KR102058130B1 - 자속 결합 디바이스 및 이를 위한 자기 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 자속 결합기로서, 제1 축을 구비하는 자기 투과성 코어, 및 상기 코어와 자기적으로 연관된 2개의 코일을 포함하되, 각 코일은 코어의 제1 사이드에 위치된 자극 영역을 한정하고, 자극 영역들은 제1 축을 따라 분리되며, 각 코일은 자극 영역들 사이에 위치된 중심 구역, 중심 구역과 대향하는 단부 구역, 및 중심 구역과 단부 주변 사이의 사이드 구역을 구비하고, 각 코일의 단부 구역을 넘어 보조 자극 영역이 제공되며, 보조 자극 영역은 단부 구역 부근에서 사용 시 각 코일로부터 방사될 수 있는 누설 자속을 흡수하는, 자속 결합기에 관한 것이다.

Description

자속 결합 디바이스 및 이를 위한 자기 구조물{FLUX COUPLING DEVICE AND MAGNETIC STRUCTURES THEREFOR}
본 발명은 자속(magnetic flux)을 생성하거나 수신하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 유도 전력 전달(inductive power transfer: IPT) 시스템을 사용하여 무선으로 전력을 전달하는 특정 응용에 관한 것이나 이들로 제한되지 않는다.
IPT 시스템, 및 유도 전력 전달을 위한 1차 또는 2차 권선(winding)을 포함할 수 있는 하나 이상의 권선을 구비하는 패드(pad) 형태의 결합 디바이스(coupling device)의 사용은 전체 내용이 본 명세서에 병합된 국제 특허 공개 번호 WO 2008/14033에 기술되어 있다.
IPT 전력 전달 패드의 하나의 특정 응용은 전기 차량 충전이고, 이 응용은 본 난에서 본 발명의 하나의 응용에 대한 배경을 제공하기 위해 설명된 것이다. 그러나, 전기 차량 충전은 단지 하나의 응용 예일 뿐, 본 발명은 일반적으로 유도 전력 전달에 응용된다. 전기 차량 충전은 예를 들어 차량이 정지해 있는 동안, 또는 대안적으로 차량이 도로를 따라 이동하고 있는 동안 수행될 수 있다. IPT 전력 전달 패드는 전력 "픽업(pickup)"(즉, IPT 시스템의 2차 사이드(side) 권선)으로서 차량에 사용되는 외에, 예를 들어, 전력이 인출될 수 있는 "충전 패드"(즉, 1차 사이드 권선)로서 차고 바닥 또는 도로와 같은 정지 위치에 사용될 수 있다.
IPT 도로 시스템의 목적은 차량과 물리적으로 접촉함이 없이 정지 차량이나 이동 차량으로 전력을 무선으로 전달하는 것이다. 이 시스템의 전송 부분은 집중 코일(lumped coil)을 제공하는 전원(예를 들어, 전술한 바와 같은 패드), 또는 많은 유사한 집중 코일을 갖는 트랙(track)으로 구성되고, 여기서 이러한 시스템은 통상 어디에서나 10㎑ 내지 150㎑ 범위의 적절한 주파수에서 동작하도록 튜닝된다. 수신기(receiver)가 차량 아래에 배치되어, 차량이 1차 전송기 위에 또는 부근에 (전력을 결합시키기에 충분히 가까이) 정지해 있을 때 전력을 수신하도록 결합된다. 픽업 수신기는 또한 전형적으로 집중 코일(예를 들어, 전술한 패드)을 포함하고 이 집중 코일은 전력을 조절하기 위해 차량 내 컨버터(converter) 및 적절한 제어기에 연결된다. 편의상, 도로의 일부(이로부터 전력이 유도 방식으로 수신될 수 있음)는 본 명세서에서 트랙이라고 지칭된다.
이 트랙은 도로에서 차로(lane)의 중심을 따라 복수의 패드를 배치함으로써 형성될 수 있다. 이를 통해 차량이 트랙 바로 인근 도로를 따라 이동함에 따라 차량으로 전력을 본질적으로 연속적으로 공급할 수 있다.
최근에 이러한 시스템은 지속 가능한 무선 전력을 공급받아 개인 교통을 가능하게 하는 가능성으로 인해 증가된 관심을 받고 있다. 이러한 시스템이 유용하기 위하여 이 시스템은 적절한 사이즈(예를 들어, 100 내지 300㎜)의 공기 갭(air gap)을 통해 충분한 전력을 전달할 수 있어야 할 뿐만 아니라, 차량을 트랙에 따라 가이드하는 시스템에 종속하는 것을 피하기 위하여 트랙과 픽업 사이의 어떠한 변위에도 내성이 있어야 한다. 도로 시스템에서 이러한 변위는 차량을 이동시키는 측방향(lateral direction)(수직방향과 이동 방향에 직교하는 방향)으로도 일어날 수 있다. 정지 차량을 충전하기 위하여 적절한 길이방향 변위를 두고 허용 가능한 전력 레벨을 전달하는 능력이 주차를 용이하게 하기 위해 특히 중요하다. 픽업 패드에서 전력 전달 프로파일(profile)은 각 단부에서 평활한 감소(smooth drop-off)를 갖고 가능한 한 넓은 측방향 거리에 걸쳐 본질적으로 일정한(및 충분한) 평활한 전력 프로파일이 이상적이다. 이러한 전력 전달 프로파일은 시스템에서 전자적 (1차 및 2차) 조절기(regulator)에 대한 요구를 경감시켜, 동작 동안 상당한 변동이 1차 패드와 수신기 패드 간 결합에 나타나는 시스템과 필적하는 개선된 동작 결합 성능을 가능케 한다.
차량 충전과 같은 응용에서 전력 전달을 위하여 자속 결합 디바이스를 실제 사용할 때, 스트레이 자계(stray magnetic field), 즉, 누설 자속(leakage flux)을 감소시키는 것이 중요하다. 특히, 패드 디바이스들 간에 있을 수 있는 상대적인 변위를 고려하여 패드 디바이스의 결합 자속(즉, 전력 전달을 수행하는 자속)을 상당히 손상시키는 일 없이 누설 자속을 최소화하는 것이 바람직하다.
목적
본 발명의 목적은 자속 결합 디바이스들의 결합을 상당히 손상시키는 일 없이 자속 결합 디바이스에서 누설 자속을 감소시키는 것이다.
본 발명의 추가적인 또는 대안적인 목적은, 자기 결합 디바이스들 간에 있을 수 있는 상대적인 변위를 고려하여, 디바이스들 간의 결합을 상당히 손상시키는 일 없이 자기 결합 디바이스에서 누설 자속을 감소시키는 것이다.
본 발명의 추가적인 또는 대안적인 목적은 개선된 결합 디바이스를 제공하거나, 또는 공지된 디바이스에 대한 유용한 대안을 적어도 제공하는 것이다.
발명의 개요
일 측면에서, 본 발명은, 자속 결합기(magnetic flux coupler)로서,
제1 축을 구비하는 자기 투과성 코어(magnetically permeable core), 및
상기 코어와 자기적으로 연관된 2개의 코일을 포함하되, 각 코일은 상기 코어의 제1 사이드에 위치된 자극 영역(pole area)을 한정하고, 상기 자극 영역들은 상기 제1 축을 따라 분리되며,
상기 코일 각각은 상기 자극 영역들 사이에 위치된 중심 구역(central region), 상기 중심 구역과 대향하는 단부 주변(end periphery), 및 상기 중심 구역과 상기 단부 주변 사이에 사이드 주변을 구비하고,
각 코일의 단부 주변을 넘어 보조 자극 영역이 제공되는, 자속 결합기를 제공한다.
일 실시형태에서, 상기 보조 자극 영역은 상기 코어의 일부를 포함한다.
상기 보조 자극 영역은 단부 주변 부근에서 사용 시 상기 각 코일로부터 방사될 수도 있는 누설 자속을 흡수한다. 상기 보조 자극 영역은 상기 제1 축을 따라 오정렬될 때 자속을 다른 자속 결합기 장치에 결합시킬 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 보조 자극 영역은 각 코일의 사이드 주변을 넘어 연장되지 않는다. 이 보조 자극 영역은 상기 단부 주변에 인접한 표면을 포함할 수 있다. 또한, 상기 자극 영역은 벽(wall), 립(lip) 또는 리세스(recess) 중 하나를 한정할 수 있다.
상기 코어는 각 코일의 단부 주변을 수용하는 하나 이상의 리세스를 포함할 수 있다. 상기 리세스는 결합된 자속이 지향되거나 또는 수용되는 구역 쪽을 향하거나 또는 중심 구역 쪽을 향할 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 단부 주변은 상기 코일의 스택된 턴(stacked turn)을 포함한다.
상기 보조 자극 영역은 상기 주변 구역의 전류 중심에 대해 일정 각도로 제공될 수 있다. 다른 실시형태에서, 상기 보조 자극 영역은 복수의 자극 영역을 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명은, 자속 결합기로서,
자기 결합 자속을 생성하거나 인터셉트(intercept)하는 코일; 및
상기 코일의 주변 에지(edge) 부분을 넘어 위치되고, 상기 주변 에지 부분 부근에서 사용 시 상기 코일로부터 방사될 수도 있는 누설 자속을 흡수하는 자기 투과성 누설 자속 흡수 수단을 포함하는, 자속 결합기를 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 이전의 설명 중 어느 하나에 따른 자속 결합기를 포함하는 유도 전력 전달 시스템을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 자속 결합기로서,
제1 축을 구비하는 자기 투과성 코어, 및
상기 코어와 자기적으로 연관된 2개의 코일을 포함하되, 각 코일은 상기 코어의 제1 사이드에 위치된 자극 영역을 한정하고, 상기 자극 영역들은 상기 제1 축을 따라 분리되며,
상기 각 코일은 상기 자극 영역들 사이에 위치된 중심 구역, 상기 중심 구역과 대향하는 단부 구역, 및 상기 중심 구역과 상기 단부 구역 사이에 사이드 구역을 구비하고,
상기 코어는, 상기 단부 구역에서의 자속이 상기 코어로 들어가도록 촉진(encouraged)하고, 각 사이드 구역에서의 자속을 이 사이드 구역으로부터 가장 멀리 있는 상기 자극 영역으로 연장되도록 촉진하도록 하는 자속 채널링 수단을 구비하는, 자속 결합기를 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 자속 결합기로서,
제1 축을 구비하는 자기 투과성 코어, 및
상기 코어와 자기적으로 연관된 2개의 코일을 포함하되, 각 코일은 상기 코어의 제1 사이드에 위치된 자극 영역을 한정하고, 상기 자극 영역들은 상기 제1 축을 따라 분리되며,
상기 각 코일은 상기 자극 영역들 사이에 위치된 중심 구역, 상기 중심 구역과 대향하는 단부 주변, 및 상기 중심 구역과 상기 단부 주변 사이에 사이드 주변을 구비하고,
상기 코어는 각 코일의 상기 단부 주변을 넘어 연장되고 각 코일의 사이드 주변을 넘어 연장되지 않는, 자속 결합기를 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 자속 결합기로서,
제1 단부 및 제2 단부를 구비하고 이들 사이에 제공된 제1 축을 구비하는 자기 투과성 코어, 및
상기 코어와 자기적으로 연관된 2개의 코일을 포함하되, 각 코일은 상기 코어의 제1 사이드에 위치된 자극 영역을 한정하고, 상기 자극 영역들은 상기 제1 축을 따라 분리되며,
상기 제1 및 제2 단부는 상기 자극 영역을 넘어 연장되고,
상기 코어는 상기 자극 영역들 사이에 상기 제1 축과 횡방향으로 제1 단면(cross section)을 구비하며, 상기 제1 단면은 자속이 상기 제1 축과 평행한 방향으로 상기 자극 영역들 사이에 연장되도록 촉진하는 낮은 릴럭턴스 구역(low reluctance region)을 구비하고,
상기 코어는 상기 자극 영역을 넘는 점에서 상기 제1 축과 평행한 제2 단면을 구비하며, 상기 제2 단면은 상기 코어의 단부에 인접한 자속이 상기 코어에 들어가도록 촉진하는 낮은 릴럭턴스 구역을 구비하는, 자속 결합기를 폭넓게 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은, 자속 결합기로서,
제1 단부 및 제2 단부를 구비하고 이들 사이에 제공된 제1 축을 구비하는 자기 투과성 코어,
상기 코어와 자기적으로 연관된 2개의 코일, 및
상기 코어의 각 단부에 또는 이에 인접하여 상기 제1 축과 횡방향으로 제공되고, 상기 코어의 단부에 인접한 자속이 상기 코어로 들어가도록 촉진시키는 자속 채널링 수단을 포함하되,
각 코일은 상기 코어의 제1 사이드에 위치된 자극 영역을 한정하고, 상기 자극 영역들은 상기 제1 축을 따라 분리되며,
상기 제1 및 제2 단부는 상기 자극 영역을 넘어 연장되고,
상기 코어는 상기 자극 영역들 사이에 상기 제1 축과 횡방향으로 단면을 구비하며, 상기 단면은 자속이 상기 제1 축과 평행한 방향으로 상기 자극 영역들 사이에 연장되도록 촉진하는 낮은 릴럭턴스 구역을 구비하는, 자속 결합기를 제공한다.
