專利名稱：非接觸功率傳遞系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及非接觸功率傳遞，具體來說，涉及基于諧振的非接觸功率傳遞。
背景技術(shù)：
在需要瞬時(shí)或連續(xù)能量傳遞、但互連導(dǎo)線不方便的某些應(yīng)用中，非接觸功率傳遞是合乎需要的。一種非接觸功率傳遞方法是電磁感應(yīng)方法，它根據(jù)如下原理工作初級變壓器線圈生成主要磁場，而初級變壓器線圈附近的次級變壓器線圈生成對應(yīng)電壓。由次級變壓器線圈所接收的磁場作為兩個(gè)線圈之間距離的平方的函數(shù)而減小，并且因此初級與次級線圈之間的耦合對于大于數(shù)毫米的距離是弱的。非接觸功率傳遞的另一種方法嘗試通過諧振感應(yīng)耦合來提高感應(yīng)功率傳遞的效率。發(fā)射器和接收器元件以相同頻率諧振，最大感應(yīng)在諧振頻率發(fā)生。但是，這種諧振感應(yīng)對負(fù)載和間隙變化敏感。需要一種有效的非接觸功率傳遞系統(tǒng)，它可與分隔比當(dāng)前可接受距離更長的距離的線圈配合操作，并且在經(jīng)受未對準(zhǔn)或負(fù)載變化時(shí)是有效的。

發(fā)明內(nèi)容
簡言之，提出一種非接觸功率傳遞系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括耦合到電源并且配置成產(chǎn)生磁場的第一線圈。第二線圈配置成經(jīng)由磁場從第一線圈接收功率。場聚焦元件設(shè)置在第一線圈與第二線圈之間，并且配置為具有駐波電流分布的自諧振線圈。場聚焦元件還配置成將磁場聚焦到第二線圈上，并且增強(qiáng)第一線圈與第二線圈之間的耦合。在另一個(gè)實(shí)施例中，提出一種場聚焦元件。場聚焦元件包括多個(gè)諧振器，它們配置成在激勵(lì)時(shí)聚焦磁場并且形成駐波電流分布。多個(gè)諧振器之中的一組諧振器以與其它諧振器不同的相位來激勵(lì)。磁聚焦元件還包括至少兩個(gè)獨(dú)特的諧振頻率。


通過參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述，會更好地理解本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，附圖中，相似的符號在附圖中通篇表示相似的部件，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示范非接觸功率傳遞系統(tǒng)；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示范場聚焦元件；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的場聚焦元件的多個(gè)示范結(jié)構(gòu)；圖4示出其中多個(gè)諧振器設(shè)置在陣列中并且實(shí)現(xiàn)為場聚焦元件的一個(gè)實(shí)施例；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例圍繞場聚焦元件的磁場分布；圖6是作為初級線圈與次級線圈之間的距離的函數(shù)的磁場分布圖(profile)的模擬；圖7示出作為初級與次級線圈之間的距離的函數(shù)的效率分布圖的模擬；
圖8示出作為初級線圈與次級線圈之間未對準(zhǔn)的函數(shù)的效率分布圖的模擬；圖9示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中非接觸功率傳遞系統(tǒng)包括電容元件；圖10示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中場聚焦元件將單個(gè)初級線圈耦合到多個(gè)次級線圈；圖11示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中線圈和/或場聚焦元件中的至少一個(gè)沿對稱軸旋轉(zhuǎn)；以及圖12示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的諧振器的無源陣列。
