JP6189373B2 - ワイヤレス電力磁気共振器における高効率および高電力伝送 - Google Patents

Description

関連出願

本出願は、２００７年９月１７日に出願され、開示の全体の内容が参照によりここに組み込まれている、仮出願番号第６０／９７３，１６６号からの優先権を主張する。

電磁界を誘導するワイヤを使用することなく、送り側から受け側に電気エネルギーを伝送することが望まれる。以前の試みの問題は、不十分な量の送信電力に加えて、低効率であることである。

限定されないが、“ワイヤレス装置および方法”と題する、２００８年１月２２日に出願され、その開示の全体の内容が参照によりここに組み込まれている米国特許番号第１２／０１８，０６９号を含む、我々の以前の出願および仮出願は、電力のワイヤレス伝送を記述している。

システムは、送信アンテナおよび受信アンテナを使用でき、送信アンテナおよび受信アンテナは、例えば、５−１０％の共振内、１５％の共振内、または２０％の共振内で実質的に共振する共振アンテナであることが好ましい。アンテナは、アンテナに対する利用可能な空間が限定されている移動体、ハンドヘルドデバイスに適合することを可能にするために、小さいサイズであることが好ましい。効率的な電力伝送は、伝わる電磁波の形態でエネルギーを自由空間に送る代わりに、送信アンテナの近接場においてエネルギーを蓄積することによって、２つのアンテナ間で実行されてもよい。高いクオリティファクタを有するアンテナを使用できる。２つの高Ｑアンテナが疎結合変圧器に対して同様な反応をするように、それらは置かれ、１つのアンテナは他方のアンテナに電力を誘導する。アンテナは、１０００より大きいＱを有することが好ましい。

本出願は、高効率および／または高電力により、電磁界結合を通して、電力の送り側から電力の受け側にエネルギーを伝送することを記述する。実施形態は、動作および実際の効率を記述する。

これらおよび他の観点を、添付図面を参照して、これから詳細に記述する。

図１は、磁気波ベースのワイヤレス電力送信システムのブロック図を示す。 図２は、増幅器結合ループおよびアンテナを含む送信機ブロック図を図示する。 図３は、結合ループ、受信機、およびチューニング要素における傾向を含む受信機ブロック図を示す。 図４は、距離に対する受信電力を図示する。 図５は、距離に対する最大伝送可能電力を図示する。 図６は、距離に対する伝送効率を図示する。 図７は、アンテナの直径に正規化された効率を図示する。 図８は、アンテナ測定のセットアップを図示する。

基本的な実施形態が図１中で示されている。送信機１００が、源から、例えば、ＡＣプラグ１０２から電力を受け取る。周波数発生器１０４が、ここでは共振アンテナであるアンテナ１１０にエネルギーを結合するために使用される。アンテナ１１０は誘導ループ１１１を含み、誘導ループ１１１は、高Ｑ共振アンテナ部１１２に誘導的に結合されている。共振アンテナは、Ｎ個のコイルループ１１３を含み、各ループは、半径Ｒ_Aを有する。ここでは、可変コンデンサとして示されるコンデンサ１１４が、コイル１１３に直列に接続され、共振ループを形成する。実施形態において、コンデンサは、コイルとは完全に別の構造であるが、いくつかの実施形態において、コイルを形成するワイヤの自己キャパシタンスは、コンデンサ１１４を形成できる。

周波数発生器１０４は、アンテナ１１０に対して調整でき、さらに、ＦＣＣコンプライアンスに対して選択できることが好ましい。

本実施形態は、多指向性アンテナを使用する。１１５は、出力としてエネルギーを全方向に示している。アンテナの出力の多くは、電磁放射エネルギーではなく、むしろ、より静止している磁界という意味では、アンテナ１００は非放射である。もちろん、アンテナからの出力の部分は、実際には放射されるだろう。

