JP2018515057A

JP2018515057A - 無線電場／磁場電力伝送システム、送信機および受信機

Info

Publication number: JP2018515057A
Application number: JP2017557072A
Authority: JP
Inventors: ネゲシュ・ポル; アンドリュー・バートレット
Original assignee: ソレース・パワー・インコーポレイテッド
Priority date: 2015-05-01
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2018-06-07
Also published as: US20160322867A1; WO2016176763A1; EP3289667A1; CA2984463A1; EP3289667A4; CN107852027A; KR20180019532A

Abstract

ハイブリッド共振器(200)は、容量性電極(202)と、容量性電極(202)に電気的に接続された誘導コイル(204)と、を備える。容量性電極(202)と誘導コイル(204)は、生成された場に応答して、生成された場から電力を抽出し、抽出された電力に応答して場を生成するように構成される。

Description

本出願は、概して、無線電力伝送、特に、無線電場または磁場電力伝送システム、そのための送信機および受信機、および電力を無線伝送する方法に関する。

様々な無線電力伝送システムが知られている。典型的な無線電力伝送システムは、無線電力送信機に電気的に接続された電源、および負荷に電気的に接続された無線電力受信機を含む。磁気誘導システムにおいて、送信機は、電源から受信機の誘導コイルに電気エネルギーを伝送する誘導コイルを有する。電力伝送は、送信機と受信機の誘導コイルの間の磁場の結合により発生する。これらの磁気誘導システムの範囲は限定され、送信機と受信機の誘導コイルは、電力伝送のために最適に位置合わせされていなければならない。送信機と受信機の誘導コイルの間の磁場の結合により電力が伝送される共振磁気システムも存在する。しかし、共振磁気システムにおいて、誘導コイルは少なくとも１つのキャパシタを使用して共振される。共振磁気システムにおける電力伝送の範囲は磁気誘導システムの範囲を超えて増大し、位置合わせの問題は修正される。

電気誘導システムにおいて、送信機と受信機は容量性電極を有する。電力伝送は、送信機と受信機の容量性電極の間の電場の結合により発生する。共振磁気システムと同様に、送信機と受信機の容量性電極が少なくとも１つのインダクタを使用して共振させられる共振電気システムが存在する。共振電気システムは、電気誘導システムの範囲と比較して電力伝送の増大した範囲を有し、位置合わせの問題は修正される。

無線電力伝送技術が知られているが、改善が望まれる。したがって、新規な無線電場または磁場電力伝送システム、そのための送信機および受信機、および電力を無線伝送する方法を提供することが目的である。

従って、一態様において、容量性電極と、容量性電極に電気的に接続された誘導コイルと、を備え、容量性電極と誘導コイルは、生成された場に応答して、生成された場から電力を抽出し、抽出された電力に応答して場を生成するように構成されたハイブリッド共振器が提供される。

一実施形態において、誘導コイルは空心インダクタである。

一実施形態において、容量性電極はキャパシタを形成する。

一実施形態において、容量性電極は横に向かって間隔を置かれた２つの電極であり、電極の各々は誘導コイルのいずれかの端部に接続される。

一実施形態において、生成された場は磁場である。

一実施形態において、生成された場は電場である。

一実施形態において、ハイブリッド共振器によって生成された場は共振磁場である。

一実施形態において、ハイブリッド共振器によって生成された場は共振電場である。

もう１つの態様によれば、場を生成するフィールド生成器と、容量性電極および容量性電極に電気的に接続された誘導コイルを備えるハイブリッド共振器であって、容量性電極と誘導コイルは、生成された場に応答して、生成された場から電力を抽出し、抽出された電力に応答して、場を生成するように構成された、ハイブリッド共振器と、ハイブリッド共振器によって生成された場から電力を抽出するフィールド抽出器と、を備える無線電力システムが提供される。

もう１つの態様によれば、場を生成するフィールド生成器と、容量性電極および容量性電極に電気的に接続された誘導コイルを備えるハイブリッド共振器と、を備え、容量性電極と誘導コイルは、生成された場に応答して、生成された場から電力を抽出し、抽出された電力に応答して場を生成するように構成された送信機が提供される。

もう１つの態様によれば、容量性電極および容量性電極に電気的に接続された誘導コイルを備えるハイブリッド共振器であって、容量性電極と誘導コイルは、生成された場に応答して、生成された場から電力を抽出し、抽出された電力に応答して、場を生成するように構成された、ハイブリッド共振器と、ハイブリッド共振器によって生成された場から電力を抽出するフィールド抽出器と、を備える受信機が提供される。

