JP2016093097A - スマート無線給電のための磁界を制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の空間自由度を増大し給電装置と受信器の共振誘導結合の間に相間クロストークを削減するための改善された方法を提供すること
【解決手段】例えば給電されている受信器の位置と方位が時間とともに変化するか、または、異なる位置と方位を有する異なる受信器が異なる時点で給電されているために、所望の磁界の位置と方位が時間とともに変化するアプリケーションにおける無線給電に関連する制約を軽減するためのシステムおよび方法である。幾つかの実施形態によれば、当該システムは、定義された空間内の複数の無線給電装置を使用する。各送信器は、互いに対して直角に配向された個々のコイルから成る。これらの個々のコイルの間および当該送信器の間のそれらが形成する場干渉を用いると、定義された空間内の任意の所与の点で無線電力場の強度および方位をアクティブに制御することができる。これにより、電力送信を特定の対象に特定の角度で向けるための方法が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に無線給電のシステムおよび方法に関する。特に、本発明は、共振誘導的に結合された送信器および受信器を用いた無線給電に関する。

共振誘導結合は、同一の周波数で共振するように調節された２つのコイルの間の電気エネルギの近接場無線送信である。共振伝送は、一次コイルを発振電流で発振させ、発振磁界を生成することで行われる。一次コイルに近接する二次コイルは当該発振磁界からエネルギを取得することができる。一次コイルと二次コイルが共通周波数で共振する場合、大量の電力を合理的な効率でコイル直径の数倍の範囲で一次コイルから二次コイルに伝送することができる。

既知の共振誘導結合方法では、大量の電力送信を生じさせるために、送信器と受信器の間で共振周波数と方位の両方が一致する必要がある。この既知の方法により周波数が一致するが、当該システムは位置と方位に関して一定の送信器／受信器を有するので、方位の一致を解決する必要はない。

モバイル受信器の場合、給電装置に対するモバイル受信器の方位は変化しうる。しかし、モバイル受信器、および、同義的に、受信器が組み込まれた対象物は、無線電力を効率的に受信するために磁力線と整列しなければならない。静止した送信器が同一の磁界を生成するという事実は当該対象物の空間自由度を制限する。当該対象物は、位置と方位を給電装置に対して或る程度変化させうるが、電力送信効率が犠牲になる。

無線電力業界では、１つの戦略は、装置が置かれた典型的な机と同じ平面に送信器を置くというものである。各装置は送信器が生成した磁界と整列する内部受信コイルを有する。これにより効率的な充電が可能となる。しかし、消費者が装置を拾い上げて使用すると、無線電力のリンクが壊れ、装置が充電を停止する。換言すれば、この電力源の可用性は限られている。

さらに、任意の無線技術では、データ送信であろうと電力送信であろうと、干渉を考慮する必要がある。無線給電の既知の方法では、モータ内の３つの受信器（例えば、巻線）の各々に対して異なる周波数（例えば、４４、６２および７７ｋＨｚ）を使用する。磁界の周波数の相違と方位の相違の両方を使用してモータ内の３相の間でクロストークまたは干渉を最小化できるように、異なる周波数が使用されていた。このアプローチの欠点は、周波数帯が占有され、その結果他の周囲の無線システムと干渉しうるということである。

相間クロストークの問題は、方位の相違に加えて広い周波数の相違を用いて「二重フィルタ」を生成することで解決することができる。これは有効なアプローチであるが、その欠点は、送信された電力が広い周波数帯を占有し、その結果、他の周囲の無線システムと干渉しうるということである。これの別の見方としては、かかるシステムは広帯域を占有し、その結果、殆どのシステムが所与の量の空間で動作できないということである。

米国特許出願第１４／１９９，２７２号明細書

対象物の空間自由度を増大し給電装置と受信器の共振誘導結合の間に相間クロストークを削減するための改善された方法が望まれる。

本明細書で開示する主題は、例えば、給電されている受信器の位置と方位が時間とともに変化するため、または、様々な位置と方位を有する様々な受信器が様々な時点で給電されるために所望の磁界の位置と方位が時間とともに変化する事例において、無線給電に関連付けられた制約を軽減するためのシステムおよび方法に関する。本明細書で開示するシステムおよび方法は無線給電業界に一般的に適用可能である。以下で詳細に開示する幾つかの実施形態によれば、当該システムは定義された空間内の複数の無線給電装置を使用し、その各々は、互いに直交する方向に配向された個々のコイルから成る。これらの個々のコイルの間ならびにそれらが形成する送信器の間の場の干渉を用いて、定義された空間内の任意の所与の点での無線電力場の強度と方位をアクティブに制御することができる。これにより、方法が、特定の角度で特定の対象に電力送信を向けることができる。

本明細書で開示するシステムおよび方法は、（３相モータのような）対象物の空間自由度を増大させ相間クロストークを削減するための方位マッチングを提供する。当該プロセスでは、方位は無線給電業界において課題であるので、無線給電を一般に改善するための実現可能な方法を提供する。

以下で詳細に開示する主題の１態様は電気装置に無線給電するための方法であって、互いに対して固定された位置と方位に配置された少なくとも２つの送信コイルを有する送信器を提供するステップと、受信コイルを有する電気装置を含む空間に関して送信器を配置するステップと、当該電気装置の受信コイルの軸に沿って配置された磁力線を有する合成磁界を生成する送信器の各送信コイルに各電流を提供するステップとを含む方法である。当該方法は、当該送信器の基準フレームに対する電気装置の受信コイルの軸の方位を決定するステップと、当該電気装置の受信コイルの軸の方位に少なくとも部分的に基づいて各電流の振幅を計算するステップとをさらに含んでもよい。

本明細書で開示する主題の別の態様は、無線給電のためのシステムであって、軸を有する受信コイルと、相互に直交する軸を有する第１の、第２のおよび第３の送信コイルコンポーネントと、当該第１の、第２のおよび第３の送信コイルコンポーネントに供給された各電流の各振幅を計算して当該受信コイルの当該軸に沿って配置された磁力線を有する合成磁界を生成するようにプログラムされたコンピュータシステムと、当該各振幅を有する各電流を当該第１の、第２のおよび第３の送信コイルコンポーネントに供給ための手段とを備えるシステムである。

