无针式电源耦合的制作方法

专利名称：无针式电源耦合的制作方法
技术领域：
本发明的目的是提供一种无针式电源耦合系统，更具体地，本发明涉及穿过基本 平坦表面的有效感应电能传输。
背景技术：
利用插头和插座通常容易电连接。电源插座是固定连接器，该固定连接器相对于 它们被嵌入其中的表面固定。电源插头是可移动连接器，其适合与电源插座电耦合。插 头-插座耦合能使硬连接到插头的可移动器件被选择性连接到电源插座和在需要时被断开和移除。在这样的电耦合中，通常利用针和插座组合将插头和插座机械耦合在一起和导 电连接。该针和插座耦合提供使插头与插座有效对准以及防止两者在使用时断开的方法， 并且针，一般是铜或黄铜，与插座内衬的导电元件形成电接触。在传送电能的地方，例如在 主电源插座中，有电死损伤的危险，通常在插头上提供针以便可将带电线安全屏蔽在电源 插头的插座内。然而，由于带电线未被完全绝缘，所以存在有关主插座伤害的危险，尤其是 对试图将小手指或其它物体插进带电插座的孩子有危险。因此通常提供例如使用插座防护 装置等的另外的保护。而且，插座如果未被维修，则将聚集灰尘，这会妨碍电连接或甚至阻塞插座，使得 插入针更难。为此，电源插座一般安装在墙壁上且向上没有角度。该结构还降低了由于液 体溢出而短路或电死的危险。用于提供绝缘电连接的感应式电源连接器是已知的。例如，Baily等人的美国专 利No. 7，210，940描述了用于传递电能给换能器或从换能器传递电能并测量电路的感应耦 合。Baily的系统由具有单层螺线管缠绕在铁磁杆上的公连接器和具有第二单层螺线管的 母连接器构成。通过将公连接器插入母连接器中，两个螺线管对准，在其之间能够实现感应 能量传递。该耦合提供了密封式信号连接，而没有露出的接触面的缺点。在Baily的系统中母连接器还指的是插座、公连接器指的是针。尽管没有露出的 接触面，但这种电源插座不能位于必须是平坦的例如桌面、计算器等的表面上。由于这样的 表面一般是正好合适的、其电连接是最便利的，因此这会导致难看和不便、额外的昂贵电力 连接电缆。已提出了其它的电力传输系统，允许电力接收电子器件放置在延伸基座单元上面 覆盖大面积的任何位置。这些提供了移动的自由，而不需要Baily中固有的尾线。在Hui 的美国专利No. 7，164，255中描述了一个这样的实例。在Hui的系统中设计平面状感应电 池充电系统以能够实现电子器件再充电。该系统包括具有充电表面的平面状充电模块，在 该充电表面上放置了要被充电的器件。在该充电模块内，且平行于充电表面，是至少一个， 并且优选初级绕组阵列将能量感应地耦合到形成在要充电的器件中的次级绕组。Hui的系 统还提供了次级模块，其使得该系统与常规电子器件一起使用而不提供次级绕组。这样的系统适合于给电池充电，因为它们一般提供了比较低的能量感应耦合。然 而将意识到，延伸的基座单元通常不适合于提供许多电子器件的高能量需求，例如Hui的充电表面允许能量在该单元的整个面积上接近均勻地转移。Sabo 的、标题为“Alignment independent and self aligning inductivepower transfer system”的美国专利No. 6，803，744，描述了用于给无线器具充电的感应能量传递 器件。还解决了无针对准次级感应线圈与初级感应线圈的问题。Sabo的器件包括布置成阵 列且经由开关连接至电源的多个感应器，上述开关选择性可操作以触发各个感应器。感应 器用作变压器的初级线圈。变压器的次级线圈布置在器具内。当该器具接近能量传递器件 与各个线圈对准布置时，电能被从该器件经由变压器感应传递到该器具。然而，需要保留成本效率和有效的无针式电源耦合机构，本发明解决这种需要。

发明内容
本发明的目的在于提供一种无针式电源耦合装置，包括至少一个无针式电源插座，该插座包括在绝缘层后面屏蔽的初级线圈以用于感应耦合到包括次级线圈的无针式电 源插头，其中绝缘层基本上是平坦的，且无针式电源插头和电源插座可由对准装置对准。一般保持所述电源插头和所述电源插座之间的对准，同时所述电源插头绕中心轴 旋转360度。任选地，该对准选自视觉、听觉和触觉装置。任选地，该绝缘层是半透明的，允许直接视觉对准。可选地，给绝缘层做视觉标记以指示允许直接视觉对准的电源插座的位置。任选地，该对准装置包括配置以在对准插头与电源插座时指示的照明指示器 (illuminated indicator)。一般，该照明指示器选自包括LED、LED刻度尺和IXD屏的组。优选配置视觉指示器以提供接近全对准的分级指示。任选地，该对准装置包括配置以在插头对准电源插座时指示的听觉指示器。一般，该听觉指示器选自包括至少一个蜂鸣器、至少一个铃、至少一个扬声器、至 少一个铃锤及其任意组合的组。任选地，该听觉指示器被配置以提供接近对准的分级指示。优选该对准装置是触觉指示器，包括至少一个磁桩(magnetic snag)，配置以与由 无针式电源插头载送的至少一个磁锚(magnetic anchor)耦合。在优选实施例中，该磁桩具有环形结构以便环形磁锚与所述的磁桩以任意角度啮
I=I O一般，该磁桩选自包括至少一个永磁体、至少一个电磁体和至少一个铁磁元件的 组。任选地，该磁锚选自包括至少一个永磁体、至少一个电磁体和至少一个铁磁元件的组。 优选，选择该磁桩和磁锚的极性使得电源插头仅与相应的电源插座对准。可选地，该对准装置是触觉指示器，选自包括至少一个吸管、至少一个钩环结构、 至少一个脊沟结构和其组合的组。本发明的另一目的在于提供包括无针式电源插座阵列的能量面(powersurface)。一般，该能量面是水平工作面。可选地，该能量面是垂直壁。再次可选地，该能量 面是天花板。本发明的另一目的在于提供一种无针式电源插头，包括至少一个次级线圈用于感应耦合到在绝缘层后面屏蔽的无针式电源插座，其中该绝缘层是基本平坦的，且电源插头 和电源插座可由该对准装置对准。任选地，该无针式电源插头包括至少两个次级线圈。优选该无针式电源插头适合 与所述初级线圈阵列耦合，其中所述至少两个次级线圈偏移一定距离，其不同于所述初级 线圈的所述阵列的内线圈间距。任选地，该对准装置包括配置以在插头对准电源插座时指示的视觉指示器。一般，该视觉指示器选自包括发光二极管(LED)、LED刻度尺和IXD屏的组。