もう１つの態様によれば、電場および磁場結合を介して電力を抽出および伝送するように構成された共振器が提供される。

添付図面を参照して実施形態がここでより十分に記載される。

無線電力伝送システムのブロック図である。無線磁場電力伝送システムの概略配置図である。無線共振磁場電力伝送システムの概略配置図である。無線電場電力伝送システムの概略配置図である。無線共振電場電力伝送システムの概略配置図である。無線電力伝送システムの概略配置図である。図６のシステムのハイブリッド無線共振器の概略配置図である。図６のシステムの無線電場電力伝送システムのインピーダンス要件を表わすスミスチャートである。もう１つの無線電力伝送システムの概略配置図である。図９のシステムの無線磁場電力伝送システムのインピーダンス要件を表わすスミスチャートである。もう１つの無線電力伝送システムの概略配置図である。もう１つの無線電力伝送システムの概略配置図である。もう１つの無線電力伝送システムの概略配置図である。図１３のシステムの無線電場および磁場電力伝送システムのインピーダンス要件を表わすスミスチャートである。もう１つの構成における図１３の電力伝送システムの概略配置図である。図１５のシステムの無線電場および磁場電力伝送システムのインピーダンス要件を表わすスミスチャートである。図１５のシステムの無線磁場電力伝送システムの電力効率対周波数のグラフである。もう１つの構成における図１３の電力伝送システムの概略配置図である。図１８のシステムの無線電場および磁場電力伝送システムのインピーダンス要件を表わすスミスチャートである。図１８のシステムの無線電場電力伝送システムの電力効率対周波数のグラフである。ハイブリッド無線共振器のもう１つの実施形態の概略配置図である。ハイブリッド無線共振器のもう１つの実施形態の概略配置図である。

ここで図１を参照すると、無線電力伝送システムが表わされ、全体として参照符号40によって識別される。無線電力伝送システム40は、送信素子46に電気的に接続された電源44を備える送信機42と、負荷54に電気的に接続された受信素子52を備える受信機50と、を備える。電力は、電源44から送信素子46に伝送される。そして、電力は、共振または非共振電場または磁場結合を介して送信素子46から受信素子52に伝送される。そして、電力は、受信素子52から負荷54に伝送される。

一例において、無線電力伝送システムは、図２に表わされ、全体として参照符号60によって識別されるように、非共振磁場無線電力伝送システムの形態をとり得る。非共振磁場無線電力伝送システム60は、送信誘導コイル66に電気的に接続された電源64を備える送信機62と、負荷72に電気的に接続された受信誘導コイル70を備える受信機68と、を備える。この実施形態において、電源64はRF電源である。動作の間、電力は、送信機62の電源64から送信誘導コイル66に伝送される。特に、電源64からの電流は、送信誘導コイル66に磁場を生成させる。受信誘導コイル70が磁場内に置かれるとき、受信誘導コイル70内に電流が誘導され、それにより送信機62からの電力を抽出する。そして、抽出された電力は、受信誘導コイル70から負荷72に伝送される。電力伝送は非共振性であるので、送信機62と受信機68の間の効率的な電力伝送は、送信および受信誘導コイル66および70が共に近くにあり、近くに位置合わせされることを要求する。

もう１つの例において、無線電力伝送システムは、図３に表わされ、全体として参照符号74によって識別されるような、共振磁場無線電力伝送システムの形態をとる。共振磁場無線電力伝送システム74は、送信共振器80に電気的に接続された電源78を備える送信機76を備える。送信共振器80は、送信誘導コイル82と、一対の送信高品質係数(Q)キャパシタ84と、を備え、送信高品質係数(Q)キャパシタ84の各々は、電源78に、および、送信誘導コイル82の一端に、電気的に接続される。システム74は、さらに、負荷90に電気的に接続された受信共振器88を備える受信機86を備える。受信共振器88は、受信誘導コイル92と、一対の受信高Qキャパシタ94と、を備え、受信高Qキャパシタ94の各々は、負荷90に、および、受信誘導コイル92の一端に、電気的に接続される。動作の間、電力は、送信キャパシタ84を介して送信共振器80の電源78から送信誘導コイル82に伝送され、送信共振器80に共振磁場を生成させる。受信機86が磁場内に置かれるとき、受信共振器88は、共振磁場結合を介して送信機76からの電力を抽出する。そして、抽出された電力は、高Qキャパシタ94を介して受信共振器88から負荷90に伝送される。電力伝送は共振性であるので、送信および受信誘導コイル82および92は、図２の非共振システム60の場合のように、共に近くにある必要も、良好に位置合わせされる必要もない。

図３において、キャパシタ84および94は、それぞれ、電源78および負荷90に直列に接続されるように表わされているが、この技術分野の当業者は、キャパシタ84および94は、それぞれ、電源78および負荷90に並列に接続されてもよいことを理解するであろう。

