JP6518316B2 - 無線電力伝送システムにおける共振器の均衡化 - Google Patents

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関連出願へのクロスリファレンス

本出願は、2014年7月8日出願米国特許仮出願第62/022133号、および2014年9月17日出願米国特許仮出願第62/051647号の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

本発明は、無線電力伝送システムおよび方法に関する。

エネルギーは、放射性（ファーフィールド）技術等の様々な既知の技術を用いることによって、電源から受信機へ伝送することができる。例えば、低指向性アンテナを使用した放射性技術は、放射伝送された電力のごく一部、つまり電波を拾う受信機の方向に向かって受信機に重複する部分を伝送することができる。この例においては、電力の大半は、受信機の方向以外のすべての方向へ放射され、伝送された電力が受信機への電力供給または充電には不十分であることがしばしばある。放射性技術の他の例においては、放射電力の方向を受信機に限定して優先的に向ける方向性アンテナが用いられる。この場合、遮断されない照準線と、潜在的に複雑なトラッキング・ステアリングメカニズムが用いられる。

他の方法としては、非放射性（ニアフィールド）技術の使用がある。例えば、従来の誘電技術として知られる技術は（意図的に）電力を放射するのではなく、一次コイルを通過する振動電流を利用して、近接する受信コイルまたは二次コイルに電流を誘導する振動近接磁界を生成する。従来の導電技術は、非常に短い距離において中程度から多量の電力を伝送することができる。

これらの技術において、電源と受信機との間のオフセット許容度は非常に小さなものである。電気変圧器および近接充電器は、これらの従来の誘電技術を用いる。

概して、第一の態様において、本開示は、ワイヤレス電力伝送用のシステムを特徴とし、前記システムは、少なくとも２つの巻線を有するコイルを含む共振器であり、前記少なくとも２つの巻線は誘電材料で形成されて平面に延在する複数のループを備え、前記少なくとも２つの巻線の各々の対応する部分は平行に配向され、前記巻線のうちの少なくとも１つは、前記巻線の他の１つの巻線の長さとは異なる長さを有し、前記少なくとも２つの巻線は電気的に並列接続されている、前記共振器と、インダクタンス値を有する少なくとも１つのインダクタであり、前記少なくとも１つのインダクタは前記巻線の少なくとも１つに直列接続され、前記インダクタンス値は、無線電力伝送システム処理中にコイルが電流を通電する時に、前記少なくとも１つのインダクタが、前記少なくとも２つの巻線に流れる電流の分配を、前記少なくとも２つの巻線の各々に対して実際に流れる電流の、巻線の目標電流との差異が10%以下になるように維持するように選択される、前記少なくとも１つのインダクタ、とを備える。

本システムの実施形態は、以下の特徴のうちの任意の１つまたは複数を含んでもよい。

前記少なくとも１つのインダクタは、調整可能なインダクタンス値を含んでもよい。前記少なくとも２つの巻線それぞれの互いに対応する部分は、前記少なくとも１つの巻線の長さの少なくとも80%に沿って平行であってもよい。各巻線のループは交互に配置されていてもよい。各巻線のループは、同心円で螺旋形であってもよい。

前記システムは、前記少なくとも２つの巻線に接続され、前記少なくとも２つの巻線に対する目標電流に基づいて各巻線内の電流を制御するように構成された、電子処理装置を含んでもよい。前記電子機器は、前記目標電流に関する性能指数に基づいて少なくとも１つのインダクタの目標インダクタンス値を決定すること、および、前記少なくとも１つのインダクタのインダクタンス値を、目標インダクタンス値と一致するように調節すること、によって、各巻線内の電流を制御するように構成することができる。前記電子処理装置は、（１）各巻線に対して、１つの巻線が他のすべての巻線から電気的に切断された時の前記１つの巻線のインダクタンスの測定値に基づいて、前記１つの巻線の自己インダクタンス値を決定すること、および、前記１つの巻線の複数の相互インダクタンス値を決定することであって、前記相互インダクタンス値はそれぞれ、前記１つの巻線が他の１つの巻線から電気的に切断されたときの前記１つの巻線のインダクタンスの測定値に基づく、（２）自己インダクタンス値と相互インダクタンス値とに基づいて、各巻線の目標電流を決定すること、および、（３）各巻線の目標電流に基づいて、目標インダクタンス値を決定すること、によって目標インダクタンス値を決定するように構成することができる。前記電子処理装置は、各巻線の自己インダクタンス値と相互インダクタンス値とに基づいてインダクタンスマトリクスを構成すること、前記少なくとも１つのインダクタによる前記各巻線のインダクタンスの変化に対応する要素を備えるインダクタンス修正マトリクスを前記インダクタンスマトリクス加えることによって、調整済インダクタンスマトリクスを計算すること、前記調整済インダクタンスマトリクスの逆マトリクスを計算すること、および、前記逆マトリクスに基づいて前記目標電流を決定すること、によって目標電流を決定するように構成することができる。前記インダクタンス修正マトリクスは対角マトリクスであってもよく、前記インダクタンス修正マトリクスの対角要素は、前記巻線に接続された少なくとも１つのインダクタの各要素のインダクタンス値であってもよい。

別の態様において、本開示は、無線電力伝送用の共振器コイルの少なくとも２つの巻線の各々における電流を制御すること、前記少なくとも２つの巻線はそれぞれ、導電材料で形成されて平面に延在する複数のループを含み、前記少なくとも２つの巻線の各々の対応する部分が平行に配向され、前記巻線の少なくとも１つは、他の１つの巻線の長さとは異なる長さを有し、前記少なくとも２つの巻線は電気的に並列接続され、インダクタンス値を有する少なくとも１つのインダクタは、前記巻線の少なくとも１つに直列接続される、および、コイルが電流を通電する時に、前記少なくとも２つの巻線の各々に対して、前記巻線に実際に流れる電流の、巻線の目標電流との差異が10%以下になるように、前記少なくとも２つの巻線に流れる電流の分配を維持すること、を含む方法を特徴とする。

本システムの実施形態は、以下の特徴のうちの任意の１つまたは複数を含んでもよい。

前記少なくとも２つの巻線それぞれの互いに対応する部分は、前記少なくとも１つの巻線の長さの少なくとも80%に沿って平行であってもよい。各巻線のループは交互に配置されていてもよい。各巻線のループは、同心円で螺旋形であってもよい。

前記方法は、前記目標電流に関連する性能指数に基づいて前記少なくとも１つのインダクタの目標インダクタンス値を決定すること、および、前記少なくとも１つのインダクタのインダクタンス値を、前記目標インダクタンス値と一致するように調節すること、によって、電流の分配を維持するために各巻線の電流を制御してもよい。本方法は、（１）各巻線に対して、１つの巻線が他のすべての巻線から電気的に切断された時の前記１つの巻線のインダクタンスの測定値に基づいて、前記１つの巻線の自己インダクタンス値を決定すること、および、前記１つの巻線の複数の相互インダクタンス値を決定することであって、前記相互インダクタンス値はそれぞれ、前記１つの巻線が他の１つの巻線から電気的に切断された時の前記１つの巻線のインダクタンスの測定値に基づく、（２）自己インダクタンス値と相互インダクタンス値に基づいて、各巻線の目標電流を決定すること、および、（３）各巻線の目標電流に基づいて、目標インダクタンス値を決定すること、によって目標インダクタンス値を決定することを含むことができる。

前記方法は、前記巻線の各々の自己インダクタンス値と相互インダクタンス値に基づいてインダクタンスマトリクスを構成すること、前記少なくとも１つのインダクタによる前記巻線の各々のインダクタンスの変化に対応する要素を含むインダクタンス修正マトリクスを前記インダクタンスマトリクスに加えることによって、調整済インダクタンスマトリクスを計算すること、および、前記逆マトリクスに基づいて前記目標電流を決定すること、によって目標電流を決定することを含んでもよい。前記インダクタンス修正マトリクスは対角マトリクスであってもよく、前記インダクタンス修正マトリクスの対角要素は、前記巻線に接続された少なくとも１つのインダクタの各要素のインダクタンス値であってもよい。

さらに他の態様において、本開示は、磁性材料で形成された部材と、それぞれが、導電性材料によって形成された複数のループを含む、電気的に並列接続された少なくとも２つの巻線とを備えた無線電力伝送用の共振器コイルを特徴とし、前記少なくとも２つの巻線の各々のループは、前記少なくとも２つの巻線の対応する部分が、前記少なくとも１つ巻線の長さの少なくとも80%に沿って平行に配向されるように交互に配置され、前記少なくとも２つの巻線の各々は、前記１つの巻線の長さに沿った１つ以上の箇所で、少なくとも１つの他の巻線と空間的に重複する。

本コイルの実施形態は、以下の特徴のうちの任意の１つまたは複数を含んでもよい。

各巻線のループは、平面に配向していてもよい。すべての巻線のループは、共通の平面に配向していてもよい。各巻線のループは、同心円で螺旋形であってもよい。すべての巻線のループは、同心円で螺旋形であってもよい。

前記コイルは、前記巻線の少なくとも１つの巻線と直列に接続された調節可能なインダクタンスを有する少なくとも１つのインダクタを備えてもよい。前記コイルは、前記少なくとも２つの巻線の各々に直列に接続された調節可能なインダクタンスを有する少なくとも１つのインダクタを備えてもよい。前記少なくとも２つの巻線はそれぞれ、自己の長さに沿った１つ以上の点において他の巻線の各々と空間的に重複する。各巻線において、１つの巻線が少なくとも他のいくつかの巻線と重複する箇所は、各巻線の外周に沿って等間隔であってもよい。

前記少なくとも２つの巻線は、n個の巻線を含んでもよく、前記n個の巻線はそれぞれ、その長さに沿って他のn−1個の巻線の各々と空間的に重複し、前記n個の巻線はそれぞれ、他の巻線と重複するn−1個の箇所を有してもよく、前記箇所はそれぞれ、１つの巻線の他の巻線との重複に対応する。nの数は、２より大きくてもよい（例えば、４以上）。

前記少なくとも２つの巻線は、n個の巻線を含んでもよく、前記Ｎ個の巻線のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの巻線が他のn−1個の巻線の少なくともいくつかと２回以上空間的に重複するように、他の巻線と重複するＮ−１個以上の箇所を有してもよい。前記少なくとも２つの巻線は、n個の巻線を含んでもよく、前記n個の巻線の少なくとも１つは、前記少なくとも１つの巻線がn−1個の他のすべての巻線と空間的に重複しないように、他の巻線と重複するn−1個よりも少ない重複部分を有してもよい。

本システム、方法、およびコイルの実施形態はまた、異なる実施形態に関連して開示された特徴を含む、本明細書に開示される他のいずれの特徴の適切な任意の組合せを含むことができる。

別段の定義がない限り、本明細書中で使用される全ての技術的および科学的用語は、本開示が属する技術における当業者によって共通に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で言及される全ての刊行物、特許出願、特許、および他の参考文献との抵触が起きた場合、本定義を含む本明細書が規制する。上記の特徴はいずれも、本開示の範囲内を逸脱することなく、単独もしくは組み合わせて使用することが可能である。ここに開示するシステムおよび方法の他の特徴、目標、および利点は、下記の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。

