专利名称：用于功率传递系统的介电材料的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及功率传递系统，并且具体来说，涉及基于谐振的无接触功率传递系统。
背景技术：
在需要瞬时或持续 能量传递但是互连导线不方便的某些应用中，无接触功率传递是期望的。一种无接触功率传递方法是电磁感应方法，该电磁感应方法基于生成主导磁场的初级变压器线圈以及生成对应电压的、位于主变压器线圈附近的次级变压器线圈的原理来工作。次级变压器线圈接收的磁场作为两个线圈之间距离的平方的函数而降低，并且因此初级线圈与次级线圈之间的耦合对于大于数毫米的距离是弱的。无接触功率传递的另一个方法尝试通过谐振感应耦合来增加感应功率传递的效率。传送器和接收器元件以相同频率谐振，并在谐振频率处出现最大感应。但是，此类谐振感应对于负载和间距变化敏感。需要有效率的无接触功率传递系统，其可以利用由长于目前可接受的距离分离的线圈来操作，并且当经受未对齐或负载变化时是有效率的。而且，需要一种调整和有效率的材料，其具有高介电特性和低介电损耗因子，以及具有能够以成本效率方式制造并在要求频率范围的功率传递系统中使用的鲁棒设计。
发明内容
简言之，在一个实施例中，提供一种功率传递系统。该功率传递系统包括场聚焦兀件，场聚焦元件包括介电材料。该介电材料包括陶瓷材料和聚合物材料。该陶瓷材料包括含钛的氧化物以及该聚合物材料包括树脂。在一个实施例中，提供一种功率传递系统。该功率传递系统包括稱合到电源的第一线圈和耦合到负载的第二线圈；以及场聚焦元件，该场聚焦元件包括介电材料且设在第一线圈与第二线圈之间。该介电材料包括陶瓷材料和聚合物材料。该陶瓷材料包括含钛的氧化物以及该聚合物材料包括树脂。在另一个实施例中，提供一种功率传递系统。该功率传递系统包括耦合到电源的第一线圈和耦合到负载的第二线圈；以及包括谐振器的场聚焦元件。该谐振器包括多个层，这些层包含介电层和金属层。该谐振器以瑞士卷(swiss roll)的形式配置，其中相邻介电层由金属层分离，并且介电层包括介电材料。该介电材料包括陶瓷材料和聚合物材料。该陶瓷材料包括含钛的氧化物以及该聚合物材料包括树脂。在另一个实施例中，提出一种形成功率传递系统的方法。该方法包括形成谐振器。形成谐振器包括如下步骤部署金属层，混合陶瓷材料和聚合物材料以形成介电材料，在金属层上方沉积介电材料以形成介电层，形成金属层和介电层的瑞士卷结构，以及固化该瑞士卷结构以形成单块瑞士卷结构。
当参考附图阅读下文详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相似的符号表示相似部件，其中
图I图示根据本发明实施例的示范无接触功率传递系统；
图2图示根据本发明多种实施例的场聚焦元件的多个示范结构；
图3图示根据本发明实施例的嵌入材料的多个示范结构；以及 图4图示根据本发明实施例的瑞士卷结构的示例。·
具体实施例方式本发明的实施例包括功率传递系统和可以用于功率传递系统的介电材料。在下文说明书和所附权利要求中，除非上下文明确地另行指出，否则单数形式“一”和“所述”包括多个引用项。无接触功率传递系统通常由初级线圈与次级线圈之间的短距离功率传递来表征。例如，感应功率传递系统的一个实施例使用初级线圈和次级线圈以在电流隔离的两个电路之间传递功率。当耦合到电源时，在初级线圈周围建立磁场。从初级线圈传递到次级线圈的功率的量与链接次级线圈的主磁场的水平成比例。电变压器使用高磁导率磁芯来链接初级线圈与次级线圈之间的磁场，并由此达到大约至少98%左右的效率。但是，当此类系统配置用于无接触功率传递时，两个线圈之间的气隙会降低磁场耦合。此类降低的耦合影响无接触功率传递系统的效率。