상기 단면은 높은 릴럭턴스 구역으로 분리된 복수의 낮은 릴럭턴스 구역을 포함할 수 있다.
상기 자속 채널링 수단은 상기 제1 축과 횡방향인 길이방향 축을 구비하는 높은 자기 투과성 재료의 길이를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 상기 자속 채널링 수단은 상기 코어에 연결된다. 대안적으로 상기 자속 채널링 수단은 상기 코어의 각 단부에 인접하여 제공된다.
일 실시형태에서, 상기 코일은 중첩(overlap)된다.
다른 실시형태에서, 3개의 코일이 제공되는데, 여기서 하나의 코일이 다른 2개의 코일과 중첩된다.
일 실시형태에서, 상기 자속 채널링 수단은 누설 자속을 상당히 감소시킨다.
다른 실시형태에서, 상기 자속 채널링 수단은 다른 결합기 디바이스로부터 오는 자속을 상기 자속 채널링 수단이 제공된 코어로 채널링한다.
본 발명의 다른 측면은 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 페라이트 시트(ferrite sheet)로 만들어진 높은 자기 투과성 표면(highly magnetically permeable surface)에 동일 평면상의 코일(co-planar coil)들을 구비하는 결합기 장치(coupler apparatus)의 일 형태의 개략 사시도;
도 2는 전력 전달 시스템의 시뮬레이션 모델에 사용되는 바와 같은 자속 "전송" 디바이스 및 "수신" 디바이스를 도시하는, 자기 투과성 표면의 개선된 형태를 구비하는 다른 형태의 결합기 장치의 개략 사시도;
도 3은 도 2에 도시된 배열에 대한 시뮬레이션된 자속 벡터(magnetic flux vector)로서, 구체적으로 (a) yz 평면(x=200)에서의 자속 밀도 벡터 및 (b) xz 평면(y=0)(I1 = 23A/코일)에서의 자속 밀도 벡터를 도시한 도면;
도 4는 활성화된(energised) 좌측 코일 및 (a) 전체 사이즈의 시트 및 (b) 페라이트를 코일 아래로부터 제거한 (I1 = 23A/코일) 우측 개방 회로를 갖는 페라이트 시트의 중간(mid way)에 xy 평면(z=-16)에서 시뮬레이션된 자속 밀도 벡터를 도시한 도면;
도 5는 코일(a, b) 및 코일들 간의 상호 결합으로 인한 주된 자속 경로(main flux path)(Φal, Φbl 및 Φip)를 각각 구비하는, 본 문서에서 DD 패드로 지칭되는 추가적인 결합기 구성의 간략화된 모델의 사시도;
도 6은 중첩된 이상화된(superimposed idealised) 자속 경로, 즉, 상부, 공기 갭 및 후면(back) 누설(Φlt, Φla, Φlb) 및 상호 자속(ΦM)이 있고, I1 = 23A, 20회의 턴/코일을 구비하고 "수신기" 패드가 개방 회로인, 도 5의 DD 패드 시스템의 xz 평면에서 시뮬레이션된 자속 밀도 벡터를 도시한 도면;
도 7은 DD 구조물을 갖는 1차 (전송기 또는 Tx) 패드 및 DD에 구상 코일(quadrature coil)을 더한 배열을 갖는 2차 (수신기 또는 Rx) 패드를 도시한 도면;
도 8은 (a) xz 평면 및 (b) yz 평면에서 도 7의 배열을 위한 자속 밀도를 도시한 도면;
도 9a는 이상적인 페라이트 코어 구조물을 도시하고, 도 9b는 코일의 단부 주변을 넘어 연장되는 페라이트를 구비하는 D11 패드 구조물을 도시하고, 및 도 9b는 도 9b에 도시된 패드를 위한 페라이트 구조물을 도시한 도면;
도 10은 (a) xz 평면 및 (b) yz 평면에서 도 9의 배열(D11)에 대한 자속 밀도를 도시한 도면;
도 11은 알루미늄 차폐 링(shielding ring)을 구비하는, D12 구조물로 지칭되는, 추가적인 구조물의 사시도;
도 12는 (a) xz 평면 및 (b) yz 평면에서 도 11의 배열에 대한 자속 밀도를 도시한 도면;
도 13에서 (a)는 확장된 페라이트 연장부를 갖는 추가적인 DD 패드 구조물의 평면도이고 (b)는 페라이트 배열의 평면도;
도 14는 (a) xz 평면 및 (b) yz 평면에서 도 13의 배열에 대한 자속 밀도를 도시한 도면;
도 15에서 (a)는 다른 결합기 구조물의 평면도이고 (b)는 1차 및 2차 배열의 일례를 도시하는 사시도;
도 16은 (a) xz 평면 및 (b) yz 평면에서 도 15의 배열에 대한 자속 밀도를 도시한 도면;
도 17에서 (a)는 확장된 페라이트 연장부를 구비하는 추가적인 DD 패드 구조물의 평면도이고 (b)는 페라이트 배열의 평면도;
도 18은 (a) xz 평면 및 (b) yz 평면에서 도 17의 배열에 대한 자속 밀도를 도시한 도면;
도 19에서 (a)는 코일의 사이드 주변을 넘어 또한 연장되는 확장된 페라이트 연장부를 구비하는 추가적인 DD 패드 구조물의 평면도이고 (b)는 페라이트 배열의 평면도;
도 20은 (a) xz 평면 및 (b) yz 평면에서 도 19의 배열에 대한 자속 밀도를 도시한 도면;
도 21은 코일의 단부 및 사이드 주변 에지로부터 이격된 방식으로 연장되는 페라이트 연장부를 구비하는 추가적인 DD 패드 구조물의 평면도;
도 22는 거리에 대한 시뮬레이션된 자계 강도를 도시한 도면;
도 23은 (a) d9 구조물, (b) D11 구조물 및 (c) D17 구조물의 평면도;
도 24는 여러 패드 구조물에서 수평 오프셋(offset)에 대한 시뮬레이션된 전력을 도시한 도면;
도 25는 여러 패드 구조물에서 거리에 대한 시뮬레이션된 자계 밀도를 도시한 도면;
도 26은 (a) D11-2 구조물, (b) D18 구조물, (c) D18 구조물에 대한 페라이트 배열, (d) D19 구조물 및 (e) D19 구조물에 대한 페라이트 배열의 평면도;
도 27은 거리에 대한 시뮬레이션된 자계 강도를 도시한 도면; 및
도 28은 코일의 단부 주변을 넘어 연장되는 페라이트를 포함하는 2극(bipolar) 패드 구조물의 평면도;
도 29는 단일층 DD 구성에서 한 쌍의 코일을 포함하는, 종래 기술에 따른 IPT 자속-결합 장치의 (a) 평면도 및 (b) 측면도;
도 30은 단일층 DDQ 구성에서 한 쌍의 코일을 포함하는, 종래 기술에 따른 다른 IPT 자속-결합 장치의 (a) 평면도 및 (b) 측면도;
도 31은 이중층 DD 코일 구성을 구비하는 본 발명에 따른 IPT 자속 결합 장치의 제1 실시형태의 (a) 평면도 및 (b) 측면도;
도 32는 이중층 DDQ 코일 구성을 구비하는 본 발명에 따른 IPT 자속 결합 장치의 제2 실시형태의 (a) 평면도 및 (b) 측면도;
도 33은 이중층 DD 코일 구성을 구비하는 본 발명에 따른 IPT 자속 결합 장치의 제3 실시형태의 (a) 평면도 및 (b) 측면도;
도 34는 이중층 DDQ 코일 구성을 구비하는 본 발명에 따른 IPT 자속 결합 장치의 제4 실시형태의 (a) 평면도 및 (b) 측면도;
도 35는 3중층 DD 코일 구성을 구비하는 본 발명에 따른 IPT 자속 결합 장치의 제5 실시형태의 (a) 평면도 및 (b) 측면도;
도 36은 4중층 DD 코일 구성을 구비하는 본 발명에 따른 IPT 자속 결합 장치의 제6 실시형태의 (a) 평면도 및 (b) 측면도;
도 37은 3중층 DD 코일 구성을 구비하는 본 발명에 따른 IPT 자속 결합 장치의 제7 실시형태의 (a) 평면도 및 (b) 측면도;
도 38는 DDQ 코일 구성을 구비하는 일 실시형태의 (a) 평면도와 (b) 측면도, 그리고 (c) x-축을 따라 오정렬된 1차 및 2차 패드 구조물의 개략 측면도;
도 39에서 (a) 내지 (d)는 x-축을 따라 수평으로 변위된 1차 및 2차 자속 결합 장치의 여러 조합에 대한 자속 누설의 윤곽을 도시한 도면;
도 40은 y-축을 따라 수평으로 변위된 종래 기술의 단일층 DD 1차 및 DDQ 2차 패드 사이의 자기 결합에 대한 자속 누설의 (a) 단부도 및 (b) 측면도;
도 41은 y-축을 따라 수평으로 변위된 본 발명의 제1 실시형태에 따른 1차 패드와 제2 실시형태에 따른 2차 패드 사이의 자기 결합에 대한 자속 누설의 (a) 단부도 및 (b) 측면도;
도 42는 y-축을 따라 수평으로 변위된 제7 실시형태에 따른 1차 패드와 제2 실시형태와 유사한 2차 패드 사이의 자기 결합에 대한 자속 누설의 (a) 단부도 및 (b) 측면도;
도 43은 도 11 내지 도 13의 3개의 구성 각각에 대해 여러 거리에서 자속 밀도를 도시한 그래프;
도 44는 3개의 미리 한정된 크기 중 하나의 크기를 각각 구비하는 복수의 페라이트 바(ferrite bar)를 사용하는 도 9의 코어의 개략적 (a) 평면도 및 (b) 측면도;
도 45는 2극 패드(bipolar pad: BPP) 코일 배열 형태의 자기 결합기의 (a) 평면도 및 (b) 측면도; 및
도 46 내지 도 50은 자속 결합 디바이스의 추가적인 실시형태의 단부 또는 주변 구역의 부분 측단면도.
누설 자속은 결합 디바이스의 사이드 및 후면 주위에 발생하는 경향이 있다. 결합기의 후면에서 자속을 최소화하는 실용적인 방법은 우선 자속의 생성을 회피하는 것이다. 결합기의 일 실시형태는 패드(1)의 형태로 도 1에 도시되어 있다. 결합기 구조물은 본 명세서에서 "패드"로 지칭되지만 이 용어는 본 발명을 제한하기 위해 의도된 것은 아니다. 패드(1)는 각 코일의 중심에서 상승된 페라이트 블록(3)을 구비하는 페라이트 시트(2)를 포함하는 자기 투과성 코어 구조물 상에 놓이는 코일을 포함한다. 상승된 블록(3)은 결합을 개선시키기 위해 추가된다. 도 1에 도시된 바와 같은 페라이트 시트(2) 상에서의 동일 평면상의 코일(a 및 b)은 패드의 후면에서 자속을 일으킬 수 있는 어떠한 기자력(magnetomotive force: mmf)도 생성하지 않는다. 이를 통해 알루미늄 차폐막(shield)(미도시)은 진정한 편측(single-sided) 자속 결합기를 생성하는 (국제 특허 공개 WO2008/140333에 설명된 바와 같은 원형 패드와 같은) 코일 아래에, 즉, 코일과 대향하는 사이드 상에 놓일 수 있다. 이상적으로 차폐막은 패드의 후면에는 요구되지 않으나, 시트(2)를 실제 구성하는 개별 페라이트 단편(ferrite piece)들 사이에 프린징 자속(fringing flux)이 강철과 같은 높은 고유저항의 강자성 재료에서 손실을 야기할 것이다.
도 1에 도시된 형태(topology)는 편측 자속을 생성하지만, 기본 자속 경로들이 이상적이지 않아 필연적으로 낮은 결합 계수(coupling coefficient)를 초래할 것이다. 도 1의 형태의 인덕턴스(inductance)(L)는 도 1에서 코일(a 및 b)이라고 지칭되는 각 코일의 인덕턴스, 및 코일이 병렬로 연결된 것(전류는 도 1에 도시된 권선 방향으로 흐름)으로 인한, 코일들 사이의 상호 인덕턴스로 이루어진다. 인덕턴스는 주어진 전류에서 (특정 개수의 턴을 구비하는) 코일에서의 자속 쇄교(flux linkage)로 인한 것이어서, 이 인덕턴스는 다음 자속, 즉, 코일(a)에 대한 자속(Φa), 코일(b)에 대한 자속(Φb), 코일(b)로 인한 코일(a)에서의 자속(Φab) 및 코일(a)로 인한 코일(b)에서의 자속(Φba)을 고려하여 기술될 수 있다. 자속(Φa 및 Φb)은 도 1에 도시되어 있다.