別の実施形態は、放射性アンテナを使用してもよい。

受信機１５０は、送信アンテナ１１０から距離Ｄだけ離れて置かれた高Ｑ共振コイルアンテナ１５１を含む。高Ｑ共振コイルアンテナ１５１は、誘導結合ループ１５２に結合され、コイル部とコンデンサとを有する。誘導結合ループ１５２の出力は、整流器１６０において整流され、負荷に適用される。その負荷は、任意のタイプの負荷とすることができ、例えば、電球のような抵抗型負荷、あるいは、電気器具、コンピュータ、充電可能バッテリ、音楽プレイヤー、または自動車のような電子デバイス負荷である。

実施形態として、ここでは、磁界結合を主に記述するが、エネルギーは、電界結合または磁界結合のいずれかを通して伝送できる。

電界結合は、開コンデンサまたは誘電体ディスクである誘導性負荷電気ダイポールを提供する。外部からのオブジェクトが、電界結合に比較的強い影響を与えるかもしれない。磁界における、外部からのオブジェクトは、“空の”空間と同じ磁気特性を有することから、磁界結合が好まれるかもしれない。

実施形態は、容量性負荷磁気ダイポールを使用する磁界結合を記述する。そのようなダイポールは、アンテナを共振状態に電気的にロードするコンデンサに直列に接続されている、コイルの少なくとも１つのループまたは巻きを形成するワイヤループから形成される。

我々の以前の出願は、共振器として使用されている単一の巻きループの利点を記述している。本出願は、２つの異なる単一の巻きループをどのように使用して、ワイヤレス電力送信システムにおいて著しく増加したレンジを生ずることができるかを記述する。

実施形態において、図８中で示されるテストのセットアップを使用して、テストが実行された。送信機１１２は、４５ｃｍの直径で、６ｍｍのワイヤループである。受信機は、４０ｃｍ×３０ｍｍの銅ループから形成される。通常、受信機アンテナは、パッケージングのために、より小さなものであるはずであることが注目される。ここでさらに説明するように、テスト結果は完全に逆であり、その結果、受信電力における何らかの差異を未然に防ぐ。

アンテナ３５０は、アンテナ１１２よりも約２０ｋＨｚ低い共振周波数を有する。チューニングループ１０３が、チューニングループのアンテナ３５０をシフトするために使用されて、送信する受信機アンテナ１１２の共振に整合される。信号は、誘導結合ループ１５２と負荷１６０とに結合される。

図２は、増幅器結合ループおよびアンテナを含む送信機ブロック図を図示する。動作において、ＲＦ発生器２００が使用されて、１３．５６ＭＨｚの持続波信号が生成される。増幅器２０５が、５０ｄＢの増幅を提供して、２０６において２５Ｗの最大電力出力を生じさせる。テストの目的のために、アナログの電力メーター２１０が使用される。電力は、結合ループ１１１に提供され、結合ループ１１１は、アンテナ１１２に隣接し、ワイヤレスに結合され、アンテナ１１２は、ループ１１３と、ループを１３．５６ＭＨｚで共振に至らせるコンデンサ１１４とから形成されている。

図３は、誘導ループ３５０およびコンデンサ３５２から形成される高Ｑ共振コイルアンテナ１５１と、チューニングループ１０３と、電力を受け取る誘導結合ループ１５２とを含む受信機を示す。デジタル電力メーター３３０が、２０ｄＢ減衰器３２５による減衰後に受け取られる電力量をテストする。

チューニングループと組み合わされている高Ｑ共振コイルアンテナ１５１は、低いが調整可能な結合係数を有する１：１変圧器のように動作する。結合係数は、主ループとチューニングループとの間の距離である。チューニングループは、短絡を生ずる二次的なものと考えてもよい。短絡は、結合係数次第でごくわずかだけ共振器の全インダクタンスを低減させ、それゆえに、クオリティファクタを実質的に減少させることなく、その共振周波数を増加させる。高Ｑ共振コイルアンテナ１５１およびチューニングループ１０３は、キャリッジ３３３に接続されていてもよく、キャリッジは、互いに関して２つのループを移動させることができる。キャパシタンスに対して低いインダクタンスの比率を有する共振器が使用される場合、それは非常に効果的なものとなり得る。

