专利名称：一种一对多点的无线共振能量传输系统的制作方法
技术领域：
本发明是有关一种无线共振能量传输系统，尤指一种一对多点的无线共振能量传输系统，且其所有在工作范围内的无线共振能量接收器皆能独立正常工作而互不干扰。
背景技术：
自尼古拉.特斯拉(Nikola Tesla)在1891年所进行的共振线圈实验以来，及在后续众多科学家共同努力下，使用电磁共振线圈以进行无线能量传输的可能性及其工作原理已经获得证实。基于电磁共振线圈可进行无线能量传输的原理，科技界也开发出了，例如，共振变压器，RF电池充电器及RFID (Radio Frequency Identification)等系统,广泛地应用于现代生活的各个层面。图I所示为一传统的单点发射，单点接收共振能量传输的系统方块示意图。如图 I所示，一发射器驱动电路102接收自一能量源101的能量以驱动发射共振电路103的线圈，以圆形的发射线圈为例，该线圈的特征尺寸(characteristic dimension)可以半径r表示，令其在空间中产生于一频率为&的周期变化磁场。其它形状的线圈的特征尺寸也可以其它参数表示。而置于离发射共振电路103距离d的接收共振电路104，其接收共振线圈被调整到具有相同的共振频率fo，以保证以最佳的耦合效率从空间中接收该周期变化磁场，扣除经过冗余能量损耗电路105的损耗后，最终转变为接收共振电路104的后续能量消耗电路106的能量源。其中，为了保证系统的适用性及更佳的耦合效率，发射及接收线圈都会设计成小尺寸，使其产生的磁场具有较强的集中方向性。并且，该发射及接收线圈具有相近的特征尺寸，以及极高的Q值。随着电磁共振线圈能量传输观念的普及，也引发了许多应用或改善设计的技术尝试。例如，应如何建立一种一对多点的共振能量传输系统，使得该系统能在特定的工作距离范围，例如，一米(Im)内能令所有共振接收器都能吸收到维持其正常工作所需的能量。然而要建立一套一对多点的共振能量传输系统，该系统是必须具有以下特征的I.其产生的磁场的面积或体积必须足够大工作范围(work range),至少能容纳系统定义要求下的最大数量的接收器。2.其产生的磁场在各向(omni-directional)或各点必须足够平均,令位于工作范围内的接收器都能吸收到维持其正常工作所需的能量。3.所有在工作范围内的接收器应能独立正常工作并且互不干扰。针对以上特征，如果把如图I所示的传统单点发射，单点接收共振能量传输作为基础，直接发展为一对多点的共振能量传输系统，一般的办法是直接增加发射能量，以产生更大的磁场，然而这样会存在至少下列几个问题。首先，根据已知原理，如图2所示，以发射线圈为中心点，与发射线圈的为垂直方向所产生的磁场密度(B)与I禹合距离(d)之间存在一反比三次方的关系(inverse cubelaw);而发射线圈的水平方向所产生的磁场密度(B)与耦合距离(d)之间存在一反比二次方的关系(inverse square law)。无论是反比三次方的关系或是反比二次方的关系,都显示了发射器产生的磁场会随耦合距离(d)的增加而急速衰减。虽然高Q值的共振发射和接收线圈可吸引更多的磁力线经过接收线圈，进而增加接收到的能量，但其接收到的能量仍然是与耦合距离(d)成反比二次方的关系。也就是说，形成耦合效率非常大程度地取决于耦合距离。换言之，也就是之间的磁场分布非常不平均。在这种系统的结构下，如果要做到系统定义的最远工作距离下接收器还能接收到系统定义的最低接收能量，所需的发射能量必然非常大。然而，当接收器位于距离(d)少于系统定义的最远工作距离时，接收器能接受到的能量就会多于供应其正常工作所需的最低接收能量。一般来说，已知的作法是将接收器及其相关后续电路都设计成在接收到系统定义的最低接收能量时，接收器的相关后续能量损耗电路应该仍能正常工作；或者，因为接收器其相关后续电路的工作性能表现不应该在不同的工作距离下有所变化，所以所接收的过多能量通常是通过限压或稳压电路将其消耗掉。