专利名称：用于无线地传递能量和/或数据的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一 种用于在源设备与至少 一 个目标设备之间无线地 传递能量和/或数据的装置和方法，其中至少一个初级电流回路具有至 少一个源设备侧的初级线圏并且至少一个次级电流回路具有至少一 个目标设备侧的次级线圏。尤其是本发明涉及在设备与设备部件之间 的感应能量传递，用于使至少一个设置在设备或设备部件中的蓄电池 充电，例如用于通过远程操作使蓄电池充电。
背景技术：
作为无线操纵设备提供的遥控器用于医疗设备、尤其是用于手术 台，借助于遥控器可以从不同的位置并且从与设备接收单元一定距离 处为了接收遥控信号而操作各设备。这些遥控器能够实现舒适地利用 医疗设备或手术台的至少一部分操作功能。在现有技术中这些操作设 备以电池或蓄电池运行。为了使用这种遥控器的安全性推荐使用可再 充电的蓄电池，由此使遥控器在蓄电池充电或再充电后可靠地在整个 接下来的处理期间作为操作单元使用。
此外对于相对较小的适配于遥控器结构状况的结构尺寸，使用专 用的蓄电池能够对于遥控器的运行提供大的能量。为了对蓄电池充电 必须与另一能源、尤其是与适合的电网部件或与充电器建立连接。为 此在现有技术中不仅已知具有充电器与蓄电池之间电流连接的装置， 而且已知没有充电器与蓄电池之间的电流连接。在已知的装置中，其 中没有遥控器与能源之间的电流连接(即在电流隔离时)通常感应地 实现充电站或基站与遥控器之间的能量传递。在此充电站或基站是源 设备而遥控器是目标设备。
在图1中示出已知的用于感应地传递能量的装置10。该装置IO 包括一个源设备12和一个目标设备14。该源设备12包括一个电源 16，它由交流电源构成并且产生交流电压。此外该源设备12包括一
4个源设备侧的线围18，它作为初级线围18用于传递能量或数据到目 标设备14。目标设备14包括一个目标设备侧的线團20，它作为次级 线圏20并且与以负载电阻表示的充电电路22电气连接。源设备12 的电源16与源设备侧的初级线圏18电气连接，由此能源16影响到 流过线圏18的交流电流，由此使线圏18产生时间上变化的磁场(交 变磁场)。如果目标设备14位于充电和/或数据传递位置，目标设备 侧的次级线圏20位于由初级线圏18产生的磁场中。通过交变磁场在 初级线團20中感生出一个电压，通过它能够实现穿过以负栽电阻表 示的充电电路22的电流，由此对整个充电电路22输送由电源16通 过线圏18， 20传递的能量。也可以作为充电电路22的替代或除了充 电电路22之外设置一个分析电路，用于获得通过按照图1的装置传 递的数据。
在图2中示出与图1装置10类似的装置24，用于在源设备26 与目标设备28之间传递能量。相同的部件具有相同的附图标记。与 按照图1的装置10不同，源设备26的电流回路和目标设备28的电 流回路分别包括一个电容30， 32。通过在源设备26的电流回路中布 置电容30形成串联振荡回路并且通过在次级电流回路中布置电容32 形成并联振荡回路。通过这些振荡回路实现源设备26与目标设备28 之间的谐振耦联，通过谐振耦联在能量从初级电流回路传递到次级电 流回路或从源设备26传递到目标设备28时达到相对较高的效率。对 于在图2中所示的装置24，由初级线圏18产生磁场。初级线圏18和 电容30形成一个与谐振调谐的初级电流回路。由初级线團18产生的 磁场穿过次级线圏20，它是次级谐振回路的组成部分。但是在实践中 困难的是，初级侧谐振回路与次级侧谐振回路的谐振频率相互调谐， 因为谐振条件根据蓄电池的充电状态或根据在充电周期上变化的负 载电阻22变化。
为了确定谐振频率，不仅在初级侧而且在次级侧都可以采取不同 的措施。例如可以选择电源16的适当频率，其中预先设定频率，可 以在给定频率范围中调整、调节或跟踪。此外可以采用适当的结构上 的、尤其是机械和电气的措施，用于在较长的充电周期上保证谐振条件。尤其是可以通过适当的零部件选择达到或至少支持保持谐振条
件。此外通过改变至少一个电容30、 32的容量或至少一个线團18、 20的电感可以实现谐振调谐。但是这涉及相对较高的费用。总之保持 初级和/或次级电流回路中的谐振条件是相对费事的。
