无线能量转移系统的制作方法

专利名称：无线能量转移系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及亦被称为无线功率传输的无线能量转移(transfer)。
背景技术：
可以使用多种已知辐射或远场和非辐射或近场技术来无线地转移能量或功率。例如，可以将使用低方向性天线的辐射无线信息转移(诸如在无线电和蜂窝式通信系统和家用计算机网络中使用的那些)视为无线能量转移。然而，此类辐射转移是非常低效的，因为仅获取了供应或辐射的功率的很小一部分，即沿着接收机的方向并与之重叠的那部分。大多数功率沿着所有其它方向被辐射开并损耗在自由空间中。此类低效功率转移对于数据传输而言是可接受的，但是对于为了做工目的(诸如为了向电气设备供电或充电)而转移有用量的电能而言是不实际的。改善某些能量转移方案的转移效率的一种方式是使用定向天线来约束并优选地指引辐射能量朝向接收机。然而，这些定向辐射方案在移动发射机和/ 或接收机的情况下可能要求不中断的视线和潜在地复杂的跟踪和转向机构。另外，此类方案可能对正在传送中度或大量功率时穿过或横穿射束的对象或人造成危险。常常称为感应或传统感应的已知非辐射或近场无线能量转移方案并非(故意地)辐射功率，而是使用流过初级线圈的振荡电流来产生在附近接收或次级线圈中感生电流的振荡磁近场。传统感应方案已经证明了适中到大量功率的传输，然而仅仅是在非常短的距离上，并且在主电源单元与辅助接收机单元之间具有非常小的偏移容差。电变压器和接近充电器(proximitycharger)是利用此已知近程、近场能量转移方案的设备的示例。因此，需要一种能够在中程(mid-range)距离或对准偏移内传送有用量的电功率的无线功率转移方案。此类无线功率转移方案应能够相较传统感应方案所实现的那些在更大的距离和对准偏移内实现有用能量转移，但是没有辐射传输方案所固有的限制和风险。

发明内容
本文公开了一种能够在中程距离和对准偏移内传送有用量的功率的非辐射或近场无线能量转移方案。本发明的技术使用具有长寿命的振荡谐振模的耦合电磁谐振器来从电源向功率消耗装置(power drain)转移功率。该技术是全面的，并且可以应用于大范围的谐振器，即使在本文公开的涉及电磁谐振器的特定示例的情况下。如果谐振器被设计使得由电场存储的能量被主要约束在结构内且由磁场存储的能量主要在谐振器周围的区域中。则主要由谐振磁近场来调解(mediate)能量交换。可以将这些类型的谐振器称为磁谐振器。如果谐振器被设计使得由磁场存储的能量被主要约束在结构内且由电场存储的能量主要在谐振器周围的区域中。则主要由谐振电近场来调解能量交换。可以将这些类型的谐振器称为电谐振器。还可以将两种中任一类型的谐振器称为电磁谐振器。在本文中公开了这两种类型的谐振器。我们公开的谐振器的近场的全向但固定(无损耗)性质在很宽的方向和谐振器取向的范围内实现在中程距离上的高效无线能量转移，适合于充电、供电或同时对多种电子设备供电和充电。结果，一种系统可以具有多种可能的应用，其中，被连接到电源的第一谐振器在一个位置，并且潜在地连接到电气/电子设备、电池、供电和充电电路的第二谐振器等处于第二位置，并且其中，从第一谐振器到第二谐振器的距离约为几厘米至几米。例如， 连接到有线电力网的第一谐振器可以位于房间的天花板上，而被连接到诸如机器人、交通工具、计算机、通信设备、医疗设备等设备的其它谐振器等在房间内来回移动，并且其中，这些设备恒定地或间歇地从源谐振器无线地接收功率。对于这一个示例而言，一个人可以想象许多应用，其中本文公开的系统和方法可以跨越中程的距离提供无线功率，包括消费者电子装置、工业应用、基础设施供电和照明、运输交通工具、电子游戏、军事应用等。当谐振器被调谐至基本相同的频率且系统中的损耗最小时，能够使两个电磁谐振器之间的能量交换最优化。无线能量转移系统可以被设计使得谐振器之间的“耦合时间”比谐振器的“损耗时间”短得多。因此，本文所述的系统和方法可以利用具有低固有损耗率的高品质因数(高Q)谐振器。另外，本文所述的系统和方法可以使用具有明显比谐振器的特性尺寸更长地延伸的近场的亚波长谐振器，使得交换能量的谐振器的近场在中程距离处重叠。这是之前尚未实践的操作区，并且明显不同于传统感应设计。