もう１つの例において、無線電力伝送システムは、図４に表わされ、全体として参照符号96によって識別されるような、非共振電場無線電力伝送システムの形態をとる。非共振電場無線電力伝送システム96は、一対の横に向かって間隔を置かれた細長い送信容量性電極102に電気的に接続された電源100を備える送信機98と、負荷108に電気的に接続された一対の横に向かって間隔を置かれた細長い受信容量性電極106を備える受信機104と、を備える。動作の間、電源100からの電力信号は、送信容量性電極102の間に電位差を生じさせ、送信容量性電極102に電場を生成させる。受信容量性電極106が電場内に置かれるとき、受信容量性電極106の間に電圧が誘導され、それにより送信機98からの電力を抽出する。そして、抽出された電力は、受信容量性電極106から負荷108に伝送される。電力伝送は非共振性であるので、送信機98と受信機104の間の効率的な電力伝送は、送信および受信容量性電極102および106が共に近くにあり、近くに位置合わせされることを要求する。

この実施形態において、各々の送信および受信容量性電極102および106は、電気的に伝導性の素材で形成された細長い素子を備える。その伝導性の素子は、通例、矩形の平面の板の形態である。送信容量性電極102および受信容量性電極106は横に向かって間隔を置かれた細長い電極として記載されているが、この技術分野の当業者は、限定しないが、同心の、同一平面の、円形の、楕円形の、円盤状の、等の電極を含む他の構成が可能であることを理解するであろう。他の適切な電極の構成は、2015年9月4日に出願されたNybergらの米国特許出願第14/846,152号に記載されている。

もう１つの例において、無線電力伝送システム40は、2012年9月7日に出願されたPoluらの米国特許出願第13/607,474号に記載されたもののような、図５に表わされ、全体として参照符号108によって識別されるような、共振電場無線電力伝送システムの形態をとる。共振電場無線電力伝送システム108は、送信共振器114に電気的に接続された電源112を備える送信機110を備える。送信共振器114は、一対の横に向かって間隔を置かれた細長い送信容量性電極116を備え、送信容量性電極116の各々は、送信高Qインダクタ118を介して電源112に電気的に接続される。システム108は、さらに、負荷124に電気的に接続された受信共振器122を備える受信機120を備える。受信共振器122は、送信共振器114の共振周波数に同調される。受信共振器122は、一対の横に向かって間隔を置かれた細長い受信容量性電極126を備え、受信容量性電極126の各々は、受信高Qインダクタ128を介して負荷124に電気的に接続される。この実施形態において、インダクタ118および128はフェライトコアインダクタである。しかし、この技術分野の当業者は、他のコアが可能であることを理解するであろう。

動作の間、電力は、送信高Qインダクタ118を介して電源112から送信容量性電極116に伝送される。特に、送信高Qインダクタ118を介して送信容量性電極116に送信される電源112からの電力信号は、送信共振器114を励起し、送信共振器114に共振電場を生成させる。受信機120が共振電場内に置かれるとき、受信共振器122は、共振電場結合を介して送信機110からの電力を抽出する。そして、抽出された電力は、受信共振器122から負荷124に伝送される。電力伝送は高度に共振性であるので、送信および受信容量性電極116および126は、図４の非共振システム96の場合のように、共に近くにある必要も、良好に位置合わせされる必要もない。

この実施形態において、各々の送信および受信容量性電極116および126は、電気的に伝導性の素材で形成された細長い素子を備える。その伝導性の素子は、通例、矩形の平面の板の形態である。

送信容量性電極102および受信容量性電極106は横に向かって間隔を置かれた細長い電極として記載されているが、この技術分野の当業者は、限定しないが、同心の、同一平面の、円形の、楕円形の、円盤状の、等の電極を含む他の構成が可能であることを理解するであろう。他の適切な電極の構成は、米国特許出願第14/846,152号に記載されている。

図５において、インダクタ118および128は、それぞれ、電源112および負荷124に直列に接続されるように表わされているが、この技術分野の当業者は、インダクタ118および128は、それぞれ、電源112および負荷124に並列に接続されてもよいことを理解するであろう。

理解されるように、磁気非共振および共振電力伝送システム60および74それぞれの構成要素は、電気非共振および共振電力伝送システム96および108それぞれの構成要素と互換性がない。システム60および74は、それぞれ、非共振および共振磁場結合を介して電力を伝送し、一方、システム96および108は、それぞれ、非共振および共振電場結合を介して電力を伝送し、これらのシステムの相互運用性を可能にしない。