在图3中示出与图1装置10类似的装置34，用于在源设备36 与目标设备38之间传递能量。与按照图1的装置IO的差别是初级线 圏18围绕第一铁芯段40设置而次级线團20围绕第二铁芯段42设置。 铁芯段40， 42在充电和/或数据传递位置在其相互面对的端面上具有 一个间隙44。该间隙44尤其通过源设备36和目标设备38的各封闭 的外壳和/或通过附加的气隙构成。由磁铁芯段40， 42的相互背对的 端面出来的磁力线进入相对的背对端面并且通过磁铁芯段40， 42和 间隙44形成磁回路。
在图4中示出与图3装置34类似的装置46，其中不仅在源设备 48而且在目标设备50中都使用磁芯段52， 54，它们u形地构成并且 在数据和/或能量传递位置这样设置，使磁芯段52， 54的两个端面分 别相互相对设置并且这样相互间隔地设置，使得在这些端面之间分别 具有与装置34的间隙44类似的间隙56， 58。
在图5中示出与图4装置46类似的装置60，其中在源设备62 的电流回路中并且在目标设备64的电流回路中以与借助于图2描述 的相同方式分别具有一个用于形成振荡回路的电容30， 32。
源设备和目标设备的外壳通常由电绝缘的、且对电磁场没有或只 有微小衰弱的材料构成。由于所需的外壳壁材料厚度、尤其是为了源 设备和目标设备外壳的电绝缘和机械强度，在所示的已知实施例中所 述间隙具有一个最小间隙宽度，它主要影响电磁回路的特性。间隙宽 度对于在按照图1至5的装置的通过磁芯段构成的磁回路中的磁场强 度是重要的。
由文献DE38 10 702 C2已知一种装置，其中实现能源的频率跟 踪。为此在这个装置中获得初级电流回路中电流与电压之间的相位关 系并且调节到预先设定的值。
由文献DE 198 37 675 Al已知一种充电装置，其中为了感应地传递充电能量，在感应耦合器的初级部分中具有一个功率振荡器。在 次级部分中具有一个用于交替接收蓄电池充电功率的控制装置。
由文献DE 601 02 613 T2已知一种装置，其中调节由应答器读取 装置给出的能量的发射功率。在此在初级侧或次级侧电流回路中具有 一个用于提供发射功率的串联振荡回路。通过应答器与读取装置之间 磁耦联获得实际的信息。谐振回路具有一个可变电容，通过它可以调 谐谐振回路。
发明内容
由现有技术已知的装置出发，本发明的目的是给出一种用于无线 地在源设备与至少一个目标设备之间传递能量和/或数据的装置和方 法，其中以简单的结构能够实现良好的能量及数据传递。
这个目的通过具有权利要求1所述特征的装置并通过具有独立 的方法要求所述特征的方法得以实现。在从属权利要求中给出本发明 的有利改进方案。
通过用于在源设备与至少 一个目标设备之间无线地传递能量和/ 或数据的按照本发明的装置以及通过按照本发明的方法能够使谐振 器的谐振频率和谐振条件的满足不必取决于初级电流回路和次级电 流回路的变化的条件。尤其是谐振器与次级电流回路中的变化负载无 关。通过与初级电流回路并与次级电流回路电绝缘的谐振器还可以实 现初级电流回路与次级电流回路之间有目的的有效能量传递。在多个 分别与初级电流回路并与次级电流回路电绝缘的具有相互不同的谐 振频率的谐振器装置中几乎可以传递任何所期望的信号形式，例如矩 形信号，它们例如由多个谐波振荡组成。在此每个谐振器最好由一个 谐振回路构成，它尤其至少包括一个电感和一个电容。
通过每个谐振回路使能量从初级侧传递到次级侧，由此使传递的 总能量是直接从初级回路到次级回路和从初级回路到谐振回路和从 谐振回路到次级回路传递的能量分量的总和。例如如果代替一个谐振 器而具有两个谐振器，可以使传递的总能量提高约15%。第二个谐振 器最好具有笫一个谐振器两倍的谐振频率。但是对于本发明而言，代 替电磁谐振器也可使用其它谐振器，如声学的、机械的或液压的谐振器。在此在本发明的意义上谐振器是各种能够振荡的系统，其元件与 输入频率以这种方式相调谐，使谐振器在用这个频率激励时振荡。
在本发明的一个改进方案中，谐振器由谐振回路构成，或者多个 谐振器由多个谐振回路构成。在此最好使初级线围、次级线围和绝缘 谐振回路的电感设置在同一个磁回路里面。在此有利的是，初级线團、 次级线圏和形成绝缘谐振回路电感的线團围绕由磁回路包围的磁芯 设置，其中磁回路最好具有没有间隙的磁芯。
此外有利的是，具有至少两个谐振回路，它们分别与次级电流回 路并且分别与另一电流回路电绝缘。至少两个谐振回路的电感最好分 别由线圏构成，其绕组由双线绕组构成或者对于多于两个谐振回路的
