專利名稱：無線能量轉移系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本公開涉及亦被稱為無線功率傳輸?shù)臒o線能量轉移(transfer)。
背景技術：
可以使用多種已知輻射或遠場和非輻射或近場技術來無線地轉移能量或功率。例如，可以將使用低方向性天線的輻射無線信息轉移(諸如在無線電和蜂窩式通信系統(tǒng)和家用計算機網(wǎng)絡中使用的那些)視為無線能量轉移。然而，此類輻射轉移是非常低效的，因為僅獲取了供應或輻射的功率的很小一部分，即沿著接收機的方向并與之重疊的那部分。大多數(shù)功率沿著所有其它方向被輻射開并損耗在自由空間中。此類低效功率轉移對于數(shù)據(jù)傳輸而言是可接受的，但是對于為了做工目的(諸如為了向電氣設備供電或充電)而轉移有用量的電能而言是不實際的。改善某些能量轉移方案的轉移效率的一種方式是使用定向天線來約束并優(yōu)選地指引輻射能量朝向接收機。然而，這些定向輻射方案在移動發(fā)射機和/ 或接收機的情況下可能要求不中斷的視線和潛在地復雜的跟蹤和轉向機構。另外，此類方案可能對正在傳送中度或大量功率時穿過或橫穿射束的對象或人造成危險。常常稱為感應或傳統(tǒng)感應的已知非輻射或近場無線能量轉移方案并非(故意地)輻射功率，而是使用流過初級線圈的振蕩電流來產(chǎn)生在附近接收或次級線圈中感生電流的振蕩磁近場。傳統(tǒng)感應方案已經(jīng)證明了適中到大量功率的傳輸，然而僅僅是在非常短的距離上，并且在主電源單元與輔助接收機單元之間具有非常小的偏移容差。電變壓器和接近充電器(proximitycharger)是利用此已知近程、近場能量轉移方案的設備的示例。因此，需要一種能夠在中程(mid-range)距離或對準偏移內(nèi)傳送有用量的電功率的無線功率轉移方案。此類無線功率轉移方案應能夠相較傳統(tǒng)感應方案所實現(xiàn)的那些在更大的距離和對準偏移內(nèi)實現(xiàn)有用能量轉移，但是沒有輻射傳輸方案所固有的限制和風險。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了一種能夠在中程距離和對準偏移內(nèi)傳送有用量的功率的非輻射或近場無線能量轉移方案。本發(fā)明的技術使用具有長壽命的振蕩諧振模的耦合電磁諧振器來從電源向功率消耗裝置(power drain)轉移功率。該技術是全面的，并且可以應用于大范圍的諧振器，即使在本文公開的涉及電磁諧振器的特定示例的情況下。如果諧振器被設計使得由電場存儲的能量被主要約束在結構內(nèi)且由磁場存儲的能量主要在諧振器周圍的區(qū)域中。則主要由諧振磁近場來調解(mediate)能量交換?？梢詫⑦@些類型的諧振器稱為磁諧振器。如果諧振器被設計使得由磁場存儲的能量被主要約束在結構內(nèi)且由電場存儲的能量主要在諧振器周圍的區(qū)域中。則主要由諧振電近場來調解能量交換?？梢詫⑦@些類型的諧振器稱為電諧振器。還可以將兩種中任一類型的諧振器稱為電磁諧振器。在本文中公開了這兩種類型的諧振器。我們公開的諧振器的近場的全向但固定(無損耗)性質在很寬的方向和諧振器取向的范圍內(nèi)實現(xiàn)在中程距離上的高效無線能量轉移，適合于充電、供電或同時對多種電子設備供電和充電。結果，一種系統(tǒng)可以具有多種可能的應用，其中，被連接到電源的第一諧振器在一個位置，并且潛在地連接到電氣/電子設備、電池、供電和充電電路的第二諧振器等處于第二位置，并且其中，從第一諧振器到第二諧振器的距離約為幾厘米至幾米。例如， 連接到有線電力網(wǎng)的第一諧振器可以位于房間的天花板上，而被連接到諸如機器人、交通工具、計算機、通信設備、醫(yī)療設備等設備的其它諧振器等在房間內(nèi)來回移動，并且其中，這些設備恒定地或間歇地從源諧振器無線地接收功率。對于這一個示例而言，一個人可以想象許多應用，其中本文公開的系統(tǒng)和方法可以跨越中程的距離提供無線功率，包括消費者電子裝置、工業(yè)應用、基礎設施供電和照明、運輸交通工具、電子游戲、軍事應用等。當諧振器被調諧至基本相同的頻率且系統(tǒng)中的損耗最小時，能夠使兩個電磁諧振器之間的能量交換最優(yōu)化。無線能量轉移系統(tǒng)可以被設計使得諧振器之間的“耦合時間”比諧振器的“損耗時間”短得多。因此，本文所述的系統(tǒng)和方法可以利用具有低固有損耗率的高品質因數(shù)(高Q)諧振器。另外，本文所述的系統(tǒng)和方法可以使用具有明顯比諧振器的特性尺寸更長地延伸的近場的亞波長諧振器，使得交換能量的諧振器的近場在中程距離處重疊。這是之前尚未實踐的操作區(qū)，并且明顯不同于傳統(tǒng)感應設計。重要的是認識到這里公開的高Q磁諧振器方案與已知近程或接近感應方案之間的差別，即那些已知方案按照慣例沒有利用高Q諧振器。