就能量而言，这是极大的无谓浪费，而且系统整体的效率也很低。另一方面，极大的发射能量会大幅地增加了发射器的设计难度，增加了建置与运作的成本。 其次，根据已知原理，在发射线圈的物理中心点距离d的地点测量，与发射线圈在垂直方向所产生的磁场密度(B)，与发射线圈的特征尺寸(r)的平方成反比；然而，在发射线圈水平方向所产生的磁场密度(B)，则与其特征尺寸(r)的成正比。也就是说，越是特征尺寸(r)细小的发射线圈，垂直方向所产生的磁场密度(B)就越大，反之在水平方向所产生的磁场密度(B)就会越少，换言之，发射线圈越具有方向性。这点与系统的必要特征不符，因为如果全部接收器都需要在位置相同的方向，便必然会有先后位置，而比较接近的接收器则会吸收大部分能量并阻止于较远的接收器吸收足够的能量。第三个问题是，单点发射，单点接收系统的核心设计思想通常以高Q值的发射和接收共振电路，以期达到接收器能尽量吸收全部发射出来的能量为主要目标。然而，在一对多点的共振能量传输系统里，如果将两个高Q值的接收共振电路同时放置于系统的工作范围内时，就会出现两个接收器互相抢夺能量，导致工作非常不稳定情况。常见的情况是距离较接近的接收器会几乎接收全部发射能量，距离较远的接收器会几乎接收不到，也就是接收器间会互相干扰。如果工作范围内有更多接收器，情况就会非常复杂。而被放置于工作范围内的接收器也可能因为其它接收器的情况而不能正常工作，这点也不符合系统的必要特征。所以，这种每个接收器都用最高接收效能的设计，只适合在单点对单点的传输，并不适合在一对多点的传输系统。由此可见，一对多点的共振能量传输系统并非是传统单点对单点的无线传输系统的直接延伸或扩大而已。因此，一个稳定的一对多点的无线共振能量传输系统是设计者面临的重要议题，不仅目前业界的当务之急，也是未来开发更多应用的重要技术基础。
发明内容
基于上述已知技术的缺点，本发明的主要目的在于提供一种一对多点的无线共振能量传输系统，能够使位在该系统的工作范围(work range)内的多个无线共振能量接收器都能接收到维持该接收器与其后续相关电路正常工作所需的能量，而正常运作。本发明的另一目的在于提供一种一对多点的无线共振能量传输系统，能够在该系统的工作范围内产生各方向及各地点足够平均的磁场，使得位于该系统的工作范围内的多个无线共振能量接收器不因其所在的位置或方位而有所差异。
本发明的再一目的在于提供一种一对多点的无线共振能量传输系统，令位于该系统的工作范围内的多个无线共振能量接收器只接收其需要的能量并拒绝接收冗余能量，因此所有在工作范围内的接收器应能独立正常工作并且互不干扰。本发明的又一目的在于提供一种一对多点的无线共振能量传输系统，其工作范围所涵盖的产生磁场的面积或体积必须至少能容纳该系统定义要求下的最大数量的接收器。为达成上述目的，本发明提供一种一对多点的无线共振能量传输系统，包含一共振发射线圈、以及至少一个共振接收线圈；其中该共振发射线圈以其特征尺寸所涵盖的面积必须大于或等于该至少一个共振接收线圈的面积总合。本发明的一种一对多点的无线共振能量传输系统还可包含至少一个可调整的失调(off tune)中继线圈，而该至少一个可调整的失调中继线圈是置放于该共振发射线圈所涵盖的范围内，且该至少一个可调整的失调中继线圈的特征尺寸、共振频率及置放位置与配合该共振发射线圈的特征尺寸及共振频率而调整，使得该至少一个共振接收线圈在该共振发射线圈所涵盖的范围内能均匀的接收该共振发射线圈所传输的能量得以独立正常工作并且互不干扰。
