JP6144195B2 - 誘導電力転送システム１次トラックトポロジー - Google Patents

Description

本発明は、誘導電力伝達（ＩＰＴ）システムに関する。本発明は特に多位相ＩＰＴシステムに関する。

ＩＰＴは物理的接触なしに空隙を横断して電力を負荷に接続するために変動する磁場を使用する。空隙は、導電物質の長尺ループ等の１次コンダクタ（本明細書において一般にトラックと称される）と、トラックに関連付けられた磁場から電力を受容する２次コイルを有する１つまたは複数のピックアップ装置との間に存在する。システム性能は濡れた環境または汚れた環境により影響されず、部品が完全に分離されているため係る状況下で安全上のリスクは存在しない。ＩＰＴは、路面電車および電気バス上で用いられるもの等のプラグまたはブラシとバーとの接触に基づく従来の方法とは異なり、信頼性が高く保守不要である。ＩＰＴは現在、マテリアルハンドリングおよび集積回路製造等の多数の工業用途で用いられる。ＩＰＴシステムは容量において１Ｗ〜２００ｋＷの範囲で変化し、ロボット、無人搬送車（ＡＧＶ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電子装置、リクレーション用乗客運搬車、バス、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）への電力供給および充電の両方に用いられることができる。ＩＰＴシステムは、２つの別個の種類、すなわち、トラック上の任意の場所に配置され得る１つまたは複数の可動負荷からなる分散システムと、定められた位置においてのみ電力伝達が可能である集中システムとに分類され得る。

分散システムは特に車道給電ＥＶ（ＲＰＥＶ：Ｒｏａｄｗａｙ Ｐｏｗｅｒｅｄ ＥＶ）用途に好適であるが、実際の大型ＲＰＥＶシステムは現在のところ実行不可能である。このことは、無誘導のＥＶは大きい水平許容（〜７００ｍｍ）および最低地上高（１５０〜２００ｍｍ）を必要とすることに起因する。本明細書で提供されるトラックトポロジーは、システムコスト増加を最小化しつつ水平許容を増大化することを可能にすることにより、従来の設計と比較して顕著な改善を提供する。本明細書はＥＶの状況における本明細書の用途について言及するものであるが、しかし本発明は多数の他のＩＰＴシステム用途に適用可能であることを当業者は理解するであろう。

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を低減することを支援する。したがって、ＥＶの採用は１９９０年代から増加しつつあるが、しかし、ＥＶが従来の車両と比較して費用対効果が低いため、市場浸透は低い状態に保たれている。現在のＥＶ市場は、内燃機関からエネルギーを引き出すハイブリッド車両により支配されているが、ガソリン消費を緩和するために電極からのエネルギーを可能にするＰｌｕｇ−ｉｎＥＶ（ＰＨＥＶ）が近年では導入されつつある。ＥＶが広範な採用を獲得するためには、主要な改善がバッテリーの寿命ならびにコストおよび電極接続において要求される。後者は、１日の終わりに長時間充電を行うことよりも各移動後の便宜的な充電を行うことを可能にする。その結果、放電の深さが最小化されることによりバッテリー疲労が顕著に低減され、より小さいバッテリーが必要とされるようになるため、ＥＶはより低いコストを有することとなる。ＥＶの費用対効果をガソリン車両よりもより大きくする好適なソリューションは、道路を介してＥＶに電力供給および充電を行うことである。州間高速自動車道上の走行は車道距離の１％を占めるが全車両の走行距離の２２％を占めるため、係る動的充電システムは比較的小さくなり得ることに注意すべきである。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は従来の車両と同様の費用対効果を有し、付加的なガソリンコストを生じさせないであろう。

ＩＰＴシステムは、図１における単一位相システムに対して示される３つの主要部分を備える。電源装置は、誘導１次導電性経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（中間から高電力システムにおいて、典型的には１０〜１０ｋＨｚ周波数範囲）を生成する。並列補償キャパシタＣ_１は、トラック電流、Ｉ_１、が共振することを可能にし、それにより、トラック周辺において磁場強度が増加される。このことにより、所与の負荷に対する電源装置の定格ＶＡが最小化される。トラックとトラックからの電力が誘導的に伝達される２次レシーバ装置とは緩やかに結合された変圧器として機能し、それにより、比較的大きい空隙上での電力の伝達が可能となる。レシーバは一般にＩＰＴピックアップ（ＰＵ：Ｐｉｃｋ−ｕｐ）と呼称され、Ｃ_２を用いてトラックにおける電流の周波数で共振するよう同調されたインダクタンス、Ｌ_２、を有する。これにより比較的大きいＰＵ漏洩インダクタンスが補償される。Ｃ_２上の電圧は整流され、スイッチドモードコントローラは、電力伝達を増強し使用可能なＤＣ出力を提供するために、共振タンクが定められた性能指数、Ｑ、で動作することを可能にする。ＩＰＴシステムの電力出力（Ｐ_ＯＵＴ）は、（１）に示すように、ＰＵの開回路電圧（Ｖ_ＯＣ）および短絡回路電流（Ｉ_ＳＣ）ならびにＰＵ回路性能指数により定量化される。

Ｐｓｕは補償されない電力、ωはトラック電流Ｉ_１の角振動数、ＭはトラックとＰＵとの間の相互インダクタンスである。（１）に示されるように、出力電力は、電源装置（ωＩ_１ ^２）、磁気結合（Ｍ^２／Ｌ_２）、およびＰＵコントローラ（Ｑ）に依存する。電力出力を増加させることおよびトラックとＰＵとを分離することは大いに望ましいことではあるが、効率はシステムの動作周波数（スイッチング損失）および定格電流（銅損失）により制限される。システムが高いＱで動作することを可能にすることは電力伝達を増大化するが、しかし実際の用途おいては、通常は、部品のＶＡ定格および許容度により、４〜６の範囲で動作するよう設計される。これらの制限により、システム性能における最大増加は良好な磁気設計により達成されることができる。

実験室１６ｋＷプロトタイプ単一位相ＰＲＥＶシステムが過去において構築されてきた（Ｇ．Ａ．Ｃｏｖｉｃ， Ｊ．Ｔ．Ｂｏｙｓ， Ｍ．Ｌ．Ｇ．Ｋｉｓｓｉｎ およびＨ．Ｇ．Ｌｕ， ”Ａ Ｔｈｒｅｅ−Ｐｈａｓｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｒｏａｄｗａｙ−Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ”， Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ， ｖｏｌ． ５４， ｎｏ． ６， ｐｐ． ３３７０−３３７８， ２００７参照）。そのシステムにおけるトラックは、基本的に、より長い側面が隣接レーン上に配置された長尺螺旋巻線である。したがって、ＰＵは、１方向に流れる電流により生成された磁束のみに曝露され、コンダクタが並列して配列される従来の単一位相トラック上の簡単なＰＵに関して生じるようなトラック全域にわたる電力プロファイルにおけるゼロは存在しない。このステムは現代のフェライトおよびパワーエレクトロニクスコンポーネントが開発される以前に構築されたものであり、この点がその性能に反映されている。トラックとＰＵとの間の空隙は電子アクチュエータにより３０ｍｍとなるよう制御され、全電力は、トラック中心から最大で１２０ｍｍの偏位の範囲において供給されるであろう。比較的低い水平許容は自動誘導装置を必要とした。

２００ｍｍの空隙で動作する５ｋＷ単位位相システムが構築および実験され、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ，１９９５，ｐｐ．７９７−８０１における、Ｇ．Ａ．Ｅｌｌｉｏｔｔ、Ｊ．Ｔ．Ｂｏｙｓ、およびＡ．Ｗ． Ｇｒｅｅｎの”Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ”において開示されている。しかし水平許容は６０ｍｍである。特に、このシステムはＰＵにおいてフェライトを使用せず、このことにより、ＥＶに取り付けられた場合に顕著な問題が生じることとなる。フェライトを使用することにより、確実に磁束がＰＵ内に留まることとなり、アルミニウム製遮蔽の使用が可能となる。このことは、スチールシャーシにおける損失を制限し、磁場曝露ガイドラインに適合するために必要である。

