JP6880172B2 - 磁束消去のための共有材料を有するインダクタシステム - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１６年８月８日に出願された米国仮特許出願第６２／３７２，０３４号の利益を主張するものであり、該仮出願は、参照により本明細書中に援用される。

インダクタは、信号をフィルタ処理するため等の種々の理由により、多種多様な電気回路で使用されてもよい。高度共振無線電力伝達システムはまた、エネルギーを伝送および／または受信するためのインピーダンス整合ネットワークの一部を形成する、インダクタを含むこともできる。これらのインダクタはまた、システムの入力および／または出力電流における高調波の十分なフィルタリングのためにも要求され得る。例えば、３ｋＷおよびそれを上回る電力を伝達する、高出力無線電力伝送システムに関して、インダクタは、所望の動作特性を達成するように比較的大きいサイズであってもよい。インピーダンス平衡を維持するために、全インダクタンスは、システムに出入りするＡＣ線のそれぞれの上に位置する、２つの別個の同じインダクタを構築することによって等、所望の値の半分の２つの等しいインダクタに分割される。

電力伝達システムは、整流器、ＡＣ（交流）／ＤＣ（直流）変換器、インピーダンス整合回路、および電力を電子デバイスに提供するために使用される電圧および／または電流の特性を調整、監視、維持、および／または修正する他の電力電子機器等の電子回路に依拠し得る。電力電子機器は、動的入力インピーダンス特性を伴う負荷に電力を提供することができる。インピーダンス整合ネットワークは、所望のフィルタリングおよび動作特性を提供するように比較的大きいサイズのＲＦチョークインダクタ等のインダクタを含み得る。

実施形態では、インダクタシステムは、フェライト等のある量の磁性材料を共有するように相互に対して位置付けられる、第１および第２のインダクタを含む。一実施形態では、平面的な一片のフェライトが、第１のインダクタと第２のインダクタとの間に挟持される。第１および第２のインダクタによるフェライト材料の共有は、フェライト材料の全体積、重量、および費用を低減させ、別個のインダクタ／フェライト配列を有する従来の構成と比較して、磁気損失を低減させることができる。実施形態では、インダクタシステムは、実質的に同一のインピーダンスを有する第１および第２のインダクタを含み、個別のインピーダンスは、磁束消去を提供する、共有フェライトによって部分的に定義される。

当業者によって容易に理解されるであろうように、体積、したがって、重量および費用を最小限にし、効率を最大限にする一方で、電流／電圧定格、熱管理、および同等物等の他の設計制約を満たす、平衡インダクタを提供することが望ましくあり得る。実施形態では、共有フェライトを伴う対合インダクタパッケージが、放散される熱の量を低減させ、効率的な回路動作を助長する。本明細書で使用されるように、平衡されたまたはマッチングされたインダクタは、インピーダンスの正確なマッチングを要求しないことが理解される。むしろ、本明細書で使用されるように、共有フェライトを伴うインダクタシステムは、共有フェライト層内である程度の磁束消去を要求する。

本発明の例示的実施形態は、主に、インダクタの間に挟持されたフェライト層と併せて示され、説明されるが、動作周波数における許容透磁率を伴う任意の好適な磁性材料が、特定の用途の必要性を満たすために使用され得ることが理解される。実施形態では、例えば、異方性材料が、使用されることができる。

一側面では、システムは、第１のエネルギー源によって発生させられる第１の振動電流によって駆動される、第１のインダクタと、第２のエネルギー源によって発生させられる第２の振動電流によって駆動される、第２のインダクタと、第１のインダクタと第２のインダクタとの間に配置される、磁性材料の層であって、第１および第２のインダクタは、それぞれがその個別の振動電流で駆動されるときに、第１のインダクタによって発生させられる磁束が、磁性材料の層内の第２のインダクタによって発生させられる磁束によって実質的に消去されるように構成される、磁性材料の層とを備える。

システムは、以下の特徴のうちの１つ以上のものを含んでもよい、すなわち、第１および第２のインダクタは、それぞれ、第１および第２のＥ字形コアの中に配置される、第１および第２のインダクタと組み合わせた磁性材料層は、システムの動作中の第１および第２のインダクタの個別のインダクタンスを決定する、第１および第２のインダクタからの消去された磁束の正味量は、第１および第２のインダクタのそれぞれを通した振動電流が実質的にマッチするときに、磁性材料層の一部では実質的にゼロである、第１および第２のインダクタは、無線共振電力伝送機のソースコイルの下に位置する、電力伝送機は、充電プラットフォームの一部を形成する、第１および第２のインダクタは、個別の平面巻線を備える、および／または磁性材料の層は、さらなる回路構成要素と共有される。

別の側面では、方法は、第１のインダクタと第２のインダクタとの間に磁性材料の層を配置するステップであって、第１のインダクタは、第１のエネルギー源に電気的に結合され、第２のインダクタは、第２のエネルギー源に電気的に結合される、ステップと、第１のインダクタによって発生させられる第１の磁束が、第２のインダクタによって発生させられる第２の磁束によって消去されるように、振動電流で第１および第２のインダクタを駆動するステップとを含み、第１および第２のインダクタと組み合わせた磁性材料層は、システムの動作中の第１および第２のインダクタの個別のインダクタンスを決定する。

方法は、以下の特徴のうちの１つ以上のものを含むことができる、すなわち、第１および第２のインダクタは、それぞれ、第１および第２のＥ字形コアの中に配置される、第１および第２のインダクタと組み合わせた磁性材料層は、システムの動作中の第１および第２のインダクタの個別のインダクタンスを決定する、第１および第２のインダクタからの消去された磁束の正味量は、第１および第２のインダクタのそれぞれを通した振動電流が実質的にマッチするときに、磁性材料層の一部では実質的にゼロである、第１および第２のインダクタは、無線共振電力伝送機のソースコイルの下に位置する、電力伝送機は、充電プラットフォームの一部を形成する、第１および第２のインダクタは、個別の平面巻線を備える、および／または磁性材料の層は、さらなる回路構成要素と共有される。

