KR102227449B1 - 전자기 필드 한정 - Google Patents

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KR102227449B1
KR102227449B1 KR1020157030134A KR20157030134A KR102227449B1 KR 102227449 B1 KR102227449 B1 KR 102227449B1 KR 1020157030134 A KR1020157030134 A KR 1020157030134A KR 20157030134 A KR20157030134 A KR 20157030134A KR 102227449 B1 KR102227449 B1 KR 102227449B1
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그랜트 안소니 코빅
존 탈봇 보이즈
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오클랜드 유니서비시즈 리미티드
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Abstract

본 출원 발명은 전자기 필드들의 제어에 관한 것이다. 그것은 특히 무선 전력 전송 시스템들을 위한 유도 전력 전송 패드들과 같은 자기 플럭스 결합 장치에 관한 것이다. 자기 결합 플럭스를 생성하고 수용하는 코일 및 비교적 높은 투자율의 재료를 포함하는 누설 플럭스 요소를 포함하는 자기 플럭스 결합 장치가 제공된다. 누설 플럭스 요소는 비교적 낮은 투자율의 영역에 의해 코일로부터 분리되고 결합 플럭스와는 별도로 누설 플럭스에 제어된 경로를 제공하도록 위치된다. 제1 층에 배열되는 높은 투자율 재료; 및 제2 층에 배열되는 전도성 또는 낮은 투과율 재료를 포함하는 전자파 흡수재가 제공된다.

Description

전자기 필드 한정{ELECTROMAGNETIC FIELD CONFINEMENT}
본 발명은 전자기 필드들의 제어에 관한 것이다. 본 발명은 유도 전력 전송(IPT; inductive power transfer) 디바이스들 및 시스템들로 통상적으로 공지된, 무선 전력 전송 시스템 디바이스들 및 시스템들에 관한 것이다. 본 발명은 특히 무선 전력 전송 시스템들을 위한 유도 전력 전송 패드들과 같은 자기 플렉스 결합 장치에 관한 것이다.
IPT 차도 응용들과 같은 일부 IPT 시스템들에서의 상당한 우려의 문제는 그러한 시스템들 내의 공기 갭으로부터 누설하거나, 자기 플럭스가 유도 전력 전송을 위해 요구되는 영역으로부터 누설하는 자기 플럭스를 억제하고 있다는 것이다. 이러한 문제는 그들이 높은 및 낮은 전력 시스템들이든지, 고정 및 이동 시스템들의 충전 및 파워링에 대해 존재한다. 예들은 하기를 포함한다: 낮은 전력 전자 디바이스들 예컨대 휴대 전화들, 태블릿 컴퓨터들, 노트북 컴퓨터들, 컴퓨터 주변 장치들, 조명 장치; 더 높은 전력 디바이스들 예컨대 가전 제품들, 로봇들, 무인반송차들, 전기 자동차들(EVs; electric vehicles), 산업 장비.
문제는 차도로부터 EV 무선 충전을 가능하게 하는 시스템의 예를 사용하여 설명될 수 있다. 그러한 시스템에서, 차도는 시변 자기 플럭스를 제공하기 위해 전원에 의해 에너자이징될 수 있는 플럭스 결합기를 포함한다. 차량 상의 대응하는 플럭스 결합기는 차량이 전원에 무선(유도) 결합되는 것을 허용한다. 플럭스 결합 구조들 사이에 공기 갭이 있다. 공기 갭은 변화하고 상대적으로 매우 클 수 있으며 차도 플럭스 결합기와 차량 상의 플럭스 결합기 사이에 상당한 오정렬이 있을 수 있다. 커플링에 대해 적절한 영역에 존재하지 않는 자기 플럭스(본 명세서에서 결합 플럭스로 언급됨)는 요구되지 않고 본 명세서에서 누설 플럭스로 언급된다. 누설 플럭스는 플럭스 결합 구조들 사이의 갭에서 탈출하고 다른 대상들 또는 시스템들을 방해할 수 있다. 이러한 예에서, 허용가능 누설 플럭스는 상대적으로 다량의 전력이 전원으로부터 차량으로 전송되는 것에도 불구하고 매우 낮은 레벨에서 유지되도록 요구된다.
차량의 인접지에서 허용되는 실제 플럭스 밀도는 거의 60 μΤ의 지구의 자기 필드와 비교될 수 있는 17 μΤ일 수 있으며, 주요한 차이는 지구의 필드가 일정한 DC 필드인 반면에 IPT 시스템이 10과 140 kHz 사이의 주파수에서 교번 필드를 가질 것이라는 점이다.
본 발명의 목적은 IPT 시스템들 내의 공기 갭과 같은, 자기 플럭스가 유도 전력 전송을 위해 요구되는 영역으로부터 누설하는 자기 필드를 감소시키는 것이다.
일 측면에서, 본 발명은,
자기 결합 플럭스를 생성하거나 수용하는 코일; 및
비교적 높은 투자율의 재료를 포함하는 누설 플럭스 요소를 포함하는 자기 플럭스 결합 장치를 제공하며;
누설 플럭스 요소는 비교적 낮은 투자율의 영역에 의해 코일로부터 분리되고 결합 플럭스와는 별도로 누설 플럭스에 제어된 경로를 제공하도록 위치된다.
비교적 낮은 투자율의 영역은 코일과 누설 플럭스 요소 사이의 공간을 포함하지만, 대안적으로 다른 재료를 포함할 수 있다.
누설 요소는 사용 시에 자기 포화를 실질적으로 방지하도록 구성되거나 위치될 수 있다. 그것은 또한 누설 플럭스를 코일로 리턴시키는 경로를 제공하도록 배치되거나, 구성되거나 위치된다. 누설 플럭스 요소는 또한 비교적 높은 투자율을 갖는 재료의 복수의 별개 피스를 포함할 수 있다. 재료의 피스들은 함께 접합될 수 있거나, 서로 인접하여 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 누설 플럭스 요소는 코일 또는 코일들의 주변을 실질적으로 둘러싼다. 다른 실시예에서, 그것은 장치 또는 코일의 단지 하나 이상의(예를 들어 하나 또는 2개의) 측면과 실질적으로 연관된다.
자기 플럭스 결합 장치는 결합 플럭스를 생성하거나 수용하는 것을 용이하게 하기 위해 코일과 자기적으로 연관되는 자기 투과성 부재를 포함할 수 있다. 누설 플럭스 요소는 시변 자기 필드로부터 에너지를 흡수하는 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 누설 플럭스 요소는 누설 플럭스 요소 내의 자기 플럭스가 에너지를 손실하도록 히스테리시스를 갖는 재료로 형성될 수 있다. 바람직하게, 재료는 높은 보자력 또는 높은 유지력 중 적어도 하나를 갖는다.
일 실시예에서, 누설 플럭스 요소는 누설 플럭스가 발생하는 영역들 사이에서 연장될 수 있고/있거나 장치가 위치되는 환경에서 플럭스에 대한 누설 경로들을 차단하도록 배열될 수 있다. 바람직하게, 누설 플럭스 요소는 비교적 비전도성이다. 그것은 또한 가요성일 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은,
제1 층에 배열되는 높은 투자율 재료; 및
제2 층에 배열되는 전도성 또는 낮은 투과율 재료를 포함하는 전자파 흡수재를 제공한다.
전자파 흡수재는 제3 층에 배열되는 높은 투과율 재료를 더 포함할 수 있고; 전도성 또는 낮은 투과율 층은 제1 및 제3 층들 사이의 중간 층에 배열된다.
바람직하게, 제1 또는 제2 높은 투과율 층들 중 적어도 하나는 시변 자기 필드로부터 에너지를 흡수한다. 제1 및 제2 높은 투과율 층들은 상이한 투과율을 가질 수 있다. 높은 투과율 층들 중 적어도 하나는 층이 사용 시에 자기적으로 포화되는 것을 방지하는데 충분한 체적 또는 두께를 가질 수 있다. 낮은 투과율 층은 요구된 흡수 주파수를 위해 대략 표피 깊이 미만의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 높은 투자율 층들 중 하나 이상은 비금속, 비자기 재료에 의해 분리되는 높은 투자율 재료의 다수의 구성요소 층을 포함한다. 다수의 구성요소 층은 주어진 플럭스에 대한 자기 포화를 방지하도록 적응된다. 또한, 다수의 구성요소 층은 높은 투자율 층들 중 적어도 하나가 자기 플럭스를 위해 요구된 감쇠를 제공하도록 적응된다.
층들 중 임의의 하나 이상은 에너지 소멸을 용이하게 하기 위해 구불구불한 경로를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 연속 층들 내의 재료들은 각각의 층들에 전기 또는 자기 필드들을 포함하기 위해 그들의 상대 컨덕턴스들 및 리럭턴스들의 큰 차이들을 갖는다. 본 발명은 또한 전도성 또는 낮은 투자율 재료의 복수의 층으로 대체되는 페리자성 또는 강자성 재료의 복수의 층을 포함하는 전자파 흡수재를 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은,
자기 결합 플럭스를 생성하거나 수용하는 코일;
비교적 높은 투자율의 재료를 포함하는 누설 플럭스 요소를 포함하는 자기 플럭스 결합 장치를 광범위하게 제공하고;
누설 플럭스 요소는 코일에 의해 생성되는 누설 플럭스가 누설 플럭스 요소에 실질적으로 한정되도록 비교적 낮은 투자율의 영역에 의해 코일로부터 분리된다.
일 실시예에서, 비교적 낮은 투자율의 영역은 코일과 누설 플럭스 요소 사이의 공간을 포함한다.
일 실시예에서, 누설 플럭스 요소는 코일을 실질적으로 둘러싼다.
일 실시예에서, 누설 플럭스 요소는 비교적 높은 투자율을 갖는 재료의 복수의 별개 피스를 포함한다. 재료의 피스들은 함께 접합될 수 있거나, 서로 인접하여 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 자기 플럭스 결합 장치는 결합 플럭스를 생성하거나 수용하는 것을 용이하게 하기 위해 코일과 자기적으로 연관되는 자기 투과성 부재를 포함한다.