単一位相トラック上の水平許容を改善するために、Ｅｌｌｉｏｔｔ、Ｓ．Ｒａａｂｅ、Ｇ．Ｃｏｖｉｃ、およびＪ．Ｂｏｙｓにより”Ｍｕｌｔｉ−Ｐｈａｓｅ Ｐｉｃｋ−Ｕｐｓ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ｌａｔｅｒａｌ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，” Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ，ｖｏｌ．ＰＰ，ｎｏ．９９，ｐｐ．１−１， ２００９において検討されているが使用されてはいない１つのアプローチは、６つのオフセットコイルを備える複雑なＰＵを用いることであった。ＰＵがトラックを横断して水平方向に移動されると、異なるセットのコイルが励起され、それにより許容が増加される。しかし、このアプローチは、有効コイルの同調を困難にするコイル間の相互結合により、高電力システムにおいては好適ではない。未使用の並列同調コイルは短縮化される必要があり、係る短縮化は有効コイルの磁束経路に影響を与え、その結果、損失が生じることとなる。

水平許容を改善するために、図２に示される３位相トラックトポロジーが、Ｇ．Ａ．Ｃｏｖｉｃ、Ｊ．Ｔ．Ｂｏｙｓ、Ｍ．Ｌ．Ｇ．Ｋｉｓｓｉｎ、およびＨ．Ｇ．Ｌｕにより”Ａ Ｔｈｒｅｅ−Ｐｈａｓｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｒｏａｄｗａｙ−Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ”，Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ， ｖｏｌ．５４，ｎｏ．６，ｐｐ．３３７０−３３７８，２００７において提案された。車両は、ｘ軸と呼称されるトラックの長さ、Ｔ_Ｘ、に沿って走行する。このシステムは、誘導トラックを駆動するために好適な電流源へと電圧形インバータを変換するインダクタ−キャパシタ−インダクタ（ＬＣＬ：ｉｎｄｕｃｔｏｒ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ−ｉｎｄｕｃｔｏｒ）インピーダンス変換ネットワークを使用する。絶縁変圧器の漏洩インダクタンスは１次インダクタとして用いられ、トラックは最終インダクタを形成する。それにより、有効電力のみが変圧器を通過する。大きい無効電流（図１におけるＩ_１）はトラックおよびキャパシタのみにおいてのみ循環する。デルタ−デルタ結線で接続された３つの個々の絶縁変圧器が各位相に対して用いられ、その一方で変圧器の出力端子は各トラックループの開始点（ｓｔａｒｔ）および復帰点（ｒｅｔｕｒｎ）に直接的に接続され、それにより、トラックは６本ワイヤとなる。このトラックトポロジーは、ＰＵが電源に対する順方向電流および戻り電流の両方に対して曝露されるため、本明細書において「バイポーラ」と称される。トラック位相の重複的性質により、各隣接するワイヤにおいて６０度だけ異なる電流が生じ、かご形誘導電動機における巻線と同様に、このことにより、トラックの幅（Ｔｙ）にわたって移動磁場が形成される。この可動磁場により、簡単な単一コイルＰＵを用いて、広く且つ均等な電力プロファイルが形成される。この電力プロファイルは、”Ｍｕｌｔｉ−Ｐｈａｓｅ Ｐｉｃｋ−Ｕｐｓ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ｌａｔｅｒａｌ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，” Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ， ｖｏｌ． ＰＰ， ｎｏ． ９９， ｐｐ． １−１， ２００９において検討されたように、直交コイルを有するＰＵを用いてさらに改善されることができる。

しかし、重複するトラックを有することの結果は位相間の相互インダクタンスの存在であり、そのため、各トラックコンダクタと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。この相互結合により、インバータにエネルギーが供給されるため、不都合なことに、インバータにおける異なる脚部が大きい電流およびＤＣバス電圧サージを発してしまう。

本発明の目的は、先行技術に係るシステムまたは配列の１つまたは複数の不利を改善するかまたは社会に有用な選択肢を少なくとも提供する、ＩＰＴシステムまたはＩＰＴシステムの１つまたは複数の部品（１次コンダクタ配列等）を提供することである。

１つの態様において、本発明は、第１位相コンダクタおよび第２位相コンダクタを備える多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ配列であって、これらのコンダクタは相互に重複するよう実質的に平面において配列され、且つ位相コンダクタ間で実質的に均衡された相互結合が存在するよう配列された、多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ配列を広範に提供する。

好適には、トラックは第３位相コンダクタを備え、第１、第２、および第３コンダクタは、これらの位相コンダクタの間で均衡された相互結合が存在するよう配列される。

好適には、これらの位相の励起により位相間での有効エネルギー伝達は生じない。

好適には、平面は第１寸法を有し、各位相コンダクタの長さは第１寸法に対して実質的に交差して平面を横切って延長し、これらの長さは実質的に相互に対して平行であり且つ相互から離間する。

好適には隣接する位相コンダクタ間の距離は、１次コンダクタ配列から電力を受容するためのピックアップコイル装置の長さに依存して選択される。

好適には隣接する位相コンダクタ間の距離は、第１寸法におけるピックアップコイル装置の寸法の実質的に０．２から０．５倍である。

好適には隣接する位相コンダクタ間の距離は、第１寸法におけるピックアップコイル装置の寸法の実質的に０．２５から０．５倍である。

好適には、２位相トラックトポロジーに対して、第１寸法におけるピックアップコイル装置の寸法は位相コンダクタの１波長以下である。

好適には、ピックアップコイル装置は、実質的に同一平面上配列にある２つの実質的に平坦なコイルを備える。

好適には、ピックアップコイル装置は、２つの実質的に同一平面上配列にあるコイルと重複する第３コイルを備える。

代替的には、ピックアップコイル装置は単一コイルを備える。

好適には、この配列は透磁性部材と連合される。

好適には、位相コンダクタは透磁性部材の１つの側面上にのみ提供される。

好適には、透磁性部材は複数のフェライト細片を備える。

好適には細片は細長く且つ相互から離間される。

好適には１次コンダクタ配列はパッドを備える。

代替的には、１次コンダクタ配列はトラックセグメントを備える。

好適には、１次コンダクタ配列はモジュールとして提供される。

好適には、使用時の電力受容装置は第１寸法に対して平行な方向にトラックの上方で移動する。

代替的には、使用時の電力受容装置は、第１寸法に対して交差する方向にトラックの上方で移動する。

他の態様において、本発明は、第１位相コンダクタ、第２位相コンダクタ、および第３位相コンダクタを備えた多位相ＩＰＴ１次コンダクタ配列であって、これらのコンダクタは、相互に重複するよう実質的に平面において配列され、且つこれらの位相コンダクタを励起することにより位相間での有効エネルギー伝達が実質的に生じないよう配列された、多位相ＩＰＴ１次コンダクタ配列を広範に提供する。

好適には、１次コンダクタ配列はＩＰＴトラックを備える。

他の態様において、本発明は、第１位相コンダクタおよび第２位相コンダクタを備えた多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ配列であって、これらのコンダクタは第１寸法を有する平面において実質的に配列され、各位相コンダクタの長さは第１寸法に対して実質的に交差して平面を横切って延長し、これらの長さは相互に対して実質的に平行であり且つ相互から離間する、多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ配列を広範に提供する。

好適には、トラックは第３位相コンダクタを備える。

好適には、使用時の電力受容装置は第１寸法に対して平行な方向にトラックの上方で移動する。

代替的には、使用時の電力受容装置は、第１寸法に対して交差する方向にトラックの上方で移動する。

他の態様において、本発明は、多位相ＩＰＴ１次コンダクタ配列と１次コンダクタ配列から電力を誘導的に受容するためのピックアップコイル配列を有するピックアップとを備えるＩＰＴシステムであって、１次コンダクタ配列は第１位相コンダクタおよび第２位相コンダクタを備え、これらのコンダクタは第１寸法を有する平面において実質的に配列され、各位相コンダクタの長さは第１寸法に対して交差して平面を横切って延長し、これらの長さは相互に対して実質的に平行であり且つ相互から離間し、隣接する位相コンダクタ間の距離は、１次コンダクタ配列から電力受容するためのピックアップコイル配列の長さに応じて選択される、ＩＰＴシステムを広範に提供する。

好適には、トラックは第３位相コンダクタを備える。

好適には、隣接する位相コンダクタ間の距離は、第１寸法におけるピックアップコイル配列の寸法の実質的に０．２から０．５倍である。

好適には、隣接する位相コンダクタ間の距離は、第１寸法におけるピックアップコイル配列の寸法の実質的に０．２５から０．５倍である。

好適には、ピックアップコイル配列は、実質的に同一平面上配列にある２つの実質的に平坦なコイルを備える。

好適には、ピックアップコイル配列は、２つの実質的に同一平面上配列にあるコイルと重複する第３コイルを備える。

代替的には、ピックアップコイル配列は単一コイルを備える。

他の態様において、本発明は、第１位相コンダクタ、第２位相コンダクタ、および第３位相コンダクタを備える多位相ＩＰＴ１次コンダクタ配列であって、これらのコンダクタは、相互に重複するよう実質的に平面において配列され、各コンダクタの一方端は電源装置に接続され他方端はｗｙｅポイントに接続された、多位相ＩＰＴ１次コンダクタ配列を広範に提供する。

