用于无线能量传输的方法
【专利摘要】本发明涉及用于无线能量传输的方法和用于无线能量传输的设备。该无线能量传输的设备包括第一谐振器结构，用于在大于第二谐振器结构的特征尺寸的距离上与第二谐振器结构以非辐射方式传输能量。所述非辐射能量传输是通过耦合所述第一谐振器结构的谐振场渐逝尾部和所述第二谐振器结构的谐振场渐逝尾部来实现的。
【专利说明】用于无线能量传输的方法
[0001]本申请是申请日为2007年6月11日、发明名称为“无线能量传输”的专利申请200780053126.3的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本临时申请涉及到2007年3月27日提交的美国专利申请60/908383、2006年7月7日提交的美国专利申请11/481077以及2005年7月12日提交的美国临时专利申请60/698442。在此通过引用将2006年7月7日提交的美国专利申请11/481077和2005年7月12日提交的美国临时专利申请60/698442中的每一个的全文并入本文。
【背景技术】
[0004]本申请涉及无线能量传输。可以在例如向独立电气或电子装置供电的应用中使用无线能量传输。
[0005]全向天线的辐射模式(用于信息传输效果很好)不适于这种能量传输，这是因为绝大多数能量都浪费到自由空间中了。即使对于长距离(传输距离LTEANS?LDEV，其中ldev是装置和/或源的特征尺寸)来说，也可以将使用激光或高定向性天线的定向辐射模式有效地用于能量传输，但对于移动物体而言，该定向辐射模式要求视线无遮挡和复杂的跟踪系统。一些传输方案依赖于感应，但一般都限于非常近范围(Lteans〈〈Ldev)或小功率(~mV)的能量传输。
[0006]近年来独立电子 装置的迅速发展(例如膝上型电脑、手机、家用机器人，它们一般都依赖于化学能量存储)已经导致了越来越需要无线能量传输。
【发明内容】
[0007]本发明人已经认识到，可以将渐逝场模式限于局部区域的具有耦合谐振模式的谐振物体用于无线非辐射能量传输。尽管与其它非谐振的周围物体交互很微弱，但谐振物体往往会与周围物体耦合。通常，利用下述技术，随着耦合增强，传输效率也增大。在一些实施例中，利用以下技术，能量传输率(速率)可以大于能量损耗率(速率)。因此，可以在谐振物体之间实现高效的无线能量交换，同时仅有适度的能量会传输和耗散到其他非谐振物体中。近场的几乎全向但稳定(无损耗)的性质使这种机制适于移动无线接收机。因此，各实施例具有很多可能的应用，例如包括将源(例如连接到有线电网的源)放置于工厂房间的顶棚上，而装置(机器人、车辆、计算机等)在房间内自由漫游。其它应用包括用于电动公共汽车和/或混合动力车和植入性医疗装置的电源。
[0008]在一些实施例中，谐振模式是所谓的磁谐振，对于磁谐振而言，谐振物体周围的大部分能量存储于磁场中，即在谐振物体外部仅有非常小的电场。由于大部分日常材料(包括动物、植物和人)都是非磁性的，因此它们与磁场的交互最小。这对于安全性以及减少与无关的周围物体交互而言都是重要的。
[0009]在一个方面中，公开了一种用于无线能量传输的设备，其包括第一谐振器结构，用于在大于第二谐振器结构的特征尺寸L2的距离D上与第二谐振器结构以非辐射方式传输能量。所述非辐射能量传输是通过耦合所述第一谐振器结构的谐振场渐逝尾部(evanescent tail)和所述第二谐振器结构的谐振场渐逝尾部来实现的(mediated)。在一些实施例中，D还大于如下各项中的一个或多个:第一谐振器结构的特征尺寸U、第一谐振器结构的特征宽度以及第一谐振器结构的特征厚度。该设备可以包括以下特征中的任何特征，该任何特征指的是以下特征中的单个特征或以下特征中的特征的组合。
[0010]在一些实施例中，所述第一谐振器结构被配置成向所述第二谐振器结构传输能量。在一些实施例中，所述第一谐振器结构被配置成从所述第二谐振器结构接收能量。在一些实施例中，所述设备包括所述第二谐振器结构。
[0011]在一些实施例中，所述第一谐振器结构具有谐振频率因数Qi和谐振宽度gamma\，所述第二谐振器结构具有谐振频率《2、q因数％和谐振宽度r2，并且非辐射传输具有速率Κ。在一些实施例中，所述频率0^和(02大约位于所述谐振宽度1\和gamma2中的较窄者之中。
[0012]在一些实施例中，;01>200且％>200;01>500且％>500 4)1000 且Q2>1000。在一些实施例中，Q!>200 或 Q2>200 #>500 或 Q2>500 #>1000 或 Q2>1000。
[0013]在一些实施例中，f禹合损耗比(couplingto loss ratio)
【权利要求】
1.一种用于无线能量传输的方法，所述方法包括:在距离D上在第一谐振器结构与第二谐振器结构之间以非辐射方式传输能量，所述第一谐振器结构具有谐振频率为和谐振宽度为的第一模式，所述第二谐振器结构具有谐振频率为ω2和谐振宽度为gamma2的第二模式，并且所述距离D至少大于所述第二谐振器结构的特征尺寸L2，所述第二谐振器结构的所述特征尺寸L2等于能够包围整个所述第二谐振器结构的最小球体的半径，其中非辐射能量传输是通过耦合所述第一谐振器结构的谐振场渐逝尾部和所述第二谐振器结构的谐振场渐逝尾部来实现的，并且将参数rwOTk/r调节为匹配其最佳值，其中rwOTk是工作提取率，而gamma是净损耗速率，其中所述谐振宽度是由相应谐振器结构的固有损耗造成的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一谐振器结构具有Q因数Qi= ω1/(2gamma1),所述第二谐振器结构具有Q因数Q2= ω 2/ (2 gamma 2)，非辐射能量传输具有速率κ，并且QAlOCmQAlOO。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述能量传输的辐射损耗iiMd比大约10%小，且耦合损耗比
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述能量传输的辐射损耗η-比大约1%小，且耦合损耗比
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，还包括反馈机构，其中所述反馈机构包括具有固定频率的振荡器，并且所述反馈机构用于将一个或多个所述谐振器结构的谐振频率调节到大约等于所述固定频率。
6.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，还包括:监测所述能量传输的效率，以及调节一个或多个所述谐振器结构的谐振频率以使所述效率最大化。
7.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，还包括:监测一个或多个所述谐振器结构的频率。
8.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，还包括:提供所述谐振器结构之间的信息交换，以及基于所述信息交换来维持所述谐振频率。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括:监测所述谐振器结构中的作为源物体的谐振器结构的频率，以及向所述谐振器结构中的作为装置物体的另一个谐振器结构发送所监测到的频率。
10.根据权利要求2所述的方法，其中所述谐振器结构被设计为具有QA200且Q2>200。
【文档编号】H02J17/00GK103633745SQ201310098809
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2007年6月11日 优先权日:2007年3月27日
【发明者】A·卡拉里斯, A·B·库尔斯, R·莫法特, J·D·琼诺普洛斯, P·H·费希尔, M·索亚契奇 申请人:麻省理工学院