重要的是认识到这里公开的高Q磁谐振器方案与已知近程或接近感应方案之间的差别，即那些已知方案按照惯例没有利用高Q谐振器。使用耦合模理论(CMT)(参见例如 Waves and Fields in Optoelectronics,H. A. Haus,Prentice Hall, 1984),可以显示高 Q谐振器耦合机制能够实现比传统感应方案所实现的间隔开中程距离的谐振器之间的功率递送高几个数量级的高效功率递送。耦合高Q谐振器已经证明了在中程距离上实现高效能量转移及在短程能量转移应用中改善效率和偏移容差。本文所述的系统和方法可以提供经由强耦合高Q谐振器的近场无线能量转移，一种具有安全地且在比使用传统感应技术实现的大得多的距离上转移从皮可瓦到千瓦的功率水平的潜力的技术。针对强耦合谐振器的多种一般系统，可以实现高效的能量转移，诸如强耦合声谐振器、原子能谐振器、机械谐振器等的系统，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)中描述的那样。 本文公开的是电磁谐振器和耦合电磁谐振器的系统，更具体地也称之为耦合磁谐振器和耦合电谐振器，具有IOGHz之下的工作频率。本公开内容描述了也称为无线功率传输技术的无线能量转移技术。综观本公开内容，我们可互换使用术语无线能量转移、无线功率转移、无线功率传输等。我们可以提到将来自源、AC或DC源、电池、源谐振器、电源、发电机、太阳能电池板和集热器等的能量或功率供应给设备、远程设备、多个远程设备、一个或多个设备谐振器等。我们可以描述中间谐振器，其通过允许能量跳跃、转移通过、被临时存储、被部分地耗散、或允许以任何方式来调解从源谐振器到其它设备与中间谐振器的任何组合的转移来扩展无线能量转移系统的范围， 从而可以实现能量转移网络或串或延长的路径。设备谐振器可以从源谐振器接收能量，将该能量的一部分转换成用于对设备供电和充电的电功率，并同时将接收到的能量的一部分传到其它设备或移动设备谐振器上。能量可以从源谐振器转移至多个设备谐振器，显著地延长可无线地转移能量的距离。可以使用多种系统架构和谐振器设计来实现无线功率传输系统。该系统可包括向单个设备或多个设备传送功率的单个源或多个源。可以将谐振器设计为源或设备谐振器，或者可以将其设计为重发器(r印eater)。在某些情况下，谐振器可以同时是设备和源谐振器，或者可以将其从作为源进行操作切换至作为设备或重发器进行操作。本领域的技术人员将理解的是可以由在本申请中描述的大范围的谐振器设计和功能来支持多种系统架构。在我们描述的无线能量转移系统中，可以使用无线供应的功率或能量直接对远程设备供电，或者可以将设备耦合到诸如电池、法拉电容器、超级电容器等的储能单元(或其它种类的功率消耗装置)，其中，可以无线地对储能元件充电或再充电，和/或其中，无线功率转移机制仅仅是设备的主电源的补充。可以由诸如具有集成存储电容器等的混合电池/ 储能设备来对设备供电。此外，可以将新型电池和储能设备设计为利用由无线功率传输系统实现的操作改进。其它功率管理方案包括使用无线地供应的功率来对电池再充电或对储能单元充电，同时其进行供电的设备被关断、处于空闲状态、处于睡眠模式等。可以以高(快)或低 (慢)速率对电池或储能单元充电或再充电。可以对电池或储能单元涓流充电或浮动充电。 可以并行地同时对多个设备充电或供电，或者可以使到多个设备的功率递送串行化，使得一个或多个设备在其它功率递送被切换到其它设备之后的一段时间内接收功率。多个设备可以同时地或以时间复用方式或以频率复用方式或以空间复用方式或以取向复用方式或以时间和频率和空间和取向复用的任何组合来与一个或多个其它设备共享来自一个或多个源的功率。多个设备可以相互共享功率，至少一个设备被连续地、间歇地、周期性地、偶尔地或临时地重新配置以作为无线功率源进行操作。本领域的技术人员应理解的是存在向设备供电和/或充电的多种方式，并且所述多种方式可以应用于本文所述的技术和应用。
