JP5576354B2 - 無線エネルギー伝達装置 - Google Patents
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Description
この仮出願は、米国特許出願第60/908383号、2007年3月27日出願、米国特許出願第11/481077号、2006年7月7日出願、及び米国特許仮出願第60/698442号、2005年7月12日出願に関連する。米国特許出願第11/481077号、2006年7月7日出願、及び米国特許仮出願第60/698442号、2005年7月12日出願の各々は、その全文を参考文献として本明細書に含める。
は約5
未満、または約2
未満である。一部の好適例では、動作中に、上記共振構造の一方が、使用可能な電力Pwを他方の共振構造から受け、電圧差Vsが第1共振構造の容量負荷の端子間に現れ、比率
は約2000
未満、または約4000
未満である。
が最大になる周波数である。
2つの共振物体1と2の間の共振エネルギー交換をモデル化するための適切な解析的枠組みは、「結合モード理論」(CMT:coupled-mode theory)の枠組みである。(例えば非特許文献1(Haus, H. A., “Waves and Fields in Optoelectronics”, Prentice-Hall, New Jersy, 1984)参照。)2つの共振物体1と2の系の場は
は物体1及び2単独の固有モードを単位エネルギーに正規化した値であり、場の振幅a1,2(t)は、|a1,2(t)|2が、物体1及び2のそれぞれの内部に蓄積されたエネルギーに等しくなるように定義される。従って、場の振幅は、最低次については次式を満足するように示され:
は、この比を達成することのできる距離と共に、無線エネルギー伝達用に用いる評価システムにおける性能指数として機能する。レジーム(変化の型)
を、「強結合」レジームと称する。
は波動ベクトルであり、ωは周波数であり、cは光の速度である。このことにより、無限大のQ値の状態をサポートすることができないことを示すことができる。しかし、非常に長寿命(いわゆる「高いQ」)の状態は見出すことができ、そのテールは、振動的(放射的)になる前に、共振物体から十分な距離だけ離れた所で必要な指数関数的または指数関数状の減衰を表す。こうした場の変化の挙動が発生する限界面を「放射コースティック」と称し、無線エネルギー伝達方式が遠距離場/放射場ではなく近接場に基づくためには、結合物体間の距離は、一方(の物体)が他方(の物体)の放射コースティック内にあるようにしなければならない。
一部の実施例では、共振物体の1つ以上が自己共振導線ループである。図2を参照すれば、長さl、断面半径aの導線が、空気に囲まれた半径r及び高さhの(即ち、巻数
、自由空間内の磁界、及び導線中の電流分布
による、コイルの容量内の電界からのエネルギーの周期的交換にある。特に、電荷保存の方程式∇・j=iωρは、次のことを暗に意味する:(i) この周期的交換は、電流プロファイルと電荷密度プロファイルとの間にπ/2の位相シフトを伴い、即ち、コイルに含まれるエネルギーUは、特定時点では完全に電流により、他の時点では完全に電荷による;(ii) I(x)が導線中の直線電流密度であり、xが導線に沿って変化する値であれば、I0=max{|I(x)|}が直線電流分布の正の最大値であり、
を知るだけでよい、ということになる。マクスウェルの方程式を解いて、導線コイルの共振の電磁的固有モードの電流分布を厳密に見出すことは、例えば標準的なLC回路よりも複雑であり、有限長のコイルについては文字通りの厳密解を見つけることはできず、厳密解を困難にする。原則的に、精巧な伝送線状のモデルを書き下して、力ずくで解くことはできる。その代わりに、(以下に説明するように)実験と良好に一致する(〜5%)モデルを提示する。各コイルを形成する導線の有限の長さが、導線から出る電流がないのでコイルの端では電流が0でなければならないという境界条件を課すことを考え、各コイルの共振モードは、導線の長さ方向に沿った正弦波電流プロファイルによって良好に近似されるものと仮定する。最低のモードに関心を持つべきであり、従って、導線に沿った座標軸をxで表し、xが−l/2から+l/2まで変化するものとすれば、電流振幅プロファイルはI(x)=I0cos(πx/l)の形を有し、ここで特定のxについては、電流は導線の円周に沿って大幅に変化しないものと仮定しており、a≪rとすれば、この仮定は有効である。電荷についての連続方程式から直ちに、線形の電荷密度プロファイルはρ(x)=ρ0sin(πx/l)の形を有することになり、従って、
、I1,2及びL1,2と定義すれば、これらは単一コイルの場合についての