本文公开的某些实施例提供了一种鲁棒的无接触功率传递系统，其具有对负载变化降低的灵敏度，在线圈未对齐期间有效地进行功率传递，以及增强功率传递效率的场聚焦结构。图I图示根据本发明实施例的无接触功率传递系统10的示例，其包括耦合到电源14且配置成产生磁场(未示出)的第一线圈12。第二线圈16配置成从第一线圈12接收功率。正如本文所使用的，术语“第一线圈”还可以称为“初级线圈”，以及术语“第二线圈”还可以称为“次级线圈”。初级线圈和次级线圈可以由任何良好的导电材料构成，例如铜。场聚焦元件18部署在第一线圈12与第二线圈16之间以用于聚焦来自电源14的磁场。在另一个实施例中，该场聚焦元件可以用于聚焦电场和/或电磁场。术语“磁场聚焦元件”和“场聚焦元件”可互换地使用。在一个实施例中，磁场聚焦元件18配置为自谐振线圈并且在经由第一线圈激励时具有驻波电流分布。在另一个实施例中，该磁场聚焦元件包括作为有源阵列或无源阵列操作的多个谐振器，并且每个谐振器配置为具有驻波电流分布的自谐振线圈。在又一个实施例中，该磁场聚焦元件包括多组此类谐振器，每个此类谐振器组按特定相位被激励。可以意识到，当经由不同相位激励多组谐振器时，可以按期望的方向增强场聚焦。磁场聚焦元件18还配置成将磁场聚焦到第二线圈16上，从而增强第一线圈12与第二线圈16之间的耦合。在一个实施例中，通过在场聚焦元件18中构建驻波电流分布，在磁场聚焦元件18周围形成非均匀磁场分布。在图示的实施例中，作为一个示例，场聚焦元件18设为更靠近第一线圈12。在某些系统中，将场聚焦元件18设为更靠近第二线圈16可能有优势。负载20耦合到第二线圈16以利用从电源14传递的功率。在某些实施例中，无接触功率传递系统10还可以配置成同时地将功率从第二线圈传递到第一线圈，以使系统能够进行双向功率传递。潜在负载的非限制性示例包括灯泡、电池、计算机、传感器或需要电功率来操作的任何装置。无接触功率传递系统10可以用于将功率从电源14传递到负载20。在一个实施例中，电源14包括与将AC功率转换到更高频率的功率转换电子装置组合的单相AC发电机或三相AC发电机。当第一线圈12按磁场聚焦元件18的谐振频率被激励时，在磁场聚焦元件18内，场聚焦元件的两个开口端(22、24)之间形成驻波电流分布。驻波电流分布在磁场聚焦元件18周围导致非均匀的磁场分布。此类非均匀电流分布配置成在任何期望的方向中、如在本示例中在第二线圈16的方向中聚焦磁场。当在谐振频率下操作时，即使对磁场聚焦元件18的小激励也会产生沿着磁场聚焦元件的长度25的大振幅的电流分布。非均匀分布的这种大电流量值导致在第二线圈16方向中的放大且聚焦的磁场，这促成更高效率的功率传递。 图2图示根据本发明的多种实施例的场聚焦元件的结构的多个示例。在一个实施例中，该场聚焦元件包括单个回路线圈50。在另一个实施例中，该场聚焦元件包括采用如开口环结构52、螺旋形结构54、瑞士卷结构56或螺线线圈58的多个匝。对于特定应用的结构选择由场聚焦元件的尺寸和自谐振频率确定。例如，在低功率应用(例如小于I瓦特)中，高达1000 MHz左右的谐振频率是可行的。在高功率应用(例如从100瓦特左右到500千瓦左右)，数百kHz左右的谐振频率是可行的。在一个实施例中，场聚焦元件18包括自谐振线圈，该自谐振线圈在按谐振频率激励时聚焦磁场。该谐振器是任何形状的自谐振线圈，其自谐振频率取决于自电容和自电感。线圈的自谐振频率取决于线圈的几何参数。例如，在螺线谐振线圈的情况中，谐振频率设为使得螺线总长度是电磁激励的一半波长或一半波长的倍数。由此，低频率下的这些谐振器的设计是挑战性的，因为有空间约束。将谐振器的尺寸小型化的方法之一是将谐振器嵌入在高介电常数介质中。