본 발명의 측면들은 누설 플럭스를 집중하며, 이는 높은 투자율 재료로 형성되고 누설 플럭스에 대한 경로를 정의하는 누설 요소 내에서, IPT 결합 디바이스 또는 패드의 작업 영역 및/또는 높은 투자율 코어로부터 누설되며 그러한 경로 외부의 영역 내의 누설 플럭스가 감소된다.
누설 구성요소는 누설 요소 내의 플럭스가 에너지를 손실하도록 높은 보자성인 재료로 형성될 수 있다.
누설 요소는 누설 플럭스가 발생하는 영역들 사이에서 연장될 수 있고/있거나 패드 주위의 환경을 통해 플럭스에 대한 누설 경로들을 차단하도록 배열될 수 있다.
본 발명의 측면들은 2개의 경로에서 자기 플럭스를 분리하기 위해 비교적 낮은 투자율의 영역에 의해 분리되는 높은 투자율의 2개 이상의 경로에서 플럭스를 집중하는 수단을 제공한다. 하나의 경로는 IPT 패드의 성능을 증대시키기 위해 IPT 패드에서 결합 플럭스에 대한 리턴 경로를 제공하도록 배열될 수 있고 다른 경로는 제어된 경로 외에서 누설 플럭스를 감소시키기 위해 IPT 패드로부터 누설되는 누설 플럭스에 대한 제어된 경로를 제공하도록 배열될 수 있다.
본 발명의 측면들은 IPT 패드 내에 플럭스에 대한 제1 높은 투자율 경로 및 IPT 패드로부터 누설되는 플럭스에 대한 제2 높은 투자율 경로를 제공할 수 있으며, 제2 높은 투자율 경로는 누설 플럭스를 차단하고 패드에 대해 위치되는 영역들에서 떨어져서 누설 플럭스를 전달하기 위해 패드에 대해 연장될 수 있다. 이러한 차단 및 전달은 이러한 영역들에서 누설 플럭스를 감소시킨다.
다른 측면에서, 본 발명은,
결합 플럭스를 생성하거나 수용하는 코일;
코일과 자기적으로 연관되는 자기 투과성 코어; 및
자기 투과성 재료로 형성되는 누설 요소로서, 코어로부터 이격되고 코어에 리턴될 코일에 의해 생성되는 누설 플럭스에 대한 경로를 제공하는 누설 요소를 포함하는 자기 플럭스 결합 장치를 광범위하게 제공한다.
일 실시예에서, 누설 요소는 비교적 낮은 투자율의 영역에 의해 코어로부터 분리된다.
바람직하게, 누설 요소의 투자율은 코어의 것과 동등하거나, 그것보다 더 크다.
바람직하게, 누설 요소는 비정질 금속을 포함한다. 누설 요소는 시트 재료의 하나 이상의 층들을 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은,
결합 플럭스를 생성하거나 수용하는 코일;
높은 자기 투과성 시트 재료로 형성되는 누설 요소로서, 누설 플럭스에 대한 경로를 제공하는 누설 요소를 포함하는 자기 플럭스 결합 장치를 광범위하게 제공한다.
장치는 장치에 의해 생성되거나 수용되는 결합 플럭스에 대한 경로를 제공하는 자기 투과성 코어를 포함할 수 있다.
누설 요소의 투자율은 코어의 것과 동등하거나, 그것보다 더 클 수 있다.
누설 요소는 비교적 낮은 투자율의 영역에 의해 코어로부터 분리될 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은,
결합 플럭스를 생성하거나 수용하는 코일;
자기 투과성 시트 재료로 형성되는 누설 요소로서, 누설 플럭스에 대한 경로를 제공하는 누설 요소를 포함하는 자기 플럭스 결합 장치를 광범위하게 제공한다:
누설 요소는 하나 이상의 영역들 또는 비교적 높은 자기 리럭턴스를 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명은 하나 이상의 IPT 코일에 대한 백킹을 제공하며, 백킹은,
높은 투자율 재료로 형성되는 제1 높은 투자율 요소;
높은 투자율 재료로 형성되는 제2 높은 투자율 요소; 및
전도성 또는 낮은 투자율 재료로 형성되고 제1 및 제2 높은 투자율 요소들 사이에 배열되는 낮은 투자율 요소를 포함한다.
제2 높은 투자율 층은 하나 이상의 방향에서 낮은 투자율 요소 및 제1 높은 투자율 층을 넘어 연장될 수 있다.
제2 높은 투자율 요소는 재료의 하나 이상의 층 또는 시트를 포함할 수 있다.
낮은 투자율 요소는 재료의 하나 이상의 층 또는 시트를 포함할 수 있다.
제1 높은 투자율 층은 하나 이상의 코일을 갖는 IPT 시스템에 대한 플럭스 집중기를 제공하는데 적절할 수 있다.
제1 높은 투자율 요소는 페리자성 또는 강자성 재료일 수 있다.
제2 높은 투자율 요소는 페리자성 또는 강자성 재료일 수 있다.
높은 투자율 층은 공기보다 실질적으로 더 높은 투자율을 가질 수 있다. 높은 투자율 층은 층 내에서 플럭스를 실질적으로 집중하는데 적절한 투자율을 가질 수 있으며 그것에 의해 층 주위의 플럭스가 감소된다.
제2 높은 투자율 요소는 제1 높은 투자율 층에 대해 백킹되도록 사용 시에 코일들로부터 원위에 있을 수 있다.
제2 높은 투자율 층은 제1 높은 투자율 층의 것보다 더 높은 보자성을 나타낼 수 있다. 제2 높은 투자율 층은 제2 높은 투자율 층이 내부에 집중되는 플럭스를 감쇠시키도록 보자성을 가질 수 있다.
제2 높은 투자율 층은 제1 높은 투자율 층의 것보다 더 높은 투자율을 가질 수 있다.
제2 높은 투자율 층은 비금속, 비자기 재료에 의해 분리되는 높은 투자율 재료의 다수의 구성요소 층을 포함할 수 있다. 다수의 층은 제2 높은 투자율 층이 주어진 플럭스를 위해 포화되지 않도록 또는 제2 높은 투자율 층이 플럭스에 대한 최적 감쇠를 제공하도록 될 수 있다.
위의 요소들 중 하나 이상은 재료의 하나 이상의 시트를 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 하나 이상의 IPT 코일에 대한 화합물 백킹 요소를 제공하며, 백킹 요소는 제1 높은 투자율 층들로 배열되는 페리자성 또는 강자성 재료, 제2 높은 투자율 층으로 배열되는 강자성 또는 페리자성 재료 및 제1 및 제2 높은 투자율 층들 사이의 전도성 층으로 배열되는 전도성 재료를 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명은 하나 이상의 IPT 코일에 대한 화합물 백킹 요소를 제공하며, 백킹 요소는 제1 높은 투자율 요소로서 배열되는 페리자성 또는 강자성 재료, 제2 높은 투자율 층으로서 배열되고 제1 및 제2 높은 투자율 층들 사이에 배열되는 낮은 투자율 층으로 배열되는 강자성 또는 페리자성 재료를 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명은 활성 영역에서 제2 패드를 에너자이징하기 위해 활성 영역에서 플럭스를 야기하도록 에너자이징될 때 적절한 유도 전력 전송 패드를 제공하며, 패드는 플럭스가 활성 영역 외부의 플럭스에 대해 활성 영역에서 집중되게 하기 위해 하나 이상의 제1 높은 투자율 요소를 포함하며, 패드는 활성 영역으로부터 누설되는 플럭스가 패드에 대해 정의되는 하나 이상의 영역을 회피하는 경로에 집중되게 하도록 배열되는 하나 이상의 제2 높은 투자율 요소를 더 포함한다.
2개의 층은 낮은 투자율 또는 전도성 영역 또는 제1 및 제2 높은 투자율 층들 사이의 층을 배열하기 위해 전도성 층에 의해 분리될 수 있다. 낮은 투자율 층은 제1 및 제2 높은 투자율 층 둘 다를 통해 연장되는 패드에 의해 생성되는 임의의 플럭스 루프들을 실질적으로 방지하기에 충분히 낮을 수 있다.
제2 높은 투자율 요소들은 2개 이상의 누설 영역을 통과하는 플럭스 루프들이 영역들 사이의 높은 투자율 경로에 집중하는 경향이 있도록 활성 영역 외부의 2개 이상의 누설 영역 사이에 높은 투자율 경로를 제공하도록 배열될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 IPT 시스템 내의 일차 또는 이차 패드를 위해 IPT 패드 또는 IPT 패드에 대한 백킹을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 위의 단락들 중 하나 이상에 정의된 바와 같은 특징을 갖는 일차 또는 이차 패드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 위의 단락 중 하나 이상에 정의된 바와 같은 일차 및 이차 패드를 포함하는 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 패드의 활성 영역에서 플럭스를 증대시키기 위해 플럭스를 집중하는 하나 이상의 제1 높은 투자율 요소, 길게된 요소들이 장착되는 플레이트로서, 전도성이거나 낮은 투자율을 갖는 플레이트 및 길게된 요소들로부터 플레이트의 대향 측면 상에 위치되는 하나 이상의 제2 높은 투자율 요소를 갖는 IPT 패드를 제공한다. 하나 이상의 제1 높은 투자율 요소는 페라이트 바들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 제2 투자율 요소들은 비정질 금속의 시트를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 강자성 또는 페리자성 재료의 하나 이상의 층 및 전도성 재료의 하나 이상의 층을 포함한다. 전도성 재료의 하나 이상의 층은 재료의 표피 효과 깊이보다 더 큰 두께를 가질 수 있다. 전도성 재료의 하나 이상의 층은 재료에 대한 표피 효과 깊이와 실질적으로 같은 두께를 가질 수 있다. 전도성 재료의 하나 이상의 층은 재료에 대한 표피 효과 깊이 미만인 두께를 가질 수 있다.
하나 이상의 전도성 층은 플럭스가 전도성 층에 의해 반사되지 않도록 충분히 얇을 수 있다. 하나 이상의 전도성 층은 플럭스가 전도성 층을 통과하도록 충분히 얇을 수 있다.
하나 이상의 페리자성 또는 강자성 재료는 비정질 금속들을 포함할 수 있다. 본 발명은 또한 자기 결합 구조들 또는 배열들을 제공하는 방법들, 및 전자파 흡수재들을 제공하는 방법들을 포함한다.