さらなる側面では、システムは、第１の振動電流によって駆動される、第１のインダクタと、第２の振動電流によって駆動され、第１のインダクタから実質的に分断される、第２のインダクタと、第１のインダクタと第２のインダクタとの間に配置される、磁性材料の層であって、第１および第２のインダクタがそれらの個別の振動電流で駆動されるときに、第１のインダクタによって発生させられる磁束は、磁性材料の層内の第２のインダクタによって発生させられる磁束によって実質的に消去される、磁性材料の層とを備える。

システムは、以下の特徴のうちの１つ以上のものを含んでもよい、すなわち、第１および第２のインダクタは、それぞれ、第１および第２のＥ字形コアの中に配置される、第１および第２のインダクタからの消去された磁束の正味量は、第１および第２のインダクタのそれぞれを通した振動電流が実質的にマッチするときに、磁性材料層の一部では実質的にゼロである、および／または第１および第２のインダクタと組み合わせた磁性材料層は、システムの動作中の第１および第２のインダクタの個別のインダクタンスを決定する。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
第１のエネルギー源によって発生させられる第１の振動電流によって駆動される第１のインダクタと、
第２のエネルギー源によって発生させられる第２の振動電流によって駆動される第２のインダクタと、
前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとの間に配置される磁性材料の層であって、前記第１および第２のインダクタは、それぞれがその個別の振動電流で駆動されるときに、前記第１のインダクタによって発生させられる磁束が、前記磁性材料の層内の前記第２のインダクタによって発生させられる磁束によって実質的に消去されるように構成される、磁性材料の層と
を備える、システム。
（項目２）
前記第１および第２のインダクタは、それぞれ、第１および第２のＥ字形コアの中に配置される、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記第１および第２のインダクタと組み合わせた前記磁性材料層は、前記システムの動作中の第１および第２のインダクタの個別のインダクタンスを決定する、項目２に記載のシステム。
（項目４）
前記第１および第２のインダクタからの前記消去された磁束の正味量は、前記第１および第２のインダクタのそれぞれを通した前記振動電流が実質的にマッチするときに、前記磁性材料層の一部では実質的にゼロである、項目１に記載のシステム。
（項目５）
前記第１および第２のインダクタは、無線共振電力伝送機のソースコイルに結合される、項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記電力伝送機は、充電プラットフォームの一部を形成する、項目５に記載のシステム。
（項目７）
前記第１および第２のインダクタは、個別の平面巻線を備える、項目１に記載のシステム。
（項目８）
前記磁性材料の層は、さらなる回路構成要素と共有される、項目１に記載のシステム。
（項目９）
第１のインダクタと第２のインダクタとの間に磁性材料の層を配置することであって、前記第１のインダクタは、第１のエネルギー源に電気的に結合され、前記第２のインダクタは、第２のエネルギー源に電気的に結合される、ことと、
前記第１のインダクタによって発生させられる第１の磁束が、前記第２のインダクタによって発生させられる第２の磁束によって消去されるように、振動電流で前記第１および第２のインダクタを駆動することと、
を含み、前記第１および第２のインダクタと組み合わせた前記磁性材料層は、前記システムの動作中の第１および第２のインダクタの個別のインダクタンスを決定する、
方法。
（項目１０）
前記第１および第２のインダクタからの前記消去された磁束の正味量は、前記第１および第２のインダクタのそれぞれを通した振動電流が実質的にマッチするときに、前記磁性材料層の一部では実質的にゼロである、項目９に記載の方法。
（項目１１）
前記第１および第２のインダクタは、それぞれ、第１および第２のＥ字形コアの中に配置される、項目９に記載の方法。
（項目１２）
前記第１および第２のインダクタと組み合わせた前記磁性材料層は、前記システムの動作中の第１および第２のインダクタの個別のインダクタンスを決定する、項目１０に記載の方法。
（項目１３）
前記第１および第２のインダクタは、無線共振電力伝送機のソースコイルに結合される、項目９に記載の方法。
（項目１４）
前記電力伝送機は、充電プラットフォームの一部を形成する、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記第１および第２のインダクタは、個別の平面巻線を備える、項目９に記載の方法。
（項目１６）
前記磁性材料の層は、さらなる回路構成要素と共有される、項目９に記載の方法。
（項目１７）
第１の振動電流によって駆動される第１のインダクタと、
第２の振動電流によって駆動され、前記第１のインダクタから実質的に分断される第２のインダクタと、
前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとの間に配置される磁性材料の層であって、前記第１および第２のインダクタがそれらの個別の振動電流で駆動されるときに、前記第１のインダクタによって発生させられる磁束は、前記磁性材料の層内の前記第２のインダクタによって発生させられる磁束によって実質的に消去される、磁性材料の層と
を備える、システム。
（項目１８）
前記第１および第２のインダクタは、それぞれ、第１および第２のＥ字形コアの中に配置される、項目１７に記載のシステム。
（項目１９）
前記第１および第２のインダクタからの前記消去された磁束の正味量は、前記第１および第２のインダクタのそれぞれを通した前記振動電流が実質的にマッチするときに、前記磁性材料層の一部では実質的にゼロである、項目１７に記載のシステム。
（項目２０）
前記第１および第２のインダクタと組み合わせた前記磁性材料層は、前記システムの動作中の第１および第２のインダクタの個別のインダクタンスを決定する、項目１７に記載のシステム。

