ得る。
【０１３５】
図１１に示す単純なパッド構造４０の場合、結合磁束を生成しまたは受け取ることを目的としたコイル４１は、非金属性非磁気材料である材料４２の実質的に平らな面上で巻き上げられる。実用上、材料４２は、強靭かつ頑丈なセラミック表面であってよく、プラスティックは、必要な強度に欠けるために適切ではない。コイル４０は、たとえば８〜１１ターンなど比較的少数のターンを有し、隣接するワイヤ間の距離は、側部４６および４７よりも端部４４および４５において大きい。使用中、磁束をキャンセルまたは抑制するように機能する磁束キャンセルコイル５０も設けられる。パッド４０の動作の説明を簡略化するために、図１１におけるパッドまたは図１２における一対の構造の動作を説明することを目的として、磁束キャンセルコイル５０の効果は無視されるが、その動作および効果は、図１３および１４を参照して以下で詳述される。
【０１３６】
図１１を参照すると、コイル４１が励磁すると、４つの異なる磁束パターンが生成される。近傍にフェライトおよび金属は存在しないので、磁束線は歪曲しない。ここでは巻線が新たな観点から説明される。端部４４、４５、および側部４６、４７の各々の周囲に生成された円形磁束（Ｂ磁場）が存在する。これらの磁束は、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤと示される。これらの磁束の円形特性により、それらは、ここでは磁束渦と称され、人間の指紋の渦に類似する。これら４つの磁束は、励磁電流の極性に依存して北極または南極を形成するが、図示するように、磁気経路が存在しないので磁極面の範囲外の磁束は存在せず、全ての磁束がこれら４つの磁束渦内にある。
【０１３７】
２次構造がコイル４１の垂直上方に整合するように到来すると、この磁束渦のパターンが２次構造内に電圧を結合し、電力伝送は、整合度および離隔距離に依存する。
【０１３８】
図１２に示すように、他のパッド４０’がこのパッドと端部間で密接に関連する場合、２つのパッドは部分的に合併し、端部４５の周囲の磁束渦Ｃは、４４’の周囲の磁束渦Ａ’と合併して、ＣとＡ’とを合わせた大きな磁束渦を生成する。第２のパッド４０’は、北とは逆の極性、すなわち南を有することが示される。結合された磁束渦ＣおよびＡ’は、パッド４０’と電力結合する。４つ全ての磁束渦Ａ〜Ｄがこのように近接した別のコイルと電力結合してよく、端部に他のコイルが追加されると、コイル４０、４０’が設けられる（たとえば道路などの）経路から、たとえば車両下のコイルなどの２次構造に電力を結合するシステムの機能が拡張する。
【０１３９】
実際の車道アプリケーションにおいて、コイル４０および４０’は、任意の必要な距離だけ図１０に示すように車道に沿って連続的に繰り返され、この列は単純に４０、４０’、４０、４０’、４０・・・を繰り返す。一度に隣接する２つのコイルのみが通電され、これらのコイルのオンオフの切換えは、車両の動きと同期されなければならない。図１０（ｄ）に示すように、車両上の２次（すなわち受電）コイルが、感応コイルと未感応コイルとのほぼ中間にある時、切換えが生じる。１つの実施形態において、２次コイルは、いずれかの極性の垂直磁束または水平磁束に対して高感度である各端部に適切な極領域が設けられた双極構造を有するフェライトベースの構造である。したがって１次パッド４０、４０’は、同時にオン／オフに切り換えられなければならないが、受電パッドは自動的に切り換わり、位置ずれ誤差または可変高さとは無関係に電力伝送を最大にする。
【０１４０】
図１０を参照して説明されるモードは、フェライトレスパッドに適用できるだけではなく、フェライトベースのパッド構造、または従来使用される透磁性材料の量より少なくてもよい選択された量の透磁性材料を含むハイブリッド構造と併用されてもよいことが理解される。透磁性材料を全くまたはほぼ有さない一続きまたは一連のパッドを動作させることは、パッド移行間での結合の変化がより滑らかになることによって、パッドに通電するために用いられる電子回路が受けるストレスが少ないという利点を有する。
【０１４１】
図１３は、図１１の構造４０の側巻線４６および４７を通る磁束プロットを示す。図示するように、磁束は、湾曲した渦状の磁束経路５２および５２’からなり、水平方向に著しく拡大する。キャンセル巻線５０の動作がここで説明され得る。この実施形態において、キャンセル巻線５０は、外側、すなわち主要巻線に対し周状に配置される短絡回路であり、図１３で５３と示される自身の磁束パターンを生成するように主要巻線における電流に対抗する電流を有する（レンツの法則）。キャンセル巻線５０は、参照番号５４によって示されるエリア内の中央磁束を弱め、参照番号５５によって示すエリア内の巻線間の磁束を強め、参照番号５６によって示すエリア内のキャンセル巻線の外側の磁束を弱める。エリア５６内の磁束がゼロまたはほぼゼロになると、磁束経路全体が存続しないので大幅なエリア（容積）にキャンセルが広がり得る。実際の状況では、キャンセル巻線を有さないパッド構造の側部または端部における３０μＴの漏洩磁束は、キャンセル巻線が存在する場合５μＴ未満に低減されること、および磁束結合コイル４１の外側の一定の距離にキャンセル効果が拡大することが分かった。
【０１４２】