추가 측면들은 이하의 설명으로부터 분명할 것이다.
본 발명의 실시예들은 다음 도면들을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 강자성 재료에 대한 종래의 히스테리시스 루프이다;
도 2a 내지 도 2c는 동일한 포화 플럭스 레벨을 갖는 상이한 재료들에 대한 히스테리시스 루프들이다.
도 3a는 측면도에서의 2개의 결합된 IPT 패드들의 도면이다.
도 3b는 측면도에서 누설 플럭스 제어 또는 스크리닝을 포함하는 2개의 결합된 IPT 패드들의 도면이다.
도 4는 2개의 IPT 패드들의 단면의 도면이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 2개의 결합된 패드 구조들에 관한 자기 필드의 시뮬레이션들이다:
(a) 임의의 누설 플럭스 제어를 갖지 않음;
(b) 상부 패드 위에 단일 층 누설 플럭스 요소를 가짐; 및
(c) 상부 패드 위에 3층 누설 플럭스 요소, 및 하부 패드 아래에 3층 누설 플럭스 요소를 가짐.
음영 영역들은 어떤 임계값들 위의 자기 필드 강도의 근사 영역들을 도시한다.
도 5는 누설 요소가 코일로부터 이격되는 IPT 시스템의 일 실시예이다.
도 6은 누설 요소가 더블 코일로부터 이격되는 IPT 시스템의 일 실시예이다.
도 7은 누설 요소가 일차 코일로부터 이격되고 이차 코일이 부근에 위치되는 IPT 시스템의 일 실시예이다.
도 7a는 누설 요소들을 갖고 갖지 않는 시스템들에 대한 X 및 Y 축들에서 도 7의 이차 패드의 중심을 따르는 플럭스 판독들을 도시한다.
도 7b는 누설 요소들의 2개의 변화들을 갖지 않고 갖는 X 및 Y 축들에서 도 7의 일차 패드의 중심을 따르는 플럭스 판독들을 도시한다.
도 8은 복수의 섹션들로 구성되는 누설 요소를 갖는 일 실시예를 도시한다.
도 9는 일차 패드의 2개의 측면들 상에 누설 리액턴스를 갖는 일 실시예를 도시한다.
도 10은 투과성 코어를 갖는 DD-DDQ 패드의 일 실시예를 도시한다.
도 10a는 누설 요소들을 갖고 갖지 않는 X 및 Y 축들에서 도 10의 일차 패드의 중심을 따르는 플럭스 판독들을 도시한다.
도 11a는 복수의 섹션들로 구성되는 누설 요소를 갖는 일 실시예를 도시한다.
도 11b는 패드의 2개의 측면들 상에서 복수의 섹션들로 구성되는 누설 요소를 갖는 일 실시예를 도시한다.
도 12a, 도 12b 및 도 12c는 누설 요소들의 다양한 형상들을 갖는 실시예들을 도시한다.
도 12d 및 도 12e는 누설 요소들을 갖고 갖지 않는 X 축들에서 도 12의 일차 패드의 중심을 따르는 플럭스 판독들을 도시한다.
도 13은 차량의 에지들 상에 누설 요소들을 갖는 일 실시예를 도시한다.
도 14a 및 도 14b는 단면에서의 층상 재료 구조들의 실시예들을 도시한다.
아래에 설명되는 실시예들은 주로 본 발명의 가능한 적용의 단지 일 예인 차량 무선 전력 전송을 위한 본 발명의 적용들에 관한 것이다. 당해 기술에서 통상의 기술자들은 본 발명이 또한 하기를 제한 없이 포함하는 다른 유도 전력 전송 응용들에 적용가능한 것을 이해할 것이다: 낮은 전력 전자 디바이스들 예컨대 휴대 전화들, 태블릿 컴퓨터들, 노트북 컴퓨터들, 컴퓨터 주변 장치들, 조명 장치; 더 높은 전력 디바이스들 예컨대 가전 제품들, 로봇들, 무인반송차들, 전기 자동차들(EVs), 산업 장비. 또한 본 발명은 더 일반적인 의미에서 전자기 필드들의 제어 또는 형상화에 대한 적용을 발견한다는 점이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 그것의 범위 내에서 전자기 필드들을 안내하거나, 전달하거나, 흡수하는 디바이스들: 예를 들어 휴대 전화들 및 컴퓨터들을 포함하는 이동 전자 디바이스들에 의해 방출되는 것과 같은 전자기 에너지를 흡수하거나, 소멸시키거나, 안내하는 전자파 흡수재들을 포함한다.
위에 설명된 바와 같이, IPT 차도 시스템에서 전력 전송은 차도("일차") 및 차량 부수("이차") 자기 플럭스 결합 장치 둘 다를 결합하는 자기 밀도에 의해 용이하게 된다. 그러한 플럭스 결합 장치는 일차 패드 및 이차 패드의 형태로 편리하게(반드시 필수적인 것은 아니지만) 제공되고, 본 명세서에서 용어 "패드"를 사용하는 것으로 언급된다. 그러한 시스템들은 양방향일 수 있으며, 그 경우에 일차 패드는 차량 상에 존재하는 것이 되고, 이차는 차도와 연관되는 패드가 된다. IPT 차도 시스템의 설명은 공개 국제 출원 WO 2011/016736호에 제공되며 그 개시는 이로써 참고문헌으로 통합된다.
이러한 시스템들에 사용되는 플럭스 결합 장치는 여러가지 상이한 형태들을 취할 수 있다. 전력을 전송하는 결합 플럭스를 생성하는 자기 필드의 발생에서 일차 또는 이차에 국부적인 다른 필드들이 또한 생성된다. 이들은 전력을 전송하는 것이 아니라 그들은 사람을 포함하는, 대상이 인접지에서 플럭스에 영향을 받지 않도록 억제되어야 하는 그들의 인접지에 자기 플럭스를 채운다. 자기 플럭스를 위한 스크리닝 기술들은 잘 알려져 있고 이에 대한 적절한 재료들은 구리, 알루미늄, 다른 금속들, 페라이트, 다른 페리- 및 강-자성 재료들 등을 포함한다. 이러한 재료들 모두는 스크리닝 능력들을 더 많거나 더 적은 양으로 갖는다. 일반적으로 구리 및 다른 전기 전도성 재료들은 금속 표면에서 소거가 있도록 그것이 표시의 변화로 나온 곳으로 다시 플럭스를 반사시키는 경향이 있다. 페라이트들 및 다른 자기 투과성 재료들은 표시의 변화 없이 플럭스를 반사시키는 경향이 있다.
도 1을 참조하면, 자기 재료들의 특성들은 AC 자기 필드 세기(H)가 재료에서 자기 플럭스 밀도(B)를 생성하기 위해 사용되는 자기 히스테리시스 루프를 사용하여 통상적으로 관찰할 수 있고 결과적인 플럭스 밀도는 재료에 대한 히스테리시스 루프로 공지된 것에서 자기 필드 세기에 대해 플로팅된다. 재료의 에너지 손실은 루프에 의해 제한되는 영역(2)에 비례한다. 낮은 손실 재료들은 전형적으로 매우 얇은(즉, 낮은 보자력) 히스테리시스 루프들에 대응하며; 높은 손실 재료들은 전형적으로 상당히 더 두꺼운(즉, 높은 보자력) 히스테리시스 루프들을 갖는다. 또한 히스테리시스 루프에 의해 제한되는 영역은 모든 다른 것들이 동일하면, 루프가 원점으로부터 더 멀리 B 축을 교차하는 경우 즉 재료의 유지력 또는 잔류 자력이 더 높은 경우에 의해, 증가될 것이라는 점이 인지될 것이다. 그러므로, 더 큰 손실은 더 큰 보자력 및/또는 유지력을 갖는 재료들에서 발생할 것이다.
루프는 그것의 비선형 형상을 유지하고 여전히 낮은 손실이 될 수 있다. 높은 플럭스 밀도들에서, 재료는 포화될 것이고 이러한 포화 현상은 상대 투자율이 1보다 더 큰 자기 재료로 관찰가능하다. 히스테리시스 루프들의 변화들은 도 2a 내지 도 2c에서 보여질 수 있다. 이러한 도면들을 참조하면, 이러한 재료들의 전부는 동일한 포화 플럭스 밀도를 갖지만 좌측(도 2a) 상의 루프는 재료에 의해 경험되는 각각의 사이클에 대해 우측(도 2c) 상의 루프보다 아주 많은 에너지를 손실한다.
이상적으로, 재료는 아마 표준에 의해 지정되는 바와 같이, 필드 레벨들이 낮은 것이 요구되는 패드 주위의 영역들로부터 플럭스를 스크리닝하기 위해 사용될 것이다. 많은 상황들에서, 자기 재료는 플럭스 밀도가 너무 높거나, 온도가 퀴리점 위에 있고 재료의 모든 자기 특성들이 손실됨에 따라 스크린으로 사용될 수 없다. 이러한 상황들에서, 금속/도체 스크리닝만이 가능하고 그러한 스크리닝은 독자가 반사 플럭스로 이해하는 "플럭스-플라이트닝(flux-frightening)" 원칙으로 작용해야 한다. 자기 패드들의 경우에, 높은 온도들은 자기 재료의 사용이 실제로 필수적이므로 회피되어야 한다.
도 3a를 참조하면, 2개의 결합된 플럭스 결합 디바이스들은 패드들(4, 5)로 도식적으로 도시된다. 각각의 패드는 코일을 포함하고, 패드들 중 하나에 대한 코일은 전력 전송을 패드들 사이에서 가능하게 하는 결합 플럭스의 라인들(3), 및 누설 플럭스를 표현하는 라인들(6)에 의해 도면에서 표현되는 자기 필드를 생성하기 위해 에너자이징된다. 각각의 패드(4, 5) 자체는 결합 플럭스(3)에 대한 리턴 경로를 제공한다. 패드들(4 및 5) 둘 다로부터의 누설 플럭스(6)는 각각의 패드 주위에 완전히 전파한다.
