JP2018506257A

JP2018506257A - 誘導電力送信機

Info

Publication number: JP2018506257A
Application number: JP2017540819A
Authority: JP
Inventors: リャンチェン，
Original assignee: パワーバイプロキシリミテッド
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2018-03-01
Also published as: WO2016126167A1; US11251661B2; EP3254352A1; EP3254352A4; CN112510849A; KR20170115569A; CN107302846A; AU2016216178A1; US20200204013A1; WO2016126167A9; CA2975405A1

Abstract

誘導電力送信機２は、複数の送信機コイル７、受信機３と結合するようにコイル７に選択的にエネルギーを与えるように構成されたコントローラ８を有し、選択されるコイル７は、受信機３の向き、電力伝送最適化アルゴリズム、又はルックアップテーブルに依存する。【選択図】図１

Description

本発明は誘導電力送信機に関する。

多くの異なる種類の電気システムにおいて電気変換器が見出されている。一般的に言えば、変換器は、第１の種類の供給を第２の種類の出力へ変換する。このような変換は、ＤＣ−ＤＣ、ＡＣ−ＡＣ及びＤＣ−ＡＣの電気変換を含みうる。いくつかの構成において、変換器は、任意の数のＤＣ及びＡＣ「パーツ」を有してもよく、例えば、ＤＣ−ＤＣ変換器は、トランスの形式で、ＡＣ−ＡＣ変換器を包含しうる。

変換器の使用の一例は、誘導電力伝送（ＩＰＴ）システムにおけるものである。ＩＰＴシステムは、確立された技術（例えば、電気歯ブラシの無線充電）及び開発中の技術（例えば、ハンドヘルド機器の「充電マット」上での無線充電）の周知の領域である。

本発明は、改善された誘導電力送信機を供給しうるし、又は公に有用な選択肢を与えうる。

１つの例示の実施形態によれば、
複数の平面送信コイルと、
ＡＣ供給信号を提供するように構成されるインバータと、
個別の送信コイルに供給される前記ＡＣ供給信号を調整するようにそれぞれが構成される複数の制御デバイスと、
を有し、
前記複数の送信コイルにおける調整されたＡＣ供給信号によって生成される磁界の方向が拘束されない誘導電力伝送受信機に実質的に結合するように構成される誘導電力送信機が提供される。

さらなる実施形態によれば、請求項１、１７、３５、４７、５２又は５４のいずれかに記載の送信機が提供される。任意の実施形態が、請求項１から６４のいずれかからの特徴の任意の組み合わせに従って実装されうる。

用語「comprise」、「comprises」及び「comprising」は、様々な管轄において、排他的又は包含的な意味に帰しうることを認識している。この明細書の目的に対して、そして、ほかに注釈のない限り、これらの用語は包含的な意味を有することが意図され−すなわち、それらは、直接的な参照を使用する列記された要素と、さらに特定されていない他のコンポーネントまたはエレメントの包含を意味するように用いられる。

この明細書における任意の文書への参照は、それらの文書が先行技術であることの承認を構成するものではなく、共通の一般的な知識の一部を形成するものではない。

本明細書に組み込まれると共にその一部を構成する添付の図面は、上で与えられた要約及び以下の詳細な説明と共に例示の実施形態を図解する。
誘導電力伝送システムのブロック図である。例示の送信機のブロック図である。、図２における送信機に対する送信コイルの例示のレイアウトである。、、、図２における送信機の動作のための場の図である。第１の例示の回路の回路図である。、、第１の例示の回路に対する波形のグラフである。第２の例示の回路の回路図である。第２の例示の回路に対する波形のグラフである。第３の例示の回路の回路図である。第４の例示の回路の回路図である。第４の例示の回路に対する送信コイルの例示のレイアウトである。、第４の例示の回路に対する波形のグラフである。より大きいｚの高さを得るための送信機の動作のための場の図である。例示のソースコイルと共振器コイルの実装の概略図である。プロトタイプのソースコイルと共振器コイルの実装の概略図である。受信機の位置／向きに応じてどのコイルが励起されるかの概略図である。さらなる実施形態による送信機の回路図である。

ＩＰＴシステムは、通常、誘導電力送信機及び誘電電力受信機を含む。誘導電力送信機は、１つまたは複数の送信コイルを含み、交流磁界を生成するために適切な送信機回路によって駆動される。交流磁界は、誘電電力受信機の１つまたは複数の受信コイルに電流を誘起する。そして、受信された電力が、電池を充電し、又は誘電電力受信機と関連付けられた機器もしくはいくつかの他の負荷に電力を与えるのに用いられうる。

携帯電話の充電のための充電マットの一般への受け入れのために、様々な製造業者が共通の標準に同意しようとしている。これは、コンシューマ機器への充電のための誘導電力伝送に対する多数の最小限の要求を特定する。例えば、ワイヤレスパワーコンソーシアム（ＷＰＣ）のＱｉ１．１規格に準拠するために、機器は、マットの表面に近接して配置される必要がある。

１つのオプションは、機器上の所定の姿勢、例えば平らに、充電対象の機器を設置するようにユーザを制約することでありうる。別のオプションは、機器の姿勢が制約されなかった場合のものである。しかしながら、送信場が適切に結合されることを確実にするために、様々な姿勢の多数の受信コイルを提供すること又は様々な姿勢の多数の送信コイルを提供することが必要でありうる。いずれのオプションも、機器の設計を大きく制限するかもしれず、一部のマーケットに対して実現可能でないかもしれない。

１つの解決策は、多数の重複する平面送信コイルを使用することであり、そこでは、コイル電圧が全体の場の方向を操作するように制御される。これは、送信機マットが平面であること、及び、受信機が単一の受信コイルを有すること、そして、任意の３Ｄ方向に向けられることを可能とする。そして、場の方向は、適合するように変更される。１つの実装は、ＡＣ供給からＤＣバスへの変換を行い、別個のフルブリッジインバータがＤＣバス電圧を各送信コイルのための所望のＡＣ電圧の大きさおよび位相へ変換する、送信機に対するものである。