情况由n线绕组构成。通过双线绕组或者在n个谐振回路的情况下通 过n线绕组使由这些绕组形成的线圏最好具有相同的电感，由此使谐 振频率可以仅仅通过选择不同的电容而被调节。有利的是，谐振回路 相互间具有不同的谐振频率，由此使初级电流回路与次级电流回路之 间的能量传递受到具有谐振回路或谐振器的叠加谐振频率的谐振回 路的影响。
此外有利的是，使次级线圏的绕组和形成谐振回路电感的线圏的 绕组和/或初级线围的绕组和形成谐振回路电感的线围的绕组可以由 双线绕组构成。设置有多个谐振回路，这些谐振回路的线圏绕組或谐 振回路的部分线圏绕组和初级绕组或初级绕组由n线绕组构成。n线 绕组的存在简化了整个装置的加工。尤其是通过n线绕组构成的线围 电感可以通过把多个线圏连接在一起而简单地改变，尤其是倍增。
此外有利的是，借助于傅立叶变换分解要传递的信号。对于通过 傅立叶变换分解的要传递信号的傅立叶变换的每个谐波振荡设置一 个谐振回路，其谐振频率与各谐波振荡的频率一致。由此可以由谐波 振荡组成几乎任意的信号形状，由此例如可以在次级侧产生一个基本 为矩形的信号变化。要指出的是，独立的方法权利要求也可以通过各 个独立的装置权利要求的特征或相应的方法特征得到改进。
由下面的描述给出本发明的其它特征和优点，结合附图详细解释本发明的实施例。附图中
图l示出了一种已知的用于感应地传递能量的装置。
图2示出了与图1所示装置类似的已知装置。
图3示出了与图1所示装置类似的已知装置。
图4示出了与图3所示装置类似的已知装置。
图5示出了与图4所示装置类似的已知装置。
图6示出用于感应地传递能量装置的按照本发明的第一实施例，
图7示出用于感应地传递能量装置的按照本发明的第二实施例，
图8示出用于感应地传递能量装置的按照本发明的第三实施例，
图9示出用于感应地传递能量装置的按照本发明的第四实施例，
图10示出用于感应地传递能量装置的按照本发明的第五实施
例，
图11示出用于感应地传递能量装置的按照本发明的第六实施例。
具体实施例方式
在图6中示出按照本发明的第一实施例的装置100,用于在源设 备102与目标设备104之间无线地传递能量和/或数据。该装置100 具有与上述的图4已知装置46类似的结构。相同的部件具有相同的 附图标记。除了包括电源16和线圏18的初级侧电流回路以外该装置 IOO还具有次级侧的电流回路，它具有次级线圏20和以负载电阻表示 的充电电路22。磁芯或铁芯由第一初级侧u形的围绕其设置初级线團 18绕组的磁芯段52和第二次级侧的u形磁芯段54组成。在磁芯段 52， 54之间在源设备102和目标设备104的充电和/或数据传递位置 中存在间隙56， 58。该装置IOO还具有线圏106，其绕组围绕第二磁 芯段54设置并且与电容108电连接。线圏106和电容108形成振荡 回路，它具有取决于线圏106的电感和电容108的电容量的谐振频率。 这个振荡回路也称为谐振振荡回路并且是本发明意义上的谐振器。因 此该谐振器对于按照图6的装置100设置在次级侧、即目标设备104中。
在图7中示出按照本发明的第二实施例的装置110，用于在源设 备112与目标设备114之间无线地传递能量和/或数据。该装置110 具有与图6所示的装置IOO类似的结构。与图6所示装置100不同的 是，由线圏106和电容108构成的谐振器在空间上设置在源设备112 内，其中线圏106的绕组围绕磁芯的第一磁芯段52设置。
在图8中示出按照本发明的第三实施例的装置120，用于在源设 备122与目标设备124之间无线地传递能量和/或数据，其中既设置了 初级侧的谐振器也设置了次级侧的谐振器。线圏126与电容128相互 电连接，形成了次级侧的谐振器。线圏130和电容132彼此电连接成 一个电流回路，形成了初级侧的谐振器。线圏130和源i殳备侧的初级 线圏18的绕组由双线绕组构成。以同样的方式，线圏126和目标设备 侧的次级线圏20的绕组也由双线绕组构成。
在图9中示出按照本发明的第四实施例的装置140，它与图8所 示装置120相类似，用于在源设备142与至少一个目标设备144之间 无线地传递能量和/或数据，其中源设备侧的初级线圏18的绕组和初 级侧谐振器线圏130的绕组被实现为独立的绕组。以同样的方式，目 标设备侧的次级线圏20的绕组和次级侧谐振器线圏126的绕组也被 实现为独立的绕组。