그러나, 높은 투과성 누설 플럭스 요소(7, 8)가 제자리에 있으면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 이때 누설 플럭스(6)는 공기 또는 패드를 둘러싸는 콘크리트와 같은 다른 재료를 통과하기보다는 요소(7, 8)를 통과할 것이다. 페라이트와 같은 높은 투과성 요소는 결합 플럭스(3)에 대한 리턴 경로를 제공하기 위해 패드 자체에 개별적으로 제공될 수 있다.
도 3b는 누설 플럭스가 요소들(7, 8)에 의해 제공되는 높은 자기 투과성 영역들과 마주치도록 각각의 패드의 에지들을 넘어 연장되는 재료의 시트의 형태로 각각 제공되는 높은 투과성 누설 플럭스 요소들(7, 8)을 도시한다. 이러한 방식에서, 각각의 패드로부터의 누설 플럭스는 각각의 누설 플럭스 요소에 의해 점유되는 영역으로 안내되거나 조정된다. 이것은 누설 플럭스의 위치가 누설 플럭스에 대한 제어된 경로를 제공함으로써 제어되는 것을 허용한다. 각각의 누설 플럭스 요소는 또한 누설 플럭스의 경로 및 따라서 위치가 결합 플럭스로부터 개별적으로 또는 독립적으로 제어되는 것을 허용한다. 따라서, 누설 플럭스는 1 또는 2개의 패드들의 근처에서의 다른 영역들과 대조적으로 누설 플럭스 요소(들)에 의해 점유되는 영역에 실질적으로 한정될 수 있다.
2개의 결합된 패드들이 도 3b에 도시되지만, 독자는 예를 들어 패드(5)라고 말하는 단일의 에너자이징된(즉 분리된) 패드가 존재하면, 이때 연관된 누설 플럭스 요소(8)가 누설 플럭스를 제어하는 것을 여전히 돕는 반면 결합 플럭스가 요구될 때 전력 전송을 위한 패드 위의 영역에 여전히 이용가능한 것을 이해할 것이다. 누설 플럭스 요소는 그것이 결합 플럭스와 독립적으로 즉 결합 플럭스에 영향을 실질적으로 미치는 것 없이 제어된 경로를 제공하기 위해 그것이 누설 플럭스를 조정하거나 안내하는 것을 허용하기 위해 다양한 방식들로 위치될 수 있다.
누설 플럭스 요소(7)는 패드(4)로부터 이격되고 요소(8)는 낮은 상대 투자율의 분리 영역을 제공하는 패드(5)로부터 이격된다는 점이 도 3b에서 인지될 것이다. 낮은 상대 투자율의 이러한 영역은 누설 플럭스를 제어하기 위해 제공되는 낮은 리럭턴스(높은 투자율) 경로로부터 결합 플럭스의 경로(패드 내에 페라이트 코어와 같은 개별적인 높은 투자율 요소를 포함할 수 있음)를 분리한다. 이러한 분리는 패드 및 시스템의 자기 구조 및 요건들에 따라 선택되어, 누설 플럭스 요소 는 결합 플럭스에 대한 경로를 제공하지 않는다. 분리의 간격은 또한 누설 플럭스 요소가 포화하는 것을 방지하기 위해 선택될 수 있다. 더욱이, 누설 플럭스 요소가 구성되는 치수들 및 재료는 또한 누설 플럭스 요소가 포화하는 것을 방지하기 위해 선택될 수 있다.
누설 플럭스 요소(7)는 그것이 플럭스를 그것에 끌어당기고 그것을 멀리 반사시키지 않음으로써 동작하도록 부도체인 재료로 형성되어야 한다. 위에 언급된 바와 같이, 2개의 개별적인 높은 투자율 경로들이 사용되며 - 하나는 결합 플럭스를 위한 것이고 하나는 누설 플럭스를 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 이러한 경로들은 금속 도체에 의해 분리될 수 있다. 이러한 상황에서, 높은 투과성 경로들 중 하나가 약간 전도성이면 효과는 이러한 금속 분리기에 의해 압도될 것이다. 예를 들어, 비정질 금속은 누설 플럭스 요소에 대한 경로에서 사용될 수 있다. METGLAS와 같은 비정질 금속 성분은 1.2.10-6 Ohms.m의 저항률을 가질 수 있는 반면 알루미늄은 44배 더 작은 2.7.10-8 Ohms.m의 저항률을 가지므로 METGLAS 성분의 전도율은 금속성 알루미늄 분리기가 있을 때 안전하게 무시될 수 있다.
따라서, 스크린(7)에 대한 재료는 그것을 통과하는 자기 누설 플럭스를 안내하거나, 조정하거나 끌어당기기 위해 높은 투과성이어야 한다. 일부 실시예들에서, 누설 플럭스 요소(7, 8)는 그러한 누설 플렉스의 에너지가 흡수될 수 있도록 손실되어야 하는 것이 바람직할 수 있다. 요소(7, 8)는 비정질 금속의 층, 또는 높은 투자율(및 선택적으로 높은 보자력 및/또는 유지력)을 갖는 적절한 대안 재료에 의해 제공될 수 있다. 차도 IPT 시스템의 예에서, 누설 요소는 플럭스가 차량의 차안으로 전파하는 것을 방지하기 위해 차도 패드(그것의 이래쪽을 따르는) 주위 또는 그것에 동작가능하게 인접하여 및 차량 내 패드 위에 위치될 수 있다.
비정질 금속이 사용되면, 그것은 가능한 한 얇아야 하거나 그것은 포화하지 않아야 하거나 그것의 효율성은 손실될 것이다. 자기 재료들의 전력 손실은 재료에 복합 투자율을 제공함으로써 수학적으로 추가될 수 있다. 낮은 투자율은 거의 1의 상대 투자율(μr)과 연관될 수 있다. 예를 들어, 공기, 나무, 알루미늄 및 콘크리트와 같은 공통 재료들은 거의 1의 투자율을 갖는다. 높은 투자율 재료는 2, 5 10 또는 이상의 상대 투자율과 연관될 수 있다. 예를 들어 페라이트는 16 내지 640의 상대 투자율을 가질 수 있다. 투자율 측정들은 특히 높은 필드 강도들 및 주파수에서, 변화하는 것으로 공지되어 있다는 점이 주목된다.
자기 재료의 전력 손실의 효과는 도 2a의 루프에서와 같은 '정사각형' 히스테리시스 루프를 갖는 재료를 사용하여 매우 명확하게 인지될 수 있다. 자기 코어가 정사각형 히스테리시스 루프로 제조되면, 루프의 상단 오른쪽 코너는 자기 재료의 피크 에너지에 대응한다.
Figure 112015100915567-pct00001
루프의 각각의 사이클에서 손실되는 에너지는 (거의)
Figure 112015100915567-pct00002
이다.
따라서, 라디안 당 에너지 손실은
Figure 112015100915567-pct00003
이므로
자기 Q는
Figure 112015100915567-pct00004
(1)로 주어진다.
유사하게 동일한 Q 정의
Figure 112015100915567-pct00005
을 사용하는 인덕터에 대한 것이다.
재료에 대한 히스테리시스 루프가 완전히 그렇게 '직사각형'이 아니면, Q는 더 높을 수 있지만 이러한 응용에서 낮은 Q가 바람직하고 '직사각형' 히스테리시스 루프들을 갖는 재료들에 대응한다.
그것 내에 자기 재료를 갖는 AC 회로의 분석
실제 AC 회로에서, 구성요소 인덕턴스는
Figure 112015100915567-pct00006
(2)이며
심볼들은 그들의 일반적인 의미를 갖는다.
VAR 로드는
Figure 112015100915567-pct00007
이다.
이러한 단순한 AC 유도성 회로에 대해
Figure 112015100915567-pct00008
및
Figure 112015100915567-pct00009
(3)이다
여기서, 투자율이 복소수
Figure 112015100915567-pct00010
인 단일 구성요소는 하기로 한다.
Figure 112015100915567-pct00011
(4)
회로에서 단독으로 이러한 구성요소에 대해 리액턴스 및 등가 저항은 (4)를 사용하는 회로 임피던스로부터 이하로 발견될 수 있다.
Figure 112015100915567-pct00012
(5)
제1 항은 예상된 유도성 리액턴스이고, 제2 항은 저항이다.
회로 Q는 저항으로 나누어지는 유도성 리액턴스에 의해 주어진다:
Figure 112015100915567-pct00013
따라서, 정사각형 히스테리시스 루프에 대해, 투자율의 복소수 부분에 대한 값은
Figure 112015100915567-pct00014
이다. 비정질 금속에 대해, 투자율은 대략 70,000일 수 있으므로, 100 kHZ에서의 μ'는 거의
Figure 112015100915567-pct00015
이다. 이것은 이러한 응용에서 비정질 금속의 π 성능을 평가하기 위해 시뮬레이터에서 요구되는 값이다.
본 발명의 실시예들을 수반하는 응용에 유용한 재료들은 시트 금속, 비정질 금속, 비정질(분말) 코발트, METGLAS 및 합금들 예컨대 퍼멀로이 및 슈퍼멀로이이다. 일 예는 상표 FINEMET 하에 판매되는 재료이다. 이러한 재료들은 그들의 물리적 특성들 및 비용에서 광범위하게 변화한다. 일부 재료들은 매우 단단하고 잘 부러진다 - 예를 들어 페라이트. 스크리닝 목적들을 위한 가장 전통적인 재료들은 대체로 구리 및 퍼멀로이이다 - 이는 100,000보다 더 큰 상대 투자율을 가질 수 있다. 비정질 코발트는 또한 METGLAS 및 비정질 금속이 또한 지닐 수 있는 것과 같은 매우 높은 투자율을 가질 수 있다. 이상적인 재료들은 가요성이고, 사용하기 쉽고 비용이 낮다.