具體實(shí)施例方式非接觸功率傳遞系統(tǒng)通常特征在于初級與次級線圈之間的短距離功率傳遞。例如，感應(yīng)功率傳遞系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例使用初級線圈和次級線圈在電流隔離的兩個(gè)電路之間傳遞功率。當(dāng)耦合到電源時(shí)，在初級線圈周圍建立磁場。從初級線圈傳遞到次級線圈的功率的量與鏈接次級線圈的主磁場的量成比例。變壓器使用高磁導(dǎo)率磁芯來鏈接初級與次級線圈之間的磁場，并且因而取得至少大約98%這種程度的效率。但是，當(dāng)這類系統(tǒng)配置用于非接觸功率傳遞時(shí)，兩個(gè)線圈之間的氣隙降低磁場耦合。這種降低的耦合影響非接觸功率傳遞系統(tǒng)的效率。本文所公開的某些實(shí)施例提供具有對負(fù)載變化的降低的敏感度、線圈未對準(zhǔn)期間的有效功率傳遞的健壯非接觸功率傳遞系統(tǒng)，和/或增強(qiáng)功率傳遞效率的場聚焦結(jié)構(gòu)。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示范非接觸功率傳遞系統(tǒng)10，其中包括耦合到電源14并且配置成產(chǎn)生磁場(未示出)的第一線圈12。第二線圈16配置成從第一線圈 12接收功率。本文所使用的術(shù)語“第一線圈”也可稱作“初級線圈”，以及術(shù)語“第二線圈”也可稱作“次級線圈”。場聚焦元件18設(shè)置在第一線圈12與第二線圈16之間，用于聚焦來自電源14的磁場。在另一個(gè)實(shí)施例中，場聚焦元件可用于聚焦電場和/或電磁場。術(shù)語“磁場聚焦元件”和“場聚焦元件”可互換使用。在一個(gè)實(shí)施例中，磁場聚焦元件18配置為自諧振線圈，并且在經(jīng)由第一線圈激勵(lì)時(shí)具有駐波電流分布。在另一個(gè)實(shí)施例中，磁場聚焦元件 18配置為亞波長諧振器。在又一個(gè)實(shí)施例中，磁場聚焦元件包括作為有源陣列或無源陣列來工作的多個(gè)諧振器，并且各諧振器配置為具有駐波電流分布的自諧振線圈。在又一個(gè)實(shí)施例中，磁場聚焦元件包括多組這類諧振器，每個(gè)這種諧振器組以特定相位來激勵(lì)。可以理解，當(dāng)經(jīng)由不同相位來激勵(lì)諧振器組時(shí)，在預(yù)期方向可增強(qiáng)場聚焦。磁場聚焦元件18還配置成將磁場聚焦到第二線圈16上，從而增強(qiáng)第一線圈12與第二線圈16之間的耦合。在所示實(shí)施例中，作為一個(gè)示例，場聚焦元件18放置成更靠近第一線圈12。在某些系統(tǒng)中，將場聚焦元件18放置成更靠近第二線圈16可能是有利的。負(fù)載20耦合到第二線圈16，以便利用從電源14傳遞的功率。在某些實(shí)施例中，非接觸功率傳遞系統(tǒng)10還可配置成同時(shí)把來自第二線圈的功率傳遞到第一線圈，使得系統(tǒng)能夠進(jìn)行雙向功率傳遞?？赡艿呢?fù)載的非限制性示例包括電燈泡、電池、計(jì)算機(jī)、傳感器或者需要電力來工作的任何裝置。非接觸功率傳遞系統(tǒng)10可用于把來自電源14的功率傳遞給負(fù)載20。在一個(gè)實(shí)施例中，電源14包括單相AC發(fā)電機(jī)或三相AC發(fā)電機(jī)或者與功率轉(zhuǎn)換電子器件結(jié)合以便將功率轉(zhuǎn)換成更高頻率的DC發(fā)電機(jī)。在以磁場聚焦元件18的諧振頻率激勵(lì)第一線圈12時(shí)，在