図１は、選択肢の実装による誘導電力伝送（ＩＰＴ）システム１の描写を示している。ＩＰＴシステムは、誘導電力送信機デバイス２と、誘電電力受信機デバイス３とを含む。誘導電力送信機２は、（主電源などの）適切な電源４及びインバータ６に接続されるＡＣ−ＤＣ変換機５の１つ以上を含みうる送信機回路に、接続される。送信機回路のインバータ６は、送信コイル７が交流磁界を生成するように、一連の送信コイル７にＡＣ信号を供給する。いくつかの構成では、送信コイル７は、インバータ６から分離されるように見なされてもよい。

誘導電力送信機２内のコントローラ８は、誘導電力送信機２の各部分に接続されうる。コントローラ８は、誘導電力送信機２の各部分からの入力を受信し、各部分の動作を制御する出力を生成するように適合されうる。コントローラ８は、１つのユニットまたは分離された複数のユニットとして実装されうる。コントローラ８は、電力フローと、チューニングと、送信（送信機）コイルへ選択的に電圧をかけることと、誘電電力受信機検出と、通信との少なくともいずれかを例えば含む、その能力に応じて、様々な態様の誘導電力送信機２を制御するように適合されうる。

誘電電力受信機３は、負荷１１へその後に電力を供給する電力調整回路１０を含みうる受信機回路に、接続される１つまたは複数の受信コイル９を含む。誘導電力送信機２及び誘電電力受信機３のコイル７、９が適切に結合されると、１つまたは複数の送信コイル７によって生成された交流磁界が、１つまたは複数の受信コイルに交流電流を誘起する。電力調整回路１０は、負荷１１に対して適切な形式に、誘起された電流を変換する。１つまたは複数の受信コイル９は、共振回路を生成する並列の又は直列の（共振）キャパシタ（不図示）に接続されうる。いくつかの誘電電力受信機において、受信機回路は、１つまたは複数の受信コイル９と、受信回路による負荷１１へ供給される電力と、通信との少なくともいずれかのチューニングを例えば制御しうるコントローラ１２をさらに含みうる。

用語「コイル」は、電流が磁界を生成する電気的に誘導性の構造を含みうる。例えば誘導「コイル」は、３次元形状又は２次元形状の電気的に誘導性のワイヤ、プリント基板（ＰＣＢ）技術を用いて複数のＰＣＢ「層」にわたって製造された３次元形状電気的に誘導性の材料、及び他のコイルのような形状でありうる。用語「コイル」の使用は、単数形または複数形のいずれにおいても、この意味に制限されることは意味していない。用途に応じて他の構成が用いられうる。

例示の送信機２を図２に示す。この実施形態では、複数の送信コイル７が、インバータ６と共に、２０２、２０４、２０６、２０８で示されている。各コイル２０２、２０４、２０６、２０８に対して、個別の制御デバイス２１０、２１２、２１４、２１６が直列に用意されている。この方法では、インバータ６からの電圧と電流との少なくともいずれかの大きさと位相との少なくともいずれか２１８は、各コイルに対して独立に調整２２０されうる。これは、生成された全体の磁界を、大きさと方向との少なくともいずれかにおいて制御することを可能とする。コイル２０２、２０４、２０６、２０８は、平面で、重なって、又は相互に分離されて、製造されうる。このように、磁界は、３次元でコイルを使用することなく、かつ、各コイルに対応する別個のインバータに対する要求なく、３次元で操作されうる。これは、より単純な回路又はより低いコンポーネントのコスト又はより低い損失又はより小さい電波到達範囲の少なくともいずれかの利点を有しうる。

図３（ａ）及び３（ｂ）は、例示の送信機コイルのレイアウト３００を示している。図３（ａ）において、３つ及び４つの重畳するコイル構成が平面構成において示されている。この方法では、コイル電流は、送信機２の表面上（及びＺ方向における面の上）の所与の位置において様々な磁界ベクトルを達成するように調整されうる。各コイルにおける電流を変動させることにより、図のように、様々な場の方向が想定される。図３（ｂ）の１６個のコイルを伴うレイアウトは、より複雑な場の操作を可能とする。

コイルは、図４（ａ）から（ｄ）に示されるように操作されうる。コイル電流の振幅と位相との少なくともいずれかは、受信機への最適な誘導伝送を発見するためにスキャンされうる。例えば、図４（ａ）では、２つの隣接重畳コイルが、コイルのそれぞれと結果の磁界を駆動する電流の位相と共に図解されている。各コイルの中心近くの縦の矢印は、各コイルを励起するのに使用される電流を表す。２つの電流間の相対的な位相と振幅との関係に応じて、結果の磁界の方向を操作することができる。図４（ｂ）は、様々な位相及び振幅を用いて駆動される場合に、磁界シミュレーションソフトウェアＪＭＡＧを用いて想定される磁界を図解している。図４（ｃ）は、可能な受信機コイルの各姿勢及び位置に対して、電力伝送を最大化するために電流の位相と振幅を制御することによって、生成される磁界の方向を操作可能であることを示している。これらの電流を図４（ｄ）に示す。

第１の例示の回路図５００を図５に示す。インバータ６は、２つのＭＯＳＦＥＴスイッチを用いたハーフブリッジである。インバータ６は、ＡＣ電圧をＡＣフィルタＬ₁ Ｃ₁に供給する。各送信コイルＬ₂ Ｌ₃は、フィルタリングされたＡＣ電圧バスに並列接続される。各コイルは、自身に関連付けられた１つ以上の制御デバイスを有する。第１のブランチは、コイル電流の大きさを制御するために、各個別のコイルＬ₂ Ｌ₃と直列のＡＣスイッチＳ₃ Ｓ₄を含む。第１のブランチと並列の第２のブランチは、コイル電流の位相を制御するために、個別のＡＣスイッチＳ₁ Ｓ₂と直列のキャパシタＣ₂ Ｓ₃を含む。