図１１〜１３において、キャンセルコイルは、コイル４１と実質的に同じ層に周設して示される。キャンセルコイル５０は、複数の有用な選択肢を提供するために他の方法で用いられてよく、そのいくつかが以下で説明される。図１３に見られるように、コイル４１によって生成される磁束は、コイルの上側および下側にあるので、磁束キャンセルコイル５０は、これらの磁束を制御して必要な磁束パターンを生成し、特に漏洩磁束を制御または最小限にするように形成または配置されてよい。したがって、図１４に示す１つの実施形態において、新規のパッド構造５８が示され、ここでもキャンセル巻線５０はコイル４１の周方向に配置されるが、１つの面または層にある側部６０および異なる面または層にある端部６２を有する。側部６０は、コイル４１と共有される層にあり、端部６２は、パッド構造の上側にある磁束結合領域６４に対してコイル４１の反対側にある異なる面または層に位置する。側部６０間の幅は、キャンセルエリア５６が生じる場所を制御するために調整可能である。同様に、端部６２と、コイル４１の下側にあるそれらのオフセットとの間の長手方向距離は、磁束渦ＡおよびＣの深さを制御するために調整され得る。１つの実施形態において、キャンセル巻線は自給式であり、１〜４ターンの閉短絡回路である。他の実施形態において、キャンセル巻線は能動的に駆動され得る。
【０１４３】
キャンセル巻線５０の使用によってパッド設計は完全にモジュール式になり、隣接するパッドに対して実質的または効果的に減結合されるので、結果的に生じる構造５８は、列内の各パッドに関して繰り返されてよく、その列は目立った制限を伴わなくてよい。車道アプリケーションの例において、キャンセル巻線５０は、道路建設時に道路構造またはマトリクス内に設置されてよく、たとえば主要巻線４１は後に追加され取り付けられてよい。したがってパッド構造は低コストで設けられ、製造および取付けの両方が簡単であり得る。
【０１４４】
図１５は、参照が容易であるようにパッド５８および５８’と示される２つの隣接するパッド５８の長手方向軸に沿った断面図を示す。一連のパッドが車道に沿って配置される場合、パッドを通る断面は、コイル導体４４−４５、４４’−４５’、４４’’−４５’’、以下同様のようになる。各対は、図１５の断面図に示すような磁束パターンを生じる。磁束は、２つの隣接するパッド間の中間領域に広範囲の磁束渦７０を有することを特徴とし、電力伝送のために２次構造が使用可能な磁場を生成するようにパッド構造から上向きに延出する。隣接するパッドの両端に２つの小さな磁束渦７２および７２’が存在する。この２つの隣接するパッド５８および５８’の構成は、ダブルＤパッド設計と機能的に類似する。従来のダブルＤパッド設計において、この磁束は通常、フェライトバッキングによって制御されるが、この車道アプリケーションおよび他の多数のアプリケーションでは、フェライトが非常に脆く、そのような材料は車道環境には適さないという理由から、フェライトは好適ではない。この新規の構成の場合、車道パッドの底部からコンクリート内に出射するバック磁束を低減するためにフェライトバッキングが用いられない。代わりに、パッド構造の裏側領域から磁束を引き離すようにガイドすることによってバッキングの形式を成すキャンセル巻線５０を用いることにより、この問題が対処される。
【０１４５】
動作中、図１５に示すように車両が路上を左から右へ移動する場合、パッド通電の連鎖は車両との同時性を持ってステップされるので、車両上の２次または受電パッドは電力を受け取り続けることができる。したがって、次のパッドに連続的に通電するために、パッド５８がオフになるとパッド５８’がオンになり、磁束渦７０が１つのパッドの長さだけ右へ移動する。このように、常に同時性を維持しつつ路上を移動する車両に電力供給するように一連のパッドは連続的に切り換えられてよい。
【０１４６】
１つの実施形態において、キャンセル巻線５０は、不所望のバック磁束の制御性を高めるために、より小さい電流において複数のターンを備えてよい。端部導体４４および４５における磁束渦間の距離は、車両が１つのパッドから次のパッドへ移動する際に可能な限り滑らかな電力伝送を得るための設計プロセスの重要な部分である。図１５に示す５８から５８’の組み合わせの移行において、パッド５８がオフになると車載パッドはパッド５８’に完璧に合わせられ、次のパッドが連続的にオンになり、このプロセスが繰り返される。一対であってよい単純なパッドを使用することは、パッド構造にフェライトが存在しないことによって実現可能になり易い独自の特徴である。本質的には、方法は、可動（ステッピング）パッドアレイを創造するが、可動部品は有さない。路上の複数の車両に対応して複数のパッドが同時にステップすることも可能であり、他のパッドは、列の前方にある複数のパッドであってよく、同じ速度または異なる速度でステップしてよいが、ステッピングパッドは他のステッピングパッドと重なり合わず、逆方向にステップし得る。
【０１４７】
１つの実施形態において、車両内の２次パッドは、磁束渦７０から磁束を受け取り、車道パッドから車載パッドへより多く電力伝送するためにその巻線によって生じる磁束を増加させるフェライトを含む。この方法では、パッド切換えシステムは、車載パッドとの完璧な整合を有することにより電力伝送の効率を良くする車道パッドから電力を受け取る。
【０１４８】
図８および９の複雑な巻線の場合、図１６の実施形態に示すものと同様の側磁束キャンセル巻線が生成され得る。図１６において、図８および９の実施形態の特徴を示すために用いられた参照番号が、類似の特徴を示すために再び用いられ、キャンセル巻線の特徴を示すために図１４および１５で用いられた参照番号もまた、類似の特徴を示すために用いられる。
【０１４９】
