JP2014521304A - 複導体単相誘導給電トラック - Google Patents

Abstract

電源と、電源に電気的に接続された導体とを含むＩＰＴトラック構成であって、導体は実質的に互いに隣接して配置された複数のループを含み、ループの隣接部分の極性が同じであり、電源は、トラックの負荷を分散させる１つ以上のインバータを含む。
【選択図】図１９

Description

本発明は、誘導給電（ＩＰＴ）システムに関し、特に改良型トラックおよび該トラックと共に使用するピックアップに関する。

ＩＰＴは、変動する磁界を使用して、物理的接触なしに空隙を横断して電力を負荷に結合する。空隙は、導電材料の長尺閉回路などの一次導体（本明細書では一般にトラックと呼ぶ）と該トラックに付随する磁界から電力を受ける二次コイルを有する１つ以上のピックアップ装置との間に存在する。構成部品が完全に絶縁されているため、システムの性能が湿った環境または汚れた環境に影響されず、そのような条件下における安全性に関わるリスクもない。ＩＰＴは、路面電車や電気バスで使用されるような従来のプラグまたはブラシおよびバー接触式の方法とは異なり、信頼性が高く保守が不要である。ＩＰＴは現在、マテリアルハンドリングやＩＣ製造などの多くの産業用途で使用されている。このようなシステムには１Ｗ〜２００ｋＷの様々な能力のものがあり、ロボット、無人搬送車（ＡＧＶ）、電子装置、レクリエーション用乗客運搬車、バス、電気自動車（ＥＶ）への電力供給と充電の両方に使用可能である。ＩＰＴシステムは、トラック上の任意の場所に配置可能な１つ以上の可動負荷からなる分散型システムと、定められた場所での電力伝達のみが可能な集中型システムの２種類に分類される。

分散型システムは、路上給電ＥＶ（ＰＲＥＶ）用途に特に適しているが、現在のところ実用大型ＲＰＥＶシステムは実現不可能である。これは、無誘導ＥＶが必要とする水平許容値（約７００ｍｍ）と最低地上高（１５０〜２００ｍｍ）が大きいことによる。本明細書に記載のトラックトポロジは、システムコストを最小限に抑えつつ、水平許容値の増大を可能にすることにより、従来の設計を大幅に改善する。本明細書では、主としてＡＧＶの環境での本発明の適用について述べるが、本発明は他の多くのＩＰＴシステム用途にも適用可能であることが、当業者ならわかるであろう。たとえば、本明細書で開示するトラック構成に関連して強磁性材料（フェライトなど）に言及する場合、本発明はＥＶおよびＲＰＥＶ用のＩＰＴシステムにも適用可能である。

ＥＶは、化石燃料への依存、温室効果ガスの排出および汚染物質の排出の削減に寄与する。したがって、ＥＶの導入は１９９０年代から増加しているが、これまで市場への浸透度は低かった。これは、ＥＶの費用対効果が従来型車両に及ばないことが理由である。現在のＥＶ市場は、内燃機関からエネルギーを得るハイブリッド車が主流である。しかし、最近、プラグインＥＶ（ＰＨＥＶ）が導入され、送電線からのエネルギーによってガソリン消費を抑えることを可能にしている。ＥＶの普及には、バッテリ寿命およびバッテリコスト、さらに送電線接続において大幅な改善が要求される。後者により、毎走行後に機会を捉えて充電することが可能になり、一日の終わりに長時間かけて充電しなくても済む。その結果、充電深度が最小限に抑えられることによりバッテリの消耗が大幅に低減されるとともに、より小型化されたバッテリで済むため、ＥＶのコストが削減される。ＥＶの費用対効果をガソリン車より高める好適な解決策は、ＥＶに路面給電および充電することである。なお、州間高速道路での走行が総車道距離に占める割合は１％であるが、総車両通行距離の２２％を占めるため、そのような動的充電システムのためのインフラは比較的小規模とすることができることに注目すべきである。走行距離の５０％が動的充電システムに接続された場合のＥＶの費用対効果は従来型車両と同程度となり、しかもガソリン費が上積みされない。

ＩＰＴシステムは、３つの主要構成要素を備える。これを車道での使用例に基づく図１の単相システムで示す。電源は、誘導一次導体路、すなわちトラックにおいて、電流（Ｉ_１）を駆動する正弦波電流（通常、１０〜４０ｋＨｚ周波数帯域内）を発生する。図１には図示しないが、トラックはＬＣＬ回路網の一部を含み（ただしこれには限定されない）、トラックインダクタンスＬ_１は回路網の最終インダクタンス「Ｌ」を含む。並列補償コンデンサＣ_１がトラック電流Ｉ_１を共振させ、それによってトラック近傍における磁界強度を高める。これにより、所与の負荷に対する電源の定格ＶＡが抑えられる。トラックとピックアップ（ＰＵ）とは疎結合変圧器として機能し、比較的大きな空隙を介した電力伝達を可能にする。ＩＰＴ ＰＵインダクタンスＬ_２は、Ｃ_２と共振するように同調される。これにより、比較的大きなＰＵ漏洩インダクタンスが補償される。Ｃ_２両端間の電圧は整流され、スイッチモード制御器が共振タンクを所定のＱ値で動作可能にし、電力伝達を促進し、使用に適した直流出力とする。ＩＰＴシステムの電力出力（Ｐ_ｏｕｔ）は、ＰＵの開回路電圧（Ｖ_ｏｃ）および短絡回路電流（Ｉ_ｓｃ）とＱ値によって式（１）に示すように定量化される。