차도 패드들은 결합된 패드들 주위에 스크린들을 완전히 갖는 것이 불가능함에 따라 스크리닝하는 것이 어렵다. 이것은 차량부수 패드가 이동할 수 있어야 하고 스크린들이 그러한 이동을 방해할 수 없음에 따라 다른 스크리닝 문제들과는 달리 상당히 중요한 문제이다. 여기서, 개별 패드들은 가능한 많은 스크리닝을 달성하기 위해 '반-폐쇄'되어야 한다. 개념적으로, 패드(4)가 차량 장착 패드이고, 패드(5)가 지면 상에 또는 차도 내에 장착되는 패드인 상황이 도 3a 및 3b에 도시된다. 언급된 바와 같이, 패드들 사이의 공기 갭은 차량 아래에서 간격을 변화시키는 것 없이 스크리닝될 수 없으며 - 이는 허용가능하지 않다. 여기서 도시되는 세미 스크리닝은 누설 플럭스 요소 스크린들이 중심 라인으로부터 더 멀리 연장됨에 따라 더욱더 효과적이지만 게다가 이러한 스크린들이 얼마나 클 수 있는지에 대한 제한이 있다. 플럭스는 (높은 투자율 재료에 대해 직각에서) 누설 플럭스 요소 스크린들로 안내되거나 끌어당겨지고 패드의 일단부로부터 타단부로 전파되며 따라서 누설 플럭스가 다른 대상들을 방해하는 것을 방지하는 누설 플럭스에 대한 경로를 제공한다.
전기 자동차들의 유도 파워링을 위한 차도 패드들은 상이한 형상들 및 크기들로 나타나지만 거의 틀림없이 "더블 D" 패드들은 넓은 공기 갭들을 걸쳐 전력 전송의 관점에서 최상으로 이용가능하다. 그러한 패드들은 2개의 나란한 플랫 코일들을 포함하고 국제 공개 제WO 2012/018268호에 설명되며 그것의 내용들은 본 명세서에 참고문헌으로 통합된다. 그러나, 이러한 넓은 공기 갭들은 또한 누설 관점에서 더 악화되고 패드의 측면들 외부에서 상당한 플럭스를 허용한다. 누설 플럭스는 패드의 일단부를 타단부에 연결하는 경향이 있고 경로는 이미 코일들이 위치되는 패드(들)의 페라이트 구조를 통해 이러한 플럭스에 대해 존재한다. 알루미늄 층은 패드들의 구조 완전성을 돕기 위해 코일들의 그것에 대향하는 페라이트의 측면 상에 제공된다. 일부 플럭스는 알루미늄의 외부 상의 패드 구조 뒤에서 주위를 순환한다: 플럭스는 작지만 허용가능 레벨이 그렇게 낮음에 따라 여전히 문제이다.
도 3b에 도시된 누설 플럭스 요소(7, 8)는 각각의 패드의 알루미늄의 외부에 위치되고 누설 플럭스 요소를 넘는 임의의 누설 플럭스가 제거되거나 적어도 감소되도록 누설 플럭스를 요소(7, 8)에 한정함으로써 누설 플럭스를 감소시키기 위해 이용될 수 있다. 도체인 알루미늄은 또한 결합된 필드가 생성되는 것에 대향하는 패드의 면 상에서 플럭스 실드의 기능을 할 수 있다. 놀랍게도, 알루미늄을 그것의 구조적 역할을 위해 그곳에서 유지하고, 우회하는 누설 플럭스를 안내하고 제약하고 따라서 규제하기 위해 누설 플럭스 요소를 제공하도록 비정질 금속과 같은 높은 투과성 재료의 층을 장착하는 것이 유리하다.
누설 플럭스가 작고 그것이 정상적인 상황 하에 알루미늄에 거의 영향을 받지 않지만, 그것이 갖는 바와 같은 그러한 효과들은 유익하다. 이것은 예기치 않은 결과이다. 비정질 금속 층이 없으면, 알루미늄 내의 플럭스는 매우 작고 무시가능한 효과를 갖는다. 그러나, 알루미늄이 비정질 금속으로 대체될 때, 필드는 왜곡되고 상당한 플럭스는 그것이 결합 플럭스에 대한 다른 경로를 제공하므로 비정질 금속을 통과하고 픽업 시스템의 전력 전송 능력을 감소시킨다. 따라서, 비정질 금속이 사용될 때, 알루미늄, 또는 유사한 필드 반사 및/또는 낮은 투자율 속성들을 갖는 재료가 또한 제자리에 있는 것이 유리하거나 패드의 전력 출력이 감소될 것이다. 독자는 알루미늄 층이 패드의 출력 전력에서 현저한 강하를 야기하기 위해 패드의 페라이트 내에 이상적으로 집중되는 플럭스가 예를 들어 충분한 레벨들에서 비정질 금속을 통과하는 것을 방지하기에 충분히 낮은 투자율을 갖는 낮은 투자율 층 또는 영역의 역할을 수행하고 있는 것을 이해할 것이다.
비정질 금속이 이러한 스크린을 위해 사용되면, 그것은 그것의 원래 형태로부터 수정될 수 있다. 전형적으로 비정질 금속은 단지 대략 18 미크론 두께이고 깨지기 쉽지만, 가요성이다. 그것은 매우 높을 수 있는 - 전형적으로 70,000인 상대 투자율 및 매우 높을 수 있는 - 1.0 내지 1.3 T인 최대 플럭스 밀도를 갖는다. 그러나, 비정질 금속이 1.8 mm의 전체 두께를 제공하는 플라스틱 커버에 매립되면, 이때 재료는 그것의 최대 플럭스 밀도가 13 mT이고 그것의 상대 투자율이 700인 것처럼 사용될 수 있다. 이러한 두께의 재료는 쉽게 커팅되고 형상화되며 대부분의 응용들에서 더욱 실용적이다. 비정질 금속의 더 큰 단면이 요구되는 경우(추가 스크리닝 층들), 이러한 1.8 mm 시트들은 단순히 적층될 수 있고 비정질 금속은 실제 비정질 금속 시트들이 1.8 mm만큼 실제로 분리됨에 따라 층들 사이에서 플럭스를 공유할 것이다.
"바이폴라" 패드와 결합되는 "원형" 패드의 단면은 비정질 금속 스크리닝 접근법의 다양성을 나타내기 위해 도 4에서 도시된다. 원형 패드는 페라이트와 같은 투과성 재료에 놓이는 단순한 일반적인 원형 코일을 갖는다. 알루미늄과 같은 도체의 백킹 플레이트가 제공될 수 있고, 패드의 상부 부분들은 예를 들어 플라스틱 커버를 사용하여, 보호 목적들을 위해 커버될 수 있다. 바이폴라 패드들은 국제 공개 제WO 2012/018269호에 설명되며, 그것의 내용들은 본 명세서에서 참고문헌으로 통합된다. 이러한 패드들에 대한 패드 구성은 알루미늄의 층, 페라이트(도시되지 않음)에 대한 쿠션으로서의 플라스틱의 얇은 층, 페라이트의 층, 하나 이상의 구리 권선들의 층, 및 단단한 플라스틱 인클로저가 있는 패드의 외부에서 시작하는 한 DD 패드의 구성과 본질적으로 동일하다.(원칙적으로, 대칭 때문에, 원형 패드들은 비원형 패드들보다 더 적은 스크리닝을 요구하지만 오정렬이 존재할 때 원형 패드들은 상당히 방출할 수 있음). 유사하게 공기 갭에서 시작하는 DD 패드에 대해, 10 mm 두께까지의 단단한 보호 플라스틱 인클로저가 있다. 이후에, 리츠 와이어 4 mm 두께의 권선들의 층이 있으며, 그 다음 페라이트 16 mm 두께의 층, 쿠셔닝 플라스틱 1 내지 2 mm 두께의 층, 및 알루미늄 백킹 플레이트 2 내지 6 mm 두께가 이어진다. 원형 패드에서, 바이폴라 패드, 및 그것의 2 mm 두께 형태의 DD 패드 비정질 금속은 알루미늄 플레이트 밖으로(즉, 코일들로부터 가장 먼 측면 상에서) 나가고 하나보다 많은 층일 수 있고, 비정질 금속 및 알루미늄 둘 다는 패드의 정상 크기를 넘어 연장될 수 있다. 차량 응용에서, 스크리닝 문제는 차량의 주변에서의 불필요한 플렉스를 17 uT 미만으로 감소시키는 것이다. 불필요한 플럭스는 차량의 중심 라인인 패드의 중심 라인으로부터 800mm인, 공기 갭의 중심에서 측정되고 폭 1.6 m의 차량에 대응한다. 플럭스는 또한 이것이 차량의 내부에 대응함에 따라 차량 내 패드의 상단에서 측정되고 이러한 플럭스는 6.24 uT 미만이어야 한다.
스크리닝 층은 또한 누설을 우선 한정하기 위해 인클로저 상에 또는 그것의 일부들 내에 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 IPT 코일들이 결합 플렉스에 대한 패드를 통해 리턴 경로를 허용하면, 한 세트의 세로의 페라이트들 또는 가로 페라이트 요소를 가진 패드를 가지며, 이는 길게된 패드의 일단부로부터 타단부까지 이른다. 페라이트들은 알루미늄과 같은 하나의 금속 상에 장착되며, 이는 코일들과 대향하는 패드의 측면을 스크리닝하고 또한 서로에 대해 페라이트들을 위치시킨다. 일부 실시예들에서, 페라이트들은 금속의 오목부들에 착석한다. 비정질 금속과 같은 높은 투과성 재료의 시트는 페라이트들에 대향하는 금속 시트 상에 장착되고 패드의 단부들을 넘어 연장된다. 스크린은 패드의 작업 영역 외부의 누설 영역들로 연장되는 것으로 생각될 수 있으며, 이는 다른, 일차 또는 이차 패드가 사용 시에 위치되는 영역으로 정의될 수 있다. 스크린 주위에서 루프에 다르게 연장되는 누설 플렉스는 스크린을 넘어 연장되는 높은 투과성 재료의 시트에 직면한다. 높은 투과성 재료의 시트에 의해 정의되는 경로는 플럭스가 그러한 경로를 따르도록 누설 플럭스에 대한 낮은 리럭턴스의 섹션을 표현한다. 경로는 누설 플럭스가 패드 뒤에서 감소되도록 스크린에 대해 실질적으로 평탄하거나, 그것에 가까이 있다.
높은 투과성 재료의 시트는 플럭스를 하나의 누설 영역으로부터 다른 영역으로 지향시키는 것으로 생각될 수 있다.