例示の無線電力伝送システムが図６に表わされ、全体として参照符号210によって識別される。システム210は、送信共振器216に電気的に接続された電源214を備える送信機212を備える。送信共振器216は、一対の横に向かって間隔を置かれた細長い送信容量性電極218を備え、送信容量性電極218の各々は、送信高Qインダクタ220を介して電源214に電気的に接続される。システム210は、さらに、負荷226に電気的に接続された受信誘導コイル224を備える受信機222を備える。システム210は、さらに、２つの容量性電極202と、誘導コイル204と、を備えるハイブリッド共振器200を備える。各々の容量性電極202は、誘導コイル204の一端に電気的に接続される。容量性電極202はキャパシタを形成する。ハイブリッド共振器200は、送信共振器216および受信誘導コイル224の共振周波数に同調される。

この実施形態において、各々の容量性電極202および送信容量性電極218は、電気的に伝導性の素材で形成された細長い素子を備える。その伝導性の素子は、通例、矩形の平面の板の形態である。さらに、この実施形態において、誘導コイル204および受信誘導コイル224は空心インダクタである。この実施形態において、インダクタ220はフェライトコアインダクタである。しかし、この技術分野の当業者は、他のコアが可能であることを理解するであろう。この技術分野の当業者は、ハイブリッド共振器200は、送信機212および／または受信機222に統合され、または、送信機212および／または受信機222から分離されてもよいことも理解するであろう。

動作の間、電力は、送信インダクタ220を介して電源214から送信容量性電極218に伝送される。電源214からの電力信号は、送信共振器216を励起し、送信共振器216に共振電場を生成させる。ハイブリッド共振器200が電場に置かれるとき、ハイブリッド共振器の容量性電極202は、共振電場結合を介して送信機212からの電力を抽出する。抽出された電力は、ハイブリッド共振器200を励起し、容量性電極202および誘導コイル204を共振させる。結果として、誘導コイル204は共振磁場を生成する。受信機222がハイブリッド共振器200の生成された共振磁場内に置かれるとき、受信誘導コイル224内に電流が誘導され、それによりハイブリッド共振器200からの電力を抽出する。そして、抽出された電力は、受信誘導コイル224から負荷226に伝送される。

ここで図７を参照すると、図６のハイブリッド共振器200が分離して表わされている。前述のように、ハイブリッド共振器200は、２つの容量性電極202と、誘導コイル204と、を備える。各々の容量性電極202は、誘導コイル204の一端に電気的に接続される。

使用において、ハイブリッド共振器200が送信機からの電力を抽出したとき、容量性電極202および誘導コイル204は共振し、それにより容量性電極202に誘導コイル204を用いて共振電場を生成させて、キャパシタとして振る舞う容量性電極202を用いて共振磁場を生成する。容量性電極を備える受信機が共振電場内に置かれるとき、電力は、共振電場結合を介してハイブリッド共振器200から抽出される。誘導コイルを備える受信機が共振磁場内に置かれるとき、電力は、共振磁場結合を介してハイブリッド共振器200から抽出される。容量性電極202および誘導コイル204は、それぞれの受信機の共振場に同調される。

磁場および共振磁場結合を介して動作する送信機／受信機と、電場および共振電場結合を介して動作する受信機／送信機との間の、またはその逆の電力伝送を容易にするために、システム内でハイブリッド共振器200が使用される。

従って、ハイブリッド共振器200は、送信機と受信機の間の電力伝送を容易にする様々なシステム内で電力伝送を容易にするために使用することができる。送信機は、非共振磁場結合を介して電力を伝送する送信機62、共振磁場結合を介して電力を伝送する送信機76、非共振電場結合を介して電力を伝送する送信機98、または共振電場結合を介して電力を伝送する送信機110を含んでもよい。受信機は、非共振磁場結合を介して電力を抽出する受信機68、共振磁場結合を介して電力を抽出する受信機86、非共振電場結合を介して電力を抽出する受信機104、または共振電場結合を介して電力を抽出する受信機120を含んでもよい。

さらに、この技術分野の当業者は、共振磁場結合を介して電力を送信する送信機／受信機は、１つ以上の高Qキャパシタを備えてもよく、共振電場結合を介して電力を伝送する送信機／受信機は、１つ以上のインダクタを備えてもよいことを理解するであろう。さらに、高Qキャパシタおよびインダクタは、可変または固定であってもよい。

特定の動作周波数における無線電力伝送システム210のインピーダンス要件を決定するために、CST Microwave Studioソフトウェアを用いた電磁場シミュレーションが行われた。図８は、約19MHzの動作周波数におけるシステム210のインピーダンス要件を決定するための電磁場シミュレーションの結果を表わす。

図８のスミスチャートに表わされたように、15から25MHzの周波数掃引が、1および2とマークされた点において電場内で送信機212と受信機222の間の整合したインピーダンスを生じる。図８のスミスチャートからのより低いインピーダンス要件は、点1においてであり、約271オームである。システム210は、このインピーダンスが達成されるように構成された。