図１６を参照すると、２つのキャンセル巻線５０が設けられる。上述したように、これらの巻線は、パッド構造の各辺に沿った側部６０および端部６２を含む。キャンセル巻線５０はパッド構造のコイル２０および２１の周囲に配置され、互いに減結合されるように重なり合う。明確化のために図内には明示しないが、コイル２１に関する側部６０が６０Ａと付され、パッド２１に関する端部６２が６２Ａと付される。したがって、パッドはコイルによって同位相または逆位相で動作されるので、キャンセル巻線は当然、側部における漏洩磁束を抑制し、必要に応じてコイル端部における磁束の成形を補助するために、同位相および逆位相に動作を変更する。
【０１５０】
追加の実施形態が図１７に示され、ここでは、磁束生成コイル４１、受動型磁束キャンセルコイル５０、および受動型磁束キャンセルコイル８０を有する平面１次パッド５８の上に位置する双極２次またはピックアップパッド８５が示される。この実施形態ではコイル５０および８０は受動型（すなわち短絡）であるように示されるが、他の実施形態においてコイルの一方または両方が能動型（すなわち駆動型）であってよいことが理解される。２次構造８５は多種多様な形状であってよいことも理解される。この例において、２次構造８５は、特許公報ＷＯ２０１２／０１８２６９号に開示されるものと同様の双極構造を備え、複数の細長い棒８６状のフェライトを含む。
【０１５１】
コイル５０は、たとえば図１４および１５に示す受動コイルに関して上述したように機能するように構成され、上述したように、受動コイル５０の側部セクション６０は、１次コイル４１の側領域における不所望の磁束を防止するように機能し、端部セクション６２は、必要な磁束パターンを端部に供給するように１次コイル４１両端に配置される。同様に、コイル８０は、コイル８０の側部８４よりも１次コイル４１に密接に関連する端部８２を有することによって十分な磁束をコイル８０内に結合するので、コイル８０の側部８４が下部磁束パターンを制御、すなわちパッド構造全体の裏側における磁束量を制御することができる。図１８は、図１７の構成の水平面Ａ−Ａを通る水平断面図を示す。図１９は、長手方向軸に沿って図１７に示す構成の中間部を通る垂直面Ｂ−Ｂにおける断面図を示す。図２０は、図１７の構成の、横方向の垂直面Ｃ−Ｃにおける、すなわちコイル４１の長手方向軸に垂直な断面図を示す。
【０１５２】
図２１において、パッド構造間の間隙に架橋する位置に示されたピックアップ８５を伴う図１７に示す構成の２つが横並びに示され、図２２には、垂直面Ａ−Ａにおける長手方向軸に沿った断面図によって生成される磁束パターンが示される。
【０１５３】
図２３および２４を参照すると、パッド構造の代替実施形態が示される。このパッド構造は、本質的にソレノイド型であるがほぼ台形の断面を有する中央コイル９０を有する。コイル９０は、中心軸に沿って見ると異なる様々な形状で設けられてよく、その部分が図２３に示される。１つの実施形態において、それは円形に見えるが、他の実施形態では、たとえば長方形または台形に見えてよい。したがってコイル９０のターンは、一面に同様に伸長する第１層または上層９１および第２層または下層９２を含んでよい。コイル９０によって生成される磁束が、無線電力伝送のために他の構造と結合する領域において上向きに延出するように、コイルのターンは、上層９１において互いにより近接した位置にあり、下層９２においてより広い間隔をとる。磁束は、中央コイル９０の両端に位置し、コイル９０の内外へ結合磁束をガイドすることによってバック磁束を防止するコイル９３および９４の使用によってガイドされる。他の実施形態において中央コイル９０が単純なソレノイドコイルに置き換えられてよく、これもまた、中央ソレノイド型コイルの内外へ磁束をガイドする平面コイル９３および９４を両端に有するということが当業者には分かる。また、いくつかの実施形態においてはコイル９３および９４は必要とされず、代わりに、パッド構造の上側にアーチ状結合磁束９５を生成するために必要な磁束経路を実現する台形状の断面を有する中央コイル９が構成され得ることも当業者には明らかである。コイル９３および９４は、以下で詳述されるダブルＤ構造と同様に機能する。
【０１５４】
ここで図２７を参照すると、国際特許公報ＷＯ２０１０／０９０５３９号において説明される原理に従うダブルＤパッドとして本明細書内で上述した形式をとるフェライトレス集中磁気構造１１０が示される。
【０１５５】
図２７から分かるように、全体構造１１０は、第１の上側構造層１１１および第２の下側構造層１１２を備える。層１１１および１１２の各々は、隣接して配置され、この例では平面状のほぼ同じ層にある２つのコイルを備える。そのような層は、様々な形状であってよく、たとえば曲面状または波状であってよい。構造１１０には独立したコイルが示されるが、これらは全体が単一巻線として形成されてもよいことが当業者によって理解される。たとえばコイルは、本明細書で説明される他の実施形態におけるコイルのように、直列に巻き上げられたコイルが存在してよい。上述したように、この構成を裏付ける原理は、ＷＯ２０１０／０９０５３号において説明される。しかし、単層ではなく２つの層１１１および１１２を用いるという相違がある。
【０１５６】
層１１１は、隣接するコイル１２０および１２１を備える。両方のコイルが、一方のコイルによって形成された極から他方へ延出する磁場を確立するように、（たとえばコイル間で１８０度の位相差を有する交流電流によって通電されて）相補的に動作してよい。図２７には長方形コイルが示されるが、他の実施形態において、たとえば楕円形、円形、正方形、または不規則形など他のコイル形状が用いられてよい。
【０１５７】
