用于通过近场内电偶极子之间的远程纵向耦合来传输、分配和管理电能的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于通过近场内电偶极子之间的远程纵向耦合来传输、分配和管理电能的方法和设备
[0001]本申请为国际申请号为PCT/FR2008/051501，国家申请号为200880103151.2、国际申请日为2008年8月14日、发明名称为“用于通过近场内电偶极子之间的远程纵向耦合来传输、分配和管理电能的方法和设备”的专利申请的分案申请。
【背景技术】
[0002]引言
[0003]电磁波是众所周知的电磁场的表现形式。在近场环境中(也就是在材料主体附近)，存在与纯电场或纯磁场有关的不同性质的各种现象。这些基本场不伴有波辐射并且能够持久地围绕在置于真空内的主体周围而不会发生明显的能量损失。这些场通常与所谓的静电或静磁状态有关，而且存在多种应用，其中这些场被用于通过准接触以动态方式传输能量。对于磁场，可能会涉及到多种旋转式工业机械用于将电能转化为机械能或相反。对于电场，应用比较少，但是值得关注地有电荷驱动设备例如静电喷涂工艺或卫星的离子推进单元，并且最重要的是存在于我们日常生活环境中的所有电路板内的电容器。发明人的主要工作是将静电设备的场应用扩大、发展并提升为更加通用的电偶极子的动态场，电偶极子振动得足够慢以使得虽然不会明显地辐射波但是彼此之间仍然动态耦合。
[0004]概述
[0005]长期以来，常规应用中非常短的距离和特别低的频率(数量级为几厘米和几十Hz的)使得能够用通用的术语“准静态”来描述这样的状态。如今近场被越来越多地用在数量级为米的距离和MHz范围内的频率上，因此再提到准静态状态就变得比较复杂。可能可以称为无辐射的动态状态，但是在下文中，我们还是建议继续使用过去用过的基于专有名词的术语“电磁感应”和“感应”(而不是使用术语“静电感应”，该术语在动态状态下可能会造成歧义)。
[0006]电磁感应系统和感应系统的特征在于以下事实:发挥作用的绝大部分能量仍然局部地存储在这些设备附近并且不会传播。
[0007]尽管这样的设备至少在个体粒子的水平上必须是机电的或磁力的(也就是说，它们将电磁学定律与机械定律相结合而发挥作用)，但是该特征在宏观水平上可能会局部地不明显，允许当前在近场状态和电磁波的近场状态之间普遍存在混淆。由此，在电磁感应变压器的环境中，当纵向设置的两个线圈之间的距离变得显而易见时，众多技术人员就确信波在两个远程的偶极子之间传播。相对比较容易地可以证明除了波长经常大于系统总尺寸的事实之外，表示电磁能流量的坡印亭矢量(Poynting vector)在两个偶极子的轴线上为零。这一无法否认的事实在解释时会引发重大问题，就此导致了对于用来描述在紧邻区域内的这种相互作用的标准模型的质疑。
[0008]尽管通过电磁感应利用耦合的磁偶极子实现短距离上的能量传输已经有很长的时间，但是直到最近本发明人才提出了利用两个电偶极子之间的近场纵向耦合的设备。这样的设备能够在感应方面被视为电磁感应变压器的等效设备。
[0009]作为一个实践因素，为了这样的电磁感应设备或者感应设备是无辐射的，它们的总尺寸与所使用的信号的波长相比通常必须是比较小的。为了降低辐射，较大的系统也可以被设想为使用多个反相区域。
[0010]由此，在IMHz下基于两个线圈操作的设备即可被认为是电磁感应设备，只要线圈之间的距离明显地小于150m即可。
[0011]应该注意的是目前在很多设备被描述为辐射设备而它们其实是感应设备时存在有很大的混淆。特别是绝大多数当前的射频识别(RFID)设备都是电磁感应设备。
[0012]本发明的框架
[0013]本发明常用范围方面的更多细节在由相同发明人提交的专利FR2875649，FR2875939，FR2876495 和 PCT/FR2006/000614 中进行了介绍。
[0014]更具体地，本发明适用于通过两个振动的电偶极子之间的整体感应或局部感应传输电能，每个电偶极子都包括一对电极，其中一个电极是有源电极而另一个是无源电极，两个有源电极被设置为彼此相对。无源电极的尺寸大于有源电极的尺寸，和/或无源电极被设置为间隔一定距离，以使有源电极附近区域内的电场比无源电极处的电场要强得多。在发生器侧，电极对由连接在两个电极之间的高压、高频发生器供电。在负载侧，负载被连接在两个电极之间。
[0015]为了防止电磁波的有效辐射，尽管发生器的频率相对较高，但是有源电极的尺寸与所述的波长相比是比较小的。通常，电极可以被选择为其尺寸是所用波长的十分之一(以使辐射功率是近场功率的1/1000)。但是，在可以容许较大的波辐射度的某些应用中使用较大的电极(例如λ/8或者甚至是λ/4)也是可行的(这时可以想到将长度为λ/2的电极用作天线)。此外，在涉及对避免波辐射的需求有所增加的应用中，可以证明使用小于λ/10的电极才是合乎需要的。