4磁場聚焦元件18內(nèi)在場聚焦元件的兩個(gè)開口端(22，24)之間形成駐波電流分布。駐波電流分布導(dǎo)致磁場聚焦元件18周圍的不均勻磁場分布。這種不均勻電流分布配置成沿任何預(yù)期方向、例如在這個(gè)示例中沿第二線圈16的方向聚焦磁場。當(dāng)工作在諧振頻率時(shí)，甚至對磁場聚焦元件18的小激勵(lì)也產(chǎn)生沿磁場聚焦元件的長度25的電流分布的大幅度。不均勻分布的大電流幅值引起沿第二線圈16的方向的放大和聚焦的磁場，這產(chǎn)生功率傳遞的更高效率。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示范場聚焦元件。在可實(shí)現(xiàn)為圖1的磁場聚焦元件18的各種結(jié)構(gòu)之中，一種這樣的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在所示實(shí)施例中，參考標(biāo)號30是本文中稱作“歐米茄結(jié)構(gòu)”的場聚焦結(jié)構(gòu)，并且工作在數(shù)兆赫茲的范圍之內(nèi)。這類工作頻率要求高電容和電感?！皻W米茄結(jié)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)高電容和電感，并且還在諧振頻率附近實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率。負(fù)磁導(dǎo)率幫助主要場響應(yīng)，并且在控制磁場方面是有效率的。這類結(jié)構(gòu)的諧振頻率能夠通過改變?nèi)?shù)(32，34，36)、圈之間的間隙(38)和盤旋的寬度00)來控制。通過與盤旋結(jié)構(gòu)相比增加的周長，“歐米茄結(jié)構(gòu)”要求減小的結(jié)構(gòu)尺寸以工作在較低諧振頻率。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的場聚焦元件的多個(gè)示范結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，場聚焦元件包括單環(huán)線圈50。在另一個(gè)實(shí)施例中，場聚焦元件包括例如分割環(huán)結(jié)構(gòu)52、 盤旋結(jié)構(gòu)M、瑞士卷(Swiss-roll)結(jié)構(gòu)56或螺旋線圈58中的多圈。針對具體應(yīng)用的結(jié)構(gòu)的選擇通過場聚焦元件的大小和自諧振頻率來確定。例如，在低功率應(yīng)用(例如，小于大約 1瓦特)中，高達(dá)大約1000MHz的諧振頻率是可行的。在高功率應(yīng)用(例如，從大約一百瓦特到大約500千瓦)中，大約數(shù)百kHz的諧振頻率是可行的。在某些應(yīng)用中，通過對人們暴露于高頻電場和磁場的限制來推動頻率的選擇并且因此推動場聚焦元件的設(shè)計(jì)。瑞士卷線圈56可用于提供一種緊湊諧振器，它可配置成工作在從大約IOOkHz直到大約IOOMHz的頻率。瑞士卷實(shí)施例可用于提供擴(kuò)展的磁場聚焦強(qiáng)度，并且?guī)椭鷮?shí)現(xiàn)增加的電容和電感，并且因此由于線圈的空間結(jié)構(gòu)的尺寸減小而幫助實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)。單瑞士卷諧振器預(yù)計(jì)能夠聚焦多達(dá)數(shù)英寸距離的磁場。螺旋結(jié)構(gòu)是采取螺旋形式卷繞的導(dǎo)線。