2개의 코일 사이의 상호 자속은 패드 내 자속(intra-pad flux)(Φip)이라고 지칭되고 도 1에서 큰 원호로 도시되어 있다. 도 1의 패드가 결합기로 사용될 때, Φip의 일부는 수신기 패드에 결합되어, 전력을 전달한다. 따라서, 패드 내 자속(Φip)은 상대적으로 커야 한다. 코일들 사이에 결합을 정량화하는 효과적인 척도는 코일에 의해 생성된 총 자속에 대한 코일들 사이의 상호 인덕턴스의 비율인 패드 내 결합 계수(kip)이다. 도 1의 실시형태에서, Φip는 코일들 사이의 물리적 분리로 인해 필연적으로 작은데, 그 이유는 Φip에 기여하는 코일 부분이 (도 1에서 음영 구역(shaded region)(4)으로 도시된 바와 같이) 작기 때문이다. 이것은 자속을 생성하는 결합기와 자속을 수신하는 결합기 사이에 매우 낮은 결합 계수를 초래할 것이다. 이런 이유 때문에, 도 1의 패드 형태가 유용한 특징을 나타냄에도 불구하고, 원하는 것보다 전체적으로 더 낮은 결합으로 인해 이 패드는 IPT 충전 시스템에는 적절치 않은 것으로 지적된다.
성형된 코일을 갖는 시뮬레이션 모델
도 1의 형태의 표면(2)의 패드 내 결합 계수는, 코일들을 정사각형(square)으로 만들고 이들 코일을 서로 가까이 이동시켜, 도 2에 도시된 바와 같이 x 축에 대해서 분명한 중간부(midsection)를 형성함으로써 증가될 수 있다. 이제 도 2를 참조하면, 동일한 결합 패드(20 및 21)를 포함하는 시뮬레이션 모델이 결합 성능을 조사하기 위해 제작되었다. 758㎜ 길이(x-축)×411㎜ 폭(y-축)×16㎜ 깊이(z-축)에 이르는 페라이트 시트(5)를 포함하는 코어 구조물이 도 2에 도시된 바와 같이 사용되었다. 각 코일(6, 7)은 모델을 간략화하기 위해 정사각형으로 만들어진 4㎜ 직경의 와이어의 20회의 턴(turn)으로 구성된다. 페라이트 시트(5)는 x 축과 y-축으로 10㎜만큼 코일의 단부 및 사이드 주변을 지나 연장된다. 자극 영역(11)들은 x 축을 따라 분리된다. 자극 영역(11)들 사이의 패드의 중심에 있는 각 코일의 사이드(8)는 각 코일의 중심 구역을 포함한다. 중심 구역은 x=0에서 공통 경계를 공유하여 패드 내 결합 계수에 기여한다. 각 코일의 나머지 3개의 사이드는 kip에 기여하지 않아서 리턴 부분(return portion)으로 고려되는데 - 2개의 사이드(9)(사이드 구역)는 중간부에 직교하고 나머지 사이드(10)(각 코일의 단부 또는 주변 구역)는 중심 구역에서 멀리 이와 대향하고 전류 방향은 반대이다. 두 코일의 내부 영역(11)은 (패드(20 및 21) 중 한쪽 패드와 패드(20 및 21) 중 다른 쪽 패드 사이) 패드간 자속이 이 자극 영역을 통과하므로 자극 영역으로 지칭된다. 도 2의 실시형태에서 자극 영역(11)은 상승되어 있지 않아서 각 패드의 수직 프로파일이 감소된다.
패드(20 및 21)들 사이에 200㎜의 공기 갭을 두고 시뮬레이션한 결과는 표 1에 요약되어 있는데, 여기서 좌측 열은 패드간 (패드(20)와 패드(21) 간) 결합에 관한 데이터를 포함하고, 우측 열은 패드 내 (각 패드의 코일(6 및 7)들 간) 결합에 관한 데이터를 포함한다. 두 패드(20 및 21)는 동일하여서 789μH의 동일한 자기-인덕턴스(self-inductance)(L1 = L2 = L (패드))를 갖는다.
시뮬레이션에서 코일은 하나의 와이어로 감겨 있으나 실제로는 2개의 필라멘트의 권선을 사용할 수 있는데, 이 경우 인덕턴스를 낮추게 되며, 또 전송기에서 동일한 암페어-턴(ampere-turn)(NI)을 유지하기 위해 I1은 배가될 필요가 있다는 것이 주목된다. 0.215의 결합 계수는 2.4kVA의 비-보상된 전력을 가능하게 하는데, 이는 유사한 사이즈의 원형 및 자속 파이프 패드에서 가능한 것보다 훨씬 더 높다.
도 2의 실시형태의 패드 내 결합 계수는 0.154이고 이것은 패드들 사이의 k 보다 더 낮은데, 이는 대부분의 결합이 (도 1에서 Φip로 도시된) 기본 자속 경로에서의 자속으로 인한 것이 아니라는 것을 나타낸다. 패드들 간 결합 계수의 상당한 부분은 코어 구조물(5)을 만드는 각 코일의 리턴 부분(즉, 사이드(9 및 10))이 z 축 상에 정렬되고 서로 가까이 놓여 있는 WO2008/140333의 2개의 결합된 원형 패드와 같이 작용하는 것에 기인된다.
표 1
Figure 112015013028576-pct00001
도 2의 실시형태에 대한 시뮬레이션 결과는 도 3의 (a) 및 (b)에 도시되어 있는데, 여기서 yz 및 zx 평면에서의 자속 밀도 벡터를 사용하여 패드(20)와 패드(21) 사이에서의 자계의 형상을 도시한다. 시뮬레이션에서, 패드(20)는 자속을 생성하기 위해 활성화되고 패드(21)는 패드(20)로부터 생성된 자속을 인터셉트하거나 수신한다. x, z 및 z 축의 원점은 패드(20)의 결합 표면의 중심에 있다. yz 평면은 200㎜에서 x-축과 교차하므로 자극 영역의 중심 가까이에 위치된다. 자속 밀도 스케일은 패드들 사이 공기 갭에서의 자속을 더 잘 보여주기 위해 최대 5mT로 조절되었다. 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 코일의 리턴 부분(9) 주위에 다량의 자속이 있고, 일부 자속이 수신기의 (상호) 자속에서 대응하는 코일 부분과 결합하지만, 많은 부분이 누설 자속이어서 이것은 원치 않는 패드 누설 인덕턴스에 기여한다.
도 3(b)를 보면, 코어의 단부 가까이에서, 즉, x 축의 어느 한 쪽 단부에서 일부 자속이 상쇄된다는 것을 알 수 있는데; 이것은 코일의 리턴 부분(10)에서의 전류 방향이 중심 부분(8)에서의 전류 방향과 반대 방향이기 때문이다. 상쇄의 위치는 중심에서, 즉, x 축에 대해서 증가된 암페어-턴(NI)으로 인해 패드의 단부로 바이어스된다. 패드의 후면으로부터는 직접 자속이 없다. 그러나, 코일 권선의 리턴 부분을 쇄교하기 위하여 패드 뒤로 이동하는 자속 경로들이 있지만, 이들 경로는 길어서 자속 밀도가 낮다.
도 2에 도시된 결합기 구조물의 누설 인덕턴스는 모든 코일의 리턴 부분(9 및 10) 아래에서부터 페라이트를 제거함으로써 감소될 수 있는데, 이것은 코일의 인덕턴스가 감소되어도 M은 본질적으로 영향을 받지 않은 채 유지되므로 유리하게 k를 증가시킬 것이다.
코일의 리턴 부분(9 및 10) 아래에서부터 페라이트가 제거된 도 2의 실시형태에 따른 결합기 배열에 대한 결과는 표 2에 도시되어 있다. 표 2의 제1 열은 패드간 결합에 대한 파라미터를 포함하고 제2 열은 패드 내 결합에 대한 파라미터를 포함한다. M에는 거의 변화가 없고 L은 789μH에서 706μH로 감소되어, k를 0.24로 증가시킨다.
새로운 패드 형태는 크게 변화된 결합기 디바이스들 사이에 결합 메커니즘을 초래한다. 결합된 디바이스 상의 리턴 권선 부분(9 및 10)은 직접 결합하는 것이 아니라, 각 결합기 구조물 주위에서 xz 및 yz 평면에서 자속을 생성하는 구조물로부터 이 자속을 수신하는 구조물로 상호 자속을 가하는 자기 포텐셜(magnetic potential)을 증가시킨다. 이 형태는 인덕턴스를 최소로 추가하는 추가된 장점을 가진다.
표 2
Figure 112015013028576-pct00002
표 2에 도시된 바와 같이, 패드 내 결합 계수가 0.47로 3배만큼 증가하였는데, 이는 패드 간 결합이 주로 도 1에 도시된 원하는 기본 경로에서의 자속(Φip)에 연유하는 것을 나타낸다. kip의 커다란 증가는 패드 내 상호 인덕턴스(Mip)가 2배를 초과하여 증가한 것에 연유한다. 이것은, 코일들이 서로 가까이 있어 두 유형의 패드 쌍(중실 페라이트 시트를 구비하고 리턴 부분 아래로부터 페라이트가 제거된 것)의 중간부를 형성하는 것을 고려할 때 예상되는 것보다 훨씬 더 큰 것이다. Mip의 증가는 페라이트 코어의 유리한 자화에 연유한다. 이것은 도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면 볼 수 있다.
도 4(a)는 도 2의 결합기 패드(20)에서 페라이트 시트 코어(5)의 중심을 통과하는 xy 평면에서의 자속 밀도 벡터를 도시한다. 결합기 패드(21)는 200㎜의 수직(즉, z 축) 분리를 두고 제공되고, 개방 회로이다. 패드(20)의 좌측 사이드 코일이 활성화되고 우측 사이드 코일은 개방 회로로 남아있다. 자속 밀도 스케일은 최대 20mT로 설정되었다. 최대 자속 밀도는 적색 벡터로 도시된 바와 같이 패드의 중간부에서 일어난다. 이것은 코일의 양 사이드에 페라이트가 존재하여 리턴 부분에서보다 더 많은 자속을 쇄교시킬 수 있기 때문이다.
페라이트의 큰 볼륨으로 인해 활성화된 코일로부터 자속은 전체 슬랩(slab)에 걸쳐 확산될 수 있어서 인접한 코일에 상당한 양의 공통 모드 자속을 야기한다. 공통 모드 자속의 밀도는 녹색 내지 연청색 벡터로 도시된 바와 같이 우측에 있는 코일의 영역에 걸쳐 상대적으로 균일하다. 그 결과, 패드 내 결합은 자속 밀도의 작은 변화에 연유하며, 따라서 kip는 고작 0.15이다.
도 4(a)에 표시된 바와 같이 자속 밀도 벡터의 방향이 여기된 코일(excited coil)의 좌측 쪽으로 변화된다. 이것은 코일 구조물로 인해 전류 방향(I로 표시)이 효과적으로 변화된 것에 의해 야기된 반대 자속에 연유한다. 이것은 자속 반전을 일으키고, 이는 (코일이 페라이트로 둘러싸여 있으므로) 코일 주위에 상대적으로 낮은 릴럭턴스 경로로 인해 중간부에서 증가된 자속 밀도 때문에 패드의 좌측에 위치된다.
코일의 리턴 부분(9 및 10) 아래에서부터 페라이트가 제거된 변경된 등전위 표면 패드에서 자속 밀도 벡터는 도 4(b)에 도시되어 있다. 재차, 좌측 코일은 여기된 코일인 반면, 우측 사이드 코일은 개방 회로이다. 페라이트가 자화되면 인접한 코일을 통해 여기된 코일로부터 상당한 양의 자속을 채널링하여 kip를 0.15에서 0.47로 증가시키므로 바람직하다. 또한, 여기된 코일의 리턴 부분(9 및 10)에 대한 자속이 감소되어서 누설 인덕턴스를 상당히 감소시킬 수 있다.
페라이트 시트의 중심 평면에 도시된 자속의 거의 전부가 x-축 방향이다. 시트의 단부에서 약간의 발산만이 있다. 이것은 자속이 코일로부터 발산되는 도 4(a)의 변경된 등전위 표면과는 매우 상이하다. 자속 밀도 벡터는 페라이트 시트의 중심을 통과하는 xy 축의 평면에서만 도시되고; 자속이 페라이트 시트의 표면을 떠나거나 이 표면으로 리턴되기 위해서는 명백히 z-축에서 자화가 요구된다는 것이 주목된다.
도 4의 패드는 모두 16㎜ 두께인 페라이트 시트를 구비하지만 도 4(a)의 변경된 등전위 표면은 도 4(b)의 패드보다 상당히 더 큰 페라이트 단면 영역을 구비하여 20mT의 더 낮은 최대 자속 밀도를 야기한다.