無線電力伝送システムの一実施形態の概略図である。 無線電力伝送用共振器の概略図である。 図２Ａ〜２Ｃは、車両に組み込まれた無線電力伝送システムの概略図である。 図３Ａおよび３Ｂは、磁性材料に近接したソース共振器コイルを示す概略図である。 ソース共振器の概略図である。 図５Ａおよび５Ｂは、無線で電力受信するように構成された装置の概略図である。 図６Ａおよび６Ｂは、ソース共振器と受信共振器との間のカップリングkの測定値を共振器の相対変位の関数として示すプロットである。 図７Ａおよび７Ｂは、性能指数をソース共振器と受信共振器との間の相対変位の関数として示すプロットである。 図８Ａおよび８Ｂは、カップリングkの測定値をソース共振器と受信共振器との間の相対変位の関数として示すプロットである。 図９Ａおよび９Ｂは、性能指数をソース共振器と受信共振器との間の相対変位の関数として示すプロットである。 図１０Ａおよび１０Ｂは、ソース共振器と受信共振器との間のカップリングkの測定値を共振器の相対変位の関数として示すプロットである。 図１１Ａおよび１１Ｂは、性能指数をソース共振器と受信共振器との間の相対変位の関数として示すプロットである。 図１２Ａおよび１２Ｂは、ソース共振器と受信共振器との間のカップリングkの測定値を共振器の相対変位の関数として示すプロットである。 図１３Ａおよび１３Ｂは、性能指数をソース共振器と受信共振器との間の相対変位の関数として示すプロットである。 図１４Ａおよび１４Ｂは、ソース共振器と受信共振器との間のカップリングk の測定値を共振器の相対的変位の関数として示すプロットである。 図１５Ａおよび１５Ｂは、品質係数をソース共振器と受信共振器との間の相対変位の関数として示すプロットである。 図１６Ａおよび１６Ｂは、性能指数をソース共振器と受信共振器との間の相対変位の関数として示すプロットである。 図１７Ａおよび１７Ｂは、インピーダンス整合ネットワークの概略図である。 図１８Ａおよび１８Ｂは、出力電圧の関数としての、デバイス側負荷インピーダンスのプロットである。 図１９Ａおよび１９Ｂは、出力電圧の関数としての、増幅器からバッテリまでの効率のプロットである。 図２０Ａおよび２０Ｂは、出力電圧の関数としての、ソースおよびデバイス内で消費する電力のプロットである。 図２１Ａおよび２１Ｂは、インピーダンス整合ネットワーク内の1つ以上のコンデンサの全体で測定された電圧のプロットである。 図２２Ａおよび２２Ｂは、ソース共振器の磁性部材における磁界振幅のプロットである。 デバイス電子機器の一実施形態の概略回路図である。 図２４Ａおよび２４Ｂは、出力電圧の関数としての、DC-DCブースト変換比のプロットである。 図２５Ａおよび２５Ｂは、出力電圧の関数としての、増幅器から変換器までの効率のプロットである。 図２６Ａおよび２６Ｂは、出力電圧の関数としての、ソース内で消費する電力のプロットである。 図２７Ａおよび２７Ｂは、ソース内の１つ以上の整合ネットワークコンデンサの全体で測定された電圧のプロットである。 図２８Ａおよび２８Ｂは、ソースに取り付けられた磁性部材内の磁界のプロットである。 図２９Ａないし２９Ｄは、無線電力伝送用共振器の実施形態を示す概略図である。 図３０Ａは、ソース共振器コイル巻線長さの関数としてのカップリング率のプロットである。図３０Ｂソース共振器コイル巻線長さの関数としての性能指数のプロットである。 図３１Ａないし３１Ｄは、共振器コイルの概略図である。 図３２Ａは、共振器コイル巻線の間隔距離および全長の関数としてのカップリング率のプロットである。図３２Ｂは、共振器コイル巻線の間隔距離および全長の関数としての性能指数のプロットである。 図３３Ａおよび３３Ｂは、共振器間のオフセットの関数としての、ソース共振器とデバイス共振器との間のカップリングのプロットである。 図３４Ａおよび３４Ｂは、ソース共振器とデバイス共振器との間のオフセットの関数としての、無線電力伝送システムの性能指数のプロットである。 図３５Ａおよび３５Ｂは、インピーダンス整合ネットワークの概略図である。 異なるインピーダンス整合ネットワークのためのコンデンサの最小数を示すプロットである。 インピーダンス整合ネットワークの概略図である。 インピーダンス整合されたデバイス内の出力電圧の関数としての性能指数のプロットである。 インピーダンス整合されたソース共振器と受信共振器内で消費する電力のプロットである。 出力電圧の関数としての、ソース共振器およびデバイス共振器内における最大磁界のプロットである。 ソース共振器および受信共振器内におけるインピーダンス整合ネットワークの1つ以上のコンデンサの全体における電圧のプロットである。 磁性部材の一実施形態を示す概略図である。 共振器の実施形態の画像である。 磁性部材に取り付けられたソース共振器コイルの実施形態の画像である。 図４５Ａは、磁性部材の一実施形態の概略図である。図４５Ｂは、磁性部材の一実施形態の画像である。 デバイス受信共振器コイルの一実施形態の画像である。 図４７Ａは、ソース共振器コイルの一実施形態の概略図である。図４７Ｂは、デバイス共振器コイルの一実施形態の概略図である。 図４８Ａおよび４８Ｂは、磁性部材に取り付けられたソース共振器コイルの実施形態の概略図である。 並列巻線を有する共振器コイルの実施形態の画像である。 ソース共振器の磁性部材内における磁界のプロットである。 ソース共振器の磁性部材内における磁界のプロットである。 ソース共振器の磁性部材内における磁界のプロットである。 デバイス共振器の磁性部材内における磁界のプロットである。 図５４Ａおよび５５Ｂは、ソース共振器の上方の磁界のプロットである。 対数スケールで示す図54Aおよび54Bの磁界のプロットである。 並列巻線を有するコイルの画像である。 図５７Ａおよび５７Ｂは、コイルの並列巻線に直列に接続されたインダクタを示す概略図である。図５７Ｃは、コイルのいくつかの並列巻線の１つに直列に接続された単一のインダクタの概略図である。 図５８Ａおよび５８Ｂは、コイル内の並列巻線の温度測定値を示す画像である。 それぞれのコイルの並列巻線内の電流を時間の関数として示すプロットである。 図６０Ａおよび６０Ｂは、ソース共振器と受信共振器との間のカップリングkの測定値を共振器の相対変位の関数として示すプロットである。 図６１Ａおよび６１Ｂは、ソース共振器と受信共振器との間のカップリングkの測定値を共振器の相対変位の関数として示すプロットである。 受信共振器の概略図である。 シールドの一辺の長さの関数としての、ソース共振器と受信共振器のQ因子のプロットである。 図６４Ａおよび６４Ｂは、インピーダンス整合ネットワーク内の整流器のダイオードを通るピーク電流のプロットである。 図６５Ａおよび６５Ｂは、インピーダンス整合ネットワーク内の整流器のダイオードを通るピーク電流のプロットである。 図６６Ａおよび６６Ｂは、デバイスのインピーダンス整合ネットワーク内のコンデンサの数をデバイスインダクタンスの関数として示すプロットである。 インピーダンス整合ネットワークの概略図である。 インピーダンス整合ネットワークの出力電圧の関数としての性能指数のプロットである。 ソースの様々な構成要素内において消費する電力のプロットである。 デバイスの様々な構成要素において消費する電力のプロットである。 出力電圧の関数としての、磁性部材内の磁界のプロットである。 出力電圧の関数としての、インピーダンス整合ネットワーク内のコンデンサの全体における電圧のプロットである。 出力電圧の関数としての、ソース共振器コイルおよびデバイス共振器コイルを通る電流のプロットである。 コイルの並列巻線の間における電流の分割および均衡化のための一連のステップを含むフローチャートである。 電子制御部の概略図である。

本明細書で開示される無線電力伝送システムは、発振磁界を生成するために、１つ以上のソース共振器を使用する。発振磁界は、１つ以上の受信共振器によって捕捉され、１つ以上の受信共振器に電流および電圧を誘導する。受信共振器は負荷に連結することができ、電流および電圧は負荷が有用な作業を行うために使用することができる。受信共振器は、中継共振器としても機能することが可能であり、追加の振動磁界を生成することによって無線で電力をさらに送信する。

無線電力伝送システムは、さまざまなデバイスに組み込むことができ、幅広い電力需要用途に使用可能である。例えば、そのようなシステムは、電気自動車に組み込まれて電気自動車への電力供給および／または充電に使用することができる。このようなシステムはまた、固定式または携帯式の電子機器を含む電子機器に電力を供給するために使用することもでき、家具（例えば机、テーブル）および構造的特徴（例えば、床、壁、柱、道路）を含む多様な構成に組み込むことが可能である。このシステムは、高電力の用途では、ごく少量から多量にわたる範囲の電力を供給することができる。例えば、本明細書に開示されたシステムは、１つ以上のソース共振器から、電気デバイスに接続された１つ以上の受信共振器に、1kW、3kW、5kW、10kW、20kW、50kWまたはそれ以上の電力供給が可能である。

＜序論＞
図1Aは、無線電源101およびデバイス107を含む無線電力伝送システム100の実施形態の概略図を示す。無線電源101は、ソース電子機器104に結合されたソース共振器102を含み、ソース電子機器104は、電源106に結合される。ソース電子機器104は、AC-DCコンバータ、増幅器、およびインピーダンス整合ネットワークを含む様々な構成要素を含むことができる。電源106は、AC主電源、太陽電池パネル、および１つ以上のバッテリのうちの１つまたは複数を含むことができる。無線電源101の構成要素の全てが動作のために必要であるわけではなく、いくつかの実施形態では、図1Aに示す特定の構成要素を統合することができる（例えば、ソース電子機器104と電源106を単一の構成要素として統合することができる）。

デバイス107は、デバイス電子機器110に結合されて負荷112に電力を提供するデバイス共振器108を含む。デバイス電子機器110は、整流器および／またはインピーダンス整合ネットワークなどの様々な構成要素を含むことができる。負荷112は、一般に、バッテリおよび／または電気機械装置など、電力を消費する様々な電気部品のいずれかに対応する。デバイス107の構成要素のすべてが動作のために必要であるわけではなく、いくつかの実施形態では、図1Aに示す特定の構成要素を統合することができる（例えば、デバイス電子機器110および負荷112は単一の構成要素として統合することができる）。

ソース電子機器104およびデバイス電子機器110はそれぞれ、1つ以上の電子処理装置（それぞれ電子処理装置105および電子処理装置111）を含むことができる。電子処理装置105および電子処理装置111は、様々な監視、計算、および制御機能を実行することができる。例えば、後でより詳細に説明するように、電子処理装置105および／または電子処理装置111は、（適切な制御信号を様々なセンサに送ることによって）様々なシステム構成要素の電気パラメータを測定し、センサより受信した測定信号に基づいて様々な性能関連の指標および属性を計算し、計算された指標および属性に基づいて制御信号を様々なシステム構成要素に送信することができる。一般に、電子処理装置105および電子処理装置111は、本明細書に開示された監視、計算、および制御機能のいずれかを実行するように構成することができる。加えて、またはその代わりに、ソース電子機器104および／またはデバイス電子機器111は、これらの機能のいずれか１つ以上を実行するよう構成することができる専用電気回路（例えば、特定用途向け集積回路）および論理ユニット（例えば、プログラム可能な論理アレイ）を含むことができる。

電子処理装置105および／または電子処理装置111は、様々な構成で無線電力伝送システム100の1つ以上の構成要素に連結することができる。いくつかの実施形態では、電子処理装置105および／または電子処理装置111は、直接的電気接続を介してシステム構成要素に結合される。特定の実施形態では、電子処理装置105および／または電子処理装置111は、無線通信（例えば、無線周波数、ブルートゥース通信）を介してシステム構成要素に連結される。処理装置とシステム構成要素との間の連結は、システム構成要素ごとに異なってもよい。例えば、電子処理装置105は、電源106およびソース共振器102に直接接続され、デバイス共振器108および／またはデバイス電子機器110に無線で連結することができる。

無線電力伝送システムの付加的態様および特徴は、例えば、米国特許出願公開第2012/0119569号、米国特許出願公開第2015/0051750号、米国特許第8,772,973号、米国特許出願公開第2010/0277121号、および米国特許第8,598,743号に開示されており、その各々の内容全体を参照により本明細書に組み込む。

いくつかの実施形態では、電子処理装置105は、ソース共振器102に電力を供給するように電源106を制御することができる。例えば、電子処理装置105は、電源106の出力電力を増加させることができ、それによってソース共振器102に供給する電力を増加することができる。出力電力は、ソース共振器102によって生成される振動磁界の周波数に対応する動作周波数で伝送することができる。

特定の実施形態では、電子処理装置105（および／または電子処理装置111）は、ソース共振器102の共振周波数および／またはデバイス共振器108の共振周波数を同調させることができる。ソース共振器およびデバイス共振器の共振周波数を、電源106の電力供給の動作周波数に関連して同調させることによって、電源106から負荷112への電力伝送の効率を制御することができる。例えば、電子処理装置105（および／または電子処理装置111）は、ソース共振器102および／またはデバイス共振器108の共振周波数を実質的に同調（例えば、0.5%以内、1%以内、2%以内）させることで、電力伝送の効率を上げることができる。

いくつかの実施形態では、電子処理装置105および／または電子処理装置111は、ソース共振器102および／またはソース電子機器104の構成要素の静電容量値を調整することによって共振周波数を同調させることができる。共振周波数はまた、デバイス共振器108および／またはデバイス電子機器110の構成要素の静電容量値を調整することによって同調させることができる。例えば、ソース共振器102の共振周波数を同調させるために、電子処理装置105は、ソース共振器102内のコイルに接続されたコンデンサの静電容量を調整することができる。この調整は、電子処理装置105による共振周波数の測定、および／またはソース共振器102及び／又はデバイス共振器108から電子処理装置105に送信される（例えば、無線で送信される）通信信号に基づくことができる。特定の実施形態では、電子処理装置105は、ソース共振器102の共振周波数を電源106の動作周波数と実質的に同調（例えば、0.5%以内、1%以内、2%以内）させることができる。いくつかの実施形態では、電子処理装置105は、ソース共振器102の共振周波数を動作周波数と7%〜13%（例えば、10%〜15%、13%〜19%）だけ異なるように同調させることができる。同様の考察が（例えば、電子処理装置111および／または電子処理装置105による）デバイス共振器108の共振周波数の同調にもあてはまる。

いくつかの実施形態では、電子処理装置105および／または電子処理装置111は、無線電力伝送システム100内のインピーダンス整合ネットワークを制御して、システム内のインピーダンス整合条件を調整し、それによって電力転送の効率を制御することができる。例えば、電子処理装置105は、電源106とソース共振器102との間に（例えば、ソース電子機器104の一部として）接続されたインピーダンス整合ネットワーク内のコンデンサの静電容量またはコンデンサのネットワークを同調させることができる。

もしくは、またはこれに加えて、電子処理装置105は、インピーダンス整合ネットワーク内のインダクタのインダクタンスまたはインダクタのネットワークを同調させることができる。最適インピーダンス条件は、電子処理装置105によって計算することができる、および／または外部装置から受信することができる。

同様に、特定の実施形態では、電子処理装置111は、デバイス共振器108と負荷112との間に（例えば、デバイス電子機器110の一部として）接続されたインピーダンス整合ネットワーク内のコンデンサの静電容量および／またはインダクタンス、および／またはインダクタをそれぞれ同調させることによって、インピーダンス整合条件を制御することができる。周波数同調及びインピーダンス整合ネットワークの付加的態様は、例えば、米国特許出願公開第2015/0051750号に開示されており、その全内容を参照により本明細書に組み込む。

本開示において、１つのコイル（例えば、共振器コイル）から別のコイル（例えば、別の共振器コイル）への「無線エネルギー伝送」は、電子装置や車両に電力を供給したり、電球を点灯させたり、電池を充電したりするような有用な仕事（例えば、電気的仕事、機械的仕事など）をするためのエネルギー伝送を指す。同様に、１つのコイル（例えば、共振器コイル）から別の共振器（例えば、別の共振器コイル）への「無線電力伝送」は、電子装置または車両に電力を供給したり、電球を点灯させたり、電池を充電したりするような有用な仕事（例えば、電気的仕事、機械的仕事など）のための電力伝送を指す。無線エネルギー伝送および無線電力伝送は、いずれも、主電源への接続など、無線でない場合は電源への有線接続を介して提供される動作電力を提供するためのエネルギーの転送（または伝送と同等）を指す。上記の理解で、「無線エネルギー伝送」および「無線電力伝送」という表現は、本開示において交換可能に使用される。また、「無線電力伝送」および「無線エネルギー伝送」は、情報の転送を伴うことができるということ、すなわち、情報が有用な仕事をするためのエネルギーまたは電力と共に電磁信号を介して伝達されうるということが、理解されるべきである。

図1Bは、無線電力伝送に使用される共振器150の一部を示す概略図である。共振器150は、コイル152、磁性部材154、およびシールド156を含む。コイル152は、１つ以上のループを含み、１つ以上のコンデンサおよび／またはインダクタ、ならびに他の電気部品（図示せず）に接続することができる。コイル152は、銅、銀、金、およびリッツ線などの１つ以上の導電性材料で形成される。例えば、リッツ線は、1MHz未満（例えば、85kHz）の周波数での動作に使用することができる。特定の実施形態では、コイル210は、ソリッドコアワイヤ、またはプリント回路基板（PCB）上に形成された１つ以上の導電層（例えば、銅層）で形成することができる。例えば、ソリッドコアワイヤまたは導電層は、1MHz以上の動作周波数での動作に使用することができる。