螺旋結(jié)構(gòu)58在用作磁場聚焦元件時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高Q因數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，采用高電導(dǎo)率材料涂敷螺旋結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)體表面幫助使磁場聚焦元件在高頻的集膚效應(yīng)為最小，并且因此實(shí)現(xiàn)更高Q因數(shù)。螺旋諧振器與偶極子和環(huán)的陣列相似。螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于通過優(yōu)化圈的節(jié)距和數(shù)量沿軸向聚焦磁場。圖4示出其中多個(gè)諧振器設(shè)置在陣列中并且實(shí)現(xiàn)為場聚焦元件的一個(gè)實(shí)施例。諧振器陣列構(gòu)成多個(gè)諧振器線圈，它們排列成采用特定相位關(guān)系來激勵(lì)的特定陣列布置，諸如線性或平面陣列。單獨(dú)諧振器(66-77)或亞波長諧振器配置成沿預(yù)期方向聚焦磁場。 在這種布置中，來自陣列中的諧振器的場沿預(yù)期方向相長干涉(增加)以實(shí)現(xiàn)磁場聚焦，而在其余空間相消干涉(相互抵消)。在另一個(gè)實(shí)施例中，諧振器排列在線性、圓形、平面或三維陣列中的至少一個(gè)中。在所示實(shí)施例中，單獨(dú)諧振器70-74排列成行，并且四個(gè)這種行 66-69從上至下排列。作為陣列64的一部分的單獨(dú)諧振器共同配置用于至少一個(gè)或多個(gè)諧振頻率。在一個(gè)具體實(shí)施例中，陣列的所有單獨(dú)諧振器是相同的。在另一個(gè)實(shí)施例中，在不同相位激勵(lì)幾個(gè)單獨(dú)諧振器、例如諧振器70-74，使得沿預(yù)期方向?qū)崿F(xiàn)場聚焦。例如70、75-79的另一組諧振器可具有特定相位配置。在這些實(shí)施例的任一個(gè)中，陣列64的總場通過來自單獨(dú)諧振器的場的向量相加來確定。當(dāng)諧振器組中的單獨(dú)諧振器的參數(shù)改變時(shí)，這類改變可經(jīng)過選擇，以便對陣列的總場模式進(jìn)行整形。提供改變的不同方式包括例如幾何配置(線性、圓形、矩形、球形等等)、諧振器之間的相對位移 (76，78)、單獨(dú)諧振器的激勵(lì)幅度、單獨(dú)諧振器的激勵(lì)相位以及單獨(dú)諧振器的相對模式。在又一個(gè)實(shí)施例中，一組諧振器、例如66配置用于一個(gè)特定諧振頻率，而另一組諧振器67配置用于另一個(gè)諧振頻率。在這種配置中，功率可通過第一組諧振器66來傳遞， 而數(shù)據(jù)在第二組諧振器67上傳遞。備選地，雙向功率可使用陣列64來傳遞。例如，功率在一個(gè)方向經(jīng)由諧振器組66來傳遞，而同時(shí)，在相反方向的功率經(jīng)由組67來傳遞?？稍陉嚵械膯为?dú)諧振器上實(shí)現(xiàn)各種激勵(lì)方案。一種這樣的示例包括激勵(lì)陣列中所有的單獨(dú)諧振器以形成有源陣列。在各諧振器上的激勵(lì)的幅度和相位可經(jīng)過控制，以便改變相應(yīng)磁束的方向以實(shí)現(xiàn)有源波束導(dǎo)向。在另一個(gè)實(shí)施例中，可激勵(lì)單個(gè)諧振器，而將其它諧振器電磁耦合到被激勵(lì)的諧振器，從而形成無源陣列。這類無源陣列生成拉長的磁場聚焦束，它有效地實(shí)現(xiàn)多達(dá)數(shù)米距離的功率傳遞。在另一個(gè)實(shí)施例中，陣列包括形成無源結(jié)構(gòu)的亞波長尺寸的單獨(dú)諧振器。沒有專門激勵(lì)任何一個(gè)諧振器。但是，當(dāng)它們放置在磁場附近時(shí)，陣列將聚焦磁場。