図２７を続けて参照すると、コイル１２２および１２３は、それぞれコイル１２０および１２１の下に位置する。上記開示に伴って、コイル１２２および１２３は、コイル１２０および１２１によって生成される磁場を制御するために用いられてよい。コイル１２２および１２３は、４つのコイル１２０〜１２３を備えるパッド構造によって生成される磁場を制御するため、すなわち、構造の上側の磁束結合領域１２５に磁場を形作り、および／または領域１２６において構造の裏側または下側に存在する磁場を低減するために用いられてよい。この実施形態において、コイル１２２および１２３はコイル１２０および１２１に対して同軸上に整列するが、本明細書のどこかに記載するように、相対コイル寸法および配列は、使用中に実現する必要がある磁束パターンに依存して変わってもよい。また、コイル１２２および１２３は、必ずしも平面状ではなく、コイル１２０および１２１が設けられる層の外形を必ずしも再現していない層に配置されてよい。
【０１５８】
図２７に示す上部コイル１２０および１２１は、たとえば２Ｎまたは３Ｎ巻き巻き上げられ、下部コイル１２２および１２３はＮ巻き巻き上げられ得るが、所望の磁束パターンに基づいて他の選択肢が用いられてよい。
【０１５９】
コイル１２２はコイル１２０に結合され、コイル１２１はコイル１２３に結合される。１つの実施形態において、コイル１２２はコイル１２０と（１８０度）逆位相で駆動され、コイル１２３はコイル１２１と（１８０度）逆位相で駆動される。実用上、これは、単純にコイル１２０および１２２を逆方向に巻き上げられた１つの巻線として接続する（かつ同様にコイル１２１および１２３を巻き上げ接続する）ことによって実現され得る。このように、コイル１２０または１２１が中心に北極を生成するように作動する場合、コイル１２２または１２３は、南極を生成するように流れる電流を有するが、コイル１２２および１２３の方が少ない巻き数を有するので南極の形成は弱くなる。他の実施形態において、コイル１２２および１２３は単純に短絡ターンを有してよく、それによってコイル１２０および１２１の動作による磁束結合は、それらのコイルの各々に逆位相で電流を流れさせ、同様であるが制御性の劣る結果が得られる。
【０１６０】
動作中、コイルは全て、単一のインバータによって駆動されてよい。あるいはコイル１２０および１２１は、必要な磁場を生成するための制御された所望の方式で動作し得るように、同期された電流を有する２つの共振型インバータによって個々に駆動されてよい。コイル１２２および１２３と上部コイル１２０および１２１との（物理的または結合による）接続によって、コイル１２２および１２３は、この磁場生成およびパッドからのバック磁束の抑制をサポートするように動作する。
【０１６１】
図２８に見られるように、図２７の構造１１０は、正面を超えた（すなわち図２６の構造１１０から垂直上方の）領域１２５内に効果的な結合磁束を供給し、同時に、構造の裏側、すなわち図２９の構造１１０の下側における領域１２６における磁束を制御または制限する。
【０１６２】
能動または受動型キャンセルコイルの使用は、多相構造にも拡大され得る。図２９を参照すると、図２８に係る構造が、上層１１１における追加のコイル１３０および下層１１２における対応する追加のコイル１３１を有して示される。追加のコイル１３０は、コイル１２０および１２１によって生成されまたは受け取られる磁束成分と異なる方向を有する磁束成分を生成しまたは受け取るように適合される。たとえばコイル１３０は、垂直方向に磁束を生成すると考えられ得るが、コイル１２０および１２１は、水平方向に磁束を生成すると考えられ得る。コイル１３０は、コイル１２０および１２１によって生成された磁場に空間直交する磁場を生成し得る。コイル１３０は、図示するように、コイル１２０および１２１に対して、それらと最小限に結合する、すなわちそれらとほぼまたは完全に減結合されるように、コイル１２０および１２１とバランス良く重なるように配置され得る。したがって、コイル１２０、１２１、および１３０の組み合わせは、２相減結合トポロジを備える。
【０１６３】
動作中、コイル１２０および１２１によって分極磁場が生成され、図３０に示す中央正方形／円形コイル１３０によって空間直交磁場が生成される。コイル１３０は正方形状であってよく、コイル１２０および１２１よりも小さく、または大きくてもよい。コイル１３０の方が大きい必要がある場合、いくつかの実施形態において、コイル１３０は、コイル１３０の円周内にコイル１２０および１２１が設けられた外周巻線として設けられてよい。
【０１６４】
第２層のコイル１３１は、上述したようなキャンセルコイルとして機能するようにコイル１３０と結合される（が、コイル１２２および１２３とは最小限に結合され、または実質的に減結合される）。したがって、コイル１３１は受動型または能動型であってよく、本明細書のどこかに記載した磁束キャンセルコイルに関して説明したような構造のために磁束パターンを制御するために用いられる。
【０１６５】
図２７および２８を参照すると、装置はＩＰＴ２次構造として設けられてよいことが分かる。１つの実施形態において、必要であれば磁束を更に制御するために、たとえばアルミニウムのバッキングプレート（不図示）などの適切なシールドが層または構造１１２の下に設けられてよく、層または構造１１１は、効果的な電力伝送のための適切な位置が決定されるまで磁場が生成される１次構造に向かって物理的に移動、たとえば上昇してよい。この構成は、車両の基部に構造１１２が設けられ、電力伝送が必要な場合に構造１１１が基部の下側に下降する、図２７に示す構成が逆になった、たとえばトラックまたはバスなどの車両充電アプリケーションの場合に好都合である。いくつかのアプリケーションにおいて離隔距離を手動で変える必要はないが、最も効果的または効率的な電力伝送を供給するため、または電力伝送が行われる際に生じる磁場の種類を制御するために、離隔距離を変えることが有利であり得る。必要なパラメータ、すなわち電力伝送の大きさ、電力伝送の効率、または磁場特性に依存して構造１１１および１１２の間の距離または相対位置の必要な調整を実行するために、制御システムが設けられてよい。