回路５００のシミュレーションを図６に示す。図６（ａ）は、Ｌ₂における電流の大きさが低減された場合に、Ｌ₃における電流が一定にとどまり、一方で、それより十分に小さいインバータ電流が若干低減することを示している。図６（ｂ）において変化の前の、図６（ｃ）において変化の後の、電流波形をより詳細に示す。

第２の例示の回路図７００を図７に示す。インバータ６は、ＭＯＳＦＥＴスイッチを用いたハーフブリッジである。インバータ６は、ＡＣ電圧をＡＣフィルタＬ₀ Ｃ₀に供給する。各送信コイルＬ₁ Ｌ₂ Ｌ₃は、フィルタリングされたＡＣ電圧バスに並列接続される。各コイルは、自身に関連付けられた１つ以上の制御デバイスを有する。第１のブランチは、コイル電流の大きさを制御するために、ＡＣスイッチＳ₁ Ｓ₈ Ｓ₁₀を含む。第１のブランチと並列の第２のブランチは、コイル電流の位相を制御するために、個別のＡＣスイッチＳ₂ Ｓ₃ Ｓ₉と直列のキャパシタＣ₆ Ｃ₈ Ｃ₁₀を含む。

回路７００のシミュレーションを図８に示し、これは、Ｌ₁における電流がＬ₂と同相であるが、Ｌ₃とは位相が外れていることを示す。

第３の例示の回路図９００を図９に示す。インバータ６は、２つのＭＯＳＦＥＴスイッチを用いたハーフブリッジである。インバータ６は、ＡＣ電圧を供給する。各送信コイルＬ₁ Ｌ₂ Ｌ₃は、ＡＣ電圧バスに並列接続される。各コイルは、自身に関連付けられた１つ以上の制御デバイスを有する。第１のブランチは、コイル電流の大きさを制御するために、キャパシタＣ₁ Ｃ₃ Ｃ₅と直列のＡＣスイッチＦＥＴ₁ ＦＥＴ₃ ＦＥＴ₅を含む。第１のブランチと並列の第２のブランチは、コイル電流の位相を制御するために、個別のＡＣスイッチＦＥＴ₁ ＦＥＴ₃ ＦＥＴ₅と直列のキャパシタＣ₂ Ｃ₄ Ｃ₆を含む。２つの補償キャパシタＣ₇ Ｃ₈は、キャパシタ電流を制御するために、独立してＡＣ電圧バスに並列に、個別のＡＣスイッチＦＥＴ₇ ＦＥＴ₈とそれぞれが直列に、接続される。

第４の例示の回路図１０００を図１０に示す。インバータ６は、２つのＭＯＳＦＥＴを用いたハーフブリッジである。インバータ６は、ＡＣ電圧を供給する。各送信コイルＭ₁ Ｍ₂ Ｍ₃は、ＡＣ電圧バスに並列接続される。各コイルは、自身に関連付けられた１つ以上の制御デバイスを有する。第１のブランチは、コイル電流の大きさを制御するために、キャパシタＣ₁ Ｃ₃ Ｃ₅と直列のＡＣスイッチＦＥＴ₁ ＦＥＴ₃ ＦＥＴ₅を含む。第１のブランチと並列の第２のブランチは、コイル電流の位相を制御するために、個別のＡＣスイッチＦＥＴ₁ ＦＥＴ₃ ＦＥＴ₅と直列のキャパシタＣ₂ Ｃ₄ Ｃ₆を含む。共振コイルが各送信コイルに緩やかに（０．０１から０．３の間の、例えば実質的に０．２周辺のｋ）結合され、補償キャパシタＣ₉ Ｃ₁₀ Ｃ₁₁が共振コイルと直列接続される。２つのさらなる補償キャパシタＣ₇ Ｃ₈は、キャパシタ電流を制御するために、ＡＣ電圧バスに並列に、個別のＡＣスイッチＦＥＴ₇ ＦＥＴ₈にそれぞれ直列に、接続される。

共振コイル及び補償キャパシタ回路は、送信機の動作周波数と異なる周波数に調整されうる。これは、動作周波数より、１〜２０％低くてもよい。例えば、送信機が１１０ｋＨｚで動作する場合、共振器は１００ｋＨｚに調整されうる。１１０ｋＨｚにおいて、共振器は、非常に小さいインダクタンスを有するインダクタとして模擬されうる。容量性であることが要求される場合、共振周波数は、動作周波数より１〜２０％高くすべきである。したがって、送信コイルに流れる小さい電流に伴い、それより非常に大きい電流が共振コイルを流れる。これは、共振器コイルが、電力を伝送するための容量性補償電流（ＶＡ）のほとんどを供給することを意味する。送信機コイルにおいて小さいＶＡのみが流れるため、結合効率に大きく影響することなく、低い自然のＱを有することができる。

これは、インバータスイッチがより大幅に小さい電流を切り替える必要しかないため、それらをより大幅に低いレーティングで格付けすることを可能としうる。スイッチング損失及び伝導損失は、より低くなりうる。送信機コイル上への反射実負荷（reflected real load）は、その電流がより大幅に小さいため、より容易に検出可能である。また、共振回路が受動コンポーネントのみからなるため、共振コイルの自然Ｑを増やすことがより容易である。

送信機が受信機に近接している（結合条件が良好である）場合、起こりうるフェライトの存在は、コイルのインダクタンスを増加し、自動で全体の生成されるＶＡを低減する。これは、極めて大きいＶＡが生成されることを伴って起こるかもしれない過電圧状態の可能性を回避する。

補償キャパシタを送信コイルに結合するための、様々な異なる結合形態を図１１に示す。共振コイル及び送信コイルは、他のものより大きいものであり、同心状でありうる。代わりに、単一の共振コイルが、複数の送信コイルと重畳してもよい。さらなる選択肢において、単一の共振コイルは、より大きい複数の送信コイル内の同心状であってもよい。