다른 실시예들은 원형 또는 대안적인 형상화된 패드들의 누설 영역들 사이에서 플럭스를 지향시키기 위해, 페라이트들, 스크린들 및 시트들, 또는 다른 적절히 형상화된 요소들을 갖는다. 시트의 형상에 대한 적응들은 독자에게 분명할 것이지만, 스크린보다 더 큰 직경을 갖는 높은 투과성 재료의 원형 시트를 갖는 원형 스크린을 수반할 수 있다. 누설 필드들은 일반적으로 IPT 시스템의 일차 및 이차 패드들이 전력을 전송하기 위해 상호작용하는 영역 외부의 플럭스 라인들(필드들)이다. 일부 실시예들에서 패드의 후면 주위에 통과하는 누설 필드들, 예컨대 도 3a에 도시된 IPT 시스템 위 및 아래의 루프들이 특별히 우려된다.
전자기 필드들은 더 일반적으로 또한 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같은 교대 층들의 조합에서 도체(또는 다른 금속성 재료)와 같은 낮은 투자율 재료(26)와 함께 비정질 금속, 또는 임의의 높은 투자율, 또는 높은 투자율 및 손실 재료(25)를 사용하여 제어되거나 흡수될 수 있다. 예를 들어 높은 투자율 재료(25)를 포함하는 제1 층 및 도체(26)를 포함하는 제2 층의 '샌드위치'에서, 샌드위치의 일 측면 상의 자기 필드는 주로 높은 투자율 층을 통과할 것이지만 그것은 그러한 층을 통해 전파함에 따라 그것은 샌드위치의 다음 층 - 도체에서 우선적으로 전파하는 전기 필드를 생성한다. 자기 필드들과 전기 필드들 사이의 고유 관계들 때문에 자기 필드가 x 방향으로 높은 투자율 금속 층을 통해 전파하면, 이것은 y 방향으로 알루미늄의 인접한 층에 전류를 야기할 것이다. 그 다음, 높은 투자율 재료(27)의 제3 층이 전도성 층 다음에 제공되면, 필드는 x 방향으로 이러한 제3 층에 존재할 것이다. 낮은 투자율 또는 전도성 재료의 제4 층이 추가되는 등일 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 층들은 매우 얇지만 전류들 및 필드들은 상대 컨덕턴스들 및 리럭턴스들이 인접한 다음 층에 대해 하나의 층에서 수천 배 상이하기 때문에 그들 내에 실질적으로 포함될 것이다. 그리고, 전류가 그, 또는 각각의 전도성 층을 통과함에 따라 그것은 전력의 손실을 생성하고, 투과성 재료의 필드는 원래의 필드가 감쇠되도록 전력의 손실을 생성한다.
일 실시예에서, 하나 이상의 층들에 대한 투과성 재료는 요구된 감쇠를 제공하기 위해 적절하게 손실될 수 있는 비정질 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 낮은 투자율 층에 대한 도체는 알루미늄 포일 또는 네팅(netting)일 수 있다.
실제 실험 측정들에서, 원형 코일 위의 자기 필드는 코일 위의 300 mm에서 62 마이크로테스라를 측정하였다. 코일과 측정점 사이의 비정질 금속의 층의 경우 측정된 플럭스는 29 마이크로테스라로 강하하였다. 비정질 금속 후에 알루미늄의 다른 층을 추가하는 것은 플럭스가 2 마이크로테스라로 강하하게 했으며, 이는 매우 놀라운 결과이다. 더욱이, 이러한 실시예에서의 알루미늄은 비정질 유리를 차폐하고 그것이 손실을 플럭스에 적용하는 것을 방지하지 못한다. 층들이 반전되었을 때, 포일의 단일 층 위의 필드는 9 마이크로테스라이었다. 비정질 금속의 층을 추가하는 것은 필드를 5 마이크로테스라로 감소시켰다. 더 많은 층들은 더 많은 감쇠를 생성할 것이지만 알루미늄은 비정질 금속보다 수백 배 더 낮은 비용이므로 층들에 대한 최상의 시퀀스를 유지하는 것이 바람직하다.
다른 실시예들에서, 비정질 금속 및 알루미늄은 다른 높은 투자율, 손실 재료 및 다른 전도성 재료들로 대체된다.
다른 실시예들에서, 알루미늄은 다른 전도 재료로 대체된다.
일부 실시예들에서, 알루미늄 또는 전도성 층은 표피 효과 깊이 즉 표피 깊이보다 더 얇고/얇거나 그것에 접근한다. 다른 실시예들에서, 그것은 플럭스가 층을 통과하지 못하고 전도성 층들 사이를 통과할 수 있도록 실질적으로 더 두껍다.
일부 실시예들에서, 비정질 금속의 하나의 층 및 도체의 하나/또는 하나의 층이 있다.
도 3b에 도시된 바와 같은 일부 실시예들에서, 높은 투과성 및 높은 보자 및/또는 유지 재료의 얇은 층은 폐쇄된 경로 상의 누설 필드들을 패드의 일단부로부터 타단부로 지향시키기 위해, 패드의 페라이트 뒤에, 코일들에 대한 페라이트의 대향 측면 상에 위치된다. 시트는 누설 플럭스 루프에 대한 낮은 리럭턴스 경로를 정의하는 누설 플럭스 요소를 포함한다. 실제로, 그것은 이제 시트에 의해 정의되는 직선을 따르고 시트 뒤에서 밖으로 연장되지 않는 플럭스 라인에 의해 도 3b에 예시된 바와 같은 누설 플럭스 라인들을 한정하거나 구속한다. 일부 실시예들에서, 시트는 높은 보자력을 갖는 재료료 형성된다. 이것은 시트 내의 필드가 에너지를 손실하게 한다. 따라서, 시트는 필드 지향, 또는 집중, 및 필드 감쇠 효과를 제공하는 것으로 생각될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 3에 도시된 그것과 유사하게, 시트는 2개의 대향하는 자기 폴들에 인접하는 영역들 사이에 경로를 형성하기 위해 배열된다. 일부 실시예들에서, 시트는 플럭스 라인들을 정의된 경로에서 지향시키고, 일부 실시예들에서 에너지를 손실하기 위해 플럭스 라인들이 통과하는 임의의 2개의 영역들 사이에 경로를 제공한다. 시트에 의해 정의되는 경로를 따르는 플럭스 라인들의 특징에 의해, 플럭스 라인들은 영역에 한정되거나 영역으로부터 배제될 수 있다.
일부 실시예들에서, 시트는 플럭스 라인 한정에 대한 경로를 정의하기에 적절한 임의의 형상 및 단면의 높은 투자율 구성요소 또는 요소로 대체될 수 있다. 일부 실시예들은 더 큰 단면을 갖는 요소들을 가질 수 있으며, 특히 이것은 요소에서 재료의 포화를 회피하도록 요구된다. 단면은 누설 필드 강도에 대해 선택되는 다수의 시트들을 가질 수 있다. 더 많은 층들은 누설 필드 강도가 더 적은 층들을 다르게 포화시킬 경우에 사용될 수 있다. 층들은 비자성 및 비전도성, 또는 금속성의 재료들의 시트들, 또는 층들에 의해 분리될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전도성 시트는 IPT 패드의 누설 플럭스 및 페라이트를 지향시키기 위해 사용되는 높은 투자율 요소들 사이에 배치된다. 이러한 실시예들의 일부에서, 패드는 2개 이상의 높은 투자율 층들, 예컨대 2개의 패드들 사이의 갭에서 자기 에너지를 증대시키기 위해 플럭스를 지향시키는 페라이트 및 누설 플럭스를 지향시키는 높은 투자율 층을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 높은 투자율 층들은 둘 다 페라이트일 수 있지만, 누설 플럭스를 지향시키는 층은 높은 보자 및/또는 유지 재료로 형성되는 것이 바람직할 것이라는 점이 예상된다. 일부 실시예들은 층들을 분리하고 플럭스 라인들이 그들 사이를 교차하는 것을 방지하기 위해 작용하는 2개의 높은 투자율 층들 사이에 전도성, 또는 적어도 낮은 투자율 재료, 층을 가질 수 있다. 이것은 패드들 사이의 갭에서 에너지를 증대시키기 위해 대신에 집중되거나 지향되어야 하는 결합 플럭스에서 높은 보자력 재료가 에너지 손실을 다르게 야기하게 할 것이다.
일부 실시예들은 누설 플럭스를 지향시키기 위해 패드의 페라이트 바들 또는 가로 페라이트를 장착하고 재료의 시트를 장착하기 위해 전도성을 나중에 사용한다.
이러한 실시예들의 일부는 본 명세서에 설명되는 기능을 수행하기 위해 임의의 적절하게 형성된 구성요소들 또는 요소들을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 높은 투자율 층 또는 요소들은 구불구불한 경로에 형성될 수 있다. 이것은 층 또는 요소들에 의해 한정되거나 그들에 집중되는 누설 플럭스에서 에너지 손실을 향상시키기 위해 바람직할 수 있다.
다양한 실시예들은 IPT 패드 주위의 다양한 영역들 사이의 갭 외부 또는 패드들 사이의 갭 외부의 영역들 사이에서 누설 플럭스를 지향시킨다. 이러한 영역들은 길게된 패드들의 단부 또는 정사각형 패드들의 측면들 또는 원형 패드와 같은, 패드 주위의 원주 영역의 대향 측면들에 있을 수 있다. 그러므로, 일부 실시예들의 시트들, 구성요소들 또는 요소들은 패드의 윤곽과 유사하게 단순히 형상화될 수 있다.
패드들 사이의 갭은 IPT 패드 또는 IPT 시스템의 활성 또는 작용 영역으로서 독자에게 인식될 것이다.