优选该视觉指示器配置以提供接近全对准的分级指示。任选地，该对准装置包括配置以在插头对准电源插座时指示的听觉指示器。一般，该听觉指示器选自包括蜂鸣器、铃、扬声器、铃锤及其组合的组。任选地，该听觉指示器配置以提供接近全对准的分级指示。优选该对准装置是触觉指示器，包括至少一个磁锚，配置其以与至少一个无针式电源插座的至少一个磁桩耦合。一般，磁锚选自包括选自永磁体、电磁体和铁磁元件清单的元件的组。可选地，该对准装置是触觉指示器。可选地，该对准装置选自包括吸管、钩环结构、对应的梁沟布置及其组合的组。任选地，该无针式电源插头可通过电源线连接到至少一个电负载。可选地，该无针式电源插头硬连接到至少一个电负载。另一方面，本发明的目的是提供在单一器件中永久性耦合在一起的无针式电源插 头和电子器件。本发明的一个实施例是包括耦合到光源的无针式电源插头的电灯组件。在另一实施例中，该无针式电源插头耦合到具有用于针式插头的至少一个插座的 移动电源插座，且用作将现有的电源器件改型成本发明的电源插座的适配器。优选地，该无针式电源插座提供了 1瓦和200瓦之间范围内的功率。一般，该无针 式电源插座提供了 5瓦至110瓦之间范围内的功率。在本发明的优选实施例中，该电源耦合另外包括调节器。任选地，该调节器是信号 传递系统。因此，本发明的另一目的在于提供一种信号传递系统，用于在表面层后面的初级 线圈和与初级线圈对准的次级线圈之间调节能量传递；该信号传递系统包括在表面层前面 的至少一个光发射器，用于发射能够穿透表面层且被表面层后面的至少一个光接收器接收 的类型和强度的电磁辐射。优选，该光发射器包括发光二极管。任选地，该光发射器发射远红光信号。一般， 该光接收器选自包括光电晶体管、光电二极管和光敏电阻的组。在优选的实施例中，该表面层由选自包括玻璃、塑料、云母、胶木、木头、胶合板、帆 布、卡纸板、石头、油毡和纸的组中的材料构成。任选地，该表面层包括由至少一个光路断开 的通常不透明的面板，用于将光信号导引到光接收器。一般，该光路选自包括波导、光纤和 窗口的组。该光信号可载送属于下面的组的至少之一的编码数据，该组包括■存在电负载；
■电负载所需的工作电压■电负载所需的工作电流；■电负载所需的工作温度；■电负载的测量工作电压；■电负载的测量工作电流；■电负载的测量工作温度，和■用户标识码。任选地，该感应能量耦合是选自包括变压器、DC-DC转换器、AC-DC转换器、AC-AC 转换器、回扫变压器、回扫转换器、全桥转换器、半桥转换器和正向转换器的组的器件。一 般，该初级线圈与次级线圈电隔离。在优选的实施例中，该光接收器与所述的初级线圈同轴，且所述的光接收器与所 述的次级线圈同轴，使得当所述的初级线圈对准所述次级线圈时，所述的光接收器对准所 述的光发射器。本发明的另一方面在于提供一种调节穿过感应耦合的能量传递的方法，该感应耦 合包括在表面层后面的初级线圈和在表面层前面的次级线圈，该方法包括以下步骤a.在表面层的前面提供至少一个光发射器；b.在表面层的后面提供至少一个光接收器；c.将控制信号传达给所述光发射器；d.该光发射器发射控制信号作为能够穿透表面层的类型和强度的电磁辐射；e.通过光接收器接收电磁辐射；和f.根据该控制信号调节该能量传递。任选地，该控制信号载送负载的功率需求的细节。一般，该方法调节穿过感应耦合 的能量传递，其中该光信号是通过监测电负载的至少一个操作参数并将监测的参数数据编 码成光信号来提供的。可选地或另外地，该方法调节穿过感应耦合的能量传递，其中光信号 载送属于选自包括工作电压、工作电流和工作温度的组中的至少一个参数的数据。优选，该方法包括监测电负载的存在的预备步骤。这里使用的术语“插座”指的是用于接收和用于提供电能给电插头的任意的固定 连接器。术语“插座”不是由连接器的极性定义且不表明具有用于接收插头的突出针式的 插座。这里使用的术语“插头”指的是用于电连接至如上插座的任意的可移动连接器。术 语“插头”不是由连接器的极性定义且不暗示具有用于适合插座的突出物。将注意，尽管极性基定义有时用于术语插座和插头，但上述定义与IEEESTD 100 和ANSI Y32. 16标准一致。


为了更好地理解本发明，并示出如何才能实现本发明，现在，完全以实例的方式， 进行参考附图。现在详细地具体参考附图，应该强调的是细节是以实例的方式示出的，并且仅是 为了说明性的论述本发明的优选实施例，且以认为是最有用和最容易理解本发明的原理和概念方面的描述为条件来呈现的。在这点上，除了描述基本理解本发明所必要的细节之外， 并不试图更详细地示出本发明的结构细节；结合附图的描述，使本领域的技术人员认识到 在实践中如何实施本发明的几种形式。在附图中图1是示意性示出根据本发明的一个实施例的感应能量传递系统的主要特征的方块图；图2a是根据本发明的另一个实施例的由无针式电源插座和无针式电源插头组成的无针式电源耦合的图示；图2b_d示出了向计算机、电灯泡和无针式电源适配器提供能量的图2a的电源耦合的三个示范性应用；图3a和3b分别示出了示意和分解呈现的感应线圈的实例结构；图4a_c示出了根据本发明的再一个实施例的用来对准无针式插头和无针式插座的三个示范性触觉对准机构；图5a_h示出了用于无针式电源耦合的触觉对准装置的八个磁性结构；图6a_e示出了用于无针式电源耦合的三个示例性插头安装的视觉对准装置；图7a_d示出了用于无针式电源耦合的四个示范性表面安装的视觉对准装置；图8a和8b示出了根据本发明的再一个实施例的供无针式电源耦合使用的听觉对 准装置；图9示出了用于调节经由无针式电源耦合传送到计算机的能量的示例性光发射 器；图10是示出用于初始化和调节从无针式电源插头传送的感应能量的示例性信号传送系统的主要特征的方块图；图Ila示出了根据本发明的再一个实施例的包括无针式电源插座阵列的能量面；图lib示出了位于图Ila的能量面上面的两个可移动无针式电源插头；图Ilc示出了提供有两个用于与图Ila的能量面的初级线圈耦合的次级线圈的电源插头；图12a_c示出了分别向计算机、电灯泡和无针式电源适配器提供能量的图Ila的能量面的三个示例性应用，和图13是示出经由中间层在初级单元和次级单元之间传递光控制信号的方法的流程图。