Ｐ_ｓｕは非補償電力、ωはトラック電流Ｉ_１の角周波数、ＭはトラックとＰＵとの間の相互インダクタンスである。式（１）に示すように、出力電力は電源（ωＩ_１ ^２）、磁気結合（Ｍ^２／Ｌ_２）およびＰＵ制御器（Ｑ）に依存する。出力電力およびトラックとＰＵとの分離とを高めることがきわめて望ましいが、効率はシステムの動作周波数（スイッチング損失）と定格電流（銅損）によって制約される。システムを高いＱ値で動作可能にすれば、電力伝達が促進されるが、実用用途においては、構成部品の各定格ＶＡと許容値により、システムは通常４と６の間で動作するように設計される。これらの制約のため、システム性能の最大の向上は優れた磁気設計によって得られる。

水平許容値を向上させるために、これまでに図２（ａ）に示すような三相トラックトポロジが提案されている。車両はトラックＴｘの長さ方向に走行する。これをｘ軸と呼ぶ。このシステムは、電圧型インバータを誘導トラックの駆動に適した電流源に変換するインダクタ−コンデンサ−インダクタ（ＬＣＬ）インピーダンス変換回路網を使用する。絶縁変圧器の漏洩インダクタンスを最初のインダクタとして使用し、トラックが最後のインダクタを構成し、それにより実効電力のみが変圧器を流れる。大きな無効電流（図１のＩ_１）がトラック内およびコンデンサ内のみを循環する。デルタ−デルタ構成で接続された３つの個別の絶縁変圧器を各相に使用しているが、変圧器の出力端子は各トラックループの始点と回帰点とに直接接続されており、その結果、６線トラックとなっていた。ＰＵが電源に対する順方向電流と戻り電流の両方にさらされているため、このトラックトポロジを本明細書では「双極」と呼ぶ。このトラック位相の重なり性質により、隣接する各ワイヤにおいて電流が６０度だけ異なり、これにより、かご形誘導電動機における巻線と同様にトラックの幅（Ｔｙ）にわたって進行磁界が生じる。この移動磁界により、単純な単一コイルＰＵによる広くて均一な電力プロファイルが形成される。

しかし、重なりトラックを備える結果として、位相間に相互インダクタンスが存在し、それにより、各トラック導体とＰＵとの間の電力結合と同様に、１つのトラック位相からのエネルギーが隣接する位相に結合する。このクロス結合により、インバータにエネルギーが供給されるときに、インバータ内の異なるレグが大電流および直流バス電圧サージを発生させる。この相互インダクタンスの問題を解決するために２つの手法が示されている。第１に、トラックループ間の重なり面積を変えて、相互インダクタンスを低減することができる。しかし、これによって、トラック間の間隔が不均等になり、トラックの幅方向の電力プロファイルの平滑さに影響を及ぼす。第２に、磁束相殺手法を用いることができる。この手法では、トラックの始点に変圧器結合を導入して、幾何形状によりトラック間の長さ方向の結合とは位相がずれた位相間結合を生じさせる。これは、始点において環状コアを介してトラックを適切にループさせることによって実現される。第１の技法は、位相間相互インダクタンスの影響を最小限にするが、結合されたＰＵの性能が低下する。一方、第２の技法は、性能は良好であるが、磁気構成部品を余分に必要とするために費用がかさむ。

したがって、横距離が向上するとともに、改善された（たとえばより平滑化された）電力プロファイルを有するトラックを提供する必要がある。

本発明の目的は、上記の問題のうちの１つ以上の問題を少なくとも改善する構成を提供するか、または少なくとも有用な選択肢を公衆に提供することにある。

第１の態様では、本発明は一般に、電源と、前記電源に電気的に接続され、互いに実質的に隣接して配置された複数のループを含む導体手段とを含むＩＰＴトラック構成であって、前記ループの隣接部分の極性が同じであり、前記電源は１つ以上のインバータを含むＩＰＴトラック構成を提供する。

好ましくは、前記インバータは前記トラック構成上の負荷を分散させる。

好ましくは、前記インバータは互いに電気的に並列に接続されている。

好ましくは、前記導体手段は単一の導体を含み、前記ループの形成において前記導体が複数の点において重なり合う。

好ましくは、隣接するループ間の距離は前記ループの幅よりも実質的に小さい。

好ましくは、前記複数のループは少なくとも２つのループを含む。

他の実施形態では、前記複数のループは少なくとも３つのループを含む。

第２の態様では、本発明は一般には、電源と、前記電源に電気的に接続され、互いに実質的に隣接して配置された複数のループを形成する単一の導体を含む導体手段とを含むＩＰＴトラック構成であって、前記ループの隣接部分の極性が同じであるＩＰＴトラック構成を提供する。