図１２（ａ）は、共振コイル電圧が送信機コイルより非常に高いこと、そして、共振コイル電流が送信機コイルより非常に高いことを示している。図１２（ｂ）は、送信機コイルの電流が非常に低く、異なる負荷状況に起因する位相シフトを検出するのがより大幅に容易であることを示している。

図１３は、コイル電流上での制御によって、コイルが、充電マットの面から直交の場の高さ（ｚ）を全体に高く生成するように、自身のフィールドを強化することが可能となることを示している。これは、機器をより離れた距離から充電することを可能とする。

さらなる実施形態を図１４に示す。要約すると、共振器コイルのアレイが、受信機に対して場を提供する。共振器コイルは、共振器コイルに電圧をかけるソースコイルと結合されうる。コイルの高さは低くされ、パッキング密度は、受信機への場と結合を最大化するために増やされうる。同様に、共振器コイルは、小さく、そして、生成された場を介して高い選択性又は分解能を与えるために数を高く保持されうる。これは、続いて、商業上実行可能な受信機に対して、定まっていない方向で又はより高いｚ高さのアプリケーションでさえ、実践的な結合を可能としうる。スイッチモードがより低い電流ソースコイルへスイッチすることを制限することにより、スイッチング損失が最小化されうる。したがって、共振コイルにおける損失は、スイッチのＲ_{ds_on}に制限される。各共振コイルに対するスイッチは、非調整スイッチと称されうる。

共振器コイルのアレイ１４０２は、互い違いのアレイにおいて示される。６個の共振器コイルのサブグループが、各ソースコイル１４０４に割り当てられ又は関連付けられる。サブグループは、一般に三角形のアレイである。各共振器コイルは、大まかに円形である。各ソースコイルは、大まかに三角形である。

ソースコイルからの場が各共振器コイルと等しく結合することを確実にするために、そして、その後に各共振器コイルによって生成される場がその位置によらずに等しくなるように、ソースコイルの形状が所望の場の分布に従って設計されるべきである。例えば、場の密度がより高いソースコイルの中心に、より近い共振器コイルに対して、ソースコイルはより重畳しないようにすべきであり、より低い場所に対しては、さらにそれらがより重畳するようにすべきである。三角形のサブアレイに対して、ソースコイルは、図１４から分かるように、大まかにブーメラン形状でありうる。

ソースコイルの形状は、用途の要求に従って設計されてもよい。例えば、最初に設計で考慮することは、共振コイルのレイアウトである。共振コイルの互い違いのアレイに対して、大まかに三角形の形状が相対的に効率的である。その一方で、共振コイルが四角形状でレイアウトされると、四角形形状のソースコイルが適切でありうる。

製造中に、共振コイルは、最初に、例えば間にギャップがなく密にパッキングされて、形成され配置されうる。ソースコイルの配列は、期待される製造公差を考慮して、磁気学シミュレーションソフトウェアを用いて最適化可能である。最適化された配列に基づいて、その上にソースコイルを巻き回すことが可能なカスタマイズされたボビンが、例えばＣＮＣマシンで又は３Ｄプリントで、組み立てられうる。そして、巻かれたソースコイルが共振コイルの上に載せられうる。

ソースコイルの設計は、各共振器コイル内の磁界が実質的に同様であることを確実にするためのものでありうる。この文脈において、実質的に同様は、用途の要求に依存するだろう。例えば、典型的なコンシューマの充電マット用途では、１０％より小さい結合係数の差異は、実質的に同様とみなされうる。

共振器コイルは、直列のキャパシタで終端され、共振周波数は、ＩＰＴ動作周波数の近くで選択される。調整された周波数が動作周波数にどれだけ近いかは、共振器コイルにおいてどれだけ多くのＶＡＲが流れるかを決定する。２つの周波数が近くなることは、共振器回路のインピーダンスが低くなることを意味し、したがって、ＶＡＲを増加又は「高く共振」可能である−したがってよく知られた共振器コイルである。２つの種類のコイルの使用は、ソースコイルにより低いＶＡＲが流れることを可能とし、したがって、各ソースコイルに対するスイッチング損失を低減する。一方で、共振器コイルには、関連する高いスイッチング損失を伴わずに、より高いＶＡＲが流れる。

いくつかの実施形態は、ソースコイルが１つ以上の共振器コイルに磁気結合されるように近接して位置付けられ又は位置された、ソースコイルの単一のレイヤのアレイ及び共振器コイルの単一のレイヤのアレイを提供する。さらなる実施形態では、共振器（又はソース）コイルのさらなるレイヤ又はアレイが追加されうる。１つ以上のインバータは、個別に、サブグループで、又は１つのインバータがすべてのソースコイルに電圧をかけることで、のいずれかで、電気的にソースコイルに結合する。１つ以上の共振器コイルにエネルギーを与えることは、ソースコイルのスイッチングと共振器コイルの選択的スイッチングとの少なくともいずれかにより、達成されうる。

受信機へ運ばれる電力及び伝送の効率を最大化するために、用途に応じて、いくつかの正反対の設計因子が考慮されうる。

１つの可能性のある考慮事項は、ソースコイルと共振器コイルとの両方に対する品質係数又はＱを最大化することであり、これがより低い損失ひいてはより良好な結合効率と同じであるためである。高いＱは、それが無効電力ＶＡＲの大部分を供給するため、共振器コイルに対して重要である。共振器コイルのＱは少なくとも１００でありえ、それより低い値は、結合効率が、非常に低い結合状態における５０％より低くなりうることを意味する。

ここで説明した実施形態の１つ以上に関して、Ｑが４００を超えない可能性は低い。高いＱを得るために、より低い抵抗のワイヤが使用される必要がある。コイルの高さが高すぎる場合、そのコイルのより低い部分が受信機コイルからさらに遠ざかり、寄与が小さくなるため、結合係数が落ちる。ある実施形態において、直径における共振器コイルサイズ２０ｍｍに対して、最大高は約５ｍｍである。コイルをより薄くすることの不利点は、そのコイルのＱが（より薄いワイヤによって又は巻き数が小さくなることによって）低減されることが起こりうることであり、そのため最小高は約１ｍｍでありうる。