、I0及びLと同様であり、従って明確に定義され、コイル1、2の相互インダクタンスは、総エネルギー(U)によって次式のように定義することができる:
を最大にするものである、というのは、Qκは(少なくとも、準静的近似がまだ有効である関心事の距離D≪λについては)周波数に依存しないからである。従って、最適周波数は、2つのコイル間の距離Dとは独立であり、単一コイルのQ1及びQ2がピークになる2つの周波数間にある。同じコイルについては、最適周波数は(7)式によって与えられ、従って、性能指数の式(9)は次式のようになる:
・導電材料の抵抗率を低減することができる。このことは例えば、(銅または銀のような)良導体を用いることによって、及び/または温度を下げることによって達成することができる。極低温では、超伝導材料を用いて極めて良好な性能を達成することもできる。
・導線の半径aを増加させることができる。一般的な実施例では、この行動は物理的サイズを考慮して制限される。
・固定された所望のエネルギー伝達距離Dに対して、ループの半径rを増加させることができる。一般的な実施例では、この行動は物理的サイズを考慮して制限される。
・固定された所望の距離対ループサイズの比D/rに対して、ループの半径rを減少させることができる。一般的な実施例では、この行動は物理的サイズを考慮して制限される。
・ターン数Nを増加させることができる。(N>1に対して式(10)がより不正確であると想定されても、定性的に、この式は、Nを増加させると共に結合対損失比の改善が期待されることの良好な指標を与える。)一般的な実施例では、この行動は物理的サイズ及び可能な電圧を考慮して制限され、これについては以下の節で説明する。
・2つのコイル間の位置合わせ(アライメント)及び配向を調整することができる。両方の円筒コイルが正確に同一の(円柱の)対称軸を有すると(即ち、これらのコイルが互いに「対面」すると)、性能指標が最適になる。一部の実施例では、0の相互インダクタンスをもたらす特定のコイル角及び配向(例えば2つのコイル軸が直交する配向)は回避すべきである。
なお、最後に、一般的な実施例では、コイルの高さhが結合対損失比に悪影響しないべきである、というのは、コイルの高さhは主にコイルのインダクタンスに悪影響し、QとQκとの間で相殺し合うからである。しかし、コイルの高さhは、外部負荷容量を支持してコイルの自己容量を低減するために用いることができる。
の意味での所望性能を達成するために電源側物体の寸法を変化させることのできる方法の例を挙げる(Ns=Nd=1かつhs=hd=0の場合に簡略化する):
・導線の半径a1及びa2を増加させる。一般的な実施例では、この行動は物理的サイズを考慮して制限される。
・固定された所望のエネルギー伝達距離Dに対して、コイルの半径r1及びr2を増加させる。一般的な実施例では、この行動は物理的サイズを考慮して制限される。
・固定された所望の距離対コイルサイズ比
に対して、インダクタンスの弱い(対数)依存性のみが元のままであり、このことは、コイルの半径r1及びr2を減少させるべきであることを示唆する。一般的な実施例では、この行動は物理的サイズを考慮して制限される。
・2つのコイル間の位置合わせ(アライメント)及び配向を調整する。一般的な実施例では、結合は、両方の円筒コイルが正確に同一の(円柱の)対称軸を有する(即ち、互いに対面する)際に最適化される。0の相互インダクタンスをもたらす特定の相互コイル角及び配向(例えば2つのコイルの軸が直交する配向)は回避すべきである。
さらに、効率とは別の他の実際的考慮、例えば物理的サイズ制限は、以下に詳細に説明する。
を増加または最適化することができ、あるいは、Q値が外部要素によって制限される場合は、Qκを増加及び/または最適化することができる。
の表現を用いて、CMTはκを次式によって与え:
一般に、共振ベースの無線エネルギー伝達方式の特定実施例の全体性能は、共振物体の共振のロバストネス(頑健性)に強く依存する。従って、共振物体の、ランダムな非共振の外部物体が近くに存在することに対する感度を解析することが望ましい。1つの適切な解析モデルは、「摂動理論」(PT:perturbation theory)の解析モデルであり、外部物体eの存在下では、共振物体1の内部の場の振幅a1(t)が、一次については、次式を満足することを示唆する:
、ここにκ[e]は摂動のある結合速度)を定量化すべきである。実施例では、主に磁界共鳴を用いて、共振に対する外部物体の影響がほとんど存在しない。その理由は、考慮している動作の準静的レジーム(r≪λ)では、コイルを包囲する空気領域内の近接場は磁界が支配的である(これに対し電界の大部分はコイルの自己容量または外部負荷のコンデンサ中に局在する)ということであり、従って、この磁界と相互作用し、共振に対する摂動として作用し得る非金属の外部物体eは、大きな磁気特性(透磁率Re{μ}>1または磁気損失Im{μ}>0)を有する物体である。ほとんどすべての日常的材料が非磁性であるので自由面と同様に磁界に応答し、従って導線ループの共振を乱さない。