无线能量转移具有多种可能的应用，包括例如将源(例如连接到有线电力网的一个)放置在房间的天花板上、在地板下或在墙壁中，同时将诸如机器人、交通工具、计算机、 PDA等放置在室内或其在室内自由地移动。其它应用可以包括对电引擎交通工具供电或再充电，诸如公交车和/或混合汽车和医疗设备，诸如可穿戴或可植入设备。附加示例性应用包括对独立电子装置(例如膝上型计算机、蜂窝电话、便携式音乐播放器、家务机器人、GPS 导航系统、显示器等)、传感器、工业和制造设备、医疗设备和监视器、家用器具和工具(例如灯、风扇、钻、锯、加热器、显示器、电视、柜台上器具等)、军用设备、保暖或照明衣物、通信和导航设备，包括嵌入交通工具、衣物和保护性衣物中诸如头盔、防弹服和背心的设备等供电或再充电的能力，以及向被物理隔离的设备传送功率的能力，诸如向植入的医疗设备，向隐藏、掩埋、植入或嵌入的传感器或标签，和/或从屋顶太阳能电池板向室内配电盘等。在一方面，本文公开的系统包括具有品质因数A和特性尺寸X1并被耦合到发电机的源谐振器，和具有品质因数％和特性尺寸&并被耦合到位于与源谐振器相距距离D的负载的第二谐振器，其中，所述源谐振器和第二谐振器被耦合以在源谐振器和第二谐振器之
间无线地交换能量，并且其中> 100。Q1可以小于100。Q2可以小于100。该系统可以包括被配置为用源和第二谐振器来非辐射地转移能量的具有品质因数仏的第三谐振器，其中，且^^">100。 Q3可以小于100。可以用直接电连接将源谐振器耦合到发电机。系统可以包括阻抗匹配网络，其中， 所述源谐振器通过直接电连接而耦合并阻抗匹配到发电机。所述系统可以包括可调谐电路，其中，所述源谐振器通过具有直接电连接的可调谐电路而耦合到发电机。所述可调谐电路可以包括可变电容器。所述可调谐电路可以包括可变电感器。至少一个直接电连接可以配置为基本上保持源谐振器的谐振模。源谐振器可以具有第一端子、第二端子和中心端子， 并且第一端子与中心端子之间和第二端子与中心端子之间的阻抗可以是基本上相等的。源谐振器可以包括具有第一端子、第二端子和中心端子的电容性加载环路，其中，第一端子与中心端子之间和第二端子与中心端子之间的阻抗基本上是相等的。可以将源谐振器耦合到阻抗匹配网络，并且阻抗匹配网络还可以包括第一端子、第二端子和中心端子，其中，第一端子与中心端子之间和第二端子与中心端子之间的阻抗基本上是相等的。可以将第一端子和第二端子直接耦合到发电机并用异相约180度的振荡信号来驱动。源谐振器可以具有谐振频率Q1，并且可以将第一端子和第二端子直接耦合到发电机并用基本上等于谐振频率Q1的振荡信号来驱动。可以将中心端子连接到电接地。源谐振器可以具有谐振频率ω”并且可以将第一端子和第二端子直接耦合到发电机并用基本上等于谐振频率的频率来驱动。所述系统可以包括被耦合到发电机和负载的多个电容器。所述源谐振器和第二谐振器每个可以被封闭在低损耗角正切材料(tangent material)中。所述系统可以包括功率转换电路，其中，第二谐振器被耦合到功率转换电路以向负载递送DC 功率。所述系统可以包括功率转换电路，其中，第二谐振器被耦合到功率转换电路以向负载递送AC功率。所述系统可以包括功率转换电路，其中，第二谐振器被耦合到功率转换电路以向负载递送AC和DC功率这二者。所述系统可以包括功率转换电路和多个负载，其中，第二谐振器被耦合到功率转换电路，并且功率转换电路被耦合到所述多个负载。所述阻抗匹配网络可以包括电容器。所述阻抗匹配网络可以包括电感器。纵观本公开内容，我们可以将诸如电容器、电感器、电阻器、二极管、开关等某些电路组件称为电路组件或元件。我们还可以将这些组件的串联和并联组合称为元件、网络、拓扑结构、电路等。我们可以将电容器、二极管、变抗器、晶体管和/或开关的组合描述为可调整阻抗网络、调谐网络、匹配网络、调整元件等。我们还可以提到使电容和电感这二者遍及整个对象分布(或部分地分布，与单独地集总相反)的“自谐振”对象。本领域的技术人员将理解的是在电路或网络内调整和控制可变组件可以调整该电路或网络的性能，并且那些调整可以一般描述为调谐、调整、匹配、修正等。除调整诸如电感器和电容器或成组的电感器和电容器的可调谐组件之外，其它调谐或调整无线功率转移系统的方法可以单独使用。除非另外定义，本文所使用的所有技术和/或科学术语具有与本公开所属领域的技术人员通常理解的意义相同的意义。在与出版物、专利申请、专利和通过引用在本文中提及或结合到本文中的其它参考文献冲突的情况下，本说明书(包括定义)将具有支配权。在不脱离本公开的范围的情况下，可以单独地或组合地使用任何上述特征。通过以下详细说明和附图，本文公开的系统和方法的其它特征、目的和优点将是显而易见的。