別の態様は、電気装置に無線給電するための方法であって、互いに対して固定された位置と方位に配置された少なくとも２つの送信コイルを有する第１の送信器を提供するステップと、互いに対して固定された位置と方位に配置された少なくとも２つの送信コイルを有する第２の送信器を提供するステップと、受信コイルを有する第１の電気装置を含む空間の異なる側に当該第１のおよび第２の送信器を配置するステップと、当該電気装置の受信コイルの軸に沿って配置された磁力線を有する合成磁界を生成する当該第１のおよび第２の送信器の各送信コイルに各電流を提供するステップとを含む方法である。当該空間が当該第１の電気装置の位置と異なる位置を有する第２の電気装置を含む場合、生成された合成磁界は当該第２の電気装置の位置でゼロ磁束を有しうる。

以下で開示する主題のさらに別の態様は、無線給電のためのシステムであって、軸を有する受信コイルと、ジンバル配置と、軸を有し当該ジンバル配置に配設された送信コイルと、当該送信コイルの軸の方位角を変更するための当該ジンバル配置に接続された第１のアクチュエータと、当該送信コイルの軸の仰角を変更するための当該ジンバル配置に接続された第２のアクチュエータと、当該受信コイルの軸に沿って配置された磁力線を有する合成磁界を生成するように当該第１のおよび第２のアクチュエータを制御するようにプログラムされ、当該送信コイルに供給される電流の振幅を計算するようにプログラムされた（１つのコンピュータもしくはプロセッサを備えるかまたは別個のコンピュータもしくはプロセッサを備える）コンピュータシステムと、当該振幅を有する電流を当該送信コイルに供給するための手段とを備えるシステムである。

無線給電のためのシステムおよびその動作方法の他の態様については後述する。

同一平面に配置された４つの受信器と１つの送信器の平面図を示す図であり、当該受信器の一部は当該送信器に対して異なる角度に配向している。 公知技術に従う消費者電化製品向けの無線充電を提供するように配置され配向された送信器の立面図を示す図である。 幾つかの実施形態に従う給電装置の幾つかのコンポーネントを表すブロック図である。 二次元空間内の２つのコイル送信器および受信器の平面図を示す図である。図４の内部は、当該送信器により生成され当該受信器内のコイルまたは巻線に接続された干渉磁界の拡大図を提供する。 受信器が図４に示すように配向したときの、受信コイルの軸と整列した合成磁界の平面図を示す図である（図４Ａは図４の内部と同一である）。 ９０°回転されている受信器のコイル軸と整列するために、９０°回転されている合成磁界の平面図を示す図である。 特許文献１で開示された実施形態に従う３相電気モータを無線で制御し給電するためのシステムの幾つかのコンポーネントを示す図である。 １実施形態に従う給電装置の３つの相互に直交するコイルの等角図を示す図である。 定義された空間の中央に対象受信コイルを有する３つの相互に直交する送信コイルにより磁力線が生成されている定義された空間の等角図を表す図である。図７は３次元における図４Ａの類型である。 定義された空間内の磁界が建設的な干渉により強化されるように配置され動作される２組の相互に直交する送信コイルにより磁力線が生成されている、定義された空間の等角図を表す図である。 図８に示す磁力線のＸＹ平面図を表す図である。 ２つの送信器のＺ軸コイルがオフにされ、Ｘ軸コイルがオンにされ、Ｙ軸コイルがＸ軸コイルに対する１８０°位相シフトでオンにされたときに生成される、磁力線のＸＹ平面図表す図である。図１０は３次元における図４Ｂの類型である。 破壊的な干渉のため磁束がゼロである定義された空間内の領域を磁界が有するように配置および動作される２組の相互に直交する送信コイルにより磁力線が生成されている、定義された空間の等角図を表す図である。 ２つの送信器と２つの受信器が内部に配置された定義された空間の等角図を示す図である。各送信器は３つの相互に直交するコイルを備え、各受信器は単一のコイルを備える。 送信コイルの方位を変更するために機械的装置に配設された単一の送信コイルにより磁力線が生成されている、定義された空間の等角図を表す図である。 代替的な実施形態に従う、起動された送信コイルシステムのコンポーネントを示すブロック図である。 別の実施形態に従う給電装置の相互に直交するコンポーネントの等角図を示す図である。 無線給電システムにより給電できるコンポーネントを有する自動車の立面図を表す図である。

以下で、図面を参照する。異なる図面における同様な要素は同一の参照番号を有する。

特許文献１は、給電装置とコントローラを用いて３相電気モータを無線で制御し給電するための方法を開示している。当該電気モータは、複数の巻線と回転子内の高導磁率なコアを備える。当該給電装置は当該モータを駆動するために当該モータの巻線に共振誘導的に接続される。当該モータの巻線内の適時の電流によりコアが帯磁し、回転子が動く。回転子への適切な機械的接続により機械力が当該モータから得られる。複数の給電装置を適切に配置して複数の電気モータに無線で給電することができる。

共振誘導結合では、大量の電力送信を生じさせるために送信器と受信器の間で共振周波数の一致および方位の一致の両方が必要である。特許文献１は、周波数のマッチングとどのようにそれを実現するかを開示しているが、特許文献１が開示するシステムは、それが位置と方位に関して一定の送信器／受信器を開示しており、方位のマッチングを解決するための手段や方法は開示していない。対照的に、以下で詳細に開示するシステムおよび方法の実施形態では、方位のマッチングを解決することにより無線で給電される電気モータへ適用を拡大することを求める。

図１は、送信コイル４に近接する受信コイル６Ａ乃至６Ｄを示す図である。送信コイル４および受信コイル６Ａ乃至６Ｄの各々は、共振回路を生成するための各導線の巻線とキャパシタとを有してもよい。図１に示す例では、送信コイル４および受信コイル６Ａ乃至６Ｄの軸は共角である。受信コイル６Ａ乃至６Ｄは、送信コイル４に対して異なる位置と方位を有する。点線２ａおよび２ｂは、電流が送信コイル４を流れるときに送信コイル４が生成する磁界の簡単な部分的な表現を形成する。受信コイル６Ａは、送信コイル１０の中心軸を通る磁力線２ａに沿って配置されるので、無線電力を送信コイル４から受信することができる。受信コイル６Ｂおよび６Ｃは両方とも、磁力線２ｂに沿って配置されているので電力を受信することができる。しかし、受信コイル６Ｄは、その方位が磁力線２ｂと一致していないので殆ど乃至全く電力を受信しない。受信コイル６Ｄがモバイル対象物の一部である場合、無線電力を効率的に受信するためには受信コイル６Ｄの軸は磁力線２ｂと整列しなければならない。これにより、当該対象物の空間自由度が３つの並進と１つの回転に限定される。