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以下配合附图、实施例的详细说明及申请专利范围，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后，其中图I所示为一传统的单点发射，单点接收共振能量传输的系统方块示意图。图2所不为一发射线圈所产生磁场的磁场方向不意图。图3所示为本发明的一种一对多点的无线共振能量传输系统架构示意图。图4所示为说明两导线外磁场密度的迭加关系图。图5所示为说明两导线之间磁场密度的迭加关系图。图6所示为磁场密度与发射线圈距离的示意图。图7所示为一圆形发射线圈的示意图。图8为对应于图7圆形发射线圈的磁场密度示意图。图9所示为本发明的一种一对多点的无线共振能量传输系统的另一实施例示意图。图10所示为于图7圆形发射线圈中加入一中继线圈之后的磁场密度分布示意图。图11所示为于图9的中继线圈失调之后的磁场密度分布示意图。图12所示为利用一能量感测电路使得接收共振电路可控性失调的示意图。图13所示为本发明的一应用实施例示意图。
具体实施例方式图3所示为本发明的一种一对多点的无线共振能量传输系统架构示意图，该系统包含一共振发射线圈301、以及至少一个共振接收线圈302 ;其中，点303是为该共振发射线圈301的中心点，该发射线圈301是具有一共振频率，且以一特征尺寸来表示所涵盖的面积，该所涵盖的面积必须大于或等于该至少一个共振接收线圈302的面积总合，且该共振发射线圈301所涵盖的面积范围内的磁场密度具有良好平均性，使得该至少一个共振接收线圈302在该共振发射线圈301所涵盖的范围内的任何位置能均匀的接收该共振发射线圈301所传输的一所需最低工作能量，得以独立正常工作并且互不干扰。值的说明的是，本实施例中的发射线圈与接收线圈皆以圆形的发射线圈为例，其特征尺寸可以半径r表示。其它形状的线圈的特征尺寸也可以其它参数表示，以下磁场密度的说明亦适用于其它形状的线圈。本发明的特征与设计原理分别说明如下。首先，根据磁场产生的原理，阐述本发明的共振发射线圈的设计依据，以产生一对多点的无线共振能量传输系统所需的具有高度平均性的磁场密度的工作范围。根据磁场产生的原理，假设有一条无限长的导线，其内部载有电流I，则在距离该导线的距离为d处所产生的磁场密度(B)为
B = uI/2 d = K/d其中，磁场密度的单位为weber/m2,且K = uI/2 π、u = 4 π *(10)" (_7),是为空气导磁系数。图4与图5进一步说明磁场密度的迭加关系。如图4所示，假设发射线圈为两条无限长的导线LI及L2，其上的电流(I)方向相反。两条导线是设置于中心点O的两侧，与中心点O的距离为r，亦即，两导线的实际距离为2r。现假设一测量点A是位于距离O点的距离d的位置，根据磁强密度迭加定理，则Ba = Bla+B2a其中，Bla为导线LI于A点所生产的磁场密度，而B2a为导线L2于A点所生产的磁场密度。由于测量点A是位于两条导线的同一侧，而两条导线电流方向相反，根据弗莱明右手定理(Fleming right hand law),得出Bla与B2a方向相反,部分互相抵消;亦即，Ba = Bla-B2a= K/ (d-r) -K (d+r)= K (d+r-d+r) / (d-r) (d+r)= KX2r/(d2-r2) (I)假设d = nXr而且n关1(当n = I时,A点位于其中一条导线上,磁强密度被视为未定义(undefined)),贝丨JBa = KX2r/ (n2-l)r2= KX2/(n2-l)r (2)当η >> I时，(2)可简化为Ba = KX2/n2r (3)从上述方程式(3)可知道，发射线圈外的磁场密度(B)的衰减程度与距离成反比平方关系(inverse square law)。图5所示为当测量点A是位于该两导线LI及L2之间时的情况，同样地，根据磁强密度迭加定理Ba = Bla+B2a其中，Bla为导线LI于A点所生产的磁场密度，而B2a为导线L2于A点所生产的磁场密度。由于测量点A是位于两条导线之间，而两条导线电流方向相反，根据弗莱明右手定理，得出Bla与B2a方向相同，因此互相迭加。换言之，Ba = Bla+B2a= K/ (r-d) +K/ (r+d)= K (r+d+r-d) / (r-d) (r+d)= KX2r/(r2-d2)= -KX2r/(d2-r2)若只考虑大小，不考虑方向，则可将负号移除，