그러나, 전술한 바와 같이, 추가적인 페라이트 영역만이 누설 인덕턴스에 기여하여 궁극적으로 2개의 패드 간에 결합 인수(coupling factor)(0.24 대(vs.) 0.22)를 저하시킨다. 도 4(b)의 패드는 더 적은 페라이트를 구비하여, 60mT의 최대 자속 밀도를 야기한다. 페라이트의 이용률(ferrite utilisation)은 (이 경우에 200㎜의 공기 갭에서) 페라이트의 ㎤당 결합된 VA로 측정되고, 도 4(b)의 패드에서는 이용률은 0.6VA/㎤이다. 이 이용률은 도 4(a)의 패드에서는 0.24VA/㎤이다.
단부 권선 아래로부터 페라이트가 제거된 패드에서 페라이트 이용률은 더 높지만, 실제값은 최적화된 원형 설계와 유사하다(여기서, 200㎜ 공기 갭에서 0.4VA/㎤의 값이 가능하다). 즉, 매우 바람직한 자속 경로에서도, 변경된 등전위 표면은 이전에 설계된 원형 패드보다 약간만 더 효과적으로 페라이트를 사용한다. 패드는 다음 부문에서 논의되는 바와 같이 페라이트를 적절히 제거함으로써 훨씬 더 가볍고 더 비용 효과적으로 만들어질 수 있다.
"이중 D"( DD ) 유형 결합기의 개발
도 4(b)에 도시된 60mT의 최대 자속 밀도는, 사용되는 페라이트 재료가 25℃에서 490mT의 포화 자속 밀도를 가지는 N87인 것을 고려할 때 매우 낮다. 페라이트를 제거하고 더 높은 자속 밀도에서 동작시키면 더 높은 페라이트의 이용률값으로 될 것이다. 도 4(b)의 페라이트 슬랩에서 주된 자화는 x-축에서 일어나므로 페라이트 스트립(ferrite strip)(30)을 사용하면 우수한 결합을 여전히 유지하면서도 도 5의 개략도에 도시된 바와 같이 코일(a) 및 코일(b)이 놓여 있는 코어 구조물을 제공할 수 있다.
도 5에서 코일은 'a' 및 'b'로 표시되고, 리턴 부분은 Φbl 및 Φal로 지칭되는 누설 자속 및 패드 내 자속(Φip)을 생성하며, 이 자속의 일부는 수신기에 결합된다. 와이어의 길이를 감소시켜, 비용, 누설 인덕턴스 및 구리 손실을 최소화하기 위하여, 코일의 리턴 부분은 대략 반-원형으로 만들어져야 하고, 이러한 2개의 코일은 서로 후면을 마주하게(back to back) 놓이므로, 이 새로운 패드 형태는 본 문서에서 "이중 D" 또는 DD라고 지칭된다. 패드의 성형된 중간 부분(32)은 (길이(Fl)의) 자속 파이프라고 지칭되는데, 여기서 자속의 최대 농도는 코일의 형상과 근접도 및 이들 코일이 자기적으로 직렬로 연결된 사실로 인해 패드의 중심 구역에 위치된다. 코일은 전원에 의해 예상되는 임피던스를 낮추기 위해 전기적으로 병렬로 연결된다. 기본 자속 경로 높이(hz)는 패드의 길이의 절반(Px/2)에 비례하지만 또한 자속 파이프의 길이(Fl)에 의존한다.
200㎜의 공기 갭이 있고 동일한 전송기 및 수신기(이들 둘 모두는 도 5에 도시된 구조물을 구비하고 수직으로 정렬됨)를 포함하는 DD 패드 시스템에서 생성된 자속 경로를 조사하기 위해 3D FEM 모델을 작성하였다. 패드는 0.77m×0.41m에 이르고 대략 35㎜ 두께이며, 6개의 I93 코어를 포함하는 33㎜만큼 이격된 4개의 페라이트 스트립(30)을 사용하는데; 이들 패드는 4×6 패드라고 지칭된다. 이 사이즈의 이중 D 패드는 200㎜ 공기 갭을 두고 결합 인수 0.23을 달성한다. 패드들이 작동적 공기 갭과 정확히 매칭되는 한, 자속 경로들은 유사할 것이다.
4×6 패드의 시뮬레이션 모델의 단면은 이상화된 자속 경로들이 중첩된 상태로 도 6에 도시되어 있다. 각 패드는 알루미늄과 같은 재료의 백킹 차폐막(backing shield)(34)을 구비한다. 240㎜ 길이의 자속 파이프는 도시된 xz 평면에 있는 4개의 일반 경로들 중 하나의 경로에서 개시(launched)되는 자극 면으로 자속을 채널링한다. 자속의 대다수는 대향하는 자극 면(최단 경로)으로 가서 공기 갭 누설 자속을 형성하며 이것은 Φla 윤곽 상의 최고 자속 밀도에 의해 반영된다. 자속 파이프 위에서 이렇게 증가된 자속 밀도는 상호 자속(ΦM)을 지원하고, 이 자속은 또한 부분적으로 수신기 패드의 페라이트에 끌린다.
나머지 2개의 자속 경로(Φlt 및 Φlb)는 크게 골칫거리(nuisance)인 누설 자속이어서, 결합에 직접적 또는 간접적으로 기여하는 것이 아니라 자계 누설에 기여하여서 이상적으로는 차후 설명되는 바와 같이 생성될 수 있는 누설을 최소화하도록 감소되어야 한다. 전송기 패드 뒤의 자속(Φlb)은 권선의 리턴 부분의 쇄교로 인한 것인 반면, 수신기 패드 위의 자속(Φlt)은 자속 파이프의 쇄교로 인한 것이다. 누설 자속(Φlb 및 Φlt)에 대한 자속 경로는 상대적으로 길어서 이들 영역에서의 자속 밀도는 도 6에 도시된 바와 같이 매우 낮다.
누설 자속 감소 방법
전술한 바와 같이, 미국 특허 제4,873,677호(세이코사(Seiko))에 설명된 것과 같이 초기에 가깝게 결합된 시스템은 종종 대형 코어 주위에 변압기 및 권선 코일과 유사한 방식으로 설계된다. 전술한 바와 같이, 이것은 코일의 인덕턴스를 상당히 증가시키고, 자극을 생성하는 2개의 코일의 상호 결합을 감소시킨다. 이것은 1차 및 2차 시스템이 가까이 인접해 있어 낮은 (및 그리하여 바람직한) 릴럭턴스 경로를 나타내는 변압기 유형의 응용에 최소의 효과를 미치지만, 공기 갭이 커서 1차 및 2차 시스템 사이에 상당한 오정렬이 있을 수 있는 느슨하게 결합된 시스템에서, 대형 페라이트 슬랩이 사용되는 경우 시스템 결합 인수 및 전력을 전달하는 시스템의 능력이 크게 감소될 수 있다. 이것은 연장된 페라이트가 1차 및 2차 자기 소자 사이에 상호 결합을 생성하는 원하는 자속 경로에 불리하게 작용하는 대안적인 및 바람직한 릴럭턴스 경로를 제공하기 때문이다. 본 발명자들에 의한 국제 특허 공개 WO2010/090539(이 개시내용은 본 명세서에 참조로 병합됨)에 제안된 DD 패드 구조물은 1차 패드에는 코일의 리턴 부분 전에 전형적으로 종결되는 페라이트 스트립을 사용하는 반면, 2차 패드에는 이들 스트립이 (제3 "구상" 코일의 성능을 개선하기 위해) 코일의 리턴 부분 아래로 연장될 수 있다. 각 패드에서 코일간 결합을 최대화하기 위하여 (자극 부분을 제외하고) 노출된 페라이트는 없다.
이 나중 구성의 제한은 (전술한 바와 같이) 누설에 기여하는 골칫거리 자속이 억제되지 않고, 대부분의 구성에서 적절한 금속(예를 들어, 알루미늄) 차폐막의 존재로 인해 패드 뒤로 더 멀리 가해진다는 것이다. 거의 모든 설계에서 패드는 전력 결합이 달성되는 것을 보장하기 위하여 구성되었지만, 본 명세서에서 도시된 바와 같이, 이것은 현재 누설 한도에 허용될 수 없는 누설 자속을 지녀 차선적인 설계를 초래한다.
그리하여, 적어도 하나의 새로운 실시형태에서, 누설 자속은 제한된 양의 자기 투과성 재료, 예를 들어, 페라이트를 1차 및 2차 패드 중 하나 또는 둘 모두의 단부 부분에 추가하고 이 페라이트를 특정 구역에 선택적으로 노출시켜서 아래에서 더 설명되는 바와 같이 보조 자극 영역 또는 자극 면을 제공하는 것에 의해 감소된다. 놀랍게도 활성화된 코일의 형태에 기초하여 2개의 상당히 구별되지만 유용한 효과가 생성된다. DD와 같은 분극된 구조물에서는 누설 자속이 상당히 감소되는 반면, 구상 코일과 같은 원형 구조물에서는 주된 자속 결합이 개선된다.
해결하기 위한 고유한 문제의 일례로서, 도 7은 WO2010/090539에 기술된 바와 같이 분극된 결합기의 전형적인 배열을 도시하는데, 여기서 1차 구조물(70)은 직렬로 감겨 있으나 북극과 남극을 생성하도록 위상이 어긋나게(out of phase) 활성화되는 2개의 코일(a 및 b)을 구비하는 반면, 2차 구조물(72)은 3개의 코일(c, d 및 e)을 구비한다. 2차 구조물의 코일(c 및 d)은 1차 구조물의 코일(a 및 b)과 동일하게 구성되고, 제3 코일(e)은 WO2010/090539에 기술된 바와 같이 구상 권선(quadrature winding)으로 중심에 배치된다. 1차 및 2차 구조물은 양쪽 모두 알루미늄 백킹-평면(34) 위에 놓인 페라이트(30)의 스트립 위에 배치된다. 이 응용에서 1차 및 2차 구조물은 500×400㎜보다 약간 더 작은 크기를 구비하고(이 설계는 이후 D9라고 지칭됨), 75 내지 150㎜의 패드들 사이의 갭의 전형적인 변동을 지닌 채 x 또는 y 방향으로 적어도 150㎜의 변위를 갖는 구역(zone)에서 최대 전력을 결합시킬 것으로 예상될 것이다. 이 설계의 전력 프로파일은 도 24에 도시되어 있고, 140㎜만큼 수직으로 변위된 것에 대해 D9로 재차 표시된다.
1차 권선이 활성화되면, 모든 방향으로 생성되고, 또한 도 5에 제공되고 Φal 및 Φbl로 표시된 누설 자속에 의해 구동되는 1차 및 2차 패드 둘 모두의 주위로 방사되는 자계가 있다. DD 구조물로부터 생성된 예상 누설의 일례는 도 8에 도시되어 있다. 여기서 2차 패드는 140㎜의 z 변위 및 x 방향으로 +100㎜ 및 y 방향으로 +50㎜의 측방향 변위를 갖는 예상 전력 전달 구역 내에서 변위된다. 1차 패드만이 활성화(여기서, 전류는 10㎑에서 코일에 주입됨)될 때 생성된 누설은 xz 및 yz 방향으로 패드를 통해 수직 평면을 취하고 표면에서 1차 패드의 중심점(midpoint)(여기서, (x,y,z) = (0,0,0))으로부터 1미터 반경의 원을 작도함으로써 결정된다. 6.25μT 보다 더 큰 모든 자계 레벨(1998년에 부과된 ICNIRP 한계)은 적색으로 도시되어 있다. 2차 패드가 또한 (x,y,z) = (100,50,140)에서 1차 패드에 대해 위치될 때 자속 밀도의 실제값은 (도 8에 도시된 바와 같이 1차 패드의 중심점으로부터 70㎜ 높이에서) 패드들 사이의 중간에서 -x 및 -y 방향으로 라인을 따라 명시적으로 계산될 수 있다. 이 방향으로 자계 속박(field containment)은 도 22에 도시된 바와 같이 1차 및 2차 패드의 상대적 변위로 인해 최저이다. 또한 도 22에는 ((x,y,z) = (0,0,0)에서 시작하여) 1차 패드의 표면으로부터 1차 패드를 통해 -z 방향으로 그리고 후면(패드는 대략 30㎜ 두께임)의 외부로 연장되는 z 방향으로의 자속이 도시되며, 따라서, 이 점에서의 불연속 부분은 1차 패드의 실제 후면이 이상적으로 누설 자속이 0이어야 하는 알루미늄 차폐막 뒤에 존재하는 점을 나타낸다. 이 누설 자속은 전술한 골칫거리 자속으로 인해 존재하고, 원하는 값보다 더 크고, 예상되는 레벨 보다 더 크다.