本発明の前述の特徴、および本発明自体は、図面の以下の説明から、より完全に理解され得る。

図１は、磁束消去を伴うインダクタを有し得る、無線エネルギー伝達システムの概略図である。 図２は、磁束消去とともにインダクタを伴う無線エネルギー伝達システムの回路実装の概略図である。 図３は、共有フェライト層を伴うインダクタを有し得る、電力受信機および電力伝送機の概略図である。 図４Ａは、磁束消去を有するインダクタシステムの一部を形成することができるフェライト層に結合される、コアの図的表現である。 図４Ｂは、磁束消去のためのフェライト層を伴う第１および第２のインダクタを有する、インダクタシステムの図的表現である。 図５Ａは、同一のインピーダンスを有する別個のインダクタの概略図である。図５Ｂは、ともに押圧された理想的な別個のインダクタの概略図である。図５Ｃは、磁束消去のための共有フェライト層を有する、第１および第２のインダクタの概略図である。 図６は、共有フェライトインダクタシステムのための温度情報を示す、赤外線写真である。 図７は、複数の磁束消去を伴う共有フェライトインダクタシステムの概略図である。 図８は、１つ以上の平面的な磁性材料片上に位置付けられた共振器コイルを有する、無線電力伝送機の概略図である。 図９は、インターリーブ型整流器を有する、無線電力受信機の回路実装の概略図である。 図１０Ａは、インターリーブ型整流器を有する、無線電力受信機の回路実装の概略図である。 図１０Ｂは、磁束消去を有する、図１０Ａの無線電力受信機の一部を形成する、平衡インダクタの概略図である。 図１０Ｃは、図７とある程度の類似性を有する構成でインターリーブ型整流器を有する、無線電力受信機の概略図である。

本開示は、振動電流で駆動されたときに、２つ以上のインダクタの個別の巻線が、磁性材料層内で実質的な磁束消去を提供するように構成されるように、フェライト等の磁性材料の一部を共有する２つ以上のインダクタを伴うインダクタシステムを有する、無線電力伝達システム等のシステムの実施形態を提供する。インダクタシステムは、例えば、第１および第２のインダクタの相互磁束消去に起因して、フェライトの比較的薄い層を要求し得る。以下でより完全に説明されるように、フェライト層内の磁束消去は、第１および第２のインダクタの個別のインダクタンス値および／またはインピーダンスに寄与することができる。すなわち、第１および第２のインダクタは、所望の動作特性を達成するように相互および共有フェライトに要求する。実施形態では、実質的な磁束消去は、平均で、共有磁性材料の中で起こる磁束の７５％、８０％、９０％、９６％、９５％、または９９％超が、反対磁束によって消去されることを意味し得る。実施形態では、磁束消去は、共有磁性材料の部分の中で起こり得る。換言すると、磁束消去は、共有磁性材料の体積の全体を通して不均一に、または一貫性なく起こり得る。例えば、磁束が、共有磁性材料の体積の中心の近傍で実質的に消去されてもよい一方で、ある磁束は、共有磁性材料の体積の縁の近傍で消去されない場合がある（したがって、共有磁性材料の体積の一部で、ある程度のゼロではない正味磁束をもたらす）。

図１は、以下でより完全に説明されるように、磁束消去のための共有フェライトを伴うインダクタシステムを有する、無線電力伝達システム１００の例示的実施形態の高レベル機能ブロック図を示す。システムへの入力電力は、例えば、壁面コンセント（ＡＣ電源）によって提供されることができ、これは、ＡＣ／ＤＣ変換器ブロック１０２の中でＤＣに変換される。代替として、ＤＣ電圧が、バッテリまたは他のＤＣ供給部から直接提供されることができる。実施形態では、ＡＣ／ＤＣ変換器ブロック１０２は、力率補正（ＰＦＣ）段であってもよい。ＰＦＣは、（例えば、５０または６０Ｈｚにおいて）ＡＣ入力をＤＣに変換することに加えて、電流が電圧と実質的に同相であるように、電流を調整することができる。高効率切替インバータまたは増幅器１０４は、ＤＣ電圧を、ソース共振器１０６を駆動するために使用されるＡＣ電圧波形に変換する。実施形態では、ＡＣ電圧波形の周波数は、８０〜９０ｋＨｚの範囲内であってもよい。実施形態では、ＡＣ電圧波形の周波数は、１０ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの範囲内であってもよい。１つの特定の実施形態では、ＡＣ電圧波形の周波数は、例えば、ＦＣＣおよびＣＩＳＰＲ規制に起因して、１５ｋＨｚ帯域内で変動し得る、約６．７８ＭＨｚである。ソース（伝送機）インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）１０８は、インバータ１０４出力をソース共振器１０６に効率的に結合し、効率的な切替増幅器動作を可能にすることができる。クラスＤまたはＥ切替増幅器は、多くの用途で好適であり、最高効率のための誘導負荷インピーダンスを要求し得る。ソースＩＭＮ１０８は、ソース共振器インピーダンスをインバータ１０４のためのそのようなインピーダンスに変換する。ソース共振器インピーダンスは、例えば、デバイス（受信機）共振器１１０および／または出力負荷に結合することによって、装荷されることができる。ソース共振器１０６によって発生させられる磁場は、デバイス共振器１１０に結合し、それによって、電圧を誘導する。本エネルギーは、例えば、負荷に直接給電する、またはバッテリを充電するように、デバイス共振器１１０から外へ結合される。デバイスインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）１１２は、デバイス共振器１１０から負荷１１４にエネルギーを効率的に結合し、ソース共振器１０６とデバイス共振器１１０との間の電力伝達を最適化するために使用されることができる。これは、実際の負荷インピーダンスを、最適な効率のための装荷により密接にマッチする、デバイス共振器１１０によって受けられる有効負荷インピーダンスに変換してもよい。ＤＣ電圧を要求する負荷に関して、整流器１１６は、受電されたＡＣ電力をＤＣに変換する。実施形態では、ソース（伝送機）１１８およびデバイス（受信機）１２０はそれぞれ、フィルタ、センサ、および他の構成要素をさらに含むことができる。

インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）１０８、１１２は、所望の周波数（例えば、８０〜９０ｋＨｚ、１００〜２００ｋＨｚ、６．７８ＭＨｚ）において負荷１１４に送達される電力を最大限にするように、または電力伝達効率を最大限にするように設計されることができる。ＩＭＮ１０８、１１２内のインピーダンス整合構成要素は、共振器１０６、１１０の高品質係数（Ｑ）値を保つように、選定および接続されることができる。