图1 (a)和(b)描绘了包含以距离D分隔开的源谐振器1和设备谐振器2的示例性无线功率系统。图2示出根据本公开中描述的加标签惯例被加标签的示例性谐振器。请注意，在谐振器1的附近未示出无关对象或附加谐振器。图3示出在存在“加载”对象的情况下，根据本公开中描述的加标签惯例被加标签的示例性谐振器。图4示出在存在“扰动”对象的情况下，根据本公开中描述的加标签惯例被加标签的的示例性谐振器。图5示出效率η对比强耦合系数C/= ^Tj; = 的绘图。图6(a)示出谐振器的一个示例的电路图，(b)示出电容加载电感器环路磁谐振器的一个示例的图示，(c)示出具有分布式电容和电感的自谐振线圈的图，(d)示出与本公开的示例性磁谐振器相关联的电场和磁场线的简化图，以及(e)示出电谐振器的一个示例的图示。图7示出可以用于MHz频率下的无线功率传输的示例性谐振器的作为频率的函数的“品质因数％(实线)的图。吸收性Q(短划线)随着频率增加，而辐射性Q(点线)随着频率减小，因此，促使总的Q在特定频率处达到峰值。图8示出谐振器结构的图，其特性尺寸、厚度和宽度均被指示。图9(a)和(b)示出示例性感应环路元件的图。图10(a)和(b)示出在印刷电路板上形成并用来实现磁谐振器结构中的感应元件的迹线(trace)结构的两个示例。图11(a)示出平面磁谐振器的透视图，(b)示出具有各种几何结构的两个平面磁谐振器的透视图，以及(c)示出以距离D分隔开的两个平面磁谐振器的透视图。图12是平面磁谐振器的示例的透视图。
图13是具有圆形谐振器(circular resonator)线圈的平面磁谐振器布置的透视图。图14是平面磁谐振器的有效区域(active area)的透视图。图15是无线功率转移系统的应用的透视图，其中处于桌子中心处的源对放置在源周围的多个设备供电。图16(a)示出由绕其中心处的阻塞点的电流的正方形环路驱动的铜和磁性材料结构的3D有限元模型。在本示例中，结构可以由用诸如铜的导电材料制成、被一层磁性材料覆盖并通过一块磁性材料连接的两个盒子组成。本示例中的两个导电盒子的内部将与在盒子外面产生的AC电磁场屏蔽开来，并且可以容纳可能降低谐振器的Q的有损耗对象或可能被AC电磁场负面地影响的敏感组件。还示出了所计算的由此结构生成的磁场流线，指示磁场线趋向于遵循磁性材料中的较低磁阻路径。图16(b)示出如图(a)所示的两个相同结构之间的如所计算的磁场流线所指示的交互作用。由于对称性以及为了降低计算复杂性， 仅对系统的一半进行建模(但是，该计算假定了另一半的对称布置)。图17示出包括绕结构缠绕N次的导线的磁谐振器的等效电路表示，可能包含可透磁材料。使用绕包括磁性材料的结构缠绕的导电环路来实现电感，并且电阻器表示系统中的损耗机构(R^e用于环路中的电阻损耗，Ru表示被环路围绕的结构的等效串联电阻)。可以将损耗最小化以实现高Q谐振器。图18示出频率6. 78MHz的外部磁场中的由有损耗电介质材料组成的圆盘之上和之下的两个高导电率表面的有限元法(FEM)模拟。请注意，磁场在圆盘之前是均勻的，并且导电材料被引入模拟环境。在圆柱形坐标系中执行此模拟。图像是绕r = 0轴方位角对称的。有损耗电解质圆盘具有ε r = 1和σ = 10S/m。图19示出在其附近具有被高导电率表面完全地覆盖的有损耗对象的磁谐振器的图。图20示出在其附近具有被高导电率表面部分地覆盖的有损耗对象的磁谐振器的图。图21示出在其附近具有被设置在高导电率表面之上的有损耗对象的磁谐振器的图。图22示出完全无线投影仪的图示。图23示出沿着包含圆形环路电感器的直径和沿着环路电感器的轴的电场和磁场的幅值。图M示出磁谐振器和其外壳以及被放置在(a)外壳的角落中，尽可能远离谐振器结构或(b)在被磁谐振器中的电感元件封闭的表面的中心上的必需但有损耗的对象的图。图25示出具有在其上方的高导电率表面和有损耗对象的磁谐振器的图，所述有损耗对象可以被带到谐振器的附近，但是在高导电率片材上方。图沈(幻示出被暴露于沿着ζ轴的最初均勻的外加磁场(灰色磁通线)的薄导电 (铜)圆柱或圆盘(直径为20cm，高度为2cm)的轴向对称FEM模拟。对称轴在r = 0处。 所示的磁流线在源于ζ =-①，其中，其被以Icm的间隔间隔开r = 3cm至r = IOcm0轴刻度以米为单位。图26(b)示出与在(a)中相同的结构和外加场，除导电圆柱已被修改为在其外表面上包括具有乂 =40的0. 25mm的磁性材料层(不可见)。请注意，磁流线偏转远离