〜105を見出し、コンデンサから10cm離れた物体については、
〜5×105を見出す。従って、通常の距離(〜1m)及び配置(コンデンサの直上ではない)については、あるいは、ずっと小さい損失タンジェントの大部分の通常の外部物体eについては、
と言うことが実際に正しいものと結論付ける。これらの共振に影響するものと想定される唯一の摂動は、大きな金属構造に近接した所である。
の二乗に依存する。これとは対照的に、物体1から他の共振物体2への結合速度は、前述したように次式のようになり:
に線形依存する。こうしたスケーリングの差は、例えば指数関数的に小さい場のテールについては、少なくとも小さい摂動については、他の共振物体への結合(速度)がすべての外部損失速度よりずっと速い(κ≫Γ1-e)はずであり、従って、こうした共振誘電体円板のクラスについては、本発明のエネルギー伝達方式は頑健であるものと想定される、という確信を与える。しかし、外部物体が、上記一次摂動理論の方法を用いて解析するには強過ぎる摂動を生じさせるあり得る特定状況も調べたい。例えば、誘電体円板cを、図9aに示すように(人間hのような)大きなRe{ε}、Im{ε}かつ同じサイズであるが異なる形状の他の共振外物体、及び図9bに示すように(壁面wのような)大きく広がる粗くした表面であるが小さいRe{ε}、Im{ε}の他の共振外物体の近くに配置する。円板の中心と「人間の」中心または「壁面」との間の距離Dh/w/r=10-3についての、図9a及び9bに提示する数値的FDFDシミュレーションの結果は、円板の共振が相当頑健であるように見えることを示唆する、というのは、円板の共振は、非常に近接した高損失の物体は例外として、外部物体の存在によって悪影響されないからである。エネルギー伝達システム全体に対する大きな摂動の影響を調べるために、「人間」及び「壁面」が共に近くに存在する状況下での2つの共振円板を考える。図7を図9cと比較すれば、数値的FDFDシミュレーションは、システム性能がκ/Γc≒1〜50からκ[hw]/Γc[hw]≒0.5〜10に、即ち許容可能な量だけ劣化することを示す。
一般に、あらゆるエネルギー伝達方式にとって重要な他の要素は伝達効率である。再び、一組の外部物体eの存在下で共振する電源側sと装置側dの系を考える。この共振ベースのエネルギー伝達方式の効率は、エネルギーが装置側から排出されて、速度Γworkで作業動作に使用される際に測定することができる。装置側の場の振幅についての結合モード理論方程式は次式の通りであり:
有用な期待電力はPwork=2Γwork|Ad|2であり、放射される(散乱を含む)電力は
Ptotal=Pwork+Prad+Ps+Pd+Pe
である。なお、通常はシステム内に存在して蓄積されたエネルギーをシステム内で循環させる無効電力は、共振時には相殺され(このことは例えば電磁気学においてポインティング理論から証明することができる)、電力平衡の計算には影響しない。従って、動作効率は次式の通りであり:
電源側に蓄積される必要なエネルギー(従ってIs及びVs)を最小化するためには、
効率を増加させるためには、前述したように、
を増加させ、従って、前述したように効率を大幅に増加させ、また電流Is及びIdを減少させ、従って、所定の出力電力Pworkにとって必要なエネルギー
上述した無線エネルギー伝達方式の実施例の実験的実現は、上述した種類の2つの自己共振コイルから成り、図14に概略的に示すように、その1つ(電源側コイル)は発振回路に誘導結合され、第2のもの(装置側コイル)は抵抗負荷に誘導結合されている。図14を参照すれば、Aは半径25cmの単一銅線ループであり、駆動回路の一部をなし、周波数9.9MHzの正弦波を出力する。S及びDはそれぞれ、文字で称するところの電源側及び装置側コイルである。Bは、負荷(「電球(ライトバルブ)」)に取り付けた導線のループである。種々のκは物体間の直接結合を表す。コイルDとループAとの間の角度は、これらの直接的結合が0になると共に、コイルSとDが同軸に位置合わせされるように調整する。BとAの間、及びBとSの間の直接的結合は無視できる。
で与えられるその最適値に一致するように調整した。その誘導性の性質により、電球に接続したループは小さいリアクタンス成分をΓwに加え、このリアクタンス成分はコイルを少し再調整することによって補償した。抽出される動作電力は、負荷側の電球がその最大公称光度(輝度)になるまで、コルピッツ発振器内に入る電力を調整することによって測定した。
Claims (17)
- 無線エネルギー伝達用の装置において、
電源と、
