接收器以及电力传输设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了接收器以及电力传输设备。一种接收器，用于从第一时变磁场提取能量，所述接收器包括：导体；以及支撑件和接收器磁体，所述接收器磁体通过旋转耦合器而可移动地安装至所述支撑件，并且位于所述第一时变磁场内，所述接收器磁体响应于所述第一时变磁场而相对于所述支撑件可移动；其中，所述导体和所述接收器磁体彼此相对定位为使得所述接收器磁体的移动在所述导体附近建立第二时变磁场，从而在所述导体中感生电流；以及其中，所述旋转耦合器连接于所述支撑件与所述接收器磁体之间，以允许响应于所述第一时变磁场所述接收器磁体相对于所述支撑件关于旋转轴进行无限制的旋转移动。
【专利说明】接收器以及电力传输设备
[0001] 本申请是申请日为2010年2月26日、申请号为201080009226. 8、发明名称为"用 于偶极增强感应电力传输的系统和方法"的专利申请的分案申请，其全部内容结合于此作 为参考。
【技术领域】
[0002] 本发明涉及通过利用从永磁体获得的场增强、从一个位置到另一位置的低频感应 电力传输。
【背景技术】
[0003] 已知电力（power,功率）可利用法拉第效应（Faraday effect)从一个地点无线输 送到另一地点，其中变化的磁场使得电流在电隔离的次级电路中流动。
[0004] 只要建立变化的磁场的初级线圈和受变化的磁场作用的次级线圈之间高度地有 效耦合，则这样的电力传输相当有效。通常，这样的耦合是通过将线圈置于彼此非常接近来 实现的，但在某些情况下，这样的设置是不可能的或不理想的。如果线圈以同一频率以高Q 值共振（其为应用于生物医学植入的经皮电源、并针对用于诸如移动电话的小设备所研究 的现象），则即使不是非常接近，线圈耦合效率也可以相当高。
[0005] Q值远高于100是不切实际的，且即使在需要采用RF频率的情况下也不切实际，其 有潜在的问题，因为缺少与时变场（time-varying field)相关的可能的医学副作用的长期 流行病学研究。通常，有强有力的证据表明低频磁场是无害的。因此，期望以较低频率实现 高电力传输效率。
[0006] 前述现有技术的实例及对于其的相关限制是示例性的，而非排他性的。在阅读了 本说明书并研究了附图后，现有技术的其他限制对本领域技术人员来说是显而易见的。
【发明内容】
[0007] 本发明的一个实施方式提供了一种接收器，用于从第一时变磁场提取能量，所述 接收器包括：导体；以及支撑件和接收器磁体，所述接收器磁体通过旋转耦合器而可移动 地安装至所述支撑件，并且位于所述第一时变磁场内，所述接收器磁体响应于所述第一时 变磁场而相对于所述支撑件可移动；其中，所述导体和所述接收器磁体彼此相对定位为使 得所述接收器磁体的移动在所述导体附近建立第二时变磁场，从而在所述导体中感生电 流；以及其中，所述旋转耦合器连接于所述支撑件与所述接收器磁体之间，以允许响应于所 述第一时变磁场所述接收器磁体相对于所述支撑件关于旋转轴进行无限制的旋转移动。
[0008] 本发明的另一个实施方式提供了一种电力传输设备，包括：发送器，用于生成第一 时变磁场，时变磁场的至少一个空间取向关于时间在方向上变化；以及接收器，与所述发送 器以间隙隔开，所述接收器包括：导体；以及接收器支撑件和接收器磁体，所述接收器磁体 可移动地安装至所述接收器支撑件，并且位于所述第一时变磁场内，所述接收器磁体响应 于所述第一时变磁场而相对于所述接收器支撑件可移动；其中，所述导体和所述接收器磁 体彼此相对定位为使得所述接收器磁体的移动在所述导体附近建立第二时变磁场，从而在 所述导体中感生电流。
[0009] 本发明的另一个实施方式提供了一种电力传输设备，包括：发送器，用于生成第一 时变磁场，时变磁场的至少一个空间取向关于时间在方向上变化；以及接收器，与所述发送 器以间隙隔开，所述接收器包括位于所述第一时变磁场内的可移动接收器磁体；以及用于 将所述接收器磁体的移动的机械能转换为另一形式的能量的装置；其中，所述接收器进一 步包括支撑件，并且所述接收器磁体被可移动地安装至所述支撑件，以用于以下中的至少 一个：响应于所述第一时变磁场使所述接收器磁体相对于所述支撑件关于旋转轴进行旋转 移动；以及响应于所述第一时变磁场使所述接收器磁体相对于所述支撑件关于振荡轴进行 振荡运动，并且其中，所述间隙的长度对所述接收器磁体的最大移动半径的比率大于或等 于1。
[0010] 本发明的又一个实施方式提供了一种输送电荷到电负载的方法，所述方法包括： 将接收器磁体置于第一时变磁场中；支撑所述接收器磁体以用于移动，所述接收器响应于 所述第一时变磁场而关于旋转轴以无限制旋转移动的方式进行移动；相对于所述接收器磁 体设置包括一个以上匝的线圈，以使得所述接收器磁体的移动在所述线圈附近建立第二时 变磁场，从而在所述线圈中感生电流；并且将所述线圈电连接至所述负载。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 示例性实施方式以附图中的参考标号而示出。这里公开的实施方式和附图应当作 是例示性的而非限制性的。
[0012] 图1是相对线圈移动的磁体的现有技术示意图，包括流经线圈的电流。
[0013] 图2是AC发电机的现有技术示意图。
[0014] 图3是两个线圈（例如变压器的线圈）之间的感应电力传输的现有技术示意图。
[0015] 图4示意性地示出了使用旋转磁体来增强两个线圈之间的感应电力传输。
[0016] 图5示意性地示出了根据本发明特定实施方式的包括扭转振荡永磁体 (torsionally oscillatory permanent magnet)的感应电力接收器。
[0017] 图6示意性地示出了根据本发明特定实施方式的包括旋转可移动永磁体的感应 电力接收器。
[0018] 图7A和图7B分别示出了根据本发明特定实施方式的包括机械驱动永磁体的感应 电力发送器和包括电磁驱动永磁体的感应电力发送器。
[0019] 图8A示意性地示出了由空气间隙隔开的电力发送器和接收器。
[0020] 图8B示意性地示出了由非磁性障碍物隔开的电力发送器和接收器。
[0021] 图9A和图9B分别是接近于线圈的可旋转磁体的侧视图和前视图，其中以小间隙 将磁体与线圈隔开。
[0022] 图10示意性地示出了 3相电力传输系统。
[0023] 图11示出了根据另一个实施方式的接收器，其中接收器的磁体机械耦合到发电 机。
[0024] 图12示出了在发送器中使用霍尔效应传感器确定各种类型的操作信息。
[0025] 图13示意性地示出了根据当前优先实施方式的电力传输系统的截面图。
【具体实施方式】
[0026] 给出以下全部说明书的具体细节是为了为本领域技术人员提供更透彻的理解。然 而，已知的元件可能没有详细示出或描述从而避免不必要地模糊本发明。因此，应注意，描 述和附图应当作是说明性的，而非限制性的。在详细说明本发明的实施方式之前，应该理解 本发明的应用不限于下面描述中给出和附图中所示的操作性部件的构造和配置的细节。本 发明可以有其他实施方式并可以不同方式实施或执行。而且，应理解，这里使用的措辞和术 语是用于描述而不能当作限制。这里使用"包括"和"包含"及其变形体旨在涵盖其后列出 的项及其等价物。除非有另外的具体叙述，应理解这里所述的步骤和方法可以不同顺序来 执行。
[0027] 如图1中所示，已知变化的磁场，如在电导体14的线圈12附近由具有偶极矢量 IOA的偶极磁体10的振荡移动产生的磁场，将感生交流电流（AC) i从而在导体14中流动。 该概念采用在大多数发电机中。传统发电机16在图2中示意性地示出，其中，磁体10通常 由具有高磁导率的软铁18的月牙形片包围，从而为磁场线提供返回路径。如果软铁18通 过线圈12,则增强磁通量，因此产生流经线圈的交流电流i。