磁性部材154は、コイル152とシールド156との間に配置される。つまり、図1Aにおいて、コイル152は磁性部材154の一方の側に配置され、シールド156は磁性部材154の反対側に配置される。一般に、磁性部材154は、コイル152のループに流れる電流によって誘導される磁束をガイドする。磁性部材154の存在は、振動する電流がコイル152内を循環するとき、コイル152に隣接する領域（すなわち、コイル152の上または下の平面）において、磁性部材154が存在しない場合の磁束密度と比較して、コイル152によって発生する磁束密度の増加を導くことができる。

いくつかの実施形態では、磁性部材154は、マンガン亜鉛（MnZn）フェライトおよび／またはニッケル亜鉛（NiZn）フェライトなどの磁性材料から形成された１つ以上の磁気素子を含むことができる。部材154が複数の磁気素子から形成される場合、素子間の隙間（図1Bには図示せず）を接着剤などの絶縁体材料で充填することができる。

磁性材料は一般に小さいサイズで入手可能であるが、無線電力伝送のためのいくつかの用途では、面積が大きい磁性部材を利用する。例えば、自動車用バッテリを充電する用途では、1kW以上（例えば、2kW以上、3kW以上、5kW、6kW、またはそれ以上）の高電力を伝達するために、面積が大きい（例えば、30cm×30cm以上）磁性部材を利用することがある。そのような材料片が利用可能である場合、単一のモノリス材料片を特徴とする磁性部材を利用することができる。しかしながら、高出力伝送のために大きな面積サイズ（例えば、30cm×30cm）を有するマンガン亜鉛フェライトまたはニッケル亜鉛フェライトのような磁性材料のモノリシック片を製造することは困難であり、かつ／または費用が高くつくことがある。さらに、マンガン亜鉛フェライトおよびニッケル亜鉛フェライトは脆い場合もあり、そのため、これらの材料の大きな面積部分は非常に破損しやすい。このような困難を克服するために、フェライト材料は、小さな面積（例えば、5cm×5cm）を有する小片として製造することができ、そのような部品のいくつかを互いに接合してより大きな組み合わされた磁性部材を形成することができる。より小さい磁気素子は、結合されると、より大きな磁性部材と非常に類似した集合的な態様で機能的に作用することができる。特定の実施形態では、複数の磁性要素は、熱伝導性かつ電気絶縁性の材料（例えば、プラスチック、テフロン（登録商標）、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなど）から作られたホルダーに収められてもよい。

シールド156は一般的に導電性材料のシートに対応し、典型的には、コイル152に近接して配置される。シールド156は、コイル152を形成するために使用される導電性材料と同じであっても異なっていてもよい１つ以上の導電性材料によって構成される。例えば、シールド156は、銅、銀、金、鉄、鋼、ニッケル、および／またはアルミニウムのような材料のシートから形成することができる。シールド156は、コイル152を損失誘導物体（例えば、金属物体）から遮蔽するように作用する。さらに、いくつかの実施形態では、シールド156は、共振器の近傍の磁力線を誘導することによって、共振器150の別の共振器へのカップリングを強化させることができる。例えば、損失誘発物体への異常カップリングからのエネルギー損失は、シールド156を使用して損失誘発物体から離れた磁力線を誘導することによって低減することができる。

図2A〜図2Cは、車両202に組み込まれた無線電力伝送システム204を示す概略図である。図2Aは、車両202のX−Z座標平面における側面図を示し、図2Bは、車両202のX−Y座標平面における上面図を示し、図2Cは、Y-Z座標平面における車両202の正面図を示す。以下の説明のため、X軸は車両の「前後」方向に対応し、Y軸は車両の「左右」方向に対応し、Z軸は車両の「上下」方向に対応する。

車両用途における無線電力伝送では、共振器間の大きな電力伝送に対応するために、ソース共振器およびデバイス共振器を比較的大きくすることができる。いくつかの実施形態では、例えば、ソース共振器は、X−Y平面における最大寸法が30cm以上（例えば、40cm以上、50cm以上、60cm以上、70cm以上、80cm以上、90cm以上、100cm以上、またはそれ以上）であってもよい。特定の実施形態では、デバイス共振器は、X−Y平面における最大寸法が20cm以上（例えば、30cm以上、40cm以上、50cm以上、60cm以上、70cm以上、80cm以上、90cm以上、100cm以上）であってもよい。いくつかの実施形態では、ソース共振器の最大寸法は、デバイス共振器の最大寸法より10cm以上（例えば、15cm以上、20cm以上、30cm以上）小さくてもよい。

ソース及びデバイス共振器は、それぞれ正方形、長方形、円形、楕円形、より一般的には正多角形を含む様々な異なる断面形状を有することができる。特定の実施形態では、共振器は互いに異なる形状を有することができる。例えば、ソース共振器は正方形の断面形状を有することができ、デバイス共振器は長方形の断面形状を有することができる。

本明細書に開示される無線電力伝送システムで使用される共振器（例えば、ソース共振器、受信共振器、中継共振器）は、共振周波数f=ω/2π、固有損失率Γ、およびQ因子Q=ω/2Γ）（本開示では「固有の」Q因子とも呼ばれる）を有することができ、ωは角共鳴周波数である。ソース共振器または受信共振器の共振周波数fは、通常、共振器の静電容量およびインダクタンス値によって決定される。

いくつかの実施形態では、ソース共振器、受信共振器、および／または中継共振器のいずれか1つは、Q>100（例えば、Q>100、Q>200、Q>300、Q>500、Q>1000）の高Q因子を有してもよい。例えば、無線電力伝送システムは、1つ以上のソース共振器を有する電源を含むことができ、少なくとも1つのソース共振器は、Qi>100（例えば、Qi>100、Qi>200、Qi>300、Qi>500、Qi>1000）のQ因子を有してもよい。無線電力伝送システムは、1つ以上の受信共振器を有する電力受信器を含むことができ、受信共振器の少なくとも1つはQ2>100（例えば、Q2>100、Q2>200、Q2>300、Q2>500、Q2>1000）のQ因子を有してもよい。システムは、Q3>100（例えば、Q3>100、Q3>200、Q3>300、Q3>500、Q3>1000）のQ因子を有する少なくとも1つの中継共振器を含むことができる。

＜共振器の構成＞
無線電力伝送システムにおける２つの共振器間のカップリングの程度および無線電力伝送の効率は、共振器の様々な異なる構造的特徴に依存する。そのため、異なる共振器構成は、異なる電力伝送効率および速度を達成するため、異なるタイプの動力伝達用途には異なる構成が適している。以下のセクションでは、いくつかの異なる共振器構成を示し、無線電力伝送性能に対する異なる構造的特徴の効果について論じる。

いくつかの実施形態では、共振器コイルを、導電性シールド（例えば、アルミニウムシールド）からオフセットして、損失を低減して別の共振器へのカップリングを強化させることができる。図3A〜3Bは、磁性材料304に近接するソース共振器302を示す概略図であり、磁性材料304と導電性シールド306との間には隙間がある。図3Aでは、磁性材料304と導電性シールド306との間に隙間はない。図3Bでは、磁性材料304と導電性シールド306（アルミニウムシールド）との間に40mmの間隙308がある。X−Y平面内で60cm×60cmの寸法のソース共振器に対して、サイズ25cm×50cmのデバイス共振器（図3A〜3Bには図示せず）からZ方向にオフセットされ、該オフセットがデバイス共振器から(X,Y,Z)＝(0,0,15)cmの座標によって定義される場合、カップリング速度kは、図3Aに示すソース共振器302について約0.077と測定され、図3Bに示すソース共振器302では約0.083と測定される。

一般に、共振器に近接する（または付着する）磁性材料304の厚さは、他の共振器へのカップリングkを調整するために変更することができる。表1は、図4に示されるように、X−Y平面において60cm×60cmのサイズのソース共振器コイル402を含む無線伝送システムのカップリング率kの測定をまとめたものであり、X−Y平面内のサイズ25cm×50cmのデバイス共振器コイル404からの座標(X,Y,Z)＝(10,10,150)cmによって定義されるオフセットを有する。ソース共振器コイル402および磁性材料304は、上記の通り、図3Bに示すように、40mmの隙間によってアルミニウムシールドから隔てられている。異なる厚さの磁性材料（例えば「フェライト」）を有するソース共振器コイル402について、車台の存在無しまたは有りの場合の条件下で、kの測定が行われる。

いくつかの実施形態では、電力を無線で受信するように構成されたデバイスは、デバイス共振器とデバイス電子機器の両方を統合して収容することができる。図5Aは、デバイス共振器コイル502、磁性材料504、及び導電性（例えば、アルミニウム製）シールド506が互いに積み重ねられて電力を無線で受信するように構成されたデバイスの一実施形態を示す概略図である。図5Bは、電力を無線で受信するように構成された装置の別の実施形態の概略図を示す。図5Bの装置は、磁性材料508の中央部分がZ方向に踏み込まれて磁性材料508とシールド506との間に空の領域を形成する「トップハット」構成を有する。デバイス電子機器510は前記空の領域内に配置され、コイル502は、磁性材料508の段付端部の周りに巻かれている。図5Bに示すようにデバイス電子機器510をデバイス共振器内に封入することによって、装置の大幅なコンパクト化を図ることができる。

車両の無線電力伝送システムにおけるソース共振器と受信共振器との間のカップリングkは、受信共振器に近接した車台の存在および性質に部分的に依存する。図6Aおよび6Bは、ソース共振器と受信共振器604との間のカップリングkの測定値を、X方向およびZ方向の両方における共振器の中心間の相対変位の関数として示すプロットである。受信共振器は図5Aに示す共振器と同様であり、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様である。図6Aのプロットは、車台がない場合のカップリングkの測定値を示しており、図6Bのプロットは、アルミニウム製車台の存在下における測定値を示す。図6Aおよび図6Bから明らかなように、車台は、カップリングkの値を約20%低減する。

図7A及び図7Bは、性能指数（U₀）の測定値を、X方向及びZ方向におけるソース共振器602と受信共振器604の中心間の相対変位の関数として示すプロットである。受信共振器は図5Aに示す共振器と同様であり、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様である。図7Aのプロットは、車台がない場合のU₀の測定値を示しており、図7Bのプロットは、アルミニウム製車台の存在下における測定値を示す。図7Aにおいて、ソース共振器の品質係数は約1000であり、受信共振器の品質係数は約380である。図7Bでは、ソース共振器の品質係数は約1000であり、受信共振器の品質係数は約460である。

図8Aおよび図8Bは、カップリングkの測定値をソース共振器602と受信共振器604の中心間のY方向およびZ方向の相対変位の関数として示すプロットである。受信共振器は図5Aに示す共振器と同様であり、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様である。図8Aのプロットは、車台がない場合のkの測定値を示しており、図8Bのプロットは、アルミニウム製車台の存在下における測定値を示す。車台がカップリングkを約20%低減することが明らかである。

図9Aおよび図9Bは、性能指数（U₀）の測定値を、Y方向およびZ方向方向におけるソース共振器602と受信共振器604の中心間の相対変位の関数として示すプロットである。受信共振器は図5Aに示す共振器と同様であり、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様である。図9Aのプロットは、車台がない場合のU₀の測定値を示し、図9Bのプロットは、アルミニウム製車台の存在下における測定値を示す。

図10Aおよび10Bは、カップリングkの測定値を、ソース共振器602と受信共振器604の中心間のX方向およびZ方向の相対変位の関数として示すプロットである。受信共振器は図5Bに示す共振器と同様であり（すなわち、「トップハット」構成）、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様である。図10Aのプロットは、車台がない場合のkの測定値を示しており、図10Bのプロットは、アルミニウム製車台の存在下における測定値を示す。図10Aと図10Bにおけるkの測定値は、それぞれ、図6Aと図6Bのプロットに示された測定値と実質的には異ならない。

図11A及び図11Bは、性能指数（U₀）測定値を、ソース共振器602と受信共振器604のX方向及びZ方向の中心間の相対変位の関数として示すプロットである。受信共振器は図5Bに示す共振器と同様であり（すなわち、「トップハット」構成）、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様である。図11Aのプロットは、車台がない場合のU₀の測定値を示しており、図11Bのプロットは、アルミニウム製車台の存在下における測定値を示す。ソース共振器の品質係数Qは1000であり、受信共振器の品質係数Qは450である。

図12Aおよび12Bは、カップリングkの測定値を、ソース共振器602と受信共振器604の中心間のY方向およびZ方向の相対変位の関数として示すプロットである。受信共振器は図5Bに示す共振器と同様であり（すなわち、「トップハット」構成）、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様である。図12Aのプロットは、車台がない場合のkの測定値を示し、図12Bのプロットは、アルミニウム製車台の存在下における測定値を示す。

図13Aおよび図13Bは、性能指数（U₀）測定値を、ソース共振器602と受信共振器604の中心間のY方向およびZ方向の相対的な変位の関数として示すプロットである。受信共振器は図5Bに示す共振器と同様であり（すなわち、「トップハット」構成）、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様である。図13Aのプロットは、車台がない場合のU₀の測定値を示し、図13Bのプロットは、アルミニウム製車台の存在下での測定値を示す。ソース共振器の品質係数Qは1000であり、受信共振器の品質係数Qは450である。

図14Aおよび図14Bは、カップリングkの測定値を、ソース共振器602と受信共振器604の中心間のX方向およびZ方向の相対変位の関数として示すプロットである。受信共振器は図5Bに示す共振器と同様であり（すなわち、「トップハット」構成）、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様である。図14Aのプロットは、アルミニウム製の車台の存在下におけるkの測定値を示しており、図14Bのプロットは、スチール（例えば、ST1008スチール）製車台の存在下におけるkの測定値を示す。図14Aおよび図14Bから明らかなように、アルミニウム製車台をスチール製の車台に交換することは、カップリングkに大きな影響を与えない。

図15Aおよび図15Bは、品質係数Qoの測定値を、ソース共振器602と受信共振器604の中心間のX方向およびZ方向の相対変位の関数として示すプロットである。受信共振器は図5Bに示す共振器と同様であり（すなわち、「トップハット」構成）、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様である。図15Aのプロットは、スチール製の車台の存在下におけるソース共振器のQo,srcの測定値を示し、図15Bのプロットは、スチール製の車台の存在下での受信（「デバイス」）共振器のQo,devの測定値を示す。ソース共振器のQo,srcおよびレシーバ共振器のQo,devの両方が、アルミニウム製車台の存在下または車台なしにおける測定値と比較して大幅に低減される。