使用耦合模理論(CMT)(參見例如 Waves and Fields in Optoelectronics,H. A. Haus,Prentice Hall, 1984),可以顯示高 Q諧振器耦合機制能夠實現(xiàn)比傳統(tǒng)感應方案所實現(xiàn)的間隔開中程距離的諧振器之間的功率遞送高幾個數(shù)量級的高效功率遞送。耦合高Q諧振器已經(jīng)證明了在中程距離上實現(xiàn)高效能量轉移及在短程能量轉移應用中改善效率和偏移容差。本文所述的系統(tǒng)和方法可以提供經(jīng)由強耦合高Q諧振器的近場無線能量轉移，一種具有安全地且在比使用傳統(tǒng)感應技術實現(xiàn)的大得多的距離上轉移從皮可瓦到千瓦的功率水平的潛力的技術。針對強耦合諧振器的多種一般系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高效的能量轉移，諸如強耦合聲諧振器、原子能諧振器、機械諧振器等的系統(tǒng)，如最初由M. I. T.在其出版物"Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer，，，Annals of Physics, vol. 323, Issue 1, p. 34(2008)禾口 "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", Science, vol. 317, no. 5834, p. 83, (2007)中描述的那樣。 本文公開的是電磁諧振器和耦合電磁諧振器的系統(tǒng)，更具體地也稱之為耦合磁諧振器和耦合電諧振器，具有IOGHz之下的工作頻率。本公開內(nèi)容描述了也稱為無線功率傳輸技術的無線能量轉移技術。綜觀本公開內(nèi)容，我們可互換使用術語無線能量轉移、無線功率轉移、無線功率傳輸?shù)取Ｎ覀兛梢蕴岬綄碜栽?、AC或DC源、電池、源諧振器、電源、發(fā)電機、太陽能電池板和集熱器等的能量或功率供應給設備、遠程設備、多個遠程設備、一個或多個設備諧振器等。我們可以描述中間諧振器，其通過允許能量跳躍、轉移通過、被臨時存儲、被部分地耗散、或允許以任何方式來調解從源諧振器到其它設備與中間諧振器的任何組合的轉移來擴展無線能量轉移系統(tǒng)的范圍， 從而可以實現(xiàn)能量轉移網(wǎng)絡或串或延長的路徑。設備諧振器可以從源諧振器接收能量，將該能量的一部分轉換成用于對設備供電和充電的電功率，并同時將接收到的能量的一部分傳到其它設備或移動設備諧振器上。能量可以從源諧振器轉移至多個設備諧振器，顯著地延長可無線地轉移能量的距離?？梢允褂枚喾N系統(tǒng)架構和諧振器設計來實現(xiàn)無線功率傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括向單個設備或多個設備傳送功率的單個源或多個源?？梢詫⒅C振器設計為源或設備諧振器，或者可以將其設計為重發(fā)器(r印eater)。在某些情況下，諧振器可以同時是設備和源諧振器，或者可以將其從作為源進行操作切換至作為設備或重發(fā)器進行操作。本領域的技術人員將理解的是可以由在本申請中描述的大范圍的諧振器設計和功能來支持多種系統(tǒng)架構。在我們描述的無線能量轉移系統(tǒng)中，可以使用無線供應的功率或能量直接對遠程設備供電，或者可以將設備耦合到諸如電池、法拉電容器、超級電容器等的儲能單元(或其它種類的功率消耗裝置)，其中，可以無線地對儲能元件充電或再充電，和/或其中，無線功率轉移機制僅僅是設備的主電源的補充?？梢杂芍T如具有集成存儲電容器等的混合電池/ 儲能設備來對設備供電。此外，可以將新型電池和儲能設備設計為利用由無線功率傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)的操作改進。其它功率管理方案包括使用無線地供應的功率來對電池再充電或對儲能單元充電，同時其進行供電的設備被關斷、處于空閑狀態(tài)、處于睡眠模式等?？梢砸愿?快)或低 (慢)速率對電池或儲能單元充電或再充電?？梢詫﹄姵鼗騼δ軉卧噶鞒潆娀蚋映潆?。 可以并行地同時對多個設備充電或供電，或者可以使到多個設備的功率遞送串行化，使得一個或多個設備在其它功率遞送被切換到其它設備之后的一段時間內(nèi)接收功率。多個設備可以同時地或以時間復用方式或以頻率復用方式或以空間復用方式或以取向復用方式或以時間和頻率和空間和取向復用的任何組合來與一個或多個其它設備共享來自一個或多個源的功率。多個設備可以相互共享功率，至少一個設備被連續(xù)地、間歇地、周期性地、偶爾地或臨時地重新配置以作為無線功率源進行操作。本領域的技術人員應理解的是存在向設備供電和/或充電的多種方式，并且所述多種方式可以應用于本文所述的技術和應用。