[0028] 图3示意性地示出了两个线圈12A、12B (如变压器20的线圈）之间感应电力传输 的构造。已知流经"发送器"线圈12A的交流电流il (例如频率为60Hz)在发送器线圈12A 附近生成变化的磁场，且该变化的磁场感生具有相同频率的交流电流i2从而在附近的"接 收器"线圈12B中流动，但电力传输效率低。如同图2中的发动机16,变压器20可包括具 有高磁导率材料（例如软铁）的芯（c〇re)22,其用于增强发送器线圈12A产生并由接收器 线圈12B经受的磁通量。
[0029] 图4示意性地示出了根据本发明特定实施方式的无接触电力传输系统28,其使用 旋转磁体30以增强发送器线圈32和接收器线圈34之间的感应电力传输。磁体30和接收 器线圈34可形成接收器36 (以虚线轮廓示出）的部件，其中磁体30被支撑在与接收器线 圈34较近的位置。接收器36可置于由发送器线圈32中AC电流il建立的时变磁场中。接 收器36也可与发送器线圈32以相对显著的间隙42隔开。如下面更详细的解释，与和已知 变压器中的感应电力传输相关的间隙相比，间隙42可较大。而且，不同于传统的变压器，间 隙42可以是、且对于最有效的操作也应该是没有（或具有有限量的）高磁导率材料和/或 电导材料。
[0030] 在所示的实施方式中，磁体30包括在页面平面内以磁性偶极矢量30A取向的永久 偶极磁体，且被支撑以允许关于延伸进入或离开页面的旋转轴38旋转（如曲线箭头40所 示）。例如，磁体30可由包括钕或铁氧体的永磁体提供，其中钕具有较高的每单位体积偶极 强度；铁氧体具有不导电从而可避免磁体自身中的涡流损耗。还可以是许多其他磁性材料， 其在某些情况下可提供成本、偶极密度、质量密度、导电率、张力强度等的有利组合，且实际 上，采用结合不同磁性以及可能的非磁性材料的混合构造从而根据不同应用中不同标准的 等级（ranking)优化整体性能是有利的。安装磁体30可以被安装以利用低摩擦旋转轴承 (未示出）而旋转移动。在其他实施方式中，磁体30可被支撑以振荡移动，在该情况下轴 38可以是振荡轴38。在这样的振荡实施方式中，磁体30可用一个以上弹性的柔性安装件 (mount)(例如，弹簧、弹性元件、其他合适构造的偏置元件（偏压元件，bias element)等） 安装。通过以与由发送器线圈32中电流il建立的时变磁场同步的旋转或振荡，磁体30可 显著增加发送器线圈32和接收器线圈34之间的电力传输效率，有效地放大发送到接收线 圈的电力。
[0031] 旋转/振荡磁体30的电力（功率）放大效果是违反直觉的，这是由于以下两个原 因。第一，许多本领域技术人员最初都不正确地推断，由于能量守恒，不会发生这样增大的 电力传输效率。然而该推断是不正确的，因为接收器36(即，接收器线圈34和磁体30)中 的电力增加是从发送器（即，发送器线圈32)提取的增加的电力而获得的。第二，对于利用 高磁导率材料（如，图2中发电机16中所示的软铁18和图3中变压器20的磁芯22)的磁 耦合具有深入了解的许多本领域技术人员会不正确地假定：不会发生这样增大的电力传输 效率，因为公知的是，与高磁导率材料的磁耦合不能通过如图4所示的显著间隙42而良好 地实现。
[0032] 更特别地，许多本领域技术人员会将图4中所示的旋转/振荡永磁体30当作类 似于高磁导率的磁性材料（因为永磁体和高磁导率材料具有这样的特性，即其磁化易于取 向--即使通过弱磁场）。然而，通过包括高磁导率材料（如变压器20的磁芯22中使用 的（图4))的感应f禹合器，间隙的效果完全不同，这是由于公知的退磁场（demagnetizing field)，由此在高磁导率材料的一部分中的磁化产生磁场，该磁场在材料的其他部分中建 立相反的磁化。如果可导磁（permeable)材料形成具有近似恒定的截面积的完整的环形 (toroid-like)路径，则这不是一个问题，在某些变压器中就是这样的情况。但在高磁导率 路径中的大间隙可建立退磁化效果，这可显著减小总体磁化度和通过接收器线圈的相应磁 通量。
[0033] 退磁场效果的实例是常被研究的设置在均一的环境磁场中的高磁导率材料的独 立球体的情况。公知的是，已知无论磁导率多高，球体内的磁场决不超过施加的环境场的3 倍。该限制可当作由高磁导率材料要分为多个磁畴的趋势所导致。该高磁导率材料的趋势 可利用永磁材料（如图4中磁体30)消除或至少缓和，该永磁材料被支撑以促进外部施加 的磁场影响下的移动（如旋转或振荡）。
[0034] 永磁体可具有主畴（dominant domain)(或甚至一个单畴）并因此可以对退磁化 效果具有较低的灵敏度（susceptibility)。相对于高磁导率材料的情况，永磁体的磁场可 比外部施加的磁场高几个数量级。在图4的电力传输系统28的情况下，永磁体30的磁场 (可随磁体30的旋转/振荡移动实时改变）可以比时变磁场高几个数量级（如根据RMS幅 度），磁体30对该时变磁场同步地响应。该单畴（或主畴）特性可用于一定距离的低频同 步电磁耦合，并可产生显著的效率增益/电力传输放大，如下将更详细地进行描述。
[0035] 在图4的不例性感应电力传输系统28中，因为发送器线圈32产生的时变磁场引 起磁体30旋转/振荡，所以发生发送器线圈32和接收器线圈34之间的电力传输效率增强 /放大。旋转/振荡磁体30显著增加接收器线圈34附近的时变磁场的大小，因此引起相应 更大的感应电流i2在接收器线圈34中流动。同时，旋转/振荡磁体30的时变磁场与发送 器线圈32相互作用产生"反电动势（back e. m. f.) "，其从发送器线圈32的电流il中提取 额外电力，因此确保能量守恒。
[0036] 接收器36包括被支撑以关于旋转/振荡轴38旋转或振荡的磁体30和接收器线 圈34。在更一般的实施方式中，接收器可包括永磁体和导体，其中永磁体被支撑且导体（如 线圈）被设置成促进磁体相对于导体的移动，以使得磁体移动在导体中感生电流。在某些 实施方式中，所期望的是，磁体能够以周期性重复的方式相对于导体移动，并且磁体移动引 起导体附近的磁通量周期性重复变化。
[0037] 也可以使用不同的技术来支撑磁体以相对于线圈移动。有两个基本类型的这样的 技术：磁体质心相对于线圈移动的技术，以及磁体质心相对线圈静止的技术。
[0038] 如果磁体质心例如通过如图1所示的线性振荡磁体而移动，则磁体的质心位移通 常引起相反振荡力（牛顿第三定律），其将机械能耦合到环境，导致无效共振器受到难以最 小化的损耗。因此，这样的系统倾向于具有较低的Q值（这里Q，品质因子，是已知的振荡 系统对于损耗的灵敏度的度量）。为了实现有效的电力传输，期望较高的Q值（即，至少大 于，且优选远大于10)。
[0039] 因此，磁体质心静止的可选技术是当前安装磁体的优选技术。该技术促使以扭矩 形式将机械能耦合到环境（牛顿第三定律），但相比具有移动质心的系统，该技术更易于减 少损耗。有两类用于质心静止的技术：扭力（即，扭转）振荡和旋转振荡。
[0040] 图5示出了根据本发明特定实施方式的感应电力传输接收器50。接收器50可位 于相应发送器（未不出）产生的时变磁场中。虽然下面详细说明了一些发送器的实施方式， 但其中使用接收器50的时变磁场可由任何合适技术产生。在当前优选实施方式中，由发送 器产生的时变磁场是周期性的，但该周期可实时改变。如同接收器36 (图4)，接收器50包 括永久偶极磁体52和导体54,该永久偶极磁体具有在页面平面内取向的偶极矢量52A。在 所示实施方式中，导体54包括一个以上线圈56,每个线圈56包括一个以上导电匝（未明确 示出），且每个线圈具有线圈轴56A。在所示的示图中，线圈轴56A延伸进入且离开页面。