図16Aおよび図16Bは、性能指数（U₀）測定値を、ソース共振器602および受信共振器604の中心間のX方向およびZ方向の相対変位の関数として示すプロットである。受信共振器は図5Bに示す共振器と同様であり（すなわち、「トップハット」構成）、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様である。図16Aのプロットは、アルミニウム製車台の存在下におけるU₀の測定値を示しており、図16Bのプロットは、スチール（「ST1008」）製車台の存在下におけるU₀測定値を示す。

前述の説明から明らかなように、ソース共振器とデバイス共振器との間のカップリングkは、車台の存在によって著しく影響を受ける可能性がある。図60Aおよび60Bは、それぞれ、図44及び図46に示したものと同様のソース共振器とデバイス共振器の間におけるカップリングkの測定値を、ソース共振器とデバイス共振器の中心間のX方向およびY方向の相対変位の関数として示すプロットである。ソース共振器とデバイス共振器は、Z方向に互いに15cmの間隔を置いて配置される。図60Aのプロットは、車台の存在下におけるkの測定値を示しており、図60Bのプロットは、車台が存在しない場合のkの測定値を示す。車台の存在は、カップリングkを10%から15%減少させる。X方向とY方向の両方で最大10cmのオフセットを許容することにより（共振器間の最大オフセットが座標(X,Y,Z)＝(10,10,15)cmに対応するように）、システムは、最小カップリングk＝0.07に良好に整合するはずである。

図61A及び61Bは、図60Aおよび60Bと同じソース共振器とデバイス共振器との間のカップリングkの測定値を、X方向およびY方向におけるソース共振器とデバイス共振器の中心間の相対変位の関数として示すプロットである。ソース共振器とデバイス共振器は、Z方向に互いに10cm離れている。図61Aのプロットは、車台の存在下におけるkの測定値を示しており、図61Bのプロットは、車台が存在しない場合のkの測定値を示す。車台の存在は、カップリングkを1%から8%減少させる。

図62は、共振器コイル6202、磁性部材6204、第１導電性シールド6206、および第２導電性シールド6208を含む受信共振器の概略図を示す。受信共振器は、スチール（例えばST1008）製の車台6210に近接して配置される。第２導電性シールド6208は、アルミニウムで形成され、側面長さ6212を有する正方形である。

車台6210によるカップリング損失の緩和に対する第２導電性シールド6208のサイズの影響を調べるために、第２導電性シールド6208の側面長さ6212を50cmから150cmまで変化させ、無線電力伝送システムにおけるソース共振器および受信共振器の両方のQ因子を測定する。ソース共振器及び受信共振器は、それぞれ図44及び図46に示すものと同様である。図63は、ソース共振器（曲線6302）および受信共振器（曲線6304）について測定されたQ因子を、第２導電性シールド6208の側面長さ6212の関数として示すプロットである。ソース共振器および受信共振器は、互いにX方向およびY方向の両方で10cm、Z方向に10cmの間隔で配置されるが、これはソース共振器に対する車台の効果が最大になる相対的なオフセットである。図63から明らかなように、第２導電性シールド6208の側面長さ6212は、スチール製の車台6210の損失効果を緩和するために、80cm以上であることが好ましい。

＜インピーダンス整合ネットワークおよび電子部品＞
様々なインピーダンス整合ネットワークおよび構成を、本明細書に開示された無線電力伝送システムに使用することにより、ソース共振器と受信共振器との間における電力の効率的な伝達を確実にすることができる。インピーダンス整合ネットワークの様々な特徴および態様は、例えば、米国特許出願公開第2012/0242225号に記載されており、その全内容を参照により本明細書に組み込む。

図17Aは、「均衡LCL」整合方式を実施するソース共振器のインピーダンス整合ネットワークの一例を示す概略図である。図17Bは、「均衡直列」整合方式を実施する受信共振器のインピーダンス整合ネットワークの一例を示す概略図である。これらのインピーダンス整合回路ネットワークは、例えば、3kWを超える、さらには7kWを超える電力レベルで使用することができる。

いくつかの実施形態では、無線電力伝送システムは、約1000の品質係数Q 0,srcを有するソース共振器と、約450の品質係数Q 0,devを有する受信共振器とを含むことができる。このシステムの最大カップリングk値は、約0.12とすることができる。X−Z平面において、無線電力伝送システムのソース共振器および受信共振器の最小カップリングk値（図6A〜図6B、図7A〜図7B、図10A〜図10B、図11A〜11B、および図14A〜図14Bを参照）は、約0.08とすることができる。Y−Z平面における無線電力伝送システムのソース共振器及び受信共振器の最小カップリングk値（図8A〜図8B、図9A〜図9B、図12A〜図12B、および図13A〜図13Bを参照）は、約0.06とすることができる。

特定の実施形態では、受信共振器のインピーダンス整合点は、インピーダンス整合ネットワーク及びダイオードを含むデバイス内で消費する最大電力が300W未満（例えば、275W未満、250W未満、225W未満、200W未満）となるように選択することができる。

インピーダンス整合ネットワークは、一般に、様々な異なる電子部品を含むことができる。例えば、特定のインピーダンス整合ネットワークは、約2000V（ピーク電圧）に定格されて品質係数Qcspが約20であるセラミックコンデンサ（例えば、ニューヨーク在所American Technical Ceramics Corp.、Huntington Stationから入手可能な800Eシリーズのコンデンサ）を含むことができる。特定の実施形態では、コンデンサ電圧定格は、共振器コイルの目標インダクタンスを決定することができる。例えば、上記のコンデンサの定格は、インダクタンスL＝40μHのソース共振器コイルとC_1a＝C_1b＝C₂＝263nFの容量値に対応し、インダクタンスL＝100μHのレシーバ共振器コイルと容量値C_1a＝C_1b＝70.1nFの容量値に対応することができる。他のタイプのより安価なコンデンサを、例えばフィルムコンデンサを含む特定の実施形態で使用することができる。

図18Aおよび図18Bは、アルミニウム製車台の存在下における、図5Bに示す受信共振器を有するデバイスの出力電圧の関数としての、測定されたデバイス側負荷インピーダンスのプロットである。図18Aは、3.7kWの電力レベルに対して測定された装置側負荷インピーダンスを示し、図18Bは、7.4kWの電力レベルに対して測定された装置側負荷インピーダンスを示す。

図19Aおよび図19Bは、アルミニウム製の車台の存在下における、図5Bに示す受信共振器を有するデバイスの出力電圧の関数としての、増幅器からバッテリまでの効率のプロットである。図19Aは、3.7kWの電力レベルに対してカップリングk値が0.12（曲線1902）、0.08（曲線1904）、および0.06（曲線1906）における増幅器からバッテリまでの効率を示す。図19Bは、7.4kWの電力レベルに対してカップリングk値が0.12（曲線1908）、0.08（曲線1910）、および0.06（曲線1912）における増幅器からバッテリまでの効率を示す。いくつかの実施形態では、カップリングk値が低い時の効率値は、低い性能値U_dに整合させることによって改善することができる。

図20A及び図20Bは、アルミニウム製車台の存在下における、ソース（図3Bに示すソース共振器に対応する共振器を有する）と、デバイス（図5Bに示す受信共振器に対応する受信共振器を有する）とにおける消費電力の、出力電圧の関数としてのプロットである。図20Aは、0.12（曲線2002）、0.08（曲線2004）、0.06（曲線2006）のカップリングk値を有するソース内と、電力レベル3.7kWにおけるデバイス（曲線2008）内の消費電力を示す。図20Bは、0.12（曲線2010）、0.08（曲線2012）、0.06（曲線2014）のカップリングk値を有するソース内と、電力レベル7.4kWにおけるデバイス（曲線2016）内の消費電力を示す。

図21Aおよび図21Bは、アルミニウム製車台の存在下における、ソース（図3Bに示すソース共振器に対応する共振器を有する）およびデバイス（図5Bに示す受信共振器に対応する共振器を有する）を含むシステムのインピーダンス整合ネットワーク内の1つ以上のコンデンサの全体で測定された電圧（Vrms）の、出力電圧の関数としての消費電力のプロットである。図21Aおよび図21Bの電圧は、図17Aと図17BのコンデンサC_1aおよびC_1bの全体で測定されたものである。図21Aは、0.12（曲線2104）、0.08（曲線2106）、および0.06（曲線2108）のカップリングk値を有するソース、および3.7kWの電力レベルのデバイス（曲線2102）に対するコンデンサC₁の全体のRMS電圧を示す。図21Bは、0.12（曲線2112）、0.08（曲線2114）、および0.06（曲線2116）のカップリングk値を有するソース、および7.4kWの電力レベルのデバイス（曲線2110）に対するコンデンサC₁の全体のRMS電圧を示す。

図22A及び図22Bは、アルミニウム製車台の存在下における、無線電力伝送システム内の共振器に取り付けられた（すなわち、図3Bに示す共振器のようなソース共振器に取り付けられ、図5Bに示す受信共振器に取り付けられた）磁性部材において測定された磁界（mT）の、出力電圧の関数としてのプロットである。図22A及び図22Bに示す測定値では、磁性部材は5mmのフェライト片から形成される。図22Aは、0.12（曲線2204）、0.08（曲線2206）、および0.06（曲線2208）のカップリングk値に対するソース共振器の磁性部材および3.7kWの電力レベルにおける受信共振器（曲線2202）における磁界を示す。図22Bは、0.12（曲線2212）、0.08（曲線2214）、および0.06（曲線2216）のカップリングk値に対するソース共振器の磁性部材および7.4kWの電力レベルにおける受信共振器（曲線2210）における磁界を示す。

図23は、デバイス電子機器110の実施形態の概略回路図を示す。デバイス電子機器は、直列コンデンサ2304および2306によって表される直列同調を有するデバイス共振器コイル2302を含む。デバイス電子機器は、半波長または全波長整流ステージ2310、１つ以上のフィルタ2312、および／またはDC−DCコンバータ2314を含むことができる。DC−DCコンバータ2314は、改善されたおよび／または最適なインピーダンス整合値を達成するためにデバイスが見る負荷インピーダンスを調整するために使用することができる。負荷112は、例えばバッテリ2316などの様々な電子デバイスに対応することができる。いくつかの実施形態では、DC−DCコンバータ2314は、コンデンサC_1aおよびC_1bの全体の電圧を最小にするブーストコンバータとすることができる。特定の実施形態では、DC−DCコンバータ2314は、整流ダイオードの損失を低減するためのバックコンバータとすることができる。

図24Aおよび図24Bは、アルミニウム製の車台の存在下における、受信共振器（図5Bに示す受信共振器など）を有するデバイスのDC−DCブースト変換比を出力電圧の関数として示すプロットである。図24Aは、3.7kWの電力レベルで0.12（曲線2402）、0.08（曲線2404）、および0.06（曲線2406）のカップリングk値を有する受信共振器を有するデバイスのDC−DC変換比を示す。図24Bは、7.4kWの電力レベルで0.12（曲線2402）、0.08（曲線2404）、および0.06（曲線2406）のカップリングk値を有する受信共振器を有するデバイスのDC−DC変換比を示す。いくつかの実施形態では、約4：1のDC−DCブースト変換比は、ソース共振器とデバイス共振器間の様々な位置オフセットならびに出力電圧に対する3.7kWと7.4kWの両方での動作に最適であり得る。

図25Aおよび図25Bは、アルミニウム製車台の存在下における、受信共振器（図5Bに示す受信共振器など）を備えたデバイスの増幅器対コンバータ効率を、出力電圧の関数として示すプロットである。図25Aは、3.7kWの電力レベルで0.12（曲線2502）、0.08（曲線2504）、および0.06（曲線2506）のカップリングk値を有する受信共振器を有するデバイスの効率を示す。図25Bは、7.4kWの出力レベルで0.12（曲線2502）、0.08（曲線2504）、および0.06（曲線2506）のカップリングk値を有する受信共振器を有するデバイスの効率を示す。

図26Aおよび図26Bは、アルミニウム製車台の存在下における、ソース共振器（図3Bに示すソース共振器など）および受信共振器（図5Bに示す受信共振器など）を含むデバイスで消費する電力を、出力電圧の関数として示すプロットである。図26Aは、3.7kWの電力レベルにおいて、カップリングk値が0.12（曲線2602）、0.08（曲線2604）、および0.06（曲線2606）であるソース内と、カップリングk値が0.12（曲線2608）、0.08（曲線2610）、および0.06（曲線2612）のデバイス内で消費する電力を示す。図26Bは、7.4kWの電力レベルにおいて、カップリングk値が0.12（曲線2614）、0.08（曲線2616）、および0.06（曲線2618）であるソース内と、カップリングk値が0.12（曲線2620）、0.08（曲線2622）、および0.06（曲線2624）のデバイス内で消費する電力を示す。

図27Aおよび図27Bは、アルミニウム製車台の存在下における、ソース共振器（図3Bに示すソース共振器など）を含むソース内、および受信共振器（図5Bに示す受信共振器など）を含むデバイス内における、１つ以上の整合ネットワークコンデンサの全体における測定電圧を、出力電圧の関数として示すプロットである。図27Aは、3.7kWの電力レベルにおいて、カップリングk値が0.12（曲線2702）、0.08（曲線2704）、および0.06（曲線2706）であるソース内における１つ以上の整合ネットワークコンデンサの全体と、カップリングk値が0.12（曲線2708）、0.08（曲線2710）、および0.06（曲線2712）のデバイス内における１つ以上の整合ネットワークコンデンサの全体の電圧を示す。図27Bは、7.4kWの電力レベルにおいて、カップリングk値が0.12（曲線2714）、0.08（曲線2716）、および0.06（曲線2718）であるソース内における１つ以上の整合ネットワークコンデンサの全体と、カップリングk値が0.12（曲線2720）、0.08（曲線2722）、および0.06（曲線2724）のデバイス内における１つ以上の整合ネットワークコンデンサの全体の電圧を示す。

図28Aおよび図28Bは、アルミニウム製車台の存在下における、無線電力伝送システム内のソース共振器および受信共振器に取り付けられた磁性部材において測定された磁界（mT）の出力電圧の関数としてのプロットであり、ソース共振器は図3Bに示す共振器と同様であり、受信共振器は図5Bに示す共振器と同様である。図28Aは、3.7kWの電力レベルにおいて、カップリングk値が0.12（曲線2802）、0.08（曲線2804）、および0.06（曲線2806）であるソースの磁性部材と、カップリングk値が0.12（曲線2808）、0.08（曲線2810）、および0.06（曲線2812）のデバイスの磁性部材において測定された磁界を示す。図28Bは、7.4kWの電力レベルにおいて、カップリングk値が0.12（曲線2814）、0.08（曲線2816）、および0.06（曲線2818）であるソースの磁性部材と、カップリングk値が0.12（曲線2820）、0.08（曲線2822）、および0.06（曲線2824）のデバイスの磁性部材において測定された磁界を示す。