場に対する所望の分解能を得るために、いくつかの用途において、コイルの数を最大化するが、それにもかかわらず、共振器コイルとソースコイルとの両方の中心の範囲内のフェライトコアの十分な部分を確実にすることが望ましい場合がありうる。さらに、共振器コイルの数が多くなると、コンポーネントのカウントが高くなり、どのコイルにどのようにエネルギーを与えるかの最適化問題の複雑性が高くなる。

共振器コイルのサイズは、受信機サイズに基づいて選択されうる。結合係数を最大化するために、エネルギーが与えられる共振器コイル（１つまたは複数）の組み合わせられた領域が、受信機コイルと同程度のサイズであるべきである。例えば、３２ｍｍ×４８ｍｍの受信機コイルを用いると、一度に２つオンとされるプロトタイプ共振器コイルの直径は２０ｍｍに選択されており、これは、約２０ｍｍ×４０ｍｍの領域を形成する。より大きいコイルを用いると、数少ないコイルが共にオンとなる必要がある（例えば直径が４０ｍｍの場合、１つの共振器コイルのみがオンである必要がある）が、自由度及び空間分解能は低下する。一方、コイルは、小さすぎることはできず、これは、所望の任意の等価コイルサイズを生成するためにより多くのコイルが共にオンとされうるところ、より多くのより小さいコイルは全体の電流パスが非常に長くなり、損失が大きくなることを意味するからである。したがって、ほとんどの用途において、４つまたはそれ以下のコイルが、受信機コイルと同様の全体の領域を有するべきである。

例示の構成を図１５に示す。この例では、ソースコイルは、１〜１０回転の直径１ｍｍのワイヤを有し、共振器コイルは、５〜２５回転の、１００ストランドリッツ線である。

ソースコイルと共振器コイルは、上述のような他のコイルの種類が用途に応じて用いられてもよいが、巻きまわされたワイヤのコイルであることが最も可能性が高い。また、突き出たコア１５０４を伴うフェライトのバックプレーン１５０２は、結合及び効率を向上させるために用いられうる。ソースは、特定の構成の要求に応じて、共振器コイルの下部又は（図１５に示すように）上部でありうる。

単一のソースコイル及び複数の共振器コイルの組み合わせに起因して、システムは、部品公差に対して相対的に感度が高くなりうる。共振器コイルは動作周波数に実質的に調整されるため、公差の変化が、インピーダンス及びＶＡ等の大きい変化に反映される。この理由に対して、共振器のＶＡＲは、ソースコイルのそれを過剰な量（例えば１０より大きく）超えるべきではなく、これは、そのことが回路の感度が高くしすぎるからである。共振器のＶＡＲがソースのＶＡＲの約５倍程度だけ高い場合、約１０％までの部品公差が、なおも、その設計のためにふさわしいだろう。

図１６は、送信機コイルのアレイに対する例示の制御ストラテジを示している。これは、図１４の共振器コイルアレイ、又は直接切り替えモードで管理されるコイルアレイに、用いられうる。例えば図４ｃにおいて、受信機の両サイドのコイルは、受信機に直交な場を最大化するように制御される。受信機が電子機器とフェライトコアとのいずれかに対するシールディングを有する可能性が高いと仮定すると、別のアプローチは、受信機の一方の側においてのみコイルにエネルギーを与えることである。

予測できない受信機の姿勢に対する最悪のケースのシナリオは、電力送信コイルに直交する受信機電力受信コイルである。電力送信コイルからの主要な場が順当に大部分が直交するように、これは、非常に少量がこの最悪のケースの姿勢における電力受信コイルと結合することを意味する。この別のアプローチにおいては、受信機の１つのサイドのコイルのみにエネルギーが与えられるため、これが、効果的な結合のために十分な量が電力受信コイルに直交である点への、そのリターンパスにおける方向を変更する機会を場に与える。磁束の多くの部分は、垂直方向においてさえ、受信機と結合すると考えられうる。この文脈における、多く、は、用途に応じて変動するだろう。例えばコンシューマ充電マットでは、水平姿勢に対する期待される最良のケースの結合係数の少なくとも３０％の結合係数を意味しうる。

図１６は、垂直に向いているコイルに結合するように、受信機に入る水平磁束要素を生成するため、受信機１６０４の１つのサイドにおいて、２つの共振器コイル１６０２がエネルギーを与えられていることを示している。この構成のコイルにおいて、受信機の直下のコイルに対して１つのサイドにおいて隣接するコイルにエネルギーが与えられる。この第１の隣接する列にエネルギーが与えられてもよく、又は、複数の隣接する列にエネルギーが与えられてもよい。１つのサイド（例えばスマートフォンのコイル側）から受信機に入る磁束は、他のサイドの電子部品に過剰な磁束を浴びせることを避けながらの結合を可能とする。これは、コイルと電子機器との間の受信機におけるシールディングにより強化されうる。この利点は、さらに、重畳するコイル又は受信機の下のコイル１６０６にエネルギーを与えないことと受信機の後法のコイルのいずれにもエネルギーが与えられないこととの少なくともいずれかにより、これが、垂直に向けられた受信機に効果的に結合しないであろう磁束を生成することと関連した電力損失を回避しうるため、強化されうる。

代わりに、受信機の垂直方向に向いたコイルを通る水平磁束を強くするために、受信機のいずれかのサイドの共振器コイルにエネルギーが与えられてもよい。ここでも、受信機の直下のコイルはスイッチオフとされてもよい。このような構成は、受信機において電子機器が十分にシールドされているかコイルが電子機器によって支持されていないかの少なくともいずれかであるときの、この受信機に対して適しうる。