在一个实施例中，将场聚焦元件18的谐振器或谐振器阵列嵌入在具有高介电常数的材料或具有高磁导率的磁材料或具有高介电率和高磁导率的磁介电介质来以更小尺寸的谐振器实现更低的谐振频率。高磁导率材料增强谐振器的自电感以及高介电率材料增强谐振器的自电容以降低谐振频率。在另一个实施例中，高磁导率材料还配置成增加初级线圈与场聚焦元件之间以及场聚焦元件与次级线圈之间的耦合。当将谐振器嵌入在介电介质中时，匝之间的匝间电容增加，从而又帮助降低谐振器的谐振频率。在高介电常数的情况下，将谐振器的尺寸缩减到很大程度是可能的。高介电常数的另一个优点在于将电场约束在谐振器内，从而由于减少辐射损耗而提高功率传递的效率。但是，选择具有高介电常数的材料的设计准则之一是该材料在操作频率下的损耗正切。低介电损耗正切确保了最大耦合效率。如果损耗正切高，则谐振器中热形式的损耗将是闻的。通过将谐振器嵌入在高介电常数且低损耗正切的材料中实现的功率传递系统具有多种应用，包括电动车辆充电器、对旋转负载的功率传递、采矿车的无接触充电，其中功率传递电平约为几个kw。具有高介电常数和高损耗的介电材料的功率传递系统可以用于其中功率电平为几个毫瓦的应用中，如水下连接器。
具有不同形状的高介电常数材料可以用作谐振器的嵌入材料。例如，高介电常数圆形介电盘可以用作某些频率下的谐振器的嵌入材料。在此情况中，谐振频率由谐振器和嵌入材料的几何构造来确定。图3中给出可用作场聚焦元件的不同形状的非限制性示例。在一个实施例中，介电材料用作嵌入谐振器的散块材料。如本文所使用的术语“散块材料”指示具有三维结构且所有边大于约I mm的任何材料。在一个实施例中,这些介电材料用作涂层。该涂层可以是采用薄膜形式或厚膜形式。正如本文所使用的，“薄膜”具有小于100微米左右，而厚膜可以具有从一百微米左右到一毫米左 右的厚度。在一个实施例中，使用高介电常数材料作为金属谐振器表面上的薄膜或厚膜涂层以构建类似例如瑞士卷结构56的场聚焦结构。瑞士卷的不同层之间的高介电常数增加了结构的电容，并因此显著地降低频率。将谐振器材料嵌入在高介电常数材料中一般包括，谐振器与嵌入材料一起的某种处理。例如，形成致密金属和陶瓷层组合包括多个处理难题。不同金属和陶瓷的熔点、烧结点或软化点的差异可能阻碍实现期望特性的谐振器。热膨胀差异和不同的烧结行为可能在该致密结构中弓I起裂纹或缝隙。材料行为在存在其他材料的情况下可能改变。例如，如果金属谐振器材料和陶瓷介电材料要一起处理以用于形成谐振器结构，则可能需要设计处理条件以保持谐振材料的金属行为而不会过度氧化，同时处理陶瓷介电材料以对场聚焦元件结构提供所需的物理强度。一般，在高温下烧结陶瓷材料以便形成结构的物理强度。但是，在高温下烧结陶瓷材料可能增加陶瓷材料的颗粒尺寸，从而可能地降低陶瓷材料的介电特性。因此，考虑能够服从一起处理的谐振器材料和高介电常数材料是有益的。而且，期望采用低温处理方法来处理嵌入在高介电常数的介电材料中的谐振器材料。在一个实施例中，可以使用材料的组合来嵌入谐振器。例如，可以使用将具有高介电常数的两种或两种以上材料与具有高磁导率的两种或两种以上材料混合作为嵌入材料。在另一个实施例中，可以使用各具有高介电常数或高磁导率的两种或两种以上材料的混合作为嵌入材料。不过量地在陶瓷材料的介电特性上妥协的情况下混合陶瓷介电材料与聚合物，可以是对陶瓷介电材料连同金属谐振器材料赋予可低温处理能力的一种方式。相应地，由此提出一种包括介电材料的场聚焦元件，使得该介电材料包括陶瓷材料和聚合物材料。该陶瓷材料配置成在期望的频率范围下具有高介电常数和低介电损耗。在一个实施例中，该陶瓷材料包含含钛的氧化物。在又一个实施例中，该氧化物选自二氧化钛、钛酸盐、掺氟化物的二氧化钛和掺氟化物的钛酸盐。在一个实施例中，该氧化物包括由方程式