Ba = KX 2r/ (d2-r2)所得的结果与前述的(I)完全相同。假设d = r/n而且η古1(当η = 1时，A点位于其中一条导线上,磁强密度被视为未定义(undefined)),贝丨JBa= (KX 2r)/ ((l/n2-l)r2)= (KX2)/((l/n2-l)r) (4)当η为无限大时，可得l/η2 = O。然而，实际上当η为无限大时，A点是位于O点上，此位置得出的比应为最弱。此时，Ba = -KX2/r同样地，只考虑大小，不考虑方向时，则负号可以移除，亦即Ba = KX2/r (5)从上述方程式(5)可知道，发射线圈内的磁场密度(B)的衰减程度是与距离呈反比的关系。比较方程式(3)及(5)，可以得知发射线圈内的磁场密度因距离衰减比率远比发射线圈外要低。图6所示为磁场密度(B)与发射线圈距离的示意图，其中两个圆圈是代表发射线圈的位置，横轴为与发射线圈的距离，而纵轴是表示磁场密度。举例来说，假设当测量点A是位于发射线圈的外(如图4)，且η = 3，则Ba = KX2/8r = K/4r (6)另一方面，假设图5中把两条导线(L1、L2)中的导线L2放置于如第四图中测量点A的位置，且R = 3r，而导线LI则放在距离O点的另外一侧距离3r的位置，此时若测量于O点上的磁场密度，则Ba = KX2/3r = 2K/3r (7)从(6)和(J)比较可得出，位于发射线圈的内(如图5)的磁场密度大于位于发射线圈的外(如图4)的磁场密度。由上述的分析可以得出一结论，相较于传统办法以较小的发射线圈支持整个工作范围，若发射线圈能以一足够大的特征尺寸将整个工作范围包含在其特征尺寸内，则该整个工作范围的磁场密度将更具平均性。换言之，可以使用较小的发射能量来保持整个工作范围内的磁场密度最低点处的磁场密度维持在系统定义的最低接收能量以上，来维持接收器能接收足够的能量以正常工作状态。当然，这样设计的另一个结论就是，发射线圈以其特征尺寸所包含的面积，必须大于能置于工作范围内的接收器的面积的总和，以便能将所有的接收器涵盖在其工作范围内。上述的描述是以两条无限长的导线为例子来解释发射线圈内外的磁场密度分布情况，凡熟知此技术的人士，应该可推衍出不管是使用圆形发射线圈或者方形发射线圈，都会在各种方向得到类似的关系及方程式。另外一面，使用较大尺寸的发射线圈还有另一样优点，就是适合三维立体磁场的应用。事实上小尺寸的发射线圈在水平方向的磁场密度与距离关系成快速下降趋势，并不是小尺寸的发射线圈把能量自行损耗掉，而是于线圈的垂直方向产生更大的磁场。已知在发射线圈中心点的垂直方向上的磁场密度(B)与距离(d)的关系为
权利要求
1.一种一对多点的无线共振能量传输系统，包含一共振发射线圈、以及至少一个共振接收线圈；其中该共振发射线圈具有一共振频率，且以一特征尺寸来表示所涵盖的面积，该所涵盖的面积必须大于或等于该至少一个共振接收线圈的面积总合，且该共振发射线圈所涵盖的面积范围内的磁场密度具有良好平均性，使得该至少一个共振接收线圈在该共振发射线圈所涵盖的范围内的任何位置能均匀的接收该共振发射线圈所传输的一所需最低工作能量，得以独立正常工作并且互不干扰。