無線能量轉移具有多種可能的應用，包括例如將源(例如連接到有線電力網(wǎng)的一個)放置在房間的天花板上、在地板下或在墻壁中，同時將諸如機器人、交通工具、計算機、 PDA等放置在室內(nèi)或其在室內(nèi)自由地移動。其它應用可以包括對電引擎交通工具供電或再充電，諸如公交車和/或混合汽車和醫(yī)療設備，諸如可穿戴或可植入設備。附加示例性應用包括對獨立電子裝置(例如膝上型計算機、蜂窩電話、便攜式音樂播放器、家務機器人、GPS 導航系統(tǒng)、顯示器等)、傳感器、工業(yè)和制造設備、醫(yī)療設備和監(jiān)視器、家用器具和工具(例如燈、風扇、鉆、鋸、加熱器、顯示器、電視、柜臺上器具等)、軍用設備、保暖或照明衣物、通信和導航設備，包括嵌入交通工具、衣物和保護性衣物中諸如頭盔、防彈服和背心的設備等供電或再充電的能力，以及向被物理隔離的設備傳送功率的能力，諸如向植入的醫(yī)療設備，向隱藏、掩埋、植入或嵌入的傳感器或標簽，和/或從屋頂太陽能電池板向室內(nèi)配電盤等。在一方面，本文公開的系統(tǒng)包括具有品質因數(shù)A和特性尺寸X1并被耦合到發(fā)電機的源諧振器，和具有品質因數(shù)％和特性尺寸&并被耦合到位于與源諧振器相距距離D的負載的第二諧振器，其中，所述源諧振器和第二諧振器被耦合以在源諧振器和第二諧振器之
間無線地交換能量，并且其中> 100。Q1可以小于100。Q2可以小于100。該系統(tǒng)可以包括被配置為用源和第二諧振器來非輻射地轉移能量的具有品質因數(shù)仏的第三諧振器，其中，且^^">100。 Q3可以小于100?？梢杂弥苯与娺B接將源諧振器耦合到發(fā)電機。系統(tǒng)可以包括阻抗匹配網(wǎng)絡，其中， 所述源諧振器通過直接電連接而耦合并阻抗匹配到發(fā)電機。所述系統(tǒng)可以包括可調諧電路，其中，所述源諧振器通過具有直接電連接的可調諧電路而耦合到發(fā)電機。所述可調諧電路可以包括可變電容器。所述可調諧電路可以包括可變電感器。至少一個直接電連接可以配置為基本上保持源諧振器的諧振模。源諧振器可以具有第一端子、第二端子和中心端子， 并且第一端子與中心端子之間和第二端子與中心端子之間的阻抗可以是基本上相等的。源諧振器可以包括具有第一端子、第二端子和中心端子的電容性加載環(huán)路，其中，第一端子與中心端子之間和第二端子與中心端子之間的阻抗基本上是相等的?？梢詫⒃粗C振器耦合到阻抗匹配網(wǎng)絡，并且阻抗匹配網(wǎng)絡還可以包括第一端子、第二端子和中心端子，其中，第一端子與中心端子之間和第二端子與中心端子之間的阻抗基本上是相等的。可以將第一端子和第二端子直接耦合到發(fā)電機并用異相約180度的振蕩信號來驅動。源諧振器可以具有諧振頻率Q1，并且可以將第一端子和第二端子直接耦合到發(fā)電機并用基本上等于諧振頻率Q1的振蕩信號來驅動?？梢詫⒅行亩俗舆B接到電接地。源諧振器可以具有諧振頻率ω”并且可以將第一端子和第二端子直接耦合到發(fā)電機并用基本上等于諧振頻率的頻率來驅動。所述系統(tǒng)可以包括被耦合到發(fā)電機和負載的多個電容器。所述源諧振器和第二諧振器每個可以被封閉在低損耗角正切材料(tangent material)中。所述系統(tǒng)可以包括功率轉換電路，其中，第二諧振器被耦合到功率轉換電路以向負載遞送DC 功率。所述系統(tǒng)可以包括功率轉換電路，其中，第二諧振器被耦合到功率轉換電路以向負載遞送AC功率。所述系統(tǒng)可以包括功率轉換電路，其中，第二諧振器被耦合到功率轉換電路以向負載遞送AC和DC功率這二者。所述系統(tǒng)可以包括功率轉換電路和多個負載，其中，第二諧振器被耦合到功率轉換電路，并且功率轉換電路被耦合到所述多個負載。所述阻抗匹配網(wǎng)絡可以包括電容器。所述阻抗匹配網(wǎng)絡可以包括電感器?？v觀本公開內(nèi)容，我們可以將諸如電容器、電感器、電阻器、二極管、開關等某些電路組件稱為電路組件或元件。我們還可以將這些組件的串聯(lián)和并聯(lián)組合稱為元件、網(wǎng)絡、拓撲結構、電路等。我們可以將電容器、二極管、變抗器、晶體管和/或開關的組合描述為可調整阻抗網(wǎng)絡、調諧網(wǎng)絡、匹配網(wǎng)絡、調整元件等。我們還可以提到使電容和電感這二者遍及整個對象分布(或部分地分布，與單獨地集總相反)的“自諧振”對象。本領域的技術人員將理解的是在電路或網(wǎng)絡內(nèi)調整和控制可變組件可以調整該電路或網(wǎng)絡的性能，并且那些調整可以一般描述為調諧、調整、匹配、修正等。除調整諸如電感器和電容器或成組的電感器和電容器的可調諧組件之外，其它調諧或調整無線功率轉移系統(tǒng)的方法可以單獨使用。除非另外定義，本文所使用的所有技術和/或科學術語具有與本公開所屬領域的技術人員通常理解的意義相同的意義。在與出版物、專利申請、專利和通過引用在本文中提及或結合到本文中的其它參考文獻沖突的情況下，本說明書(包括定義)將具有支配權。在不脫離本公開的范圍的情況下，可以單獨地或組合地使用任何上述特征。通過以下詳細說明和附圖，本文公開的系統(tǒng)和方法的其它特征、目的和優(yōu)點將是顯而易見的。