這類無源結(jié)構(gòu)的空間部署設(shè)計(jì)成產(chǎn)生有效負(fù)磁導(dǎo)率。如果需要的話，諧振器或者諧振器的陣列能夠被嵌入具有高介電常數(shù)(電容率) 的材料或者具有高磁導(dǎo)率的磁性材料或者具有高電容率和高磁導(dǎo)率的磁介電介質(zhì)中，以便以較小尺寸的諧振器來實(shí)現(xiàn)更低諧振頻率。高磁導(dǎo)率材料增強(qiáng)諧振器的自感，并且高磁導(dǎo)率材料增強(qiáng)諧振器的自電容，以便減小諧振的頻率。在另一個(gè)實(shí)施例中，高磁導(dǎo)率材料也配置成增加初級線圈、場聚焦元件和次級線圈之間的耦合。例如但不限于鈦酸鍶鋇之類的材料是呈現(xiàn)高介電常數(shù)的材料的一個(gè)示例。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例圍繞場聚焦元件的磁場分布。由標(biāo)號80所表示的各種繪制圖包括示出磁場聚焦元件內(nèi)的電流分布的列82、示出對應(yīng)二維磁場繪制圖的列 84以及示出對應(yīng)三維磁場繪制圖的列86。本文所示的繪制圖在包括作為具有變化電流分布的場聚焦元件的示范單環(huán)(圈)諧振器的模擬期間得到。例如，工作在非自諧振頻率的場聚焦元件內(nèi)的均勻電流分布88會產(chǎn)生均勻磁場分布90(92中的對應(yīng)三維圖示)，并且不會引起任何場聚焦。但是，在對如參考標(biāo)號94所示的駐波電流分布的一個(gè)全周期激勵(lì)場聚焦元件時(shí)，磁場分布的至少兩個(gè)弧形(Iob)當(dāng)工作在自諧振頻率時(shí)產(chǎn)生，如參考標(biāo)號96所示。 在對應(yīng)三維圖表98中更清楚地看到，沿軸向99實(shí)現(xiàn)場聚焦。在另一個(gè)實(shí)施例中，在對如參考標(biāo)號100所示的駐波電流分布的多個(gè)周期、例如兩個(gè)周期激勵(lì)場聚焦元件時(shí)，產(chǎn)生如參考標(biāo)號102所示的磁場分布。當(dāng)工作在自諧振頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)磁場的多個(gè)弧形、如106-108，如參考標(biāo)號104所示。取決于非接觸功率傳遞要求，可實(shí)現(xiàn)特定方案。例如，具有一個(gè)初級線圈將功率傳遞給一個(gè)次級線圈的非接觸功率傳遞系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)磁場聚焦元件內(nèi)的駐波電流分布的一個(gè)全周期。具有一個(gè)初級線圈將功率傳遞給兩個(gè)或更多次級線圈的非接觸功率傳遞系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)磁場聚焦元件內(nèi)的駐波電流分布的多個(gè)周期。改變場聚焦元件中的電流分布(88，94，100)改變磁場分布(92，98，104)。因此，磁場聚焦元件的線圈內(nèi)的電流分布決定磁場分布。如前面所述，影響磁場分布的其它因素包括線圈的幾何形狀和陣列中的諧振器的特殊布置。
圖6是作為初級線圈與次級線圈之間距離的函數(shù)的磁場分布圖的模擬。在所示實(shí)施例中，圖表110在橫坐標(biāo)112上表示在線圈之間所測量的單位為毫米的距離，以及在縱坐標(biāo)114上表示歸一化磁場強(qiáng)度。分布圖116示出實(shí)現(xiàn)例如圖1所述的磁場聚焦元件的非接觸功率傳遞系統(tǒng)中的磁場強(qiáng)度的變化。分布圖118表示沒有實(shí)現(xiàn)磁場聚焦元件的典型感應(yīng)非接觸功率傳遞系統(tǒng)中的磁場強(qiáng)度的變化。