ハイブリッド共振器200を備えるもう１つの例示の無線電力伝送システムが図９に表わされ、全体として参照符号230によって識別される。システム230は、送信共振器236に電気的に接続された電源234を備える送信機232を備える。送信共振器236は、送信誘導コイル238と、一対の送信高Qキャパシタ240と、を備え、送信高Qキャパシタ240の各々は、電源234に、および、送信誘導コイル238の一端に、電気的に接続される。システムは、さらに、負荷246に電気的に接続された受信誘導コイル244を備える受信機242を備える。システム230は、さらに、前述したハイブリッド共振器200を備える。ハイブリッド共振器200は、送信共振器236および受信誘導コイル238の共振周波数に同調される。この実施形態において、送信および受信誘導コイル238および244は空心インダクタである。この技術分野の当業者は、ハイブリッド共振器200は、送信機232または受信機242に統合され、または送信機232または受信機242から分離されてもよいことを理解するであろう。

動作の間、電力は、送信キャパシタ240を介して送信共振器236の電源234から送信誘導コイル238に伝送され、送信共振器236に共振磁場を生成させる。ハイブリッド共振器200がこの場の中に置かれるとき、ハイブリッド共振器200の誘導コイル204は、共振磁場結合を介して送信機232から電力を抽出する。抽出された電力は、ハイブリッド共振器200を励起し、容量性電極202および誘導コイル204を共振させる。結果として、誘導コイル204は、共振磁場を生成する。受信機242がハイブリッド共振器200の生成された共振磁場内に置かれるとき、受信誘導コイル244内に電流が誘導され、それによりハイブリッド共振器200からの電力を抽出する。そして、抽出された電力は、受信誘導コイル244から負荷246に伝送される。

特定の動作周波数における無線電力伝送システム230のインピーダンス要件を決定するために、CST Microwave Studioソフトウェアを用いた電磁場シミュレーションが行われた。図１０は、約19MHzの動作周波数におけるシステム230のインピーダンス要件を決定するための電磁場シミュレーションの結果を表わす。

図１０のスミスチャートに表わされたように、15から25MHzの周波数掃引が、1および2とマークされた点において磁場内で送信機232と受信機242の間の整合したインピーダンスを生じる。図１０のスミスチャートからのより低いインピーダンス要件は、点2においてであり、約90オームである。システム230は、このインピーダンスが達成されるように構成された。

ハイブリッド共振器200を備えるもう１つの例示の無線電力伝送システムが図１１に表わされ、全体として参照符号250によって識別される。システムは、一対の横に向かって間隔を置かれた細長い送信容量性電極254を備える送信機252を備え、送信容量性電極254の各々は、電源256に電気的に接続される。システムは、さらに、負荷262に電気的に接続された受信誘導コイル260を備える受信機258を備える。システム250は、さらに、前述したハイブリッド共振器200を備える。ハイブリッド共振器200は、受信誘導コイル260の共振周波数に同調される。この実施形態において、各々の送信容量性電極254は、電気的に伝導性の素材で形成された細長い素子を備える。その伝導性の素子は、通例、矩形の平面の板の形態である。さらに、この実施形態において、受信誘導コイル260は空心インダクタである。この技術分野の当業者は、ハイブリッド共振器200は、送信機252または受信機258に統合され、または送信機252または受信機258から分離されてもよいことを理解するであろう。

動作の間、電源256からの電力信号は、送信容量性電極254の間に電位差を引き起こし、送信容量性電極254に電場を生成させる。ハイブリッド共振器200の容量性電極202が生成された電場内に置かれるとき、ハイブリッド共振器200の容量性電極202の間に電圧が誘導され、それにより送信機252からの電力を抽出する。抽出された電力は、ハイブリッド共振器200を励起し、容量性電極202および誘導コイル204を共振させる。結果として、誘導コイル204は共振磁場を生成する。受信機258がハイブリッド共振器200の生成された共振磁場内に置かれるとき、受信誘導コイル260内に電流が誘導され、それによりハイブリッド共振器200からの電力を抽出する。そして、抽出された電力は、受信誘導コイル260から負荷262に伝送される。

ハイブリッド共振器200を備えるもう１つの例示の無線電力伝送システムが図１２に表わされ、全体として参照符号270によって識別される。システムは、送信誘導コイル274の両端において電源276に電気的に接続された送信誘導コイル274を備える送信機272を備える。システム270は、さらに、負荷282に電気的に接続された受信誘導コイル280を備える受信機278を備える。システム270は、さらに、前述したハイブリッド共振器200を備える。ハイブリッド共振器200は、受信誘導コイル280の共振周波数に同調される。さらに、この実施形態において、送信および受信誘導コイル274および280は空心インダクタである。この技術分野の当業者は、ハイブリッド共振器200は、送信機272または受信機278に統合され、または送信機272または受信機278から分離されてもよいことを理解するであろう。