いくつかの実施形態では、無線電力伝送システムは、ソース共振器および／または受信共振器のインピーダンスを可変に調整するために、切り替え可能なマルチタップ変圧器を含むことができる。いくつかの実施形態では、無線電力伝送システムは、出力インピーダンスを変調するために、DC−DCコンバータを含むことができる。

＜共振器の構成＞
様々な異なる共振器の構成を無線電力伝送システムに使用することができる。本セクションでは、このような構成の例とその特定のパフォーマンス特性について説明する。

図29A〜図29Dは、無線電力伝送システム用の共振器コイルの例示的な実施形態を示す概略図である。図29A〜図29Dの各々において、共振器の巻線長2914および全長2916は変化する。図29A〜29Dの各々において、磁性部材2904のサイズは50cm×50cm×5mmであり、シールド2902のサイズは60cm×60cmである。磁性部材2904はフェライトから形成され、シールド2902はアルミニウムから形成される。図29Aは、最小長さが400mmで最小全長50mmの共振器コイル2906を示す。図29Bは、最大長さが500mmで最小全長が50mmの共振器コイル2908を示す。図29Cは、最小長さが400mmで最大全長が175mmの共振器コイル2910を示す。図29Dは、最大長さが500mmで最大全長が175mmの共振器コイル2912を示す。図29A〜図29Dに示す共振器は、ソース共振器（図3Bに示すソース共振器など）として使用することができる。

図30Aは、コイル表面から表面までのZオフセットを測定したときの、受信共振器コイルに対する(Χ,Ｙ,Ζ)＝(10,10,15)cmのおおよそのオフセットで測定されたソース共振器コイルの巻線長さおよび全長の関数としての、カップリング速度kのプロットである。受信共振器の寸法は25mm×50mmである。図30Aに示すように、より大きなカップリングkを有する暗領域3002は、500mmの巻線長さおよび130mmの巻付全長が特定のソース共振器のコイル寸法に対してより高いカップリングをもたらすことを示す。図30Bは、コイル表面から表面までのZオフセットが測定されたときの、図30Aのソース共振器および受信共振器と同一の受信共振器コイルに対する(Χ,Ｙ,Ζ)＝(10,10,15)cmのおおよそのオフセットで測定されたソース共振器のコイルの巻線長さおよび全長の関数としての、性能指数U₀のプロットである。

図31A〜図31Dは、無線電力伝送システム用の共振器コイルの例示的な実施形態を示す概略図である。図31A〜図31Dの各々において、巻線のギャップ間距離3114および全長3116は変化する。図31A〜図31Dにおいて、磁性部材3104のサイズは20cm×45cm×5mmであり、シールド3102のサイズは25cm×50cmである。磁性部材3104はフェライトから形成され、シールド3102はアルミニウムから形成される。図31Aは、0mmの最小ギャップ間距離および25mmの最小全長を有する共振器コイル3106を示す。図31Bは、20mmの最大ギャップ間距離および25mmの最小全長を有する共振器コイル3108を示す。図31Cは、0mmの最小ギャップ間距離および50mmの最大全長を有する共振器コイル3110を示す。図31Dは、20mmの最大ギャップ間距離および50mmの最大全長を有する共振器コイル3112を示す。図31A〜図31Dに示す共振器は、例えばデバイス内のレシーバ共振器として使用することができる。

図32Aは、図31A〜31Dの共振器の、共振器コイル巻線のギャップ間距離および全長の関数としてのカップリングkのプロットである。最大カップリングは、ギャップ間距離0mmおよび全長50mmを有する共振器コイルに対して達成される。図32Bは図31A〜31Dの共振器の、共振器コイル巻線のギャップ間距離および全長の関数としての性能指数U₀のプロットである。

図33Aおよび図33Bは、図29A〜図29Dに示すタイプのソース共振器と図31A〜図31Dに示すタイプのデバイス共振器との間のカップリングkの、X方向およびY方向の共振器間の相対的なオフセットの関数としてプロットである。図33Aは、Z方向の共振器間の相対的なオフセット10cmのカップリングkを示し、図33Bは、Z方向の共振器間の相対的なオフセット15cmに対するカップリングkを示す。

図34Aおよび図34Bは、図29A〜図29Dに示すタイプのソース共振器と図31A〜図31Dに示すタイプのデバイス共振器を含む無線電力伝送システムの性能指数U₀の、X方向およびY方向の共振器間の相対的なオフセットの関数としてのプロットである。図34Aは、Z方向の共振器間の相対的なオフセットが10cmである場合の性能指数U₀を示し、図34Bは、Z方向における共振器間の相対的なオフセットが15cmである場合の性能指数U₀を示す。

＜付加的インピーダンス整合ネットワークトポロジ＞
上述したインピーダンス整合ネットワークに加えて、付加的インピーダンス整合ネットワークトポロジを、本明細書に開示される無線電力システムに使用することもできる。図35Aおよび図35Bは、デバイス電子機器110で使用される整合ネットワークの概略図である。図35Aはデルタコンデンサ整合ネットワーク3502を示し、図35Bは、ワイコンデンサ整合ネットワーク3504を示す。2つのコンデンサネットワークは、「デルタ−ワイ」変換を介して互いに等価である。デバイスをバッテリ電圧および変化する出力電力として比較的平坦に持続する有効インピーダンスに整合させるデルタネットワークおよびワイネットワークが望ましい場合がある。したがって、無線電力伝送システムは、いずれかのトポロジの整合ネットワークを含むことができる。いくつかの実施形態では、「デルタ−ワイ」整合ネットワークのいずれかを実装することは、所与の電圧定格の最小コンデンサを使用するネットワークによって導かれ、そのネットワークの実装を他方の実装よりも安価にする。

図36は、デバイス内のデルタインピーダンス整合ネットワーク（3602）及びワイインピーダンス整合ネットワーク（3604）に対するコンデンサの最小総数のプロットである。デバイス整合ポイントU_dは、全体的な効率に影響を及ぼし、消費電力がソースとデバイスの間でどのように分配されるかを決定する。U_d値が高いほど、デバイス内の消費電力がより少なく、またソース内の消費電力がより多く消費されることを意味する。デルタ整合ネットワークおよび／またはワイ整合ネットワークを使用して、共振器間の最大相対オフセットで、ソースおよびデバイスにおいてほぼ等しい電力が消費するように、U_d＝50に整合させることができる。いくつかの実施形態では、デルタネットワーク3602上でポイント3606（Ld＝37.5μH）を選択して、コンデンサおよびインダクタンスの数を最小にすることができる。インダクタンスが小さいほど、巻線の全体の電圧をより低減することができる。

図37は、デバイス電子機器110で使用するためのインピーダンス整合ネットワークトポロジの実施形態を示す概略図である。一例として、図37では、様々な回路構成要素の位置は、L_3a＝L_3b＝25μΗ、Ca＝24.8nF、C_b1＝C_b2＝39nF、およびCc＝71.8nFの値を有することができる。本トポロジは、より少ない部品位置を有するトポロジと比較して、デバイスのインピーダンス整合の付加的自由度を提供する。位置C_b1およびC_b2の構成要素は、図35Aに示すインピーダンス整合ネットワークの均衡を提供することに留意されたい。図37に示すインピーダンス整合ネットワークトポロジの付加的特徴は、例えば、米国特許第8,461,719号に開示されており、その全内容を参照により本明細書に組み込む。

図38は、（図35Aに示すような）デルタ型インピーダンス整合ネットワークを有する受信共振器を含む装置における出力電圧の関数としての、性能指数Uのプロットである。曲線3802は、7.0kWの出力電力に対するデバイス整合インピーダンスの抵抗成分である性能指数U_dRを示す。曲線3804は、3.5kWの出力電力に対するデバイス整合インピーダンスの抵抗成分である性能指数U_dRを示す。曲線3806は、7.0kWの出力電力に対するデバイス整合インピーダンスの無効成分である性能指数U_dxを示す。曲線3808は、3.5kWの出力電力に対するデバイス整合インピーダンスの無効成分である性能指数U_dxを示す。デバイス整合インピーダンスの無効成分は、一般に抵抗成分よりも小さいため、デバイス共振器は、共振から著しく離調することはない。さらに、これらの条件では、ソース内の電流が過度に増加してオフレゾナンスデバイス共振器を駆動することはない。

図39は、出力電圧の関数としての、デルタ型インピーダンス整合ネットワークを使用して整合されるソース共振器および受信共振器で消費する電力を示すプロットである。ソース共振器及び受信共振器のシステムは、カップリングkが0.08である。曲線3902は、7.0kWの出力電力において、ソース共振器コイルおよび整合ネットワーク内の１つ以上のコンデンサで消費する電力を示す。曲線3904は、3.5kWの出力電力で、ソース共振器コイルおよび整合ネットワーク内の１つ以上のコンデンサで消費する電力を示す。曲線3906は、7.0kWの出力電力で、受信共振器コイルおよび整合ネットワーク内の１つ以上のソース側コンデンサで消費する電力を示す。曲線3908は、3.5kWの出力電力で、受信共振器コイルおよび整合ネットワーク内の１つ以上のデバイス側コンデンサで消費する電力を示す。

図40は、ソース共振器およびデバイス共振器内の最大磁界を、カップリングkが0.08であるソース共振器およびデバイス共振器を含む無線電力伝送システムの出力電圧の関数として示すプロットである。曲線4002は、7.0kWの出力電力におけるソース共振器内の最大磁界を示す。曲線4004は、3.5kWの出力電力におけるソース共振器内の最大磁界を示す。曲線4006は、7.0kWの出力電力におけるデバイス共振器内の最大磁界を示す。曲線4008は、3.5kWの出力電力におけるデバイス共振器内の最大磁界を示す。

図41は、出力電圧の関数としての、デバイスの受信共振器（曲線4102〜4112）およびソース共振器（曲線4114〜4116）におけるデルタ整合ネットワークの１つ以上のコンデンサの全体の電圧を示すプロットである。曲線4102は、7.0kWの出力電力における図37のコンデンサC_aの全体の電圧を示す。曲線4104は、3.5kWの出力電力における図37のコンデンサC_a全体の電圧を示す。曲線4106は、7.0kWの出力電力における図37のコンデンサC_bの全体の電圧を示す。曲線4108は、3.5kWの出力電力における図37のコンデンサC_bの全体の電圧を示す。曲線4110は、7.0kWの出力電力における図37のコンデンサC_cの全体の電圧を示す。曲線4112は、3.5kWの出力電力における図37のコンデンサC_c全体の電圧を示す。曲線4114は、7.0kWの出力電力におけるソースコンデンサの全体の電圧を示す。曲線4116は、3.5kWの出力電力におけるソースコンデンサの全体の電圧を示す。

特定の共振器構成および電力供給仕様のためにインピーダンス整合ネットワークを最適化することは、ネットワーク用の電子構成要素の選択を含む。例えば、図35Aに示すデルタ整合ネットワークに関して、選択される１つの要素は、インダクタンス値L₃である。L₃が小さすぎると、整流器のダイオードは発振期間のほんのわずかの間しか導通しないため、一定量の電力を転送するためには、ダイオードを通るピーク電流を大きくしなければならず、これによりダイオードにおける電力消費が増加する。さらに、L₃を流れる電流もまたピークが高くなり、高調波成分が多くなり、インダクタの損失を招く。逆に、L₃の値が大きいと、インピーダンス整合ネットワークに過大なESRを加える可能性がある。したがって、L₃の値は、これらの競合する効果のバランスをとるように選択される。

図64Aおよび64Bは、6.6kWをV_dc＝420Vの負荷に供給するためのダイオードおよびインダクタンス値L₃を通るピーク電流を示すプロットである。L₃＝20μHのコンデンサ（図64A）では、ピーク電流は34.5Aである。L₃＝50μHのコンデンサ（図64B）では、ピーク電流は26.7Aである。

図65Aおよび図65Bは、3.3kWをV_dc＝420Vの負荷に供給するためのダイオードおよびインダクタンス値L₃を通るピーク電流を示すプロットである。L₃＝20μHのコンデンサ（図65A）では、ピーク電流は19.9Aである。L₃＝50μHのコンデンサ（図65B）では、ピーク電流は15.3Aである。

上述したように、インピーダンス整合ネットワークの構成が一旦決定すると、ネットワーク構成を最適化することができる。一般に、デバイス整合ポイントU_dは、無線電力伝送の全体的な効率、およびソースとデバイスとの間で電力がどのように消費するかに影響を及ぼす。U_dの値が高いほど、ソースで消費電力が多く、デバイスで消費電力が少なくなることを意味する。インピーダンス整合ネットワークは、ソース共振器とデバイス共振器との間の最大オフセット（すなわち、k＝0.07）でU_d＝50（すなわち、ソースおよびデバイスでの等しい電力損失）の条件を満たすように最適化することができる。インピーダンス整合ネットワークの最適な構成は、一般に、許容範囲内で最適化条件を満たしながら最小数のコンデンサを使用する構成である。

図66Aおよび図66Bは、デバイスのインピーダンス整合ネットワーク内のコンデンサの数を、800E直列コンデンサ（アメリカン・テクニカル・セラミックス・コーポレーション）（図66A）およびフィルムコンデンサ（ドイツ、ミュンヘン在所EPCOSより入手可能）に対するデバイスの受信共振器コイルインダクタンスのインダクタンスの関数として示すプロットである。各プロットは、デルタ整合ネットワークとワイ整合ネットワークの両方の結果を示す。図66Aは、2000Vpeak電圧および6.6kWのコンデンサに対応し、目標U_dは50である。図66Bは、600VのRMS電圧および6.6kWのコンデンサに対応し、目標U_dは50である。

使用するコンデンサのタイプ（すなわち800 Eシリーズコンデンサ）と受信共振器コイルのインダクタンス（43.5μH、これは８ループの導電性材料で実現可能）を選択後、インピーダンス整合条件（U_d＝50）に従って、インピーダンス整合ネットワーク内における異なるコンデンサの数と静電容量値とが選択され、インピーダンス整合条件を達成するために使用されるコンデンサの数を可能な限り少なくしなければならないという制約がさらに課される。

図67は、最適化されたデバイスインピーダンス整合ネットワークの概略図である。最適化されたネットワークでは、L_3a＝L_3b＝25μH、C_a＝28.6nF（5x5.1nF+1x3.0nFの800 Eコンデンサで実現）、C_b1＝C_b2＝36.8nF（7x5.1 nF+1x1.0nFの800 Eシリーズコンデンサで実現）、C₃＝51.0nF（10x5.1nFの800 Eシリーズコンデンサで実現）である。最適化されたネットワークで使用されるコンデンサの総数は３２である。最適化されたネットワークは、図5Bに示す「トップハット」共振器の空きボリューム内に収まるように幾何学的に十分に小さい。