他の態様において、本発明は、第１寸法を有する平面において実質的に配列されたコンダクタを備えるバイポーラＩＰＴ１次コンダクタ配列であって、このコンダクタの長さは第１寸法に対して実質的に交差して平面を横切って延長し、これらの長さは相互に対して実質的に平行であり且つペアにおいてグループ化された、バイポーラＩＰＴ１次コンダクタ配列を広範に提供する。

好適には、グループ化されたペアは相互から離間される。

好適には、グループ化されたペアは、コンダクタが励起されると同一方向に流れる電流を含む。

他の態様において、本発明は、上述の記載のうちのいずれか１つに記載の１次コンダクタ配列を備えるＩＰＴシステムを提供する。

本発明のさらなる態様は以下の説明から明らかになるであろう。

単位相トラックシステムのためのＩＰＴシステム構成要素の既知の配列を示す図である。 単一平坦ピックアップを備える２位相バイポーラＩＰＴシステムを示す図である。 図２のＩＰＴトラックの断面図である。 （ａ）平坦Ｅピックアップを示す図である。（ｂ）平坦ピックアップを示す図である。 図２のトラック上における図４（ａ）のピックアップに対して測定された電力伝達をプロットした図である。 図２のトラック上における図４（ｂ）のピックアップに対して測定された電力伝達をプロットした図である。 本発明の１つの実施形態に係るバイポーラ単位相ＩＰＴ１次コンダクタ配列の平面図である。 さらなる位相を提供し、これらの位相が重畳されることにより、これらの位相の間で均衡された相互結合を提供するために、他の同様の配列を備える図７の配列の平面図である。 連結された、図８による２つの配列を示す平面図である。 （ａ）バイポーラ３位相ＩＰＴトラックトポロジーの平面図である。（ｂ）１つのユニポーラ３位相ＩＰＴトラックトポロジーの平面図である。 １５０ｍｍの空隙において２５０ｍｍのトラックピッチに正規化されたＰＵ長さに対するシミュレートされたＰ_ＳＵをプロットした図である。 ３８．４ｋＨｚにおいて２５０Ａの電流を有する４ｍの長さのトラックに沿った位置に対する様々な垂直方向離隔におけるシミュレートされたＰ_ＳＵのプロットを示す図である。 図１２（ａ）に関連するシミュレーションで用いられたトラックおよびＰＵの１つの実施形態の斜視図である。 （ａ）図１０ａに示すバイポーラ３位相ＩＰＴトラックトポロジーのさらなる図である。（ｂ）図１０ｂに示すユニポーラ３位相ＩＰＴトラックトポロジーのさらなる図である。 極位置が指定されたユニポーラトラックの中心を通る磁束密度の断面図である。 正規化されたＰ_ＳＵとＰＵのためのフェライトの単位ｍｍあたりの電力とのグラフである。 トラックピッチに正規化された様々な長さのＰＵに対するＰ_ＳＵのグラフである。 小さいピッチおよび大きいピッチを有するトラック上の最適なＰＵを用いてゼロを示す磁束ベクトルの図である（基本磁束高さはｈにより示される）。 ６０ｍｍ（６０ｍｍピッチ）の空隙におけるＰ_ＳＵについてのＰＵ幅の効果を示すグラフである。 マッチされたＰＵとともに増加するトラックピッチを示すグラフである。 変化する幅の５個または１０個の細片を用いて、トラックが６００ｍｍ幅である状態で、トラックフェライトの体積を変化させることの効果を示すグラフである。 トラックの下の固体シートの比透磁率を変化させることの効果を示すグラフである。 トラックとＰＵとの間の離隔が１７５ｍｍにおける実際的なＲＰＥＶシステムの性能を示すグラフである。 磁束レシーバパッドの側面図および平面図である。 直交コイルを備える図２３のパッドのそれぞれ側面図および平面図である。 磁束レシーバパッドの代替的な形態のそれぞれ側面図および平面図である。

本発明の実施形態は、以下の添付の図面を参照しながら、例示としてのみ説明される。

２位相バイポーラＩＰＴシステムが図２に示される。トラック１は、４つのケーブルを備える２つの延長されたループ１Ａおよび１Ｂからなる。これらのトラックループはそれぞれ独立したインバータ２Ａおよび２Ｂにより駆動され、周波数および大きさにおいて等しいが９０度の位相で電気的に分離された電流を坦持する。好適な実施形態において、１つの整流器が、共通のＤＣバスを提供するために用いられる。これら２つのインバータは、位相シフトを除いて同等であり、両方の位相は、その位相上の負荷に独立して一定のトラック電流を提供するＬＣＬネットワークと同調される。これは、ピックアップの位置がトラックの幅を横切って変化するにつれて負荷全体のうち各位相により坦持される部分が変化するため、望ましいことである。各位相における電流、Ｉ、は等しく、電源装置および動作周波数ｆ_Ｏにより一定に保持される。ピックアップ３がトラック１に隣接して示される。

近年では、多位相ピックアップがピックアップの横方向移動に対するシステムの許容を大きくするための代替的な方法として提案されてきている。これらのうち最も簡単なものは、直交コイルとして知られ、１つの成分のみを使用する標準的な平坦ピックアップとは異なりＩＰＴトラックにより生成された磁束の水平成分および垂直成分の両方を利用する。これはピックアップコア上に２つのコイルを巻くことにより達成される。

直交巻線を達成する方法は２つ存在する。第１の方法は第２コイルを第１コイルに対して物理的に直交させて巻くことであり、これには図４（ａ）に示す平坦Ｅコア５が必要となる。第２の選択肢は２つの個別のコイルを標準的な平坦コア６において図４（ｂ）に示すように各端部に１つ巻くことである。これらのコイルが直列接続されているが位相が１８０度ずれている場合、これらのコイルは垂直方向の磁束も捕捉することも可能となる。どのトポロジーが選択されるかに関わらず、直交コイルのそれぞれは個別に同調されることが可能であり、それらの出力は組み合わされ、その出力は単一のスイッチドモードコントローラを用いて制御されることが可能である。

図２３を参照すると、Ｂｏｙｓ、Ｃｏｖｉｃ、Ｈｕａｎｇ、およびＢｕｄｈｉａにより以前に開示された車両用途に好適である優れた特性を有する磁束パッド構造が示される。図２３の構造は国際公開第２０１０／０９０５３９（Ａ１）号に公開されている。簡便のために、この全般的な構造は本明細書においてＤＤＰパッドと称することとする。

図２３に示されるＤＤＰパッドは、全般に、５２および５３として参照される２つの実質的に同一平面上にあるコイルを備え、これらのコイルはコア５４に磁気的に連合され、コア５４の頂部上に着座する。パッドは実際にはコイルが１次トラックに対向するよう反転される。図２３から見られることができるように、コア５４は、相互に対して並行であるが離間して配列されたフェライト細片またはバー５５等の、複数の個別の長さの透磁性物質からなり得る。パッド構造は、コアが配置されたスペーサ５６と、スペーサの下方におけるプレート５７と、を備え得る。いくつかの実施形態において、カバー５８が平坦コイル５２および５３の他方の表面上に提供され得る。パディング５９がパッドの周辺部の周りに提供され得る。見られるように、コイル５２および５３はそれぞれが磁極エリア６０および６１をそれぞれ画成する。図２３に示されるこのＤＤＰパッド構造は、ＰＵにおいて本明細書で説明されるトラックトポロジーのために用いられ得る磁束レシーバとして用いられ得る。

ここで図２４を参照すると図２３のＤＤＰ構造が示されるが、このＤＤＰ構造は直交コイル６２（本明細書においてＤＤＰＱパッドと称される）をさらに備える。この構造は国際公開第ＷＯ２０１０／０９０５３９（Ａ１）号においても説明される。直交コイルは、適切なインバータにより励起されたとき図２４に示される構造が図２３のＤＤＰパッド等の磁束ジェネレータに対して横方向に移動すると、電力伝達プロファイルを延長させる。直交コイルは、交差された磁束の「水平」成分からの電力抽出を他のコイル５２および５３が支援する一方で、交差された磁場の「垂直」成分からレシーバパッドが電力を抽出することを可能にする。したがって、図２４の構造は、本明細書で説明されるトラックトポロジーのためのＰＵにおいて用いられ得る磁束レシーバとして好適である。