圖1 (a)和(b)描繪了包含以距離D分隔開的源諧振器1和設備諧振器2的示例性無線功率系統(tǒng)。圖2示出根據(jù)本公開中描述的加標簽慣例被加標簽的示例性諧振器。請注意，在諧振器1的附近未示出無關對象或附加諧振器。圖3示出在存在“加載”對象的情況下，根據(jù)本公開中描述的加標簽慣例被加標簽的示例性諧振器。圖4示出在存在“擾動”對象的情況下，根據(jù)本公開中描述的加標簽慣例被加標簽的的示例性諧振器。圖5示出效率η對比強耦合系數(shù)C/= ^Tj; = 的繪圖。圖6(a)示出諧振器的一個示例的電路圖，(b)示出電容加載電感器環(huán)路磁諧振器的一個示例的圖示，(c)示出具有分布式電容和電感的自諧振線圈的圖，(d)示出與本公開的示例性磁諧振器相關聯(lián)的電場和磁場線的簡化圖，以及(e)示出電諧振器的一個示例的圖示。圖7示出可以用于MHz頻率下的無線功率傳輸?shù)氖纠灾C振器的作為頻率的函數(shù)的“品質因數(shù)％(實線)的圖。吸收性Q(短劃線)隨著頻率增加，而輻射性Q(點線)隨著頻率減小，因此，促使總的Q在特定頻率處達到峰值。圖8示出諧振器結構的圖，其特性尺寸、厚度和寬度均被指示。圖9(a)和(b)示出示例性感應環(huán)路元件的圖。圖10(a)和(b)示出在印刷電路板上形成并用來實現(xiàn)磁諧振器結構中的感應元件的跡線(trace)結構的兩個示例。圖11(a)示出平面磁諧振器的透視圖，(b)示出具有各種幾何結構的兩個平面磁諧振器的透視圖，以及(c)示出以距離D分隔開的兩個平面磁諧振器的透視圖。圖12是平面磁諧振器的示例的透視圖。
圖13是具有圓形諧振器(circular resonator)線圈的平面磁諧振器布置的透視圖。圖14是平面磁諧振器的有效區(qū)域(active area)的透視圖。圖15是無線功率轉移系統(tǒng)的應用的透視圖，其中處于桌子中心處的源對放置在源周圍的多個設備供電。圖16(a)示出由繞其中心處的阻塞點的電流的正方形環(huán)路驅動的銅和磁性材料結構的3D有限元模型。在本示例中，結構可以由用諸如銅的導電材料制成、被一層磁性材料覆蓋并通過一塊磁性材料連接的兩個盒子組成。本示例中的兩個導電盒子的內(nèi)部將與在盒子外面產(chǎn)生的AC電磁場屏蔽開來，并且可以容納可能降低諧振器的Q的有損耗對象或可能被AC電磁場負面地影響的敏感組件。還示出了所計算的由此結構生成的磁場流線，指示磁場線趨向于遵循磁性材料中的較低磁阻路徑。圖16(b)示出如圖(a)所示的兩個相同結構之間的如所計算的磁場流線所指示的交互作用。由于對稱性以及為了降低計算復雜性， 僅對系統(tǒng)的一半進行建模(但是，該計算假定了另一半的對稱布置)。圖17示出包括繞結構纏繞N次的導線的磁諧振器的等效電路表示，可能包含可透磁材料。使用繞包括磁性材料的結構纏繞的導電環(huán)路來實現(xiàn)電感，并且電阻器表示系統(tǒng)中的損耗機構(R^e用于環(huán)路中的電阻損耗，Ru表示被環(huán)路圍繞的結構的等效串聯(lián)電阻)?？梢詫p耗最小化以實現(xiàn)高Q諧振器。圖18示出頻率6. 78MHz的外部磁場中的由有損耗電介質材料組成的圓盤之上和之下的兩個高導電率表面的有限元法(FEM)模擬。請注意，磁場在圓盤之前是均勻的，并且導電材料被引入模擬環(huán)境。在圓柱形坐標系中執(zhí)行此模擬。圖像是繞r = 0軸方位角對稱的。有損耗電解質圓盤具有ε r = 1和σ = 10S/m。圖19示出在其附近具有被高導電率表面完全地覆蓋的有損耗對象的磁諧振器的圖。圖20示出在其附近具有被高導電率表面部分地覆蓋的有損耗對象的磁諧振器的圖。圖21示出在其附近具有被設置在高導電率表面之上的有損耗對象的磁諧振器的圖。圖22示出完全無線投影儀的圖示。圖23示出沿著包含圓形環(huán)路電感器的直徑和沿著環(huán)路電感器的軸的電場和磁場的幅值。圖M示出磁諧振器和其外殼以及被放置在(a)外殼的角落中，盡可能遠離諧振器結構或(b)在被磁諧振器中的電感元件封閉的表面的中心上的必需但有損耗的對象的圖。圖25示出具有在其上方的高導電率表面和有損耗對象的磁諧振器的圖，所述有損耗對象可以被帶到諧振器的附近，但是在高導電率片材上方。圖沈(幻示出被暴露于沿著ζ軸的最初均勻的外加磁場(灰色磁通線)的薄導電 (銅)圓柱或圓盤(直徑為20cm，高度為2cm)的軸向對稱FEM模擬。對稱軸在r = 0處。 所示的磁流線在源于ζ =-①，其中，其被以Icm的間隔間隔開r = 3cm至r = IOcm0軸刻度以米為單位。圖26(b)示出與在(a)中相同的結構和外加場，除導電圓柱已被修改為在其外表面上包括具有乂 =40的0. 25mm的磁性材料層(不可見)。請注意，磁流線偏轉遠離