在線圈之間大約17mm的距離的磁場強(qiáng)度在實(shí)現(xiàn)磁場聚焦元件的系統(tǒng)中大約為0. 7個(gè)單位，而在典型感應(yīng)非接觸功率傳遞系統(tǒng)中僅為大約0. 1個(gè)單位。對于線圈之間的相同距離，磁場聚焦元件將磁場強(qiáng)度增強(qiáng)了至少大約15% 至大約30%。這種增強(qiáng)的場強(qiáng)提高了整體功率傳遞的效率，并且使系統(tǒng)能夠?qū)Τ跫壟c次級線圈之間的未對準(zhǔn)更健壯。圖7示出作為初級與次級線圈之間距離的函數(shù)的效率分布圖的模擬。在所示實(shí)施例中，圖表122在橫坐標(biāo)IM上表示在線圈之間所測量的單位為毫米的距離，以及在縱坐標(biāo) 126上表示效率。分布圖1 示出實(shí)現(xiàn)例如圖1所述的磁場聚焦元件的非接觸功率傳遞系統(tǒng)中的效率的變化。分布圖130表示沒有實(shí)現(xiàn)磁場聚焦元件的典型感應(yīng)非接觸功率傳遞系統(tǒng)中的效率的變化。在線圈之間大約32mm的距離的非接觸功率傳遞系統(tǒng)的效率在實(shí)現(xiàn)磁場聚焦元件的系統(tǒng)中大約為95%。但是，在線圈之間大約32mm的相同距離，功率傳遞的效率在典型感應(yīng)非接觸傳遞系統(tǒng)中大約為55%。對于線圈之間的相同距離，磁場聚焦元件將效率增強(qiáng)了至少大約40%至大約50%。圖8示出作為初級線圈與次級線圈之間未對準(zhǔn)的函數(shù)的效率分布圖的模擬。在所示實(shí)施例中，圖表132在橫坐標(biāo)134上表示以毫米為單位所測量的線圈之間的未對準(zhǔn)，以及在縱坐標(biāo)136上表示效率。分布圖138示出實(shí)現(xiàn)例如圖1所述的磁場聚焦元件的非接觸功率傳遞系統(tǒng)中的效率的變化。分布圖140表示沒有實(shí)現(xiàn)磁場聚焦元件的典型感應(yīng)非接觸功率傳遞系統(tǒng)中的效率的變化。對于線圈之間大約14mm的未對準(zhǔn)的非接觸功率傳遞系統(tǒng)的效率在實(shí)現(xiàn)磁場聚焦元件的系統(tǒng)中大約為95%。但是，對于線圈之間大約14mm的相同未對準(zhǔn)，典型非接觸感應(yīng)功率傳遞的效率大約為72%。從所示分布圖顯而易見，磁場聚焦元件增強(qiáng)了未對準(zhǔn)期間的效率。圖9示出包括電容元件的非接觸功率傳遞系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。非接觸功率傳遞系統(tǒng)144包括耦合到第一線圈和第二線圈中每個(gè)的至少一個(gè)電容元件。電容元件146、148形成具有第一線圈12和第二線圈16的調(diào)諧諧振電路，它引起第一線圈、第二線圈和磁場聚焦元件18以相同諧振頻率諧振。圖10示出其中場聚焦元件將單個(gè)初級線圈耦合到多個(gè)次級線圈的一個(gè)實(shí)施例。 例如，場聚焦元件156在經(jīng)過多周期電流分布(如圖5中的標(biāo)號100所示)時(shí)呈現(xiàn)磁場分布的多個(gè)弧形(153，155，157，159)。在所示實(shí)施例中，非接觸功率傳遞系統(tǒng)152包括場聚焦元件156，它配置成耦合一個(gè)第一線圈IM和至少兩個(gè)或更多第二線圈158-162。第二線圈158-162分別耦合到各種負(fù)載。這種配置使來自一個(gè)電源的功率能夠同時(shí)傳遞到多個(gè)負(fù)載。圖11示出其中線圈和/或場聚焦元件中的至少一個(gè)沿對稱軸旋轉(zhuǎn)的一個(gè)實(shí)施例。 非接觸功率傳遞系統(tǒng)166包括旋轉(zhuǎn)軸168，第一線圈170、第二線圈172和場聚焦元件174 中的至少一個(gè)或全部配置成沿旋轉(zhuǎn)軸168旋轉(zhuǎn)。