具体实施例方式现在参考图1，其是根据本发明第一实施例用于向电负载140无针式提供能量的1000。能量传递系统1000包括无针式电源耦合100、对准装置200和能量调节器300。无针式电源耦合100包括无针式电源插座110和无针式电源插头120。无针式电源插座110包括经由驱动单元104线连接电源102的初级感应线圈112。无针式电源插头 120包括线连接电负载140的次级线圈122。当次级线圈122靠近初级线圈112，并且变化 的电压经由驱动单元104施加到初级线圈112上时，能量就可以通过电磁感应在线圈之间 传递。提供对准机构200以方便对准初级线圈112和次级线圈122，其提高了感应耦合的效率。调节器300在无针式电源插头120和无针式电源插座110之间提供通讯通道，其可 以用于调节能量传递。在本发明的实施例之间，无针式能量传递系统1000的各个元件可以显著变化。在 下文中描述示范性实施例的选择。这不应该理解为以任何方式限制本发明的范围。无针式电源耦合现在参考图2a，其示出了根据本发明第二实施例的无针式电源耦合100。无针式 插座110，例如其可以并入基本平坦的表面130，可与无针式电源插头120耦合。无针式电 源插座110包括在绝缘层 后面屏蔽的环形初级线圈112，其可以经由驱动单元104硬连接到 电源102。例如，驱动电子设备可以包括提供高频振荡电压源的开关单元。无针式电源插头120包括环形次级线圈122，其构造成与无针式电源插座的初级 线圈112感应连接，形成能量传递耦合，其本质上是一个变压器。任意地，初级铁磁芯114 提供在无针式电源插座110中，并且次级铁磁芯124提供在无针式电源插头120中，以提高 能量传递效率。应该意识到，已知现有技术的针式电源耦合不能很容易地合并成平面。任何针式 耦合的本质都是可以插入针式的插座，以确保电源耦合。相互对照，本发明第二实施例的 无针式电源耦合100没有针或插座，并且因此在方便提供电源的地方，可以并入例如墙、地 板、天花板、桌面、工作台、厨房工作面、隔板、门等的平面130的外表面后面。应该特别注意，因为第二实施例的初级线圈112是环形结构，初级线圈112与次级 线圈122的对准不依赖于无针式电源插头120的环形方向。这允许无针式电源插头120以 任何方便的角度与无针式电源插座110耦合，以适合用户的需要，甚至在使用时旋转。例如，视频显示器(VDU)可以经由第二实施例的无针式电源插头120对准并入工 作台的第二实施例的无针式电源插座110吸取电能。因为线圈112、122的环形结构，可以 在不破坏无针式耦合100的前提下调节VDU的角度。现有技术的感应耦合系统不容易旋转。例如，为了实现部分旋转，Sabo的美国专利 No. 6，803，744中描述的系统，要求线圈用柔性的导线或电刷连接到非导电性环形容器主体 上的同心转向器。即使这样，Sabo的系统也仅允许旋转大约一半的线圈间角。对照区别， 本发明第二实施例的无针式电源插头120可以绕着环形初级线圈110的中心轴旋转360度 以上，同时继续保持电源耦合100。已经知道，通过引入铁磁芯114、124，相当大地提高了感应能量传递。通过优化耦 合100，适合的电负载例如标准灯、计算机、厨房器具等可提取例如10W-200W范围内的功率。根据本发明的各个实施例，图2a的无针式电源插座110的三个示范性应用，示于 图2b-d中。参考图2b，示出了计算机140a通过电源线121a连接至第一无针式电源插头 120a。无针式电源插头120a感应耦合到嵌入于桌面130中的无针式电源插座110。由此无 针式电源插头120a可从无针式电源插座110提取电能以为计算机140a供电，为它的板上 电池或二者供电。用于将电能提供给计算机的参数例如充电电压和电流取决于计算机的型 号，因此无针式电源插头120a会适应提供电压的范围，一般在5-20V之间，并且传递功率达 200W。可选地或另外，可提供多种无针式电源插座和/或无针式电源插头，其为各种器具传 递各种功率电平。
参考图2c，示出了连接到与第二无针式电源插头110成为整体的电灯插座121b的 灯泡140b。无针式电源插头120b可感应耦合到与其对准的无针式电源插座110，并且给灯 泡140b直接供电。注意，由电源插头120b提供的电压和电能取决于具体的灯泡140b的额 定值。可配置电源插座110以提供适当的功率电平和电压，例如对于闪光型灯为1-12V或 者对于北美的主灯炮为IlOV或者对于欧洲的主灯炮为220V。可选地，插头120b中的次级 线圈发射并降压。现在参考图2d，示出了无针式电源插头适配器120c，在其上面具有常规的电源插座140c，可利用上面具有常规的插接插头的常规电力电缆(未示出)插接电负载(未示 出)。示出了无针式插头适配器120c耦合到嵌入在平坦表面130中的电源插座110。注意， 无针式电源插头适配器120c可与无针式插座110耦合由此使电能提供给具有针式插头的 常规电子器件。一般配置无针式电源插头适配器120c以提供北美IlOV AC的主电压信号 或者欧洲220V AC的主电压信号，但如果需要可提供经由内部整流器包括DC电压的其它电 压。用于无针式电源耦合100的感应线圈112、122可由卷状导线制成或者它们可通过 各种技术例如丝网印刷或蚀刻制造。图3a和3b分别以示意图和分解图示意性地表示根据本发明第三实施例的示范性 感应线圈1200。感应线圈1200是环形的且适合于用作无针式电源插座110中的初级线圈 112或者用作无针式电源插头120中的次级线圈122。