図４は、特定の距離に対する受信電力を図示する。このテストによると、距離は１．６ｍから４ｍまで変化した。より近い距離は、システムの離調を引き起こす可能性があることから、１．６ｍよりも近い距離は測定されていない。したがって、これらの値は補間され、離調の影響が回避される。近接場から遠距離場への移行は、１３．５６ＭＨｚにおいて、約３ １／２ｍで起こる。この距離は、同軸から共面に、選択方位を変化させ、その結果、受信できる電力量に著しく影響を及ぼす。図４は、３．５ｍにおいて、この方位の変化のために、受信電力が０Ｗに近づくことを示す。

１．７ｍよりも大きい距離において、計算された距離は、コンピュータで計算された距離と密接に関連している。

図５は、最大伝送可能電力を図示する。これらのアンテナは、高度に線形であり、送信電力が２倍にされる場合、受信電力もまた２倍にされることを意味する。十分な冷却があるという条件で、送信ループは、コンデンサの電圧および電流の定格のみによって制限される。３０ｍｍの銅ループは、９ｋＶのピークおよび１００ａｍｐの送電の制限を有する、２００ｐＦのコンデンサを使用する。それは、約３００Ｗの送信電力を提供する。

システムが線形であることから、図５は、３００Ｗの送信電力に対するデータ点のスケールを示す。これは、現存するシステムが１．６ｍの距離で６７Ｗを伝送できることを示す。ＩＣＮＩＲＰによって推奨される最大放射露光量制限は、これらのレベルによって超えられるであろう。しかしながら、伝送効率が図６中で示され、伝送効率が、２ １／２ｍよりも小さいすべての距離に対して−１５ｄＢであることを図示している。図７は、アンテナの直径に対してこの距離を正規化する。ＭＩＴによって実行されたテストも図７において示されている。

結論は次の通りである。近接場境界に最も近い領域と、近距離における領域とを除いて、アンテナは高度に線形であり、電力を単に２倍にして、受信電力を２倍にできる。

システムは、１．５ｍの距離に対して、２５Ｗの送信電力と、２５％の伝送効率により動作できる。システムは、共振周波数およびＱファクタに関して極めて安定している。システムは、１．５ｍの距離において、７０Ｗまでパワーを上げることができる。より小さい距離に対する外挿も可能である。

いくつかの実施形態だけを上記で詳細に開示したが、他の実施形態が可能であり、発明者は、これらが本明細書に包含されることを意図している。本明細書は、別の方法で達成してもよい、より一般的な目標を達成するために、特定の例を記述している。本開示は、例示的であるように向けられており、特許請求の範囲は、当業者に予測可能であるかもしれない、任意の修正または代替をカバーするように向けられている。例えば、他のサイズや、材料や、接続を使用できる。アンテナの結合部分は、ワイヤの単一のループとして示されているが、この結合部分は、複数のワイヤループを有することができることを理解すべきである。他の実施形態は、本実施形態の同様な原理を使用してもよく、同様に、主として静電界結合および／または電気力学界結合に適用できる。一般に、主な結合メカニズムとして、磁界の代わりに電界を使用できる。

また、語“手段”を使用する請求項だけが、合衆国法典第３５部１１２条第６項のもとで解釈すべきであるように向けられていることを、発明者は意図している。さらに、それらの限定が請求項中に明白に含まれていない限り、本明細書からのいかなる限定も、請求項に読み込むように向けられていない。