【０１６６】
上述したように、図２７に示す構成は、たとえば車道内に設けられる、磁束を生成するための１次側構造として用いられてもよい。たとえばフェライトなどの透磁性磁気材料が存在する必要はないので、この構造は、たとえばコンクリートなど低い透磁率を有する任意の材料が構造１１１および１１２の間または周囲に設けられ得ることによる数々の利点を有する。
【０１６７】
上記概念を組み合わせると、ほぼ無制限の多種多様なアプリケーションと併用され得る片面フェライトレス磁束結合構造（たとえばパッド）の選択肢から全てが成る一群を展開することができる。たとえばそれらは、大きさまたは厚さに依存して、車道の一部として、または車両パッド上に、隣り合ったパッドまたはトラックセグメントとして形成される個々のパッドとして車道システム内で用いられてよい。またこれらは、小型の電気機器への電力伝送のために低電力アプリケーションで用いられてもよい。
【０１６８】
このパッド群は、磁束がパッドの上側に存在するように成形される高いＮＩを有する上部巻線と、磁束成形およびパッドの裏側における磁束の抑制（パッド構造に対する片面磁束経路の生成）のための、上部巻線と同一であるが逆方向に接続された下部巻線構造とを用いる。この一群のトポロジは、図２８に示すように、動作中、磁束が主にパッドの上面から出射することが示される、図２７に示すようなフェライトを有さないＤＤ分極構造、または、図２９に示すようなたとえばＤＤＱなどの２相減結合トポロジを含む。
【０１６９】
２面磁場を有する既知の単相トラックトポロジが図３０に示され、ここでは、巻線における電流の方向に起因して、電源１４１によって駆動されるトラック１４０の長さに沿って北極および南極が交互に存在する。上記の単相パッドのために提案された構造を用いて、ここでは、図３１に示すような上部巻線と１８０度逆位相の電流およびより低いＮＩで動作する、主要巻線から所定の距離だけ下に位置する同一構造１４０’を用いてトラックを完成させることによって、（フェライトを必要とせずに）トラックの上側に片面磁場が生成され得る。
【０１７０】
図３０の単相トラックは、図３２（ａ）に示す空間的重なりによって減結合された巻線４３および１４４を有する既知の２相トラック構造に変換されてよく、提案された技術を用いて、キャンセルまたは反射巻線１４３’および１４４’を追加することによって、図３２（ｂ）のようにフェライトを使用せずに片面磁場構造が得られ得る。このトラックは単純に、（２つのセクションが示される）図３２（Ｃ）のように車道または通路の全長に沿って縦続した個別に通電され得る追加のセクションを付加することによって、任意の方向に拡張され得る。各セクションは、車両がトラックセクションの上に存在する時にしか通電されない。
【０１７１】
あるいは図３１の２相トラックは、相巻線１４７および反射巻線１４７’を有する図３２（ｄ）に示すような３相片面トラックトポロジと置き換えることができ、トラックの上部および下部は逆位相で通電され、上部巻線が巻線の下部より（通常２〜３倍）大きいＮＩを有することにより所望の片面移動磁場を生成する（ここではトラックは、２層トラックの減結合特性ではなく、一定の基本的にバランスが取れた相互結合を有する）。
【０１７２】
図３３と同じこの概念を用いて、独立減結合巻線１４９Ａ、１４９Ｂ、および１４９Ｃおよび反射巻線１４９Ａ’、１４９Ｂ’、および１４９Ｃ’を備える３相片面パッドも考案され得る。
【０１７３】
当業者には、本明細書で説明される構造が様々な規模で設けられてよいことが分かる。したがって、上述した電動車両のための無線充電に関する例に加えて、装置は、たとえば時計、携帯電話、および他のモバイルコンピューティングまたは通信デバイスなどのパーソナル電子デバイスといったはるかに低電力のデバイスに給電するためにも使用可能である。
【０１７４】
１つの実施形態において、図３４（および本明細書で説明される他の図）に示すような構成は、無線電力伝送構造１５１が、たとえばプリント回路基板１６０（ＰＣＢ）構造または同様の材料などの電子部品を設置または配置するために用いられる基板の片面に複数の巻き数の導電材料を備えるコイル１５２を有する第１層と、ＰＣＢの他方の面に導電材料で形成されたコイル１５４を備える第２層とを備えるように形成されてよい。そのような構成は、磁気材料、特にたとえばフェライトなどの脆性磁気材料が必要ではなく、磁気構造全体が単純かつ容易に製造され、たとえば携帯電話などの電子デバイスに非常に容易に設けられるという利点を有する。またこれは、大幅な軽量化も実現する。１つの実施形態において、１つの層のターンがＰＣＢの片面にプリントされ、他の層のターンがＰＣＢの他方の面にプリントされてよい。これは、ＰＣＢ４０の片面にプリントされた上部コイル１５２および反対側の面にプリントされたコイル１５４を断面図で示す図３４に図示される。
【０１７５】
他の実施形態が図３５に（断面図で）示され、ここでは、多層ＰＣＢの片面に隣接する複数のＰＣＢ層の上に磁気構造の第１のコイルまたは層のターン１６２がプリントされ、多層ＰＣＢの他方の面に隣接する複数のＰＣＢ層の上に磁気構造の第２のコイルまたは層のターン１６３がプリントされている多層ＰＣＢ１６１が提供される。
【０１７６】