이상적인 바람직한 페라이트 구조물(40)이 도 9a에 개념적으로 도시되어 있다. 여기서, 페라이트는, 보조 자극 영역을 제공하도록 노출되는 단부(42 및 44)에서 골칫거리 누설을 캡처하고 (도 4에 도시된 바와 같이) 코일 외부에 추가적인 골칫거리 자속을 촉진함이 없이 자극들 사이에 주된 자계를 증대시키도록 형성된다. 페라이트는 코일이 위치된 상부 표면(미도시) 상에서 평탄하지만, 그 아래는 포화를 회피하기 위해 주된 자속이 더 높은 영역에서 자연적으로 더 두껍게 형성된다. 그리하여 코일들 사이의 중심에 있는 페라이트는 주된 (즉, 결합) 자속을 운반하고, 더 많은 영역을 구비할 필요가 있는 반면, 전송기의 단부는 누설 자속만을 운반하여 매우 얇을 수 있다. (주축에 대해서 횡단하는 단면을 나타내는) 중심 라인(46)에 걸쳐 두께가 또한 변하는데, 그 이유는 에지에 있는 코일이 중심에서 보다 더 많은 자계를 생성하여 이 구역이 더 많은 페라이트를 요구하기 때문이다. 실제로, 종종 이 이상적인 구조물은 (페라이트의 블록과 같이) 용이하게 이용 가능한 페라이트 재료를 사용하여 구축되고, 페라이트 재료를 감소시켜 (포화가 발생하지 않는 한) 인덕턴스를 감소시키는 장점이 있다. 그리하여 이 개념적인 구조물은 서로 압착된 페라이트 블록을 사용하여 도 9b 및 도 9c에 도시된 바와 같이 실제 형태로 구축된다.
단부에서 페라이트(36)의 단일 스트립 및 스트립(30)으로서 페라이트의 블록을 사용하여 1차 구조물의 자극을 생성하는 코일을 위한 이 자기 구조물은 도 9b 및 도 9c에 도시되고 본 명세서에서 D11로 지칭된다. 여기서, 코일(a 및 b)은 전술한 설계 D9의 사이즈와 동일한 사이즈로 유지되지만, 알루미늄 백킹 판(34)은 1차 및 2차 구조물 둘다에서 페라이트 스트립(30)의 단부에 존재하는 페라이트 연장부(36)를 수용하도록 연장된다. 자계 누설에 대한 영향은 도 10 및 도 22에서 바로 명백하다. 이 이유는 (x 방향으로) 패드의 단부에 골칫거리 자속이 보조 자극 영역에서 페라이트에 의해 캡처되고 패드의 후면을 통해 가이드되기 때문이다. 그 결과 패드의 후면에서 자속 누설이 상당히 감소되고, 더 적은 누설이 방사된다. 결과적으로 패드의 후면에서 자계는 80μT로부터 20μT 미만으로 떨어지고, 400㎜ 후에 6μT 미만으로 신속히 떨어지는 반면, 이전에 이 자계는 약 770㎜ 후에 이 레벨로 떨어졌다. x 및 y 방향에서 자계는 D9에서 각각 980㎜ 및 900㎜ 대신에 D11에 대해 각각 800㎜ 및 700㎜ 후에 6.25μT 아래로 떨어진다. 패드의 단부는 x 방향으로 약 245㎜이고 y 방향으로 180㎜이므로 누설 자속은 이 지점 후에까지 떨어지기 시작하지 않을 것이다. x 방향에서 D11은 6.25μT 레벨로 떨어뜨리는데 555㎜를 취하는 반면, D9는 735㎜를 취한다(D11에서는 25% 감소된다). y 방향에서, D11 구조물에 대한 자계는 720㎜이 아니라 520㎜ 내에서 떨어진다(28% 감소).
D11 구조물과 연관된 전력 프로파일은 (아래에 더 설명된 D9 및 다른 구조물과 비교해서) 도 24에 도시되어 있다. 이 경우에 알루미늄 차폐막(34)은 약간 더 크지만 (크기는 도 23에 도시) 이것은 전력 프로파일을 상당히 변경시키지 않는다. 도시된 바와 같이, 페라이트를 추가하는 영향은 DD (D9) 전력 프로파일을 약간 (10% 미만 만큼) 감소시킬 수 있으나, 2차 구조물에 페라이트 스트립(36)이 존재하면 (도 24에서 Q라고 지칭되는) 구상 코일(e)이 도시된 바와 같이 자속을 캡처하는 능력을 상당히 증가시킬 수 있다(그 능력을 거의 배가시킨다). 그 결과 x 방향으로 전력 능력은 상당히 개선되고, y 방향으로 작은 영향만을 미치게 된다.
이에 반하여, 코일 자체를 길게 하여 (자극을 약간 더 멀리 시프트시켜) D11에서 페라이트가 허용하는 연장된 볼륨에 맞추면, 결합되는 전력에 개선이 또한 있을 것이다. 이 구조물은 길어진 코일이 페라이트 단부 스트립(36)을 커버하는 D17로서 도 23에 도시되어 있다. (도 24에 도시된 바와 같이) 결합된 전력의 개선은 상당한 것으로 보이지만, 이와 함께 코일이 더 푸시됨에 따라서 누설 자속에 대응하는 증가가 또한 있다. 도시된 바와 같이, 2차 구조물이 125 ㎜만큼 측방향으로 변위될 때, 전달되는 전력은 D17과 D11 간에 동일하다. 이것은 전력을 결합시킬 것으로 예상되는 전력 구역 내에 있기 때문에, 그 결과 D11이 자계 누설을 상당히 감소시키는 반면, D17은 자극 단부들이 더 크기 때문에 D9의 것을 넘는 누설을 가질 것을 고려할 때 이점은 없다.
이것은 D17의 출력 누설이 위치(x,y,z)=(100,50,140)로 변위(㎜ 단위)된 각 시스템의 2차 패드를 갖는 D11의 것과 비교되는 도 25에서 검증된다. 여기서 D9 및 D17을 구동하는 VA는 동일하고, D17에 의해 생성된 누설은 x 및 y 방향 양쪽 모두에서 상당히 더 크다. 2차 패드에 결합되는 VA가 D11이 2차 패드에 결합되는 것과 동일하도록 감소된 VA에서 동작될 때 D17에 의해 생성된 누설(여기서, "D17 Adj"로 표시)이 또한 도시되어 있다. 이 조건 하에서 "D17 Adj"의 누설은 패드 크기 바깥쪽의 D11의 것보다 여전히 상당히 더 높다. 그리하여, 페라이트 설계의 영향은 상당히 개선되고, 놀랍게도 이들 감소된 동작 환경 하에서도 훨씬 양호하다.
다른 바람직한 자기 구조물을 평가하고, 그리고 알루미늄 차폐막(34)의 영향을 평가하기 위하여, 여러 다른 설계가 누설 자속을 감소시키기 위해 고려되었다. 도 11의 D12는 알루미늄 차폐 링(50)을 1차 패드에 추가하는 것을 조사한다. 그 결과는 도 12 및 도 22에 도시되어 있다. 이 경우에 링을 페라이트 단부 단편(36)에 가까이 근접시키면 누설에 약간 부정적인 효과를 미치는데 그 이유는 이 링이 페라이트 사이드가 누설 자속을 끌어당기는 것을 차단하기 때문이다. 링을 2차 패드에 추가하면 링이 가까이 근접해 있는 경우 구상 코일(e)의 전력 캡처에도 영향을 미친다.
D13(도 13에 도시) 및 D14(도 15에 도시)에서 페라이트 단부 단편(36)은 확장되어(이 예에서 이것은 배가되어) 더 큰 보조 자극 영역을 제공하고 알루미늄 구조물의 사이즈는 변화되는데 D13에서는 더 큰 백킹 판(34)이 사용되고 1차 차폐 링(50)이 존재하는 반면, D14에서는 더 작은 백킹 판이 차폐 링 없이 사용된다. 도 22로부터 볼 수 있는 바와 같이, D13은 명백히 누설에 최대 영향을 미치고, D14와 비교하면, 페라이트 연장부(36)는 x 및 y 방향으로 누설을 캡처할 때 최대 영향을 미치는 반면(여기서, D13과 D14 사이에 차이를 보기 어려움), 알루미늄(34)은 -z 방향으로 누설을 차폐하는 것을 돕는 것을 알 수 있다. 그 결과 단부 단편에 페라이트를 추가하여 보조 자극을 제공하면 가장 큰 영향을 미칠 수 있다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 보조 자극 영역을 제공하는 자기 투과성 부재는 코어에 물리적으로 연결되거나 이 코어의 일부이어야 할 필요가 없다는 것을 이해할 것이다.
D11 및 D13(또는 D14)을 비교하면, 누설의 개선은 패드 사이즈의 연장부를 고려할 때 작은 것이 주목된다. 도 22에서, 누설은 760㎜(D13, D14)에서 x 방향으로 6.26μT로 떨어지는 반면, 이것은 D11에서는 800㎜이고 D9에서는 980㎜였다. y 방향으로의 개선은 훨씬 더 작다. 그리하여 단부에서의 페라이트(36)의 추가는 누설을 개선시키도록 조절될 수 있으나, 이들 페라이트 연장부를 확장시키는 것은 통상적으로 요구되지 않는다.
추가적인 비교를 위하여 - 그리고 페라이트가 코일 단부를 넘어 연장해야 하는지를 더 검증하기 위해, 큰 페라이트 블록이 도 17의 D15에 도시된 바와 같이 단부에 (그러나 코일 아래에) 배치되었다. 도 18 및 도 22에 제시된 결과를 보면, 이것은 D9와 비교하여 누설을 개선시키지만 그 개선은 D11에서 본 것만큼 상당하지는 않다. 도 19에서 구조물 D16로 도시된 바와 같이 추가적인 연장부(51)를 측방향 또는 y 방향으로 코일 사이드를 넘어 단부(36)에 추가하면 도 20 및 도 22의 결과에 나타낸 바와 같이 누설에 추가적인 개선을 가지지만, 재차 D9는 약간 더 우수한 성능을 제공한다. D15 및 D16에서 추가적인 페라이트 재료는 패드의 인덕턴스를 상당히 추가하는 반면, D11 구조물에서와 같이 나머지 추가된 페라이트(36)는 코일 아래에 스트립으로서 남아 있어서 엄격하게 인덕턴스를 증가시키지는 않는다. 그리하여 D11은 더 적은 페라이트를 추가하여 우수한 성능을 제공한다.
D11 및 D16의 최상의 개선을 결합시키는 구조물은 도 26(b) 및 (c)에서 D18로 도시되어 있다. 이것은 코일의 폭(도시된 바와 같이 40㎜)의 절반에 대해서 (차량 범퍼의 형상과 유사한) 사이드 에지에서 x 방향으로 후면에서 연장되는 추가된 페라이트(52)의 작은 단면을 갖는 D11의 페라이트 구조물을 사용한다. 이 페라이트를 추가하는 정도는 전력 결합에 부정적인 영향을 미치고 패드에 인덕턴스를 추가하는 것을 회피하도록 제한될 필요가 있고, 이 패드를 리턴 코일 폭의 절반을 초과하지 않도록 제한하는 것이 최상이다. 이러한 조치를 취해야 하는 이유는 DD 코일의 단부를 따라 y 방향으로 페라이트를 연장시키면 전력 결합에 명백히 부정적인 영향을 미쳐서 코일간 결합이 상당히 떨어져 2차 구조물에 전력을 결합할 수 없게 만들기 때문이며, 이는 도 4에 앞서 도시되었다. D18로부터 생성된 누설을 도 25에 도시된 바와 같이 D11, D15 및 D17과 비교하면, 측정 가능한 개선이 x 또는 y 방향에서 D11의 것을 통해 획득되지 않은 것이 명백하다. 따라서 D11의 간단한 구조물이 명백히 선호된다.
도 26(d) 및 (e)은 D11의 백킹 판에 걸쳐 D17의 확장된 코일을 사용하는 영향을 도시한다. 이 변경된 설계는 여기서 D19라고 지칭된다. D19로부터 생성된 누설은 도 27에서 약간 변경된 알루미늄 백플랜(backplane)을 갖는 D11의 것과 비교된다(이 변경된 D11은 도 26에서 D11-2라고 재표시되지만 이들 구조물들 사이에 실제적인 차이가 거의 없어서 도 27에서 D11로 간단히 표시된다). 그리하여 D11-2 및 D19 양쪽 모두의 각 코일이 놓여 있는 알루미늄 백킹 판 및 페라이트 구조물은 이제 동일하다. 그러나, 코일 사이즈만이 유일한 차이이다. D11-2 및 D19의 전력 프로파일은 (도 24에 도시된 바와 같이) D11 및 D17의 것과 동일하고, 그리하여 D19의 출력은 관련된 각 위치에서 D11 시스템과 정확히 동일한 전력을 2차 구조물에 결합하도록 조절된다. 이런 방식으로 조절될 때 D19로부터 생성된 누설은 도 27에서 "D19 Adj"로 표시되고, 두 시스템이 완전히 정렬된 1차 및 2차 구조물을 구비할 때 D11-2(D11로 표시)의 것과 비교된다. 예상되는 바와 같이, 이들 시스템이 이러한 완전히 정렬된 조건 하에 있을 때, 이들 사이에 전력 결합의 차이가 최대가 된다. 사실, 여기서 D19는 더 큰 코일(대략 60% 이상)로 인해 2차 구조물에 상당히 더 많은 전력을 결합시켜서 그 구동 VA는 약 66%로 감소되어 D11의 전력 전달과 매칭될 수 있어서 이것은 생성된 누설을 감소시킨다. 그리하여, 그 누설이 그 코일 아래에서 개선된 페라이트 구조물로 더 낮아질 것으로 예상되지만, 도시된 바와 같이 (이것이 패드의 최대 길이이어서 - 충전 플랫폼에 따라 차량, AGV 또는 로봇의 사이드에 더 가까이에 최고 자계를 생성하는 한, 누설 자속에 가장 중요한) x 방향으로 D11은 여전히 D19보다 성능이 우수하다. 도 27에 도시된 바와 같이, D19에서의 누설은 패드 크기의 외부에서 거의 10%만큼 악화된다. y 방향에서, 누설은 유사하고, 이것은 동일한 페라이트 구조물로 인한 것이다. 도시된 바와 같이, y-축 누설은 패드의 이러한 부분이 일반적으로 더 좁아서 약간 더 낮으므로, 덜 중요하다.