これらの構成は、エネルギーが与えられる各コイルに対する位相の制御の準備をするのではなく、コイルのみが選択的にスイッチングされるため、単純なインバータ及びスイッチング回路を許容する。

垂直方向に向いている受信機コイルに関して例を説明したが、当業者であれば、このような構成が部分的に垂直方向に向いている受信機コイルに対しても適していることが理解されるだろう。さらに、ソースコイルと共振器コイルとの両方の使用が、より単純なインバータ設計と低減されたスイッチング損失との少なくともいずれかを提供するが、受信機の１つまたは一方のサイドへのコイルにエネルギーを与える実施形態は、ソースコイルのみを用いて、共振器コイルを用いずに実装されうる。

受信機の位置及び向きは、いくつかの方法で、例えば、異物検出アレイを用いると共に、スマートフォンを含みうるような金属と、そして、コイル及びその結合の相対的な強度と受信信号を相関させることで、判定されうる。代わりに、「許可された」受信機が、磁気結合を最大化するために受信機コイルの向きに実質的に直交に揃えられた受信機を通る磁束を得るように適切なソースコイルと共振器コイルとの少なくともいずれかにエネルギーを与える前に、それが許可された機器であることとその位置と向きを充電マットが判定することを可能とする、異なる送信機からＲＦＩＤなどの信号を放射してもよい。受信機コイルの向きは、受信機の向きから判定されてもよく、それは、受信機の種類又はモデルを介して通信されてもよいし、送信機コイルとの結合から判定されてもよいし、その両方であってもよい。

いくつかの実践的な環境において、１つのサイドに対するコイルの単純なエネルギー付与及び真下のコイルにエネルギー付与しないことに対して、受信機が最適な向きをしていない場合がありうる。例えば、図１６の中央の描画において、受信機は、３つの最も右のコイルを横切って位置しうるが、エネルギーが与えられたコイルの上を一部横切って位置するように角度をなすこともありうる。この状況では、これが受信機を通る垂直磁束の一部を生じさせうるが、同一のコイルにエネルギーが与えられうる。かわりに、垂直に向く磁束の増加を避けるために、最も左下のコイルにエネルギーが与えられてもよい。このような状況の最適化は、用途の要求に従って達成可能である。

水平（受信機のサイドへ）に対して又は垂直（受信機の真下）に対して又は組み合わせに対してのいずれのためにコイルにエネルギーを与えるかは、受信機コイルの向きの角度によって決定可能である。例えば、実質的に４５度の角度（例えば３５〜５５度）が、受信機の下のコイル及び１つのサイドに近接する第１のコイル列にエネルギーが与えられるという結果をもたらしうる。

所与の状況においてどのコイルをオンとするかを判定するために、最適化された解決策に向けて、受信機の位置と向きとのいずれかを判定するか、コイルの組み合わせを繰り返すか、のいずれかが望ましいかもしれない。代わりに、ルックアップテーブルが用いられてもよい。

例えば、送信機は、Ｔｘ面の近くの物体を検出するための物体検出システム（例えば物体検出専用の別のコイル）を含んでもよい。物体が検出されると共にその大まかな位置が分かると、近傍のソースコイルがオンとされうる。物体がＴＸ面から離れている場合、異なるソースコイル及び異なる組み合わせの共振器コイルが、最大電力伝送が判定されるまで、試されうる。物体がＴｘ面に近く検出フェーズの間に共振器によって非常に大きいＶＡが生成される場合、補助的な検出シーケンスが、ソースコイルの段階的なランプアップ、又は、近接しすぎている物体がないと判定されるまでは共振器コイルを初期的にはオンとしないこと、を伴いうる。

一連のソースコイル及び共振器コイルを制御するための例示の回路を図１７に示す。２セットのソースコイルが示されているが、これは任意の構成に拡張されうる。各ソースコイル（Ｌ１、Ｌ５）は、３つの共振器コイル（Ｌ２Ｌ３Ｌ４、Ｌ６Ｌ７Ｌ８）に結合されている。ソースコイルＬ１をオンとするためには、Ｍ３がオンとされ、その後、電流がＬ１を流れる。どの共振器コイルの組み合わせをオンとすべきかに応じて、それらの直列ＭＯＳＦＥＴがオンとされる。例えば、Ｌ２をオンとするために、Ｍ４がスイッチオンとされる。ソースコイルと共振器コイルとの両方における電流の大きさは、ＩＰＴ周波数におけるＭ３の切り替えのデューティサイクルによって調整可能である。

本発明についてその実施形態の説明によって明らかにしたが、また、実施形態について詳述したが、添付の請求項の範囲を制限し、いかなる方法によってでもこのような詳細に限定することを出願人は意図していない。追加の利点及び変形は、すでに当業者には明らかであろう。したがって、その最も広い態様における本発明は、特定の詳細、代表的な装置及び方法、そして、示されると共に説明された説明のための例に限定されない。したがって、出願人の全体的な発明のコンセプトの精神又は範囲から逸脱することなく、このような詳細からの離脱がなされうる。