在图10中示出按照本发明的第五实施例的装置150，用于在源 设备152与目标设备154之间无线地传递能量和/或数据，该装置具有 一个目标设备侧的谐振器。目标设备侧谐振器的线圏绕组和目标设备 侧的次级线圏在这个实施例中由双线绕组构成。在这个装置中没有初 级侧的谐振器。
在图11中示出按照本发明的第六实施例的装置160,用于在源 设备162与目标设备164之间无线地传递能量和/或数据。该装置160 具有初级侧的谐振器。谐振器线圏130的绕组由源设备侧的初级线圏 18绕组作为双线绕组构成。
所描述的本发明实施例在实现谐振器线圏绕组时表示使用具有
10源设备侧初级线圏18或具有目标设备侧次级线圏20绕组的双线绕组 或者表示源设备侧初级线圏的独立绕组和谐振器线團的实现以及表 示目标设备侧次级线圏20和谐振器线圏的独立配置。但是以相同的 方式能够实现以下配置，其中例如初级侧谐振器的绕组和源设备侧的 初级线圏18的绕组实现为独立的绕组并且次级侧谐振器线圏的绕组 和目标设备侧次级线圏20的绕组也实现为独立的绕组。以相同的方 式能够使初级侧谐振器线圏的绕组和源设备侧的初级线圏18实现为 独立的绕组并且使次级侧谐振器的线圏绕组和目标设备侧的次级线 圏20由双线绕组构成。为了简化视图，在实施例中初级侧和次级侧 均分别只示出一个谐振器。但是有意义的是，在本发明的某些实施例 中具有多个初级侧的和/或多个次级侧的谐振器，其绕组最好由具有初 级线圏18或次级线圏20的n线绕组构成和/或由独立的绕组构成初级 线圏18和次级线圏20的绕组。
如果具有多个谐振器，它们最好具有不同的谐振频率。在此有利
的是，所有次级侧谐振器的线圏也由所有分别由n线绕组构成的初级 侧谐振器的线圏绕组构成，由此使它们分别具有基本相同的电感。通 过n线绕组以简单的方式和方法在生产过程中能够实现这样缠绕线圏 的基本一致的电感。通过把多个线圏连接到 一起可以精确地使电感数 倍地增加。为了确定所期望的谐振频率可以设置适当容量的电容，它 们分别与线圏或与多个连接在一起的线圏电连接并因此形成一个振 荡回路或谐振回路(谐振器)。通过设置不与初级回路和次级回路电 连接的、即电绝缘的谐振器实现了对于能量和数据传递的高效率。在 此包含在初级电流回路和次级电流回路中的元件的元件容差以及通 过充电电路22形成的负载电阻的特性的变化不会导致谐振器特性的 变化，尤其是不会导致谐振频率的变化。因此通过本发明无需费事地 调整或跟踪谐振频率。
如实施例所示，有利的是，使至少一个谐振器设置在与初级线圏 和次级线圏20相同的磁回路里面。在使用多个谐振器时可以实现谐 振地传递高频的、非正弦形信号，它们最好由多个正弦形谐波振荡组
ii成。由此尤其可以通过简单的方式和方法传递基本为矩形的信号。按
照本发明的装置示例地通过两个u形的磁芯段52， 54表示。但是也 可以以相同的方式使用本发明的其它芯形状。尤其是也可以只具有初 级侧的磁芯，它在结构上这样构成，使它在机械上从源设备突出来。 在源设备的外壳中最好具有一个空隙，在该空隙中在充电位置和/或在 数据传递位置中伸进突出的磁芯。如果源设备和目标设备位于数据传 递位置或能量传递位置，围绕该空隙设置次级线圏20，由此使次级线 圏围绕磁芯设置。如果源设备和目标设备位于数据传递位置或能量传 递位置，也可以选择或附加地使目标设备具有突出的芯部位，它伸到 源设备的空隙里面。围绕源设备的空隙设置初级线圏。最好使源设备 或目标设备的外壳围绕突出的磁芯并沿着空隙封闭地构成，由此至少 使目标设备具有环绕封闭的外壳。
在源设备侧的初级侧与目标设备侧的次级侧之间的能量传递基 本取决于由初级线圏在磁回路中产生的磁场或磁流的强度和由电源 16产生的交流电压的频率。通过谐振回路尤其可以实现电流和/或电 压的谐振传递。如同结合图2所示的那样磁芯的杆状结构，由于磁场 的^f兹力线相对自由地传播，该方法可能在外部部位导致EMV问题。 此外场强或磁流只能以相对较大的开销提高。传递到次级侧的能量数 量取决于磁场强度和使磁场场强变化的频率。通过改变由初级线圏产 生的磁场的场强，在次级线圏20中感生出一个电压。
按照本发明利用具有初级侧线圏的初级侧电流回路、具有次级侧 线圏和附加地设置在磁回路中的或设置在由初级线圏产生的磁场区 域中的谐振器的次级侧电流回路，从而能够无线地在初级侧与次级侧 之间传递能量或数据。
通过本发明，为了满足谐振条件，既不需要初级侧的措施也不需 要次级侧的措施。而是尤其可以与谐振条件无关地实现初级侧或次级 侧的无功功率补偿。