これらの潜在的アプリケーションにより、脆いフェライトを一切必要とせずにＰＣＢまたは類似の材料を磁束ガイドとして使用することが可能である。それらは、非常に低電力での電力伝送により、生成された片面磁場が電気器具にまで侵入しないように成形されることが確実であるため、電気器具において用いられ得るという利点を有する。磁場形状の片面特性は、大きなアルミニウムまたは銅シールドの必要性（さもなければ、デバイス内での加熱および効率低下を招く）を最小限にする。また、１次パッドおよび２次パッドの両方がフェライトレスであってよいので、１次パッドおよび２次パッドの自己インダクタンスが相対位置によって変化しないことを確実にするために適切な同調が用いられる場合、移動中または通常動作中、フェライトまたは類似の透磁性材料が存在することによる離調の可能性がない。このように、離調の原因となる物体はいずれも電力伝送のための適切なデバイスではなく、システムは、これらの条件下で電力伝送が発生しないように設計され得る。したがって、そのようなフェライトレスシステムは（高電力および低電力アプリケーションのいずれの場合も）、電力伝送が生じる領域または近傍における異物の検出を容易にするように設計され得る。
【０１７７】
上述したように、第１層またはより高いＮＩを有する巻線の部分を備える車両パッドは、車体に固定されたままの、小さいＮＩを通す巻線の第２の部分を有する相補的なフェライトレスパッドまたはフェライト搭載パッドのいずれかであってよい路面パッドによる電力伝送が必要である場合、路面に近づくように下降してよい。これは特に、車道で静止または走行する際、無線パッドの一部のみが所定の位置に下降するため、地上高が高い車両の場合に特に有利である。これは、磁場が所望どおりに成形されることを確実にするとともに、車道パッドまたは車両パッドのいずれかまたは両方がフェライトレスであってよいことを意味し得る。両方のパッドがフェライトレスである場合の追加の利点は、第２のパッドにおける隣接するフェライトの近接に起因する離調の問題が排除され、鉄鋼材料を含む異物が間隙にあった場合、検出することが容易になる点である。
【０１７８】
図３６および３７を参照すると、結合のために使用可能な磁場の生成を目的としてコイルが他方のコイルに対して移動し得る実施形態が示される。第１のコイル２００は、たとえば車道内に設けられた固定式の第２のコイル２０１に隣接して設けられる。コイル２００は、たとえば車道面であってよい面２０２に隣接して設けられる。第１のコイル２００は、たとえば（適切なシールドを備える）電気式、機械式、空圧式、または液圧式で動作し得るリニアアクチュエータを備えてよいアクチュエータ２０４によって支持される。
【０１７９】
これらのアクチュエータは、コイル２００および２０１を互いに対して動かすことができる。したがって、図３７において、アクチュエータ２０４は、第１のコイル２００を、たとえば車道面２０２など隣接する面から突出する延出位置に動かすように動作している。使用中、図３７に示すように第１のコイル２００は、図３７の車道面の上に位置する車両に設けられた２次構造に近づくように上昇位置に動かされてよい。図３６に示す向きに配置される場合、隣接するパッド構造は動作不可能であり得る。その後、パッド構造の上の適切な位置に車両がある時、アクチュエータ２０４は、図３７に示す位置に第１のパッド２００を持ち上げるために用いられてよく、本明細書で上述されたようにパッドが通電されてよく、コイル２００は結合磁束を生成し、コイル２０１は、コイル２００に対して必要な距離だけ間隔を有するが、適切なキャンセル磁場を生成することにより車両によって受け取るためにパッド構造の上面に沿った方向で結合磁束を供給するように通電される。
【０１８０】
図３６および３７のパッド構造は逆になってもよく、例えばパッドを受信器（または生成器、または磁束および双方向システムとして）として作動させることができるように、必要な結合が生じ得るように車両と道路との間の距離を減らしながら、パッド構造２００を道路に向かって下げるアクチュエータ２０４を使用し得る車両のような他の装置上で使用されてもよいことが理解される。
【０１８１】
たとえば、コイル２００は、車両が静止しており、適切な車道磁束結合構造の上に位置する場合、下降してよい。他の実施形態において、コイル２００は、１つまたは複数の通電した磁束結合構造を有する車道の適切なセクション上を車両が移動している間に下降してよい。そのような構成の利点の１つは、コイル２００にフェライトが存在しないため、コイルは非常に頑丈であり、たとえば車道内の無作為の物体によって著しく損傷することが稀であるという点である。また、コイル２００は軽量であり、たとえばプラスティック材料や場合によってはセラミック材料などの適切な材料で覆われ得るので、車両から下降させるのが容易であり、特に何らかの理由により交換が必要な場合、比較的安価である。また、以下で詳述するように、下降するコイル（または磁気構造のコイル）は、車道環境における性能を改善するための他の物理特性を考慮して設計されてよい。一例において、たとえば車両が高速で移動している間、車道からほぼ一定の距離を維持する境界層効果を利用するように、コイル２００はほぼ平面状であり、適切な流体／空力特性を有する形状の材料で覆われる。必要な場合、たとえばアルミニウムなど他のシールドが車両とパッドとの間で用いられてよい。フェライトまたは類似の透磁性材料の低減によって、車両重量を有利に低減することができる。
【０１８２】
いくつかのアプリケーションにおいて離隔距離は手動で変えられる必要はないが、最も効果的または効率的な電力伝送を供給するため、または電力伝送が行われる間に生じる磁場の形状を制御するために、離隔距離を変えることが有利であり得る。たとえば図６を参照して本明細書で上述したような装置を含む制御システムは、必要なパラメータ、すなわち電力伝送の大きさ、電力伝送の効率、または磁場特性に依存して、構造間の距離または相対位置の必要な調整を実行するために設けられ得る。