该线圈相对其总尺寸提供了特别好的 耦合。感应线圈1200通过在基线板1214上叠置多个导电环1202a-e形成。感应线圈1200 在基线板1214上与两个点接触1212a、1212b接触。每个导电环1202具有前突出触点1208 和后突出触点1206，其从扣环1204的中心径向突出并且位于绝缘间隙1210的任一侧上。导电环1202a_e以每个环与邻接它的环绝缘的方式叠置。配置导电环1202中的 绝缘间隙1210以便第一环1202a的前突出触点1208a与第二环120b的后突出触点1206b 接触。依此，第二环1202b的前突出触点1208b与第三环1402c的后突出触点1206c接触 等等，直至环1202a-e叠在一起形成感应线圈1200。最终环1208e的前突出触点和第一环 1206a的后突出触点在基线板1214上延伸形成与触点1212a、1212b的电接触。将意识到， 这种结构得到了具有无中心轴1203的环状感应线圈1200，该无中心轴还可容纳铁氧体磁 心、磁性对准机构(见下文)和/或光信号传递系统(见下文)。单个环1202a_e可通过各种技术例如电路叠层、电路印刷、制备印刷、电路蚀刻、 冲压等制造。尽管图3a和3b中所示的第三实施例的感应线圈1200由仅五个环1202a_e组 成，但将意识到，根据它们的尺寸，可相当大地改变以该方式叠置形成感应线圈的环数。因 此可形成具有所需性质的感应线圈。对准机构电源耦合100的效率，取决于无针式电源插头120的次级线圈122和无针式电源 插座110之间的对准。基本平坦的表面130由透明材料例如玻璃或无定形塑料、例如PMMA 制成，用户能够直接看见无针式电源插头110并且因此通过直接视觉观察使无针式插头 120与无针式插座110对准。然而，基本平坦的表面130是不透明的，可选地对准机构200 是有必要的。这样的对准机构200可包括例如触觉、视觉和/听觉指示器。触觉对准机构
现在参考图4a_c，根据本发明的各个实施例示出了三个示范性触觉对准机构 210、220、230。具体参考图4a，示出了第一触觉对准机构210，其中无针式电源插座110包 括由环形初级线圈112围绕的中心磁桩212以及对应的无针式电源插头120包括由环形次 级线圈122围绕的中心磁锚214。该实施例的初级线圈112由初级导线113、优选围绕初级铁磁芯114的绞合线组成，次级线圈122由次级导线123、还优选围绕次级铁磁芯124的绞合线组成。当对准时，初 级铁磁芯114和次级铁磁芯124形成磁偶，其会增加初级线圈112和次级线圈122之间的 磁键，使得将电能在其之间更有效地传送。当次级线圈122最佳对准无针式电源插座110的初级线圈112时，配置中心磁桩 212与由无针式电源插头120载送的磁锚214啮合。将意识到，磁锚214和磁桩212可由 操作者用毡遮盖，由此提供了对准的触觉指示。另外，锚-桩结构，一旦啮合了，还用于锁住 无针式电源插头120与无针式电源插座110对准。中心圆形磁桩212和同心环形初级线圈 112的组合，使得具有中心磁锚214的插头120，绕着中心轴旋转而不会失去对准并因此以 任何方位对准。在图4b中示出了第二触觉对准机构220，其中无针式电源插座110包括四个磁 角桩222a-d，其布置在围绕初级线圈112的四个点处，是围绕初级铁磁芯114的初级导线 113。当初级线圈112和次级线圈122对准时，配置四个磁角桩222a-d与由无针式电源插 头120载送的四个磁角锚224a-d耦合。在次级线圈122的旋转阻碍能量传递或在其它方面不希望的实施例中，可使用多 个磁桩222来限制插头120绕着它的中心轴旋转到四个具体的对准角度。在每个罗经点 处，次级铁磁芯124定位并对准初级铁磁心114。由此提供的初级铁磁心114和次级铁磁心 124，形成了磁偶，其会增加初级线圈112和次级线圈122之间的磁键，使得电能在其之间更 有效地传送。将意识到，多个磁桩222和磁锚224的数量和结构是可选择的以提供各种多 个分离的对准角。参考图4c，示出了第三触觉对准机构230，其中无针式电源插座110包括与初级线 圈112同心的环形磁桩232。配置环形磁桩232和与无针式插头120中的次级线圈122同 心的环形磁锚234啮合。环形结构提供了自由中心轴，其可用于容纳能量传递调节的光信 号系统的光发射器310和光接收器320。第三触觉对准机构230允许插头120绕着它的中 心轴旋转而不会损害初级线圈112和次级线圈122之间、或者光信号系统的光发射器310 和光接收器320之间的对准。由此电源插头120能以任何的角度定向以适应需求。对于磁偶，将意识到，插座中的永磁体或电磁体会对插头中的第二永磁体或电磁 体施加吸引力。可选地，该插头可配备一片含铁材料，其粘贴到磁体而本身不是磁性的。此 夕卜，该插座可包括粘贴到磁体的铁片，且该插头可提供有永磁体或电磁体。参考图5a_h，通 过说明，示出了用于耦合无针式电源插头120与无针式电源插座110的八个可替换的磁体 对准机构。永久磁桩241可与永久磁锚244、电磁锚245或铁磁元件246中任一个耦合。电 磁桩242可与永久磁锚244、电磁锚245或铁磁元件246中任一个耦合。铁磁桩243可与永 久磁锚244或电磁锚245耦合。注意，无针式电源插座110的初级铁磁芯114自身可用作铁磁桩243。可选地，初 级线圈112可用作电磁桩242。还要注意，无针式电源插头120的次级铁磁芯124可用作铁磁锚246。可选地，次级线圈122可用作电磁锚245。优选的磁性对准结构示于图5a中，示出了配置永久磁桩241与永久磁锚244耦合。磁桩241和磁锚244的定向是这样的，面对端具有相反的极性使得它们相互有吸引力。 注意，在某些实施例中提供了两种不同类型的无针式电源插座120与两种不同类型的无针 式电源插头耦合，例如，高电源耦合和低电源耦合。在这种实施例中重要的是避免例如低电 源插头与高电源插座对准。