[0041] 在接收器50中，磁体52被支撑以响应于发送器产生的时变磁场关于振荡轴58扭 转振荡（torsional oscillation)。关于振荡轴的振荡由双头箭头62所示。在所示实施 方式中，振荡轴58在页面的平面中，但大致与磁体52的偶极矢量52A正交（例如，在某些 实施方式中为90° ±20°，在另一些实施方式中为90° ± 10° )。磁体52是用弹性体或 用柔性安装件（如，偏置元件）60安装，该弹性体或柔性安装件允许磁体扭转（twist)并赋 予涉及扭转量（例如，大致与其成比例）的回复扭矩（restorative torque)(给磁体52)。 柔性安装件60可（主要）由非导电性且具有较低磁导率的材料制造，如同非铁磁性材料的 情况。扭转振荡器（如磁体52和安装件60所提供的）具有可估计并可调谐为所需值的共 振频率。例如，在许多应用中，例如涉及从现有电气系统回收电力的那些，60Hz可以是优选 的操作频率。包括扭转振荡器的接收器可设计来提供其他共振频率。在某些实施方式中， 这样的共振频率小于500Hz。在另一些实施方式中，这些共振频率小于200Hz。
[0042] 磁体52可经柔性安装件60安装到线圈56,如图5中示例性实施方式所示。这不 是必须的。在某些实施方式中，磁体52和线圈56可独立安装到接收器50的一个以上框部 件。在所示实施方式中，柔性安装件60在振荡轴58上或其附近耦合到磁体52。这不是必 须的。在某些实施方式中，柔性安装件60可耦合到磁体52的其他侧或区域。在一个特定 实施方式中，柔性安装件60可在大致与振荡轴58正交的区域或其附近耦合到磁体52。在 所示实施方式中，磁体52包括具有大致球形的永磁体（如钕磁体或包括某些其他磁性材料 的永磁体），其中振荡轴58与球心相交。该形状不是必须的。在其他实施方式中，磁体52 可具有其他形状。磁体52可以是关于振荡轴58对称的。例如，磁体52可大致为柱形，其 中圆柱轴大致与振荡轴58共轴。这样的柱形磁体52可具有圆形截面或具有其他截面。 [0043] 图6示出了根据本发明另一实施方式的感应电力传输接收器70。在许多方面中， 接收器70类似于接收器50 (图5);接收器70与接收器50的不同在于接收器70中的磁体 52被安装以响应于发送器产生的时变磁场而关于旋转轴76旋转移动。关于旋转轴76的 旋转移动由单头箭头74示出。在所示实施方式中，旋转轴76在页面的平面内，但大致与磁 体52的偶极矢量52A正交（如在某些实施方式中为90° ±20°，或在另一些实施方式中 为90° ±10° )。磁体52可用旋转耦合器72安装从而允许关于旋转轴76旋转。旋转耦 合器72可包括旋转轴承（例如宝石轴承或陶瓷球轴承），其优选具有较低摩擦。旋转耦合 器72可（主要）由非导电并具有较低磁导率的材料制造，如同非铁磁材料的情况。接收器 70不共振--磁体52的旋转频率可在宽范围内改变，这是有利的。在某些实施方式中，磁 体52的旋转频率小于500Hz。在另一些实施方式中，这些频率小于200Hz。旋转安装磁体 的接收器70相比于扭转振荡磁体的接收器50,因为在旋转磁体关于其旋转轴76适当平衡 时，其更易于减少由于耦合到环境（牛顿第三定律）所导致的机械能损失。
[0044] 磁体52可经旋转耦合器72安装到线圈56,如图6中示例性实施方式所示。这不 是必须的。在某些实施方式中，磁体52和线圈56可独立安装到接收器70的一个以上框部 件。在所示实施方式中，旋转稱合器72在旋转轴76上或其附近稱合到磁体52。这不是必 须的。在某些实施方式中，旋转耦合器72可耦合到磁体52的其他侧或区域。在所示实施 方式中，磁体52包括具有大致球形的永磁体（如钕磁体），其中旋转轴76与球心相交。该 形状不是必须的。在其他实施方式中，磁体52可具有其他形状。磁体52可关于旋转轴76 对称。例如，磁体52可以为大致柱形，其中圆柱轴大致与旋转轴76共轴。这样的柱形磁体 52可具有圆形截面或可具有其他截面。
[0045] 在其他方面，接收器70可类似于接收器50。
[0046] 在接收器50的扭转振荡器和接收器70的旋转振荡器中，振荡/旋转轴58、76大 致与磁体52的磁偶极矩矢量52A正交（如在某些实施方式中为90° ±20°，或在另一些 实施方式中为90° ±10° )，并且振荡/旋转轴58、76大致与线圈56的轴56A正交（如在 某些实施方式中为90° ±20°，或在另一些实施方式中为90° ±10° )。因此，扭转振荡 或旋转移动在导体54的附近（如，通过线圈56)引起磁通量的浄振荡（与永磁体52的磁 场相关）。该时变通量感生AC电流i2流过线圈56。
[0047] 最大化接收器50或70的能量传输效率涉及最小化能量损耗。为了最小化机械能 损耗，期望系统（接收器50或70)具有的有效Q值至少、且优选远大于10。扭转振荡接收 器50的有效Q值传统上定义为。旋转接收器50的有效Q值可定义为每转的旋转动能损耗 相对于摩擦的分数的倒数，即，?可以通过易于得到的轴承实 现对于旋转接收器70非常高的有效Q值（如，在某些实施方式中高于1000)。
[0048] 接收器50、70可用作感应电力传输系统中的接收器。如上所述，这样的电力传输 系统也要求发送器生成时变磁场并从而感生接收器磁体52的移动，或更具体地，使接收器 磁体52获得机械能从而取代由发送器提取的能量。
[0049] 发送器可采用建立延伸到接收器50、70的附近的时变磁场的任何方法。在当前优 选的实施方式中，发送器建立的时变磁场是重复的。例如，发送器建立的时变磁场可以是周 期性的（但周期可随时间改变）。在一个示例性的实施方式中，发送器可包括用于特殊目的 的交流电流流经的线圈，从而产生时变磁场。在另一实施方式中，发送器可包括用于某些其 他目的的交流电流已流经的导体（例如，导体可形成建筑物的电分配系统的部件）。在另一 个示例性实施方式中，发送器可包括另一个永久"发送器"磁体，其被引起移动从而建立延 伸到接收器50、70的附近的时变磁场。这样的发送器磁体可通过（作为非限制性实例）电 动马达或通过流经另一个"发送器"线圈的交流电流来驱动，其中该电动马达通过机械连接 机构（mechanical linkage)将电能转换为发送器磁体的机械能，而该交流电流经电磁相互 作用（如，洛伦兹力）将电能转换为发送器磁体的机械能。一般地，发送器可采用移动发送 器磁体的任何机械装置。
[0050] 图7A示意地示出了根据一个特定实施方式的发送器100,其适于与这里所述的任 意接收器一起使用。发送器100包括马达102,该马达经其驱动轴（未明确示出）且经连 接机构104耦合到发送器磁体106,以使得马达102移动发送器磁体106。作为非限制性 的实例，马达102可包括电动马达（如，AC感应马达、DC电刷马达、DC无电刷马达等）。马 达102可由来自适当的驱动器电路（未示出）的适当电信号驱动。适当驱动器信号和电路 是本领域技术人员已知的。连接机构104可包括将马达102的轴的机械能传输到磁体106 的任何合适的机械连接机构。作为非限制性的实例，连接机构104可包括一个以上滑轮、齿 轮、离合器等。连接机构可设计成使马达102在其最优范围（如最优效率范围）内操作，同 时向发送器磁体106赋予期望的移动特性。
[0051] 发送器磁体106可具有类似于这里所述的接收器磁体（如磁体30、52)的特性。发 送器磁体106可包括永久偶极磁体，其可包括钕、铁氧体等。在图7A所示的实施方式中，发 送器磁体106为具有圆柱轴108的大致柱形并具有偶极矢量106A，其在延伸进入并离开页 面的平面内从左向右取向。马达102、连接机构104和磁体106可被配置为关于旋转轴110 旋转磁体106,该旋转轴可以与圆柱轴108共轴。这样的旋转移动可以是周期性的；然而， 旋转周期可以改变。磁体106可被支撑以由合适的旋转耦合器（未示出）旋转。这样的旋 转耦合器可以类似于上述接收器70的旋转耦合器72。