일부 실시예들에서, 누설 요소는 플럭스가 누설 요소를 따르는 경향이 있도록 영역들 사이에서 높은 투과성 경로를 제공하기 위해 다른 자기 포텐셜의 2개의 영역들 사이에서 연장될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 결합된 패드들을 단면에서 도시하는 시뮬레이션들이다. 패드들(4, 5)은 137 mm의 거리(즉 137 mm의 공기 갭)에 의해 분리되며, 하부 패드는 전원에 의해 에너자이징된다. 시뮬레이션들은 하나의 특정 제조자로부터 비정질 금속을 사용하지만 유사한 제품은 다양한 소스들로부터 이용가능하다. 여기서, 그것은 700의 상대 투자율 및 13 mT의 최대 포화 플럭스 레벨을 갖는 스크리닝 재료의 층을 포함하는 누설 플럭스 요소를 제공하기 위해 2 mm의 플라스틱에 둘러싸여진다. 이러한 결과들 중 어느 것을 최적화하는 시도가 이루어지지 않았다. 예를 들어 패드 두께는 공기 갭들을 향해 누설 플럭스 스크린 요소들을 테이퍼링하거나 그렇지 않으면 지향시킴으로써 각각의 단부에서 감소될 수 있지만 이것은 그것을 수행할 시에 이득들이 있는 것이 분명할지라도 여기서 수행되지 않았다. 시뮬레이션들에서 수직 라인들(20)로 음영 처리되는 영역은 16 uT 초과의 자기 필드에 대응하고 차도 IPT 시스템과 같은 일부 응용들에서 수용성을 위한 경계 라인이다. 체크(21), 대각선(22) 및 대쉬(23)로 음영 처리되는 영역들은 감소하는 자기 강도를 갖는 영역들을 각각 도시한다. 이러한 시뮬레이션들은 복소 투자율 없이 수행되었다. 도 4a에 도시된 시뮬레이션은 누설 플럭스 요소를 갖지 않는다. 도 4b에서, 비정질 금속을 둘러싼 플라스틱의 단일 층의 형태인 누설 플럭스 요소는 상부 패드 위에 제공된다. 요소는 도 3b와 일치하도록 7로 참조된다. 도 4c에서, 누설 플럭스 구성요소(7)는 패드(4) 위에 제공되며, 구성요소는 비정질 금속을 둘러싼 플라스틱의 3개의 단일 층들을 포함한다. 도 4를 여전히 참조하면, 누설 플럭스 구성요소(8)는 패드(5) 아래에 제공되며, 구성요소는 비정질 금속을 둘러싼 플라스틱의 3개의 단일 층들을 포함한다. 누설 플럭스 요소들은 누설 플럭스를 효과적으로 한정하고 제약한다는 점이 인지될 수 있다. 비정질 금속 재료의 더 많거나 더 적은 층들은 필요한 만큼 사용될 수 있다.
비 - 시트 구조들
위에 표시된 바와 같이, 상표 FINEMET 하에 시장에서 거래되는 물질을 사용하여 생성되는 시트 또는 층 타입 재료는 IPT 패드들에 대한 누설 필드들을 감소시키는 일 실시예를 제공한다. 시뮬레이션들은 실제 수명 측정들과 비교되었다 상당히 정확한 것으로 발견되었다. 그러나, 위에 설명되는 FINEMET 설계들은 최적화되지 않고 재료의 제곱 미터 초과로 사용된다. 누설 플럭스만을 흡수하거나 제어하는 것에 초점을 맞추는 동안 더 적은 재료를 사용하는 추가 실시예들이 이제 설명된다.
도 5를 참조하면, 누설 요소(10)가 패드 타입 플럭스 결합 구조의 코일(11) 및 백플레이트(12)로부터 이격되는 일 실시예가 도시된다. 백플레이트(12)는 패드에 의해 생성되거나, 수신되는 결합 플럭스에 대한 경로를 제공하는 투과성 재료를 포함할 수 있다.
원형 패드들에 대한 누설 플럭스 서라운드
일 실시예에서, 내부 치수들(ILx 및 ILy)은 150 내지 200mm의 범위에 있다. 외부 길이(OLx 및 OLy)는 누설 한정 또는 감소의 이상적인 또는 요구된 양을 제공하기 위해 조정된다. 우리는 일 실시예에서 거의 150mm 내지 200mm인 OLx 및 OLy가 양호한 누설 플럭스 감소를 제공하는 것을 발견했다.
DD/DDQ 패드들에 대한 누설 플럭스 서라운드
이제 도 6을 참조하면, 일 실시예는 더블 D(DD 또는 DDQ) 패드들과 같은, 2개 이상의 코일들(11a 및 11b)을 갖는 패드들에 대해 도시된다. 위에 언급된 바와 같이, 이러한 패드 구조들은 국제 공개 WO 2012/018268호에 설명된다. DD 또는 DDQ 패드들에 대해 극들의 방향으로 있는 요소(10)의 내부 길이 X(OLx)는 내부 길이 Y(ILY)에 비해 작은 것이 바람직하다. 범위가 50mm에서 100mm에 이르는 값들은 ILx에 적절하고 ILy에 대해 대략 200mm이다. 외부 길이(OLx 및 OLy)는 누설 감소의 이상적인 양을 제공하기 위해 조정된다. 우리는 OLx 및 OLy에 대한 200mm 내지 250mm이 양호한 누설 감소를 제공하는 것과 같은 점을 발견했다.
다른 실시예는 도 7에 도시된다. 시뮬레이션들은 이차 패드(15) 위에 센터링되는 1500mm x 1500mm x 6mm 알루미늄 시트 및 일차 패드(14) 아래에 센터링되는 1500mm x 1500mm x 1 mm 구리 시트로 시행되었다. 이러한 시트들의 둘 다는 예를 들어 차량과 같은 대상에 패드를 부착하도록 요구되는 임의의 워셔들 및 누설 요소(10)에 대한 공간을 구성하기 위해 패드들에서 10mm 떨어져서 배치된다. 도 7 및 대부분의 후속 도면 수치들에서, 이러한 알루미늄 및 구리 시트들은 명료성을 위해 도시되지 않을 것이다.
도 7 실시예에서 누설 요소(10)는 일차 및 이차 측들을 나오도록 설계된다. 이러한 설계들 둘 다는 아래에 더 논의될 것이다. x 및 y 축들은 도 7에 도시된 바와 같이 정의된다. 일차 패드(14)의 외부 치수들은 780mm x 585mm이고 이차 패드(15)의 외부 치수들은 311 mm x 495mm이다.
이차 측에 대한 누설 요소(10)는 X 및 Y 축들 둘 다에서 200mm 변위에서 입증되었다. 누설 요소의 외부 치수들은 1310mm x 1194mm이고 "구멍" 치수들은 811 x 695mm이다(도 5 치수들에 관하여 OLx=OLy=250, ILx=200 및 ILy=100에 대응함). 사용되는 누설 요소(10)의 영역은 1 제곱 미터이다. X 및 Y 축들 둘 다로 이차 패드의 중심을 따르는 플럭스 판독들은 도 7a 및 도 7b에 도시된다.
결과들은 표 1에 요약된다:
800mm에서의 플럭스 - FM 없음 800mm에서의 플럭스 - FM 가짐 % 감소
X 축 23.4uT 21.4uT 8.48%
Y 축 12.5uT 10.6uT 15.25%
2개의 누설 요소 설계들은 일차 패드(14)의 요소(10)를 위해 제안된다. 제1 설계(FM1)는 하기 치수들을 갖는다: OLx=200 ILx=150 OLy=200 ILy=250. 제2 설계(FM2)는 하기 치수들을 갖는다: OLx=200 ILx=150 OLy=100 ILy=250. X 및 Y 축들 둘 다로 이차 패드의 중심을 따르는 플럭스 판독들은 위의 그래프에 제시된다. 800mm에서의 플럭스 판독들의 결과들은 표 2에 요약된다.
FM 없음 FM1 % 감소 FM2 % 감소
X 축 23.4uT 16.6uT 29.02% 15.7uT 33.07%
Y 축 12.5uT 9.61uT 22.89% 11.7uT 6.02%
일 실시예에서, 커트들은 수개의 피스들이 픽처 프레임의 형상으로 함께 놓여질 수 있도록 누설 요소(10)에 존재한다. 설계들은 OLx=200, ILx=155,OLy=200,ILy=190의 치수들을 갖는 설계에 기초한다. 이것은 누설 요소를 갖지 않는 것과 비교하여 X 축으로 26.3% 및 Y 축으로 20.4%의 누설 감소를 갖는다.
도 8을 참조하면, 4개의 5mm 커트들을 가진 4개의 피스들로부터 구성되는 누설 요소(10)를 갖는 일 실시예가 도시된다. 각각의 커트는 도면에서 16으로 참조된다. 이러한 설계를 갖는 플럭스 누설들은 표 3에 요약된다.
FM 없음 분명한 픽처 프레임 위에 도시된 FM 피스를 가짐
X 라인 23.4uT 17.3uT(26.34% 감소) 16.3uT(30.4% 감소)
Y 라인 12.5uT 9.92uT(20.37% 감소) 9.31uT(25.28% 감소)
2개의 피스 설계는 또한 Y 축 누설들이 중요하지 않은 것으로 간주될 수 있으므로 그것이 예를 들어 차량의 전면 및 후면에 의해 커버된 후에 조사되었다. 이러한 설계는 누설 요소들(10)이 일차 외에 배치될 수 있는 2개의 "스트립들"을 포함할 수 있고 그들이 모든 누설 플럭스들을 처리할 것을 제안한다. 일 예는 도 9에 도시된다. 따라서, 일부 실시예들에서, 누설 요소(10)는 코일 또는 코어를 둘러쌀 필요가 없다. 일부 실시예들에서, 투과성 재료의 피스 또는 스트립은 누설 요소를 포함할 수 있으며, 재료의 피스는 누설 플럭스가 제거되거나 감소되는 선택된 영역 근방에 위치되거나 그것에 근접한다.
도 9 설계를 갖는 이차 패드의 중심으로부터의 800mm에서의 플럭스 누설들은 표 4에 요약된다.
FM 없음 위에 도시된 FM 피스를 가짐
X 라인 23.4uT 15.9uT(32.1% 감소)
Y 라인 12.5uT 11.8uT(5.32% 감소)
그것이 인지될 수 있는 바와 같이 - Y 방향으로 누설 요소가 없으므로, 누설들은 Y 축으로 거의 감소되지 않았지만, 상당한 감소들은 X 축으로 이루어졌다. 위에 논의된 시뮬레이션들의 결과들은 누설 플럭스를 상당한 양만큼 감소시킨 것 같다. 누설 요소(10)는 그것이 결합 플럭스에 의해 포화되고 있지 않으므로 이러한 상황들에서 잘 작용하는 것은 주목할 만하다. 누설 요소는 결합(즉 주요) 플럭스가 그것을 통과하면 또한 동작하지 않을 것이다. 위에 제시된 시뮬레이션들에도 불구하고, 보상되지 않은 전력은 중요하지 않은 거의 ±2%만큼 변화되었다.