9圓柱的程度明顯比在(a)中小。圖27示出基于圖沈所示的系統(tǒng)的變化的軸對稱視圖。有損耗材料僅有一個表面被銅和磁性材料的分層結構覆蓋。如圖所示，電感器環(huán)路被放置在與有損耗材料相對的銅和磁性材料結構的一側。圖28(a)描繪了包括到高Q電感元件的間接耦合的匹配電路的一般拓撲結構。圖^(b)示出了包括導體環(huán)路電感器和可調諧阻抗網(wǎng)絡的磁諧振器的方框圖。可以將到此諧振器的物理電連接進行至端子連接。圖^(c)描繪了被直接耦合到高Q電感元件的匹配電路的一般拓撲結構。圖觀(d)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并被反對稱地驅動(平衡驅動)的對稱匹配電路的一般拓撲結構。圖觀(e)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并在主諧振器的對稱點處接地(非平衡驅動)的匹配電路的一般拓撲結構。圖四⑷和四㈦描繪了被耦合(即間接地或電感地)到高Q電感元件的匹配電路變壓器的兩個拓撲結構。(c)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了在CoL2 = 1/ C2的情況下從可以被圖31(b)的拓撲結構匹配到任意實阻抗&的復數(shù)阻抗(從電感元件的L和R 產(chǎn)生)。圖30 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與Z0 串聯(lián)的電容器的匹配電路的六個拓撲結構。用輸入端子處的共模信號來驅動圖30 (a)、(b)、 (c)所示的拓撲結構，而圖30(d)、(e)、(f)所示的拓撲結構是對稱的，并接收平衡驅動。圖 30(g)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以通過這些拓撲結構匹配的復數(shù)阻抗。圖 30(h)、⑴、(j)、(k)、(1)、(m)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與Ztl串聯(lián)的電感器的匹配電路的六個拓撲結構。圖31 (a)、(b)、(c)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與、串聯(lián)的電容器的匹配電路的三個拓撲結構，其在電容器的中心點處接地并接收不平衡驅動。圖31(d)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以通過這些拓撲結構匹配的復數(shù)阻抗。圖31 (e)、(f)、 (g)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與4串聯(lián)的電感器的匹配電路的三個拓撲結構。圖32(a)、(b)、(c)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與&串聯(lián)的電容器的匹配電路的三個拓撲結構。其通過電感器環(huán)路的中心點處的分接(tapping)接地并接收不平衡驅動。(d)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以被這些拓撲結構匹配的復數(shù)阻抗，(e)、(f)、(g)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與&串聯(lián)的電感器的匹配電路的三個拓撲結構。圖33(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與 Z0并聯(lián)的電容器的匹配電路的六個拓撲結構。用輸入端子處的共模信號來驅動圖33(a)、 (b)、(c)所示的拓撲結構，而圖33(d)、(e)、(f)所示的拓撲結構是對稱的，并接收平衡驅動。圖33(g)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以被這些拓撲結構匹配的復數(shù)阻抗。 圖33(h)、(i)、(j)、(k)、(1)、(m)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與&并聯(lián)的電感器的匹配電路的六個拓撲結構。圖34(a)、(b)、(c)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與&并聯(lián)的電容器