[0052] 发送器磁体106的柱形不限于具有圆形截面的柱体，且发送器磁体106可具有各 种截面形状。在其他实施方式中，发送器磁体106可具有其他形状。例如，发送器磁体106 可大致为球形，以使旋转轴110大致与球体的直径共轴。在其他实施方式中，马达102、连 接机构104和磁体106可配置为关于轴108振荡磁体106 (如，关于轴108将磁体106在第 一角方向上转动旋转的一部分，且然后在相反的角方向上将磁体106转回到其初始位置）。 这样的振荡移动可以是周期性的；然而，振荡周期可以改变。发送器磁体106例如可以通过 一个以上类似于接收器70的旋转耦合器72的合适的旋转耦合器、或通过一个以上类似于 上述接收器50的柔性安装件60的合适的柔性耦合器而被支撑以进行这样的振荡移动。发 送器100可通过在相反的角方向上驱动磁体106、或通过在一个角方向上间歇驱动磁体106 并使由柔性安装件赋予的回复扭矩在相反的角方向上回复磁体106,而对磁体106赋予振 荡移动。
[0053] 图7B示意性地示出了根据另一个特定实施方式的发送器120,其适于与这里所述 的任何接收器一起使用。发送器120在许多方面类似于发送器100 ;因此，使用相同的参考 标号来指示发送器100和发送器120中的相似特征。发送器120与发送器100的不同之处 在于，除了是机械驱动的以外，发送器磁体106是由磁体106和一个以上线圈122中时变电 流之间的电磁相互作用驱动的。在所示实施方式中，发送器120包括一对线圈122,其被定 位并取向为在页面的平面内具有基本共轴的线圈轴122A。每个线圈122可包括一个以上 匝。时变电流可施加至线圈122。
[0054] 发送器磁体106的磁场和线圈122中时变电流之间的相互作用引起时变洛伦兹力 和相应的时变扭矩，该时变扭矩趋于移动发送器线圈106。线圈122中的电流可由来自一个 以上适当的驱动器电路（未示出）的一个以上适当的电信号驱动。这样的驱动器信号和电 路是本领域技术人员已知的。存在许多不同的可用的线圈构造和相关的驱动电流，所有这 些具有这样的特性，即对发送器磁体106做正机械功。正机械功表示由线圈122的磁场引 起的发送器磁体106上的扭矩乘以发送器磁体106的旋转角速度的时间平均值对于任何给 定的r. m. s电流应大于零，且优选尽可能地大。
[0055] 线圈122(和赋予其中的电流的驱动电路）和磁体106可被配置为关于旋转轴110 旋转磁体106,在所示实施方式中，旋转轴110与柱形磁体106的柱轴108共轴。这样的旋 转移动可以是周期性的；然而旋转的周期可改变。在其他实施方式中，线圈122(和赋予其 中的电流的驱动电路）以及磁体106可被配置为关于轴108振荡磁体106。这样的振荡移 动可以是周期性的；然而，振荡的周期可改变。发送器120的发送器磁体106可被合适地支 撑以按照与上述发送器100的发送器磁体类似的方式旋转和/或振荡移动。
[0056] 在其他方面，发送器120可类似于发送器100。
[0057] 图13示意性地示出了根据当前优选实施方式的电力传输系统250的截面图。电 力传输系统250包括接收器252和发送器254。接收器252包括被支撑以旋转移动的永久 磁体256,且基本类似于上述旋转接收器70 (图6)。更特别地，在所示实施方式中，接收器 252包括导体260,该导体包括具有一个以上导电匝的线圈262。线圈262是以截面示出的 并具有在页面平面内从左向右延伸的线圈轴（未明确示出）。在其他实施方式中，接收器 252可包括一个以上额外的线圈262。接收器磁体256包括永久偶极磁体（如，钕、铁氧体等 的），其具有偶极矢量256A。所示实施方式的接收器磁体256为具有柱轴258的柱形。在 其他实施方式中，接收器磁体256可以是球形的，该情况下，其具有直径258。接收器磁体 256被支撑以通过类似于接收器70的旋转耦合器72的旋转耦合器（未示出）旋转。接收 器磁体256的旋转移动可以关于（围绕）柱轴258进行，如箭头264所示。
[0058] 发送器254是类似于上述发送器120 (图7B)的线圈驱动的发送器。发送器254包 括被支撑以进行旋转移动的永磁体274。在所示实施方式中，发送器254还包括导体270， 该导体包括具有一个以上导电匝的线圈272。线圈272是以截面示出的并具有在页面平面 内从左向右延伸的线圈轴（未明确不出）。在其他实施方式中，发送器254可包括一个以 上额外的线圈272。发送器磁体274包括永久偶极磁体（如，钕、铁氧体等的），其具有偶极 矢量274A。所示实施方式的发送器磁体274为具有柱轴276的柱形。在其他实施方式中， 发送器磁体274可以是球形的，该情况下，其具有直径276。发送器磁体274被支撑以通过 类似于接收器70 (图6)的旋转耦合器72的旋转耦合器（未示出）旋转。发送器磁体274 的旋转移动可以是关于柱轴276,如箭头278所示。应注意，发送器磁体274和接收器磁体 256的旋转移动是沿相反的角方向的。
[0059] 在操作中，发送器254和接收器252相对彼此靠近并彼此对准。在某些实施方式 中，接收器252的旋转轴258和发送器254的旋转轴276基本平行（如在某些实施方式中 ±20°，或在另一些实施方式中±10° )。在其他实施方式中，接收器252的旋转轴258和 发送器254的旋转轴276基本共轴（如在某些实施方式中±20°，或在另一些实施方式中 ±10° )。然后电流被合适的驱动电路（未示出）供应到发送器线圈272。该电流引起发 送器磁体274关于旋转轴276在方向278上旋转，这建立第一时变磁场。可以使发送器磁 体274周期性旋转，这引起第一时变磁场的相应的周期性变化。接收器252经受第一时变磁 场并与发送器254以间隙隔开。该第一时变磁场可在线圈262中建立相应的第一磁通量， 该线圈262可在接收器线圈262中感生少量电流。然而，第一时变磁场还对接收器磁体256 施加扭矩，这趋于引起接收器磁体256关于轴258在方向264上旋转。接收器磁体256的 旋转建立第二时变磁场，该第二时变磁场在接收器线圈262中建立相应的第二磁通量并在 接收器线圈262中感生相应的电流。接收器线圈262可电连接到适当的负载（如，电池或 某些其他负载）并可输送电流到该负载。
[0060] 在接收器线圈262的第二磁通量（接收器磁体256的旋转建立的通量）可显著大 于在接收器线圈262的第一磁通量（S卩，发送器254输出的第一时变磁场建立的通量）。在 某些实施方式中，由第二时变磁场建立的通过接收器线圈262的RMS磁通量对由第一磁场 建立的通过接收器线圈262的RMS磁通量的比率大于或等于10。在某些实施方式中，该比 率大于或等于100。在另一些实施方式中，该比率大于或等于1〇 3。在又一些实施方式中， 该比率大于或等于1〇4。
[0061] 电力传输系统250已经成功用于以千瓦规模系统对连接到接收器线圈262的电动 车的电池的充电。在某些实施方式中，电力传输系统250也已经被用来以具有60瓦量级的 输出电力的系统来驱动连接到接收器线圈262的显著较小的电池。
[0062] 图8A示意性地示出了根据特定实施方式的感应电力传输系统150,其包括发送器 152和接收器154。发送器152可类似于上述发送器100或120。接收器154可类似于上述 接收器50或70。发送器152和接收器154由间隙156隔开。图8A中所示间隙156可以 空气填充或可以是真空。在某些实施方式中，间隙尺寸d至少为接收器154最小截面宽度 的10%。在某些实施方式中，间隙156的尺寸d可大于或等于5cm。在某些实施方式中，间 隙156的尺寸d可大于或等于10cm。在某些实施方式中，间隙156的尺寸d可大于或等于 15cm〇