9圆柱的程度明显比在(a)中小。图27示出基于图沈所示的系统的变化的轴对称视图。有损耗材料仅有一个表面被铜和磁性材料的分层结构覆盖。如图所示，电感器环路被放置在与有损耗材料相对的铜和磁性材料结构的一侧。图28(a)描绘了包括到高Q电感元件的间接耦合的匹配电路的一般拓扑结构。图^(b)示出了包括导体环路电感器和可调谐阻抗网络的磁谐振器的方框图。可以将到此谐振器的物理电连接进行至端子连接。图^(c)描绘了被直接耦合到高Q电感元件的匹配电路的一般拓扑结构。图观(d)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并被反对称地驱动(平衡驱动)的对称匹配电路的一般拓扑结构。图观(e)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并在主谐振器的对称点处接地(非平衡驱动)的匹配电路的一般拓扑结构。图四⑷和四㈦描绘了被耦合(即间接地或电感地)到高Q电感元件的匹配电路变压器的两个拓扑结构。(c)中的史密斯图的突出显示部分描绘了在CoL2 = 1/ C2的情况下从可以被图31(b)的拓扑结构匹配到任意实阻抗&的复数阻抗(从电感元件的L和R 产生)。图30 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并包括与Z0 串联的电容器的匹配电路的六个拓扑结构。用输入端子处的共模信号来驱动图30 (a)、(b)、 (c)所示的拓扑结构，而图30(d)、(e)、(f)所示的拓扑结构是对称的，并接收平衡驱动。图 30(g)中的史密斯图的突出显示部分描绘了可以通过这些拓扑结构匹配的复数阻抗。图 30(h)、⑴、(j)、(k)、(1)、(m)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并包括与Ztl串联的电感器的匹配电路的六个拓扑结构。图31 (a)、(b)、(c)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并包括与、串联的电容器的匹配电路的三个拓扑结构，其在电容器的中心点处接地并接收不平衡驱动。图31(d)中的史密斯图的突出显示部分描绘了可以通过这些拓扑结构匹配的复数阻抗。图31 (e)、(f)、 (g)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并包括与4串联的电感器的匹配电路的三个拓扑结构。图32(a)、(b)、(c)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并包括与&串联的电容器的匹配电路的三个拓扑结构。其通过电感器环路的中心点处的分接(tapping)接地并接收不平衡驱动。(d)中的史密斯图的突出显示部分描绘了可以被这些拓扑结构匹配的复数阻抗，(e)、(f)、(g)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并包括与&串联的电感器的匹配电路的三个拓扑结构。图33(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并包括与 Z0并联的电容器的匹配电路的六个拓扑结构。用输入端子处的共模信号来驱动图33(a)、 (b)、(c)所示的拓扑结构，而图33(d)、(e)、(f)所示的拓扑结构是对称的，并接收平衡驱动。图33(g)中的史密斯图的突出显示部分描绘了可以被这些拓扑结构匹配的复数阻抗。 图33(h)、(i)、(j)、(k)、(1)、(m)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并包括与&并联的电感器的匹配电路的六个拓扑结构。图34(a)、(b)、(c)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并包括与&并联的电容器