요약하면, 코일을 넘어서 노출된 단부 단편(36)에 의해 제공된 보조 자극을 갖는 페라이트 구조물은 누설 감소를 충족하는데 중요한 설계이다. 이 개선된 구조물을 커버하기 위해 결합을 증가시키면서 코일을 확장시키면, 이들 코일이 더 낮은 VA에서 구동될 때에도 유리한 장점을 제공하지 않는데, 그 이유는 생성된 누설이 이상적인 조건 하에서도 문제시되어, x 및 y 방향에서 오정렬되면 악화되기만 할 것이다. 이것은 (2차 구조물에 결합된 전력에 의해 도시된 바와 같이) D19(D17) 및 D11의 결합이 도 24에 도시된 바와 같이 오정렬에서 수렴하기 때문에 발생한다. 이들 조건 하에서 D11은 도 25의 예에 도시된 바와 같이 누설 면에서 D19 및 D17보다 성능이 상당히 우수하다.
D11의 성능의 다른 개선이 도 21에 도시된 바와 같이 제안될 수 있다. 여기서, 패드의 인덕턴스는 단부 페라이트 단편(36)과 각 코일(a, b) 사이에 작은 갭을 두는 것에 의해 더 감소된다. 이 연장부는 패드의 사이즈를 증가시키는 것과 밸런싱(balanced)되어야 하지만 - 도로 또는 주차장에 놓여 있는 1차 패드의 사이즈는, 재료의 요구조건이 과도하지 않고, (패드는 전력 공급에 의해 구동될 수 있도록) 인덕턴스가 포함되고, 전달된 전력이 누설이 최소화되면서 손상되지 않는 한, 훨씬 더 커질 수 있다. 추가적으로, 단부 단편(36)은 페라이트가 코일의 사이드 둘레(perimeter)를 넘어 연장되도록 연장부(51)를 포함할 수 있다.
연장부(36)를 포함하는 페라이트 코어 구조물은 본 발명자들의 국제 특허 공개 WO2011/016737에 개시된 것과 같은 다른 패드 구조물과도 사용될 수 있다. WO2011/016737에 개시된 2극 패드가 페라이트 스트립(30) 및 단부 단편(36)으로부터 구성된 코어 상에 2개의 중첩(ovelap)하는 상호 분리된 코일(a, b)을 포함하는 예가 도 28에 도시되어 있다. 코어는 알루미늄 백킹 판(34) 상에 제공된다.
1차 구조물에서 D11에서 제안된 페라이트 연장부는 주 목적이 누설 자속을 캡처하는 것이므로 상당한 자속을 운반하지 않는다. 그리하여 페라이트 재료는 매우 얇을 수 있다. 2차 구조물에서 페라이트 단부 단편에 의해 제공된 보조 자극 영역은 이중 역할을 한다. 1차 구조물에서와 같이 보조 자극 영역은 DD 2차 구조물의 누설 자속을 흡수하지만; 구상 권선에서 보조 자극 영역은 2차 구조물이 변위될 때 주된 자속을 운반하여서, 동작 동안 거의 포화되지 않거나 전혀 포화되지 않는 것을 보장하기 위해 형성된 패드에 사용되는 페라이트 스트립들은 유사한 두께이어야 한다.
추가적인 실시형태들은 이제 도 29 내지 도 45를 참조하여 설명된다.
먼저 도 29를 참조하면, 장치는 본 명세서에서 단일층 이중-D 또는 DD 구성으로 지칭되는 배열로 한 쌍의 코일을 포함한다. 장치는 자기 투과성 코어(112) 상에 한 쌍의 인접한 코일(110, 111)을 폭넓게 포함하고, 이 자기 투과성 코어는 알루미늄 백킹 판(113) 상에 이와 이격되어 제공된다. 도시된 예에서 코어는 코일(110, 111)의 중심 자극들 사이에 연장되는 축과 평행한 복수의 세장형 페라이트 바(elongate ferrite bar)(112a)를 포함한다. 페라이트 바(112a)는, 예를 들어, 적어도 부분적으로 망간 아연(Mn-Zn) 페라이트 재료로 만들어질 수 있다.
코일(110, 111)은 명확화를 위해 도면에 직사각형 영역으로 각각 도시되어 있지만, 실제로 바람직하게는, 예를 들어, 도시된 영역을 실질적으로 차지하는 리츠선(Litz wire)의 실질적으로 평평한 나선형 권선을 포함한다. 권선은, 실제로는, 도면에서 제안된 바와 같이 정확히 직사각형이 아니라, 예를 들어, 원형 또는 타원형일 수 있다.
각 코일(110, 111)은 자극 영역들 사이에 위치된 중심 구역(110a, 111a); 이 중심 구역과 대향하는 단부 구역(110b, 111b); 및 이 중심 구역과 단부 구역의 각 단부들 사이에 사이드 구역(110c, 110d, 111c, 111d)을 구비한다.
도 30은, 실질적으로 D-형상의 코일(110, 111)의 인접한 쌍에 더하여, 중심 "구상" 코일이 도시된 바와 같이 코일(110, 111)과 코어(112) 사이에 제공되는 것인 도 29의 장치의 종래 기술의 변형을 도시한다. 그리하여 이 패드 구성은 DDQ 패드라고 명명된다.
도 31(a) 및 도 31(b)를 참조하면, DD 구성에서 한 쌍의 코일을 포함하는 본 발명에 따른 IPT 장치의 제1 실시형태가 도시되어 있다.
이 예시적인 실시형태에서, 코어는, 코일의 단부 구역(110b, 111b)과 평행한 한 쌍의 횡방향 페라이트 바(112b)를 대향하는 단부에서 추가하여, 코일(110, 111)의 중심 자극들 사이에 연장되는 축과 평행한 복수의 세장형 페라이트 바(112a)를 포함한다. 바(112b)는 누설 자속을 흡수하거나, 지향시키거나 또는 채널링하는 보조 자극 영역을 제공한다. 코어는 바람직하게는 단부 구역(110b, 111b)을 넘어 연장되지만 코일의 사이드 구역(110c, 110d, 111c, 111d)을 넘어 연장되지는 않는다. 보다 상세하게는, 횡방향 페라이트 바(112b)는 바람직하게는 이들 사이에 연장되는 세장형 페라이트 바(112b)를 갖는 코일의 단부 구역(110b, 111b)의 외부 에지를 넘어 완전히 제공되거나 보다 상세하게는 이 외부 에지에 직접 인접하여 제공된다.
코일의 단부 구역에서의 횡방향 페라이트 바(112b)는 자속이 코어에 들어가도록 촉진하고, 각 사이드 구역에서의 자속은 세장형 페라이트 바(112a)에 의해 이 사이드 구역으로부터 가장 먼 자극 영역 쪽으로 연장되도록 촉진된다.
본 발명의 도시된 실시형태에 따라, 코일의 대향하는 단부 구역(110b, 111b)의 폭은 2개 이상의 층들 사이에 각 단부 구역(110b, 111b)의 인접한 권선을 분할하는 것에 의해 코일(및 도 29의 종래 기술의 장치의 단부 구역(110b, 111b))의 중심 구역과 사이드 구역에 대해 감소된다. 따라서 이 실시형태에서 중심 구역(110a, 111a) 및 사이드 구역(110c, 110d, 111c, 111d)의 권선은 바람직하게는 실질적으로 평평하지만, 단부 구역의 권선은 적어도 2개의 실질적으로 평평한 층으로 스택될 수 있다. 코일의 인덕턴스는 코일에 의해 둘러싸인 면적이 동일할 때 권선이 모두 단일 평면에 있는 것처럼 동일하게 유지된다.
예를 들어, 세장형 페라이트 바(112a)의 길이에 대한 제한으로 인해 단부 구역(110b, 111b)의 외부 에지들 사이 코일의 폭을 제한하고/하거나 코일의 외부 에지를 넘어 횡방향 페라이트 바(112b)를 수용하는 것이 필요할 수 있다. 세장형 페라이트 바(112a)의 길이는, 예를 들어, 특정 크기의 페라이트 바의 이용가능성 또는 이들 크기를 변경할 때의 제조 곤란성 및 비용 고려사항에 의하여 결정될 수 있다.
IPT 장치의 응용에 따라, 패드의 상부가 상부 표면에서 돌출하는 일 없이 가능한 한 평탄하게 하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 장치가 차량 주차 표면 내에 또는 상에 매립되게 제공된, 차량을 충전하는 1차 패드를 포함하는 경우, 임의의 돌출부는 트립핑(tripping) 위험을 야기시키고/시키거나 손상에 노출될 수 있다. 따라서, 단부 구역(110b, 111b)에서 코일 권선의 추가적인 층은 바람직하게는 중심 구역(110a, 111a)의 평면, 사이드 구역(110c, 110d, 111c, 111d), 및 단부 구역(110b, 111b)의 제1 층 아래에 제공된다. 코일은, 평평한 코일을 감고, 예를 들어, 내부 절반부 아래 단부 구역(110b, 111b)의 외부 절반부를 접음으로써 제공될 수 있다.
단부 구역에 코일(110, 111)의 추가적인 깊이를 수용하고, (코어 및 백킹 판과 대향하는 코일의 사이드에) 패드의 상부 표면이 실질적으로 평탄하게 유지되는 것을 보장하기 위해, 코어는, 바람직하게는 코어의 적어도 일부의 상부 표면과 동일 높이에서 단부 구역(110b, 111b)의 돌출하는 제2 층(및/또는 추가적인 층)을 수용하는 리세스(recess), 리베이트(rebate) 또는 카운터보어(counterbore)를 포함한다. 실질적으로 평평한 중심 구역(110a, 111a), 사이드 구역(110c, 110d, 111c, 111d), 및 단부 구역(110b, 111b)의 제1 층은 바람직하게는 코어의 적어도 일부 위에 단일 평면으로 놓인다. 도 31의 실시형태에서, 세장형 페라이트 바(112a)는 도 3(b)에 도시된 바와 같이 횡방향 바(112b)와 바로 인접하여 대향하는 단부에 리세스 또는 라베트(rabbet)를 각각 포함한다. 동일한 도면으로부터, 횡방향 바(112b)는 아래에 보다 상세히 설명된 바와 같이 추가적인 장점을 제공할 수 있는 위쪽으로 연장되고 이 코일과 적어도 부분적으로 중첩하는 외부 립(lip) 또는 돌출하는 단부 에지(즉, 이 실시형태에서 단부 구역(110b, 111b)의 제2 층)를 형성하는 것을 볼 수 있다.
도 32는 중심 "구상" 코일이 인접한 쌍의 실질적으로 D-형상의 코일(110, 111)에 더하여 제공되는 도 31의 장치의 변형을 도시한다. 그리하여 이 패드 구성은 DDQ 패드로 명명된다.
도 32에 도시된 DDQ 패드의 실시형태에 따라, 특허청구범위 제1항의 장치에서와 같이, 코일의 단부 구역(110b, 111b)은 2개의 권선 층으로 스택되어 횡방향 바(112b)들 사이에 장치의 전체 폭을 감소시킨다. 그러나, 도 31의 실시형태와 달리, 코일(110, 111)은 코어(112)에 부분적으로 리세스되지 않는다. 대신, 단부 구역(110b, 111b)에서 코일 권선의 제2 층은 도 32(b)에 도시된 바와 같이 코어(112)와 DD 코일(110, 111) 사이에 구상 코일을 제공하는 공간을 제공한다. 즉, 구상 코일은, 실질적으로 평평한 중심 구역(10a, 11a) 아래에 단부 구역(10b, 11b)의 제2 층, 사이드 구역(10c, 10d, 11c, 11d), 및 DD 코일(110, 111)의 단부 구역(110b, 111b)의 제1 층과 실질적으로 동일 면에 있다.