2.如权利要求I所述的一对多点的无线共振能量传输系统，其中该至少一个共振接收线圈中的每一个共振接收线圈还并联于一共振频率控制元件，且设置一能量感测电路，连接于该共振接收线圈与一后续电路之间，该能量感测电路可接收来自该后续电路传来的最低正常工作能量需求值的一信号，用以产生一回馈信号以控制该共振频率控制元件，以产生一失调性，使得该共振接收线圈降低接收无线共振能量的能力，仅接收一所需最低工作能量，得以独立正常工作并且不干扰其它共振接收线圈。
3.如权利要求2所述的一对多点的无线共振能量传输系统，其中该所需最低工作能量用以推动该后续电路维持正常工作所需的工作能量。
4.如权利要求I所述的一对多点的无线共振能量传输系统，还包含至少一个可调整的失调性中继线圈；其中该至少一个可调整的失调中继线圈置放于该共振发射线圈所涵盖的面积范围内，且该至少一个可调整的失调中继线圈的一特征尺寸、一共振频率及其置放位置与配合该共振发射线圈的特征尺寸及共振频率而调整，以更进一步改善该共振发射线圈所涵盖的面积范围内的磁场密度的平均性。
5.如权利要求4所述的一对多点的无线共振能量传输系统，其中该可调整的失调性中继线圈的共振频率在该共振发射线圈共振频率附近，略为偏移该共振发射线圈共振频率，但不与该共振发射线圈共振频率相同。
6.如权利要求4所述的一对多点的无线共振能量传输系统，其中该可调整的失调性中继线圈的中心位置与该共振发射线圈中心位置重迭，该可调整的失调性中继线圈的涵盖面积形状与该共振发射线圈涵盖面积形状相似，且该中心点至该调整的失调性中继线圈的距离为至该共振发射线圈距离的一半。
7.如权利要求4所述的一对多点的无线共振能量传输系统，其中该可调整的失调性中继线圈具有高Q值。
8.如权利要求I所述的一对多点的无线共振能量传输系统，是应用于一无线能量传输系统平面盘类游戏台。
9.如权利要求8所述的一对多点的无线共振能量传输系统，其中该无线能量传输系统平面盘类游戏台为一国际象棋组。
10.如权利要求8所述的一对多点的无线共振能量传输系统，其中该无线能量传输系统平面盘类游戏台为一拼图。
11.如权利要求8所述的一对多点的无线共振能量传输系统，其中该无线能量传输系统平面盘类游戏台为一卡片游戏平台。
12.如权利要求8所述的一对多点的无线共振能量传输系统，其中该无线能量传输系统平面盘类游戏台为一大富翁游戏。
13.如权利要求I所述的一对多点的无线共振能量传输系统，是应用于一无线能量传输系统立体盘类游戏台。
14.如权利要求13所述的一对多点的无线共振能量传输系统，该无线能量传输系统立体盘类游戏台为一迭迭乐。
15.如权利要求13所述的一对多点的无线共振能量传输系统，该无线能量传输系统立体盘类游戏台为一乐高游戏组。
16.如权利要求13所述的一对多点的无线共振能量传输系统，该无线能量传输系统立体盘类游戏台为一积木组。
全文摘要
本发明提供一种一对多点的无线共振能量传输系统，包含一共振发射线圈、以及至少一个共振接收线圈；其中该共振发射线圈以其特征尺寸所涵盖的面积必须大于或等于该至少一个共振接收线圈的面积总合。本发明的一种一对多点的无线共振能量传输系统更可包含至少一个可调整的失调(off tune)中继线圈，而该至少一个可调整的失调中继线圈是置放于该共振发射线圈所涵盖的范围内，且该至少一个可调整的失调中继线圈的特征尺寸、共振频率及置放位置与配合该共振发射线圈的特征尺寸及共振频率而调整，使得该至少一个共振接收线圈在该共振发射线圈所涵盖的范围内的任何位置能均匀的接收该共振发射线圈所传输的一所需最低工作能量，得以独立正常工作并且互不干扰。
文档编号H02J17/00GK102969800SQ201110316269
公开日2013年3月13日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年8月31日
发明者邓致超 申请人:佑华微电子股份有限公司