図68は、性能指数U_dを0.07のカップリングk値で最適化されたインピーダンス整合ネットワークの出力電圧の関数として示すプロットである。目標U_d＝50は、3.3kWの出力（曲線6802）および6.6kWの出力（曲線6804）におけるU_dの抵抗成分については、300V〜400Vの間（具体的には約350V）で達成されるが、6.6kW出力（曲線6806）または3.3kW出力（曲線6808）におけるU_dの無効成分については達成されない。

図69は、ソース共振器と受信共振器間のカップリング値k＝0.07を有する最適化されたデバイスインピーダンス整合ネットワークを有する無線電力伝送システムのソースの様々な構成要素において消費する電力の量を示すプロットである。曲線6902、曲線6904、曲線6906、および曲線6908は、7.0kWの出力電力で、ソース共振器のコイル巻線、シールド、フェライト磁性部材、およびコンデンサで消費される電力を示す。曲線6910、曲線6912、曲線6914、および曲線6916は、3.5kWの出力電力で、ソースの共振器コイル巻線、シールド、フェライト磁性部材、およびコンデンサで消費される電力を示す。

図70は、ソース共振器と受信共振器間のカップリング値k＝0.07を有する最適化されたデバイスインピーダンス整合ネットワークを有する無線電力伝送システムのデバイスの様々な構成要素において消費する電力の量を示すプロットである。曲線7002、曲線7004、曲線7006、および曲線7008は、7.0kWの出力電力で、デバイスの受信コイル巻線、シールド、フェライト磁性部材、およびコンデンサで消費される電力を示す。曲線7010、曲線7012、曲線7014、および曲線7016は、3.5kWの出力電力で、デバイスの受信コイル巻線、シールド、フェライト磁性部材、およびコンデンサで消費される電力を示す。

図71は、フェライト磁性部材内の磁界を、ソース共振器と受信共振器間のカップリング値k＝0.07を有する最適化されたデバイスインピーダンス整合ネットワークを有する無線電力伝送システムの出力電圧の関数として示すプロットである。曲線7102および曲線7104は、それぞれ6.6kWおよび3.3kWの出力電力におけるソース共振器の磁性部材内の磁界を示す。曲線7106および曲線7108は、それぞれ6.6kWおよび3.3kWの出力電力におけるデバイスの受信共振器の磁性部材内の磁界を示す。

図72は、コンデンサ全体の電圧を、ソース共振器と受信共振器間のカップリング値k＝0.07を有する最適化されたデバイスインピーダンス整合ネットワークを有する無線電力伝送システムの出力電圧の関数として示すプロットである。曲線7202および曲線7204は、それぞれ6.6kWおよび3.3kWの出力電力におけるC_aの全体の電圧を示す。曲線7206および曲線7208は、それぞれ6.6kWおよび3.3kWの出力電力におけるC_bの全体の電圧を示す。曲線7210および曲線7212は、それぞれ6.6kWおよび3.3kWの出力電力におけるC_cの全体の電圧を示す。

図73は、ソース共振器コイルとデバイスの受信共振器コイルを流れる電流を、ソース共振器と受信共振器間のカップリング値k＝0.07を有する最適化されたデバイスインピーダンス整合ネットワークを有する無線電力伝送システムの出力電圧の関数として示すプロットである。曲線7302および曲線7304は、それぞれ6.6kWおよび3.3kWの出力電力におけるソース共振器コイルを流れる電流を示す。曲線7306および曲線7308は、それぞれ6.6kWおよび3.3kWの出力電力におけるデバイスの受信共振器コイルを流れる電流を示す。

＜付加的な共振器の構成＞
図42は、磁性材料（例えば、フェライト）のタイル4202のアレイから形成された磁性部材の実施形態を示す概略図である。いくつかの実施形態では、フェライトタイル4202は、約150mm×100mmの寸法と、約5mmまたは8mm以上の厚みを有することができる。特定の実施形態において、フェライトタイル4202は、隣接するタイルの間に約0.4mmの等間隔が存在するように配置することができる。いくつかの実施形態では、磁性部材の最大寸法は、約500mm×500mmとすることができる。

一般に、磁性部材の中央領域は空のままにするか（図42のように）、または追加の磁性材料で充填することができる。いくつかの実施形態では、磁性部材は、図43に示すように、共振器内で約40mmだけアルミニウムシールド4302から離間させることができる。図42および図43に示す磁性部材は、典型的には、ソース共振器内で使用される。

図44は、アルミニウムシールド4302の上方に隙間をあけて配置された磁性部材4202に取り付けられたソース共振器コイル4402の実施形態の画像を示す。図44において、ソース共振器コイルは、磁性部材と同様の外形寸法（すなわち、約500mm×500mm）を有し、共振器コイル巻線全長4404は約130mmであり、コイル巻線は、約240mm四方の内のり寸法を有する。

一般に、より高い共振器Q因子は、複数の共振器コイルを共振器内で並列に巻くことによって達成することができる。図44において、目標インダクタンス値を達成するために、３つのコイルが、各コイルの最小５ループと並列に巻かれる。

図45Aおよび45Bは、それぞれ、フェライトタイル4502のアレイから形成された磁性部材の実施形態を示す概略図および画像である。いくつかの実施形態では、フェライトタイル4502は、約150mm×100mmの寸法と、約5mmまたは8mm以上の厚さを有することができる。特定の実施形態では、フェライトタイル4502は、タイル間に約0.4mmの等間隔をおいて配置することができる。いくつかの実施形態では、磁性部材の最大寸法は、約200mm×450mmとすることができる。図45Aおよび図45Bに示す磁性部材は、典型的には、デバイスの受信共振器内で使用される。

図46は、磁性部材4502に取り付けられたデバイス受信共振器コイル4602の実施形態の画像である。図46において、デバイス受信共振器コイルは、図42に示す磁性部材と同様の外形寸法（すなわち、約200mm×450mm）を有する。図42の受信共振器コイルは、図45の磁性部材の表面に7つのループを形成する単一のワイヤを含む。デバイス受信共振器コイル4602のインダクタンスは約33.1μHであり、品質係数は約591である。

図47Aは、磁性部材4704にに取り付けられたソース共振器コイル4706の実施形態の概略図である。いくつかの実施形態では、磁性部材4704は、例えば、約50cm×50cmの寸法と、約5mm、約8mm、またはそれ以上の厚さとを有することができる。コイル4706と磁性部材4704は、シールド4702の上方にシールド4702から間隔をあけて配置される。特定の実施形態では、シールド4702は、例えば、アルミニウムのような導電性材料から形成され、約60cm×60cmの寸法を有する）。いくつかの実施形態では、磁性部材4704とシールド4702との間のギャップ4708は、約50mmとすることができる。特定の実施形態では、コイル4706のインダクタンスは約19.9μH、品質係数は約1150であってもよい。特定の実施形態では、コイル4706は、それぞれ異なるワイヤまたは導電材料から形成されて並列に巻かれた少なくとも三組のコイル巻線を含むことができる。巻線は、高Q共振器コイルを生じるように並列に接続することができる。一例として、各コイル巻線は、目標インダクタンスを達成するために少なくとも５つのループを含むことができる。

図47Bは、磁性部材4712にに取り付けられたデバイス受信共振器コイル4716の実施形態を示す概略図である。いくつかの実施形態では、磁性部材4712は約45cm×20cmの寸法と、約5mm、約8mmもしくはそれ以上の厚さを有することができる。特定の実施形態では、磁性部材4712の中央領域は、図5Bに示すように、デバイス受信共振器コイル4716の内部領域内に突出するように階段状にすることができる。いくつかの実施形態では、共振器コイルの中央における磁性材料の厚さは、他の場所の磁性材料の厚さよりも小さくすることができる。

デバイス受信共振器コイル4716および磁性部材4712は、導電性材料（例えば、アルミニウム）で形成されて例えば約50cm×25cmの寸法を有するシールド4710に取り付けられる。いくつかの実施形態では、デバイス受信共振器コイル4716のインダクタンスは33.3μH、品質係数は約443であってもよい。

図47Aおよび図47Bに示すソース共振器及びデバイス共振器については、コイル間の最大相対オフセットが(Χ,Ｙ,Ζ)＝(10,10,15)に対するカップリングk値は、5mm厚の磁性部材に取り付けられたソース共振器ではk＝0.0707であり、厚さ8mmの磁性部材に取り付けられたソース共振器ではk＝0.0710である。

図48Aは、各角に約10cm×10cmの寸法を有するフェライトタイルと、角の外側に約15cm×10cmの寸法を有するタイルとから形成された磁性部材4802に取り付けられたソース共振器の一実施形態を示す概略図である。この共振器の品質係数は、約1220である。

図48Bは、約15cm×10cmの寸法を有するフェライトタイルから形成された磁性部材4804に取り付けられたソース共振器の実施形態を示す概略図である。この共振器の品質係数は、約1050である。

＜並列巻線を備えた共振器コイル＞
図49は、磁性部材の上方にコイル状に巻回され電気的に並列接続された３つの並列巻線4904、4906、および4908を含むソース共振器4902の実施形態を示す画像である。実施形態において、巻線は、コイルの全体に発生する可能性がある全体的な電圧を低減するために、直列の代わりに電気的に並列接続されてもよい。図49には３つの巻線が示されているが、より一般的には、任意の数の巻線を並列に巻いてコイルを形成し、電気的に並列接続することができる。巻線は、同一または異なるワイヤ直径を有することができ、並列巻線によって形成されるコイルの全体的な形状は、本明細書に開示される異なる形状のいずれであってもよい。本開示の目的のために、コイルの巻線にそれぞれ対応する二組のループは、一組のループが相補的かつ対応する形状を有する場合は物理的に「平行」であり、一組のループを形成する導電性材料と他の一組のループを形成する導電性材料との間の距離は、導電性材料の長さの80%以上に沿って一組のループの対応する部分の間で同じである。２つの巻線のループ間の磁気結合が90%より大きい場合、２つの巻線は物理的に平行であるとみなすことができる。いくつかの実施形態では、ループを形成する導体の対応する部分が互いに平行になるように、一組の並列ループが交互に配置される場合が多い。

いくつかの実施形態では、コイルが複数の並列セットのループ（例えば、巻線）を含む場合、過剰な電流が最も内側のコイル巻線を流れることがある。これは、例えば、最も内側の巻線が、典型的には、中間巻線および外側巻線よりもコイル内の全長が短いために生じる可能性がある。これは、コイル内の巻線の形状、つまり最も内側の巻線は一般に他の巻線よりも平均ループ直径が小さいため、全長が短く、したがって、他の巻線よりも総抵抗およびインダクタンスが小さいからである。その結果、最も内側のコイル巻線には他の巻線と比べて過大な電流が流れる可能性がある。より一般的には、各巻線は典型的には異なる長さを有するため、各巻線に流れる電流は異なり、これらのうちのいくつか（またはすべて）が設計仕様および／または安全ガイドラインを超えることがある。

一般に、いずれか１つのコイル巻線の過剰電流は、過剰電流を有する巻線のより大きな熱放散のために、無線電力伝送中の効率の低下をもたらすことがある。典型的には、放熱は、並列化された各コイル巻線の電流の二乗に比例して増加する。このセクションでは、複数の並列巻線における電流の均衡をとるための様々な方法を開示する。これらの方法の根底にある概括的な目的は、複数のコイル巻線における電流を制御して、巻線に流れる実際の電流が許容可能な許容範囲内における所定のまたは選択された電流分布に等しくなるようにすることである。典型的には、電流の所定の分布は、コイルを構成する巻線を流れる全電流の百分率として表される。例えば、３つの並列巻線を含むコイルの場合、所定の電流分布は、各巻線を流れるコイルによって運ばれる総電流の33.3%（すなわち1/3）に対応することができる。

いくつかの実施形態では、所定の電流分布は、巻線の間における総電流の等しい分割に対応する。したがって、例えば４つの並列巻線を有するコイルの場合、所定の電流分布は、４つの巻線の各々によって搬送される全コイル電流の25%の部分に対応する。

特定の実施形態では、所定の分布は、巻線の間における電流の等しい分割には対応しない。特定の機能性を達成するためには、例えば、コイルの並列巻線の間で全コイル電流を不均一に分割することが有利である場合がある。本明細書で開示される方法およびシステムは、コイルの並列巻線の間における均一および不均一の所定の電流分布を達成するために柔軟に使用することができる。

いくつかの実施形態では、各コイル巻線内の電流を均衡させる（すなわち、名目上は等しくする）ために、コイル巻線は相互に「交差」してねじれてもよい。図49は、位置4910、4912、および4914における３つのそのようなねじれを示している。コイル巻線は次のように交差する。つまり、位置4910で巻線4908は巻線4906と交差し、位置4912で巻線4908は巻線4904と交差し、位置4914で巻線4906は巻線4904と交差する。いくつかの実施形態では、３つのこのようなねじれは、コイル全体の電流をほぼ均衡させるのに十分であり得る。しかしながら、より一般的には、３つのコイルの巻線は、巻線内の電流をより均衡させるために、および各ワイヤが確実に同様の長さを有するようにするために、コイル全体にわたって交差またはねじられてもよい（例えば、任意の数の交差またはねじりを含む）。いくつかの実施形態では、図49の巻線4904、4906、および4908のような３つのコイル巻線を有するコイルについて、巻線のねじれは、コイルの周りの1/3の距離だけ互いに離れていてもよい。より一般的には、n個のコイル巻線を有するコイルの場合、巻線は、ループに沿って測定された単一の巻線ループの全長の1/nの長さだけ離間していてもよい。

典型的には、巻線の間の交差は、巻線の長さをほぼ等しくするために使用される。巻線の長さを等しくすることにより、各巻線は同様の抵抗とインダクタンス値を有し、従って、巻線の各々には、全コイル電流のほぼ均等な部分が流れる。

図50は、ソース共振器（例えば、図47Aに示すソース共振器）の磁性部材の磁界を示すプロットである。図50において、磁性部材は、厚さ5mmのフェライトで形成されている。最大磁界は198Aの電流で170mTである。

図51は、ソース共振器（例えば、図47Aに示すソース共振器）の磁性部材の磁界を示すプロットである。図51において、磁性部材は、厚さ8mmのフェライトで形成されている。最大磁界は198Aの電流で107mTである。