動作の間、電源276からの電流は、送信誘導コイル274に磁場を生成させる。ハイブリッド共振器200の誘導コイル204が生成された磁場内に置かれるとき、誘導コイル204内に電流が誘導され、それにより送信機272からの電力を抽出する。抽出された電力は、ハイブリッド共振器200を励起し、容量性電極202および誘導コイル204を共振させる。結果として、誘導コイル204は共振磁場を生成する。受信機278がハイブリッド共振器200の生成された共振磁場内に置かれるとき、受信誘導コイル280内に電流が誘導され、それによりハイブリッド共振器200からの電力を抽出する。そして、抽出された電力は、受信誘導コイル280から負荷282に伝送される。

２つのハイブリッド共振器を備えるもう１つの例示の無線電力伝送システムが図１３に表わされ、全体として参照符号300によって識別される。システム300は、送信機302、第１のハイブリッド共振器306、第２のハイブリッド共振器316、および受信機322を備える。送信機302は、送信誘導コイル304の両端において電源305に電気的に接続された送信誘導コイル304を備える。第１のハイブリッド共振器306は、第１の誘導コイル310の両端に電気的に接続された第１の容量性電極308を備える。第２のハイブリッド共振器316は、第２の誘導コイル320の両端に電気的に接続された第２の容量性電極318を備える。受信機322は、受信誘導コイル324の両端において負荷326に電気的に接続された受信誘導コイル324を備える。この実施形態において、各々の容量性電極308および318は、電気的に伝導性の素材で形成された細長い素子を備える。その伝導性の素子は、通例、矩形の平面の板の形態である。さらに、この実施形態において、各々の誘導コイル304、310、320、および324は空心インダクタである。ハイブリッド共振器306および316は、受信誘導コイル324の共振周波数に同調される。この技術分野の当業者は、第１のハイブリッド共振器306は、送信機302に統合され、または送信機302から分離されてもよいことを理解するであろう。同様に、第２のハイブリッド共振器316は、受信機322に統合され、または受信機322から分離されてもよい。

動作の間、電源305からの電流は、送信誘導コイル304に磁場を生成させる。第１のハイブリッド共振器306の第１の誘導コイル310が生成された磁場内に置かれるとき、第１の誘導コイル310内に電流が誘導され、それにより送信機302からの電力を抽出する。抽出された電力は、第１のハイブリッド共振器306を励起し、第１の容量性電極308および第１の誘導コイル310を共振させる。結果として、第１の誘導コイル310は共振磁場を生成する。結果として、第１の容量性電極308は共振電場を生成する。第２のハイブリッド共振器316が生成された共振磁場内に置かれるとき、第２の誘導コイル320は共振し、それにより共振磁場結合を介して第１のハイブリッド共振器306からの電力を抽出する。同様に、第２のハイブリッド共振器316が生成された共振電場内に置かれるとき、第２の容量性電極318は共振し、それにより共振電場結合を介して第１のハイブリッド共振器306からの電力を抽出する。結果として、第２の誘導コイル320は共振磁場を生成する。受信機322が第２のハイブリッド共振器316の生成された共振磁場内に置かれるとき、受信誘導コイル324内に電流が誘導され、それにより第２のハイブリッド共振器316からの電力を抽出する。そして、抽出された電力は、受信誘導コイル324から負荷326に伝送される。

特定の動作周波数における無線電力伝送システム300のインピーダンス要件を決定するために、CST Microwave Studioソフトウェアを用いた電磁場シミュレーションが行われた。図１４は、約19MHzの動作周波数におけるシステム300のインピーダンス要件を決定するための電磁場シミュレーションの結果を表わす。

図１４のスミスチャートに表わされたように、17から22MHzの周波数掃引が、1および2とマークされた点において電場および磁場内で送信機302と受信機322の間の整合したインピーダンスを生じる。図１４のスミスチャートからのより低いインピーダンス要件は、点2においてであり、約46オームである。システム300は、このインピーダンスが達成されるように構成された。

送信機302、第１のハイブリッド共振器306、第２のハイブリッド共振器316、および受信機322の向きが変更されるならば、システム300の構成要素の間の結合は影響される。例えば、図１５に表わされたように、受信機322および第２のハイブリッド共振器316を180度だけ回転させることは、電場のみにおいて第１および第２のハイブリッド共振器306および316の間の結合を発生させる。