도 33 및 도 34는 백킹 판(113)의 사이즈가 감소된 도 29 및 도 32의 DD 및 DDQ 패드의 추가적인 실시형태를 각각 도시한다.
무선 전력 전달의 많은 응용에서, 자속은 활성화된 코일(들)의 하나의 축방향 사이드로 생성되거나 이 사이드로부터 수신될 필요만이 있다. 차량 충전을 위해, 예를 들어, 1차 코일은 일반적으로 지상에 또는 지하에 제공되고, 2차 자속 결합 장치를 갖는 차량은 이와 자기 결합을 위한 1차 코일 위에만 주차될 것이다. 1차 패드의 백킹 판(113)은 일반적으로 장치가 2차 자속 결합 장치 쪽으로 위쪽으로 향하는 편측 자계만을 제공하도록 코일 아래에 제공된 알루미늄과 같은 실질적으로 비-자성 재료의 시트로부터 만들어진다. 유사하게, 2차 자속-결합 장치는 장치를 넘어 지나가는 자속을 개선하도록 백킹 판을 구비할 수 있다.
자속으로부터 코일의 대향하는 사이드를 실질적으로 차폐하기 위해 종래 기술의 자속 결합 장치에 따른 백킹 판(113)은 일반적으로 코일 및 코어를 넘어 연장되어 연장된 차폐 영역을 제공한다. 그러나, 이렇게 하면 자계를 유도하는 백킹 판에 와전류(eddy current)를 초래하여 과도한 열이 생성될 수 있다는 것이 발견되었다.
따라서, 본 발명의 여러 실시형태에서, 백킹 판(113)은 코일(110, 111, 120) 및/또는 코어(112)의 외부 에지보다 더 연장되지 않고, 적어도 일부 실시형태에서 백킹 판(113)은 코일 및/또는 코어로 한정된 외부 둘레로부터 리세스되거나 후퇴(set back)되어 백킹 판에 유도된 와전류에 의해 간접적으로 야기된 누설 자속을 감소시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 백킹 판은 바람직하게는 장치의 단부에서 코어의 외부 에지보다 더 연장되지 않아서, 백킹 판은 본질적으로 코어에 의해 차폐된다. 도 33 및 도 34에 도시된 실시형태에서, 예를 들어, 백킹 판(113)은 일 방향으로 횡방향 바(112b)의 외부 에지, 및 다른 방향으로 코일(110, 111, 120)의 사이드 구역(110c, 110d, 111c, 111d)의 외부 에지로만 연장되는 실질적으로 비-자성 재료의 직사각형 시트를 포함한다.
백킹 판(113)의 사이즈를 감소시키면 자속이 백킹 판이 아니라 코어(112)로 들어가도록 촉진하는 것에 의해 와전류에 의해 간접적으로 야기되는 누설 자속을 감소시킨다. 그러나, 특정 응용에서 종래 기술의 더 큰 백킹 판(113)은 예를 들어 차폐를 위하여 선호될 수 있다.
도 35 및 도 36은, 각 단부 구역(110b, 111b)의 인접한 권선을 서로 상하로 스택된 3개의 층과 4개의 층으로 각각 분할하는 것에 의해 코일의 대향하는 단부 구역(110b, 111b)이 코일의 중심 구역과 사이드 구역에 비해 더 감소된 도 31의 DD 실시형태의 다른 변형을 도시한다. 이것은 패드의 전체 사이즈를 증가시킴이 없이 더 넓은 횡방향 페라이트 바(112b)를 구현하는 추가된 이익을 구비하여, 더 낮은 릴럭턴스로 인해 자속 누설을 더 감소시킨다.
코어의 리세스된 단부 구역(110b, 111b)에 다수의 권선 층을 구비하는 자속 결합 장치를 설계할 때 중요한 고려사항은 리세스된 구역에서 코어의 높이 및 단면 영역이 대응하여 감소된다는 것이다. 설계 효율은 코어의 리세스된 영역(들)이 사용 시 포화되는 경우 손상될 수 있어서, 이 경우에 코어는 자속에 충분히 낮은 릴럭턴스 경로를 제공하지 못할 수 있다. Mn-Zn 페라이트의 BH 특성, 예를 들어, 자속 밀도에서 0.3T 미만의 것을 고려하여 비포화된 것으로 고려될 수 있고, 도 36의 4중층 장치를 테스트하면, 예를 들어, 0.267T의 최대 자속 밀도가 드러난다.
두 도시된 실시형태에서 횡방향 페라이트 바(112b)의 높이는 도 31의 실시형태에 대해서도 증가된다. 이들 실시형태에서 횡방향 바(112b)의 높이는 그리하여 세장형 페라이트 바(112a)의 높이보다 더 커서, 각 횡방향 바(112b)는 코어의 대향하는 단부에 립을 형성한다. 보다 구체적으로, 도 35(b) 및 도 36(b)에 도시된 바와 같이 횡방향 바(112b)는 바람직하게는 그 상부 표면이 전술한 바와 같이 리세스될 때 코일(110, 111)의 상부 표면과 실질적으로 동일 높이에 있도록 사이즈 정해진다. 이것은 많은 부분이 횡방향 페라이트 바(112b)를 통과하게 하는 것에 의해 누설 자속을 더 감소시키는 효과를 제공한다. 즉, 장치의 대향하는 단부에서 코어의 립은 코일(110, 111)의 단부 권선으로부터 누설을 중지시키거나 적어도 개선한다.
도 37은 전술한 특징들 중 여러 것을 조합하는 본 발명에 따른 IPT 장치의 추가적인 바람직한 실시형태를 도시한다. 특히, 장치는 코어의 세장형 페라이트 바(112a)에 리세스된 단부 구역(110b, 111b)에 3중 권선층을 구비하는 한 쌍의 DD 코일; 도 35 및 도 36의 것보다 더 넓고, 코일(110, 111)의 상부 표면과 동일 높이에 있거나 이 위에 놓여 있는 코어의 대향하는 단부에 립을 제공하는 횡방향 페라이트 바(112b); 및 코일의 사이드 구역(110c, 110d, 111c, 111d)을 넘어 연장되지만, 코어(112)보다 전체 길이가 더 짧아서 백킹 판의 대향하는 에지가 코어의 단부 구역(110b, 111b)의 외부 에지와 횡방향 페라이트 바(112b)의 외부 에지 사이에 있는 백킹 판(113)을 포함한다.
전술한 바로부터 알 수 있는 바와 같이, 코어의 대향하는 단부에서 코일의 높이 또는 깊이는 코일이 생성하는 자계가 방사하는 전류 중심, 즉, 중심점을 구비하는 것으로 고려될 수 있다. 보조 자극 영역(벽 부분, 립, 바 형태로 형성되었든지 또는 다른 형태로 형성되었든지 상관없이)이 전류 중심에 또는 이 전류 중심 위에 제공된다면 누설 자속으로 나타날 수 있는 코일에 의해 생성된 누설 자속은 보조 자극 면으로 지향되거나 채널링되거나 흡수되는 경향이 있다. 도시된 예에서 리세스는 결합 자속이 지향되거나 또는 수신된 구역 쪽을 향하게 도시되어 있다. 그러나, 다른 실시형태에서 리세스는 코일의 중심 쪽을 향할 수 있는데, 즉, 보조 자극 영역은 인접한 코일의 주변 에지를 커버할 수 있다.
예를 들어, 도 46은, 이전의 실시형태의 코일(110 또는 111)을 포함하지만 이로 제한되지 않는 코일의 단부 구역 또는 주변 구역의 부분 개략 단면을 도시한다. 코일의 개별 턴(210-212)은 코어(112)을 포함하는 (다시 이로 제한되지 않는) 자기 투과성 부재에 인접한 것으로 도시되어 있다. 단부 구역 또는 주변 구역에서 턴(210 내지 212)의 그룹은 중심 턴(211)에서 또는 이 부근에서 전류 중심을 가지는 자속 생성기를 나타낸다. 보조 자극 영역(214)은 0을 초과하는 각도(216)로 전류 중심 위에 제공된다.
다른 예는 도 46을 참조하여 전술한 것과 동일한 특징을 나타내는데 동일한 참조 부호를 사용하는 도 47에 예시된다. 턴 그룹이 자극 영역(214)의 높이 위로 연장되지만, 자극 영역(214)은 턴(211) 부근에 있는 전류 중심에 대해 일정 각도(216)로 있다.
2개의 다른 예는 도 48 및 도 49에 도시되어 있다. 도 48을 참조하면, 보조 자극 영역이 코일의 단부 구역 또는 주변 구역을 넘어 각진 립(angled lip)의 일부로 제공된다. 도 49에서 리세스는 코일의 중심 쪽을 향하여 제공된다.
도 50에 도시된 실시형태에서, 보조 자극 영역은 사실상 복수의 자극 영역을 포함하여 코일의 주변 구역에 또는 이 부근에 턴(또는 턴 그룹) 사이에 위치된 자기 투과성 재료의 복수의 단편으로부터 형성되도록 분배된다.
도 37(a)를 참조하면, 본 발명의 이 예시적인 실시형태는 바람직하게는 775×485×4㎜(길이×폭×깊이)에 이르는 백킹 판(113); 여기서, 코어(112)는 바람직하게는 826×391×20㎜의 전체 측정값을 구비하며, 391×70×20㎜에 이르는 한 쌍의 횡방향 페라이트 바, 및 33㎜만큼 서로 이격되어 횡방향 페라이트 바들 사이에 연장되는 686×28×16㎜에 이르는 복수의 세장형 페라이트 바를 포함하고; 및 391×343㎜에 이르는 외부 크기를 각각 구비하고, 120㎜ 폭의 중심 구역(110a, 111a), 28㎜ 폭의 단부 구역(110b, 111b), 및 80㎜ 폭의 사이드 구역(110c, 110d, 111c, 111d)을 구비하는 한 쌍의 인접한 코일(110, 111)을 포함한다.
도 37(b)를 특히 참조하면, 도시된 실시형태의 코일(10, 11)의 각 평평한 층은 3중층 단부 구역(110b, 111b)에서 12㎜의 총 깊이에 대해 대략 4㎜ 깊이이다. 이것은 코일의 제2 및 제3 층을 수용하는 8㎜ 리세스를 16㎜ 깊이의 세장형 페라이트 바(112a)에 요구한다. 이 실시형태에서 횡방향 페라이트 바(112b)는 바람직하게는 코일(110, 111)과 동일 높이에 놓여 있는 20㎜의 깊이를 구비한다. 코어(112)는 바람직하게는 4㎜ 두께인 백킹 판(113)으로부터 6㎜ 이격되어 있다. 또한 이 도면으로부터 길이 방향으로 백킹 판(113)의 대향하는 에지들이 횡방향 페라이트 바(112b)의 외부 에지로부터 리세스되거나 후퇴되어 백킹 판에 유도된 와전류에 의해 간접적으로 야기되는 누설 자속이 감소되는 것을 볼 수 있다.
상기 크기는 단지 예로서 제공된 것일 뿐, 본 발명에 따른 장치의 부품의 크기나 상대적인 비율을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 부품의 형상, 스케일 및 상대적인 크기는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 적절한 범위 내에서 변경될 수 있다.
도 38(a) 및 도 38(b)는 일반적으로 도 32에 대해 전술한 것에 따라 "구상" 코일을 구비하는 구성을 도시하지만, 보조 자극 영역을 제공하는 단부 바(112b)들이 더 크다. 이 실시형태에서 및 도 32 및 도 34의 실시형태에서 이 보조 자극 영역은 코일(110 및 111)로부터 누설 자속을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구상 코일(120)로 또는 이 구상 코일로부터 결합 자속을 위한 경로를 제공하는 것을 지원할 수 있다. 이 실시형태에서 바(112b)는 30㎜ 폭 및 16㎜ 깊이이고, 구조물의 전체 크기는 y 축을 따라서는 775㎜이고 x 축을 따라서는 485㎜이다.
도 38(c)는 도 39 및 도 40의 윤곽과 연관하여 아래에서 언급된 오정렬된 x 축을 따라 거리(202)(200㎜)만큼 1차 패드(201)와 오정렬된 2차 패드(200)를 도시한다.
도 39는, 각 패드의 자극들 사이의 라인과 평행한 x-축을 따라 200㎜만큼 수평으로 변위된 - 확실히 차선적인 정렬을 구비하여 거의 최악의 경우의 자속 누설을 도시하는, 4개의 상이한 1차 및 2차 패드 조합의 시뮬레이션된 자속 누설을 나타내는 4개의 윤곽을 도시한다. 1차 및 2차 패드 사이에 수직 또는 z-축의 변위는 패드의 각 표면들 사이에 125㎜의 공기 갭을 두고 고정되었다. 윤곽에 사용된 스케일은 0 내지 16.9μT 범위에 이르고, 여기서 16.9μT는 인공 심장 박동기(artificial cardiac pacemaker)에 따른 문제를 방지하기 위해 초과되어서는 안되는 자계이다. 1차 패드는 활성화되고 2차 패드는 개방 회로로 유지하여 누설 프로파일에서의 변화를 평가한다. 도 39 내지 도 42에서, 패드는 각 도면의 중심 부근에서는 수평 라인으로 보인다.