{Ba I,,.,SrkMgs ),110, ；> 表不的化合物，其中或以
及 O<δ< i ο正如本文所使用的，方程式焉LTiOl;. ,.A1Fii是包含按指定比率由此方
程式表示的混合物和化合物的理论方程式，并且不一定表示以标准表征技术识别的此形式存在单一化合物。简言之，上面方程式指定的材料实际可能存在为可统一地取为具有该方程式指定的总体组分的多个相。可以与聚合物组合且在I MHz至10 MHz范围下具有有益的介电特性且适于场聚焦元件的氧化物之一是二氧化钛(TiO2)。钛酸镁(MgTiO3)和钛酸锶(SrTiO3)是特别适于可在高达10 MHz左右的频率范围下有益地使用的场聚焦元件的两种钛酸盐。在一个实施例中，使用掺氟化物的钛酸钡锶()(其中O SxS I以及I )作为陶瓷材料的其中之一。该介电材料的聚合物部分可以包括能够与陶瓷材料混合且能够针对场聚焦元件的所需设计和形状进行处理并支持应用环境的任何聚合物。在一个实施例中，该聚合物材料是树脂，如聚四氟乙烯(PTFE)或环氧树脂。这些树脂提供用于陶瓷介电材料在低温下的良好可处理能力，并且不实质性地降低陶瓷材料的有益介电特性。介电材料的具体应用可能影响为该材料选择的特性的平衡。例如，在一些应用中，较之具有低介电损耗正切值，更期望高介电常数。在一些其他应用中，如果低介电损耗正切值对于该应用是重要的，则可以容许较低的介电常数。在无线功率传输应用中的场聚焦元 件的具体应用中，大于10的介电常数值是可接受的；一般与具有如此较低的最小介电常数的材料关联的较低的介电损耗正切值仍将提供净余的性能获益。如果聚合物添加将介电常数降低到10以下或使损耗正切比无聚合物添加情况下的陶瓷材料的损耗正切值增加大于10%,则如本文描述的向陶瓷介电材料添加聚合物被认为降低陶瓷介电材料的有益介电特性。通过在形成场聚焦元件的介电材料时将陶瓷材料与聚合树脂组合，较之没有与聚合树脂组合来处理的陶瓷材料，该陶瓷介电材料能够以小颗粒尺寸来使用。在一个实施例中，所使用的陶瓷材料采用粉末形式且具有范围从5 nm左右到50 ym左右的颗粒尺寸。在进一步的实施例中，所使用的陶瓷介电材料的颗粒尺寸在从10 nm左右到100 nm左右的范围中。在一个实施例中，场聚焦元件包括如图4所示的瑞士卷结构56形式的谐振器。该谐振器包括金属层62和介电层64。该瑞士卷结构具有多个匝66。由此将“匝”定义为一个介电层与至少一个金属层的组合绕组。在一个实施例中，将瑞士卷结构限制于2个匝66，而在多种其他实施例中，瑞士卷结构具有多于2个匝，如图4所示。在一个实施例中，该瑞士卷结构60具有高达100个匝左右。在一个实施例中，金属谐振器层(金属层)62包含铜、银、铝、铁、金、镍、钯、铟、镓、锌、铅、锡、钼或前面材料的任何组合。在特定实施例中，金属层62由选自铜、银/铝或其任何组合组成的组中的一种或多种材料组成。在说明性系统中，金属层62包含铜。在一些实施例中，金属层62还可以具有几微米级到几十微米级的银或金镀层以降低表面电阻损耗。可以使用具有陶瓷材料和聚合物材料的介电材料作为采用瑞士卷结构56的介电层64的嵌入材料。在一个实施例中，介电层64是在I KHz左右到100 MHz左右的频率范围中，介电常数至少为10左右以及介电损耗正切小于O. 01左右的高介电率陶瓷材料。该结构包括采用瑞士卷形式交替的金属层62和介电层64，其提供帮助以给定尺寸的谐振器实现较低谐振频率的高分布的电容和电感。使用高介电率材料也降低谐振频率。介电层64的厚度是利用较薄层增加的电容与降低的电击穿强度之间的折衷。相似地，金属层的厚度是电流处理能力与表面电阻损耗的函数。相应地，在一个实施例中，金属层62具有范围从O. I mm左右到10 mm左右的厚度。在特定实施例中，金属层62的厚度在从I mm左右到10 mm左右的范围中。