ＩＭＮ（１０８、１１２）の構成要素は、例えば、コンデンサまたはコンデンサのネットワーク、インダクタまたはインダクタのネットワーク、またはコンデンサ、インダクタ、ダイオード、スイッチ、および抵抗器の種々の組み合わせを含むことができる。ＩＭＮの構成要素は、調節可能および／または可変であり得、システムの効率および動作点に影響を及ぼすように制御されることができる。インピーダンス整合は、静電容量を変動させること、インダクタンスを変動させること、共振器の接続点を制御すること、磁性材料の透磁率を調節すること、バイアス磁場を制御すること、励起の周波数を調節すること、および同等物によって、修正されることができる。固定周波数、固定入力電圧等とともに固定マッチング（例えば、固定インダクタンス、静電容量等）を伴うシステムは、依然としてインピーダンス整合を実施することが理解される。変動する周波数、入力電圧、構成要素の有効値は、マッチングおよび／または出力を変化させることができる。インピーダンス整合は、任意の数または組み合わせのバラクタ、バラクタアレイ、切替型要素、コンデンサバンク、切替型および同調可能要素、逆バイアスダイオード、空隙コンデンサ、圧縮コンデンサ、チタン酸バリウムジルコニウム（ＢＺＴ）電気的同調コンデンサ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）同調可能コンデンサ、電圧可変誘電体、変圧器結合型同調回路、および同等物を使用する、または含むことができる。可変構成要素は、機械的に同調される、熱的に同調される、電気的に同調される、圧電的に同調される、および同等物を行われることができる。インピーダンス整合の要素は、シリコンデバイス、窒化ガリウムデバイス、炭化ケイ素デバイス、および同等物であることができる。要素は、高い電流、高い電圧、高い電力、または電流、電圧、および電力の任意の組み合わせに耐えるように選定されることができる。要素は、高Ｑ要素であるように選定されることができる。

図２は、本発明の例示的実施形による、結合係数ｋを伴って、振動電磁エネルギーを、磁束消去とともに平衡インダクタＬ_３ｄａおよびＬ_３ｄｂを伴うデバイスまたは受信機側回路（デバイス共振器およびデバイスＩＭＮを含む）２０６に結合する、インバータ２０２電源または伝送機側回路（ソース共振器およびソースＩＭＮを含む）２０４を有する、無線電力伝送システム２００の例示的実施形態を示す。本発明の実用的実施形態では、インダクタは、磁束消去、および分断および望ましいフィルタリングおよび共通モード拒否特性を提供するように、以下でより完全に示され、説明されるように、平衡インダクタＬ_３ＳａおよびＬ_３Ｓｂに分割されてもよい。デバイス側インダクタＬ_３ｄはまた、示されるように、Ｌ_３ｄａおよびＬ_３ｄｂに分割されることもできる。例示的実施形態では、電力受信機内の電圧調整は、無線、ＷｉＦｉ、および同等物等の任意の好適な無線通信チャネルを通して達成される。１つの特定の実施形態では、電力受信機との通信は、増幅器を駆動するＤＣバス電圧を変動させることによって、その共振器の磁場強度を調節するように電力伝送機に命令する、比較的遅いＷｉＦｉループを備える。振動エネルギーは、次いで、整流器２０８によって変換される。ソース側回路２０４構成要素は、ソース共振器コイルＬ_ｓ２１０と、（位置１における）直列コンデンサＣ_１ｓａ２１２と、（位置２における）並列コンデンサＣ_２ｓ２１４と、（位置３における）コンデンサＣ_３ｓｂ２１６およびインダクタＬ_{３ｓａ，ｂ}２１８とを含む。例証的実施形態では、コンデンサＣ_１ｓａ２１６は、１つ以上の可変コンデンサを含むことができる。列挙される構成要素はそれぞれ、構成要素のネットワークまたはグループを表し得、少なくとも位置１および３における構成要素は、平衡を保たれ得ることに留意されたい。デバイス側回路２０６構成要素は、デバイス共振器コイルＬ_ｄ２２２と、（位置１における）直列コンデンサＣ_１ｄａ２２４と、（位置２における）並列コンデンサＣ_２ｄ２２６と、（位置３における）コンデンサＣ_３ｄｂ２２８およびインダクタＬ_{３ｄａ，ｂ}２３０とを含むことができる。コンデンサＣ_３ｓａ２１６は、ＰＷＭ制御型コンデンサ、コンデンサの切替型バンク、およびバラクタ等の１つ以上の可変コンデンサを含むことができる。１つ以上の可変コンデンサは、離散的または連続的に同調可能なコンデンサであることができる。任意のコンデンサは、特定の用途の必要性を満たす可変静電容量を含み得る、またはいかなるコンデンサもそれを含み得ないことが理解される。

ソースおよび／またはデバイスインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）は、特定の用途の必要性を満たすインピーダンスを有する、種々の構成要素を伴う広範囲の回路実装を有し得ることが理解される。参照することによって本明細書に組み込まれる、Ｋｅｓｌｅｒ ｅｔ ａｌ．に対する米国特許第８，４６１，７１９号は、例えば、ＦＩＧ．２８ａ−３７ｂの中等で、種々の同調可能インピーダンスネットワークを開示する。任意の実用的な数の切替型コンデンサが、所望の動作特性を提供するためにソースおよび／またはデバイス側で使用され得ることが、さらに理解される。加えて、例証的実施形態が、高度共振無線エネルギー伝達システムと併せて示され、説明されるが、相互磁束消去を提供するように巻装された個別の第１および第２のインダクタ巻線の間に挟持されたフェライト（または他の材料）層を有する、インダクタは、空間削減、分断、および／または効率的な回路動作を達成することが望ましい、回路全般に適用可能であることが理解される。

図２を再度参照すると、図示される実施形態では、平衡インダクタＬ_３ｓａ、Ｌ_３ｓｂはそれぞれ、約２５μＨのインダクタンスを提供する。１つの特定の実施形態では、インダクタは、最大約５０Ａの電流を取り扱うことができる。以下でより完全に説明されるように、平衡インダクタＬ_３ｓａ、Ｌ_３ｓｂは、磁性材料の層を共有し、磁束消去を提供することができる。

