JP5854721B2 - エネルギーを無線で交換するシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
誘導結合は、コードレス電子歯ブラシ又は車両バッテリ等の複数の無線エネルギー伝達システムにおいて用いられる。変換器のような結合インダクターにおいて、ソース、たとえば一次コイルは、電磁場としてエネルギーを生成し、シンク、たとえば二次コイルは、エネルギーシンク内を流れるエネルギーが最適化される、たとえばエネルギーシンクによって生成されるエネルギーがエネルギー源のエネルギーと可能な限り類似するようにその電磁場の範囲を定める。エネルギーを最適化するためには、エネルギー源とエネルギーシンクとの間の距離は可能な限り小さくすべきである。なぜなら、大きな距離を介することにより、誘導結合法が非常に非効率になるためである。
図1は、共振源110から共振シンク120にエネルギーを伝達するための従来の共振結合システム100を示している。共振結合において、2つの共振電磁物体、すなわちエネルギー源及びエネルギーシンクは、共振条件下で互いに相互作用する。
図3は、本発明の実施形態によるシステム300を示している。1つの共振物体をエネルギー源として用いる代わりに、同じ共振周波数を有する少なくとも3つの共振物体311のアレイがエネルギー源310として用いられる。各物体は電磁的(EM)かつ非放射性であり、エネルギーの受信に応じてEM近接場を生成するように構成される。アレイ310は物体311の任意の構成とすることができる。アレイ内の物体311は互いから或る距離に配置され、すなわち物理的に接続されず、それによって、該物体は、エネルギーを受信すると電磁波360の共振結合によりアレイ内の少なくとも1つの他の物体に強結合される。
共振アレイ310内の共振物体311は、用途に依拠して任意の物理形状を取ることができる。たとえば、共振物体は自己共振コイル、スパイラル、及び誘電共振器とすることができる。
本発明の実施形態はエネルギーを無線で移動デバイスに提供するか、無線で異なるデバイス上の電池に充電するための様々な応用形態に適用することができる。デバイスには、限定ではないが、電気車両と、エレベーターと、ロボットと、携帯電話、ラップトップ等の電子デバイスとが含まれる。
本発明のいくつかの実施形態は、共振器のアレイによって形成されたエネルギーシンクを用いる。図6A及び図6Bは異なるエネルギーシンク構成を有するシステム610及び620の例を示している。双方のシステムにおいて、エネルギー源は線形アレイに整列されたスパイラルによって構築される。ドライバーにおいてループアンテナを用いて、エネルギーをアレイの一端において共振スパイラルに提供する。システム610において、エネルギーシンクは同一スパイラル共振器であり、アレイの他端において共振スパイラルと同軸に位置合わせされる。エネルギーシンクはアレイの平面から0.5m離れている。ループアンテナを用いてエネルギーシンクからエネルギーを抽出する。システム620では、エネルギーシンクは同一スパイラルのアレイによって構築される。ループアンテナがアレイの一端においてスパイラルと同軸に位置合わせされる。図6Cは、システム620の伝達効率625がシステム610の伝達効率615よりも良好であることを示している。
図7は、無線エネルギー伝達のための1組の共振器アレイ、すなわち第1のアレイ710及び第2のアレイ720を含むシステム700を示している。共振周波数において振動するエネルギーがドライバー730からエネルギー源710に提供される。エネルギーは無線で提供することができる。エネルギー源710及びエネルギーシンク720は共振物体711及び721のアレイである。エネルギー源及びエネルギーシンク内の共振物体間の相互結合によって、共振アレイ構成に従うシステムにおいて、無線エネルギーが再分配される。通常、それぞれ第1のアレイ及び第2のアレイの物体間の距離は、エネルギー源とエネルギーシンクとの間の距離未満である。
図8は、エレベーター等の移動デバイスにエネルギーを無線で供給するシステム800を示している。エネルギー源は共振物体880のアレイ860である。エネルギー源は昇降路に設置され、エネルギードライバー810からエネルギー815を受信する。エネルギードライバーは送電網に接続することができ、エネルギーをエネルギー源に、たとえば誘導的に供給することができる。共振器アレイは指定された共振周波数において指定された共振モードで電磁エバネッセント波を生成するように構成される。