介电层64的厚度具体依据所要求的场聚焦瑞士卷元件的谐振频率而变化。在一个实施例中，介电层64具有范围从O. Olmm左右到10 mm左右的厚度。在特定实施例中，介电层64的厚度在从O. I mm左右到I mm左右的范围中。具体根据应用，可以采用多种尺寸来配置瑞士卷结构的谐振器。在一个实施例中，该谐振器配置成具有范围从5 mm左右到100 cm左右的瑞士卷内径60 (图4)和范围从5mm左右到300 cm左右的外径62。在一个实施例中，使用层的组合处理来形成包含介电层和金属层且具有多个匝的瑞士卷结构。作为该过程的一部 分，在初始步骤中，部署金属层62。该金属衬底可以是独立存在的金属条或膜或部署在支承牺牲层(如聚合物带，例如玻璃纸带或聚氨酯带)上的金属粉末和浆料层。在一个实施例中，形成瑞士卷结构的方法包括，将陶瓷和聚合物材料混合以形成介电材料并将该介电材料沉积在金属层62上以形成介电层64。在一个实施例中，将所得到的多层组装件进一步层压或冷等静压。可以将组合的金属层62和介电层64卷绕以形成瑞士卷结构，并且可选地将其固化以将聚合物材料固化。可以根据聚合物材料和介电材料的期望特性，在固化之后进行可选的进一步热处理。进一步热处理通常是在非氧化气氛中进行以避免金属层的氧化，从而防止金属层的金属特性改变。真空、惰性气体气氛或还原性气氛是热处理该结构所在的非氧化气氛的非限制性示例。所得到的瑞士卷结构56具有集成的单块结构，其中在处理和应用瑞士卷结构期间，瑞士卷形式的金属层和介电层物理上不可分离，并且在某些实施例中具有的密度大于理论密度的98% (体积)左右。示例
下文示例说明根据特定实施例的方法、材料和结果，并且因此不应视为对权利要求权利的限制。所有组件可从常见的化学供应商购得。材料的制备
下文概述用于获得不同示例中标识的陶瓷聚合物混合物所遵循的通用制备方法。但是，本领域技术人员将意识到，可以调整起始材料中的小变化；制备、煅烧和烧结的温度、时间和气氛；制备的粉末和散块材料的尺寸和形状变化来适应下文提出的示例。以环氧为聚合物的瑞士卷制备
最初按5:1的比率(重量)将环氧树脂添加到适合的硬化剂，并使用研钵和研杵按重量的多种浓度将所得到的混合物与陶瓷(例如，TiO2纳米颗粒)混合。将软铜条(通过700-800 °C下在惰性气体气氛中退火使之软化)拉伸，并使之贴在玻璃表面上。使用手术刀(doctor’ s blade)技术将环氧、硬化剂和陶瓷颗粒的混合物涂敷在铜条上。将复合材料涂敷的铜条绕着所要求的直径的木棒/PTFE棒卷绕，从而形成坯体。然后从棒中抽出该卷筒。在室温(RT)下放置72小时或在100 °C下放置48小时将成形的卷筒固化，以得到最终的结构。以PTFE为聚合物的瑞士卷制备
在乙醇溶液中使用球磨将PTFE粉末与陶瓷粉末彻底地混合。使用高研磨(磨料粒度60)砂纸对铜条喷砂或摩擦，以使其表面粗糙以获得陶瓷PTFE复合材料与铜较好地粘附，因为不同于环氧PTFE不容易粘贴到铜。将软铜条(通过700-800 °C下在惰性气体气氛中退火使之软化)拉伸，并使之贴在玻璃表面上。