平衡インダクタのサイズおよび寸法が、実用的実施形態では着目され得ることが理解されるであろう。例えば、薄型インダクタが、電力伝送機ＰＴ（図３）のソースコイルの下にインダクタを設置し、全体的高さを最小限にするために望ましくあり得る。

インダクタは、交流電流がインダクタのコイルを通して流動するときに磁場の中に電気エネルギーを貯蔵する、パッシブ２端子デバイスを指す。コイルを通して流動する電流は、導体内で電圧を誘導する、時変磁場をもたたらす。理解されるであろうように、インダクタは、インダクタンスを増加させる鉄またはフェライト等の強磁性またはフェリ磁性材料を備える、磁気コアを含むことができる。磁気コアは、そのより高い透磁率に起因して、磁場を増加させることによって、コイルのインダクタンスを数千倍増加させることができる。強磁性コアコイルを通した電流が、あるレベルに達する場合、磁気コアは、インダクタンスが一定のままではないように飽和し得ることが理解される。より高い周波数の用途に関して、インダクタコアは、典型的には、非伝導性セラミックフェリ磁性材料であるフェライトを備える。

変圧器は、エネルギーを一次巻線から１つ以上の二次巻線に伝達するデバイスを指すことが理解される。一次巻線は、一次巻線内の変動する電流が、結合された二次コイル内で電圧を誘導する、変動する磁場を生成するように、エネルギー源に結合される。変圧器の一次および二次巻線は、結合されなければならず、結合は、１に近くあり得る。

変圧器とは対照的に、本発明の実施形態では、２つのインダクタが分断される。例えば、インダクタの結合は、０．０４を下回り得る。実施形態では、インダクタの分断は、共有フェライトによって達成される。

図３は、電力伝送機の充電プラットフォームに近接する電力受信機を示す。実施形態では、電力伝送機は、電力受信機と相互作用する。受信機が伝送機の上または周囲に設置されると、負荷インピーダンスが影響を受け得る。以下でより完全に説明されるように、共有フェライト層および相互磁束消去を伴う巻線を有するインダクタシステムは、インダクタ要素のために要求される空間の量を低減させることによって、より薄型の電力伝送機および／または電力受信機を可能にし得る。実施形態では、電力伝送機は、電気自動車を充電するため等の比較的高い電力エネルギー伝達を提供する。高出力充電ステーションのサイズおよび／または重量を低減させることが、多くの場合、望ましいことが理解されるであろう。例証的実施形態では、電力受信機は、約２ｃｍの高さを有し、電力伝送機は、約５ｃｍの高さを有し、約１０ｃｍ〜約２５ｃｍに及ぶことができるグラウンドクリアランスを伴う。これらの寸法は、例証的にすぎないことが理解される。

図４Ａは、大文字の「Ｅ」のものに類似する外形を伴うコア４０２を有する、平衡インダクタシステム４００の一部を示す。部分４００は、コア４０２に結合されるフェライト層４０４を含む。プレースホルダ材料４０６が、コア４０２を中心として巻線を設置することを促進するように、コアに隣接する面積の中に配置される。フェライト層４０４は、巻線を含有するようにコア４０２に固着される。実施形態では、インダクタシステムは、その周囲に巻線が巻装され得る、随意のボビンを含むことができる。ボビンは、任意の好適な電気絶縁材料、例えば、プラスチックを備えることができ、均一なサイズの巻線を促進する、および巻線とフェライトとの間の短絡を防止する役割を果たしてもよい。例示的実施形態が、Ｅ字形コアと併せて示され、説明されるが、ＣＣ（またはＵＵ）、ＥＣ、ＥＴＤ、ＰＱ、ＰＯＴコア、および同等物等の他の実用的コア形状および／またはタイプが使用され得ることが理解される。

いくつかの実施形態では、一片のフェライトまたは磁性材料は、面積４０２および４０４の組み合わせの形状をとるように構成されることができる。

図４Ｂは、第１のインダクタと第２のインダクタとの間に挟持された共有フェライト層４５４を伴う第１および第２の平衡インダクタ４５０、４５２を有する、インダクタシステムを示す。共有フェライト層４５４は、相互から第１および第２の平衡インダクタ４５０、４５２を磁気的に分断する。実施形態では、第１のインダクタと第２のインダクタとの間の結合は、０．０６、０．０５、０．０４、０．０３、０．０２、０．０１未満であることができる。第１および第２のインダクタ４５０、４５２は、間隙によって分離される。実施形態では、第１および第２のインダクタ４５０、４５２の巻線４５６、４５８は、正味の磁束が実質的にゼロであり得るように、巻線によって発生させられる磁束を消去するように少なくとも巻線方向に構成される。すなわち、一方の巻線の磁束は、正味磁束消去のために、他方の巻線の磁束を消去し、逆も同様である。集積化インダクタの巻線４５６、４５８は、第１のインダクタ４５０のインダクタンス（およびインピーダンス）値および第２のインダクタ４５２のインダクタンス（およびインピーダンス）値が実質的にマッチされるように、共有フェライト層４５４に対して対称であり得る。

図５Ａは、インダクタ毎にフェライト内で類似磁束をもたらす同一の電流を搬送するように、インピーダンスがマッチされる、理想的な別個の第１および第２のインダクタを示す。図５Ｂは、第１および第２のインダクタがともに完全に押圧され（間に空気がない）、電流が図５Ａに示されるものに類似する配向を有する、理想的事例を示す。インダクタは、接触を有する共有フェライトの部分で約ゼロの正味磁束をもたらす、等しい強度を伴って反対方向に進む磁束を搬送する。完全な磁束消去を防止する２つのインダクタの間の空気の層が常に存在するため、別個のインダクタをともに押圧することによって、本理想的事例を達成することは実践では不可能であることが理解される。