無線電力業界では一般に、１つの戦略は、図２に示すように、無線給電される装置が置かれた典型的な机１４と同じ平面に送信コイル４を配置することである。本例では、無線給電される装置には、携帯電話８、ラップトップコンピュータ１０、およびタブレットコンピュータ１２が含まれる。図２の各装置は、図１の受信コイル６Ｃと同様に配置された内部受信コイル（図示せず）を有する。これにより、効率的な充電が可能となる。しかし、消費者が装置を拾い上げて使用すると無線電力リンクが壊れ、装置が充電を停止する。

以降で詳細に開示する方位のマッチングのためのシステムおよび方法は、互いに直角に配置された送信コイルを用いて、電流がそれらを流れたときに、互いと建設的に干渉して所望の合成磁界を生成する別個の磁界を送信コイルが生成するようにするというアイデアに基づく。

図３は、幾つかの実施形態に従う無線給電システムの幾つかの電子コンポーネントを表すブロック図である。当該無線給電システムは、電流要件等に関する計算を行うようにプログラムされたマイクロコントローラ５０を備える。マイクロコントローラ５０は次いで、送信コイルごとに当該電流要件（即ち、振幅と位相）を電力レギュレータ５２に出力する。電力レギュレータ５２は、正確な振幅と位相を有する電力が送信器２２の３つのコイル４Ａ、４Ｂおよび４Ｃの各々に出力されることを保証する。マイクロコントローラ５０はまた、周波数コマンドを可変周波数ドライブ５４に出力する。マイクロコントローラ５０から受信した電流要件に基づいて、電力レギュレータ５２は３つの異なる直流を可変周波数ドライブ５４に出力する。マイクロコントローラ５０から受信した周波数コマンドに基づいて可変周波数ドライブ５４は各直流を、各特定の周波数を有する交流に変換する。

他の実施形態によれば、当該システムは、送信コイルごとに適切な周波数の小さな交流を生成するための各可変周波数信号生成器を備えてもよい。各可変周波数信号生成器には、コンピュータシステムが計算した各振幅に従って小電流を大電流に増幅する各可変電力増幅器が続く。

図３に示すシステムは、送信コイル４Ａ乃至４Ｃにより指定の位置で生成された正味の磁界を制御することができる。送信コイル４Ａ乃至４Ｃは各期間において各交流を受信し、これらの交流の振幅と位相は、磁力線の方位が受信コイルの軸とマッチングするのを実現するように設計される。１実施形態によれば、送信コイル４Ａ乃至４Ｃは相互に直交するように配置され、交流がそれらを通るとき、互いと建設的に干渉して所望の合成磁界を生成する別個の磁界を送信コイル４Ａ乃至４Ｃが生成する。

本概念をより良く理解するために、本開示では初めに二次元空間で理論を説明し、次いで三次元空間で説明する。

二次元空間での理論
図４は、二次元空間において２つの送信コイル４Ａおよび４Ｂならびに１つの受信コイル６Ｄを備える配置の平面図を示す図である。送信コイル４Ａおよび４Ｂは、その各軸が互いに直交するように配置されている。図４の中身はそれぞれ送信コイル４Ａおよび４Ｂにより生成された干渉する磁力線２ａおよび２ｂの拡大図を提供する。磁力線２ａおよび２ｂは受信コイル６Ｄの軸に沿って交差する。

当該配置により、送信コイル４Ａおよび４Ｂによりそれぞれ生成された磁界が互いに干渉でき、その結果、受信コイル６Ｄのロケーション（即ち、位置プラス方位）、そのベクトル和は受信コイル６Ｄの軸と整列する。当該状況は、図４の拡大部分においてベクトル１６および１８（交点での各磁界を表す）とベクトル和２０により表される。ベクトル和２０は受信コイル６Ｄの軸と整列する。

送信器が正味の磁界を効果的に配向し調整するために、当該送信器を制御するマイクロコントローラ（図４では図示せず）が各送信コイルに入力すべき最適な電流振幅と最適な相角度を発見しなければならない。当該最適な電流振幅と最適な相角度は、（１）対象の受信コイルの位置と方位（即ち、ロケーション）、（２）当該ロケーションで交差する各磁界の単位ベクトル、（３）当該ロケーションで所望の合成磁界を取得するためにベクトルごとに必要な振幅、および（４）発振磁界の周波数といった因子によって決まる。

位置と方位
モバイル対象物の位置と方位は、固定の送信器に対し１つまたは複数の受信コイルまたは巻線（例えば、電気モータ）を有し、以下の方法のうち何れか１つを用いて決定することができる。

受信コイルの位置と方位を決定するための第１の方法は、ディファレンシャル全地球測位システム（ＤＧＰＳ）、超音波センサ、またはＶｉｃｏｎカメラ（モーション・キャプチャ）を用いて、位置と方位の情報を取得し送信器コントローラに送信するステップを含む。これらの方法は、電力送信が高応答性のものでなければならないアプリケーションに特に有用である。

受信コイルの位置と方位を決定するための第２の方法は、当該対象物が存在する物理空間を探索するステップを含む。三次元（３Ｄ）空間内の（ｘ、ｙ、ｚ）座標およびこれらの座標での３Ｄ空間内の（θ、φ）方位ごとに、強い局所磁界ベクトルを生成する。当該送信器内のエネルギは、受信コイルが電力を受信すると減少する。コントローラはこれを、受信コイルの位置と方位を発見したとの指標として使用することができる。理解と開発には簡単であるが、当該方法は５次元問題を解く必要があるので現実的には低速である。

受信コイルの位置と方位を決定するための第３の方法は、パラメータ空間を検索するステップを含む。全ての（Ｐ_ｉ、Ｐ_ｊ、Ｐ_ｋ）に対して、Ｐは送信器の各コイル内の電力であり、当該コントローラが電力排出を検出するまで（Ｐ_ｉ、Ｐ_ｊ、Ｐ_ｋ）の間の比率をスイープすることによって、受信コイルにより受信された最大電力を発見する。当該方法は三次元問題を解決し、上記第２の方法より高速である。