図9は別の実施形態例を示している。27MHzで共振しているスパイラル共振器910がエネルギー源920及びエネルギーシンク930の共振器アレイを形成する。たとえば、双方の共振器アレイが6個のスパイラル素子を有する。半径Rを有する2つのループアンテナがエネルギードライバー940及び負荷950として用いられる。ドライバー/負荷とソースアレイ/シンクアレイとの間の離隔距離はD2である。エネルギー源とシンクアレイとの間の距離はDである。
図12は、共振物体のアレイがどのように様々な次元、たとえば共振物体の2次元(2D)アレイとなることができるかを示している。2Dアレイはx方向及びy方向双方に延在し、エネルギー源1240及びエネルギーシンク1230として用いられる。エネルギードライバー1260は、共振周波数においてエネルギー源にエネルギーを提供する(1250)。エネルギー源内の共振物体間の相互結合1270〜1273に起因して、システムにわたって双方向に無線エネルギーが再分配される。エネルギー源内の共振物体と、エネルギーシンク内の共振物体との相互結合1274によって、結果としてエネルギー源1240からエネルギーシンク1230までの無線エネルギー伝達が生じる。システム全体の対応する共振モードが、共振周波数においてエネルギーを提供することを通じて励起される。対応する共振モードにおいて、システム1200内のエネルギーが3方向において再分配される。特に、エネルギーはz方向において無線で伝達される。
Claims (7)
- エネルギーを無線で交換するシステムであって、
共振周波数を有する線形に配置された少なくとも3つの物体のアレイであって、各該物体は電磁的(EM)かつ非放射性であり、前記エネルギーの受信に応じてEM近接場を生成し、前記アレイ内の各該物体は全ての他の該物体から或る距離に配置され、前記配置によって、該物体は前記エネルギーを受信するとエバネッセント波の共振結合により前記アレイ内の少なくとも1つの該物体に強結合される、前記アレイと、
前記共振周波数における前記エネルギーを前記アレイ内の少なくとも1つの該物体に提供し、前記提供によって、該システムの動作中、前記エネルギーが提供された該物体から前記アレイ内の全ての他の該物体に分配されるようにする、エネルギードライバーと、
前記少なくとも3つの物体に沿って線形に移動可能であり、エバネッセント波の結合により前記アレイの少なくとも1つの物体から前記エネルギーを無線で受信するエネルギーシンクと、
を備えたことを特徴とする、システム。 - 前記共振結合は、誘導結合、容量性結合、又はその組み合わせである請求項1に記載のシステム。
- 前記エネルギードライバーは前記エネルギーを2つ以上の物体に提供する請求項1に記載のシステム。
- 前記エネルギーシンクは、前記アレイの複数の前記物体から前記エネルギーが同時に受信されるように配置される請求項1に記載のシステム。
- 前記エネルギーシンクは前記共振周波数を有する共振物体である請求項1に記載のシステム。
- エネルギーを無線で交換する方法であって、
線形に配置された少なくとも3つの物体のアレイ内の全ての該物体間で前記エネルギーを分配することであって、各該物体は、共振周波数を有し、電磁(EM)かつ非放射性であり、前記エネルギーの受信に応じてEM近接場を生成するように構成され、前記アレイ内の各該物体は全ての他の該物体から或る距離に配置され、前記配置によって、該物体は前記エネルギーを受信するとエバネッセント波の共振結合により前記アレイ内の少なくとも1つの他の該物体に強結合され、前記強結合によって、システムの動作中、前記エネルギーが受信された該物体から前記アレイ内の全ての他の該物体に前記エネルギーが分配されること、及び
前記少なくとも3つの物体に沿って線形に移動可能で前記アレイから或る距離に配置されたエネルギーシンクに、無線で前記エネルギーを送信すること、
を含む、方法。 - 前記エネルギーシンクは前記共振周波数を有する複数の物体のアレイによって形成され、
前記エネルギーを前記少なくとも3つの物体のアレイ内の複数の物体と前記エネルギーシンクの複数の物体との間で無線で送信すること
をさらに含む、請求項6に記載の方法。
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