ここで図２５を参照すると、本明細書においてバイポーラレシーバパッドと参照される、または代替的にＢＰＲＰと参照される、他の磁束レシーバ構造が示される。ＢＰＲＰパッドは上記の図２３および図２４を参照して説明されたＤＤＰと同様の構造を有する。１つの実施形態において、ＢＰＲＰパッドは、底部から上方に向かって、アルミニウムプレート５７と、誘電性スペーサ５６と、４列のフェライトバー５５（本明細書ではフェライトと称される）、２つの平坦で実質的に同一平面上にあり、しかも重複し理想的には「長方形」の形状（実際上は、リッツワイヤを巻くことの容易性のために、より長円形である）であり、横方向に散開されたコイル５２、５３を備えるコア５４と、誘電性カバー５８とから成る。コア５４は、理想的には全磁束がパッドの頂部を通りコア５４を通って流れるよう、遮蔽として機能する。プレート５７は単に、ａ）特定の環境においてコア４の上方に存在し得る小さい漂遊またはスプリアス磁界を排除すること、およびｂ）付加的な構造的強度を提供すること、を行うよう機能する。

ＢＰＲＰの磁気構造は、１次においてコイル５２、５３のいずれかの間で相互結合が実質的に存在しないよう設計されたものである。このことは、コイルが任意の大きさまたは位相において電圧をそれぞれに結合することなしに独立的に同調されることを可能にする。なお、もし電圧がそれぞれに結合される場合は、係るコイルの電力出力に対抗することとなるであろう。各コイルは、他のコイルの磁束の捕捉および電力の伝達に影響を与えることなく、独立的に同調および調整されることができる。したがって、ＢＰＲＰは、本明細書で説明されるトラックトポロジーのためのＰＵにおいて用いられ得る磁束レシーバとして好適である。

図２の構造のための各トラック位相ループの順方向および戻りコンダクタ間の幅はＴ_Ｘと称され、２つのトラックループ間の重複量はＴ_Ｏである。Ｔ_Ｏが０から１の範囲で変化するよう、Ｔ_Ｏをトラックループ幅の割合で表現することが好都合である。これらの変数の定義は、トラック１の断面を示す図３において図面を用いて示される。この例において用いられるこれらの寸法のそれぞれに対する値は表１に示される。各位相に対するＴ_Ｘ値は等しいと仮定される。

標準的な接線磁束平坦ピックアップへの電力伝達のための理想的な多位相トラックレイアウトは、図３に示すようにケーブルがトラックの幅にわたって等しく離間されＴ_Ｏ＝０．５の値が与えられる場合に生じる。このことは、高い電力伝達およびトラック幅にわたる変化の最小化を提供する。しかし、ケーブルが等しく離間されると相互インダクタンスが２つのループ間に存在する。

位相間の相互インダクタンスは、１つのトラック位相内で流れる電流が他の位相内で電圧を誘導することを可能にする効果を有する。このことは、付加的な損失、期待されるよりもより大きいブリッジ電流を生じさせ、可能ならば１つの位相におけるＤＣバスを充電することにより、電源装置の動作に混乱を生じさせ得る。

２つのトラック間の重複量を最適な０．５の代わりにＴ_Ｏ＝０．２９に変化させることにより、相互インダクタンスを排除するトラックレイアウトを生成することが可能である。しかし、直交ピックアップが用いられない場合、このことにより、トラックにより生成された磁場の実質的な劣化が生じ、それにより、平坦ピックアップへの電力伝達はより劣ったものとなる。

表１に示される特性を有する単一の２位相ＩＰＴトラックシステムは測定の目的のために作成された。標準的な平坦形および平坦Ｅ形の２つの直交ピックアップも製作された。これらは、それぞれ表２および表３に示される物理的寸法を有する。

ピックアップにより生成された開回路電圧の最適化はまったく企てられなかったため、このセクションはトラックからこれらのピックアップのそれぞれへの補償されていない電力伝達のみを提示する。このことは、コイル出力が均衡される場合はより滑らかな出力が可能であるが、ピックアップ設定のそれぞれの性能の良好な表示を与える。

２位相トラックから平坦Ｅ直交ピックアップへの電力伝達の測定された結果が図５に示される。垂直磁束コイルへの電力伝達がトラック中央において谷部が存在する点に注意すべきである。これは、トラック中央においてピークを有する水平磁束コイルへの電力伝達により補償される。同様の結果が、平坦直交コイルに対して取得され、図６において示される。

本発明の他の実施形態に係るトラックトポロジーが図７に示される。図７を参照すると、このトポロジーは、Ｘ方向に延長する第１寸法と、第１寸法に対して実質的に交差して提供された複数のコンダクタ長さ１０とを有するトラックを提供するために、平面において配列されたコンダクタ９を備える。コンダクタ９は、この配列がバイポーラトラックを提供するよう、電源装置１２に戻る。特に、電源装置に向かうリターン経路上のコンダクタ９のコンダクタ長さ１１もまた第１寸法に対して実質的に交差して配置される。したがって、長さ１０および１１がペアとしてグループ化される。電流は、各ペアの長さを通って同一方向に流れ、それにより、一連の交替する磁極エリアが提供される。なお、磁極エリアはペア化されたコンダクタ長さ１０および１１により形成され、第１方向に対して交差して配列される。

図７におけるトラックは、より大きいトラック配列を形成するために、他のパッド、セグメント、セクション、またはモジュールに隣接して提供されることができる（本明細書で開示される他のコンダクタ配列等の）パッド、セグメント、トラックセグメント、またはトラックモジュールを形成し得る。第１寸法に延長する、または交差方向に延長する隣接するパッド、セグメント、セクション、またはモジュールが提供されることができ、各パッドまたはセグメントのアスペクト比は変わり得る。例えば、パッドまたはセグメントは交差方向におけるよりも第１寸法においてより短くてもよい。

図７のトラックトポロジーは、図８に示す本発明の他の実施形態に係る２位相トラックトポロジーを提供するために用いられ得る。図８を参照すると、このトポロジーは、２つの重複するコンダクタ１４および１５の１次コンダクタ配列を備える。なお、これらのコンダクタ１４および１５のそれぞれは図７を参照して上述したように配列される。コンダクタ１４および１５は、それぞれ、電源装置１６および１７に戻る。電源装置１６および１７はそれぞれ、相互に対して位相が９０度ずれるよう同期および励起されるであろう。好適には、同調不良またはレシーバ（すなわち、ピックアップ）からのＶＡＲ負荷が確実に管理されるよう、電源装置１６および１７は共通のＤＢバスを共有する。トラックのピッチ、ｐ、は交差コンダクタセクション間の距離であり、これは、位相が相互に分離されるよう、一定であるべきである。その内容が引用されることにより本明細書に援用されるＷＯ２０１１／０１６７３７で説明されるように、レシーバへの結合を強化するためにフェライトがトラック下方で用いられる場合、距離ｐはトラック位相のそれぞれを互いから実質的に相互に分離するために変化されるべきであり、加えられたフェライト物質の量に依存するこの距離ｐは、実験的に、または３Ｄ磁気モデル化パッケージを用いて、判定されることができる。実験により、トラック位相のうちの１つが励起される場合、第２トラックの端子間の電圧は測定されることができる。ｐの値が変化される場合、測定された電圧は変化し、これが最小化される（好適にはゼロ）点がｐに対する最善の選択である。図８に示されるトポロジーは、本明細書において、コンダクタが明示的にリターンするよう構成されるため、バイポーラ２位相トラックと称される。このレイアウトの性質は、トラック上方で移動する車両に固定されたレシーバが、一定の基準方向または第１寸法から定義される９０度離れた順方向および逆方向電流に効果的に曝露されることを意味する。この寸法は、図８においてｎにより示され、ｎは図８の位相コンダクタのうちの１つの１波長も定義する。これらのコンダクタの配列は実質的に平面において配列され、これらのコンダクタは、各位相コンダクタのセクションが、第１寸法に対して実質的に交差して平面にわたって延長する長さとして提供され、これらの長さが相互に対して実質的に平行であり且つ相互から離間するよう、配列される。