図５Ｃは、磁束消去をもたらす、第１のインダクタと第２のインダクタとの間のフェライトのプレートを共有する、第１および第２の巻線Ｗ１、Ｗ２を示す。第１および第２の巻線Ｗ１、Ｗ２が、フェライトの一部を共有する一方で、フェライトの共有部分が、一方の巻線によって連結された磁束が他方によって連結されることを効果的に防止するため、インダクタは、有意に磁気的に結合されないことに留意されたい。分かり得るように、第１および第２のインダクタの巻線Ｗ１、Ｗ２は、示されるように、巻線によって発生させられる磁束を消去するように巻装される。すなわち、第１の巻線Ｗ１によって発生させられる磁束は、（共有フェライトプレート内で）第２の巻線Ｗ２によって発生させられる磁束を消去し、逆も同様である。共有フェライトが比較的低い正味磁束を受けるため、フェライトの厚さは、飽和を引き起こすことなく、別個のインダクタ構成よりも有意に小さくあり得る。これは、フェライト材料体積および重量低減を可能にする。

図５Ｃの構成で提供される磁束消去は、第１の巻線と第２の巻線との間の領域中で図５Ｂに関連して見られることができる。第１の磁束Ｆ１は、第１の巻線Ｗ１によって発生させられ、第２の磁束Ｆ２は、第２の巻線Ｗ２によって発生させられる。分かり得るように、Ｆ１およびＦ２は、方向が反対である。Ｆ１およびＦ２は、図５Ｃの共有フェライトインダクタシステムの共有フェライト層内で消去され、したがって、第１の巻線Ｗ１と第２の巻線Ｗ２との間のいかなる磁束も図５Ｃに示されていない（ゼロの正味磁束）。

電力を受けると、低磁束のフェライトの部分は、例えば、熱に起因して、ごくわずかな損失を受ける。磁束消去の面積に対応するフェライト材料の共有部分が、比較的低温のままである一方で、より多くの熱が、共有フェライトに対して残りの共有フェライト材料内で放散されることが理解されるであろう。したがって、共有フェライトは、効率的な回路動作を助長する。

図６は、共有フェライト層を伴う第１および第２の巻線を有する、共有フェライトインダクタシステムの例示的赤外線写真を示す。分かり得るように、巻線の間のフェライト層は、比較的低温である。フェライト層は、近傍の構成要素からの熱伝達に起因して、経時的に若干加熱し得ることが理解される。

フェライトは、破損を受ける比較的脆性の材料であり得ることが理解されるであろう。実施形態では、材料の厚さは、例えば、正味で実質的にゼロであり得る、磁束レベルを取り扱うためではなくて、構造完全性を助長するために、より大きくあり得る。

図５Ｃに示されるような平面巻線および図４Ｂに示されるような非平面巻線を伴うインダクタ実施形態は、特定の用途に使用され得ることが理解される。実施形態では、コア材料、標準サイズ可用性、巻数、および同等物等の種々の要因が、所望の実装を達成するために考慮されることができる。実施形態では、インダクタシステムは、空間削減または特定の幾何学形状を満たす理由のため等に、特定の用途の必要性を満たす複数のフェライト層を伴う、２つを上回る、例えば、４つのインダクタを備えてもよい。

図７は、示されるように、１つ以上の共有フェライト片７０４ａおよび７０４ｂおよび対応する磁束消去を伴う、４つのコア７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃ、７０２ｄを有する、例示的共有フェライトインダクタシステム７００を示す。実施形態では、磁束の消去を経験する４巻線インダクタシステム７１２の部分７０８および７１０は、４つの別個のインダクタのために元来必要であるよりも薄くあり得る、フェライト片と置換されることができる。例えば、１つ以上の共有フェライト片は、（一点鎖線を伴う）７０８と標識された面積の中に位置付けられることができる。１つ以上の共有フェライト片は、（鎖線を伴う）７１０と標識された面積の中に位置付けられることができる。いくつかの実施形態では、一片のフェライトまたは磁性材料は、面積７０８および７１０の組み合わせの形状をとるように構成されることができる。

いくつかの実施形態では、無線電力伝送機または受信機は、無線電力伝送または受信の一部として使用される磁性材料を有することができる。例えば、図８は、１つ以上の平面的な磁性材料片８０４上に位置付けられた共振器コイル８０２を有する、無線電力伝送機８００を示す。実施形態では、本磁性材料８０４の一部は、電力伝送のために共振器コイル８０２によって発生させられる磁場に関連する低磁束を有してもよい。１つ以上の磁性材料片８０２の下には、ＩＭＮまたは駆動構成要素等の他のシステム構成要素のために利用可能な空間８０６がある。実施形態では、インダクタＬ３ｓａ、Ｌ３ｓｂ、Ｌ３ｄａ、またはＬ３ｄｂのため等にＩＭＮ内のインダクタで使用されるＥ−コア８０８は、磁性材料８０４の上または近傍に位置付けられることができる。磁性材料８０４の一部は、ＩＭＮまたは他の回路で使用されるインダクタを完成させるために使用されることができる。例えば、共振器コイル８０２およびインダクタＬ３ｓａによって発生させられる磁束の位相に応じて、磁性材料８０４のその部分の中の磁束の一部が、消去されることができる。共振器コイル８０２によって発生させられる磁束の位相は、電力レベル、負荷条件、および無線電力システムの可変パラメータ（電流、電圧、効率、デューティサイクル、および同等物等）の状態に起因し得る。したがって、十分に利用されていない磁性材料の一部は、無線電力システムの中のＩＭＮまたは他の回路内のインダクタの構造に関連する空間および費用を節約するために使用されることができる。

別の側面では、電力システムは、少なくとも部分的に平衡が保たれたインダクタのために磁束消去を有し得る、インターリーブ型整流器を含む。受信インピーダンス整合ネットワークに結合され得る、整流器は、例えば、負荷に電力供給するためのＤＣ出力信号を提供することができる。