在所示實(shí)施例中，第一線圈170是固定的， 而第二線圈172和場聚焦元件174安裝在轉(zhuǎn)軸176上。在一個(gè)實(shí)施例中，在工作期間，旋轉(zhuǎn)的磁場聚焦元件174配置成沿耦合固定的第一線圈170和旋轉(zhuǎn)的第二線圈172的旋轉(zhuǎn)軸來聚焦場。圖12示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的諧振器的無源陣列。諧振器180的陣列包括多個(gè)單獨(dú)諧振器182-190，使得各諧振器配置成具有不同駐波電流分布，例如半周期、一個(gè)全周期或多個(gè)周期。在一個(gè)示范實(shí)施例中，諧振器182配置成在諧振頻率具有多周期電流分布，以便產(chǎn)生磁場分布的四個(gè)弧形，如先前在圖10中所述。相應(yīng)地，四個(gè)諧振器184-190 放置在諧振器182周圍，使得各諧振器184-190磁耦合到中心諧振器182。諧振器184-190 還配置成在相同諧振頻率具有單周期電流分布，使得這四個(gè)場的向量和是沿軸向192聚焦的增強(qiáng)磁場。有利地，本文在某些實(shí)施例中公開的非接觸功率傳遞系統(tǒng)配置成包括場聚焦元件，并且對負(fù)載的變化不太敏感，因?yàn)檫@種系統(tǒng)的諧振頻率由場聚焦元件的結(jié)構(gòu)來確定，而與初級和次級線圈中的電路和負(fù)載參數(shù)無關(guān)。基于典型諧振感應(yīng)耦合的非接觸功率傳遞系統(tǒng)的效率對負(fù)載的變化敏感。隨著負(fù)載在這類感應(yīng)系統(tǒng)中改變，次級電路的諧振頻率被改變，并且引起阻抗失配，從而引起降低的功率傳遞能力和效率。如本文所述，場聚焦元件可用于增強(qiáng)非接觸功率傳遞系統(tǒng)的磁場聚焦和效率。此外，如前面所述的單個(gè)諧振器或者諧振器的陣列可包括多個(gè)諧振頻率，以便實(shí)現(xiàn)在諧振頻率中的所有頻率或任一頻率的功率和 /或數(shù)據(jù)的傳遞。例如，一個(gè)頻率可用于把來自初級線圈的功率傳遞給次級線圈以便激勵(lì)連接到次級線圈的設(shè)備，而另一個(gè)頻率可用于在初級線圈與次級線圈之間傳送數(shù)據(jù)信號。功率和數(shù)據(jù)傳輸能夠同時(shí)通過初級線圈、場聚焦元件和次級線圈來實(shí)現(xiàn)。雖然本文僅說明和描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會想到許多修改和變更。因此要理解，所附權(quán)利要求意在涵蓋落入本發(fā)明的真實(shí)精神之內(nèi)的所有這類
修改和變更。
元件列表
10非接觸功率傳遞系統(tǒng)
12第一線圈
14電源
16第二線圈
18磁場聚焦元件/場聚
20負(fù)載
22開口端
24開口端
25長度
30場聚焦結(jié)構(gòu)
32圈
34圈
36圈
38圈之間的間隙
40盤旋的寬度
50單環(huán)線圈
52分割環(huán)結(jié)構(gòu)54盤旋結(jié)構(gòu)56瑞士卷結(jié)構(gòu)58螺旋線圈64諧振器的陣列/場聚焦元件66-69諧振器組70-74單獨(dú)諧振器76諧振器之間的位移78諧振器之間的位移75-79單獨(dú)諧振器8082列84列86列88均勻電流分布90磁場分布92磁場分布94駐波電流分布的ー個(gè)全周期96磁場分布97垂直中心軸98磁場分布99軸向100駐波電流分布的多周期102磁場分布104磁場分布106-109 多個(gè)弧形110圖表112以毫米為單位所測量的距離114磁場強(qiáng)度116分布圖118分布圖122圖表124以毫米為單位所測量的距離126效率128分布圖130分布圖132圖表134以毫米為單位所測量的線圈之間的未對準(zhǔn)136效率