1的匹配電路的三個拓撲結構。其在電容器的中心點處接地并接收不平衡驅動。(d)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以被這些拓撲結構匹配的復數(shù)阻抗。圖34(e)、(f)、(g)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與4并聯(lián)的電感器的匹配電路的三個拓撲結構。圖35(a)、(b)、(c)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與&并聯(lián)的電容器的匹配電路的三個拓撲結構。其通過電感器環(huán)路的中心點處的分接接地并接收不平衡驅動。 圖35(d)、(e)和(f)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以被這些拓撲結構匹配的復數(shù)阻抗。圖36 (a)、(b)、(c)、(d)描繪了被設計為在可變電容器上產(chǎn)生具有更細調諧分辨率的總可變電容和某些具有降低的電壓的固定和可變電容器的四個網(wǎng)絡拓撲結構。圖37(a)和37(b)描繪了被設計為產(chǎn)生總可變電容的固定電容器和可變電感器的兩個網(wǎng)絡拓撲結構。圖38描繪了無線功率傳輸系統(tǒng)的高級方框圖。圖39描繪了示例性被無線供電的設備的方框圖。圖40描繪了示例性無線功率轉移系統(tǒng)的源的方框圖。圖41示出了磁諧振器的等效電路圖。通過電容器符號的短斜線指示所表示的電容器可以是固定或可變的。可以將端口參數(shù)測量電路配置為測量某些電信號，并且可以測量信號的幅值和相位。圖42示出其中用電壓控制電容器來實現(xiàn)可調諧阻抗網(wǎng)絡的磁諧振器的電路圖。 可以由包括可編程或可控電壓源和/或計算機處理器的電路來調整、調諧或控制此類實施方式。可以響應于由端口參數(shù)測量電路測量并由測量分析和控制算法和硬件處理的數(shù)據(jù)來調整電壓控制電容器。電壓控制電容器可以是開關電容器組。圖43示出了端到端無線功率傳輸系統(tǒng)。在本示例中，源和設備都包含端口測量電路和處理器。標記為“耦合器/開關”的方框指示可以由定向耦合器或開關將端口測量電路連接到諧振器，使得能夠與功率轉移功能相結合地或分開地進行源和設備諧振器的測量、調整和控制。圖44示出端到端無線功率傳輸系統(tǒng)。在本示例中，僅源包含端口測量電路和處理器。在這種情況下，所述設備諧振器工作特性可以是固定的，或者可以由模擬控制電路來調整，并且不需要由處理器生成的控制信號。圖45示出端到端無線功率傳輸系統(tǒng)。在本示例中，源和設備這二者都包含端口測量電路，但是僅源包含處理器。通過可以用單獨天線或通過源驅動信號的某種調制來實現(xiàn)的無線通信信道來傳送來自設備的數(shù)據(jù)。圖46示出端到端無線功率傳輸系統(tǒng)。在本示例中，僅源包含端口測量電路和處理器。通過可以用單獨天線或通過源驅動信號的某種調制來實現(xiàn)的無線通信信道來傳送來自設備的數(shù)據(jù)。圖47示出可以使用利用處理器或計算機實現(xiàn)的算法來自動地調整其頻率和阻抗的耦合磁諧振器。圖48示出變抗器陣列。圖49示出由源無線地供電或充電的設備(膝上型計算機)，其中，源和設備諧振器在物理上與源和設備分離，但是被電連接到源和設備。
圖50(a)是被無線地供電或充電的膝上型計算機應用的圖示，其中設備諧振器在膝上型計算機外殼內(nèi)且不可見。圖50(b)是被無線地供電和充電的膝上型計算機應用的圖示，其中諧振器在膝上型計算機底座下面且通過線纜電連接到膝上型計算機功率輸入端。圖50(c)是被無線地供電或充電的膝上型計算機應用的圖示，其中諧振器被附著于膝上型計算機底座。圖50(d)是被無線地供電和充電的膝上型計算機應用的圖示，其中諧振器被附著于膝上型計算機顯示器。圖51是具有無線功率轉移的屋頂PV板的圖示。
具體實施例方式如上所述，本公開涉及具有可以從電源向功率消耗裝置無線地轉移功率的長壽命振蕩諧振模的耦合電磁諧振器。然而，本技術不限于電磁諧振器，但是具有一般性，并且可以應用于多種諧振器和諧振對象。因此，我們首先描述一般技術，然后公開用于無線能量轉移的電磁示例。諧振器可以將諧振器定義為能夠以至少兩種不同的形式儲存能量的系統(tǒng)，并且其中儲存的能量在兩種形式之間振蕩。諧振具有特定的振蕩模，其具有諧振(模態(tài))頻率f和諧振 (模態(tài))場?？梢詫⒔侵C振頻率ω定義為ω = 2Jif，可以將諧振波長λ定義為X=c/ f，其中，c是光速，并且可以將諧振周期T定義為T= Ι/f = 2π/ω。在不存在損耗機制、 耦合機制或外部能量供應或消耗機制的情況下，總諧振器儲存能量W將保持固定，并且兩種能量形式將振蕩，其中，一個在另一個是最小值時將是最大值，反之亦然。