1的匹配电路的三个拓扑结构。其在电容器的中心点处接地并接收不平衡驱动。(d)中的史密斯图的突出显示部分描绘了可以被这些拓扑结构匹配的复数阻抗。图34(e)、(f)、(g)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并包括与4并联的电感器的匹配电路的三个拓扑结构。图35(a)、(b)、(c)描绘了被直接耦合到高Q电感元件并包括与&并联的电容器的匹配电路的三个拓扑结构。其通过电感器环路的中心点处的分接接地并接收不平衡驱动。 图35(d)、(e)和(f)中的史密斯图的突出显示部分描绘了可以被这些拓扑结构匹配的复数阻抗。图36 (a)、(b)、(c)、(d)描绘了被设计为在可变电容器上产生具有更细调谐分辨率的总可变电容和某些具有降低的电压的固定和可变电容器的四个网络拓扑结构。图37(a)和37(b)描绘了被设计为产生总可变电容的固定电容器和可变电感器的两个网络拓扑结构。图38描绘了无线功率传输系统的高级方框图。图39描绘了示例性被无线供电的设备的方框图。图40描绘了示例性无线功率转移系统的源的方框图。图41示出了磁谐振器的等效电路图。通过电容器符号的短斜线指示所表示的电容器可以是固定或可变的。可以将端口参数测量电路配置为测量某些电信号，并且可以测量信号的幅值和相位。图42示出其中用电压控制电容器来实现可调谐阻抗网络的磁谐振器的电路图。 可以由包括可编程或可控电压源和/或计算机处理器的电路来调整、调谐或控制此类实施方式。可以响应于由端口参数测量电路测量并由测量分析和控制算法和硬件处理的数据来调整电压控制电容器。电压控制电容器可以是开关电容器组。图43示出了端到端无线功率传输系统。在本示例中，源和设备都包含端口测量电路和处理器。标记为“耦合器/开关”的方框指示可以由定向耦合器或开关将端口测量电路连接到谐振器，使得能够与功率转移功能相结合地或分开地进行源和设备谐振器的测量、调整和控制。图44示出端到端无线功率传输系统。在本示例中，仅源包含端口测量电路和处理器。在这种情况下，所述设备谐振器工作特性可以是固定的，或者可以由模拟控制电路来调整，并且不需要由处理器生成的控制信号。图45示出端到端无线功率传输系统。在本示例中，源和设备这二者都包含端口测量电路，但是仅源包含处理器。通过可以用单独天线或通过源驱动信号的某种调制来实现的无线通信信道来传送来自设备的数据。图46示出端到端无线功率传输系统。在本示例中，仅源包含端口测量电路和处理器。通过可以用单独天线或通过源驱动信号的某种调制来实现的无线通信信道来传送来自设备的数据。图47示出可以使用利用处理器或计算机实现的算法来自动地调整其频率和阻抗的耦合磁谐振器。图48示出变抗器阵列。图49示出由源无线地供电或充电的设备(膝上型计算机)，其中，源和设备谐振器在物理上与源和设备分离，但是被电连接到源和设备。
图50(a)是被无线地供电或充电的膝上型计算机应用的图示，其中设备谐振器在膝上型计算机外壳内且不可见。图50(b)是被无线地供电和充电的膝上型计算机应用的图示，其中谐振器在膝上型计算机底座下面且通过线缆电连接到膝上型计算机功率输入端。图50(c)是被无线地供电或充电的膝上型计算机应用的图示，其中谐振器被附着于膝上型计算机底座。图50(d)是被无线地供电和充电的膝上型计算机应用的图示，其中谐振器被附着于膝上型计算机显示器。图51是具有无线功率转移的屋顶PV板的图示。
具体实施例方式如上所述，本公开涉及具有可以从电源向功率消耗装置无线地转移功率的长寿命振荡谐振模的耦合电磁谐振器。然而，本技术不限于电磁谐振器，但是具有一般性，并且可以应用于多种谐振器和谐振对象。因此，我们首先描述一般技术，然后公开用于无线能量转移的电磁示例。谐振器可以将谐振器定义为能够以至少两种不同的形式储存能量的系统，并且其中储存的能量在两种形式之间振荡。谐振具有特定的振荡模，其具有谐振(模态)频率f和谐振 (模态)场。可以将角谐振频率ω定义为ω = 2Jif，可以将谐振波长λ定义为X=c/ f，其中，c是光速，并且可以将谐振周期T定义为T= Ι/f = 2π/ω。在不存在损耗机制、 耦合机制或外部能量供应或消耗机制的情况下，总谐振器储存能量W将保持固定，并且两种能量形式将振荡，其中，一个在另一个是最小值时将是最大值，反之亦然。在不存在无关材料或对象的情况下，图1所示的谐振器102中的能量可能衰减或被固有损耗所损耗。