磁锚可通过利用对于每种类型的耦合相反的极性防止误耦合。 因此，低电源插头可具有北搜索极性磁锚，也就是，与低电源插座上的南搜索极性磁桩啮 合，并且高电源插头可具有南搜索极性磁锚以与高电源插座上的北搜索极性磁桩啮合。如 果该实施例的低电源插头设置得邻近高电源插座，则北搜索极性磁锚排斥南搜索极性桩并 且该耦合不能对准。将意识到，远离磁性机构，可选地可使用其它的锚_桩型触觉对准装置例如吸管、 钩环结构、梁沟结构等。同样地可设计这些选择性耦合仅选择共用面中的不同电源插座。视觉对准机构参考图6a_e，示出了用于无针式电源插头120的示范性视觉对准机构。图6a_c示 出了具有由两个指示器LED 粗对准指示橙色LED 252和细对准指示绿色LED 254组成的 第一视觉指示器250的无针式电源插头120。无针式电源插座110隐藏在不透明表面130 下面。图6a示出了离无针式电源插座110较大距离的无针式电源插头120，两个指示器LED 中没有一个被激活。图6b示出了与无针式电源插座110部分对准且橙色指示器LED 252 被点亮的无针式电源插头120。这向用户报警插头120与无针式电源插座110邻近，而没有 与其正确对准。参考图6c，当无针式电源插头120与无针式电源插座110最佳对准时，激活 绿色指示器LED 254给用户发信号，插头120和(隐藏的)插座110正确对准且能够传递 最佳的电能。图6d示出了条带260中由多个LED组成的第二视觉指示器；意识到，大量LED提 供了邻近指示的较大的刻度尺，并且帮助用户导向目标追踪隐藏的插座。参考图6e，示出了 第三视觉指示器，代替或除了 LED之外，LCD显示器265可提供替换的视觉指示器，除了提 供对准度的指示之外，其例如还可以提供由耦合到插头的负载流出的电流的指示。然而，依其本性，无论LED被照亮或未被照亮，邻近数据均可通过闪光、频率等被 编码。供给其它类型指示灯的电能的强度可用于指示耦合度，或者可提供闪光指示灯，以便 闪光的频率指示对准度。实际上，负载是白炽光源灯，其可直接用于对准目的，因为差的对 准会导致显著的变暗效果。另外或可选地可提供用于插座_插头对准表面安装视觉指示器的插头安装的视 觉指示器。因此，参考图7a_d，示出了各个示范性视觉对准机构位于其中已嵌入了无针式电 源插座110的平坦表面130上。在图7a中，示出了第四视觉指示器，在直接在隐藏的无针 式电源插座110上方的平坦表面130上做了标记270。这能够使用户使插头与标记270物 理对准且由此与隐藏的插座对准。图7b示出了由嵌入在表面130中的两个指示器LED组 成的第五视觉指示器272。这按照图6b和6c的实施例已作必要的修正，以提供对准的分级 指示。同样，图7c示出了由嵌入在表面130中的条带中的多个LED构成的第六视觉指示器 274，用于更大分级度的对准指示，图7d示出了由嵌入在表面130中的LCD显示器构成的第 七视觉指示器276。
听觉对准机构例如可选地或另外地可提供非视觉对准装置，听觉信号可帮助视觉受损实现对准。如图8a所示，无针式电源插头120可包括蜂鸣器280。可配置蜂鸣器280以例如通过 声调、音质、音量、音色、嘟嘟频率等的变化提供对准的邻近分级指示。可选地听觉指示装置 可以是如图8b所示的表面安装的，示出了嵌入在表面130中的蜂鸣器285，配置以嗡嗡响的 方式表示是否达到对准。能量调节有效的能量传递需要调节。为了调节提供给次级线圈122的电能的特性，例如电 压、电流、温度等，希望从器件到电源插座110的反馈。根据本发明另外的实施例，能量调节 器300提供了引线接到负载的电源插头120和电源插座110之间的通信通道。第一示范性能量调节器300示于图9中。光发射器310，例如发光二极管(LED)， 可结合在无针式电源插头120内且可操作配置以发射能够穿透无针式电源插座120的外壳 127和基本平坦表面130的屏蔽层132之间的类型和强度的电磁辐射。光接收器320，例如 光电二极管、光电晶体管、光敏电阻等，被结合在无针式电源插座132内，用于接收穿过表 面层132发射的电磁辐射。在优选的实施例中，光发射器310和光接收器320沿着环形初 级线圈112的轴配置。这允许通过无针式电源插头120的360度旋转保持对准。注意，许多材料对于远红光是部分半透明的。已发现，来自LED等的相对低强度的 远红光信号，能穿透几百微米的常见材料例如塑料、卡纸板、胶木或纸片，到足够的程度，使 得在0. Imm至2mm这种材料的薄片后面的光接收器320，例如光电二极管、光电晶体管、光敏 电阻等，可以接收和处理该信号。例如，在850nm在24度以上从Avago HSDL-4420 LED发 射的信号，会被来自0.8mm胶木薄片后面的Everlight PD15-22C-TR8NPN光电二极管检测 到。为了发信号的目的，可忍受高度衰减，且仅穿透小部分，发射的0. 1 %的信号强度是足够 的。因此可使用远红光信号以通过几百微米的常见薄片材料例如木头、塑料、胶木、胶合板、 玻璃等提供彼此电隔离的初级单元和次级单元之间的通信通道。中间表面层对于远红光是不透明的，尤其是中间表面层较厚，可提供光路将信号 导引到光接收器320。一般，该光路是波导例如光纤，可选地，光接收器320可放置在面对该 表面的开口后面且被半透明窗口覆盖。在感应耦合时，可使用通信通道以在初级线圈和次级线圈之间传递数据。例如，该 传递的数据可用于调节能量传递。一般该信号载送属于下面列出的一个或多个项目的编码 数据■存在电负载；■电负载所需的工作电压■电负载所要的工作电流；■电负载所需的工作温度；■电负载的测量工作电压；■电负载的测量工作电流；■电负载的测量工作温度，和■用户标识码。这种信号在与本发明可用的各种感应能量耦合中是有用的，例如变压器、DC-DC转换器、AC-DC转换器、AC-AC转换器、回扫变压器、回扫转换器、全桥转换器、半桥转换器和正 向转换器。