前記電源から電力を受けるように構成され、かつ、第2共振構造との間で、電磁共鳴を利用してエネルギーを無放射で距離D越しに伝達するように構成された第1共振構造を具え、前記距離Dは、前記第1共振構造の特徴的サイズL1より大きく、かつ前記第2共振構造の特徴的サイズL2より大きく、
前記無放射のエネルギー伝達に、前記第1共振構造の共鳴場エバネセント・テールと前記第2共振構造の共鳴場エバネセント・テールとの結合が介在し、
さらに、
前記第2共振構造と、
前記第2共振構造に結合されて、前記第2共振構造からエネルギーを受けることができる負荷と、
前記第1共振構造及び前記第2共振構造のうち1つ以上との間でエネルギーを無放射で伝達するように構成された第3共振構造を具え、
前記特徴的サイズL1は、前記第1共振構造全体を包囲することのできる最小の球の半径に等しく、前記特徴的サイズL2は、前記第2共振構造全体を包囲することのできる最小の球の半径に等しく、
前記第3共振構造と、前記第1共振構造及び前記第2共振構造のうち1つ以上との間の無放射のエネルギー伝達に、前記第1共振構造及び前記第2共振構造のうち1つ以上の共鳴場エバネセント・テールと前記第3共振構造の共鳴場エバネセント・テールとの結合が介在し、
前記第3共振構造は、前記第1共振構造及び前記第2共振構造のうち一方からエネルギーを受け、前記第1共振構造及び前記第2共振構造のうち他方にエネルギーを伝達するように構成され、
前記第1共振構造は、前記電源に誘導結合され、前記第2共振構造は、前記負荷に誘導結合されている
ことを特徴とする無線エネルギー伝達装置。 - 前記第3共振構造が、前記第1共振構造及び前記第2共振構造のうち1つ以上にエネルギーを伝達するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記第3共振構造が、前記第1共振構造及び前記第2共振構造のうち1つ以上からエネルギーを受けるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記第1共振構造がQ値Q 1 を有し、Q 1 >100であり、前記第2共振構造がQ値Q 2 を有し、Q 2 >100であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の装置。
- D/L 2 が2であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の装置。
- D/L 2 が3であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の装置。
- D/L 2 が5であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の装置。
- 前記エネルギー伝達が、10%より大きい効率η w で動作することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の装置。
- 前記エネルギー伝達が、20%より大きい効率η w で動作することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の装置。
- 前記電源が、前記第1共振構造を周波数fで駆動するように構成され、fが100MHz以下であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の装置。
- 前記電源が、前記第1共振構造を周波数fで駆動するように構成され、fが10kHz以上であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の装置。
- 動作中に、前記第1共振構造及び前記第2共振構造のうち一方の共振構造が、使用可能な電力Pwを、前記第1共振構造及び前記第2共振構造のうち他方の共振構造から受け、Pwが1ワットより大きいことを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の装置。
- Pwが10ワットより大きいことを特徴とする請求項12に記載の装置。
- 前記負荷が、前記第2共振構造に電気結合された電気装置または電子装置であることを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の装置。
- 前記電気装置または電子装置が携帯電子装置を含むことを特徴とする請求項14に記載の装置。
- 前記電気装置または電子装置が車両を含むことを特徴とする請求項14に記載の装置。
- さらに、前記第1共振構造、前記第2共振構造、及び前記第3共振構造のうち1つ以上の共振周波数を維持するためのフィードバック・メカニズムを具えていることを特徴とする請求項1〜16のいずれかに記載の装置。
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