일부 시뮬레이션들은 이제 DD -DDQ 패드 설계들을 참조하여 논의된다. 시뮬레이션들은 X 방향으로의 일차 및 이차 패드들 사이에서 200mm 변위로 수행되었다.
X 및 Y 방향들은 도 10에 표시된다. 바들(18)은 결합 플럭스에 대한 패드를 통해 리턴 경로를 제공하기 위해 높은 투자율 "코어"를 생성하는데 사용되는 페라이트를 포함한다. 양호한 누설 감소를 X 및 Y 축들 둘 다로(도 6을 참조하여 설명되는 표기법을 사용하여) 제공했던 높은 수행 누설 요소 설계는 치수들을 가졌다: OLx=250, ILx=100, OLy=200 및 ILy=200. 누설 요소는 일차 측면 상에 배치되었다. X 및 Y 축들 둘 다로 이차 패드의 중심을 따르는 플럭스 판독들은 도 10a에 도시된다.
이러한 설계를 갖는 이차 패드의 중심으로부터 800mm에서의 플럭스 누설들은 표 5에 요약된다.
FM 없음 FM 가짐 % 감소
X 축 28.85uT 24.1uT 16.45%
Y 축 13.2uT 11.7uT 11.71%
누설 요소(10)는 또한 도 8에 설명된 패드로 수행된 것과 유사한 더 작은 피스들로 커트업되었다. 도 11a 및 도 11b는 서라운드가 4개의 피스들(FM4, 도 11a); 및 2개의 피스들(FM2, 도 11b)로 어떻게 커팅되었는지를 도시한다.
FM2 및 FM4 설계들을 갖는 이차 패드의 중심으로부터 800mm에서의 플럭스 누설들은 표 6에 요약될 수 있다.
FM 없음 FM4 % 감소 FM2 % 감소
X 축 28.85uT 24.5uT 15.0% 24.4uT 24.4%
Y 축 13.2uT 11.8uT 11.2% 13.2uT 0.56%
추가 시뮬레이션에서, 패드들은 X 방향으로만 200mm만큼 변위되도록 정렬되었다. 이러한 시뮬레이션들은 실제 측정들이 시뮬레이션 결과들을 입증하기 위해 취해질 수 있도록 생성되었다.
3개의 시뮬레이션들은 이전 테스트들로부터의 최적 결과들을 사용하여 생성되었다. 3개의 시스템들은 아래의 도 12a 내지 도 12c에 도시된다.
FM 1L(도 12a) 설계는 875mm x 235mm 크기인 누설 요소 재료의 2개의 피스들을 사용했다. 폭은 235mm인 것으로 선택되었다. FM 2L(도 12b) 설계에서, 피스들의 폭은 반으로 줄었고 누설 요소 재료의 2개의 층들이 사용되었다. FM 3L(도 12c) 설계에서, 피스들의 폭은 FM 1L 설계에서의 것들의 3분의 1이고 요소 재료의 3 층들이 사용된다. 모든 이러한 설계들에서 사용되는 FINEMET의 전체 영역은 동일하다(0.41 제곱 미터).
FM 1L, FM 2L 및 FM 3L 설계들을 갖는 이차 패드의 중심으로부터 800mm에서의 플럭스 누설들은 표 7에 요약될 수 있다.
FM 없음 FM 1L % 감소 FM 2L % 감소 FM 3L % 감소
X 축 92.7uT 50.7uT 45.4% 53.5uT 42.3% 5.45uT 41.2%
Y 축 87.4uT 8.76uT -0.31% 9.02uT -3.21% 9.06uT -3.74%
플럭스 누설은 위의 표에서 보여지는 바와 같이 상당히 감소되었다. X-방향으로의 플럭스 라인들은 도 12d 및 도 12e에서 보여질 수 있다.
누설 요소들은 또한 예를 들어 누설 플럭스를 감소시키려고 시도하기 위해 차량의 실들 위로 놓여질 수 있는 것으로 제한된다. 이러한 개념은 거의 시뮬레이션되었다. 2개의 1500mm x 100mm 스트립들은 차량의 에지들 상에 놓여진다(차량은 1500mm 폭인 것으로 가정됨). 이것은 도 13에 도시된다.
시뮬레이션은 일차 측면 상에 존재하는 누설 요소를 갖지 않는 실들 상에서 누설 요소 재료의 1개의 및 2개의 층들에 시행되었다. 결과들은 표 8에 요약된다.
FM 없음 1 층 실들 % 감소 2 층 실들 % 감소
X 축 28.85uT 28.8uT 0.09% 24.9uT 13.63%
Y 축 13.2uT 13.3uT -0.21% 13.4uT -0.73%
전술한 것으로부터 전자기 필드들을 일반적으로 제어하거나 흡수하기 위해 사용될 수 있고/있거나, 무선 전력 전송 응용들에서 원하지 않은 자기 필들을 제어하거나 흡수하는 구조들 및 재료들이 설명된다는 점이 인지될 것이다.

Claims (27)

  1. 자기 플럭스 결합 장치로서,
    자기 결합 플럭스를 생성하거나 수용하는 코일; 및
    시변 자기 필드로부터 에너지를 흡수하여 누설 플럭스를 감쇠시키는 비교적 높은 투자율의 손실성 자성 재료(lossy magnetic material)를 포함하는 누설 플럭스 요소를 포함하며;
    상기 누설 플럭스 요소는 비교적 낮은 투자율의 영역에 의해 코일로부터 분리되고 결합 플럭스와는 별도로 누설 플럭스에 제어된 경로를 제공하도록 위치되는 자기 플럭스 결합 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비교적 낮은 투자율의 영역은 상기 코일과 상기 누설 플럭스 요소 사이의 공간을 포함하는 자기 플럭스 결합 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 누설 요소는 사용 시에 자기 포화를 실질적으로 방지하도록 구성되거나 위치되는 자기 플럭스 결합 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 누설 플럭스 요소는 누설 플럭스를 상기 코일로 리턴시키는 경로를 제공하는 자기 플럭스 결합 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 누설 플럭스 요소는 비교적 높은 투자율을 갖는 재료의 복수의 별개 피스를 포함하는 자기 플럭스 결합 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 재료의 피스들은 함께 접합될 수 있거나, 서로 인접하여 배치될 수 있는 자기 플럭스 결합 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 누설 플럭스 요소는 상기 코일의 주변을 실질적으로 둘러싸는 자기 플럭스 결합 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 누설 플럭스 요소는 실질적으로 상기 코일의 2개의 측면 상에만 있는 자기 플럭스 결합 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 자기 플럭스 결합 장치는 결합 플럭스를 생성하거나 수용하는 것을 용이하게 하기 위해 상기 코일과 자기적으로 연관되는 자기 투과성 부재를 포함하는 자기 플럭스 결합 장치.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서, 상기 누설 플럭스 요소는 상기 누설 플럭스 요소 내의 자기 플럭스가 에너지를 손실하도록 히스테리시스(hysteresis)를 갖는 재료로 형성될 수 있는 자기 플럭스 결합 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 재료는 높은 보자력 및 높은 유지력 중 적어도 하나를 갖는 자기 플럭스 결합 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 누설 플럭스 요소는 누설 플럭스가 발생하는 영역들 사이에 연장될 수 있고/있거나 상기 장치가 위치되는 환경에서 플럭스에 대한 누설 경로들을 차단하도록 배열될 수 있는 자기 플럭스 결합 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 누설 플럭스 요소는 비전도성인 자기 플럭스 결합 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 누설 플럭스 요소는 가요성인 자기 플럭스 결합 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 누설 플럭스 요소는,
    높은 투자율 재료를 포함하는 제 1 층; 및
    전도성 또는 낮은 투과율 재료를 포함하는 제 2 층을 포함하는 자기 플럭스 결합 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    높은 투자율 재료를 포함하는 제 3 층을 더 포함하고,
    상기 제 2 층은 상기 제 1 층 및 제 3 층 사이의 중간층으로서 배열되는 자기 플럭스 결합 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제 1 층과 상기 제 3 층 중 적어도 하나는 시변 자기 필드로부터 에너지를 흡수하는 자기 플럭스 결합 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제 1 층과 상기 제 3 층은 상이한 투과율을 갖는 자기 플럭스 결합 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제 1 층과 상기 제 3 층 중 적어도 하나는
    사용 시에 자기적으로 포화되는 것을 방지하는데 충분한 체적 또는 두께를 갖는 자기 플럭스 결합 장치.
  21. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 제 2 층은 필수 흡수 주파수를 위해 표피 깊이 미만의 두께를 갖는 자기 플럭스 결합 장치.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 3 층 중 하나 이상은 비금속, 비자기 재료에 의해 분리되는 높은 투과율 재료의 다수의 구성요소 층을 포함하는 자기 플럭스 결합 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 다수의 구성요소 층은 주어진 플럭스에 대해 자기 포화를 방지하도록 적응되는 자기 플럭스 결합 장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 다수의 구성요소 층은 상기 제 1 층 및 제 3 층 중 적어도 하나가 자기 플럭스에 필수 감쇠를 제공하도록 적응되는 자기 플럭스 결합 장치.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 제 1 층 내지 제 3 층 중 임의의 하나 이상의 층은 에너지 소멸을 용이하게 하기 위해 구불구불한 경로(tortuous path)를 포함하는 자기 플럭스 결합 장치.
  26. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    연속 층들 내의 재료들은 각각의 층들에 전기 또는 자기 필드들을 포함할 수 있을 정도로 그것들의 상대 컨덕턴스들 및 리럭턴스들에 있어서 큰 차이들을 갖는 것을 특징으로 하는 자기 플럭스 결합 장치.
  27. 제16항에 있어서, 전도성 또는 낮은 투과율 재료의 복수의 층으로 대체되는 페리자성 또는 강자성 재료의 복수의 층을 더 포함하는 자기 플럭스 결합 장치.
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