现在参考图10，方块图示出了示范性信号传递系统的主要特征，用于根据能量调 节器300的第二实施例触发和调节感应能量传递。感应能量出口，例如无针式电源插座 110，配置其以与次级单元耦合，例如无针式电源插头120，通过表面层130由此隔离。将电 能传递到引线接到无针式电源插头120的电负载140。无针式电源插座110包括初级感应线圈112、半桥驱动器103、多路复用器341、初 级微控制器343、品质检测器345和光接收器347。次级单元，例如无针式电源插头120，由 次级线圈122、接收器342、次级微处理器344、光发射器346和负载连接开关348组成。感应能量出口的初级感应线圈112由从多路复用器341接收驱动信号SD的半桥 驱动器103驱动。多路复用器341在初始信号S1或调制信号Sm之间选择。初始信号S1提 供了检测装置用于在存在次级单元120时激活感应能量出口 110。一旦激活了，调制信号Sm 就会提供用于调节从能量出口 110到次级单元120的能量传递的装置。在能量出口 110处于非激活时，次级单元检测是通过间歇地发送初始信号S1至多 路复用器341的初级微控制器343提供的。多路复用器341将初始信号S1传达给半桥驱动 器103，其会导致由初级线圈112发射的低带电检测脉冲。如果次级单元120与感应能量出 口 110对准，则低带电检测脉冲会穿过表面层130感应地转移到次级线圈122。配置接收器 342以接收该检测脉冲并将检测信号传送给次级微控制器344，该次级微控制器344发送信 号给负载连接器开关348以连接负载并触发光发射器346穿过表面层130发射光信号，确 认次级单元120处于适当的位置。在能量出口 110中光信号由光接收器347接收，然后被 传送到发送确认信号给初级微控制器343的品质检测器345。初级微控制器343则通过触 发多路复用器341选择调制信号Sm调节能量传递来激活能量出口 110。调制信号Sm直接来自光接收器347并且用于调节半桥驱动器103的占空因数。转 移到次级单元120的能量是通过次级微控制器344监测的。次级微控制器344生成调制信 号Sm并将其发送给光发射器346，其发射数字光信号。调制信号Sm由此被初级单元110的 光学检测器347接收，传送给多路复用器341并用于调节半桥驱动器103。现有的感应能量传递系统控制并调节来自初级单元110的电能。经过对比，该第 二实施例的能量调节器的特征是能量传递被从次级单元120发送的数字信号初始化并调 节。本发明的该实施例的一个优点是控制信号是由无针式电源插头120内的次级微控制器 344确定的，电源插头120被硬连接到负载。因此，次级微控制器344的导电通信通道可用 于发射模拟信号给次级微控制器344用于监测能量传递，并且数字信号可用于在无针式电 源插头120和无针式电源插座110之间通信。多线圈系统 利用多个感应线圈会方便无针式电源插头与无针式电源插座的对准，由此增加了 对准位置数。多个无针式电源插座110a-n示于图1 Ia中，根据本发明的又一实施例被布置成覆 盖延伸表面1300的电源阵列1100。电源阵列1100允许无针式电源插头120在表面1300 上方的多个位置与电源插座110对准。注意，尽管在图Ila中示出了矩形布置，但优选其他 结构，例如六边形密集布置。任选地可提供多层交叠的电源插座110。由于电源插头可与电源插座llOa-n中的一些对准布置，所以可提供供电面，其可以给布置在几乎任何位置上面 的插头120提供电力，或者甚至给电源阵列1100上方运动着的插头提供电力。参考图11b，示出了两个无针式电源插头120A、120B位于包括多个嵌入式插座的 单个电源阵列1100上。插头120A、120B能够平行于如由箭头所示的表面1300自由移动。 当沿着电源阵列1100移动的插头120接近插座110时，与120相关的锚214和与插座110 相关的桩212耦合而使初级线圈112与次级线圈122对准。当电源插头120A位于两个插座IlOkUlOl之间时，它的锚214a未与任何的桩212 啮合。因此，电源插头120A的次级线圈122A未与任何的初级线圈112对准。在这种情况 下，例如橙色LED指示器252A可用于向用户指明插头120A靠近初级线圈112但未与其最 佳对准。电源插头120B与电源插座IlOb直接成一直线，使得它的锚214B与嵌入在电源插 座I lOb中的桩212b啮合，次级线圈122B与插座IlOb的初级线圈112b最佳对准，并且这 可由例如绿光LED指示器254B指示。现在参考图11c，示出了根据本发明另一实施例的提供有多个次级线圈1202a、 1202b的电源插头1200。在电源插头的次级线圈1202中的任一个与任一初级线圈112对 准时会发生有效的感应能量传递。注意，已知的多线圈电源插头例如在Sabo的美国专利 No. 6，803，744中描述的双线圈插头，必须是具体化且非旋转对准的，以便两个次级线圈都 被同时耦合到初级线圈。与现有技术相比，在本发明的实施例的多线圈电源插头1200中， 一次只有一个次级线圈1202与一个初级线圈110对准。因此可以任意的角度实现对准并 且多线圈电源插头1200可绕初级线圈110的轴X旋转360度以上。此外，在多线圈电源插头1200中，可有利地选择次级线圈1202之间的距离不同于 电源平台阵列的内线圈间距。然后可使多线圈电源插头1200在能量面110上方横向移动 并且电源阵列1100的驱动单元可激活最靠近多线圈电源插头1200设置的初级线圈。随着 多线圈电源插头1200横向移动，次级线圈1202a、1202b都会从它们附近的初级线圈接收电 能。被转移到次级线圈1202a、1202b的电能进行二极管求和以得到总电压输出。因为两个 次级线圈1202a、1202b都不会同时对准，所以总输出电压是平稳的并且可防止一般与能量 传递移动电源插头有关的能量波动。这会增加总体效率并且减少对提供给电源阵列1100 的电源中的大变化的需求。已模拟了感应能量传递模型来测量以8. 