駆動されることができるトラックの全長は、選択された周波数、各コンダクタの本来のインダクタンス、および選択されたトラック位相電流強度により事実上制限される。一方、トラックの長さは、トラックループの端部において電源装置を有する他の２つのトラックを追加することにより、レシーバに影響を与えることなく、延長されることが可能である。この第２トラックループの位相のそれぞれは、好適には第１トラックと位相において同期される。電源装置２０および２１により電力が供給される位相コンダクタ１８および１９を有するさらなる２位相トラックが図８のトラック構造に連結された例が図９に示される。上述のように、追加的なトラック構造が、代わってまたは加えて、第１方向よりもむしろ交差方向で連結されることも可能である。
３位相トポロジー

水平許容をさらに改善するための手段として、図１０（ａ）に示されるように、３つのループ化されたコンダクタ３１、３２、および３３を備える３位相トラックトポロジーが提案されている。ピックアップを有する車両が、トラック３０の長さに沿ってｘ軸として図１０（ａ）に示される方向に走行する。電源装置および補償システム３４は、本明細書で上述したように、誘導トラックを駆動するために好適な電流源へと電圧形インバータを変換するために、インダクタ−キャパシタ−インダクタ（ＬＣＬ：ｉｎｄｕｃｔｏｒ−ｃａｐａｃｉｔｏｒ−ｉｎｄｕｃｔｏｒ）インピーダンス変換ネットワークを使用する。絶縁変圧器の漏洩インダクタンスは１次インダクタとして用いられ、トラックは最終インダクタを形成する。そのために、有効電力のみが変圧器を通過する。大きい無効電流はトラックおよびキャパシタのみにおいて循環する。デルタ−デルタ結線で接続された３つの個々の絶縁変圧器が各位相に対して用いられ、その一方で変圧器の出力端子は各トラックループの開始点（ｓｔａｒｔ）および復帰点（ｒｅｔｕｒｎ）に直接的に接続され、それにより、トラックは６本ワイヤとなる。このトラックトポロジーは、ＰＵが順方向電流および戻り電流に曝露されるため、本明細書においてバイポーラと称される。コンダクタ３１、３２、および３３の重複的性質により、各隣接するコンダクタにおいて６０度だけ異なる電流が生じ、かご形誘導電動機における巻線と同様に、このことにより、トラックの幅にわたって移動磁場が形成される。このトラックレイアウトにより、磁極ピッチはコンダクタ間の距離のおよそ３倍であり、この移動する磁場により、簡単な単一コイルＰＵを用いて、広く且つ均等な電力プロファイルが生成される。図１０（ａ）における陰翳エリアは、トラックにより提供される完全充電領域の範囲を示す。陰翳部分３５は、電力伝達がトラックの縁部の前で顕著に低下するため、外側コンダクタを含まない。

重複するコンダクタを有することの結果は位相間の相互インダクタンスの存在であり、その結果、ＰＵへの電力結合と同様に、１つの位相コンダクタからのエネルギーが隣接するコンダクタに結合される。これにより、インバータにおける異なる脚部は不均等な負荷共有により大電流を供給し、ＤＣバス電圧も、エネルギーがインバータに供給されるため上昇する。相互インダクタンス問題を解決するために２つのアプローチが示された。第１に、コンダクタループ間で重複するエリアが、相互インダクタンスを減少させるために変化させられた。しかし、このことにより、トラックの幅を交差する電力プロファイルの平滑性に影響を与える不均等なコンダクタ間隔が生じる。第２に、磁束相殺アプローチが用いられることができる。なお、磁束相殺アプローチにおいては、幾何学的形状により長さに沿ったコンダクタ間の結合を用いて、位相がずれた位相間の結合を形成するために、トラックの開始点において変圧器結合が導入される。このことは、開始点においてコンダクタをトロイドコアを通して適切にループすることにより実装される。位相間の相互インダクタンスの効果を最小化するために用いられる両方の技術により、品質が劣化するか、または、さらなる磁気部品が要求されるため費用が大きくなる。

本明細書において導入され、以下で説明される新規の３位相トラックトポロジーは、従来のトポロジーの欠点を有さず、さらに、費用対効果が極めて高い状態でＲＰＥＶシステムの実装を可能にするという利点を有する。図１０（ｂ）における３位相トラック４０は、電源装置および補償システム４４により励起され且つｗｙｅポイント４５に終端される３つの重複するコンダクタ４１、４２、および４３を備える。３つのコンダクタが存在するが、このレイアウトの性質は、ＰＵが一定の基準から６０度ずれた順方向および逆方向電流に効果的に曝露され、各コンダクタから磁束が加えられることによりトラックの長さに沿った移動磁場が生じることを意味する。明示的なリターンコンダクタが存在しない場合、トラック４０はユニポーラ３位相である。電源装置は同一のＬＣＬインピーダンス変換ネットワークを用いが、変圧器の出力はｗｙｅ構成でトラックに接続される。トラックの幾何学的形状により、均衡された相互結合が位相間に存在し、これはインピーダンス変換ネットワークのＬＣ部分において容易に無効化され、したがって、インバータにより容易に駆動される。他の主要な利点は、ＰＵの水平許容が、バイポーラトラックとは異なり、トラックおよびピックアップ同調キャパシタの共振定格電流から大きく分離されることである。

一定寸法のＰＵへの電力伝達はトラックを形成するコンダクタ間のピッチすなわち間隔に依存する。すなわち、水平許容を大きくするためにバイポーラトラックのピッチが増加されると、等しい電力伝達を確保するためには、トラック電流は同一の磁束密度（Ｂ）を保持するために増加しなければならない。より高い電流により電力伝達は改善されるが、しかしトラックにおける銅損失（Ｉ^２Ｒ）もより大きくなり、その結果、効率が低下する。一方、提案されたユニポーラトラックにおいては、図１０（ｂ）の陰翳部分により示されるように、幅が水平許容を決定する。追加された長さは銅損失を直線的に増加させるのみであるため、トラックをより広くすることにより許容を大きくすることが好適である。また、縁部により追加された長さが一定である場合トラックはより効果的である。所与の長さのユニポーラトラックに要求されるトラックの長さは、バイポーラトラックのそれよりも大きいように見受けられる。しかし、完全電力伝達のエリアが比較される場合はその限りではない。図１０（ｂ）における陰翳エリア４６は、トラックにより提供される完全充電領域の範囲を示す。ユニポーラトラック４０の縁部は、シミュレーションモデルを簡略化するために円形とされているが、実際は、ワイヤ幅を小さくするために、直線縁部が用いられることができる。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）による３位相トラックトポロジーが、ここで、図１３（ｂ）における直線ｒにより示される第１寸法に沿ったトラックのピッチ、ｐ（すなわち、コンダクタ間の距離）を示すためのラベルを有する図１３（ａ）および図１３（ｂ）において示される。ユニポーラトラック４０において、これらのコンダクタは実質的に平面において配列され、これらのコンダクタは、各位相コンダクタの長さが、平面にわたって第１寸法ｒに対して実質的に交差して延長するよう、配列される。これらの長さは実質的に相互に対して平行であり且つ相互から離間する。

各コンダクタからの時間的に変動する磁束の構造的追加により、トラックの長さ、Ｔ_ｘに沿った移動する磁極ペアが形成される。これらのうちの２つが図１４に示される。なお、図１４は切断線ｒを通る断面における磁束密度ベクトルを示す。磁極の幅はトラックピッチからトラックピッチの２倍の範囲で変動し、一方、磁極中心から中心への距離はピッチの３倍に保たれる。ユニポーラトラック４０は、バイポーラ設計３０と比較して２つの重要な利点、すなわち均衡された位相間結合および改善された水平許容を有する。トラックの幾何学的形状により、位相間の等しい相互結合が存在し、これはインピーダンス変換ネットワークのＬＣ部分において容易に無効化されることができる。望ましい均衡された結合の例は、エネルギーが、トラックに沿った所与の位置において位相ＡからＢに結合される場合である。なぜなら、ＡおよびＢの方向は、固定された基準に対してトラックの長さに沿って変化し、このことにより、エネルギーが位相ＢからＡに結合され、有効エネルギー伝達が存在しないからである。このトラックに用いられる電源装置は、Ｍ．Ｌ．Ｇ．Ｋｉｓｓｉｎ、Ｊ．Ｔ．Ｂｏｙｓ、およびＧ．Ａ．Ｃｏｖｉｃ， ”Ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ Ｍｕｔｕａｌ Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｉｎ Ｐｏｌｙｐｈａｓｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，” Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ， ｖｏｌ． ５６， ｎｏ． ７， ｐｐ． ２３９３−２４００， ２００９において説明されるバイポーラトラックの電源装置と同じである。ただし、変圧器の出力はｗｙｅ構成でトラックに接続される。