単位ベクトル
システムを実行する前に、シミュレーション・ツールが、定義された空間内の任意の所与の位置での各磁界の単位ベクトルを生成し、読取専用メモリのルックアップ・テーブルに格納することができる。２次元では、これは位置ごとに２つのベクトルから構成される。３次元では、３つの磁界があるので、これは位置ごとに３つのベクトルから構成される。代替的に、より強力なコンピュータが単位ベクトルをリアルタイムに計算できるが、当該コンピュータは、当該ステップに必要な短時間で結果に達しなければならない。

振幅
マイクロコントローラまたはコンピュータが位置、方位および単位ベクトルを知ると、所望の場の方位と強度を実現するために各単位ベクトルを乗ずるのに必要な振幅を決定することができる。例えば、（図４Ｂに示すように）図４Ａの受信コイル６Ｄが９０°回転された場合、システムは、図４Ａの単位ベクトル１８の振幅に−１を乗じて新たなベクトル１８’を形成する必要があると判定する。新たなベクトル１８’は、ベクトル１６と合成されると、図４Ｂに示すように、回転した受信コイル６Ｄの軸と整列する新たなベクトル２０’を形成する。同様に、マイクロコントローラ５０がさらに数度だけ合成磁界を回転すると決定した場合（図３を参照）、マイクロコントローラ５０は、送信コイル４Ｂにより生成された磁界を弱め、送信コイル４Ａにより生成された磁界を強めるように電力レギュレータ５２に指令する。

周波数
三次元空間を議論する前に、共振誘導結合の重要な概念を検討するのが有益であろう。簡単のため、本開示の図ではＤＣ磁界を例示する。実際には、効率的な無線給電を生じさせるために、場は周波数ｆのＡＣでなければならない。したがって、本明細書で前に「単位ベクトル１８の振幅に−１を乗じて新たなベクトル１８’を形成する必要がある」と述べたとき、実際には、この位相シフトされたＡＣ電流が送信コイル４Ａに入力される前に１８０°の位相シフトを周波数ｆの搬送電流に加えるはずである。各共振周波数を用いて無線給電される３相電気モータでは、どの相が現在有効であるかに依存して正確な周波数ｆを選択するはずである。

各共振周波数を用いて無線給電されている３相電気モータを整流するトピックに関して、特許文献１に開示されたのと同じ方法を使用して位置、回転方向および速度のような回転子情報を発見することができる。これは、どの受信コイル（固定子）にいつ電力を送信するかを示す。次いで、本明細書で開示した方位マッチング方法を重ね合せて、磁界が当該受信コイルに配向されることを保証することができる。

図５は、特許文献１で開示された実施形態に従って電気モータを無線で制御し給電するためのシステムの幾つかのコンポーネントを示す図である。本例では、給電装置２０２により電力が３相電気モータ２００に無線で給電される。他の実施形態では、給電装置２０２を、他の任意の数の位相を有する電気モータに無線で電力を提供するように設計してもよい。

図５に示すように、電気モータ２００は回転子２０４、第１の巻線２０６、第２の巻線２０８、および第３の巻線２１０を備える。巻線２０６、２０８および２１０は異なる共振周波数を有するように構成され、以降それぞれ、第１の、第２のおよび第３の共振周波数と称する。

給電装置２０２は第１の送信コイル２１２、第２の送信コイル２１４、および第３の送信コイル２１６を備える。送信コイル２１２、２１４および２１６は、巻線２０６、２０８および２１０の共振周波数に対応する異なる共振周波数を有するように構成される。例えば、送信コイル２１２は巻線２０６の第１の共振周波数に対応する共振周波数２１８を有してもよく、送信コイル２１４は巻線２０８の第２の共振周波数に対応する共振周波数２２０を有してもよく、送信コイル２１６は巻線２１０の第３の共振周波数に対応する共振周波数２２２を有してもよい。

切換えシステム２２６を介して電力を電源２２４から送信コイル２１２、２１４および２１６に提供してもよい。電気モータ２００を動作させるために、電流を巻線２０６、２０８および２１０の各々を通じて適切な順序で送信して回転子２０４を回転させる。コントローラ２２８は、巻線２０６、２０８および２１０のうちどれに当該順序の任意の時点で電力を提供すべきかを判定するように構成される。コントローラ２２８は、電力を電源２２４から送信コイル２１２、２１４および２１６の各々に適切な順序で提供するように、切換えシステム２２６内の切換え装置を動作させてもよい。次いで、送信コイル２１２、２１４および２１６の各々は対応する共振周波数２１８、２２０および２２２で磁束の変化を誘導する。共振周波数２１８、２２０および２２２における適切な順序でのこれらの磁束の変化は、回転子２０４を回転させるための所望の電流を巻線２０６、２０８および２１０内に適切な順序で誘導する。巻線２０６、２０８および２１０は異なる共振周波数を有するので、共振周波数２１８、２２０または２２２のうち１つでの給電装置２０２からの電力の送信は、対応する共振周波数を有する巻線２０６、２０８または２１０のうち１つにおいてのみ電流を誘導する。これにより、電力を巻線２０６、２０８および２１０の各々に個別に適切な順序で提供することができる。

特許文献１はさらに、電気モータ２００の巻線２０６、２０８および２１０に対する回転子２０４の角度位置を決定するための手段を開示する。例えば、送信コイル２１２、２１４および２１６の総インダクタンスは、回転子２０４の角度位置が変化すると変化しうる。回転子２０４の位置、回転方向および速度を、回転子移動により生成された送信コイルの総インダクタンスに及ぼす影響を検出することによって決定することができる。当該情報をコントローラにより使用して、どの時点にどの巻線に電力を送信するかを判定することができる。本明細書で開示する方位マッチング方法を使用して、正味の磁界が当該巻線に配向されることを保証することができる。以下は、それを行うためのステップであり、任意数の巻線（即ち、固定子）を有するモータ設計に対して一般化されている。
（１）「マーカ」巻線を事前に決定し、その後周波数ｆ_１のＲｘ１で指定する
（２）ＡＣ磁界を周波数ｆ_１で用いてＲｘ１の位置と方位を発見する。前述の方法の何れを利用してもよい。
（３）当該モータの設計は既知であるので、Ｒｘ１と次の巻線の間の角度θは既知である。角度φをスイープして次の巻線の３Ｄ位置と方位を固定するだけでよい。結果は２Ｄ平面である。
（４）ステップ（３）で見つかった位置と方位に対して、周波数ｆ_２およびｆ_ｎ（ｎは当該モータ設計における巻線の数である）を試行して、当該巻線がＲｘ２またはＲｘｎ（最後の巻線）であるかどうかを判定する。
（５）当該モータ内の全ての巻線が２Ｄ平面に配置されるので、残りの巻線の位置と方位をＲｘ１の位置と方位から容易に計算することができる。