好ましくは、前記電源はインバータを含む。

好ましくは、隣接するループ間の距離は前記ループの幅より実質的に小さい。

好ましくは、前記複数のループは少なくとも２つのループを含む。

他の実施形態では、前記複数のループは少なくとも３つのループを含む。

第３の態様では、本発明は一般には、第１または第２の態様に係るＩＰＴトラック構成と共に使用されるＩＰＴピックアップであって、前記ＩＰＴピックアップは、前記ＩＰＴトラック構成が発生する磁束の水平成分と垂直成分の両方を受け取るＩＰＴピックアップを提供する。

好ましくは、前記ＩＰＴピックアップは、直交ピックアップと、ＤＤＰパッドと、ＤＤＰＱパッドと、ＢＰＲＰパッドとのうちの１つ以上を含む。

他の態様では、本発明は一般には、電源と、前記電源に電気的に接続され、互いに実質的に隣接して配置された複数のループを含む導体手段とを有し、前記ループの隣接部分の極性が同じであるＩＰＴトラック構成と、ＩＰＴピックアップとを含むＩＰＴシステムを提供する。

好ましくは、前記ピックアップは複数のコイルを含む。

好ましくは、前記ピックアップは、前記ＩＰＴトラック構成が発生する磁束のうちの空間直交する成分を受け取る。

好ましくは、前記電源は、電気的に並列接続された複数のインバータを含む。

好ましくは、前記導体手段は、前記複数のループを形成する単一の導体を含む。

好ましくは、前記ループの形成において、前記導体は複数の点において重なり合う。

好ましくは、隣接するループ間の距離は前記ループの幅より実質的に小さい。

好ましくは、前記複数のループは少なくとも２つのループを含む。

他の実施形態では、前記複数のループは少なくとも３つのループを含む。

好ましくは、前記ＩＰＴピックアップは、直交ピックアップと、ＤＤＰパッドと、ＤＤＰＱパッドと、ＢＰＲＰパッドとのうちの１つ以上を含む。

他の態様では、本発明は、導電性材料の複数の長尺ループを含むＩＰＴシステムトラック構成であって、前記ループの隣接部分における極性が同じであり、ループがほぼ図１２または図２０に示すような断面を有するＩＰＴシステムトラック構成を提供する。

他の態様では、本発明は一般に、実質的に本明細書に記載のようなＩＰＴトラック構成、ＩＰＴピックアップおよび／またはＩＰＴシステムを提供する。

本発明の他の各態様は、以下の説明を読めば明らかになろう。

添付図面を参照しながら、例示のみを目的として本発明の実施形態について以下に説明する。

単相トラックシステム用のＩＰＴシステム構成要素の公知の構成を示す図である。 三相ＩＰＴトラックトポロジを示す図であり、（ａ）は双極トポロジ、（ｂ）は単極トポロジを示す図である。 三相双極トラックを示す図である。 図３におけるトラックの極性を示す、線４−４’断面図である。 図３のトラックを実施するための、インバータとＬＣＬ回路網の構成を示す図である。 反復単相トラックを示す図である。 図５のトラックの極性を示す、線６−６’断面図である。 複導体反復単相トラックを示す図である。 図７のトラックの極性を示す、線８−８’断面図である。 図７の反復単相トラック用のインバータとＬＣＬ回路網の構成を示す図である。 二相双極トラックを示す図である。 二相双極トラック用の構成（各インバータは位相が９０度ずれて同期されている）を各インバータおよびＬＣＬ回路網用の構成と共に示す図である。 図９のトラックの極性を示す、線１０−１０’断面図である。 ２つの導体を有する複導体反復単相トラックを示す図である。 図１１の複導体反復単相トラック用のインバータとＬＣＬ回路網の構成を示す図である。 図１１のトラックの極性を示す、１２−１２’断面図である。 図３に示すトラックの（ａ）開回路電圧（Ｖ_ｏｃ）、（ｂ）短絡回路電流（Ｉ_ｓｃ）および（ｃ）非補償電力（Ｓ_ｕ）を示す一組のグラフである。 図５に示すトラックの（ａ）開回路電圧（Ｖ_ｏｃ）、（ｂ）短絡回路電流（Ｉ_ｓｃ）および（ｃ）非補償電力（Ｓ_ｕ）を示す一組のグラフである。 図７に示すトラックの（ａ）開回路電圧（Ｖ_ｏｃ）、（ｂ）短絡回路電流（Ｉ_ｓｃ）および（ｃ）非補償電力（Ｓ_ｕ）を示す一組のグラフである。 図９に示すトラックの（ａ）開回路電圧（Ｖ_ｏｃ）、（ｂ）短絡回路電流（Ｉ_ｓｃ）および（ｃ）非補償電力（Ｓ_ｕ）を示す一組のグラフである。 図１１に示すトラックの（ａ）開回路電圧（Ｖ_ｏｃ）、（ｂ）短絡回路電流（Ｉ_ｓｃ）および（ｃ）非補償電力（Ｓ_ｕ）を示す一組のグラフである。 図７に示すような直列同調トラックの（ａ）Ｐ合計、（ｂ）ＶＡＲ合計および（ｃ）Ｓ合計を示す一組のグラフである。 図７に示すような並列同調トラックの（ａ）Ｐ合計、（ｂ）ＶＡＲ合計および（ｃ）Ｓ合計を示す一組のグラフである。 図１１の４線複導体反復単相トラックと、図９に示すような０．２９の重なりを有する二相双極トラックとの比較を示すグラフである。 １２０ｍｍのトラック間隔と０．２９の重なり（すなわち図９に示すトラックに対応するトラック構成）を有する二相双極トラックの上方において、２キロワットで動作する並列同調直交ピックアップ（フェライト作用を備える）に対し、各インバータによって供給される（ａ）実効電力、（ｂ）無効電力、および（ｃ）合計電力を示す一組のグラフである。 １２０ｍｍのトラック間隔（複導体間で２０ｍｍ）を有する４線複導体反復単相トラック、すなわち図１１に示すトラックに対応するトラックの上方において、２キロワットで動作する並列同調直交ピックアップ（フェライト作用を備える）に対し、各インバータによって供給される（ａ）実効電力、（ｂ）無効電力、および（ｃ）合計電力を示す一組のグラフである。 本発明の一実施形態に係るトラックを示す図である。 図１９に示すトラック用の、３つのインバータおよびそれに付随するＬＣＬ回路網の構成を示す図である。 単相複導体反復トラックの他の構成を、インバータおよびＬＣＬ回路網と共に示す図である。 図１９に示すトラックの極性を示す、線２０−２０’断面図である。 平面Ｅピックアップを示す図である。 平面ピックアップを示す図である。 磁束受信器パッドの側面図および平面図である。 直交コイルを含む図２３のパッドの側面図および正面図である。 磁束受信器パッドの他の形態の側面図および平面図である。