[0063] 我们可以定义接收器磁体（如接收器50、70的磁体52)关于其旋转/振荡轴（如 接收器50的轴58或接收器70的轴76)的"最大移动半径"。对于扭转振荡和/或旋转移 动，接收器154中接收器磁体的最大移动半径可包括振荡/旋转轴与在发送器152建立的 磁场影响下关于振荡/旋转轴旋转/振荡的接收器磁体上的最外点之间的距离。最大移动 半径在接收器50 (图5)和接收器70 (图6)中标记为R。在某些实施方式中，间隙156的尺 寸d对接收器磁体的最大移动半径R的比率大于或等于1。在某些实施方式中，该比率大于 或等于5。在另一些实施方式中，该比率大于或等于10。在又一些实施方式中，该比率大于 或等于20。
[0064] 图8B示出了如图8A中相同的感应电力传输系统150,其包括发送器152和接收器 154。然而在图8B中，在间隙156中设置物理障碍物158。图8B示出了电力如何从发送器 152感应传输到接收器154。障碍物158可包括气体、液体或固体。障碍物158可包括物理 不可穿透的非磁性障碍物（诸如不锈钢压力腔的壁）。为了最有效的操作，间隙156应没有 (或具有有限量的）高磁导率材料和/或电导材料。位于间隙156中的高磁导率材料会防 止由发送器152产生的磁场有效达到接收器154的接收器磁体。位于间隙156中的电导材 料可产生所谓的涡流，该涡流可引起电阻性损耗（resistive loss)并可产生趋于抵消电力 传输系统150的操作所需磁场的磁场。可归因于涡流的效率损失可称为涡流阻尼。
[0065] 图9A和图9B分别示出了包括线圈172和接收器磁体174的接收器170的侧视图 和前视图。为了在接收器170中实现高效率，需要将线圈172设置得尽可能靠近接收器磁 体174同时允许磁体移动（如上所述振荡或旋转）。这在图9A和图9B中示出，其中接收器 170包括具有一个以上导电匝的单个线圈172,且线圈172与接收器磁体174被保持得尽可 能小的空间176隔开。
[0066] 在某些情况下，接收器的电力传输效率可利用多个线圈围绕磁体而增大。例如， 图10示出了根据特定实施方式的接收器180,其中接收器180包括三个线圈182AU82B、 182C。在所示实施方式中，每个线圈182A、182B、182C绕接收器磁体186的旋转/振荡轴 184以120°的偏差取向。每个线圈182A、182B、182C具有相应的线圈轴188A、188B、188C， 且每个线圈轴188A、188B、188C基本与旋转/振荡轴184正交（如在某些实施方式中为 90° ±20°，或在另一些实施方式中为90° ±10° )。线圈182A、182B、182C在感应特性 方面可设计成彼此基本相似，从而当接收器磁体186以恒定速度旋转/振荡时，在每个线圈 182A、182B、182C中感生基本相似的电流，但每个线圈182A、182B、182C中的电流与相邻电 流偏差120°。根据本申请，接收器180中感生的电流的各相可独立使用，或使用标准电转 换技术将三相转换为单个AC相或直流（DC)。
[0067] 线圈设计的选择可受物理尺寸和空间限制的影响（例如，如果要求扁平装置，则 单个线圈相对多个线圈实施是优选的）。不管线圈设计如何，都期望最大化靠近磁体的线圈 中磁场最强处的导体的量，同时最小化下面的区域内的导体的量，在这些区域内，磁场大小 太弱从而在不过度增加线圈的相应电阻的条件下无法显著增加感应电力。一般地，期望最 大化线圈中感应电压的平方对线圈电阻的比率，且因此最大化线圈的电力输出。为此，对于 任何给定磁体，存在线圈的最优尺寸和形状。
[0068] 接收器中使用的每个线圈包括一个以上导电匝。考虑包括大量匝的单个线圈。当 接收器磁体以角频率ω旋转时，假定通过位于接收器磁体附近线圈的磁通量以相似的频 率振荡是合理的。不希望被理论束缚，本发明人认为通过永久接收器磁体的移动而感生电 力的效率与φ〇2/&相关，其中φ〇 2是通过线圈的周期性通量的大小，且&是线圈电阻。因 为Φο2/%中两个因子都与接收器线圈及其绕组相关，所以该项可称为绕组因子。一般地， 通过永久接收器磁体的移动感生电力的效率随绕组因子增大而增大。换言之，较高效率可 通过增加磁通量同时减小绕组的电阻来实现。然而，这不总是易于实现的目标，因为加入每 个导电匝都会同时增加通量和电阻。因此将额外导电匝加入接收器、使得源自新匝的额外 通量贡献的益处超过其电阻是最佳的。
[0069] 图11示出了根据另一个实施方式的接收器200,其中接收器磁体206经连接机构 204机械耦合到次级（secondary)电力转换装置（如发电机、泵等）202,从而提供另一种从 接收器磁体206的移动提取电力的方法。在图11的实例中，接收器磁体206是柱形永磁体， 其具有偶极矢量206A并被支撑以关于旋转轴208旋转。对于接收器200的实施方式，电力 转换装置202通常可包括能使用与旋转的接收器磁体206相关的机械能并可转化该能量为 另一种所需形式的任何装置。
[0070] 在某些应用中需要连续电力传输，以使得发送器和接收器在所有时间都保持操 作。在其他应用中，需要手动操作系统。
[0071] 对于稳定的状态操作，在某些情况下，需要接收器磁体的移动与接收器磁体所响 应的外部施加的时变磁场（例如，由发送器产生的时变磁场）同步。在该外部施加的时变 磁场为周期性的情况下，当接收器磁体以与其所响应的磁场相同的周期旋转、振荡或其他 移动时，可实现该同步。
[0072] 在某些应用中，需要用一个以上检测系统和/或起动系统（start-up system)控 制电力传输。检测系统可用在发送器中从而检测合适的接收器的存在，反之亦然。起动系 统可用来帮助确保接收器磁体的移动与外部施加的时变磁场同步。适于和扭转振荡器一起 使用的检测和起动系统可能不适于与旋转振荡器一起使用，反之亦然。
[0073] 起动具有扭转振荡器的接收器可通过生成具有被调谐到振荡器的共振频率的合 适频率的磁场、或将振荡器的共振频率调谐为匹配施加的磁场来实现。在扭转振荡器的情 况下（如图5的接收器50)，当外部施加的振荡磁场具有平行于线圈56的轴56A的分量时， 接收器磁体52经受所得的振荡扭矩。如果施加的磁场的频率充分接近于扭转振荡器的共 振频率，则在接收器磁体52中建立旋转振荡，并进而在线圈56中驱动增强电平的感应电 压。该增强是由于接收器50的共振器的Q值和与接收器磁体52相关的高场强度所引起的。 因此，以所需频率操作的发送器可感应扭转振荡器接收器50的移动，因此"导通"或起动接 收器50。
[0074] 相反地，需要不同技术从静止状态"导通"或起动旋转振荡接收器（如图6的接收 器70)。一种起动方法是使发送器平滑且逐渐地增加其发送磁场的频率直到达到所需频率。 在具有旋转发送器磁体的发送器情况下（如发送器100 (图7A)和发送器120 (图7B)的磁 体106)，这可通过从静止状态开始旋转发送器磁体106,并平滑且逐渐地增加旋转频率直 到达到所需频率来实现。另一个方法是使发送器发送预期操作频率的磁场，并使控制器施 加控制电流到接收器线圈、从而使接收器磁体经历旋转加速直到其旋转速率匹配且"锁定 (lock in)"外部施加的磁场的频率，此时可开始正常（例如，同步）电力传输操作。例如， 在图6的旋转接收器70的情况下，可使用合适的传感器（未示出）来检测外部施加的磁场 的频率，且控制器（未示出）可在线圈56中驱动控制电流，以使得由线圈56中的控制电流 建立的磁场引起接收器磁体52加速到所需的外部施加磁场的操作频率。