三次元空間での例示
図６は、１実施形態に従う給電装置２２の３つの相互に直交するコイル４Ａ乃至４Ｃの等角図である。キャパシタおよび発振器のような送信器の他のコンポーネントは図示していない。各コイルは同一方向に巻かれた導線を含み、コイル４Ａ乃至４Ｃの軸は互いに直交するように向けられている。可変量の電流がコイル４Ａ乃至４Ｃを通過するので、コイル４Ａ乃至４Ｃは強度および方向が変化する磁界を生成する。計算によれば、任意の２つのコイルにより生成された磁界は常に、遠場で互いから５３°より大きく離れて配向されている。これは、空間内の任意の所与の点において、ベクトル和を使用して所望の合成磁界強度および方位に到達できることを意味する。別の説明は、各コイルが双極子として動作するというものである。当該双極子はベクトルである。（振幅が変化する）３つのベクトルの重ね合せにより、結果の合計双極子ベクトルを任意の方向に向けることができる。

３次元における図４Ａの類型を図７に示す。図７は、磁力線が送信器２２の３つの相互に直交する送信コイルによって生成されている、定義された空間Ｖ（本例では、立方体）の等角図を提供する。対象の受信コイル２１が、定義された空間Ｖの中央に配置されている。本例では受信コイル２１の軸は定義された空間Ｖの対角線に対して共線状である。送信器コイルの各々は、それぞれＸ、ＹおよびＺ方向の軸を有し、等価な電流（ｉ_ｘ＝ｉ_ｙ＝ｉ_ｚ）で動作する。主要な合成磁力線はしたがって、定義された空間Ｖの対角的に反対側の隅を指す。これは、まさに、受信コイル２１に分配された電力を最大化する方位である。

依然として図７を参照すると、二次磁力線、即ち、より曲がっている線を使用して電力を送信することもできる。これらの線は通常、より直線的な磁極線の強度の半分を下回る。さらに、二次磁力線を用いて電力を送信するための計算はより複雑になる。それにもかかわらず、定義された空間には多数の受信器（即ち、対象物）が存在するとき有用でありうる可能性がある。

当該対象物でさらに強い磁界を生成するために、より多くの送信器を定義された空間Ｖに取り付けることができる。図８乃至１１は、給電装置２２および２４の対が立方体の定義された空間Ｖの対角的に反対側の隅に配置される１つのかかる配置を表す。（各々が複数の送信コイルを有する）複数の送信器を定義された空間Ｖに配置するのを、意図する対象物の最も一般的な位置と方位により最適化することができる。しかし、図８乃至１１に示す機能を３コイルの送信器だけを用いて実現できることは理解される。

図８は、磁力線が２つの送信器２２および２４により生成されている定義された空間Ｖの等角図である。２つの送信器２２および２４の各々は１組の３つの相互に直交するコイルを含む。これらのコイルは、定義された空間Ｖの対角的に反対側の隅に配置され、当該定義された空間Ｖ内部の磁界が建設的な干渉により強化されるように動作する。

図９は図８に示す磁力線のＸＹ平面図である。磁力線５６は定義された空間Ｖの対角線に沿って配置される。

図１０は、送信器２２および２４のＺ軸コイルがオフになり、Ｘ軸コイルがオンになり、Ｙ軸コイルがＸ軸コイルに対して１８０°の位相シフトでオンになったときに生成される、磁力線のＸＹ平面図である。図１０は３次元での図４Ｂの類型である。その結果は、図９に示す対角磁力線５６に対して９０°回転された磁力線５８である。

図１１は、定義された空間Ｖの等角図である。当該空間Ｖにおいて、磁束が破壊的な干渉に起因してゼロである定義された空間Ｖ内の領域を合成磁界が有するように配置され動作する２つの送信器２２および２４により、磁力線が生成されている。図１１は、単一の送信器では実現できないもの、即ち、ブラック・スポットを示す。図１１に示す状況では、送信器２２と２４の対は互いに対向し、したがって、破壊的な干渉に起因するゼロ磁束を有する中央の領域が生成される。当該領域は、当該領域内に配置された受信コイルが電力を受信せず、他の任意の場所の受信器は電力を受信できるので、「ブラック・スポット」と呼ばれる。当該ブラック・スポットを、単純に別の送信器Ｔｘ２に対して１つの送信器Ｔｘ１の強度を変化させることにより（例えば、Ｔｘ１の磁束の強度はＴｘ１からの距離が減るとともに強くなり、Ｔｘ２の磁束の強度は弱くなり、逆も成り立つ）、対角線線に沿って配置することができる。一般に、上述したものと同一のアルゴリズムを使用できるが、電流が送信コイルに供給されたときにブラック・スポットを生成する振幅および相角度を計算するように適合することができる。即ち、（１）対象の受信器のコイルのロケーションを決定し、（２）当該複数の送信器に対して当該ロケーションで交差する各磁界の単位ベクトルを計算し、（３）当該ロケーションでゼロの磁束を生成するベクトルごとに振幅を計算する。

代替的な実施形態によれば、モータに無線給電するためのブラック・スポットを、特定のロケーションで当該対象の受信器コイルの軸と整列しない磁界が生成されるのを保証することによって、生成することができる。当該方法はまた、何らかのエネルギ放出物体と動作する。

別の実施形態によれば、或るロケーションで装置に給電し別の位置でブラック・スポットを生成するための送信器の電流振幅および相角度を計算するための数学的方法を適用することができる。図１２を参照して当該概念を説明する。図１２は、２つの送信器２２、２４および２つの受信器２３、２５が配置される定義された空間Ｖを示す。各送信器２２、２４は３つの相互に直交するコイルを備え、各受信器２３、２５は１つの受信コイルを備える。