谐振器场则服从以下线性等式^- = ~i[m-iT)a{t)其中，变量a(t)是谐振场振幅，其被定义使得由|a(t) |2来给定包含在谐振器内的能量。Γ是固有能量衰减或损耗率(例如由于吸收和辐射损耗)。表征能量衰减的谐振器的品质因数或Q因数或Q与这些能量损耗成反比。可以将其定义为Q= *W/P，其中，P是在稳态下损耗的时间平均功率。也就是说，具有高Q的谐振器102具有相对低的固有损耗，并且能够相对长时间地储存能量。由于谐振器以其固有的衰减速率2Γ损耗能量，所以由Q= ω/2Γ来给定也称为其固有Q值的其Q。质量因数还表示振荡周期T的数目，其使得谐振器中的能量以e的因数衰减。如上所述，我们将谐振器的品质因数或Q定义为仅仅是由于固有损耗机制引起的。诸如兑的下标指示Q所指代的谐振器(在这种情况下为谐振器1)。图2示出根据此惯例标记的电磁谐振器102。请注意，在本图中，在谐振器1的附近不存在无关对象或附加谐振器。根据诸如谐振器和对象或其它谐振器之间的距离、对象或其它谐振器的材料组成、第一谐振器的结构、第一谐振器中的功率等多种因数，在第一谐振器附近的无关对象和/或附加谐振器可以对第一谐振器造成扰动或加载，从而对第一谐振器的Q造成扰动或加载。可以将在谐振器附近的非故意的外部能量损耗或到无关材料和对象的耦合机制称为对谐振器的Q造成“扰动”，并且可以由圆括号0内的下标来指示。可以将与经由到无线能量转移系统中的其它谐振器和发电机和负载的耦合所进行的能量转移相关联的预期外部能量损耗称为对谐振器的Q进行“加载”，并且可以由方括号[]内的下标来指示。可以将被连接或耦合到发电机g或负载3021的谐振器102的Q称为“加载品质因数”或“加载Q”，并且如图3所示，可以用Q[g]或Qm来表示。通常，不止一个发电机或负载 302可以连接到谐振器102。然而，我们未单独地列出那些发电机或负载，而是使用“g”和 “1”来指代由发电机和负载的组合施加的等效电路加载。在一般性说明中，我们可以使用下标“ 1，，来指代被连接到谐振器的发电机或负载。在本文的某些讨论中，我们将由于被连接到谐振器的发电机或负载而引起的“加载品质因数”或“加载Q”定义为SQm，其中l/SQm E l/Qm-1/Q。请注意，发电机或负载的加载Q、即δ Qm越大，被加载Q、即Qm越少地偏离谐振器的未加载Q。在存在并非意在作为能量转移系统的一部分的无关对象402ρ的情况下，谐振器的Q可以称为“被扰动品质因数”或“被扰动Q”，并且如图4所示可以用Q(p)来表示。通常， 可以存在被表示为pl、p2等的许多无关对象或对谐振器102的Q造成扰动的一组无关对象 {ρ}。在这种情况下，可以将被扰动Q表示为Q(pl+p2+...)或Q({p})。例如，Atei。k+W。。d)可以表示在存在砖或一块木材的情况下，用于无线功率交换的系统中的第一谐振器的被扰动品质因数，并且％({。^&})可以表示在办公室环境中的用于无线功率交换的系统中的第二谐振器的被扰动品质因数。在本文的某些讨论中，我们将由于无关对象ρ而引起的“扰动品质因数”或“扰动 Q”定义为δ Q(p)，其中1/ δ Q(p) ε 1/Q(p)-1/Q。如上所述，扰动品质因数可以是由于多个无关对象pi、p2等或一组无关对象{ρ}引起的。对象的扰动Q、即SQ(p)越大，被扰动Q、即Q(p) 越少地偏离谐振器的未扰动Q。在本文的某些讨论中，我们还定义了 θ (p) ^ Q(p)/Q并在存在无关对象的情况下， 将其称为谐振器的“品质因数不灵敏度”或“Q不灵敏度”。诸如Θ1(ρ)的下标指示被扰动或未扰动品质因数所指的谐振器，S卩O1(P) E Q1(P)A^请注意，还可以在必要时将品质因数Q表征为“未扰动”以将其与被扰动品质因数 Q(P)区别开，并在必要时将其表征为“未加载”以将其与加载品质因数Qm区别开。同样地， 还可以在必要时将被扰动品质因数Q(p)表征为“未加载”，以将其与被加载被扰动品质因数 Q(P) [1]区别开。耦合谐振器通过其近场的任何部分被耦合，具有基本上相同的谐振频率的谐振器可以交互并交换能量。存在可以用来理解、设计、优化并表征此能量交换的多种物理图片和模型。描述两个耦合谐振器并对其之间的能量交换进行建模的一种方式是使用耦合模理论(CMT)。在耦合模理论中，谐振器场服从以下线性方程组