図52は、ソース共振器（例えば、図47Aに示すソース共振器）の磁性部材の磁界を示すプロットである。図52において、磁性部材は、15cm×10cm×8mmのフェライトタイルで形成されている。最大磁界は198Aの電流で101mTである。

図53は、デバイス共振器（図47Bのデバイス共振器など）の磁性部材の磁界を示すプロットである。図53において、磁性部材は厚さ8mmのフェライトで形成されている。

図54Aおよび54Bは、図47Aに示す構成を有するソース共振器の1cm上方にある磁界を示すプロット図である。図55は、対数目盛でプロットした、図47Aに示す構成を有するソース共振器の1cm上方にある磁界を示す図である。

上述のように、いくつかの実施形態では、共振器コイルを形成する並列巻線の電流は、巻線の長さに沿った点で巻線を交差させることによって（例えば、ねじりを用いて）均衡させることができる。複数の並列コイル巻線の電流を均衡させるためには、他の方法も使用可能である。具体的には、例えば図56において、並列巻線5602、5604、および5606の各々の電流は、１つ以上のインダクタを使用して均衡させることができる。図57Aおよび図57Bは、直列に接続され、並列巻線5602、5604、および5606を有する共振器巻線の電流を均衡させるために使用される一組のインダクタ5702、5704、および5706の概略回路図を示す。いくつかの実施形態では、図57Bに示すように、インダクタ5702、5704、および5706の１つまたは複数（または全部）が同調可能である。一般に、直列接続されたインダクタは、それらが接続されているそれぞれの巻線にインダクタンスを加える。適切な量のインダクタンスを巻線の一部または全部に加えることによって、各巻線の実効インダクタンスを調整して、コイルの様々な巻線の間おける所定の電流分布もしくは目標電流分布を達成することができる。

並列巻線5602、5604、および5606（以下、それぞれ巻線1、2、および3、もしくは最も内側の巻線、中間の巻線、および最も外側の巻線と呼ぶ）の電流を均衡させるために、各並列巻線のインダクタンスを測定することができ、並列巻線の電流を均衡させるために、測定されたインダクタンスに基づいてインダクタ5702、5704、および5706を調整することができる。インダクタ5702、5704、および5706は、以下の説明ではそれぞれL₁ ^Δ、L₂ ^Δ、およびL₃ ^Δと称することがある。一般に、様々な調整可能なインダクタをインダクタ5702、5704、および5706に使用することができる。適切な調整可能なインダクタは、例えば、米国特許出願公開第2015/0051750号に開示されており、その全内容を参照により本明細書に組み込む。

以下に説明する方法は、適切なインダクタンス値を有するインダクタを製造時に共振器に包含させることができるように、共振器の製造段階で実施することができる。すなわち、共振コイルの製造が完了したときにコイル巻線のインダクタンスが巻線の間における総コイル電流の特定の所定の分割を達成するように調整されるように、複数の並列コイル巻線を有する直列接続されたインダクタを選択および／または調整する目的で、この方法を実施することができる。上述のように、分割することは巻線の間の名目上等しい電流分布に対応することができるが、不均一な電流分布に対応することもできる。

この方法は、共振器の一部である電子処理装置、もしくは共振器に接続された電子処理装置によって製造後に行うこともできる。電子処理装置は、単一の最適化シーケンスにおいて調整可能なインダクタの適切なインダクタンス値を決定するように構成することができる。あるいは、電子処理装置は、動作環境の変化および／または共振器のパラメータの変化に応じて、較正および再較正等の目的のために、以下に述べるステップを複数回（例えば、所定の時間間隔で、および／またはユーザ信号に応じて）繰り返すように構成することができる。下記は、電子処理装置が実行できる様々なステップの説明である。これらのステップは、共振器コイルの製造前および／または製造後に行うことができ、また設計段階において特定のステップが人間によって実行することができることを理解されたい。

無線電力伝送システムでは、システムの動作中に、１つ以上の電子処理装置（例えば、電子処理装置105および／または電子処理装置111）によって電流均衡化ステップおよび方法を実行することができる。図74は、共振器コイルの並列巻線における電流を均衡させるための一連のステップを含むフローチャート7400である。下記の図74の説明において、上記の３つの並列巻線1、2、および3が参照される。しかしながら、より一般的には、本明細書に開示された方法は、共振器コイルを形成する任意の数の並列巻線における電流を均衡させるために使用できることを理解されたい。

第１のステップ7402において、電子処理装置は、インダクタンス値L₁、L₂、およびL₃によって表される３つの接続された巻線のインダクタンスマトリクスLを決定する。いくつかの実施形態では、L₁が最も内側の巻線であり、L₂が中間巻線であり、L₃が最も外側の巻線である並列巻線を収容するために、L₁＜L₂＜L₃となる。インダクタンスマトリクスLの成分は、巻線の間のカップリングを測定することによって（例えば、図56には図示しない電子処理装置に接続されたインダクタンスセンサを使用することによって）直接得ることができる。電子処理装置は、センサからのカップリング（すなわち、インダクタンス）測定値を受信して、測定値に基づいてマトリクスL内の対角要素の値を決定するように構成される。具体的には、Lにおける対角要素は、他の巻線が電子処理装置によって解放されたときに測定される各巻線のインダクタンスに対応する。他の要素L_i,j＝L_j,iは、接続された巻線jを短絡しながら、接続された巻線iのインダクタンスl_i,jを測定することによって得られる。なぜなら、
であるからである。

角周波数ωで振動する振幅Vの正弦波電圧を並列接続された巻線に印加すると、３つの巻線に流れる電流の振幅は、
によって決定する。

例えば、L₁＝21.9μH、L₂＝23.0μH、およびL₃＝23.7μHの場合、I_1,2＝5.24μH、I_1,3＝6.35μH、およびI_2,3＝5.61μHである。この例では、電子処理装置によって受信されたインダクタンス測定値が、下記のインダクタンスマトリクスを決定するために処理装置によって使用される。

並行接続された巻線1、2、および3全体における共有電圧Vの存在下での対応する電流再分割は、
である。

この電流再分割は、３つの巻線の間における全電流の相対的な再分割に対応する（48.45%、25.36%、26.19%）。したがって、このようなコイルの電流を均衡させない場合、電流I₁は、I₂またはI₃のほぼ２倍になる。

ステップ7404において、電子処理装置は、巻線の間における所望のまたは目標の電流再分割を決定する。目標電流再分割は、メモリまたはデータ記憶装置に記憶されて読み出された一組の値、ユーザによって供給された一組の値、または回路内のハードコードもしくは固定された実装であってもよい。目標電流再分割は、コイル巻線に結合された個々のインダクタンスを調整することによって電子処理装置が達成しようとする性能条件を表す。上述したように、いくつかの実施形態では、目標再分割は、巻線の間における総電流の均等な分割に対応する。この例について、以下にさらに詳しく説明する。しかしながら、より一般的には、本明細書で開示される方法およびシステムは、巻線の間における総電流の任意の目標再分割を達成することができる。

次に、電子処理装置は、プロセスがステップ7408で終了する前に、ステップ7406において、例えば、均一に分割された電流の再分割（すなわち、I₁＝I₂＝I₃）をインダクタンスの最小追加量で達成するために、それぞれL₁およびL₂に直列に追加される修正インダクタンスL₁ ^ΔおよびL₂ ^Δを決定する。L₁ ^ΔおよびL₂ ^Δは、以下によって与えられる。

前記例において、これによりL₁ ^Δ=2.5μHとL₂ ^Δ=0.3μHとなり、修正電流再分割は下記の通りとなる。

上述したように、フローチャート7400の前述の説明は、一例として、３つの巻線1、2、および3と、均一電流再分割とを含む。しかしながら、より一般的には、フローチャート7400に示す電流均衡化の方法は、任意のn個の並列巻線を有するコイルに適用することができ、また、これらの巻線の間における所望の電流再分割を目標とするために適用することができる。したがって、電気的に並列に接続されたn個の並列巻線を有するコイルに対して、電子処理装置は、各巻線の電流を均衡させるために、以下のステップを実行することができる。

まず、ステップ7402において、電子処理装置は、n個の巻線のインダクタンスマトリクスLを決定する。Lの成分は、巻線の間のカップリング（すなわち、インダクタンス）を測定することによって直接得ることができる。マトリクスLの対角要素はそれぞれ、他の巻線が開放されているときに測定された、接続された巻線のインダクタンスである。非対角マトリクス要素L_i,j=L_j,iは、電子処理装置が巻線jを短絡しながら、各巻線iのインダクタンスl_i,jを測定することによって決定される。なぜなら、
であるからである。

次に、ステップ7404において、電子処理装置は、コイル巻線の間における総電流の所望のまたは目標の再分割を決定する。次に、ステップ7406において、電子処理装置は、インダクタの適切なインダクタンス値を決定して、巻き線1〜nに対して直列に追加されたL_i ^Δ _,...,L_n ^Δ（i＝1〜n）の任意の組み合わせからn個の巻線における目標電流再分割を達成する。追加されたインダクタンスL₁ ^Δは、n個の巻線のいずれとも、および互いにも、磁気的にカップリングしないように実装することができる。相互カップリングがないため、インダクタンスL₁ ^ΔはLマトリクスの対角に沿って加算され、Lの他の要素は変更されない。再分割は、電子処理装置が下記の逆マトリクスを計算することによって決定される。
これにより、対応する電流振幅I_i ^Δの再分割は
となる。ここで、Vは、並列接続された巻線の間の共有電圧である。

電子処理装置は、性能指数を最小にするインダクタンスL₁ ^Δ _,...,L_n ^Δの組み合わせを下記のように決定する。
ここで、i＝1〜nではΣI=I_i ^Δであり、nは接続されたコイルの数に等しい。

いくつかの実施形態では、n個の巻線においてほぼ等しい電流再分割をもたらすインダクタンスL_i ^Δ _,...,L_n ^Δの組み合わせは、大きなインダクタ値の追加によってより容易に見出すことができる。他の制約が存在しない場合、L_i ^Δ _,...,L_n ^Δのいくつかの大きな値は、自然に性能指数
を最小限に抑える可能性がある。

例えば、特定の実施形態では、追加されたインダクタンスL₁ ^Δ _,...,L_n ^Δは、巻線のインダクタンスよりもはるかに大きい場合がある。一例として、L₁ ^Δ=…=L_n ^Δ=∞は巻線の間の理想的な電流再分割をもたらす。同様に、追加されたインダクタンスL₁ ^Δ _,...,L_n ^Δが最も誘導性を有する巻線よりもはるかに大きい場合、ほぼ完璧な電流分割を生じる可能性がある。しかしながら、これは実用的な観点からは有用でないかもしれない。実用的な理由から、空間的制約、追加損失の制限、磁性材料の追加量の制限、望ましくない追加の全体的なインダクタンスの制限、および無線電力伝送システムの追加的複雑さの制限は、最適化中の電子処理装置によって考慮されることができる。例えば、巻線の数nは、ソース共振器コイルの全体的なサイズに置かれた空間的制約のために制限されてもよい。いくつかの実施形態では、L₁ ^Δ _,...,L_n ^Δの値の範囲は、巻線の調整されたインダクタンス
以下に制限されてもよい。ここで、aはゼロと、巻線の最大インダクタンスと巻線の最小インダクタンスとの間の差との間の数量である。

特定の実施形態では、付加的なインダクタンスが付加される巻線mの数は、電子処理装置によって決定することができる。追加のインダクタンスが加えられる巻線の数は、巻線の総数n以下に制限されてもよい。いくつかの実施形態では、追加のインダクタンスが加えられる巻線mの数は、n個の巻線すべての電流分布を最適化する前に決定することができる。特定の実施形態では、追加のインダクタンスが追加される巻線mの数の異なる組み合わせを、電流分割の最適化中に反復的に選択することができる。

いくつかの実施形態では、m＝n−1である場合、インダクタが付加されていない1つの巻線は、最大のインダクタンスを有する巻線である。逆に、m＜n−1であれば、最も小さなインダクタンスを有する巻線にインダクタを追加することができ、電流均衡用のインダクタを追加することなく最大のインダクタンスを有するn−m個の巻線を残すことができる。特定の実施形態では、電子処理装置は、外部要因（デバイスの存在、損失性材料の存在など）に応じて巻線のインダクタンスの順序の変化に基づいてインダクタの追加を制御することができる。

例えば、n＝3の巻線およびm＝1の場合、下記のように、追加のインダクタの3つのインダクタンス値のうちの2つをゼロに設定する各最適化において、電子処理装置によって下記の3つの異なる最適化を実行することができる。

電子処理装置は、以下を最小限に抑える追加のインダクタンス(L₁ ^Δ,L₂ ^Δ,L₃ ^Δ)の組み合わせを最適化することができる。
ここで、ΣI=I₁ ^Δ+I₂ ^Δ+I₃ ^Δである。これにより、３つの巻線における３つの最適化された構成と対応する電流分配とが得られる。電子処理装置は、次に、３つの構成を比較して、どの追加のインダクタL₁ ^Δ,L₂ ^Δ,又はL₃ ^Δが電流分配（または別のメトリック）の観点から最良の結果をもたらすかを決定することができる。

いくつかの実施形態では、図57Cに示すように、単一のインダクタ5702を使用して、複数の並列コイル巻線の間でほぼ等しい電流再分割を行うことができる。例えば、巻線5602（最も内側の巻線）に接続された単一のインダクタL₁ ^Δ=2.18μH（すなわちL₂ ^Δ=L₃ ^Δ=0）は、約33.5%〜34.6%〜31.9%の予測分布で、電流再分割を大幅に改善することができる。これらの結果は、各巻線においてほぼ等しい電流分布（例えば、33.3%）の目標の5%以内である。いくつかの実施形態では、最適化は、各巻線の電流分配が目標電流分布の20%以内（例えば、15%以内、10%以内、5%以内）になるまで、電子処理装置によって反復的に実行することができ、巻線の間で均一な電流分布であってもよい（しかし、そうである必要はない）。フローチャート7400に示すプロセスは、ステップ7408で終了する。

特定の実施形態では、他の巻線より長い最も外側の巻線5606（巻線3）は他の巻線の抵抗よりも約8%高い抵抗を生じるため、巻線5606における電流をわずかに減少させることは有利であり得る。いくつかの実施形態では、特定の電流分配が望ましい場合があり、電子処理装置は、より一般的な性能指数
を最小化することができる。ここで、s_iは巻線i（したがってΣⁿ _i=1 s_i=1）に流れる総電流の目標部分である。例えば、巻線のうちの１つは、他の巻線に比べて効果的に冷却されない可能性があるため、電流再分割はそれに応じて変更されてもよい。別の例では、いくつかの巻線は、製造時に予想される抵抗またはインダクタンスとは異なる抵抗またはインダクタンスを有することがあり、電子処理装置は、これらの差を補償することができる。