비교를 위해, 도 39(a)는 도 30의 종래 기술의 DDQ 2차 패드와 유도적으로 결합된 도 29의 종래 기술의 DD 1차 패드에 대한 누설 자속을 도시한다. 즉, 그 어느 패드도 본 발명의 여러 실시형태의 횡방향 페라이트 바(112b), 리세스된 코일(110, 111) 또는 감소된 백킹 판(113)을 포함하지 않는다. 도 39(b)는 도 32의 실시형태에 따른 이중층 DDQ 2차 패드와 유도적으로 결합된 도 31의 이중층 DD 실시형태에 따른 1차 패드에 대한 누설 자속을 도시한다. 도 39(c)는 도 34의 실시형태에 따른 이중층 DDQ 2차 패드와 유도적으로 결합된 도 33의 이중층 DD 실시형태에 따른 1차 패드에 대한 누설 자속을 도시한다. 도 39(d)는 도 32에 도시된 것과 실질적으로 같은 이중층 DDQ 2차 패드와 유도적으로 결합되지만, 더 넓은 횡방향 페라이트 바(112b)를 갖는 도 36의 4중층 DD 실시형태에 따른 1차 패드에 대한 누설 자속을 도시한다.
도 39로부터 도 39(b) 내지 도 39(d)의 패드 조합 각각은 바로 이전의 도면에 비해 자속 누설을 개선시키는 것을 볼 수 있다. 2차 패드의 중심 바로 뒤쪽으로 800㎜ 지점에서, 도 39(b)의 자속은 61.6μT이고, 이는, 예를 들어, 도 39(a)에서의 80.1μT의 자속에 비해 23.1%만큼 감소되었다. 도 39(c)의 실시형태에서의 자속은 54.8μT이고 이는 31.6% 감소되었다.
도 40 내지 도 42는 수평 y-축을 따라 200㎜만큼 수평으로 변위된 (및 x-축 변위는 없음) 3개의 상이한 1차 및 2차 패드 조합의 시뮬레이션된 자속 누설을 나타내는 6개의 윤곽을 도시한다. 3개의 상이한 1차 및 2차 패드 조합 각각에서, (a) y-축과 동일 평면에서의 단면; 및 (b) x-축과 동일 평면에서의 단면이 도시되어 있다.
제일 먼저 도 40을 참조하면, 도 39(a)에 사용된 바와 같이 도 29 및 도 30의 것과 동일한 1차 및 2차 패드에 대한 자속 누설이 도시되어 있다.
도 41은 도 39(b)에 사용된 것과 동일한 1차 및 2차 패드에 대한 자속 누설을 도시한다. 즉, 도 31의 DD 실시형태에 따른 이중층 1차 패드는 도 32의 실시형태에 따른 이중층 DDQ 2차 패드와 유도적으로 결합된다.
도 42는 도 37의 3중층 실시형태에 따른 1차 패드 및 도 38에 따른 2차 패드에 대한 자속 누설을 도시한다.
재차, 도 41 및 도 42에 도시된 바와 같이 본 발명의 2개의 실시형태는 도 40에 비해 개선된 자속 누설을 보여주는 것을 볼 수 있다. 이들 개선은 3개의 구성 각각의 중심으로부터 여러 거리에서의 자속 밀도를 비교한 것을 도시하는 도 43의 그래프에 도시되어 있다. 볼 수 있는 바와 같이, (도 43에서 최하위 위치를 나타내는) 도 42의 3중층 실시형태는 결합된 패드로부터 원격 위치에 최저 자속 밀도(즉, 최저 자계 누설)를 구비한다.
실제로, 코어 배열의 설계는 적어도 어느 정도는 요구되는 전체 크기의 페라이트 바의 이용가능성 및/또는 비용에 의해 지정될 수 있다. 예를 들어, 116×35×10㎜(길이×폭×깊이), 109×15×8㎜ 및 93×28×16㎜의 표준 측정값을 구비하는 페라이트 바만이 이용가능하거나 및/또는 경제적일 수 있다. 도 37의 코어는 예를 들어 코어의 도시된 구역 각각이 상기 크기들 중 하나의 크기를 갖는 복수의 페라이트 바를 포함하는 도 44에 도시된 바와 같은 이들 크기의 페라이트 바를 사용하여 근사화될 수 있다.
또한, 1차 또는 2차 패드로 사용될 수 있는 다른 자속 결합 구성이 도 45에 도시되어 있다. 이 구성은 도 28에 대해 전술한 것과 매우 유사하다. 이 실시형태에서 중첩 코일(110 및 111)은 페라이트 부분(112b)의 부근에 있는 코일의 단부에 (즉, 서로 상하로 적층된 턴을 구비하여) 스택된다. 이것은 도 45(b)에 최상으로 도시되어 있다. 재차, 부분(112b)은 전술한 바와 같이 기능하는 보조 자극 영역을 제공한다. 이 구조물은 1차 패드 또는 2차 패드로 사용될 수 있고, 설명된 다른 실시형태에서와 같이, 부분(112b)은 스택된 코일의 높이에 또는 그 위 높이 레벨로 상승되거나 및/또는 리세스될 수 있다.
본 발명은 가능한 실시형태를 참조하여 예시로서 설명되었으나, 본 발명에 여러 변형 또는 개선이 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다. 또 본 발명은, 2개 이상의 부분, 요소 또는 특징 중 어느 조합이나 모든 조합으로 개별적으로 또는 집합적으로 이루어진 응용의 상세에 언급되거나 지시된 부분, 요소 및 특징으로 구성되는 것이라고 폭넓게 말할 수 있다. 또한, 알려진 균등물을 구비하는 본 발명의 특정 부품이나 완전체를 언급하는 경우, 이의 균등물이 개별적으로 기술된 것처럼 본 명세서에 병합된다.
특히, 본 명세서에 설명된 본 발명의 예시적인 실시형태는 복수의 세장형 페라이트 바를 포함하는 코어를 구비하는 경우, 본 발명은 이로 제한되지 않고, 예를 들어, 자기 투과성 비철 재료 및/또는 자기 투과성 재료의 실질적으로 평평한 시트를 포함할 수 있다. 이 시트는 세장형 페라이트 바보다 상당히 더 얇을 수 있어서, 이 이유로 적어도 일부 응용에서 선호될 수 있는 낮은-프로파일의 자속-결합 장치를 생성할 수 있다. 시트 코어는 코일의 단부 구역(10b, 11b)에 인접한 코어의 각 단부에 돌출 구역 형태의 횡방향 바를 더 포함할 수 있고, 이들 구역은 유사하게 코어에 립을 제공하는 것이라고 말할 수 있다.
일부 실시형태에서, 코일(10, 11)은 단부 구역(10b, 11b)만이 아니라 전체 외주 주위에 복수의 층을 포함할 수 있다. 그러나, 단부 구역은 바람직하게는 횡방향 페라이트 바(12b)를 허용할 수 있도록 코일의 다른 구역에 비해 단부 구역(10b, 11b)의 폭을 감소시키기 위해 코어 내에 리세스된 적어도 하나의 추가적인 층을 포함한다. 각 코일의 권선은 바람직하게는 서로 상하로 직접 스택되고 복수의 층 중에서 균등하게 분할되지만, 이들 특징은 본 발명에 본질적인 것이 아니고, 다른 실시형태에서, 층들 중에서 하나 이상의 층이 상이한 개수의 권선을 각각 포함하거나 및/또는 적어도 하나의 인접한 권선 층에 대해 오프셋되거나 스태거될 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태는, 예를 들어, 충격, 파편(debris) 또는 단락(shorting)으로 인한 손상으로부터 코일, 코어 및/또는 백킹 판을 보호하는 커버를 더 구비할 수 있다. 이 커버는 횡방향 페라이트 바(12b)에 인접하고, 이로부터 위쪽으로 돌출하여 코일을 거쳐 대향하는 사이드로 이어질 수 있다. 커버는 바람직하게는 실질적으로 전력 전달과 간섭하지 않도록 플라스틱과 같은 비-자성 재료로 구성되지만, 적어도 일부 실시형태에서 코어에 또는 이에 인접하여 자기 투과성 재료를 포함하여 사이드로 가거나 및/또는 장치 뒤 자속 누설을 더 개선시켜 이 자속 누설을 코어(12) 쪽으로 향하게 할 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태에서, 코어의 립은 코일(10, 11)의 적어도 하나의 층을 수용하는 코어 내 리세스를 넘어 위쪽으로 연장되거나; 이와 동일한 높이에 놓여 있는 코일(10, 11)의 상부 표면까지 이어지거나; 또는 코일의 상부 표면을 넘어 돌출하여 자속이 코어에 들어가도록 더 촉진시킨다.
또한, 본 발명은 본 명세서에 도시된 바와 같이 DD 또는 DDQ 코일 구성을 포함하는 응용으로 제한되지 않고, 또한 한 쌍의 중첩 코일을 포함하는 적어도 2극 패드(BPP) 구성을 포함하는 임의의 다른 코일 구성에 응용할 수 있다.
전술한 바로부터 사이드로 가거나 및/또는 1차 및/또는 2차 패드 뒤의 자속 누설 레벨이 감소된 상태에서 무선 전력 전달을 하는 자속-결합 IPT 장치가 제공되는 것을 볼 수 있다.
문맥이 명백히 달리 요구하지 않는 한, 상세한 설명 전체에 걸쳐, "구비하고", "포함하고", "포함하는" 등의 단어는, 배타적인 의미 또는 철저한 의미가 아니라 내포적인 의미로 해석되어야 하는데, 즉, "포함하지만 이들로 제한되지 않는"의미로 해석되어야 한다.
본 명세서에 걸쳐 종래 기술에 대한 설명은 이 종래 기술이 이 기술 분야에 널리 알려진 것이라거나 일반적인 지식의 일부를 형성하는 것을 인정하는 것으로 고려되어서는 안 된다.

Claims (17)

  1. 자속 결합기(magnetic flux coupler)로서,
    제1 축과 그리고 자기 투과성 코어의 제1 사이드(side)에서 상기 제1 축에 수직인 제2 축을 구비하는 자기 투과성 코어(magnetically permeable core),
    상기 자기 투과성 코어와 자기적으로 연관되고 그리고 상기 자기 투과성 코어의 제1 사이드에서 상기 제1 축을 따라 제공된 2개의 동일평면(coplanar) 코일 -각 코일은 상기 자기 투과성 코어의 제1 사이드에 위치된 자극 영역(pole area)을 특징짓고(define), 자극 영역들은 상기 제1 축을 따라 제공되며, 상기 코일들 각각은 코일의 외부 단부에서 단부 구역을 가짐-,
    각 코일의 단부 구역을 넘어 제공되는 자기 투과성 재료를 포함하는 보조 자극 영역을 포함하며,
    상기 보조 자극 영역은 상기 자기 투과성 코어에 비해 상기 제2 축의 방향으로 더 긴 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기 투과성 코어의 일부는 상기 보조 자극 영역인 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 보조 자극 영역은
    상기 단부 구역 부근에서 사용 시 상기 각 코일로부터 방사될 수 있는 누설 자속(leakage flux)을 흡수하도록 각 코일의 단부 구역에 인접하게 제공되는 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 보조 자극 영역은
    다른 자속 결합기 장치의 자극 영역들 중 하나에 자극을 결합시키기 위해 각 코일의 단부 구역에 인접하게 제공되는 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  5. 제1항에 있어서,
    코일들은 상기 자극 영역들 사이에 위치된 중심 구역과, 상기 중심 구역과 상기 단부 구역 사이의 사이드 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 보조 자극 영역은 각 코일의 상기 사이드 구역을 넘어 연장되지 않는 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 보조 자극 영역은 상기 단부 구역에 인접한 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 표면은 벽(wall), 립(lip) 또는 리세스(recess) 중 하나를 한정하는 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 자기 투과성 코어는 각 코일의 상기 단부 구역을 수용하는 하나 이상의 리세스를 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 리세스는 결합된 자속이 지향되거나 또는 수용되는 구역 쪽을 향하는 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  11. 제9항에 있어서, 코일들은 상기 자극 영역들 사이에 위치된 중심 구역과, 상기 중심 구역과 상기 단부 구역 사이의 사이드 구역을 포함하며, 상기 하나 이상의 리세스는 상기 중심 구역 쪽을 향하는 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 단부 구역은 상기 코일의 스택된 턴(stacked turn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 보조 자극 영역은 상기 단부 구역의 전류의 중심에 또는 그 위(above)에 제공되는 것을 특징으로 하는 자속 결합기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 보조 자극 영역은 자기 투과성 재료의 복수의 단편들(pieces)을 포함하는 특징으로 하는 자속 결합기.
  15. 삭제
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