ユニポーラトラックトポロジーの概念をテストするために、６５ｍｍのピッチを有する２２１０ｍｍＬ×８９０ｍｍＷセクションが製作された。トラックの幅は、まっすぐな中間セクションの長さとピッチとにより決定された。なお、中間部の長さは５００ｍｍであった。トラックの中央セクションは、端部効果による不均衡な位相間結合を最小化するために、各位相の５周期から構成された。１６８ｍｍＬ×９３ｍｍＷ×１６ｍｍＴの寸法の簡単な１６巻き平坦バーピックアップが、テストおよび３Ｄ最終要素モデルとの比較のために用いられた。ＰＵは、２４００の比透磁率を有するＮ８７物質から作られた６つの標準的な「Ｉ」コアから構成された。ＰＵコイルの幅はＰＵ長さの８０％となるよう調節された。テストトラックは試作が容易となるようリッツケーブルよりもむしろ標準的な電源ケーブルで構築された。そのため、トラックが過剰に発熱しない最大電流は３８．４ＫＺＨにおいて実効値２２．５Ａであった。ＪＭＡＧにおいて作られたモデルから取得されたＶ_ＯＣおよびＩ_ＳＣ測定値は平均でこれらの測定値に５％以内で一致することが見出された。これにより、ＲＰＥＶに好適である大型モデルをシミュレーションにより確実性をもって調査および最適化することが可能となる。

２０〜３０ｋＷの電力入力は、都市部、高速道路、および山間部等の様々な状況における走行中の機動力および充電に十分である。ＥＶにより収集されるエネルギーは、電力供給された道路の長さおよび車両スピードに主に依存する。そのため、電力供給部分は特に平均車両スピードが低い場所で好適である。加えて、道路の急勾配部分に電力供給部分を配置することが望ましい。なぜなら、このことにより車両バッテリーの放電率が制限され、その寿命が延長されるためである。

提案されるユニポーラトポロジーの利点は、図１０（ｂ）および図１３（ｂ）に示すように、付加的なトラックをいずれの側面にも追加することにより、パターンがいずれの端部においても容易に継続されることが可能であることである。電源装置が同期されている場合、この相互配置により道路の長い部分が継続的に電力供給されることが可能となる。係るトラックシステムは、電源装置が１０ｍ単位の一定長さのトラックに電力供給する状態で、完全にモジュール化されることができる。これによりシステムに冗長性が形成され、１つのセクションが損傷した、または電源装置に不具合が生じた場合にも、電力供給された道路は全能力に近い状態で依然として機能するであろう。このアプローチにより、設置もより簡単となる。
シミュレーション結果

いくつかの「総当たり方式」シミュレーションが、トラックのピッチ、ＰＵ長さ、トラック電流、およびトラックとＰＵとの間の距離の間の関連性を確立するために実行された。この作業において、最も簡単なＰＵ（平坦フェライトバー）が提案される。例えば、一定の電流に対して、トラックのピンチおよびＰＵのサイズが増加するに応じて電力も増加するが、その一方で、過度に大きいＰＵは結合を制限する大きい自己誘導を有する。２５０Ａの電流を有する２５０ｍｍのトラックピッチがＥＶの要件を満足するであろうと決定された。ＲＰＥＶシステムに対するシミュレーション結果およびモデルがそれぞれ図１２（ａ）および図１２（ｂ）において示され、ＰＵ５４はトラックの長さに沿って掃過される。この作業において、結合を改善するため、およびトラック下方の磁場が地下ケーブルと干渉することを防ぐため、フェライト細片がトラック下方に配置された。プロファイルは、ＰＵがトラックにより近いときにより平滑化され、補償されない電力は２００ｍｍの空隙で５．７５ｋＶＡであり、このことは、システムが、３〜５の実際の作動ＱでＥＶの電力要件を満足することを示す。ＥＶは５００ｍｍの水平許容で全電力を受容し、トラックはより幅を広くされることが可能であり、さらなる許容が必要となるであろう。シミュレートされたトラック上の端部付近にＰＵが接近するに応じて電力が低下することは、複数のトラックセクションが相互配置された端部を有する場合、道路上で生じないであろう。

誘導電力伝達は、道路を介してＥＶに電力供給するための好適な手段である。しかし、完全な実装は、既存のＩＰＴトラックにより提供される劣った水平許容のために、実行不可能であった。新規の３位相ユニポーラトラック４０は、わずかなコスト増および銅損失を用いて、従来公開された製品よりも顕著により良好である水平許容を可能にする。小規模プロトタイプは、このトポロジーが均衡された位相インダクタンスを提供し、走行のための供給が容易となることを示した。プロトタイプの測定結果およびシミュレーション結果が最大で１０％だけ異なることは、トラック電流、ピッチ、幅、およびＰＵ長さならびに幅等の設計変数の組み合わせをシミュレートすることにより、実際の設計を形成することを可能にする。シミュレートされたトラックは３０ｋＷを提供することができる。この３０ｋＷは、ＰＵとトラックとの空隙が２００ｍｍである状態で、ＥＶに対する機動力および充電をＥＶに提供する。水平許容は車道車両レーンの幅に適応させることができる。

図１２（ｂ）から見られるように、トラック４０のこの実施形態は、トラックコンダクタと連結して提供される透磁性物質を含む。透磁性物質の長尺細片５０、５１、５２、および５３は、コンダクタと磁気的に連合されるために、コンダクタ４１、４２、および４３の下方に提供される。細片はフェライトであってもよい。細片の寸法および間隔は、誘導電力伝達のために配列の上方の所望の高さにおいて有用な磁束を提供するために、コンダクタ配列のピッチ、および長さ／幅とともに変化され得る。さらに、コンダクタ４１、４３、および４３は、道路を横切って、または道路に平行に配置され得、異なる幾何学的形状を有するピックアップにより受容されることができる磁場を提供することができる。

ＲＰＥＶシステムを確保することは可能な限り費用効果が大きく効果的であり、磁性部品は最適化されるべきである。以下のパラメータ、すなわち、ＰＵの長さ、幅、厚さ、トラックのピッチおよび幅、トラック下方のフェライト構造の設計、はシステムの出力電力に影響を与える。トラックの幅は調査されず、より大きい水平許容が要求される場合、トラックの幅は広げられることができる。多数のＰＵトポロジーが存在するが、各タイプを考慮することは網羅的であり、不必要である。トラックとＰＵとの間の結合は相互インダクタンスによるものであり、これは両方の磁性部品により生成される磁束により交差される面積に比例する。したがって、小さい面積または体積を有するＰＵトポロジーは、大きい水平許容が必要である高電力大空隙の用途には基本的に好適ではない。ここで簡単な平坦バーＰＵが調査され、トラックが最適化される。係るＰＵは、図１４における磁束ベクトルにより示される磁場が水平である場合にのみ電力を結合するであろう。直交と称される新規のＰＵトポロジーは、Ｅｌｌｉｏｔｔ Ｇ．Ａ．Ｊ．、Ｒａａｂｅ Ｓ．、Ｃｏｖｉｃ Ｇ．Ａ．、およびＢｏｙｓ Ｊ．Ｔ．“Ｍｕｌｔｉ−ｐｈａｓｅ ｐｉｃｋ−ｕｐｓ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｌａｔｅｒａｌ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ”， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ， ５７， ｎｏ ５， ｐｐ １５９０−１５９８，Ｍａｙ ２０１０により提案された。このＰＵトポロジーは、ＷＯ２０１００９０５３９においても参照される。なお、ＷＯ２０１００９０５３９は参照することにより本明細書に援用される。このＰＵは、単に一定量の電力をＥＶに加える垂直磁場成分を利用することができる付加的なコイルを備える。したがって、トラックが簡単なＰＵに対して最適化されている場合、トラックは最適であるとみなされる。本明細書で参照されるＰＵの実施形態のいずれもが本明細書で参照される１次トラックコンダクタ配列のいずれとも組み合わせて用いられ得ることは理解されるであろう。以下で論じるアプローチは、ＰＵ長さがトラックにマッチされることを確保するためのものである。その後、性能を改善するためにフェライトがトラックの下に加えられる。したがって、１つの実施形態において、ピックアップコイル配列は、実質的に同一平面上配列にある２つの実質的に平坦なコイルを備え得る。この配列は、好適には２つの実質的に同一平面上配列にあるコイルと重複する第３コイルも備え得る。他の実施形態において、ピックアップコイル配列は、１次コンダクタ配列の平面に対して実質的に平行である平坦コイルであり得る単一コイルを備えるか、または１次コンダクタ配列の第１寸法、ｒ、に対して実質的に平行に配列された軸の周りに巻かれ得る。