Claims

複数の送信機コイルと、
受信機を結合させるために前記コイルに選択的にエネルギーを与えるように構成されたコントローラとを有し、
選択された前記コイルは、受信機の向き、電力伝送最適化アルゴリズム、又はルックアップテーブルに依存する、
ことを特徴とする誘導電力送信機。
前記コイルは、前記受信機における受信コイルの向きに応じて選択される、
ことを特徴とする請求項１に記載の誘導電力送信機。
前記コイルは、平面アレイに配置され、
前記コイルは、磁束を生成するために選択され、
前記磁束の多くの成分が受信機と結合する、
ことを特徴とする請求項１に記載の誘導電力送信機。
前記多くの成分は、前記受信機に対して実質的に垂直である、
ことを特徴とする請求項３に記載の誘導電力送信機。
前記多くの成分は、前記送信機に実質的に平行である、
ことを特徴とする請求項３に記載の誘導電力送信機。
受信機の側方のコイルにエネルギーが与えられる、
ことを特徴とする請求項３に記載の誘導電力送信機。
受信機の側方の前記コイルは、前記送信機の上の受信機の設置面積に重なる１つ以上のコイルに隣接する、
ことを特徴とする請求項６に記載の誘導電力送信機。
前記受信機の設置面積に重なる前記コイルには、エネルギーが与えられない、
ことを特徴とする請求項７に記載の誘導電力送信機。
受信機の１つのサイドのみのコイルにエネルギーが与えられる、
ことを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の誘導電力送信機。
受信機の向きを判定するように構成される受信機検出回路をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の誘導電力送信機。
前記複数の送信機コイルは、複数のソースコイルと、前記ソースコイルに結合された複数の共振コイルと、を含む、
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の誘導電力送信機。
前記ソースコイルは平面アレイ内に配置され、前記共振コイルは別の平面アレイ内に配置される、
ことを特徴とする請求項１１に記載の誘導電力送信機。
ソースコイルのそれぞれは、２つ以上の共振コイルと関連付けられる、
ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の誘導電力送信機。
前記ソースコイルは、関連付けられる共振コイルの境界に対して、境界において、実質的に三角形、ブーメラン形状、又は、不規則な他の形状である、
ことを特徴とする請求項１３に記載の誘導電力送信機。
前記送信機コイルの一部に電気的に結合する１つ以上のスイッチモードインバータをさらに有する、
ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の誘導電力送信機。
請求項１から１５のいずれか１項に記載の誘導電力送信機と、前記送信機と結合する受信機とを含んだ誘導電力システム。
複数の平面送信コイルと、
ＡＣ供給信号を提供するように構成されたインバータと、
個別の送信コイルに提供されるＡＣ供給信号を調整するようにそれぞれ構成された複数の制御デバイスと、
を有し、
調整された前記ＡＣ供給信号によって前記複数の送信コイルにおいて生成された磁界の方向が、拘束されない誘導電力伝送受信機に実質的に結合するように構成される、
ことを特徴とする誘導電力送信機。
前記ＡＣ供給信号を供給するように構成されるインバータをさらに含む、
ことを特徴とする請求項１７に記載の誘導電力送信機。
前記複数の送信コイルは平面的であるか、重なるか、相互に磁気的に切り離されているかの少なくともいずれかである、
ことを特徴とする請求項１７に記載の誘導電力送信機。
各制御デバイスは、前記ＡＣ供給信号の大きさを調整するように構成されたデバイスと、前記ＡＣ供給信号の位相を調整するよう構成されたデバイスとを有する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の誘導電力送信機。
前記大きさを調整するデバイスは、それぞれ個別の送信コイルと直列の第１のＡＣスイッチであり、前記位相を調整するデバイスは、前記第１のＡＣスイッチ及び前記個別の送信コイルと並列の第２のＡＣスイッチ及びキャパシタである、
ことを特徴とする請求項２０に記載の誘導電力送信機。
前記大きさを調整するデバイスは、それぞれ個別の送信コイルと直列の第１のＡＣスイッチであり、前記位相を調整するデバイスは、前記第１のＡＣスイッチと並列の第２のＡＣスイッチ及びキャパシタである、
ことを特徴とする請求項２０に記載の誘導電力送信機。
前記大きさを調整するデバイスは、それぞれ個別の送信コイルと直列の第１のＡＣスイッチ及び第１のキャパシタであり、前記位相を調整するデバイスは、前記第１のＡＣスイッチ及び第１のキャパシタと並列の第２のＡＣスイッチ及び第２のキャパシタである、
ことを特徴とする請求項２０に記載の誘導電力送信機。
それぞれが個別の送信コイルに磁気結合する、複数の補償キャパシタをさらに有する、
ことを特徴とする請求項２０に記載の誘導電力送信機。
各補償キャパシタは、個別の送信コイルに磁気結合する共振コイルと直列である、
ことを特徴とする請求項２４に記載の誘導電力送信機。
前記共振コイル及び補償キャパシタは、ＡＣ供給信号周波数と異なる共振周波数を有する、
ことを特徴とする請求項２５に記載の誘導電力送信機。
前記共振周波数は、前記ＡＣ供給信号周波数と１％から２０％だけ異なる、
ことを特徴とする請求項２６に記載の誘導電力送信機。
前記共振周波数は前記ＡＣ供給信号周波数より低い、
ことを特徴とする請求項２７に記載の誘導電力送信機。
前記複数の送信コイルと並列の補償キャパシタをさらに有する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の誘導電力送信機。
前記補償キャパシタは、容量性補償の度合いを調整するように構成された制御デバイスを含む、
ことを特徴とする請求項２９に記載の誘導電力送信機。
前記複数の制御デバイスは、送信機の面に直交な方向（ｚ）における前記磁界の高さを実質的に最大化するように構成される、
ことを特徴とする請求項１７に記載の誘導電力送信機。
受信機の位置が判定され、前記複数の制御デバイスは、電力受信コイルに直交な方向において前記磁界の強度を実質的に最大化するように構成される、
ことを特徴とする請求項１７に記載の誘導電力送信機。