在不存在無關材料或對象的情況下，圖1所示的諧振器102中的能量可能衰減或被固有損耗所損耗。諧振器場則服從以下線性等式^- = ~i[m-iT)a{t)其中，變量a(t)是諧振場振幅，其被定義使得由|a(t) |2來給定包含在諧振器內(nèi)的能量。Γ是固有能量衰減或損耗率(例如由于吸收和輻射損耗)。表征能量衰減的諧振器的品質因數(shù)或Q因數(shù)或Q與這些能量損耗成反比?？梢詫⑵涠x為Q= *W/P，其中，P是在穩(wěn)態(tài)下?lián)p耗的時間平均功率。也就是說，具有高Q的諧振器102具有相對低的固有損耗，并且能夠相對長時間地儲存能量。由于諧振器以其固有的衰減速率2Γ損耗能量，所以由Q= ω/2Γ來給定也稱為其固有Q值的其Q。質量因數(shù)還表示振蕩周期T的數(shù)目，其使得諧振器中的能量以e的因數(shù)衰減。如上所述，我們將諧振器的品質因數(shù)或Q定義為僅僅是由于固有損耗機制引起的。諸如兌的下標指示Q所指代的諧振器(在這種情況下為諧振器1)。圖2示出根據(jù)此慣例標記的電磁諧振器102。請注意，在本圖中，在諧振器1的附近不存在無關對象或附加諧振器。根據(jù)諸如諧振器和對象或其它諧振器之間的距離、對象或其它諧振器的材料組成、第一諧振器的結構、第一諧振器中的功率等多種因數(shù)，在第一諧振器附近的無關對象和/或附加諧振器可以對第一諧振器造成擾動或加載，從而對第一諧振器的Q造成擾動或加載?？梢詫⒃谥C振器附近的非故意的外部能量損耗或到無關材料和對象的耦合機制稱為對諧振器的Q造成“擾動”，并且可以由圓括號0內(nèi)的下標來指示。可以將與經(jīng)由到無線能量轉移系統(tǒng)中的其它諧振器和發(fā)電機和負載的耦合所進行的能量轉移相關聯(lián)的預期外部能量損耗稱為對諧振器的Q進行“加載”，并且可以由方括號[]內(nèi)的下標來指示?？梢詫⒈贿B接或耦合到發(fā)電機g或負載3021的諧振器102的Q稱為“加載品質因數(shù)”或“加載Q”，并且如圖3所示，可以用Q[g]或Qm來表示。通常，不止一個發(fā)電機或負載 302可以連接到諧振器102。然而，我們未單獨地列出那些發(fā)電機或負載，而是使用“g”和 “1”來指代由發(fā)電機和負載的組合施加的等效電路加載。在一般性說明中，我們可以使用下標“ 1，，來指代被連接到諧振器的發(fā)電機或負載。在本文的某些討論中，我們將由于被連接到諧振器的發(fā)電機或負載而引起的“加載品質因數(shù)”或“加載Q”定義為SQm，其中l(wèi)/SQm E l/Qm-1/Q。請注意，發(fā)電機或負載的加載Q、即δ Qm越大，被加載Q、即Qm越少地偏離諧振器的未加載Q。在存在并非意在作為能量轉移系統(tǒng)的一部分的無關對象402ρ的情況下，諧振器的Q可以稱為“被擾動品質因數(shù)”或“被擾動Q”，并且如圖4所示可以用Q(p)來表示。通常， 可以存在被表示為pl、p2等的許多無關對象或對諧振器102的Q造成擾動的一組無關對象 {ρ}。在這種情況下，可以將被擾動Q表示為Q(pl+p2+...)或Q({p})。例如，Atei。k+W。。d)可以表示在存在磚或一塊木材的情況下，用于無線功率交換的系統(tǒng)中的第一諧振器的被擾動品質因數(shù)，并且％({。^&})可以表示在辦公室環(huán)境中的用于無線功率交換的系統(tǒng)中的第二諧振器的被擾動品質因數(shù)。在本文的某些討論中，我們將由于無關對象ρ而引起的“擾動品質因數(shù)”或“擾動 Q”定義為δ Q(p)，其中1/ δ Q(p) ε 1/Q(p)-1/Q。如上所述，擾動品質因數(shù)可以是由于多個無關對象pi、p2等或一組無關對象{ρ}引起的。對象的擾動Q、即SQ(p)越大，被擾動Q、即Q(p) 越少地偏離諧振器的未擾動Q。在本文的某些討論中，我們還定義了 θ (p) ^ Q(p)/Q并在存在無關對象的情況下， 將其稱為諧振器的“品質因數(shù)不靈敏度”或“Q不靈敏度”。諸如Θ1(ρ)的下標指示被擾動或未擾動品質因數(shù)所指的諧振器，S卩O1(P) E Q1(P)A^請注意，還可以在必要時將品質因數(shù)Q表征為“未擾動”以將其與被擾動品質因數(shù) Q(P)區(qū)別開，并在必要時將其表征為“未加載”以將其與加載品質因數(shù)Qm區(qū)別開。同樣地， 還可以在必要時將被擾動品質因數(shù)Q(p)表征為“未加載”，以將其與被加載被擾動品質因數(shù) Q(P) [1]區(qū)別開。耦合諧振器通過其近場的任何部分被耦合，具有基本上相同的諧振頻率的諧振器可以交互并交換能量。存在可以用來理解、設計、優(yōu)化并表征此能量交換的多種物理圖片和模型。描述兩個耦合諧振器并對其之間的能量交換進行建模的一種方式是使用耦合模理論(CMT)。在耦合模理論中，諧振器場服從以下線性方程組