谐振器在初级侧和/或次级侧的布置对于功能而言具有重大的意 义。另外，在此可以考虑结构上的需求，尤其是目标设备和/或源设备的结构尺寸。有利的是，电源1(i具有20kHz至SMHz、最好是6okH
至500kz频率的交流电压。
权利要求
1. 一种用于在源设备与至少一个目标设备之间无线地传递能量和/或数据的装置，具有至少一个初级电流回路的至少一个源设备侧的初级线圈(18)，具有至少一个次级电流回路的至少一个目标设备侧的次级线圈(20)，并且具有至少一个谐振器。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述谐振器具有谐 振回路，该谐振回路与初级电流回路并与次级电流回路电绝缘。
3. 如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述谐振器具 有与设置在初级电流回路中的电源频率不同的谐振频率，该谐振频率 最好为电源频率的两倍或0.5倍。
4. 如权利要求2或3任一项所述的装置，其特征在于，所述初 级线圏、次级线圏和谐振器谐振回路的电感设置在同 一个磁回路中， 最好使初级线圏(18)、次级线圏(20)和形成谐振回路电感的线圏 围绕形成磁回路的磁芯i殳置。
5. 如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，具有至 少两个谐振器，它们分别与初级电流回路并且与初级电流回路并且与 相应的其它谐振器电绝缘，其中谐振器最好分别具有一个谐振回路， 并且该至少两个谐振回路的电感最好分别由线圏构成，线圏的绕组由 双线绕组构成。
6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于，该至少两个谐振器 相互具有不同的谐振频率。
7. 如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，该至少两个谐 振回路具有电感相同的线圈，其中线圏的绕组最好由n线绕组构成。
8. 如权利要求7所述的装置，其特征在于，该至少两个谐振回 路相互具有不同的电容量。
9. 如上述权利要求2至8中任一项所述的装置，其特征在于， 所述次级线圏(20)的绕组和形成谐振回路电感的线圏的绕组由双线 绕组构成。
10. 如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，对于通过傅立叶变换分解的要传递信号的傅立叶变换的每个谐波振荡设置 一个谐振器，其谐振频率与各谐波振荡的频率一致。
11. 如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置在 初级电流回路内的能源产生矩形输出电压。
12. —种用于在源设备与至少一个目标设备之间无线地传递能量 和/或数据的方法，其中通过至少一个初级电流回路的至少一个源设备 侧的初级线圏(18)在至少一个次级电流回路的至少一个目标设备侧 的次级线圏(20)中感生出一个电压并且激励至少一个谐振器。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述谐振器由谐振回路构成，该谐振回路具有至少一个线圏和至少一个电容，其中谐 振回路与初级电流回路并且与次级电流回路电绝缘地i殳置。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，通过感生出的电 压对谐振回路输送能量，通过该能量激励谐振回路，并且受到激励的 谐振回路产生与谐振回路谐振频率交变的磁场，由该磁场在次级线圏(20)中感生出一个电压。
全文摘要
本发明涉及一种用于在源设备与至少一个目标设备之间无线地传递能量和/或数据的装置和方法，其中通过至少一个初级电流回路的至少一个源设备侧的初级线圈(18)在至少一个次级电流回路的至少一个目标设备侧的次级线圈(20)中、并且在至少一个谐振回路的至少一个线圈中感生出一个电压，其中谐振回路与初级电流回路并与次级电流回路电绝缘地设置。
文档编号H02J7/00GK101431259SQ20081021118
公开日2009年5月13日 申请日期2008年9月1日 优先权日2007年9月1日
发明者A·布吕恩 申请人:迈奇两合公司