本明細書で使用する「トラック」との用語は、ＩＰＴトラック構成の一次回路を指す。ただしこれは、本発明を車両などでの使用に限定するものと解釈すべきではない。

〔トラック構成〕
最初に図１９を参照すると、電源２０８に接続された導体２０２を含むトラック２００が示されている。導体２０２は、略面内において３つのループを形成するように配置されるが、本発明から逸脱することなく、設けるループの数はこれより多くても少なくてもよいことが、当業者ならわかるであろう。ループは、２つの異なる点２０４、２０６で重なり合う導体２０２によって形成され、３つのループのそれぞれが略同じ形状および大きさであり、ループどうしが略隣接するようになっている。隣接する側どうしの距離が狭められ、ゼロであってもよく、またはループの幅に対して相対的に小さい他の値であってもよい。

安全な動作のために、導体２０２は、定格トラック電流に対して十分な断面積を有する必要があり、その結果としてのケーブルの直径によって隣接するケーブル間の間隔が制約される。また、ケーブルの絶縁および支持材によって、ケーブルの太さがさらに増すことになる。たとえば、１２５Ａのトラック電流の場合、直径約１５ｍｍのリッツケーブルを使用することができる。その結果、隣接ケーブル間に用いられる間隔は２０ｍｍとなる。ただし、適切な導体および隣接する導体間の適切な間隔の選定は、当業者には明らかであり、したがってここではこれ以上詳述する必要はない。

本実施形態では、ループは略、丸みを帯びた矩形のような形状であり、略長尺状の直線の２辺と略丸みを帯びた２辺とを有し、ループは互いに直線の辺に沿って隣接している。点２０４、２０６は、丸みを帯びた辺上の、直線の辺寄りにある。図１９に示すトラックレイアウトは、模式例であることはわかるであろう。他の構成を使用することもできる。

電源２０８は、ＬＣＬ回路網を使用してトラック２００の総電力を供給する定格の単一のインバータを備えることができる。

たとえば他の諸実施形態（および図１９に示すような実施形態）では、電源２０８は、互いに電気的に並列接続された複数のインバータを備えることができる。この場合も、図１９Ａに示すようにＬＣＬ回路網を使用することができる。好ましくは、インバータは互いに同じものであり、互いに同相となるように同期される。インバータは、典型的には共通主電源から電力供給される。図のように、各インバータに個別の整流器を備え、必要なら整流器どうしを接続して共通直流バスを形成してもよい。あるいは、単一の整流器を使用して共通直流バスを設け、この直流バスがインバータに電力供給してもよい。

トラック２００の極性を、図１９の８−８’断面である図８に示す。具体的には、ループの隣接部分が同じ極性を有することがわかる。これにより、ヌルスポットや低電力帯など、隣接部分における磁束の逆相によって起こる不都合が回避または低減される。

トラック２００の有利な属性を示すために、公知のトラック構成をいくつかシミュレートし、試験した。これらの構成と結果について以下に詳述する。

〔他の構成〕
図３に、三相双極トラックを示す。このトラック１００は、３つの延長ループ１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃからなり、６本の導体を含み、各ループはその遠端付近で他の２つのループと交差し、基端においても交差している。ループ１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃは、それぞれ独立したインバータ１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃによって駆動され、周波数と大きさは等しいが電気的に位相が互いに１２０度だけ異なる電流を伝達する。整流器を使用して共通直流バスを設けてもよい。３つのインバータは、位相がずれている以外は等しく、図４Ａに示すように３相すべてがそれぞれＬＣＬ回路網と同調され、ＬＣＬ回路網は当該位相の負荷とは独立したトラック定電流を供給する。これは、ピックアップの位置がトラックの幅の両端間で変化するにつれ総負荷のうちの各位相にかかる負荷部分が変化するため、望ましい。各位相における電流は、典型的には等しく、電源および動作周波数によって少なくとも公称的には一定に保たれる。状況によっては、たとえば部品公差を考慮して多少調整を加えるために、位相を個別に制御してもよい。