权利要求
1.一种系统，包括源谐振器，其具有Q因数A和特性尺寸X1，被耦合到发电机，以及第二谐振器，其具有Q 因数A和特性尺寸&，被耦合到位于与源谐振器相距距离D处的负载，其中，源谐振器和第二谐振器被耦合以在源谐振器和第二谐振器之间无线地交换能量，并且其中> 100。
2.权利要求1的所述的系统，其中，Q1< 100，
3.权利要求1的所述的系统，其中，Q2< 100。
4.权利要求1的所述的系统，还包括具有Q因数( 的第三谐振器，其被配置为非辐射地与源和第二谐振器转移能量，其中> 100且>100。
5.权利要求4的所述的系统，其中，Q3< 100。
6.权利要求1的所述的系统，其中，所述源谐振器被耦合到具有直接电连接的发电机。
7.权利要求1的所述的系统，还包括阻抗匹配网络，其中，源谐振器被用直接电连接耦合并阻抗匹配到发电机。
8.权利要求1的所述的系统，还包括可调谐电路，其中，源谐振器用直接电连接通过可调谐电路耦合到发电机。
9.权利要求6、7或8的所述的系统，其中，直接电连接中的至少一个被配置为基本上保持源谐振器的谐振模。
10.权利要求6的所述的系统，其中，源谐振器具有第一端子、第二端子和中心端子，并且其中，第一端子和中心端子之间和第二端子与中心端子之间的阻抗基本上是相等的。
11.权利要求6的所述的系统，其中，源谐振器包括具有第一端子、第二端子和中心端子的电容加载环路，并且其中，第一端子和中心端子之间和第二端子与中心端子之间的阻抗基本上是相等的。
12.权利要求6的所述的系统，其中，源谐振器被耦合到阻抗匹配网络且阻抗匹配网络还包括第一端子、第二端子和中心端子，并且其中，第一端子与中心端子之间和第二端子与中心端子之间的阻抗是基本上相等的。
13.权利要求10、11或12的所述的系统，其中，第一端子和第二端子被直接耦合到发电机，并且用异相接近180度的振荡信号来驱动。
14.权利要求10、11或12的所述的系统，其中，所述源谐振器具有谐振频率ω”并且第一端子和第二端子被直接耦合到发电机，并用基本上等于谐振频率Q1的振荡信号来驱动。
15.权利要求10、11或12的所述的系统，其中，所述中心端子被连接到电接地。
16.权利要求15的所述系统，其中，所述源谐振器具有谐振频率Q1且第一端子和第二端子被直接耦合到发电机，并且用基本上等于谐振频率Q1的频率来驱动。
17.权利要求2的所述的系统，包括被耦合到发电机和负载的多个电容器。
18.权利要求1的所述的系统，其中，源谐振器和第二谐振器均被封闭在低损耗角正切材料中。
19.权利要求1的所述的系统，还包括功率转换电路，其中，第二谐振器被耦合到功率转换电路以向负载递送DC功率。
20.权利要求1的所述的系统，还包括功率转换电路，其中，第二谐振器被耦合到功率转换电路以向负载递送AC功率。
21.权利要求1的所述的系统，还包括功率转换电路，其中，第二谐振器被耦合到功率转换电路以向负载递送AC和DC功率两者。
22.权利要求1的所述的系统，还包括功率转换电路和多个负载，其中，第二谐振器被耦合到功率转换电路，并且功率转换电路被耦合到所述多个负载。
23.权利要求7的所述的系统，其中，所述阻抗匹配网络包括电容器。
24.权利要求7的所述的系统，其中，所述阻抗匹配网络包括电感器。
25.权利要求8的所述的系统，其中，所述可调谐电路包括可变电容器。
26.权利要求8的所述的系统，其中，所述可调谐电路包括可变电感器。
全文摘要
本文所述的是用于具有Q因数Q1＞100和特性尺寸x1的被耦合到能量源的源谐振器和具有Q因数Q2＞100和特性尺寸x2的被耦合到位于与源谐振器相距距离D处的能量消耗装置的第二谐振器的改进的能力，其中，源谐振器和第二谐振器被耦合以在源谐振器与第二谐振器之间无线地交换能量。
文档编号H03B19/00GK102239633SQ200980147815
公开日2011年11月9日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年9月27日
发明者A·B·科斯, A·J·坎佩内拉, A·卡拉利斯, D·A·沙茨, E·R·吉勒, F·J·佩加尔, K·J·库利科夫斯基, K·L·霍尔, M·P·克斯勒, M·索尔亚奇克, Q·李, R·菲奥雷洛 申请人:韦特里西提公司