特定の数値がここで述べられている場合、いくつかの異なる範囲が特に述べられていない限り、本出願の教示内にとどまりながら、値を２０％だけ増加または減少させてもよいことを考慮すべきである。特定の論理的な意味が使用される場合、反対の論理的な意味もまた、包含されるように向けられている。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
ワイヤレス電力システムにおいて、
電力の源への接続を有し、第１の周波数で変調信号を生成させる信号発生器と、
前記第１の周波数を有し、前記信号発生器によって生成された電力に基づいている磁界を送信する送信アンテナと、
前記送信アンテナによって生成された磁気電力信号を受信し、前記送信アンテナから１ｍよりも大きい距離があけられている受信アンテナと、
前記受信アンテナから電力を受け取る負荷受取部とを具備し、
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナ間の伝送効率は、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナ間の１ｍの距離において、２５％よりも大きいワイヤレス電力システム。
［Ｃ２］
前記送信アンテナは、２５Ｗの電力を送信するＣ１記載のシステム。
［Ｃ３］
前記伝送効率は、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナ間の１．５ｍの距離において、２５％よりも大きいＣ１記載のシステム。
［Ｃ４］
前記送信アンテナは容量結合ダイポールであり、前記受信アンテナは容量結合ダイポールであるＣ１記載のシステム。
［Ｃ５］
前記信号発生器および前記送信アンテナに直接結合され、何らかのワイヤ接続によって前記送信アンテナに接続されていない結合ループを、前記送信アンテナ上にさらに具備するＣ１記載のシステム。
［Ｃ６］
前記受信電子機器および前記受信アンテナ間に結合された結合ループを前記受信アンテナ上にさらに具備し、それにより、前記受信電子機器は、何らかのワイヤによって前記受信アンテナに直接接続されていないＣ５記載のシステム。
［Ｃ７］
前記受信機に関して可動のチューニングループをさらに具備し、前記動きは、前記受信機の共振周波数に影響を与えるＣ１記載のシステム。
［Ｃ８］
ワイヤレスに電力を送信する方法において、
電力源からの電力に基づいて、第１の周波数で変調信号を生成させることと、
前記第１の周波数を有し、前記電力源からの電力に基づいている磁界を送信する送信アンテナを使用することと、
前記送信アンテナから１ｍよりも大きい間隔があけられた距離において、前記送信アンテナによって生成された磁界をワイヤレスに受信することと、
前記送信アンテナおよび受信アンテナ間の２５％よりも大きい伝送効率により、前記ワイヤレスに受信する電力を負荷に結合することとを含む方法。
［Ｃ９］
前記送信アンテナは、２５Ｗの電力を送信するＣ８記載の方法。
［Ｃ１０］
前記伝送効率は、前記送信アンテナおよび前記受信アンテナ間の１．５ｍの距離において、２５％よりも大きいＣ８記載の方法。
［Ｃ１１］
前記送信アンテナは容量結合ダイポールであり、前記受信アンテナは容量結合ダイポールであるＣ８記載の方法。
［Ｃ１２］
前記ＲＦ発生器および前記送信材料間の前記送信アンテナ上で、結合ループを使用することをさらに含み、それにより、前記ＲＦ発生器は、ワイヤによって前記送信アンテナに直接接続されていないＣ８記載の方法。
［Ｃ１３］
前記受信電子機器および前記受信アンテナ間に結合された結合ループを前記受信アンテナ上で使用することをさらに含み、それにより、前記受信電子機器は、前記受信アンテナに直接結合されていないＣ１２記載の方法。
［Ｃ１４］
前記受信機に関して可動のチューニングループを動かすことをさらに含み、前記受信機の共振周波数は、前記動かすことによって変更されるＣ８記載の方法。
［Ｃ１５］
ワイヤレス電力システムにおいて、
電力の源への接続を有し、第１の周波数で変調信号を生成させる信号発生器と、
前記第１の周波数を有し、前記信号発生器によって生成された電力に基づいている磁界を送信する送信アンテナと、
前記送信アンテナによって生成された磁気電力信号を受信し、前記送信アンテナから１ｍよりも大きい距離があけられている受信アンテナと、
前記受信アンテナからの電力を受け取る負荷受取部とを具備し、
前記負荷は、前記送信アンテナから１．５メートルの距離において、少なくとも２．５ワットの電力を受け取るワイヤレス電力システム。
［Ｃ１６］
前記送信アンテナは、２５Ｗの電力を送信するＣ１５記載のシステム。
［Ｃ１７］
前記送信アンテナは容量結合ダイポールであり、前記受信アンテナは容量結合ダイポールであるＣ１５記載のシステム。
［Ｃ１８］
前記信号発生器および前記送信アンテナに直接結合され、何らかのワイヤ接続によって前記送信アンテナに接続されていない結合ループを、前記送信アンテナ上にさらに具備するＣ１５記載のシステム。
［Ｃ１９］
前記受信電子機器および前記受信アンテナ間に結合された結合ループを前記受信アンテナ上にさらに具備し、それにより、前記受信電子機器は、何らかのワイヤによって前記受信アンテナに直接接続されていないＣ１５記載のシステム。
［Ｃ２０］
前記受信機に関して可動のチューニングループをさらに具備し、前記動きは、前記受信機の共振周波数に影響を与えるＣ１５記載のシステム。