図４にトラック１００の各導体の極性を、図３の線４−４’断面図で示す。具体的には、符号１０８ａ、１０８ｂが第１の相にある導体１０２に対応し、符号１１０ａ、１１０ｂが第２の相にある導体１０４に対応し、符号１１２ａ、１１２ｂが第３の相にある導体１０６に対応する。符号１０８ａ、１１０ａ、１１２ａは同じ極性を共有し、同様に符号１０８ｂ、１１０ｂ、１１２ｂは同じ極性を共有する。フェーザ図１１４に、異なる位相間の相対関係を示す。

図５に、反復単相トラックを示す。図３に示すトラック１００と同様に、トラック１２０は３つの延長ループ１２２、１２４、１２６からなり、６本の導体を含む。トラックループはそれぞれ別個のインバータ１２８、１３０、１３２によって駆動され、周波数と大きさが等しく、互いに略同相の電流を伝達する。トラック１００とは異なり、ループ１２２、１２４、１２６は交差しておらず、トラック間隔１３４によって隔てられている。トラック間隔１３４はループのうちの１つの幅と同じであってもよい。

図６に、トラック１２０の導体の極性を、図５の線６−６’断面図で示す。符号１２２ａ、１２２ｂは、導体１２２の各側に対応し、符号１２４ａ、１２４ｂと符号１２６ａ、１２６ｂおよび導体１２４、１２６についてもそれぞれ同様である。特に、それぞれループの隣接側に対応する１２２ｂおよび１２４ａと、１２４ｂおよび１２６ａとは同じ極性を共有していることに留意されたい。トラック２００に関して上述したように、これによって、ヌルスポットや低電力帯など、隣接部分における磁束の逆相によって起こる不都合が回避または低減される。

図７に、複導体反復単相トラックを示す。トラック１４０は図５に示すトラック１２０と類似しているが、トラック間隔１４８がトラック間隔１３４よりも大幅に狭くなっており、実質的にゼロであってもよく、またはトラックの幅に対して小さい値であってもよい。図８Ａに示すように、トラックループはＬＣＬ回路網を使用して駆動される。

図８に、トラック１４０の極性を図７の線８−８’断面図で示す。符号１４２ａ、１４２ｂは導体１４２の各側に対応し、符号１４４ａ、１４４ｂと符号１４６ａ、１４４ｂ、および導体１４４、１４６についてもそれぞれ同様である。

トラック１２０とは異なり、トラック１４０のループの隣接する側の極性は同じ、すなわちそれぞれループ１４２、１４４の隣接する側に対応する１４２ｂ、１４４ａ、およびループ１４４、１４６の隣接する側に対応する１４４ｂ、１４６ａは同じ極性を共有することに留意されたい。これは、狭められたトラック間隔１４８による相互結合を防止するためであるが、トラック１４０もトラック１２０と同様の極性を持っていてもよく、トラックの隣接部分の極性を変化させることも考えられる。

図９に、二相双極トラックを示す。トラック１６０は２つの延長ループ１６２、１６４からなり、４本の導体を含み、ループは遠端で交差している。ループ１６２、１６４はそれぞれ独立したインバータ１６６、１６８によって駆動され、周波数と大きさは等しいが電気的に位相が１８０度だけ互いに異なる電流を伝達する。整流器を使用して共通直流バスを設けてもよい。インバータ１６６、１６８は位相がずれている以外は互いに等しく、両方の位相はＬＣＬ回路網と同調され、ＬＣＬ回路網は該位相上の負荷とは独立したトラック定電流を供給する。これは、ピックアップの位置がトラックの幅の両端間で変化するにつれ総負荷のうちの各位相にかかる負荷部分が変化するため、望ましい。各位相における電流は等しく、電源および動作周波数によって一定に保たれる。位相は図９Ａに示すＬＣＬ回路網によって駆動される。

図１０に、トラック１６０の極性を図１０の線１０−１０’断面図で示す。符号１７０ａ、１７０ｂは導体１６２に対応し、符号１７２ａ、１７２ｂは導体１６４に対応する。フェーザ図１７４にトラック１６０の各位相間の関係を示す。図１１Ａに示すように、この場合もループはＬＣＬ回路網を使用して駆動される。

トラック１６０と比較しやすいように、図１１に２ループ複導体反復単相トラックを示す。トラック１８０はトラック１４０とほぼ同じであるが、２つのループを形成する２本の導体１８２、１８４しかない点が異なる。

図１２に、トラック１８０の導体の極性を、図１１の線１２−１２’断面図で示す。符号１８２ａ、１８２ｂは導体１８２の各側に対応し、符号１８４ａ、１８４ｂは導体１８４の各側に対応する。