２位相トラックトポロジーに関連して、ＰＵ長さは、ＰＵがただ１つのコンダクタ部分または長さによってしか電力供給されないほど小さくあってはならず、且つ、望ましくない相殺効果が生じるほど長くあってはならない。したがって、２位相トラックに対して、位相コンダクタの１波長（図８のｎにより示される）を越えないＰＵ長さが好適である。

３位相トポロジーのための最適ＰＵ長さについて以下で説明する。トラックピッチとＰＵ長さとをマッチさせるアプローチは２つ、すなわちピッチトラックを固定した状態でＰＵの長さを変化させること、またはＰＵ長さを固定した状態でピッチを変化させること、が存在する。両方の技術がシミュレーションを介して調査された（なお、３８．４ｋＨｚにおいてトラック電流は２２．５Ａ、空隙は６０ｍｍであった）。図１５におけるグラフはピッチが６５ｍｍの状態でトラック上でＰＵを伸ばしたときのＰＵの補償されない電力を示す。ＰＵがピッチの４倍すなわち２６０ｍｍとなるとき、結合が最大となる。この結果は、図１４に示される磁場ベクトルと一貫する。磁極ピッチはトラックのピッチの３倍であり、フェライトの８０％がカバーされた状態で、利用可能な水平磁束のほぼ全部が捕捉され、その結果、最大結合が生じる。ＰＵを増加すること、したがって、コイル長さを増加することは望ましくない。なぜなら、水平磁場の方向が、ＰＵフェライトの中央における磁束と対抗するように変化するためである。この作業においては、フェライト利用効率が、設計を比較するために用いられる測定規準である。フェライト利用率はＰ_ＳＵをフェライト体積で除算することにより決定される。ＰＵの幅が一定である場合、このフェライト利用はＰＵ長さのＶＡ／ｃｍとして比較されることができる。ピッチの２．８倍のＰＵ長さを有する設計が、フェライトの所与の体積したがってＰＵ重量に対して、最良結合を提供することが見出された。

様々な長さのＰＵに対してトラックピッチを増加させることの効果が図１６に示される。なお、図１６においては、ＰＵ長さはトラックピッチに対して正規化されている。結合された電力におけるピークは、ＰＵ長さがトラックピッチの２．２〜２．４倍のときに生じる。明らかに、より大きいＰＵおよびより大きいピッチがより大きい電力伝達を可能にする一方で、この結果は図１５における以前のシミュレーション結果と矛盾するように見受けられる。１２０ｍｍピッチトラック上の２６０ｍｍ長さのＰＵの電力出力は、６５ｍｍピッチトラック上の同一ＰＵの電力出力のほぼ２倍である。結合における差異は、磁束の相殺とトラック上の基本的な磁束経路高さとによるものである。６５ｍｍのピッチを有するトラックは最適長さのＰＵに対してほぼ２つの磁極を有する。したがって、このＰＵは、１２０ｍｍピッチを有するトラック上で経験するであろうよりも、より多くの磁束相殺を経験するであろう。ＰＵ結合は、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示されるように、磁極がＰＵ端部から等距離に配置されるとき最大となり、磁極がＰＵ下方で中央にあるとき最少となる。ＰＵ長さと比較して比較的小さいピッチを有するトラックの場合（例えば図１７（ａ））磁極はより近づき、その結果、所与のＰＵ長さに対してより多くの磁束相殺が生じる。図１７（ｂ）に示すようにピッチを増加させることは磁極ピッチを増加させ、その結果、次の磁極への距離がより大きくなるため相殺がより少なくなる。トラック上方における基本的磁束高さがＰＵに結合される磁束の量を決定し、この高さはトラックのピッチにより決定される。低いピッチを有することは、トラック上方における磁束経路の高さが制限されることを意味する。なお、この高さは図１７（ａ）におけるｈにより近似される。この高さは便宜のためにトラック下方で示されるが、実際には、フェライトが存在しないトラック上方における磁束も対称的であることに注意すべきである。図１７（ｂ）に示すように、ピッチを２倍すると磁束経路高さも２倍となる。このことは、所与のトラック電流およびＰＵフェライトの体積に対して、著しく改善された電力出力を可能にする。したがって、１つの実施形態において、１次コンダクタ配列の隣接する位相コンダクタ間の距離は、１次コンダクタ配列から電力を受容するためのピックアップコイル配列の長さに依存して選択される。１つの実施形態において、隣接する位相コンダクタ間の距離は、第１寸法におけるピックアップコイル配列の寸法の実質的に０．２から０．５倍である。他の実施形態において、隣接する位相コンダクタ間の距離は、第１寸法におけるピックアップコイル配列の寸法の実質的に０．２５から０．５倍である。

同一条件下でＰＵの幅を１０ｍｍから３００ｍｍに変化させたシミュレーションの結果が図１８に示される。ＰＵを広げたときのＰ_ＳＵにおける増加は適度に線形であるが、体積効率は減少する。このことは、部分的には端部効果およびトラックの幅が有限であることによるものである。ＰＵの直接下方にはないワイヤの部分からの磁束はフェライトに引き付けられてコイルを通過するであろう。ＰＵが広げられてトラック幅に近づくと、その寄与は減少する。端部効果により、フェライト体積曲線の単位当たりのＶＡは最初は大きい負の傾斜となる。ＰＵの前部および後部の外側端部は一定量の磁束を引き付け、そのことがＰ_ＳＵの全体に寄与する。極めて狭いＰＵはこの付加的な磁束成分とＰＵの幅による成分とを有し、その結果として単位体積あたりより高い電力が生じる。

実際のＲＰＥＶシステムは、１５０〜２００ｍｍの空隙で２０ｋＷを提供する必要がある。すべての後続のシミュレーションが、公正な比較のために１７５ｍｍの空隙で行われた。産業用ＩＰＴシステムが〜４０ｋＨｚで１００〜３００Ａの範囲の電流を使用するため、トラック電流は２５０Ａに増加された。一連のシミュレーションが、補償されない電力に対するトラックピッチの効果を判定するために実行された。３００ｍｍ幅のＰＵの長さはトラックピッチの４倍となるよう常に調節された。固体フェライトシートが、電力伝達を増加するためにトラックの下に加えられた。体積的比較とともにシミュレーションの結果が図１９に示される。フェライトを有するトラックおよびフェライトを有さないトラックに対して結合された電力の増加は１５０ｍｍを越えるピッチでほぼ線形である。これらの結果に基づいて、２５０ｍｍのトラックピッチおよび１３５０ｍｍの幅が後続のシミュレーションのために選択された。２５０ｍｍピッチにおける２〜３のＱのＰ_ＳＵは１１ｋＶＡであり電力出力は２０〜３０ｋＷである。これは、ＲＰＥＶに対して十分であるべきである。

フェライトの固体シートをトラックの下に配置することのコスト効率は著しく、１次インダクタンスを著しく増加させる。連続的フェライト細片をトラックの長さに沿って配置することの効果を判定するためのシミュレーションが実行された。使用された物質は２４００の比透磁率を有するＮ８７であった。体積的比較とともにシミュレーションの結果が図２０に示される。２つの系の曲線が存在する。１つの系はＰ_ＳＵに対するものであり、他方の系はトラックフェライト体積に基づく体積的比較に対するものである。ｙ軸との交差は、フェライトを有さないトラックに対するものであり、マーカを有する各曲線は５個または１０個のフェライト細片を有するトラックに対するものであり、数のリストはデータ点に対応する。細片は、およそ１６ｍｍの厚さである。

埋め込まれた細片を有するトラックを構築することの実用性は困難であり、したがって、トラックの下の固定平板の比透磁率が単一性から３０００の範囲で変化されるシミュレーションが実行された。条件は以前のシミュレーションと同一である。結果は図２１に示され、期待されるように、Ｐ_ＳＵは、透磁率が２４００のとき１１ｋＶＡである。この曲線は、トラックフェライト設計と図２０に示す結果とをマッチさせるために用いられることができる。例えば、１０個の均等に離間された２０ｍｍ幅の細片を用いてまたは比透磁率が４００である物質の固体シートを用いて、同一性能が達成される。そのように、トラック構築を簡略化するためにフェライト粉末を用いることも可能であり得る。