【０１８３】
当業者には、上記（およびこの場合は本明細書で説明された他の構造）が様々な規模で提供され得ることが分かる。したがって、上述した電動車両のための無線充電に関する例に加えて、装置は、たとえば時計、携帯電話、および他のモバイルコンピューティングデバイスや通信デバイスなどのモバイル電子デバイスといった、はるかに低電力のデバイスの給電にも使用可能である。
【０１８４】
これらの可能なアプリケーションによって、たとえば脆いフェライトを一切必要とせずに磁束ガイドとしてＰＣＢを用いることが可能である。それらは、非常に低電力での電力伝送により、生成された片面磁場が電気器具にまで侵入しないように成形されることが確実であるため、電気器具において用いられ得るという利点を有する。磁場形状の片面特性は、大きなアルミニウムまたは銅シールドの必要性（さもなければ、デバイス内での加熱および効率低下を招く）を最小限にする。また、１次パッドおよび２次パッドはいずれもフェライトレスであってよいので、１次パッドおよび２次パッドの自己インダクタンスが相対位置によって変化しないことにより、移動または通常動作中の離調の可能性がない。このように、離調の原因になる物体はいずれも電力伝送のための適切なデバイスではなく、本システムは、これらの状態で電力伝送が発生しないように設計され得る。したがって、そのようなフェライトレスシステムは（高電力および低電力アプリケーションのいずれの場合も）、電力伝送が生じる領域の近傍にある異物の検出を容易にするように設計され得る。
【０１８５】
しかし、２つ以上のコイルが用いられ得る他の方法も存在する。たとえば、電力伝送のための有効な磁場が供給され得る距離を拡大するために、中間共振構造が設けられてよい。したがって、上述した複数コイル構造は更に、たとえば車両または道路に設けられる中間共振コイルに通電するために用いられ得る。また、中間コイルは、磁場を拡張または制御するために、たとえば図６に関して説明されたような装置を用いて道路または車両に対して動かされてよい。
【０１８６】
図３８を参照すると、車道を通る断面図が示される。この例において、最も下にあるコイル構造２１０は、地中に設けられる。コイル２１０は、たとえば本明細書のどこかに記載したように、フェライトベースの構造を備えてよく、またはフェライトレス構造であってもよい。受電構造２２０は、道路から電力を受け取り、この構造もフェライト構造またはフェライトレス構造であってよい。また、構造２１０および２２０はいずれも、それ自体に複数のコイル磁束結合器構成を備えてよい。
【０１８７】
図３８を続けて参照すると、２つの中間磁束結合構造が存在する。第１は、路面２０２に隣接して配置されるパッド２１２である。第２の中間構造は、車両から下降し得るパッド２１４である。中間パッド２１２および２１４は、構造２１０と２２０との間の誘導電力伝送のために必要な周波数で、またはその周波数付近で共振するように、（それら自体が備える設計によって、または容量素子を用いることによって）簡単に同調され得る。これらの共振または近共振中間構造または結合器は、１次パッドと２次パッド（または他の中間構造）との間で動作し、磁場が延出し得る距離を拡張することができる。
【０１８８】
図３８の例は、交通障害から隔離された道路の地下深くに底部コイル２１０を設けることができるので、フェライトを含んでよい。パッド２２０に到達する磁束はそれらを共振させることにより、路面の上方に磁場を延出する。上述したように、コイル２１２は、付属のワイヤがない自給型共振器であってよく、フェライトレスかつたとえばセラミックまたはプラスティック材料に覆われ非常に強度が高い。コイル２１４はコイル２１２から磁束を受け取り、コイル２１４を共振させ、コイル２１４からパッド２２０へ電力を結合させる高いアーチ状磁束を生成する。共振器コイル２１４は、実際は、道路の上で自動車やトラックから下降し、それらに電力を伝送させ得る。本明細書で上述したように、たとえばアクチュエータ２０４などの装置は、中間共振構造を上昇または下降させるために用いられてよい。また、いくつかの実施形態においては、共振器は車両から下降するのではなく道路から上昇してもよい。共振器は付属のワイヤを有さず、簡易かつ安価なものであり、破損した場合にも修理または交換が容易である。実用上、共振器は、（たとえばハードディスクドライブと同様の方式で）適切な高さに浮上するために、たとえば近接層または境界層効果を用いて路面より５０〜１００ｍｍ上をかすめることができる。必要な場合は、路面から相当な高さで出力するために、車上の他の共振器がこの共振器に結合される。
【０１８９】
このように、路上パッドは地下深く埋設され、より頑丈であり、車両に付随するパッドは、軽量かつほとんど場所を取らず、路面が使用可能である場合のみ、電力をピックアップするために下降する。パッドの破損は稀かつ低コストであり、たとえばプラスティックなど安価で頑丈な材料に覆われてよい。中間結合器装置は、図３６および３７のパッド構造と併用するために代替的に設計され、図３６および３７のパッドを、一方が移動式かつ軽量である２つのコイルに分割できるという事実を利用するように設計されてよい。
【０１９０】
パッド２１２および／または２１４は、道路にチップが散乱した状態を残さず、連続的に機能しないように設計されてよい。他の可能性も存在する。部分的に車両から下降するパッドは、道路下にあるパッドによって駆動される路面上のパッドから磁束を収集することができる。
【０１９１】