〔比較〕
次に図１３〜図１７を参照すると、開回路電圧（Ｖ_ｏｃ）、短絡回路電流（Ｉ_ｓｃ）および非補償電力（Ｓ_ｕ）のグラフが示されており、トラック１００、１２０、１４０、１６０、１８０のそれぞれのトラックの幅方向の変動を示している。比較のため、トラック上方２０ｍｍの高さで直交ピックアップ構造（図２１、２２参照）を使用した。ピックアップ構造について以下に詳述する。

当業者には明らかであろうが、ピックアップを中心から若干ずれた位置に配置できるように、トラックの幅方向のＳ_ｕが平滑であれば有利であろう。これは、ＥＶで使用されるピックアップに特に言えることであるが、より一般的も当てはまる。

なお、各グラフは、図２１、２２の直交ピックアップ構造が受ける磁束の異なる空間成分を示している。したがって便宜上、成分を磁界の水平成分および垂直成分と呼ぶ。各グラフにこれらの成分を別々に示すとともに、合計（すなわち最上部の線）も示す。以下を読めばわかるように、ピックアップは両方の成分を拾うことができれば有利であり、したがって、一般的に、水平出力または垂直出力ではなく合計出力について述べることにする。水平成分および垂直成分の両方を使用するピックアップが、以下に説明される。

具体的に図１３〜１５を参照すると、トラック１００、１４０をトラック１２０と比べると、トラック１２０の最大Ｓ_ｕは３００ＶＡ未満にとどまっているのに対し、トラック１００、１４０は、多少横距離を犠牲にしてはいるものの、はるかに大きいＳ_ｕを有しているという点で、概ねすぐれた電力プロファイルを示している。

この狭められた横距離は、トラック１４０などの単層トラックにおいて、たとえばループを追加することによって補償可能であり、それによってわずかしか複雑化しない。したがって、トラック１２０を用いることでトラック１００または１４０より有利になることはほとんどないことがわかる。

トラック１００とトラック１４０の出力プロファイルはほぼ同様である。トラック１００などの多相トラックは位相間の相互インダクタンスの補償が余分に必要なため、多くの用途では単相構成のほうが好ましい可能性がある。したがって、トラック１４０には顕著な諸利点がある。

次に、図１６および図１７のグラフを参照すると、トラック１８０はトラック１６０よりも概ね優れた電力プロファイルを示し、横距離も若干より大きい。したがって、二相トラック１６０ではなく、単相トラック１８０を使用する方が明らかに有利である。

したがって、全体的に、単相トラックは概ね電力プロファイルが優れ、Ｓ_ｕが向上し、幅により融通性があることがわかる。さらに、単相トラックのうちでは、トラック１４０およびトラック１８０などの複導体反復単相構成が他のトラック構成よりも一般的に好ましい。これは、４線複導体（すなわち２ループ）反復単相トラックと、０．２９の重なりを有する二相双極トラックとの比較を示す図１８Ｃにおいて見られる。

〔電源〕
図７に示すように、ループ１４２、１４４、１４６はそれぞれ別々のインバータ１５０、１５２、１５４に接続することができる。

しかし、次に図１８Ａを参照すると、図１８Ａには直列同調ピックアップ（トラックに対する誘導負荷を反映する）の結果が、図１８Ｂには並列同調トラックピックアップ（トラックに対する容量性負荷を反映する）の結果が示されている。これらのトラック構成はそれぞれ３つの別個のインバータを有する。これらの図から、別個のインバータを使用することが好ましくないことがわかる。具体的には、特に横距離の両端部において、インバータ１５０および１５４は合計出力よりも大きな出力の定格とする必要があると考えられ、それによってシステムの製造コストが増加する可能性があることがわかる。さらに、単一のインバータによって各ループに給電すると、インバータのいずれか１つに障害が発生した場合、ヌルゾーンが生ずることによりシステム全体に支障をきたす可能性がある。図１８Ｄに、各インバータによって二相双極トラックの上方の並列同調直交ピックアップに供給される、実効電力、無効電力および合計電力を示す。図１８Ｅに、各インバータによって４線複導体反復単相トラックの上方の並列同調直交ピックアップに供給される実効電力、無効電力および合計電力を示す。二相トラックのＶＡＲ負荷は、１つのインバータにかかる容量性負荷と他のインバータにかかる誘導負荷が、±５０ｍｍの動作範囲にわたって±３００ＶＡＲに達し、きわめて望ましくないことがわかる。これと比較して、複導体反復単相トラックのＶＡＲ負荷は、トラックループ１本当たり−２００ＶＡＲの平滑な容量性負荷プロファイルである。４導体トラックに対し、複導体反復単相トラックが好ましいことが明らかである。

図１９に他のトラック構成を示す。トラック２００は単一の導体２０２からなる。導体２０２は、３つのループを形成するように配置される（ただし、当業者には明らかなように、使用ループの数はこれより多くても少なくてもよい）。これは、導体を点２０４、２０６で重なり合わせることによって行うが、点２０４、２０６の位置は固定ではなく、導体２０２の任意の適切な場所とすることもできる。重なりによってトラックの高さがこの２点で必然的に増すため、トラック２００は、付加上方空間を必要とする。導体の隣接部分間の距離は、前述の複導体反復単相トラックの諸利点を維持するように、より小さい値に狭めてもよい。