Claims (18)

1. ワイヤレス電力送信システムにおいて、
   負荷に電力供給するために受信アンテナに、磁界を通して、電力を送信するように構成されている送信アンテナと、
   前記送信アンテナから電気的に切り離されており、前記送信アンテナおよびチューニングループの間の結合を調整するために、前記送信アンテナに関して可動であるチューニングループと
   を具備し、前記チューニングループは、前記受信アンテナの共振周波数および前記送信アンテナの共振周波数を整合するように構成されている、ワイヤレス電力送信システム。
2. 前記チューニングループは、前記受信アンテナに関して可動である、請求項１記載のシステム。
3. 前記チューニングループは、前記送信アンテナに関するその動きに基づいて前記結合を調整するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
4. 前記送信アンテナは、
   前記受信アンテナに関して可動である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記送信アンテナは、前記受信アンテナに関するその動きに基づいて前記結合をさらに調整するように構成されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記受信アンテナの前記共振周波数は、前記送信アンテナの前記共振周波数より低く、前記チューニングループは、前記送信アンテナの前記共振周波数と同じとなるように、前記受信アンテナの前記共振周波数を増加させるようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記チューニングループのサイズは、前記送信アンテナのサイズより小さい、請求項１に記載のシステム。
8. 負荷に電力供給するために、送信アンテナから受信アンテナに、磁界を通して、電力を送信することと、前記送信アンテナは、チューニングループから電気的に切り離されている、
   前記送信アンテナおよび前記チューニングループの間の結合を調整するために、前記送信アンテナに関して前記チューニングループを動かすことと
   を具備し、前記動かすことは、前記受信アンテナの共振周波数および前記送信アンテナの共振周波数を整合することを具備する、電力を送信する方法。
9. 前記結合をさらに調整するために、前記受信アンテナに関して前記送信アンテナを動かすことをさらに具備する、請求項８に記載の方法。
10. 前記受信アンテナに関して前記チューニングループを動かすことをさらに具備する、請求項８に記載の方法。
11. 前記受信アンテナの前記共振周波数は、前記送信アンテナの前記共振周波数より低く、前記動かすことは、前記送信アンテナの前記共振周波数と同じとなるように、前記受信アンテナの前記共振周波数を増加させることをさらに具備する、請求項８に記載の方法。
12. ワイヤレス電力受信機において、
    負荷に電力供給するために送信アンテナから、磁界を通して、電力を受信するように構成されている受信アンテナと、
    前記受信アンテナから電気的に切り離されており、前記受信アンテナおよびチューニングループの間の結合を調整するために前記受信アンテナに関して可動である前記チューニングループと、
    前記受信アンテナと前記チューニングループとの間に接続されたキャリッジ、前記キャリッジは、前記受信アンテナと前記チューニングループとを移動するように構成される、と
    を具備する、ワイヤレス電力受信機。
13. 前記チューニングループは、前記負荷から電気的に切り離されている、請求項１２に記載の受信機。
14. 前記チューニングループは、前記受信アンテナおよび前記チューニングループの間の結合ファクタに基づいて前記結合を調整するようにさらに構成されている、請求項１２に記載の受信機。
15. 前記受信アンテナから送信された電力を誘導的に受信し、前記負荷に前記受信された電力供給するように構成されている結合ループをさらに具備する、請求項１２に記載の受信機。
16. 前記結合ループのサイズは、前記受信アンテナのサイズより小さい、請求項１５に記載の受信機。
17. 前記結合ループのサイズは、前記チューニングループのサイズに対して同等である、請求項１５に記載の受信機。
18. 前記チューニングループは、前記受信アンテナの周囲を少なくとも部分的にオーバーラップする、請求項１２に記載の受信機。

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