いくつかの実施形態では、インダクタL₁ ^Δは、磁性材料から形成された一対のコアを含むことができる。例えば、フェライトからなる平面状のEコアを有するインダクタを使用することができる。2mmの間隔と4ターンの4200/44リッツワイヤを有するインダクタの場合、インダクタL₁ ^Δはソース電流値I_s＝140A_RMSで約3.2Wを消費することができる。インダクタL₁ ^Δは、最も内側の巻線（巻線5602）と同じリッツワイヤで巻くことができるため、接続を単純化することができる。特定の実施形態では、インダクタL₁ ^Δの追加により、全体的なインダクタンスの測定値
が得られる。

並列接続された３つの巻線の間に電圧Vが印加されると、次の関係が成り立つ。

上記のベクトル（1.56＋1.68＋1.52＝4.76）の要素を合計し、各要素を合計で除算することによって、巻線の間の電流再分割を計算することができる。これは、最も内側の巻線が電流の32.8%を通電し、中間の巻線が電流の35.2%を通電し、最も外側の巻線が電流の32.0%を通電することができることを示している。例えば、ソースコイル（３つの並列巻線を有する）における27.8A_RMSの総電流にて2.5kW出力で試験された無線電力伝送システムの場合、以下の電流再分割が達成される。
最も外側の巻線：8.4 A_RMS （30.2%）
中間の巻線：9.9 A_RMS（35.7%）
最も外側の巻線：9.5 A_RMS （34.1%）
この電流再区分は、低電力測定に基づいて予想される電流再分割に近い。

本実施形態では、より大きい電流を通電する巻線は、より高い動作温度に達することができ、および／またはほとんどの電力を消費することができる。図58Aおよび図58Bは、動作中に合計10Aの電流を通電するコイル内の巻線の温度測定値を示す画像である。上記の予測どおり、中間巻線5604は、最も内側の巻線5602（図58Aの位置5802の測定値を参照）および最も外側の巻線5606（図58B、位置5804の測定値を参照）の温度よりも若干高い温度まで加熱する。図59は、巻線5602（曲線5902）、5604（曲線5904）、および5606（曲線5906）の各々に流れる電流を時間の関数として示すプロットである。図示の通り、中間巻線（巻線5604）に流れる電流は、最も内側の巻線および最も外側の巻線に流れる電流よりも大きく、中間巻線がより高く加熱されることを説明している。

＜ハードウェアとソフトウェアの実装＞
図75は、本明細書で説明するシステムおよび方法で使用することができる電子制御部7503の例を示す。前述したように、電子制御部7503（より具体的には、電子処理装置105および／または電子処理装置111などの電子処理装置）を使用して、例えば、電源の出力電力を変更すること、動作周波数および／または共振周波数を調整すること、そしてインピーダンス整合ネットワークを調整することによって、無線電力伝送システムの電力伝送を制御することを含む、本明細書で開示する制御および／または計算機能のいずれも実行することができる。電子制御部7503は、他のコイルと比較して異なるコイルの電流方向、大きさ、および位相を制御するために使用することができる。いくつかの実施形態では、電子制御部7503は、システムの様々な要素と直接接続すること、または無線で通信することができる。

電子制御部7503は、処理装置7502（例えば、電子処理装置105および／または電子処理装置111に対応）、メモリ7504、記憶装置7506、および相互接続のためのインタフェース7508を含むことができる。処理装置7502は、メモリ7504または記憶装置7506に格納された命令を含む、電子制御部7503内で実行するための命令を処理することができる。例えば、命令は、処理装置7502に、電力転送の効率、動作周波数、共振器の共振周波数、およびインピーダンス整合条件等のシステムのパラメータを決定するよう命じることができる。電子制御部7503は、１つ以上のセンサからの検出信号に基づいて、受電装置のタイプ、サイズおよび位置合わせを決定することができる。特定の実施形態では、処理装置7502は、決定されたパラメータを調整するために、様々な要素（例えば、電源、送電装置、受電装置、電力中継装置、インピーダンス整合ネットワーク）に制御信号を送出するように構成される。例えば、制御信号は、インピーダンス整合ネットワーク内のコンデンサの静電容量値を調整するために使用することができる。特定の実施形態では、制御信号は、電源の動作周波数を調整するために使用することができる。制御信号は、共振器のコンデンサの静電容量値を変化させてその共振周波数を同調させること、および／または同調可能なインダクタのインダクタンス値を共振器コイルの並列巻線の間における再分割電流に変更することができる。

メモリ7504は、システムの最適化されたパラメータに関する情報を格納することができる。例えば、情報は、電源から出力される様々なレベルの電力に対する最適なインピーダンス整合条件を含むことができる。特定の実施形態では、メモリ7504は、システム内の様々な要素を制御するために送信される信号を決定するために処理装置7502によって使用されることができる、共振器の共振周波数およびシステムの磁気構成要素の磁気特性（例えば、電力レベルに応じた透磁率）などの情報を格納することができる。メモリはまた、目標の電流再分割に対応する一組の値を記憶することもできる。

記憶装置7506は、フロッピーディスク装置、ハードディスク装置、光ディスク装置、またはテープ装置などのコンピュータ可読媒体、フラッシュメモリまたは他の同様のソリッドステートメモリ装置、または、ストレージエリアネットワーク内のデバイスまたは他の構成を含む装置のアレイであってもよい。記憶装置7506は、上述の処理装置7502によって実行可能な命令を格納することができる。特定の実施形態では、記憶装置7506は、メモリ7504に関して説明する情報を記憶することができる。

いくつかの実施形態では、電子制御部7503は、ディスプレイ7516のような外部入力／出力デバイス上に（例えば、GUIまたはテキストインターフェースを使用して）グラフィック情報を表示するグラフィックス処理部を含むことができる。グラフィック情報は、情報を表示するためのディスプレイ装置（例えば、CRT（陰極線管）またはLCD（液晶ディスプレイ）モニタ）に表示することができる。ユーザは、電子制御部7503に入力を提供するために入力デバイス（例えば、キーボード、ポインティングデバイス、タッチスクリーン、音声認識デバイス）を使用することができる。いくつかの実施形態では、ユーザは、ディスプレイ7516を監視して、システムの電力伝送状況を分析することができる。例えば、電力伝送が最適な状態でない場合、ユーザは、入力装置を介して情報を入力することにより、パラメータ（例えば、電力伝送レベル、インピーダンス整合ネットワークのコンデンサ値、電源の動作周波数、共振器の共振周波数）を調整することができる。電子制御部7503は、受け付けた入力に基づいて、上述のようにシステムを制御することができる。

いくつかの実施形態では、電子制御部7503は、システムの危険な状態を監視することができる。例えば、電子制御部7503は、システム内の過熱を検出し、そのグラフック表示またはオーディオ装置を介してユーザに警告（例えば、視覚および／または可聴の警告）することができる。

特定の実施形態では、電子制御部7503を使用して、無線電力伝送システムの１つ以上のコイルに流れる電流の大きさおよび位相を制御することができる。例えば、処理装置7502は、送電装置内のコイルに供給される電流の大きさおよび位相を計算および決定することができる。この決定は、監視された電力転送効率と、メモリ7504または記憶装置7506に格納された情報に基づくことができる。

フィードバック信号は、電子制御部7503によって受信および処理されることができる。例えば、電子制御部7503は、無線通信装置（例えば、無線周波数ブルートゥース受信器）を含んで、電力送信装置および電力受信装置（自らの無線通信装置を有することができる）のいずれかまたは両方から情報を受信することができる。いくつかの実施形態では、受信した情報を処理装置7502によって処理することができ、処理装置7502は、上述したようにシステムのパラメータを調整するための制御信号をさらに送出することができる。例えば、制御信号を使用して、システム内の１つ以上の共振器コイルに流れる電流の大きさおよび位相を調整して、電力伝達効率を高めることができる。

本明細書で説明されるシステムおよび技術の様々な実施形態は、電子制御部7503上で実行可能および／または解釈可能な１つ以上のコンピュータプログラムによって実現することができる。これらのコンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーションまたはコードとしても知られる）は、プログラム可能処理装置用の機械命令を含み、高度な手順および／またはオブジェクト指向プログラミング言語、および／またはアセンブリ／機械言語で実装することができる。例えば、コンピュータプログラムは、上述のようにメモリ7504および記憶装置7506に格納されて処理装置7502によって実行される命令を含むことができる。本明細書において「コンピュータ可読媒体」という用語は、機械命令および／またはデータを、機械命令を受信する機械可読媒体を含むプログラム可能な処理装置に提供するために使用される、任意のコンピュータプログラム製品、装置および／またはデバイス（例えば、磁気ディスク、光ディスク、メモリ、プログラマブル論理デバイス（PLD））を指す。

一般に、電子制御部7503は、上述した動作を実施するためにコンピューティングシステムに実装することができる。例えば、コンピューティングシステムは、バックエンド構成要素（例えば、データサーバ）、ミドルウェア構成要素（例えば、アプリケーションサーバ）、またはフロントエンド構成要素（例えば、グラフィカルユーザインタフェースを有するクライアントコンピュータ）、またはそれらの任意の組み合わせを含むことができ、ユーザが電子制御部7503の動作を利用できるようにする。

電子制御部7503またはその１つ以上の要素は、車両に組み込むことができる。電子制御部7503は、車両に搭載されたバッテリの無線電力充電を制御および／または監視するために利用することができる。いくつかの実施形態では、ディスプレイ7516は、車両のハンドルに隣接して設置することができ、ユーザは、図75に関して説明したように、電力充電の状態を監視および／または充電のパラメータを制御することができる。ディスプレイ7516はまた、全地球測位システム（GPS）情報に基づいて交通情報および道路地図を視覚化することができる。処理装置7502、メモリ7504および記憶装置7506のような要素のいずれも、ディスプレイ7516の背後の空間に設置することができ、ディスプレイ7516は、これらの要素によるデータ処理を視覚化することができる。

＜その他の実施形態＞
本開示は多くの具体的な実施の詳細を含むが、これらは開示の範囲を限定するものではなく、むしろ実施形態に関連する特徴の説明として解釈されるべきである。別の実施形態の文脈で説明される特徴は、概して、単一の実施形態において組み合わせて実施されてもよい。逆に、単一の実施形態の文脈に記載された様々な特徴は、複数の実施形態で別々にまたは任意の適切なサブコンビネーションで実施することもできる。さらに、特徴は、上記にて特定の組み合わせで作用するものとして説明されており、初めにそのように主張されているが、主張された組み合わせからの１つ以上の特徴を一般的にその組み合わせから切り出すことができ、主張された組み合わせは、サブコンビネーションまたはサブコンビネーションの変形に向けられることができる。

本明細書で明示的に開示された実施形態に加えて、他の実施形態も本開示の範囲内である。

Claims (10)

1. 少なくとも２つの巻線を有するコイルを含む共振器であり、前記少なくとも２つの巻線は導電性材料で形成されて平面に延在する複数のループを備え、前記少なくとも２つの巻線の各々の対応する部分は平行に配向され、前記巻線のうちの少なくとも1つは、前記巻線の他の１つの巻線の長さとは異なる長さを有し、前記少なくとも２つの巻線は電気的に並列接続されている、前記共振器、および
   調整可能なインダクタンス値を有する少なくとも１つのインダクタであり、前記少なくとも１つのインダクタは前記巻線の少なくとも１つに直列接続され、前記インダクタンス値は、コイルが電流を通電する時に、前記少なくとも１つのインダクタが、前記少なくとも２つの巻線に流れる電流の分配を、前記少なくとも２つの巻線の各々に対して実際に流れる電流の、巻線の目標電流との差異が10%以下になるように維持するように、無線電力伝送システム処理中に電子処理装置により調整可能である、前記少なくとも１つのインダクタ
   を備えることを特徴とする無線電力伝送用のシステム。
2. 前記少なくとも２つの巻線の各々の対応する部分が、前記少なくとも１つの巻線の長さの少なくとも80%に沿って平行に配向されている、請求項１に記載のシステム。
3. 各巻線のループが交互に配置される、請求項１に記載のシステム。
4. 各巻線のループが同心であって螺旋を形成する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記少なくとも２つの巻線に結合されて、前記巻線におけるそれぞれの電流を前記少なくとも２つの巻線に対する前記目標電流に基づいて制御するように構成された電子処理装置をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記電子処理装置は、
   前記目標電流に関連する性能指数に基づいて、前記少なくとも１つのインダクタの目標インダクタンス値を決定すること、および
   前記少なくとも１つのインダクタの前記インダクタンス値を、前記目標インダクタンス値と一致するように調整すること、
   によって、前記巻線の各々における電流を制御するように構成される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記電子処理装置は、
   （１）各巻線に対して、
   前記１つの巻線が他のすべての巻線から電気的に切断された時の前記１つの巻線のインダクタンスの測定値に基づいて、前記１つの巻線の自己インダクタンス値を決定すること、および
   前記１つの巻線の複数の相互インダクタンス値を決定することであって、前記相互インダクタンス値はそれぞれ、前記１つの巻線が他の１つの巻線から電気的に切断された時の前記１つの巻線のインダクタンスの測定値に基づく、
   （２）自己インダクタンス値および相互インダクタンス値に基づいて、各巻線の目標電流を決定すること、および
   （３）各巻線の目標電流に基づいて、目標インダクタンス値を決定すること、
   によって前記目標インダクタンス値を決定するように構成される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記電子処理装置は、
   各巻線の自己インダクタンス値と相互インダクタンス値に基づいてインダクタンスマトリクスを構成すること、
   前記少なくとも1つのインダクタによる前記各巻線のインダクタンスの変化に対応する要素を備えるインダクタンス修正マトリクスを前記インダクタンスマトリクスに加えることによって、調整済インダクタンスマトリクスを計算すること、
   前記調整済インダクタンスマトリクスの逆マトリクスを計算すること、および
   前記逆マトリクスに基づいて前記目標電流を決定すること、
   によって前記目標電流を決定するように構成される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記インダクタンス修正マトリクスは対角マトリクスであり、前記インダクタンス修正マトリクスの対角要素は、前記巻線に接続された前記少なくとも１つのインダクタの各要素のインダクタンス値である、請求項８に記載のシステム。
10. 前記電流の分配は、前記巻線間の電流の均等な分割に対応しない、請求項１から９の何れか一項に記載のシステム。