導体２０２は、その端部で電源２０８に接続されている。電源２０８は、並列接続された複数のインバータを含むことが好ましい。これにより、万一インバータの１つに障害が発生した場合に、残りの機能しているインバータがより多くの負荷を引き受けて、システムに支障がきたすのを防ぐことができるという点で、システムの回復力が増す。

トラック２００は、トラック１２０と同じ電力出力を有するが、インバータが並列接続されているため、各インバータは合計負荷の一部のみを負う定格とすれば済む。たとえば、（たとえば図１９に示すように）インバータが３個ある場合、各インバータは合計負荷の約３分の１の負荷のみを負うような定格とすれば済む。これにより、より低定格の構成部品の使用が可能になることで、システムの製造コストが削減される。このように、１つ以上のインバータを使用して（ループの形成に単導体と多導体のいずれを用いるかにかかわらず）、反復単相トラック構成を形成するループ間で負荷を分散することができる。

電源２０８は単一インバータのみとすることもでき、その場合、負荷全体を負うような定格とすればよく、それによってトラック１２０の問題が回避される。２つのループからなる類似のトラックを、図１９Ｂに示す。

〔ピックアップ〕
１つの成分のみを利用する標準的ピックアップとは異なり、前述のようにＩＰＴトラックが発生する空間直交する磁束の両方の成分（便宜上、本明細書では磁束の水平成分および垂直成分と呼ぶ）を利用するように適合されたピックアップを用いれば有利である。

このようなピックアップの最も単純なものは直交ピックアップと呼ばれ、ピックアップコアに２本のコイルを巻き付けることで実現される。

直交巻き線を実現する方法は２通りある。第１の方法は、図２１に示すように、第１のコイルと物理的に直交させて第２のコイルを巻く方法であり、これには平面Ｅコア５を使用する必要がある。第２の方法は、図２２に示すように、標準平面コア６の各端部に１つずつ、２本の個別のコイルを巻く方法である。これらのコイルを１８０度位相をずらして直列に接続すれば、垂直方向に向いた磁束の捕捉も可能になる。いずれのトポロジを選択するかにかかわらず、直交コイルはそれぞれ、個別に同調させることができ、その出力を合成し、単一のスイッチモード制御器によって制御することができる。

図２３を参照すると、以前にボイズ、コーヴィック、ホアンおよびブディア（Ｂｏｙｓ、Ｃｏｖｉｃ、Ｈｕａｎｇ、Ｂｕｄｈｉａ）によって以前に開示された、車両用途に適した優れた特性を有する磁束パッド構造が示されている。図２３の構造は、国際公開第２０１０／０９０５３９Ａ１に公開されている。便宜上、本明細書ではこの全体構造をＤＤＰパッド呼ぶ。

図２３に示すＤＤＰパッドは大まかに、コア５４に磁気的に結びつけられ、コア５４上に載置された２つの略同一平面上にあるコイル５２、５３を含む。パッドは、実際には、コイルが一次トラックに対向するように裏返しにされる。図２３からわかるように、コア５４は、互いに並列に配置され、互いに離隔されたフェライト細片またはフェライト棒５５などの、磁気透過性材料の複数の個別の条材からなる。このパッド構造は、上にコアが配置されたスペーサ５６と、スペーサの下方にあるプレート５７とを含むことができる。実施形態によっては、平面コイル５２、５３の他方の表面にカバー５８を設けることもできる。パッドの周縁部にパディング５９を設けてもよい。図からわかるように、コイル５２、５３はそれぞれ極領域６０および６１を画定する。図２３に示すようなこのＤＤＰパッド構造を、本明細書に記載のトラックトポロジ用のＰＵで使用可能な磁束受信器として使用することができる。

次に、図２４を参照すると、図２３のＤＤＰ構造が示されているが、直交コイル６２をさらに含む（本明細書ではＤＤＰＱパッドと呼ぶ）。この構造も国際公開第２０１０／０９０５３９Ａ１に記載されている。直交コイルは、適切なインバータによって付勢されたときに図２３のＤＤＰパッドなどの磁束発生器を基準にした図２４に示す構造の横方向の動きがある場合の電力伝達プロファイルを拡張する。直交コイルにより、受信器パッドが捕捉する磁界の「垂直」成分から電力を抽出することが可能になると同時に、他のコイル５２、５３により、捕捉された磁束の「水平」成分からの電力抽出が容易になる。したがって、図２４の構造は磁束受信器として適しており、これを本明細書に記載のトラックトポロジ用のＰＵで使用することができる。

次に図２５を参照すると、他の磁束受信器構造が示されている。これを本明細書では双極受信器パッドまたはＢＰＲＰと呼ぶ。このＢＰＲＰパッドは、図２３および図２４を参照して前述したＤＤＰと同様の構造を有する。一実施形態では、ＢＰＲＰパッドは、下から上の順に、アルミニウムプレート５７、誘電体スペーサ５６、４列のフェライト棒５５（本明細書ではフェライトと呼ぶ）を含むコア５４、横方向に延びた、２つの平坦な、略同一平面上にあるが重なり合い、理論上は「矩形」形状のコイル５２、５３（実際にはこれらはリッツ線が巻きやすいように、より楕円である）、および誘電体カバー５８からなる。コア５４は、遮蔽体として機能し、それによってパッドの最上部を介してコア５４により理論上はすべての磁束が生成される。プレート５７は、単に、ａ）特定の環境でコア４上方に存在する場合がある小さな漂遊磁界またはスプリアス磁界を除去し、ｂ）構造強度を増す働きをする。