図９は、インダクタ磁束消去を有し得る、インターリーブ型整流器を有する、無線電力受信機の例示的実施形態のブロック図を示す。受信機は、平衡電子構成要素９０２Ａ、９０２Ｂを有するインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）の第１段９０２に接続される、共振器を含む。実施形態では、これらの電子構成要素９０２Ａ、９０２Ｂは、同調可能コンデンサおよび／またはインダクタを含むことができる。ＩＭＮの本第１段９０２は、平衡電子構成要素を有するＩＭＮの第２段９０４に接続される。構成要素の平衡を保つことは、例えば、駆動回路の摂動に起因して存在し得る、任意の共通モード信号を拒否するために重要であり得る。上部分岐（９０４Ａおよび９０４Ｃ）はそれぞれ、正のリアクタンス＋ｊＸを有し、底部分岐（９０４Ｂおよび９０４Ｄ）はそれぞれ、負のリアクタンス−ｊＸを有することに留意されたい。第２段９０４の正のリアクタンス＋ｊＸ分岐９０４Ａ、９０４Ｃは、第１の整流器９０６Ａに接続される。第２段９０４の負のリアクタンス−ｊＸ分岐９０４Ｂ、９０４Ｄは、第２の整流器９０６Ｂに接続される。実施形態では、正および負のリアクタンス値の絶対値は、相互に等しくあり得ることに留意されたい。実施形態では、正のリアクタンスの絶対値は、負のリアクタンスを上回り得る、またはそれ未満であり得る。これらの整流器９０６Ａ、９０６Ｂの出力は、バッテリまたはバッテリマネージャ等の負荷９０９に接続するようにともに加算される。「インターリーブ型整流」の効果は、潜在的に相互に対して位相がずれ得る、整流された信号の再結合であることに留意されたい。これは、複合信号出力への平滑化効果につながり得る。

図１０Ａは、図１０Ｂに示されるように、インダクタ磁束消去を有し得る、インターリーブ型整流器を有する無線電力受信機の例示的実施形態の概略図を示す。実施形態では、中心部分フェライトは、対合インダクタを磁気的に分断し、インターリーブ型整流器構成を可能にする。実施形態では、第１のインダクタと第２のインダクタとの間の結合は、０．０４を下回る。受信機は、コンデンサＣ１ＡおよびコンデンサＣ１Ｂに直列に接続され、コンデンサＣ２に並列に接続される、インダクタＬ１を含む。ノードＮ１およびＮ２のそれぞれには、同調可能コンデンサＣ３Ａ”に直列に接続される随意の固定コンデンサＣ３Ａ’およびコンデンサＣ３Ｂ”に直列に接続される随意の固定コンデンサＣ３Ｂ’が接続される（同調可能コンデンサに関して上記の実施例を参照）。上部分岐上の構成要素は、底部分岐上の同一または類似値の構成要素と平衡に保たれることに留意されたい。例えば、コンデンサＣ１Ａは、コンデンサＣ１Ｂと平衡に保たれる。本平衡はまた、共振器コイルＬ１の中間点に示される仮想接地３０２によって表される。ノードＮ３には、コンデンサＣ４Ａに接続されるインダクタＬ４Ａを含む第１の分岐およびコンデンサＣ４Ｂに接続されるインダクタＬ４Ｂを含む第２の分岐が、接続される。インダクタおよびコンデンサは、相互に直列または並列に接続され得ることが留意されたい。第１の分岐では、正のリアクタンスを達成するために、動作周波数におけるインダクタＬ４Ａのリアクタンスは、コンデンサＣ４Ａのリアクタンスを上回り得る。第２の分岐では、負のリアクタンスを達成するために、動作周波数におけるインダクタＬ４Ｂのリアクタンスは、コンデンサＣ４Ｂのリアクタンス未満であり得る。

ノードＮ４には、コンデンサＣ４Ｃに接続されるインダクタＬ４Ｃを含む第３の分岐およびコンデンサＣ４Ｄに接続されるインダクタＬ４Ｄを含む第４の分岐が、接続される。インダクタおよびコンデンサは、相互に直列または並列に接続され得ることが留意されたい。例えば、直列にコンデンサＣ４に接続されるインダクタＬ４は、所望の周波数を伴う電流を整流器の入力に渡すフィルタを作成する。第３の分岐では、正のリアクタンスを達成するために、動作周波数におけるインダクタＬ４Ｃのリアクタンスは、コンデンサＣ４Ｃのリアクタンスを上回り得る。第４の分岐では、負のリアクタンスを達成するために、動作周波数におけるインダクタＬ４Ｄのリアクタンスは、コンデンサＣ４Ｄのリアクタンス未満であり得る。インダクタＬ４および／または静電容量Ｃ４のうちのいずれかは、同調可能構成要素を含み得ることに留意されたい。

第１の分岐の出力は、第１の整流器Ｒｅｃ１の入力Ｉ１に接続され、第２の分岐の出力は、Ｒｅｃ１の入力Ｉ２に接続される。第３の分岐の出力は、第２の整流器Ｒｅｃ２の入力Ｉ３に接続され、第４の分岐の出力は、Ｒｅｃ２の入力Ｉ４に接続される。整流器はそれぞれ、ハーフブリッジ、フルブリッジ、パッシブ（ダイオード）、またはアクティブ（切替）タイプ整流器であり得ることに留意されたい。実施形態では、１０、１５、２０ｋＷを上回る出力を伴う無線電力システムは、切替整流器を使用し、負荷への電力の高い効率を維持してもよい。換言すると、ある電力レベルにおいて、ダイオード整流器は、非常に高い電力レベルにおけるほど効率的に動作することができない場合がある。整流器Ｒｅｃ２の出力Ｏ３は、出力Ｏ１およびＯ３が電気的に加算されるように、ノードＮ５において接続される。整流器Ｒｅｃ２の出力Ｏ４は、出力Ｏ２およびＯ４が電気的に加算されるように、ノードＮ６において接続される。複合出力Ｏ１＋Ｏ２およびＯ３＋Ｏ４は、平滑化コンデンサＣ５に並列に接続される。平滑化コンデンサＣ５には、バッテリまたはバッテリマネージャ等の負荷１１４が並列に接続される。

図１０Ｂの例示的実施形態に示されるように、インダクタＬ４ＡおよびインダクタＬ４Ｃは、コアＳＣ１を共有し、フェライト層ＳＦ１を共有する。図示される実施形態では、インダクタＬ４ＡおよびインダクタＬ４Ｃによって発生させられる磁束は、流動が反対方向であるため、共有フェライト層ＳＦ１内で実質的に消去される。インダクタＬ４ＡおよびインダクタＬ４Ｃは、加えて、磁気的に分断される。コアを共有し得る、インダクタＬ４ＢおよびＬ４Ｄは、それらの間の共有フェライト層ＳＦ２内の磁束が実質的に消去される、類似構成を有する。インダクタＬ４ＢおよびインダクタＬ４Ｄは、加えて、磁気的に分断される。