前記複数の制御デバイスは、前記電力受信コイルに近接する前記磁界の方向を実質的に判定するために、前記受信機に近接する電力送信コイルの１つ以上の位相を制御するように構成される、
ことを特徴とする請求項３２に記載の誘導電力送信機。
誘導電力伝送を用いて携帯電話を充電するための充電マットとして構成される、
ことを特徴とする請求項１７に記載の誘導電力送信機。
複数のソースコイルと、
前記ソースコイルと結合された複数の共振コイルと、
を有し、
前記複数のソースコイルの少なくとも１つから前記共振コイルの２つ以上へ結合される磁束は実質的に同じである、
ことを特徴とする誘導電力送信機。
各ソースコイルは２つ以上の共振コイルと関連付けられる、
ことを特徴とする請求項３５に記載の誘導電力送信機。
前記ソースコイルと関連付けられた前記共振コイルのそれぞれとの間の結合係数は１０％より小さい変動をする、
ことを特徴とする請求項３６に記載の誘導電力送信機。
前記共振コイルのそれぞれの境界は、間隔が十分に密である、
ことを特徴とする請求項３５に記載の誘導電力送信機。
前記間隔は０〜５ｍｍである、
ことを特徴とする請求項３８に記載の誘導電力送信機。
各ソースコイルは、関連付けられた前記共振コイルの上に配置され、ソースコイルの磁束密度が低い領域における所与の共振コイルの大部分と、ソースコイルの磁束密度が高い領域における所与の共振コイルの少ない部分とを覆う、
ことを特徴とする請求項３８に記載の誘導電力送信機。
関連付けられた前記共振コイルは、互い違いのアレイに配置される３〜１０個のコイルを含み、前記ソースコイルは前記アレイの範囲内に配置される、
ことを特徴とする請求項３６に記載の誘導電力送信機。
前記アレイは、境界において実質的に三角形、円形、長方形、又は正方形である、
ことを特徴とする請求項４１に記載の誘導電力送信機。
前記ソースコイルは、前記アレイの境界に対して、境界において、実質的に三角形、ブーメラン形状、又は、不規則な他の形状である、
ことを特徴とする請求項４２に記載の誘導電力送信機。
前記ソースコイルに選択的にエネルギーを与えることと、前記共振コイルを選択的に有効にすることとの少なくともいずれかを行うように構成されたコントローラをさらに有する、
ことを特徴とする請求項３５に記載の誘導電力送信機。
前記ソースコイルは、前記コントローラによって決定される誘導電力伝送周波数及びデューティサイクルに従って、スイッチモードインバータによってエネルギーが与えられる、
ことを特徴とする請求項４４に記載の誘導電力送信機。
前記コントローラは、前記デューティサイクルとどの共振コイルを有効にするかを、受信機の位置と向きとの少なくともいずれか、電力伝送最適化アルゴリズム、又はルックアップテーブルに従って決定するように構成される、
ことを特徴とする請求項４５に記載の誘導電力送信機。
ソースコイルの単一のレイヤ又は平面アレイと、
前記ソースコイルと結合する共振コイルの単一のレイヤ又は平面アレイと、
を有し、
受信機の位置と向きとの少なくともいずれか、電力伝送最適化アルゴリズム、又はルックアップテーブルに応じて、前記ソースコイルに選択的にエネルギーが与えられるか、前記共振コイルが選択的に有効にされるかの少なくともいずれかである、
ことを特徴とする誘導電力送信機。
前記ソースコイルは、誘導電力伝送周波数及びデューティサイクルに従って、スイッチモードインバータによってエネルギーが与えられる、
ことを特徴とする請求項４７に記載の誘導電力送信機。
前記共振コイルは、スイッチによって有効にされる、
ことを特徴とする請求項４８に記載の誘導電力送信機。
前記共振コイルは、１００〜４００のＱ値を有する、
ことを特徴とする請求項４７に記載の誘導電力送信機。
前記共振コイルは、０．５ｍｍ〜５ｍｍの間の高さである、
ことを特徴とする請求項４７に記載の誘導電力送信機。
複数のソースコイルと、
前記ソースコイルと結合される複数の共振コイルであって、前記ソースコイルより実質的に小さい共振コイルと、
を有し、
受信機の位置と向きとの少なくともいずれか、電力伝送最適化アルゴリズム、又はルックアップテーブルに応じて、前記ソースコイルに選択的にエネルギーが与えられるか、前記共振コイルが選択的に有効化されるかの少なくともいずれかである、
ことを特徴とする誘導電力送信機。
前記共振コイルは、直径が５ｍｍ〜５０ｍｍの間である、
ことを特徴とする請求項５２に記載の誘導電力送信機。
複数の送信機コイルと、
前記コイルに選択的にエネルギーを与えるように構成されたコントローラと、
を有し、
実質的に受信機機器の１つのサイドのコイルのみにエネルギーが与えられる、
ことを特徴とする誘導電力送信機。
前記複数の送信機コイルは、複数のソースコイルと前記ソースコイルに結合された複数の共振コイルとを有する、
ことを特徴とする請求項５４に記載の誘導電力送信機。
前記コントローラは、前記ソースコイルに選択的にエネルギーを与えるから、選択的に前記共振コイルを有効にするかの少なくともいずれかを行うように構成される、
ことを特徴とする請求項５５に記載の誘導電力送信機。
前記選択的なエネルギー付与と前記選択的な有効化との少なくともいずれかは、受信機の位置と向きとの少なくともいずれか、電力伝送最適化アルゴリズム、又はルックアップテーブルに依存する、
ことを特徴とする請求項５６に記載の誘導電力送信機。
前記ソースコイルには、誘導電力伝送周波数及びデューティサイクルに従って、スイッチモードインバータによって、エネルギーが与えられる、
ことを特徴とする請求項５４に記載の誘導電力送信機。
各共振コイルはスイッチにより有効化される、
ことを特徴とする請求項５８に記載の誘導電力送信機。
前記複数のソースコイルの少なくとも１つから２つ以上の前記共振コイルへ結合する磁束は、実質的に同じである、
ことを特徴とする請求項５４に記載の誘導電力送信機。
各ソースコイルは、２つ以上の共振コイルに関連付けられる、
ことを特徴とする請求項５４に記載の誘導電力送信機。
関連付けられた前記共振コイルは互い違いのアレイに配置され、前記ソースコイルは当該アレイの範囲内に配置される、
ことを特徴とする請求項６１に記載の誘導電力送信機。
受信機の１つのサイドのコイルは、前記アレイの範囲内の２つ以上の共振コイルを含む、
ことを特徴とする請求項６２に記載の誘導電力送信機。
前記アレイの範囲内の前記２つ以上の共振コイルは、前記送信機の上の受信機の設置面積と重畳しない、
ことを特徴とする請求項６３に記載の誘導電力送信機。