ＢＰＲＰの磁気構造は、一次トラックにおいて２つのコイル５２、５３間に相互結合が実質的に起こらないように設計される。これにより、もし発生すればコイルの電力出力を妨害することになるコイル相互の電圧結合を起こさずに、コイルを任意の大きさまたは位相で独立して同調させることができる。各コイルは、他方のコイルの磁束捕捉および電力伝達に影響を及ぼすことなく、独立して同調、調整可能である。したがって、ＢＰＲＰは、磁束受信器として適しており、本明細書に記載のトラックトポロジ用のＰＵにおいて使用することができる。

図２３〜２５を参照しながら前述したピックアップ構造は、強磁性材料の細片を使用するが、強磁性材料の量および構成は、必要な用途に応じて大きく変わることがあることがわかるであろう。たとえば、実施形態によっては、フェライトを設けなくてもよく、また他の実施形態では全面シートとすることもできる。

本明細書では、「含む」、「備える」などの語は、文脈により別様の解釈が明確に必要でない限り、排他的または網羅的な意味ではなく包含的な意味、すなわち、「〜を含むがこれに限定されない」という意味で解釈すべきものである。

上記および下記で引用するすべての出願、特許、および公報の開示は、そうした引用が行われる場合には、その内容が参照により本明細書に組み込まれる。

本明細書で従来技術に言及している場合、そのような言及は、当該従来技術が世界のいかなる国においても当技術分野で共通の一般的知識の一部をなすことを認めるものではなく、またいかなる形式においてもそのように示唆するものと解釈すべきではない。

本発明は、本願の本明細書で言及または示唆する部分、要素および特徴、個別または集合的に該部分、要素または特徴の２つ以上のいずれかの組み合わせ、またはすべての組み合わせに存在すると広く言うことができる。

以上の説明では、完全体またはその公知の均等物を有する構成要素について言及したが、これらの完全体は個別に記載されたかのように本明細書に組み込まれる。

本明細書に記載の現在のところ好ましい実施形態に加えられる様々な変更および改変は、当業者にとって明らかであることに留意されたい。そのような変更および改変は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、また付随する利点を損なうことなく行うことができる。したがって、そのような変更および改変は、本発明の範囲に含まれるものと意図される。

Claims (16)

1. 電源と、前記電源に電気的に接続され、互いに実質的に隣接して配置された複数のループを含む導体手段とを含むＩＰＴトラック構成であって、前記ループの隣接部分の極性が同じであり、前記電源は１つ以上のインバータを含む、ＩＰＴトラック構成。
2. 前記電源は、前記トラック構成の負荷を分散させるように配置された複数のインバータを含む、請求項１に記載のＩＰＴトラック構成。
3. 前記インバータは互いに電気的に並列に接続された、請求項２に記載のＩＰＴトラック構成。
4. 前記導体手段は単一の導体を含み、前記ループの形成において前記導体が複数の点で重なり合う、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のＩＰＴトラック構成。
5. 隣接するループ間の距離は前記ループの幅より実質的に小さい、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のＩＰＴトラック構成。
6. 前記複数のループは少なくとも２つのループを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のＩＰＴトラック構成。
7. 前記複数のループは少なくとも３つのループを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のＩＰＴトラック構成。
8. 電源と、前記電源に電気的に接続され、互いに実質的に隣接して配置された複数のループを含む導体手段とを有するＩＰＴトラック構成と、ＩＰＴピックアップとを含むＩＰＴシステムであって、前記ループの隣接部分の極性が同じである、ＩＰＴシステム。
9. 前記ＩＰＴピックアップは複数のコイルを含む、請求項８に記載のＩＰＴシステム。
10. 前記ＩＰＴピックアップは、前記ＩＰＴトラック構成が発生する磁束のうちの空間直交する成分を受け取るように適合されている、請求項８に記載のＩＰＴシステム。
11. １つのコイルが前記ＩＰＴトラック構成が発生する磁束の第１の成分を受け取るように適合され、他のコイルが前記ＩＰＴトラック構成が発生する磁束の第２の成分を受け取るように適合され、前記成分は空間直交する、請求項９に記載のＩＰＴシステム。
12. ２つのコイルが前記第１の成分を受け取るように適合され、１つのコイルが前記第２の成分を受け取るように適合されている、請求項１１に記載のＩＰＴシステム。
13. 前記コイルは互いにデカップリングされている、請求項９に記載のＩＰＴシステム。
14. 前記電源は、前記トラック構成上の負荷を分散させるように配置された複数のインバータを含む、請求項８乃至請求項１３のいずれか一項に記載のＩＰＴシステム。
15. 前記導体手段は単一の導体を含み、前記ループの形成において前記導体が複数の点で重なり合う、請求項８乃至請求項１４のいずれか一項に記載のＩＰＴシステム。
16. 本明細書に実質的に記載されているＩＰＴシステムトラック構成。