この構成において、電源305からの電流は、送信誘導コイル304に磁場を生成させる。第１のハイブリッド共振器306の第１の誘導コイル310が生成された磁場内に置かれるとき、第１の誘導コイル310内に電流が誘導され、それにより送信機302からの電力を抽出する。抽出された電力は、第１のハイブリッド共振器306を励起し、第１の容量性電極308および第１の誘導コイル310を共振させる。第１の誘導コイル310は、キャパシタとして振る舞う第１の容量性電極308を用いて共振磁場を生成する。同様に、第１の容量性電極308は、インダクタとして振る舞う第１の誘導コイル310を用いて共振電場を生成する。

第２のハイブリッド共振器316が共振電場内に置かれるとき、第２の容量性電極318は共振し、それにより共振電場結合を介して第１のハイブリッド共振器306からの電力を抽出する。第２のハイブリッド共振器316の第２の容量性電極318のみが第１のハイブリッド共振器306の第１の容量性電極308(それぞれ第１および第２のハイブリッド共振器306および316の第１および第２の誘導コイル310および320ではない)と整列されるので、共振磁場結合ではなく、共振電場結合を介して電力が抽出されるのみである。

図１３に表わされた構成と同様に、第２の誘導コイル320は、キャパシタとして振る舞う第２の容量性電極318を用いて共振磁場を生成する。受信機322が第２のハイブリッド共振器316の生成された共振磁場内に置かれるとき、受信誘導コイル324内に電流が誘導され、それにより第２のハイブリッド共振器316からの電力を抽出する。そして、抽出された電力は、受信誘導コイル324から負荷326に伝送される。

図１６のスミスチャートに表わされたように、17から22MHzの周波数掃引が、1および2とマークされた点において電場内で図１５に表わされたシステム300の整合したインピーダンスを生じる。図１６のスミスチャートからのより低いインピーダンス要件は、点1においてであり、約200オームである。図１５に表わされたシステム300は、このインピーダンスが達成されるように構成された。

図１５に表わされたシステム300の電力伝送の効率が図１７に示されている。効率は19.5MHz付近で最大化される。

図１８に表わされたもう１つの構成において、受信機322および第２のハイブリッド共振器316をマイナス180度だけ回転させることは、磁場のみにおいて第１および第２のハイブリッド共振器306および316の間の結合を発生させる。

第２のハイブリッド共振器316が共振磁場内に置かれるとき、第２の誘導コイル320は共振し、それにより共振磁場結合を介して第１のハイブリッド共振器306からの電力を抽出する。第２のハイブリッド共振器316の第２の誘導コイル320のみが第１のハイブリッド共振器306の第１の誘導コイル310(それぞれ第１および第２のハイブリッド共振器306および316の第１および第２の容量性電極308および318ではない)と整列されるので、共振電場結合ではなく、共振磁場結合を介して電力が抽出されるのみである。

図１９のスミスチャートに表わされたように、17から22MHzの周波数掃引が、1および2とマークされた点において磁場内で図１８に表わされたシステム300の整合したインピーダンスを生じる。図１９のスミスチャートからのより低いインピーダンス要件は、点2においてであり、約144オームである。図１８に表わされたシステム300は、このインピーダンスが達成されるように構成された。

図１８に表わされたシステム300の電力伝送の効率が図２０に示されている。効率は19.5MHz付近で最大化される。

システム300が平行な平面内に送信機302、第１のハイブリッド共振器306、第２のハイブリッド共振器316、および受信機322を有して図１３、１５、および１８に表わされているが、この技術分野の当業者は、限定しないが、受信機322に垂直な送信機302、第１のハイブリッド共振器306に垂直な送信機302、第２のハイブリッド共振器316に垂直な第１のハイブリッド共振器306、受信機322に垂直な第２のハイブリッド共振器316、およびそれらの組み合わせを含む他の向きが可能であることを理解するであろう。

図６、７、９、１１、１２、１３、１５、および１８は、同じ平面内にある容量性電極202および誘導コイル204を備えるハイブリッド共振器200を表わしているが、この技術分野の当業者は、他の構成が可能であることを理解するであろう。例えば、容量性電極および誘導コイルは異なる平面内にあってもよい。図２１に表わされたように、ハイブリッド共振器1110は、誘導コイル1114の両端において電気的に接続された容量性電極1112を備える。この実施形態において、容量性電極1112はx-y平面内にあり、一方、誘導コイル1114はx-z平面内にある。

さらに、図６は、概して矩形形状を有する誘導コイル114を表わしているが、この技術分野の当業者は、他の形状が可能であることを理解するであろう。図２２に表わされたように、ハイブリッド共振器2110は、誘導コイル2114の両端において電気的に接続された容量性電極2112を備える。この実施形態において、誘導コイル2114は、概して円形形状を有する。さらに、他の形状が可能である。例えば、誘導コイルは、概して、円形、六角形、または八角形の形状を有してもよい。