138分布圖
140分布圖
144非接觸功率傳遞系統(tǒng)
146電容元件
148電容元件
152非接觸功率傳遞系統(tǒng)
154第一線圈
156磁場聚焦元件
158-162第二線圈
166非接觸功率傳遞系統(tǒng)
168旋轉(zhuǎn)軸
170第一線圈
172第二線圈
174場聚焦元件
176轉(zhuǎn)軸
180諧振器的陣列
182-190諧振器
192軸向。
權(quán)利要求
1.一種非接觸功率傳遞系統(tǒng)，包括第一線圈，所述第一線圈耦合到電源并且配置成產(chǎn)生磁場； 第二線圈，所述第二線圈配置成經(jīng)由所述磁場從所述第一線圈接收功率；以及場聚焦元件，所述場聚焦元件設(shè)置在所述第一線圈與所述第二線圈之間，并且配置為具有駐波電流分布的自諧振線圈，以便將所述磁場聚焦到所述第二線圈上，并且增強(qiáng)所述第一線圈與所述第二線圈之間的耦合。
2.如權(quán)利要求1所述的非接觸功率傳遞系統(tǒng)，其中，所述場聚焦元件包括多個(gè)諧振器。
3.如權(quán)利要求2所述的非接觸功率傳遞系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)諧振器包括兩個(gè)或更多諧振頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的非接觸功率傳遞系統(tǒng)，其中，兩個(gè)或更多諧振頻率配置成同時(shí)傳遞功率和數(shù)據(jù)信號。
5.如權(quán)利要求1所述的非接觸功率傳遞系統(tǒng)，其中，所述第一線圈、所述第二線圈或者所述場聚焦元件中的至少一個(gè)配置成沿旋轉(zhuǎn)軸彼此相對旋轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求1所述的非接觸功率傳遞系統(tǒng)，其中，所述場聚焦元件還配置成聚焦電場、磁場或電磁場中的至少一個(gè)。
7.一種場聚焦元件，包括多個(gè)諧振器，所述多個(gè)諧振器配置成在激勵(lì)時(shí)聚焦磁場并且形成駐波電流分布，其中， 所述多個(gè)諧振器之中的一組諧振器以與其它諧振器不同的相位來激勵(lì)，并且其中，磁聚焦元件包括至少兩個(gè)或更多獨(dú)特的諧振頻率。
8.如權(quán)利要求7所述的場聚焦元件，其中，所述諧振器包括單圈線圈、多圈線圈或螺旋線圈中的至少一個(gè)。
9.如權(quán)利要求8所述的場聚焦元件，其中，所述諧振器包括盤旋結(jié)構(gòu)、分割環(huán)結(jié)構(gòu)或瑞士卷結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)。
10.如權(quán)利要求7所述的場聚焦元件，其中，所述諧振器內(nèi)的電流分布對磁場分布進(jìn)行整形。
全文摘要
本發(fā)明的發(fā)明名稱是“非接觸功率傳遞系統(tǒng)和方法”。提出一種非接觸功率傳遞系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括第一線圈，第一線圈耦合到電源并且配置成產(chǎn)生磁場。第二線圈配置成經(jīng)由磁場從第一線圈接收功率。場聚焦元件設(shè)置在第一線圈與第二線圈之間，并且配置為具有駐波電流分布的自諧振線圈。場聚焦元件還配置成將磁場聚焦到第二線圈上，并且增強(qiáng)第一線圈與第二線圈之間的耦合。
文檔編號H02J17/00GK102201704SQ201110082129
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者A·K·博霍里, J·W·布雷, S·M·N·布哈特, S·拉馬錢德拉帕尼克 申請人:通用電氣公司