通过将其与乙醇或蒸懼水连同2wt%或5wt%(2wt% of 5wt%)的聚乙烯醇(PVA)混合，将复合材料转变成涂胶以增加涂胶的强度。以最小量添加液相(水或乙醇)以便获得高粘度稠涂胶。然后使用手术刀技术将该涂胶涂敷在铜条上。将复合材料涂敷的聚合物条绕着所要求的直径的木棒/PTFE棒卷绕，并且以粘性带将其固定。在350 °C下将该卷筒放置在氩气中I小时。通过从外侧和内侧约束瑞士卷在瑞士卷外侧和内侧的某个压力下来实现固化。在PTFE的情况中需要施加压力，因为不同于环氧，它不会较好地贴附于铜表面，因此在加热时有可能分裂。因此，施加压力作为帮助以在固化之后获得单块瑞士卷结构。在添加PVA以形成涂胶的情况中，将卷筒在200 °C预热10小时使其耗尽，然后使之进行固化。下文以表格示出氧化物与聚合物材料的组合连同其处理条件和介电特性的一些 示例。表I提供二氧化钛与环氧树脂的组合的试验处理细节和结果。在该表中，“材料”列表示陶瓷与聚合物材料的不同组合，“条件”是用于当前试验的陶瓷与聚合物一起的处理条件。RT表示“室温”。呈示特定频率下测量的介电常数(DC)和介电损耗正切(DLT)，特定频率表示在“频率”列处。“频率范围”列呈示使陶瓷与聚合物材料的组合在场聚焦元件中使用特别有利所在的大约频率范围。表I
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1.一种功率传递系统，包括 场聚焦元件，其包括介电材料，其中所述介电材料包含 陶瓷材料，其包括含钛的氧化物；以及 聚合物材料，其包括树脂。
2.如权利要求I所述的功率传递系统，其中，所述氧化物选自二氧化钛、钛酸盐、掺氟化物的二氧化钛和掺氟化物的钛酸盐。
3.如权利要求I所述的功率传递系统，其中，所述氧化物包括SivMgjrriOi;;. ,其中 OixilU 0<y<l, ()<fx+y)sl, z.=0或 Kz￡2，以及 O i&S I °
4.如权利要求I所述的功率传递系统，其中，所述陶瓷粉末具有范围从5nm左右到50μ m左右的尺寸。
5.如权利要求I所述的功率传递系统，其中，所述树脂包括选自PTFE和环氧树脂的材料。
6.如权利要求5所述的功率传递系统，其中，所述介电材料包含MgTiO3和PTFE。
7.如权利要求5所述的功率传递系统，其中，所述介电材料包含SrTiO3和PTFE。
8.如权利要求5所述的功率传递系统，其中，所述介电材料包含TiO2和环氧树脂。
9.如权利要求5所述的功率传递系统，其中，所述介电材料包含PTFE,其中O <χ< I 以及 O <δ< I。
10.如权利要求I所述的功率传递系统，其中，所述场聚焦元件包括谐振器，所述谐振器以瑞士卷形式配置，其包括多个层，所述多个层包括介电层和金属层，其中所述介电层包含所述介电材料以及相邻的介电层由所述金属层分离。
11.如权利要求10所述的功率传递系统，其中，所述金属层的厚度在从O.I _左右到10 mm左右的范围中，以及所述介电层的厚度在从O. 01 mm左右到I mm左右的范围中。
12.—种形成功率传递系统的方法,包括 形成谐振器，其包括 部署金属层； 将陶瓷材料与聚合物材料混合以形成介电材料；将所述介电材料沉积在所述金属层上方以形成介电层； 形成金属层与介电层的瑞士卷结构；以及 将所述瑞士卷结构固化以形成单块瑞士卷结构。
全文摘要
本发明名称为“用于功率传递系统的介电材料”。提供一种功率传递系统。该功率传递系统包括场聚焦元件，场聚焦元件包括介电材料。该介电材料包括陶瓷材料和聚合物材料。该陶瓷材料包括含钛的氧化物，以及该聚合物材料包括树脂。还提出一种形成功率传递系统的方法。该方法包括形成谐振器。形成谐振器包括如下步骤部署金属层，混合陶瓷材料和聚合物材料以形成介电材料，在金属层上方沉积介电材料以形成介电层，形成金属层和介电层的瑞士卷结构，以及将瑞士卷结构固化以形成单块瑞士卷结构。
文档编号H02J17/00GK102904349SQ20121026610
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月30日 优先权日2011年7月28日
发明者K.M.克里什纳, L.马塔尼 申请人:通用电气公司