一実施形態において、記載された様々な電源はRF電源である。もう１つの実施形態において、記載された様々な電源は交流電源である。さらに、誘導コイルは空心インダクタとして記載されたが、この技術分野の当業者は、フェライトコア、鉄心、またはラミネート加工されたコアのような他のコアが使用されてもよいことを理解するであろう。

上記で図面を参照して実施形態が記載されたが、この技術分野の当業者は、添付の請求項によって定義される範囲から逸脱せずに変形または変更され得ることを理解するであろう。

40、210、230、250、270、300 無線電力伝送システム
42、62、76、98、110、212、232、252、272、302 送信機
44、64、78、100、112、214、234、256、276、305 電源
46 送信素子
52 受信素子
54、72、90、108、124、226、246、262、282、326 負荷
60 非共振磁場無線電力伝送システム
66、82、238、274、304 送信誘導コイル
68、86、104、120、222、242、258、278、322 受信機
70、92、224、244、260、280、324 受信誘導コイル
74 共振磁場無線電力伝送システム
80、114、216、236 送信共振器
84 送信高品質係数(Q)キャパシタ
88、122 受信共振器
94 受信高Qキャパシタ
96 非共振電場無線電力伝送システム
102、116、218、254 送信容量性電極
106、126 受信容量性電極
108 共振電場無線電力伝送システム
118、220 送信高Qインダクタ
128 受信高Qインダクタ
200、1110、2110 ハイブリッド共振器
202、1112 容量性電極
204、1114、2114 誘導コイル
240 送信高Qキャパシタ
306 第１のハイブリッド共振器
308 第１の容量性電極
310 第１の誘導コイル
316 第２のハイブリッド共振器
318 第２の容量性電極
320 第２の誘導コイル

Claims

容量性電極と、
前記容量性電極に電気的に接続された誘導コイルと、を備え、前記容量性電極と前記誘導コイルは、
生成された場に応答して、前記生成された場から電力を抽出し、
前記抽出された電力に応答して場を生成するように構成された、ハイブリッド共振器。
前記誘導コイルは空心インダクタである、請求項１に記載のハイブリッド共振器。
前記容量性電極はキャパシタとして振る舞う、請求項１または２に記載のハイブリッド共振器。
前記容量性電極は横に向かって間隔を置かれた２つの電極であり、該電極の各々は前記誘導コイルのいずれかの端部に接続された、請求項１から３のいずれか一項に記載のハイブリッド共振器。
前記生成された場は磁場である、請求項１から４のいずれか一項に記載のハイブリッド共振器。
前記生成された場は電場である、請求項１から４のいずれか一項に記載のハイブリッド共振器。
前記ハイブリッド共振器によって生成された場は共振磁場である、請求項１から６のいずれか一項に記載のハイブリッド共振器。
前記ハイブリッド共振器によって生成された場は共振電場である、請求項１から６のいずれか一項に記載のハイブリッド共振器。
場を生成するフィールド生成器と、
容量性電極および
前記容量性電極に電気的に接続された誘導コイル
を備えるハイブリッド共振器であって、前記容量性電極と前記誘導コイルは、
前記生成された場に応答して、前記生成された場から電力を抽出し、
前記抽出された電力に応答して、場を生成するように構成された、
ハイブリッド共振器と、
前記ハイブリッド共振器によって生成された場から電力を抽出するフィールド抽出器と、
を備える無線電力システム。
前記誘導コイルは空心インダクタである、請求項９に記載の無線電力システム。
前記容量性電極はキャパシタとして振る舞う、請求項９または１０に記載の無線電力システム。
前記容量性電極は横に向かって間隔を置かれた２つの電極であり、該電極の各々は前記誘導コイルのいずれかの端部に接続された、請求項９から１１のいずれか一項に記載の無線電力システム。
前記フィールド生成器は磁場を生成する、請求項９から１２のいずれか一項に記載の無線電力システム。
前記フィールド生成器は、
電源と、
前記電源に電気的に接続された誘導コイルと、
を備える、請求項１３に記載の無線電力システム。
前記フィールド生成器は電場を生成する、請求項９から１２のいずれか一項に記載の無線電力システム。
前記フィールド生成器は、
電源と、
前記電源に電気的に接続された横に向かって間隔を置かれた電極と、
を備える、請求項１５に記載の無線電力システム。
前記ハイブリッド共振器によって生成された場は、共振磁場、共振電場、磁場および／または電場である、請求項９から１６のいずれか一項に記載の無線電力システム。
場を生成するフィールド生成器と、
請求項１から８のいずれか一項に記載のハイブリッド共振器と、
を備える送信機。
請求項１から８のいずれか一項に記載のハイブリッド共振器と、
前記ハイブリッド共振器によって生成された場から電力を抽出するフィールド抽出器と、
を備える受信機。
電場および磁場結合を介して電力を抽出および伝送するように構成された共振器。