図３９を参照すると、他の実施形態が示される。この実施形態には単一の中間構造２１４が存在するが、当業者は、複数の中間構造が用いられてもよい（たとえばこの構成またはその一部が図３８の構成と併用されてよい）ことを理解する。構造２１４は、たとえば図８のコイル２０および２１に関して説明したように、層状に配置され、わずかな（すなわち、ほぼゼロまたは理想的にはゼロの）相互結合を有する２つ以上のコイルを備える。上述したように、コイルは同調され、磁場を拡張するように機能する。またコイルは、上述したように車両から下降してよい。このコイル構成は、個々のコイル２０、２１などのいずれか１つまたは複数が、１次構造として動作するパッド構造によって生成される磁場に依存して、必要に応じて通電され得るという利点を有する。したがって、この構成は、多種多様な磁束結合構造２１０および２２０間で中間結合器として用いられてよい。たとえば、ダブルＤ構造が１次構造として用いられる場合、または双極パッドがダブルＤ（すなわち極性）モードで動作する場合、構造２１４はそのモードで動作し、磁場を拡張するように機能する。同様に、たとえば直交コイルを含むダブルＤ構造など、他の複数コイル構造が構造２１４の代わりに中間結合器として用いられてよい。たとえば、本明細書のどこかに記載されるように、コイルが位相関係に配置される、または位相関係で動作するように構成される多相構造が用いられてよい。これらの中間構造はフェライトレスであってよく、または選択された容量の透磁性材料を含んでもよい。
【０１９２】
もちろん、いくつかの実施形態において、１つの中間結合器のみが設けられてよい。また、本明細書において説明されるこれらの積層型コイル構成は、他の実施形態において、たとえばパーソナルまたはモバイル電子機器など他の用途にも適用されてよいことが分かる。
【０１９３】
上記は本発明を広義で説明するものであり、本発明の好適な実施形態を含む。しかし、当業者には容易に明らかになる変形例や代替例は、本明細書において説明される本発明の範囲内に含まれることが意図される。
【図１】
2017530562.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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【図５（ｄ）】
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【図５（ｅ）】
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【図５（ｆ）】
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【図５（ｇ）】
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【図６】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図７（ｃ）】
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【図７（ｄ）】
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【図７（ｅ）】
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【図７（ｆ）】
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【図８】
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【図９】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１０（ｃ）】
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【図１０（ｄ）】
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【図１０（ｅ）】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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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２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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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】
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【図３２（ａ）】
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【図３２（ｂ）】
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【図３２（ｃ）】
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【図３２（ｄ）】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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