[0016]在此情况下，能量传输由于发生器侧的有源电极的电势改变而产生，这种电势改变通过整体感应或局部感应引发负载侧有源电极处对应的电势改变。“局部”感应在由发生器侧的有源电极产生的电场线中只有一部分终止于负载侧的有源电极时发生。
[0017]尽管可以使用术语“电容性耦合”来描述有源电极的相互作用，但是这种耦合要比在完全为感应电容器的情况下获得的耦合常见得多。在本发明中，根据有源和无源电极的具体结构(以及这些不同电极之间的距离)，将会有多种互相作用。带电导体之间的这么多种互相作用使用电容系数矩阵进行数学描述，并且通常不能简化为常规电路理论范围内的表达。但是，可以通过使用新的概念例如绝缘导体的固有电容以及开路的固有电容而给出其比抽象的矩阵更具表现力的表达。主要的困难来自于以下事实:在这样的电路中，尽管电荷是守恒的，但是物理电流却不再守恒。它在导体/绝缘材料转换处被称为Maxwell位移电流的位移电流所代替，其准确性质和建模都很难进行处理。但是，在实践中隔离其中实现了物理电流守恒的支路，即可获得流道型的表达以及正常应用电路理论的支路，后者通过源型/漏型方式终止在每一侧，当它们对应于绝缘导体时可以被简单地表示。
[0018]请读者原谅我们无法在本文中说出更多的内容，因为对应的理论仍然在研宄当中。我们在本文中的目标是让读者为电路做好准备，否则他将发现生疏或错误之处。
[0019]因此，根据发明人的理解，由普通电路和常规的完全为感应电容器完整表示的任何较早的设备专利都不能被认为是关于本发明真正相关的现有技术，本发明处于局部感应的领域内并且在常规电路理论的框架之外。
[0020]要解决的技术问题
[0021]近场设备的主要优点(在某些应用中这是决定性的)是它们能够在一定的距离内以很好的效率传输能量，缺点在于它们的范围相对有限。实际上，我们已经说过这些设备被势能围绕，因为(考虑到所使用的大波长)不可能形成沿一个特定方向的能量聚集，因此结果是能量分布在所有方向上，随距离而非常快速地下降。在每一个周期内，可以传输至远程负载(其通常仅覆盖一小部分存在能量的空间)的能量部分通常都是非常小的。
[0022]为了让这样的设备可以提供良好的效率，必须要使得被存储但是未在每一个周期内被用掉的能量能够进行有效地再循环。用电子工程师的语言来说，这就意味着这种系统必须有通常远远大于有效功率的无功功率。实际上，在四极耦合的常规情况下，由发生器形成的场强会随距离而非常快速地下降，局部存储的能量(其与场强的平方成正比)由此随距离而极其快速地下降。在每一个周期内，如果负载变远或者与发生器的场强存在的空间相比只占据了非常小的体积，那么为了给远程负载传输指定量的能量，就必须在每一个周期内将比由负载实际消耗的能量多得多的能量存储在该空间中。如果负载移动离开的距离甚至数倍于发生器的尺寸，那么用于传输相同有功功率的无功功率很快就会变得难以控制或者会在生成无功功率的元件内造成相当大的损耗。根据L/D(其中L是偶极子之间的距离而D是发生器的等效直径)测量的这种系统的相对范围在实践中被限制为几个单位，这取决于期望达到的效率以及电路“品质”和所用技术。
[0023]这种设备遇到的第二个困难是所用频率很高，并且在想要建立大型设备时，这会造成由有源电极的自由表面发出的电磁辐射。
[0024]本发明的比较优势
[0025]本发明提出了一种与在振动的电偶极子之间的纵向耦合结构内的能量的无线传输相关的简单装置，其将强场区域限制在负载的紧邻区域内，由此降低由强无功功率和附加的波辐射造成的损耗。
[0026]为了克服大的无功功率水平的问题(这对于电磁感应系统特别关键，对于这种系统，无功功率的增加会快速地转化为大电流和大的焦耳损失)，在专利US6803744B1中提出将激活表面(也就是产生强场的表面)分为根据负载的位置或需求而随意激活的多个小线圈覆盖的区域。
[0027]本发明介绍了一种局部(或整体)感应的环境中的方法和设备，其使用至少在发生器侧被分为多个子电极的有源电极和子电极的选择性开关，以激活与负载侧的电极(或子电极)有效相互作用的那些子电极。
[0028]在具有被分段的激活表面的电磁感应系统以及具有被分段的一个或多个有源电极和选择性开关的局部感应系统之间有几处明显的不同。具有被分段的一个或多个有源电极的局部感应系统提供了很多优点:
[0029]-强电场的形成不再是与有效强度相关的必要条件并且所需的昂贵的导电金属的数量要少得多。
[0030]-激活表面仅使用非常少量的导电材料即可以低成本覆盖。
[0031]-可以更好地控制强场所在的区域形状，并且可选地简单使用弱导电的导线或材料即可替换该区域形状。
[0032]-尽管间隔一定距离的磁场传输和开关要困难得多，但是场发生器仍然可以远离