8cm的内线圈间距从能量面能量传递到 多个次级线圈的效率。仅将电压施加到最靠近一对隔开4. 4cm(表面内线圈间距的一半) 的次级线圈的初级线圈，随着该对次级线圈沿着该表面进行横向平移，传递到该对次级线 圈的总能量效率不会落在80%以下。通过增加次级线圈数，例如模拟彼此隔开2. 9cm的三 元次级线圈，进一步提高了该效率，获得了 90%的效率。在提供多层能量面的本发明的其它实施例中，每层的初级线圈都会偏离其他的， 例如偏离表面内线圈间距的一半。单线圈无针式电源插头可放置在多层能量面和能量面的 驱动单元上，配置其以仅激活最靠近与电源插头的次级线圈对准布置的多层能量面内的初 级线圈，而不管它的层。以该方式，大大稳定了传递给接收线圈的电压、效率和能量。电源阵列1100可结合在便于提供电力的任意平坦表面1300内。这种表面包括墙 壁、地面、天花板、桌面、工作台、厨房工作面和计算器面、架子、门和门板等。例如，图12a示出了通过连接电缆121a电耦合到计算机140a的示范性水平电源阵列1100和无针式电源插头120a。无针式电源插头120a放置在电源阵列1100上并且与无针式电源插座110在其内部感应耦合。供给计算机140a的电力可给计算机140a直接供 电和/或给其可充电电池充电。具有由电缆121a连接的无针式电源插头120a的图12a的 布置，一般会减小导线和电缆121a在计算机140a连接到电源时必要的长度和数量，因此在 会议室等中是有利的，这样的导线是阻碍的、难看的及通常不方便的。注意，无针式电源插 头120a可选地与计算机140a成为一体，因此完全不需要使用连接电缆121a。图12b示出了相对于固定到例如天花板反转和水平的示范性电源阵列1100。示 出了载送容纳灯泡140b的电灯插座121b的两个无针式照明插头120b。照明插头120b是 可移动的且可耦合到电源阵列1100的多个无针式电源110的任一个。在优选实施例中，由 照明插座120a载送的强磁性锚214对嵌入在电源阵列1100中的磁桩212施加足够强度的 力，以支撑照明插座120a的重量。以该方式，无针式照明插座120a容易移动并且复位附着 在电源阵列1100周围的不同位置。将注意，图12b中所示的电源阵列1100被反转了，允许照明插头120b悬挂在其下 面。对于许多照明应用，例如对于房间的照明，优选这种布置，因为高架照明不太可能被除 低电平照明之外的物体遮蔽。然而照明能量面可以是垂直悬挂的或者嵌入墙壁中，或者实 际上放置在地上或任何其它的方位。注意，家用发白热灯泡通常需要10-150瓦范围的功率，因此希望照明插头120b以 该功率供电。在该功率范围内的能量感应传送可通过高效线圈的有效对准来实现，例如这 里描述的图3a和3b的结构所示的有效对准。低功率照明方案，例如荧光灯、LED等，一般 使用较低的电源插头。参考图12c，示出了示范性的垂直电源阵列1100c，其例如可结合在房间的墙壁 中，安装到壁橱的侧壁或其它的垂直表面上。电源阵列IlOOc用于将可移动电源出口 120d 提供到可插接连接到电源电缆(未示出)的针式插座中，用于将电负载耦合到感应电源插 座110并由此给电负载供电。还示出了两个可移动的电源出口 120d。每个出口 120d包括磁锚214，其有足够的 强度以当耦合到嵌入在垂直电源阵列IlOOc中的磁桩时支撑可移动电源出口 120d的重量。 因此这种电源出口 120d可绕垂直电源阵列IlOOc自由移动并且位于对准无针式电源插座 110的任何位置。此外，尽管在图12c中示出了垂直电源阵列1100c，但很明显可移动电源 出口 120d可在任何方位耦合到电源阵列1100。图13是示出经由中间层在初级单元和次级单元之间转移光信号的方法的流程 图。该方法包括以下步骤光发射器结合在次级单元内-步骤(a)；光接收器结合在初级单 元内-步骤(b)；该光发射器发射能够穿透表面层的类型和强度的电磁辐射-步骤(C)；和 该光接收器接收电磁辐射_步骤(d)。将意识到，可应用这样的方法发送控制信号，用于通过监测所述电负载的至少一 个工作参数和将监测的参数数据编码成所述光信号，来调节横跨感应耦合的能量传递。同 样地，可通信与存在的电负载、它的功率需求、工作电压、工作电流、工作温度等有关的数 据。本发明的范围由附加的权利要求限定并且包括上文描述的各个特征的组合和子 组合及其变化和修改，一旦阅读了前述的描述，其对于本领域技术人员是很容易的。
在权利要求书中，词语“包括”及其变形表示包括所列出的部件，但通常不排出其它部件。
权利要求
一种无针式电源耦合装置，包括至少一个无针式电源插座，所述电源插座包括在绝缘层后面屏蔽的初级线圈用于感应耦合到无针式电源插头，所述电源插头包括次级线圈，其中所述绝缘层基本上是平坦的且所述电源插头和所述电源插座可由对准装置对准。
2.如权利要求1所述的无针式电源耦合装置，其中保持所述电源插头和所述电源插座 之间的对准，同时所述电源插头绕中心轴旋转360度。
3.如权利要求1所述的无针式电源耦合装置，所述对准装置选自包括视觉、听觉和触 觉装置的组。
4.如权利要求1所述的无针式电源耦合装置，所述绝缘层是半透明的，由此允许直接 视觉对准。
5.如权利要求1所述的无针式电源耦合装置，所述绝缘层视觉标记在其外表面上以指 示允许直接视觉对准的电源插座的位置。
6.如权利要求1所述的无针式电源耦合装置，所述对准装置包括配置以在对准插头与 所述电源插座时指示的照明指示器。
7.如权利要求6所述的无针式电源耦合装置，所述照明指示器选自包括LED、LED刻度 尺和IXD屏及组合的组。
8.如权利要求5所述的无针式电源耦合装置，配置所述视觉指示器以提供接近全对准 的分级指示。
9.如权利要求1所述的无针式电源耦合装置，所述对准装置包括配置以在插头对准所 述电源插座时听觉指示的声音发射器。
10.如权利要求9所述的无针式电源耦合装置，所述声音发射器选自包括蜂鸣器、铃、 扬声器、铃锤及其任意组合的组。