權利要求
1.一種系統(tǒng)，包括源諧振器，其具有Q因數(shù)A和特性尺寸X1，被耦合到發(fā)電機，以及第二諧振器，其具有Q 因數(shù)A和特性尺寸&，被耦合到位于與源諧振器相距距離D處的負載，其中，源諧振器和第二諧振器被耦合以在源諧振器和第二諧振器之間無線地交換能量，并且其中> 100。
2.權利要求1的所述的系統(tǒng)，其中，Q1< 100，
3.權利要求1的所述的系統(tǒng)，其中，Q2< 100。
4.權利要求1的所述的系統(tǒng)，還包括具有Q因數(shù)( 的第三諧振器，其被配置為非輻射地與源和第二諧振器轉移能量，其中> 100且>100。
5.權利要求4的所述的系統(tǒng)，其中，Q3< 100。
6.權利要求1的所述的系統(tǒng)，其中，所述源諧振器被耦合到具有直接電連接的發(fā)電機。
7.權利要求1的所述的系統(tǒng)，還包括阻抗匹配網(wǎng)絡，其中，源諧振器被用直接電連接耦合并阻抗匹配到發(fā)電機。
8.權利要求1的所述的系統(tǒng)，還包括可調諧電路，其中，源諧振器用直接電連接通過可調諧電路耦合到發(fā)電機。
9.權利要求6、7或8的所述的系統(tǒng)，其中，直接電連接中的至少一個被配置為基本上保持源諧振器的諧振模。
10.權利要求6的所述的系統(tǒng)，其中，源諧振器具有第一端子、第二端子和中心端子，并且其中，第一端子和中心端子之間和第二端子與中心端子之間的阻抗基本上是相等的。
11.權利要求6的所述的系統(tǒng)，其中，源諧振器包括具有第一端子、第二端子和中心端子的電容加載環(huán)路，并且其中，第一端子和中心端子之間和第二端子與中心端子之間的阻抗基本上是相等的。
12.權利要求6的所述的系統(tǒng)，其中，源諧振器被耦合到阻抗匹配網(wǎng)絡且阻抗匹配網(wǎng)絡還包括第一端子、第二端子和中心端子，并且其中，第一端子與中心端子之間和第二端子與中心端子之間的阻抗是基本上相等的。
13.權利要求10、11或12的所述的系統(tǒng)，其中，第一端子和第二端子被直接耦合到發(fā)電機，并且用異相接近180度的振蕩信號來驅動。
14.權利要求10、11或12的所述的系統(tǒng)，其中，所述源諧振器具有諧振頻率ω”并且第一端子和第二端子被直接耦合到發(fā)電機，并用基本上等于諧振頻率Q1的振蕩信號來驅動。
15.權利要求10、11或12的所述的系統(tǒng)，其中，所述中心端子被連接到電接地。
16.權利要求15的所述系統(tǒng)，其中，所述源諧振器具有諧振頻率Q1且第一端子和第二端子被直接耦合到發(fā)電機，并且用基本上等于諧振頻率Q1的頻率來驅動。
17.權利要求2的所述的系統(tǒng)，包括被耦合到發(fā)電機和負載的多個電容器。
18.權利要求1的所述的系統(tǒng)，其中，源諧振器和第二諧振器均被封閉在低損耗角正切材料中。
19.權利要求1的所述的系統(tǒng)，還包括功率轉換電路，其中，第二諧振器被耦合到功率轉換電路以向負載遞送DC功率。
20.權利要求1的所述的系統(tǒng)，還包括功率轉換電路，其中，第二諧振器被耦合到功率轉換電路以向負載遞送AC功率。
21.權利要求1的所述的系統(tǒng)，還包括功率轉換電路，其中，第二諧振器被耦合到功率轉換電路以向負載遞送AC和DC功率兩者。
22.權利要求1的所述的系統(tǒng)，還包括功率轉換電路和多個負載，其中，第二諧振器被耦合到功率轉換電路，并且功率轉換電路被耦合到所述多個負載。
23.權利要求7的所述的系統(tǒng)，其中，所述阻抗匹配網(wǎng)絡包括電容器。
24.權利要求7的所述的系統(tǒng)，其中，所述阻抗匹配網(wǎng)絡包括電感器。
25.權利要求8的所述的系統(tǒng)，其中，所述可調諧電路包括可變電容器。
26.權利要求8的所述的系統(tǒng)，其中，所述可調諧電路包括可變電感器。
全文摘要
本文所述的是用于具有Q因數(shù)Q1＞100和特性尺寸x1的被耦合到能量源的源諧振器和具有Q因數(shù)Q2＞100和特性尺寸x2的被耦合到位于與源諧振器相距距離D處的能量消耗裝置的第二諧振器的改進的能力，其中，源諧振器和第二諧振器被耦合以在源諧振器與第二諧振器之間無線地交換能量。
文檔編號H03B19/00GK102239633SQ200980147815
公開日2011年11月9日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權日2008年9月27日
發(fā)明者A·B·科斯, A·J·坎佩內(nèi)拉, A·卡拉利斯, D·A·沙茨, E·R·吉勒, F·J·佩加爾, K·J·庫利科夫斯基, K·L·霍爾, M·P·克斯勒, M·索爾亞奇克, Q·李, R·菲奧雷洛 申請人:韋特里西提公司