[0075] 在扭转振荡或旋转的情况下，附近发送器磁体和接收器磁体的存在、接近和大致 取向的检测可以通过公知的电子元件（如基于霍尔效应的固态磁场传感器）来实现。从这 样的传感器获得的接近和磁体取向信息可用来启动电力传输操作。额外地或可选地，可使 用射频识别（RFID)技术或其他RF通信技术来传送接近和/或磁体取向信息以用于启动电 力传输操作。
[0076] 在霍尔效应传感器的情况下，可使用公知技术来分离特定磁体产生的信号（如， 从发送器磁体分离接收器磁体，反之亦然），因此确定特定磁体的接近。接近检测霍尔效应 传感器系统可设置在发送器、接收器、或这两者中，且隔着空气或非磁性物理不可穿透障碍 物也同样可以良好地操作，然而隔着金属障碍物，RFID传感器操作有效性较差。
[0077] 图12示出了感应电力传输系统220,其包括由间隙隔开的发送器222和接收器 224。系统220在发送器22中包括一对霍尔效应传感器（HI、H2)，其用来提供关于系统220 不同操作特性的信息给控制器226。在所示实施方式中，发送器磁体228和接收器磁体230 旋转安装，其中旋转轴进入且离开页面，且传感器HI、H2安装在发送器磁体228的任一侧， 它们的方向灵敏性（对磁场）由箭头指示。如已知的那样，来自传感器H1、H2的信号涉及 传感器在向外半径方向上经历的磁场。通过该构造，可以观察到传感器信号的和（H1+H2) 对发送器磁体228的旋转较为灵敏；然而，当存在接收器磁体230时，其产生传感器信号的 和（H1+H2)的显著变化。因此，传感器信号的和（H1+H2)可由控制器226使用从而确定接 收器224的存在和/或接近。
[0078] 该类型的接近感测的特征在于感测由接收器磁体230建立的磁场的强度。如果强 度在阈值以下，则控制器226可发送使发送器222关闭（如中止驱动发送器磁体228)的信 号。如果强度超过阈值，则控制器226可发出使发送器222起动（如开始发送器磁体228 的移动）的信号。类似的强度感测系统可在接收器224中执行从而感测由发送器磁体228 建立的磁场强度。如果强度高于或低于相应阈值，则接收器中的控制器可发送信号。所发 送的信号可提供信息给用户（如，发送器需要移动得更近），或可用于调整接收器线圈和电 负载之间的耦合（如，如果强度太低则从接收器去断开负载，或如果强度足够高则将负载 耦合到接收器）。
[0079] 系统220及发送器222中的传感器Hl、H2也能够感测一个轴上的接收器磁体230 的取向。在正交轴上加入另一对霍尔效应传感器可提供关于接收器磁体230取向的进一步 精确的信息。例如，在检测到接收器磁体230的取向角（相对于发送器磁体228建立的时 变磁场的）大于阈值量时，控制器226可输出指示发送器222与接收器224的相对取向应 再对准从而减小该取向角的信号。可在接收器224中设置类似的感测系统（如控制器和大 量传感器），从而检测关于接收器磁体230 (相对于发送器磁体228建立的时变磁场的）或 发送器磁体228的取向角和接收器磁体230的类似信息。
[0080] 在旋转振荡接收器的情况下，需要检测发送器磁场和接收器磁体的相对相位，因 为对于最大效率的操作，发送器磁场和接收器磁体应同步（即，频率匹配）。相差可通过所 谓的"偏离角（slip angle)"的偏移（shift)检测，且可在达到临界相角差且失去同步化之 前采取校正措施。
[0081] 一种偏离检测方法可使用射频（RF)信道发送由一个以上霍尔效应传感器确定的 磁体位置信息。这样的磁体位置信息可在接收器或发送器的任一个中检测到并发送到另一 个。接收该磁体位置信息的发送器或接收器可使用该信息，以及表征其自身磁体位置的信 息，以计算偏离角。
[0082] 图12的系统220可被用来检测偏离角。传感器HI、H2的取向使得传感器输出信 号的和（H1+H2)对发送器磁体228的角度不敏感，但对接收器磁体230的角度敏感。传感 器信号的差（H1-H2)主要为发送器磁体228提供相位信息。因此，发送器磁体228和接收 器磁体230之间的相差与（H1+H2)和（H1-H2)之间的相差有关。通过该偏离角信息，控制 器226可控制发送器磁体228的速度。例如，如果偏离角太接近90°，则控制器226可减小 与驱动发送器磁体228相关的驱动信号，因而减缓发送器磁体228并引起偏离角相应地减 小。相反，如果估计的偏离角足够小，则控制器226可增加与驱动发送器磁体228相关的驱 动信号，这可引起偏离角增加，但这可能允许更大的电力传输。控制目的是最大化电力传输 而不失去同步化。图12的偏离角控制技术可隔着金属障碍物操作，但前述RF方法不行。 [0083] 合适的传感器和相应的检测系统也可用来监控电流、电压、频率和扭矩，且监控到 的这些参数的值可用来为特定应用控制和适应电力传输。该控制能力可提供在发送器、接 收器、或这两者中。可在发送器和接收器之间提供通信链路，但这既不总是必须的也不是在 所有应用中都是有益的。同样的霍尔效应传感器和/或RF通信部件可用来接近检测和偏 离角检测。
[0084] 在又一应用中，需要用一个以上检测和基于电荷的"关闭"系统来控制电力传输。 在使用电荷传输系统来给电池充电（即，电池作为负载连接到接收器上的线圈）的情况下， 系统可设计成在接收器移动远离发送器时或在电池被充电时关闭。这样的关闭例如可通过 打开接收器和电池之间的电稱合（electrical coupling)中的开关实现。接收器可包括检 测与电池电荷状态相关的信息的一个以上传感器（如，电压测量或其他装置）。来自这样的 传感器的信号可提供给控制器，该控制器可使用这些信号估计电池的电荷状态和例如该电 荷是否大于阈值。然后控制器例如可通过打开接收器和电池之间电耦合中的开关来关闭充 电。在某些实施方式中，控制器可额外或可选地发送指示电池被充电的信号（如，给用户）。
[0085] 电池电荷状态的消息也可经合适的通信装置（如，遥测技术）传递到发送器。一 旦发送器确定电池被充电，贝1J其可中止时变磁场的产生。在其他实施方式中，发送器自身可 确定作为负载电连接到接收器的电池的电荷状态。例如，在发送器侧的合适传感器可用来 感测与发送器的总电负载相关的信息。这些信号可提供给能够估计发送器的总电负载的控 制器。随着连接到接收器的电池充满电，发送器的电力负载将显著下降，且此时发送器可关 闭。
[0086] 前面描述的电力传输系统是磁耦合且机械共振的。例如，扭转振荡器的机械共振 是根据其Q值定义的。旋转振荡器本身不是共振系统，但其的确具有共振系统的关键特征， 因为其移动是周期性的且每转损失的能量分数小。因此旋转振荡器可如前面所述根据"有 效Q值"来定义。这样的磁性耦合且机械共振电力传输系统相对于基于电磁共振的系统具 有显著的优点。第一，它们允许以低频获得高Q值或高的有效Q值，因为这对小机械共振器 是可能的，但对小电磁共振器则不可能。该第一个优点在利用从建筑物配线拾取AC的非常 低的电力装置中有用。第二，它们涉及较小的磁场变化率，这是由于源自偶极磁体的强度的 增强。第二优点在要考虑组织暴露于RF场的危险的经皮生物医学应用中是有用的。该方 法对于低电力应用（其中将装置和电配线隔开是有利的）也是有用的。
[0087] 前面的特征在诸如电动车电池充电的应用中是重要的，无论是人工操作还是自动 的，且该应用包括在外太空、大气中，陆地、道路或路轨上、地上和地下、或水上或水下行驶 的交通工具。在许多情况下，不仅在这样的充电操作中避免金属接触是有利的，而且避免对 任何种类的外部柔性配线或高精度的车辆对准的需要也是有利的。例如，交通工具可在充 电位置的约IOcm内移动，且如果交通工具和充电位置包括上述感应电力传输能力，则充电 可自动启动。为了促成该目的，接收器、或发送器、或这两者应能够传输对准信息到包括在 交通工具中的引导系统（guidance system)。例如，在电动车中，容纳发送器的充电站显示 器可指示车辆驾驶员交通工具是否已经达到合适位置，并指示交通工具达到该位置所需的 任何方向校正。为了增加可接受的车辆位置范围，特别在垂直方向上，接收器可包括自动调 整发送器位置以便最优耦合的装置。为了简化充电操作，充电站和交通工具之间的自动通 信可促成为所充的电能自动开出账单，同时也可提供一定范围的额外的有用信息。