図１２に示す状況では、送信器２２は位置ｘ_１にあり、送信器２４は位置ｘ_２にある。（太字はベクトルを示す）。各送信器は可変の振幅と方向を有する磁気双極子ｍ_１またはｍ_２として動作する。各双極子を３つの直交双極子ベクトルの和として記述することができる。例えば、

である。典型的な実施形態では、当該送信器の各コイルを流れる電流を選択することによって、値ｍ_ｘ１、ｍ_ｙ１、およびｍ_ｚ１を制御することができる。

図１２に示す状況では、ロケーションｒ_１で、磁界Ｂ_Ａが一般に受信器に給電するのに望ましいと仮定する。磁界Ｂ_Ｂを生成したいロケーションｒ_２もあると仮定する。ｒ_１およびｒ_２での磁界は２つの送信器の双極子からの磁界ベクトルの合計であるので、所望の磁界を以下のように記述することができる。

場Ｂ_１およびＢ_２はそれぞれ双極子ｍ_１およびｍ_２により生成される。これらの磁界を以下のように計算することができる。

ｆ（ｍ、ｒ）は、双極子ｍに対する位置ｒで磁界ベクトルを計算する関数である。即ち、

である。任意の双極子からの磁界強度は双極子の大きさに線形的に比例するので、式（４）と（５）を拡張して、各磁界成分を双極子成分の線形結合として示すことができる。即ち、

である。行列係数ａ_１１、ａ_１２等は関数ｆから計算される（関数ｆの計算は、当該計算が、原点が双極子ｍの中心にありｚ軸が双極子ベクトルに平行な座標システムを使用する場合は、比較的単純である。次いで、「双極子緯度」、即ち、９０°からｍとｒの間の角度を引いたものが与えられると、１組の無次元場強度を格納し、必要に応じてそれを検索し、ｍ／ｒ^３に比例して拡大して実際の場の値Ｂ（ｒ）を得る）。

６つの未知数、即ち、双極子成分ｍ_１ｘ、ｍ_１ｙ、ｍ_１ｚ、ｍ_２ｘ、ｍ_２ｙおよびｍ_２ｚを有する６つの式がある。したがって式（７）を解いて双極子値を見つけることができる。Ｂ_Ｂ＝０とすると、ロケーションｒ_２にゼロ磁界（即ち、ブラック・スポット）を置きつつ、装置をロケーションｒ_１で駆動する磁気双極子値を見つけることができる。コイルのパラメータ（例えば、コイル径、コイル長、回転数、任意の高導磁率材料の導磁率）を知ると、これらの磁気双極子値を生成するのに必要な電流を計算することができる。

図１２に示す例では、システム設計者が２つの位置の各々で全ての３つの磁界成分を指定したいと仮定する。幾つかの実施形態では、当該システム設計者は寧ろ２つまたは３つの位置で１つの磁界成分を指定する。例えば、動作領域が導電材料の１つまたは複数の平板を含んでもよい。当該システム設計者は、渦巻き電流が誘導されないように、当該表面に直交する磁界がゼロであることを望むかもしれない。前のように、幾つかの装置に給電するために磁界Ｂ_Ａが望まれるロケーションｒ_１を仮定する。前とは異なり、本例では、目標は、当該磁界が、３つのロケーションｒ_ｉでの様々な方向ｖ_ｉ、即ち、ロケーションｒ２で方向ｖ２、ロケーションｒ３で方向ｖ３、およびｔロケーションｒ４で方向ｖ４においてゼロ成分を有するということである。当該１組の条件を以下のように書くことができる。

Ｂ_ｖｉはｖ_ｉ方向の磁界成分であり、係数ｂ_ｍｎ、ｃ_ｍｎおよびｄ_ｍｎは関数ｆから計算され、一般に、ａ_ｍｎとは異なる。本例では、Ｂ_ｖｉの夫々を０とする。

他の適用に関して、Ｂ_ｖｉを異なる値に設定するかもしれない。各位置でのｖ_ｉに直角な場成分に関心がない場合、６つの位置の各々で、選択された方向ｖ_ｉにおいて磁界を制御することができる。共振誘導結合は受信コイルの軸に平行な磁界強度に依存するので、２つの３Ｄ送信器は高々６つの装置に給電することができる（また、１つの３Ｄ送信器が３つの装置、または２つの装置と１つのブラック・スポットに給電でき、逆も成り立つ）。どれだけ多くの電流を各送信コイルが処理できるか、および、様々な方向の受信コイルが互いに対してどれだけ近くにいられるかに関して現実的な制限があるが、その数学は非常に一般的である。

代替的な実施形態
定義された空間内の複数の送信器を用いてより効果的にエネルギを対象に伝達することのほかに、他の代替的な実施形態は本明細書で開示した広い概念の範囲内にある。

ここまで説明した実施形態では磁界干渉を用いて磁界を配向した。代替的な実施形態では、当該磁界を、正確な場方位を生成するように単一のコイルを当該対象に機械的に向けることによって、所望の位置に向けることができる。図１３は、送信コイル２６の方位を変更するために機械的装置（図１３には図示せず）に配設された単一の送信コイル２６により磁力線が生成されている、定義された空間Ｖの等角図である。図１４に示すように、当該機械的装置は、送信コイル２６の方位角と仰角を各アクチュエータ６２および６４を用いて変更できる、２軸ジンバルセット６０を含んでもよい。アクチュエータ６２および６４の動作を、送信コイル２６の方位角と仰角に依存してマイクロコントローラ５０により制御することができる。送信コイル２６の方位角と仰角は、無線給電される電気装置の位置に基づいてマイクロコントローラ５０により計算することができる。

図１３および１４に示す動作中の送信コイルシステムは、一斉に動作するアクチュエータを必要とし、コンポーネントと保守コストを増加させうる。しかし、これは、磁気干渉が選択肢でないアプリケーションにおいて、または、送信コイルが重いがアクチュエータシステムが軽量であるときに、有用でありうる。十分に強力な３相電気モータを長距離で駆動するには、３つの送信コイルの各々（図６を参照）が十分に大きく重くなければならないはずである。給電装置が磁界を非常に迅速に再配向するかまたは高重力下で動作するのをモータアプリケーションが要求しない場合、数個の１オンスのアクチュエータで１つの送信コイルを配向することができる。