実施形態では、インターリーブ型整流器を伴う無線電動デバイスのためのインダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｃ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｄは、図７に示されるものとある類似性を有し得る、図１０Ｃに示されるような様式で配列されることができる。種々の巻線構成は、複数の磁束消去を生成し、特定の用途の必要性を満たし得ることが理解される。４つのインダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、およびＬ４Ｄは、フェライトの共有部分が、一方のインダクタによって連結された磁束が他方によって連結されることを効果的に防止するため、有意に磁気的に結合されない。

本発明の例示的実施形態を説明してきたが、ここで、それらの概念を組み込む他の実施形態も使用され得ることが、当業者に明白となるであろう。本明細書で引用される全ての出版物および参考文献は、参照することによってそれらの全体として本明細書に明示的に組み込まれる。
本明細書に説明される異なる実施形態の要素は、上記に具体的に記載されていない他の実施形態を形成するように組み合わせられ得る。単一の実施形態との関連で説明される、種々の要素もまた、別個に、または任意の好適な副次的組み合わせで提供され得る。

Claims (17)

1. 無線共振電力伝送機のソースコイルと、
   第１のエネルギー源によって発生させられる第１の振動電流によって駆動される第１のインダクタと、
   第２のエネルギー源によって発生させられる第２の振動電流によって駆動される第２のインダクタと、
   前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとの間に配置される磁性材料の層であって、前記第１および第２のインダクタは、それぞれがその個別の振動電流で駆動されるときに、前記第１のインダクタによって発生させられる磁束が、前記磁性材料の層内の前記第２のインダクタによって発生させられる磁束によって実質的に消去されるように構成され、前記磁性材料の層は、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタを実質的に磁気的に分断する、磁性材料の層と
   を備え、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタは、平衡インダクタであり、前記第１および第２のインダクタは、前記無線共振電力伝送機の前記ソースコイルに結合される、システム。
2. 前記第１および第２のインダクタは、それぞれ、第１および第２のＥ字形コアの中に配置される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１および第２のインダクタと組み合わせた前記磁性材料層は、前記システムの動作中の第１および第２のインダクタの個別のインダクタンスを決定する、請求項２に記載のシステム。
4. 消去後の前記第１および第２のインダクタからの前記消去された磁束の正味量は、前記第１のインダクタを通した前記振動電流および前記第２のインダクタを通した前記振動電流が実質的に等しいときに、前記磁性材料層の一部では実質的にゼロである、請求項１に記載のシステム。
5. 前記無線共振電力伝送機は、充電プラットフォームの一部を形成する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記第１および第２のインダクタは、個別の平面巻線を備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記磁性材料の層は、さらなる回路構成要素と共有される、請求項１に記載のシステム。
8. 第１のインダクタと第２のインダクタとの間に磁性材料の層を配置することにより前記磁性材料の層と前記第１および第２のインダクタと無線共振電力伝送機のソースコイルとを備えるシステムを形成することであって、前記第１のインダクタは、第１のエネルギー源に電気的に結合され、前記第２のインダクタは、第２のエネルギー源に電気的に結合され、前記磁性材料の層は、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタを実質的に磁気的に分断し、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタは、平衡インダクタである、ことと、
   前記第１のインダクタによって発生させられる第１の磁束が、前記第２のインダクタによって発生させられる第２の磁束によって消去されるように、振動電流で前記第１および第２のインダクタを駆動することと
   を含み、前記第１および第２のインダクタと組み合わせた前記磁性材料層は、前記第１および第２のインダクタの動作中の第１および第２のインダクタの個別のインダクタンスを決定し、前記第１および第２のインダクタは、前記無線共振電力伝送機の前記ソースコイルに結合される、方法。
9. 消去後の前記第１および第２のインダクタからの前記消去された磁束の正味量は、前記第１のインダクタを通した前記振動電流および前記第２のインダクタを通した前記振動電流が実質的に等しいときに、前記磁性材料層の一部では実質的にゼロである、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１および第２のインダクタは、それぞれ、第１および第２のＥ字形コアの中に配置される、請求項８に記載の方法。
11. 前記無線共振電力伝送機は、充電プラットフォームの一部を形成する、請求項８に記載の方法。
12. 前記第１および第２のインダクタは、個別の平面巻線を備える、請求項８に記載の方法。
13. 前記磁性材料の層は、さらなる回路構成要素と共有される、請求項８に記載の方法。
14. 無線共振電力伝送機のソースコイルと、
    第１の振動電流によって駆動される第１のインダクタと、
    第２の振動電流によって駆動され、前記第１のインダクタから実質的に分断される第２のインダクタと、
    前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとの間に配置される磁性材料の層であって、前記第１および第２のインダクタがそれらの個別の振動電流で駆動されるときに、前記第１のインダクタによって発生させられる磁束は、前記磁性材料の層内の前記第２のインダクタによって発生させられる磁束によって実質的に消去され、前記磁性材料の層は、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタを実質的に磁気的に分断する、磁性材料の層と
    を備え、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタは、平衡インダクタであり、前記第１および第２のインダクタは、前記無線共振電力伝送機の前記ソースコイルに結合される、システム。
15. 前記第１および第２のインダクタは、それぞれ、第１および第２のＥ字形コアの中に配置される、請求項１４に記載のシステム。
16. 消去後の前記第１および第２のインダクタからの前記消去された磁束の正味量は、前記第１のインダクタを通した前記振動電流および前記第２のインダクタを通した前記振動電流が実質的に等しいときに、前記磁性材料層の一部では実質的にゼロである、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記第１および第２のインダクタと組み合わせた前記磁性材料層は、前記システムの動作中の第１および第２のインダクタの個別のインダクタンスを決定する、請求項１４に記載のシステム。

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