11.如权利要求9所述的无针式电源耦合装置，所述声音发射器被配置以提供接近全 对准的分级指示。
12.如权利要求1所述的无针式电源耦合装置，所述对准装置是触觉指示器，包括结合 到所述电源插座中的至少一个磁桩，配置其以与由所述无针式电源插头载送的至少一个磁 锚机械耦合。
13.如权利要求12所述的无针式电源耦合装置，其中所述磁桩具有环形结构以便环形 磁锚与所述的磁桩在任意方位啮合。
14.如权利要求12所述的无针式电源耦合装置，所述磁桩选自包括至少一个永磁体、 至少一个电磁体和至少一个铁磁元件的组。
15.如权利要求12所述的无针式电源耦合装置，所述磁锚选自包括至少一个永磁体、 至少一个电磁体和至少一个铁磁元件的组。
16.如权利要求1所述的无针式电源耦合装置，所述对准装置是触觉指示器，选自包括 至少一个吸管、至少一个钩环结构、至少一个脊沟结构和其组合的组。
17.一种能量面，包括权利要求1所述的无针式电源插座阵列。
18.如权利要求17所述的能量面，选自包括水平工作面、垂直壁和天花板的组。
19.如权利要求1所述的无针式电源插头，包括至少一个次级线圈，用于感应耦合到在 绝缘层后面屏蔽的无针式电源插座，其中所述绝缘层是基本平坦的并且所述电源插头和所 述电源插座可由对准装置对准。
20.如权利要求19所述的无针式电源插头，其可由电源线连接至至少一个电负载。
21.如权利要求19所述的无针式电源插头，其硬连接到至少一个电负载。
22.如权利要求19所述的无针式电源插头，其与电子器件成一整体。
23.一种照明器具，包括耦合到光源的权利要求19的无针式电源插头。
24.如权利要求19所述的无针式电源插头，耦合到至少一个插座用于接收插接插头的 钉且被配置为无针式电源适配器。
25.如权利要求1所述的无针式电源耦合装置，用于提供1瓦和200瓦之间范围内的功率。
26.如权利要求1所述的无针式电源耦合装置，另外包括调节器用于调节穿过所述能 量耦合的能量传递。
27.如权利要求26所述的无针式电源耦合装置，其中所述调节器包括信号传递系统， 该信号传递系统包括在表面层前面的至少一个光发射器，用于发射能够穿透所述表面层并 且被在表面层后面的至少一个光接收器接收的类型和强度的电磁辐射。
28.如权利要求27所述的信号传递系统，其中所述光发射器包括发光二极管。
29.如权利要求27所述的信号传递系统，其中所述光发射器发射远红光信号。
30.如权利要求27所述的信号传递系统，其中所述光接收器选自包括光电晶体管、光 电二极管和光敏电阻的组。
31.如权利要求27所述的信号传递系统，其中所述表面层由选自包括玻璃、塑料、云 母、胶木、木头、胶合板、帆布、卡纸板、石头、油毡和纸的组的材料构造。
32.如权利要求27所述的信号传递系统，其中所述表面层包括由至少一个光路断开的 通常不透明板，该光路用于将所述光信号导引至所述光接收器。
33.如权利要求32所述的信号传递系统，其中所述光路选自包括波导、光纤和窗口的组。
34.如权利要求32所述的信号传递系统，所述光信号载送属于包括以下的组中至少之 一的编码数据，该组包括a.存在的电负载；b.所述电负载所需的工作电压c.所述电负载所需的工作电流；d.所述电负载所需的工作温度；e.所述电负载的测量工作电压；f.所述电负载的测量工作电流；g.所述电负载的测量工作温度，和h.用户标识码。
35.如权利要求32所述的信号传递系统，所述感应能量耦合是选自包括变压器、 DC-DC转换器、AC-DC转换器、AC-AC转换器、回扫变压器、回扫转换器、全桥转换器、半桥转 换器和正向转换器的组的器件。
36.如权利要求32所述的信号传递系统，所述初级线圈与次级线圈电隔离。
37.如权利要求27所述的信号传递系统，其中，当所述光接收器与所述的初级线圈同 轴且所述的光接收器与所述的次级线圈同轴时，使得当所述的初级线圈对准所述次级线圈时，所述的光接收器对准所述的光发射器。
38.如权利要求19所述的无针式电源插头，包括至少两个次级线圈。
39.如权利要求38所述的无针式电源插头，用于与所述初级线圈阵列耦合，其中所述 的至少两个次级线圈偏离一距离，该距离不同于所述初级线圈的所述阵列的内线圈间距。
40.一种用于调节穿过感应耦合的能量传递的方法，所述感应耦合包括在表面层后面 的初级线圈和在所述表面层前面的次级线圈，所述方法包括以下步骤a.在所述表面层的前面提供至少一个光发射器；b.在所述表面层的外表面的后面提供至少一个光接收器；c.将控制信号传达给所述光发射器；d.从所述光发射器发射所述控制信号作为能够穿透所述表面层的类型和强度的电磁 辐射；e.通过所述光接收器接收所述电磁辐射；和f.根据所述控制信号调节所述能量传递。
41.如权利要求40所述的方法，用于调节穿过感应耦合的能量传递，其中所述控制信 号载送所述负载的功率需求的细节。
42.如权利要求40所述的方法，用于调节穿过感应耦合的能量传递，其中所述光信号 是通过监测所述电负载的至少一个操作参数并将该监测的参数数据编码成光信号来提供 的。
43.如权利要求40所述的方法，用于调节穿过感应耦合的能量传递，其中所述光信号 载送属于选自包括工作电压、工作电流和工作温度的组中的至少一个参数的数据。
44.如权利要求40所述的方法，用于调节穿过感应耦合的能量传递，包括检测电负载 的存在的预备步骤。
全文摘要
一种无针式电源耦合装置，包括至少一个无针式电源插座；电源插座包括在绝缘层后面屏蔽的初级线圈用于感应耦合到无针式电源插头；所述电源插头包括次级线圈，其中所述绝缘层基本上是平坦的且所述电源插头和所述电源插座可由对准装置对准。讨论的各种这样的对准装置是激活表面用于支撑耦合到各个器具的感应电源插座和感应插头。
文档编号H01F38/14GK101802942SQ200880010328
公开日2010年8月11日 申请日期2008年1月28日 优先权日2007年1月29日
发明者A·本沙洛姆, A·罗夫, O·格林沃尔德, Y·阿赞科特 申请人:普迈公司