図６に示す３コイルの送信器２２は、電気装置に無線給電するための共振誘導結合の利用を説明するのに有用であるが、単一の配向可能な双極子を表さないのでこれは最適な設計ではない。これは、送信器２２に受信器が近くなるほど、制御が分かりにくくなることを意味する。実際、これは図７から分かる。図７は、送信器２２に近い、意図しない固有のブラック・スポットを含む。

図１５は、図６に示す設計と比較して改善された設計を有する送信器２８を示す。当該代替的な実施形態における送信器２８は以下の構成要素を備える。即ち、ｚ方向に平行な軸を有するｚ軸送信コイル３０と、ｘ方向に平行な軸を有しｚ軸送信コイル３０の反対側に配置された第１のｘ軸送信コイル３４ａおよび第２のｘ軸送信コイル３４ｂと、ｙ方向に平行な軸を有しそれぞれ第１のｘ軸送信コイル３４ａと第２のｘ軸送信コイル３４ｂの上方および下方にｚ軸送信コイル３０の反対側に配置された第１のｙ軸送信コイル３２ａと第２のｙ軸送信コイル３２ｂである。全てのコンポーネントコイルは同一の中心を共有し、これはより近い遠場をもたらし、制御を簡単にし、受信器が送信器のより近くに存在できるようにする。所望の共振周波数を実現する回路の設計において、ｘ軸成分とｙ軸成分のインダクタンスは、各成分における異なる数のコイルのため、ｚ軸成分のものとは異なるという事実を考慮しなければならない。同様に、送信器に入る電力を規制するとき、システムは、１倍の電力をｚ軸送信コイル３０に送信し、１／２倍の電力を第１のｘ軸送信コイル３４ａと第２のｘ軸送信コイル３４ｂの各々および第１のｙ軸送信コイル３２ａおよび第２のｙ軸送信コイル３２ｂの各々に送信するように設計されるべきである。

同一の磁界配向概念だがより簡単なアルゴリズムを用いると、自動車、バス、および航空機のような車両において使用するための、無線給電のためのシステムを提供することができる。例えば、自動車は一般に、当該自動車にわたって配分された多数の小型電気モータを組み込む。

図１６は、ワイパーモータ４０、バックミラーモータ４２、トランクモータ／ソレノイド４４、およびシート５０の構成を充電するためのシートモータ４８を組み込んだ自動車３８の立面図を表す図である。これらのモータの各々は、自動車３８に組み込まれた三次元送信器４６により無線給電されるように設計された電気モータの形をとりうる。

これらのモータの大部分は、場合によってはワイパーモータ４０を除いて、同時には動作しない。したがって、小型の電気モータに無線給電し整流できる単一の（または必要ならば複数の）３Ｄ送信器４６を車の中心点に配置するので十分である。これらの小型のモータはセーフティ・クリティカルではないので、当該モータアーキテクチャがフィールド・テスト・ゲートウェイとして動作してもよい。これらのモータへの全ての物理配線の必要性を排除するために、運転者がモータに指令するのに用いるボタンが、人間の押下エネルギを使用して無線信号を３Ｄ送信器モジュールに送信するエネルギ収集ボタンであることができる。

かかる無線給電システムを自動車に含める利点には以下がある。即ち、（１）配線ハーネスが車両全体をうねって通る必要がなく、必要な穴が少ないため、組立時間が短いこと、（２）軽量であること、および（３）より少ない穴をより少ないコストおよび高い構造的完全性で開けられること、である。現在では、バック・ミラーとウィンドウ・スライダ・モータのために電力配線を通すための穴を、自動車のフレームとドアに開けなければならない。

様々な無線給電される電気モータの位置と方位が３Ｄ送信器４６に対して固定されているので、給電されている電気モータのロケーションを監視するためのアクティブな手段を提供する必要はない。ベクトル成分ごとの単位ベクトルと振幅、および周波数は全てＲＯＭのルックアップ・テーブル内に存在しうる。

上述の実施形態の幾つかによれば、磁界重ね合せを使用して特定の位置で磁界の方位を制御する。当該送信コイルの直交配置により、３Ｄ空間内の任意の点で受信器が任意の所望の合成磁界を有しうることが保証され、当該対象物は、移動中であっても全ての時点で動作可能のままであることができる。本明細書で開示した無線給電システムは固定された送信器が固定された磁界のみを送信する状況に対する適用には限定されない。当該状況は、受信器を位置と方位で固定する必要がある。無線電力のアプリケーションに関して一般に、本明細書で開示したシステムにより、無線給電される装置が運搬されている間の自由な移動が可能となる。

磁界配向を周波数微分と関連して使用して二重フィルタを生成することができる。また、磁界の方位をより正確に制御でき、したがって、周波数微分の必要性を削減または排除することができる。これにより、システムはより狭い周波数帯を占有することができ、したがって、周辺領域での他の無線システムとの干渉が減る。

赤道の磁場は、図２に示すように、任意の所与の距離で最も弱い。極での磁場は、図１の受信コイル６Ａのロケーションで示すように、２倍強い。磁界重ね合せを利用すると、図４および７に示すように、送信器に対する極位置に受信器が殆ど常に配置され、したがって、図２に示す先行技術のシステムより電力伝送が効率的である。

ブラック・スポットにより、既知の位置での対象物との干渉を減らすことができ、したがって、さらに周波数帯占有が改善する。さらに、ブラック・スポットにより、意図しない対象物が送信器と接続されないのを保証するのを支援できる。これには安全性および送信効率の利点がある。

現場または航空機内部で無線電力を使用するとき、意図せず無線リンクに接続する物体が必ず存在する。せいぜい、これはエネルギが不必要にこれらの物体に散逸する結果となる。最悪でも、これは、浪費されたエネルギが普通は熱に変わるので安全性の問題をもたらし、材料の腐食または燃焼につながりうる。本明細書で上で開示した「ブラック・スポット」の特徴によりこの発生を防ぐことができる。