[0088] 机械耦合的电力传输系统的另一个优点是在宽范围的尺寸规格上的可量测性。例 如，利用Imm直径或更小磁体的极小的生物相容且可注入系统可用来产生毫瓦电力以用于 皮下给药。设想了这里所述的感应电力传输系统的低频操作使这样的系统可用于宽范围的 生物医学应用，包括但不限于，充电或驱动植入的装置（如人工心脏等）。其他非限制性应 用包括对个人电子装置和家用电器充电。
[0089] 这里所示的各种实施方式和实现利用控制器接收信号并响应于其生成其他信号 或采取其他动作。这样的控制器可用不同类型的可编程控制器或处理器来实现。例如，这 样的控制器可包括合适的可编程计算机、合适的可编程嵌入数字处理器、合适的可编程逻 辑阵列（如，FPGA)等。控制器可包括一个以上的这样的处理器。控制器也可包括或能访 问内部和/或外部存储器（未示出），该存储器存储程序信息等。在某些实施方式中，控制 器可操作地连接（经合适的网络接口和网络连接）到一个以上远程工作站和/或其他系 统。在这样系统中，这里所述的控制器的部分功能可在这样的远程工作站和/或系统上实 现。虽然上面没有明确地示出或说明，可采用公知的信号调节电路来与这样的控制器接口。 作为非限制性的实例，这样的信号调节电路可包括模拟数字转换器（ADC)、数字模拟转换器 (DAC)、放大器、缓冲器、滤波器等。在某些实施方式中，这里提到的控制器可利用模拟域中 合适的控制电路时限。
[0090] 前述的各种变化和修改均在本发明的范围内。应该理解，这里公开和限定的本发 明可扩展到文本和/或附图记载或从中显而易见的两个以上独立特征的所有可选组合。所 有这些不同组合构成本发明不同的可选方面。这里所述的实施方式解释了已知的实现本发 明的最佳模式。本发明的各方面应解释为包括现有技术允许的范围内的各可选实施方式。 本发明应解读为包括所有这些修改、变换、添加和子组合。例如 ：
[0091] ?图12示出了发送器222中大量霍尔效应传感器H1、H2和控制器226,且上面的 描述说明这些传感器和控制器226如何用于检测接收器224的接近，发送器磁体228和接 收器磁体230的相对取向以及偏离角。应理解，可在接收器224中设置类似的传感器系统 (如，类似的传感器和控制器），且这样的传感器系统可用来检测发送器222的接近，发送器 磁体228和接收器磁体230的相对取向和偏离角。除了调整发送器磁体228的移动速度， 位于接收器中的传感器系统可调整接收器导体（如接收器线圈（图12中未示出））之间的 耦合。作为非限制性的实例，接收器线圈和负载之间的电耦合可包括开关，其可在偏离角与 所需水平变化太大时打开或闭合。通常期望以确保偏离角在对负载做正功的范围内的方式 来调整这样的耦合。
[0092] ?图13示出了这样的实施方式，其中发送器254和接收器252都是旋转振荡器-- 艮P，安装发送器磁体274和接收器磁体256以关于它们各自的旋转轴276、258旋转移动。在 其他实施方式中，发送器254和接收器252可包括扭转振荡器，其中安装发送器磁体274和 接收器磁体256 (用包括类似于接收器50的柔性安装件60 (图5)的偏置元件的柔性安装 件）以关于它们各自的振荡轴276、258扭转振荡移动。除了柔性安装件和振荡移动以外， 这样的扭转振荡器的实施方式可具有类似于上述旋转系统250的特性。
【权利要求】
1. 一种接收器，用于从第一时变磁场提取能量，所述接收器包括： 导体；以及 支撑件和接收器磁体，所述接收器磁体通过旋转耦合器而可移动地安装至所述支撑 件，并且位于所述第一时变磁场内，所述接收器磁体响应于所述第一时变磁场而相对于所 述支撑件可移动； 其中，所述导体和所述接收器磁体彼此相对定位为使得所述接收器磁体的移动在所述 导体附近建立第二时变磁场，从而在所述导体中感生电流；以及 其中，所述旋转耦合器连接于所述支撑件与所述接收器磁体之间，以允许响应于所述 第一时变磁场所述接收器磁体相对于所述支撑件关于旋转轴进行无限制的旋转移动。
2. 根据权利要求1所述的接收器，其中，所述导体包括一个以上线圈，每个线圈均包括 一个以上导电匝。
3. 根据权利要求1所述的接收器，其中，所述第一时变磁场是周期性的，并且所述接收 器磁体经由所述旋转耦合器而周期性移动，从而以与所述第一时变磁场的周期匹配的周期 相对于所述支撑件移动。
4. 根据权利要求1所述的接收器，其中，所述接收器磁体包括偶极永磁体。
5. 根据权利要求1所述的接收器，其中，所述接收器磁体包括偶极永磁体，并且所述接 收器磁体以所述接收器磁体的磁性偶极矢量与所述接收器磁体的旋转轴正交±20°被取 向。
6. 根据权利要求1所述的接收器，其中，所述旋转耦合器包括以下的一个以上：陶瓷球 轴承、宝石轴承以及其他可旋转轴承。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的接收器，包括一个以上霍尔效应传感器，被配置 为感测偏离角，所述偏离角包括所述第一时变磁场的周期性改变与所述接收器磁体的相应 周期性移动之间的相差。
8. 根据权利要求7所述的接收器，包括控制器，所述控制器经连接从所述一个以上霍 尔效应传感器接收一个以上信号，并被配置为估计所述偏离角，并被连接以发出输出信号， 所述输出信号基于估计的所述偏离角调整所述导体和电负载之间的电耦合，从而维持对所 述负载产生正功的偏离角。
9. 根据权利要求1至6中任一项所述的接收器，包括一个以上霍尔效应传感器，被配置 用于感测所述接收器磁体相对于所述第一时变磁场的取向角。
10. 根据权利要求9所述的接收器，包括控制器，所述控制器经连接从所述一个以上霍 尔效应传感器接收一个以上信号，并被配置为估计所述接收器磁体相对于所述第一时变磁 场的取向角，并被连接以在所估计的所述取向角大于阈值的情况下发出输出信号。
11. 根据权利要求1-6中任一项所述的接收器，包括一个以上霍尔效应传感器，被配置 为用于感测所述第一时变磁场的强度。
12. 根据权利要求11所述的接收器，包括控制器，所述控制器经连接从所述一个以上 霍尔效应传感器接收一个以上信号，并被配置为估计所述第一时变磁场的强度，并被连接 以在估计的所述强度为大于第一阈值以及小于第二阈值中的一个以上的情况下发出输出 信号。
13. 根据权利要求1-6中任一项所述的接收器，其中，所述导体电连接至电池，并且其 中所述接收器包括一个以上电荷传感器，被配置为用于感测所述电池的电荷。
14.根据权利要求13所述的接收器，包括控制器，所述控制器经连接从所述一个以上 电荷传感器接收一个以上信号，并被配置为估计所述电池的电荷，且经连接以在估计的电 荷大于或等于阈值的情况下发出输出信号。 15?-种电力传输设备，包括： 发送器，用于生成第一时变磁场，时变磁场的至少一个空间取向关于时间在方向上变 化；以及 接收器，与所述发送器以间隙隔开，所述接收器包括： 导体；以及 接收器支撑件和接收器磁体，所述接收器磁体可移动地安装至所述接收器支撑件，并 且位于所述第一时变磁场内，所述接收器磁体响应于所述第一时变磁场而相对于所述接收 器支撑件可移动； 其中，所述导体和所述接收器磁体彼此相对定位为使得所述接收器磁体的移动在所述 导体附近建立第二时变磁场，从而在所述导体中感生电流。
16. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述接收器磁体通过连接于所述接收器支撑 件与所述接收器磁体之间的旋转耦合器而被可移动地安装至所述接收器支撑件，以允许响 应于所述第一时变磁场所述接收器磁体相对于所述接收器支撑件关于旋转轴进行无限制 的旋转移动，并且其中所述间隙的长度对所述接收器磁体的最大移动半径的比率大于或等 于1。
17. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述接收器磁体通过一个以上弹性的柔性安 装件而被可移动地安装至所述接收器支撑件，所述一个以上弹性的柔性安装件连接于所述 接收器支撑件与所述接收器磁体之间，并且被布置以允许响应于所述第一时变磁场所述接 收器磁体相对于所述接收器支撑件关于振荡轴进行振荡运动，并且其中所述间隙的长度对 所述接收器磁体的最大移动半径的比率大于或等于1。
18. 根据权利要求15所述的设备，其中，非磁性障碍物位于所述发送器和所述接收器 之间的间隙内。
19. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述发送器包括发送器支撑件和可移动地安 装至所述发送器支撑件以相对于所述发送器支撑件移动的发送器磁体，所述发送器磁体的 移动建立所述第一时变磁场。
20. 根据权利要求19所述的设备，进一步包括一个以上弹性的第一柔性安装件，连接 于所述发送器支撑件与所述发送器磁体之间且被布置以允许所述发送器磁体相对于所述 发送器支撑件关于振荡轴进行振荡运动，所述一个以上弹性的第一柔性安装件被配置为随 着所述发送器磁体关于所述振荡轴远离环境取向移动而变形，并且对所述发送器磁体施加 回复扭矩以使所述发送器磁体返回到环境取向。
21. 根据权利要求20所述的设备，进一步包括一个以上弹性的第二柔性安装件，连接 于所述接收器支撑件与所述接收器磁体之间且被布置以允许所述接收器磁体关于振荡轴 进行振荡运动，所述一个以上弹性的第二柔性安装件被配置为随着所述接收器磁体关于所 述振荡轴远离环境取向移动而变形，并且对所述接收器磁体施加回复扭矩以使所述接收器 磁体返回到环境取向，并且其中所述发送器磁体和所述接收器磁体的振荡轴在±20°之内 平行。
22. 根据权利要求19所述的设备，其中，所述发送器磁体通过第一旋转耦合件可移动 地安装至所述发送器支撑件，所述第一旋转耦合件连接于所述发送器支撑件与所述发送器 磁体之间，以允许所述发送器磁体相对于所述发送器支撑件而关于旋转轴进行无限制旋转 运动。
23. 根据权利要求22所述的设备，进一步包括第二旋转耦合件，连接于所述接收器支 撑件与所述接收器磁体之间以允许响应于所述第一时变磁场所述接收器磁体相对于所述 接收器支撑件关于旋转轴进行无限制的旋转移动，并且其中所述发送器磁体和所述接收器 磁体的旋转轴在±20°之内平行。
24. 根据权利要求19至23中任一项所述的设备，其中，所述发送器磁体包括偶极永磁 体。
25. 根据权利要求20至21中任一项所述的设备，其中，所述发送器磁体包括取向为磁 性偶极矢量与所述发送器磁体的振荡轴正交在±20°内的偶极磁体。
26. 根据权利要求22至23中任一项所述的设备，其中，所述发送器磁体包括取向为磁 性偶极矢量与所述发送器磁体的旋转轴正交在±20°内的偶极磁体。
27. 根据权利要求22所述的设备，其中，所述第一旋转耦合件包括以下中的一个以上： 陶瓷球轴承、宝石轴承以及其他可旋转轴承。
28. 根据权利要求19至23中任一项所述的设备，其中，所述发送器包括一个以上霍尔 效应传感器，被配置为感测偏离角，所述偏离角包括所述发送器磁体的周期性移动与所述 接收器磁体的相应周期性移动之间的相差。
29. 根据权利要求28所述的设备，包括控制器，所述控制器经连接从所述一个以上霍 尔效应传感器接收一个以上信号，并被配置为估计所述偏离角，并被控制地连接以发出输 出信号，所述输出信号响应于估计的所述偏离角控制所述发送器磁体的移动，从而维持对 电连接至所述导体的负载传送正功的偏离角。
30. 根据权利要求19-23中任一项所述的设备，其中，所述发送器包括一个以上霍尔效 应传感器，被配置用于感测所述接收器磁体相对于所述发送器磁体的取向角。
31. 根据权利要求30所述的设备，包括控制器，所述控制器经连接从所述一个以上霍 尔效应传感器接收一个以上信号，并被配置为估计所述接收器磁体相对于所述发送器磁体 的所述取向角，并被连接以在所估计的所述取向角大于阈值的情况下发出输出信号。
32. 根据权利要求19至23中任一项所述的设备，其中，所述发送器包括一个以上霍尔 效应传感器，被配置为用于感测由所述接收器磁体建立的所述第二时变磁场的强度。
33. 根据权利要求32所述的设备，包括控制器，所述控制器经连接从所述一个以上霍 尔效应传感器接收一个以上信号，并被配置为确定所述第二时变磁场的强度，并被连接以 在所估计的所述强度为大于第一阈值以及小于第二阈值中的一个以上的情况下发出输出 信号。
34. 根据权利要求15至23中任一项所述的设备，包括一个以上RFID接近传感器，所述 RFID接近传感器位于所述发送器和所述接收器中的一个以上中。
35. 根据权利要求15至23中任一项所述的设备，其中，所述导体电连接至电池，并且其 中所述发送器包括一个以上电荷传感器，被配置用于感测所述电池的电荷。
36. 根据权利要求35所述的设备，其中，所述一个以上电荷传感器位于所述发送器处， 并且被配置用于检测与生成所述第一时变磁场相关联的电力。
37. 根据权利要求36所述的设备，包括控制器，所述控制器经连接从所述一个以上电 荷传感器接收一个以上信号，并被配置为估计所述电池的电荷并且经连接以在所估计的电 荷大于或等于阈值的情况下发出输出信号。 38?-种电力传输设备，包括： 发送器，用于生成第一时变磁场，时变磁场的至少一个空间取向关于时间在方向上变 化；以及 接收器，与所述发送器以间隙隔开，所述接收器包括位于所述第一时变磁场内的可移 动接收器磁体；以及 用于将所述接收器磁体的移动的机械能转换为另一形式的能量的装置； 其中，所述接收器进一步包括支撑件，并且所述接收器磁体被可移动地安装至所述支 撑件，以用于以下中的至少一个：响应于所述第一时变磁场使所述接收器磁体相对于所述 支撑件关于旋转轴进行旋转移动；以及响应于所述第一时变磁场使所述接收器磁体相对于 所述支撑件关于振荡轴进行振荡运动，并且其中，所述间隙的长度对所述接收器磁体的最 大移动半径的比率大于或等于1。
39. -种输送电荷到电负载的方法，所述方法包括： 将接收器磁体置于第一时变磁场中； 支撑所述接收器磁体以用于移动，所述接收器响应于所述第一时变磁场而关于旋转轴 以无限制旋转移动的方式进行移动； 相对于所述接收器磁体设置包括一个以上匝的线圈，以使得所述接收器磁体的移动在 所述线圈附近建立第二时变磁场，从而在所述线圈中感生电流；并且 将所述线圈电连接至所述负载。
40. 根据权利要求39所述的方法，其中，所述第一时变磁场是周期性的，并且将所述接 收器磁体设置于所述第一时变磁场包括使所述接收器磁体经受所得的周期性扭矩，从而通 过所述扭矩引起所述接收器磁体的周期性移动，所述接收器磁体周期性移动的周期与所述 第一周期性时变磁场的周期匹配。
41. 根据权利要求39至40中任一项所述的方法，其中所述负载包括电池，并且所述方 法进一步包括： 检测所述电池的电荷；以及 当所述电池的电荷大于阈值时，断开所述线圈和所述负载之间的电连接。
【文档编号】H02J17/00GK104393687SQ201410610723
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2010年2月26日 优先权日:2009年2月26日
【发明者】洛恩·A·怀特海德 申请人:英属哥伦比亚大学