トラックとＰＵとの間に１７５ｍｍの空隙を有する実際的なＲＰＥＶシステムは、以前のシミュレーション結果に基づいて設計された。トラック幅全体は１５５０ｍｍである。これは、８００ｍｍの中間セクション幅および２５０ｍｍのピッチに相当する。１６ｍｍの深さであり、トラックコンダクタの下方５ｍｍに提供され、比透磁率が２０００である、８個の２０ｍｍ幅のフェライト細片が、トラックの直線部分の下に等距離に配置された。０．２５のピックアップコイル長さに対応する電力プロファイルが図２２に示される。各線は、中心からの様々な偏位における位相の１期間に沿ったＰ_ＳＵを表す。５のＱを想定して、ＥＶへの電力は８００ｍｍ幅のゾーン上方で一定して３０ｋＷとなるであろう。ＰＵがトラック端部に近づくときの電力プロファイルにおける波形は湾曲した端部部分によるものである。なぜなら、ＰＵが２つの重複する曲線上にあるとき、１つの上にあるときによりも、わずかに大きい結合が存在するためである。

本発明は、新規である２位相および３位相トラックトポロジーを提供する。これらのトラックは位相間で均衡された相互インダクタンスを有し得る。その結果、他の設計よりも走行がより容易となる。他の利点は、水平許容の増加が銅損失およびコストを線形でのみ増加することである。

本発明に係る２位相（または３位相以上の）トラックのためのコンダクタ４３は、道路を横切って、または道路に平行に配置され得、異なる幾何学的形状を有するピックアップにより受容されることができる磁場を提供することができることが見られるであろう。したがって、この１次コンダクタ配列は、例えば道路等の地面または床表面内もしくは上に好都合に配置されることが可能であるパッドまたはモジュールの形で提供され得る。１つの実施形態において、この配列は、ＩＰＴのためのモジュール式１次誘導性経路システムの一部であり得る。本発明の実施形態が、トラックに束縛される車両のための経路を備え得る道路に適用されることも理解されるであろう。

さらに、道路と組み合わせて用いる例が提供されたが、本発明は、例えば無人搬送車（ＡＧＶ）等の他の用途にも適用可能である。また、本明細書に説明される１次コンダクタ配列は、図１２（ｂ）を参照して説明されたフェライト細片等の透磁性物質と組み合わせても用いられ得る。

文脈により別様に要求されない限り、「〜を含む」、「〜を含んでいる」、その他等の用語は、排他的または網羅的意味においてではなく、包含的意味において、すなわち、「〜を含むが、〜に限定されない」の意味において、解釈されるべきである

以上および、もし存在するなら以下に引用されるすべての出願、特許、および刊行物の全開示は、参照することにより本明細書に援用される。

本明細書における任意の先行技術への参照は、先行技術が世界の任意の国家における当該技術分野の共通した一般的知識の一部分を形成することを、承認または任意の形態で提案するものではなく、またはそのことを承認または任意の形態で提案するものであると解釈されてはならない。

本発明は、広範に、個別的にまたは集合的に、本願の明細書で参照または示された部分、要素、または特徴のうちの２つ以上の任意のまたは全部の組み合わせにおける、前記の部分、要素、および特徴にあると言われ得る。

前述の説明において、整数またはその既知の等量を有する成分が参照されたが、これらの整数は、個別に説明されたかのように、本明細書に組み込まれる。

本明細書で説明された現時点での好適な実施形態に対する様々な変更例および修正例が当業者には明らかであろう。変更例および修正例は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その付随する利点を失うことなく、可能である。したがって、係る変更例および修正例が本発明の範囲に含まれることが意図される。

Claims (26)

1. 第１位相コンダクタおよび第２位相コンダクタを備える多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置であって、前記位相コンダクタは、相互に重複するように平面内において配列され、且つ前記位相コンダクタ間で最小の相互結合が存在するよう配列される、多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
2. 前記位相コンダクタの励起により一方の位相コンダクタから他方の位相コンダクタへ最小の有効エネルギー伝達しか生じない、請求項１に記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
3. 前記平面は長手方向に延びる第１寸法を備える矩形であり、各位相コンダクタは前記長手方向に対して交差して前記平面を横切って延びる交差方向部分を有し、各位相コンダクタは前記交差方向部分を相互に対して平行に配列させ且つ相互から一定の距離だけ離間させている、請求項１または２に記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
4. 前記位相コンダクタの前記交差方向部分間の距離は、前記１次トラックコンダクタ装置から電力を受容するためのピックアップコイル装置の寸法に依存して選択される、請求項３に記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
5. 前記位相コンダクタの前記交差方向部分間の距離は、前記長手方向における前記ピックアップコイル装置の寸法の０．２から０．５倍である、請求項４に記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
6. 前記位相コンダクタの前記交差方向部分間の距離は、前記長手方向における前記ピックアップコイル装置の寸法の０．２５から０．５倍である、請求項４に記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
7. 前記ピックアップコイル装置は同一平面上配列にある２つの平坦なコイルを備える、請求項４から請求項６のいずれか１つに記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
8. 前記ピックアップコイル装置は、２つの同一平面上にあるコイルと重複する第３コイルを備える、請求項７に記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
9. 前記ピックアップコイル装置は単一コイルを備える、請求項４から請求項６のいずれか１つに記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
10. 前記１次トラックコンダクタ装置は透磁性部材と連合される、請求項１から請求項９のいずれか１つに記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
11. 前記位相コンダクタは前記透磁性部材の１つの側面上のみに提供される、請求項１０に記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
12. 前記透磁性部材は複数のフェライト細片を含む、請求項１１に記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
13. 前記フェライト細片は細長く且つ相互から離間される、請求項１２に記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
14. 前記１次トラックコンダクタ装置はパッドを含む、請求項１から請求項１３のいずれか１つに記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
15. 前記１次トラックコンダクタ装置はトラックセグメントを含む、請求項１から請求項１４のいずれか１つに記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
16. 前記１次トラックコンダクタ装置はモジュールとして提供される、請求項１から請求項１５のいずれか１つに記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
17. 使用時の電力受容装置は、前記長手方向に対して平行な方向に前記トラックの上方で移動する、請求項３に記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
18. 使用時の電力受容装置は、前記長手方向に対して交差する方向に前記トラックの上方で移動する、請求項３に記載の多位相ＩＰＴ１次トラックコンダクタ装置。
19. 第１位相コンダクタおよび第２位相コンダクタを備える多位相ＩＰＴ１次コンダクタ装置であって、前記位相コンダクタは、相互に重複するように平面内において配列され、且つ、前記位相コンダクタの励起により一方の位相コンダクタから他方の位相コンダクタへ最小の有効エネルギー伝達しか生じないよう配列される、多位相ＩＰＴ１次コンダクタ装置。
20. 前記１次コンダクタ装置はＩＰＴトラックを含む、請求項１９に記載の多位相ＩＰＴ１次コンダクタ装置。
21. 多相ＩＰＴ１次コンダクタ装置と前記１次コンダクタ装置から電力を誘導的に受容するためのピックアップコイル装置を有するピックアップとを備えるＩＰＴシステムであって、前記１次コンダクタ装置は第１位相コンダクタおよび第２位相コンダクタを備え、各位相コンダクタは、長手方向に延びる第１寸法を有する矩形の平面内において配列され、各位相コンダクタは前記長手方向に対して交差して前記平面を横切って延びる交差方向部分を有し、各位相コンダクタは前記交差方向部分を相互に対して平行に配列させ且つ相互から一定の距離だけ離間させ、前記交差方向部分間の距離は、前記１次コンダクタ装置から電力を受容するためのピックアップコイル装置の寸法に依存して選択される、ＩＰＴシステム。
22. 前記位相コンダクタの前記交差方向部分間の距離は、前記長手方向における前記ピックアップコイル装置の寸法の０．２から０．５倍である、請求項２１に記載のＩＰＴシステム。
23. 前記位相コンダクタの前記交差方向部分間の距離は、前記長手方向における前記ピックアップコイル装置の寸法の０．２５から０．５倍である、請求項２１に記載のＩＰＴシステム。
24. 前記ピックアップコイル装置は同一平面上配列にある２つの平坦なコイルを備える、請求項２１から請求項２３のいずれか１つに記載のＩＰＴシステム。
25. 前記ピックアップコイル装置は、２つの同一平面上にあるコイルと重複する第３コイルを備える、請求項２４に記載のＩＰＴシステム。
26. 前記ピックアップコイル装置は単一コイルを備える、請求項２１から請求項２３のいずれか１つに記載のＩＰＴシステム。

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