様々な実施形態を参照して装置および方法を説明したが、本明細書の教示事項から逸脱しない様々な変更を加えてもよく、その要素を均等物で置き換えてもよいことは当業者に理解される。さらに、多数の修正を行って、本明細書で開示したものを実施するための概念および分類を特定の状況に適合させてもよい。したがって、特許請求の範囲で包含される主題は開示された実施形態に限定されないことが意図される。

特許請求の範囲で使用する際、「コンピュータシステム」という用語は少なくとも１つのコンピュータまたはプロセッサを有するシステムを包含するように広く解釈されるべきである。当該システムは複数のコンピュータまたはプロセッサを有してもよい。直前の文で使用する際、「コンピュータ」および「プロセッサ」という用語は両方とも処理装置（例えば、中央演算装置）および当該処理装置により読取可能なプログラムを格納するための何らかの形態のメモリ（即ち、コンピュータ可読媒体）を有する装置を指す。例えば、図３に示すマイクロコントローラ５０は上述の定義ではコンピュータシステムの資格がある。本明細書で使用する際、「マイクロコントローラ」という用語は、プロセッサコア、メモリおよびプログラム可能入出力周辺装置を含む集積回路上の小型のコンピュータを指す。

さらに、以降で説明する方法の請求項は、そこに記載した諸ステップがアルファベット順（諸請求項における任意のアルファベット順は以前に記載したステップを参照するためのみに使用される）で実施されることを要求するものと解釈すべきではない。また、それらが２つ以上のステップの任意の部分が並列または交互に実施されることを排除するものと解釈すべきでもない。特許請求の範囲で使用する際、「位置」という用語は位置と方位を含む。

特許請求の範囲に記載の、振幅を有する電流を供給するための手段に対応する構造は、図３に示す可変周波数ドライブと組み合わせた電力レギュレータ、または、可変電力増幅器と組み合わせた可変周波数信号生成器、またはそれらの均等物を含む。

４Ａ 送信コイルＸ
４Ｂ 送信コイルＹ
４Ｃ 送信コイルＺ
２２ 送信器
２６ 送信コイル
５０ マイクロコントローラ
５２ 電力調節器
５４ 可変周波数ドライブ
６０ ２軸ジンバルセット
６２ 方位アクチュエータ
６４ 仰角アクチュエータ
２１２ 送信コイル
２１４ 送信コイル
２１６ 送信コイル
２１８ 共振周波数
２２０ 共振周波数
２２２ 共振周波数
２２４ 電源
２２６ 切替えシステム
２２８ コントローラ

Claims (13)

1. 電気装置に無線給電するための方法であって、
   互いに対して固定された位置と方位に配置された少なくとも２つの送信コイルを有する送信器を提供するステップと、
   第１の受信コイルを有する第１の電気装置を含む空間に対して前記送信器を配置するステップと、
   前記第１の電気装置の前記第１の受信コイルの軸に沿って配置された磁力線を有する第１の合成磁界を第１の時点に生成する前記送信器の各送信コイルに各電流を提供するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記第１の電気装置の前記第１の受信コイルの前記軸は前記送信コイルの何れの軸とも同一線上にない、請求項１に記載の方法。
3. 前記送信器の前記送信コイルは相互に直交する、請求項１に記載の方法。
4. 前記送信器の基準フレームに対する前記第１の電気装置の前記第１の受信コイルの軸の方位を決定するステップと、
   前記第１の電気装置の前記第１の受信コイルの前記軸の前記方位に少なくとも部分的に基づいて、前記各電流の振幅を計算するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の電気装置の前記第１の受信コイルの前記軸の方位を決定する前記ステップは、
   で空間の各座標および各方位で局所磁界を生成するステップと、
   前記送信器内のエネルギの減少を検出するステップと、
   を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１の電気装置の前記第１の受信コイルの前記軸の方位を決定する前記ステップは、
   各送信コイルに供給される各電力の割合をスイープするステップと、
   前記送信器内の電力排出を検出するステップと、
   を含む、請求項４に記載の方法。
7. 前記空間は、受信コイルを有し前記第１の電気装置のロケーションと異なるロケーションを有する第２の電気装置を含み、
   前記第２の電気装置の前記受信コイルの前記軸に沿って配置された磁力線を有する第２の合成磁界を前記第１の時点と異なる第２の時点に生成する前記送信器の各送信コイルに各電流を提供するステップをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
8. 前記第１の合成磁界に関連付けられた単位ベクトルおよび振幅を前記第１の時点より前にルックアップ・テーブルから取り出すステップと、
   前記第２の合成磁界に関連付けられた単位ベクトルおよび振幅を前記第２の時点より前に前記ルックアップ・テーブルから取り出すステップと、
   をさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の電気装置は前記第１の受信コイルの前記軸と異なる軸を有する第２の受信コイルを有し、
   前記第１の電気装置の前記第２の受信コイルの軸に沿って配置された磁力線を有する第２の合成磁界を前記第１の時点と異なる第２の時点に生成する前記送信器の各送信コイルに各電流を提供するステップをさらに含む、
   請求項１に記載の方法。
10. 軸を有する受信コイルと、
    相互に直交する軸を有する第１の、第２のおよび第３の送信コイルコンポーネントと、
    前記受信コイルの前記軸に沿って配置された磁力線を有する合成磁界を生成するための、前記第１の、第２のおよび第３の送信コイルコンポーネントに供給される各電流の各振幅を計算するようにプログラムされたコンピュータシステムと、
    前記各振幅を有する前記各電流をそれぞれ前記第１の、第２のおよび第３の送信コイルコンポーネントに供給するための手段と、
    を備える、無線給電のためのシステム。
11. 前記第１の、第２のおよび第３の送信コイルコンポーネントの各々は夫々の送信コイルを備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１の送信コイルコンポーネントは第１の送信コイルを備え、前記第２の送信コイルコンポーネントは相互に並列な第２のおよび第３の送信コイルを備え、前記第３の送信コイルコンポーネントは相互に並列な第４のおよび第５の送信コイルを備え、前記第２のおよび第３の送信コイルは前記第１の送信コイルの反対側に配置され、前記第４のおよび第５の送信コイルは、それぞれ前記第２の送信コイルおよび第３の送信コイルの上方および下方に前記第１の送信コイルの反対側に配置される、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記受信コイルは電気モータの巻線である、請求項１０に記載のシステム。

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