專利名稱：有損環(huán)境中的無線能量轉(zhuǎn)移的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及亦被稱為無線功率傳輸?shù)臒o線能量轉(zhuǎn)移(transfer)。
背景技術(shù)：
可以使用多種已知輻射或遠(yuǎn)場和非輻射或近場技術(shù)來無線地轉(zhuǎn)移能量或功率。例如，可以將使用低方向性天線的輻射無線信息轉(zhuǎn)移(諸如在無線電和蜂窩式通信系統(tǒng)和家用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用的那些)視為無線能量轉(zhuǎn)移。然而，此類輻射轉(zhuǎn)移是非常低效的，因?yàn)閮H獲取了供應(yīng)或輻射的功率的很小一部分，即沿著接收機(jī)的方向并與之重疊的那部分。大多數(shù)功率沿著所有其它方向被輻射開并損耗在自由空間中。此類低效功率轉(zhuǎn)移對于數(shù)據(jù)傳輸而言是可接受的，但是對于為了做工目的(諸如為了向電氣設(shè)備供電或充電)而轉(zhuǎn)移有用量的電能而言是不實(shí)際的。改善某些能量轉(zhuǎn)移方案的轉(zhuǎn)移效率的一種方式是使用定向天線來約束并優(yōu)選地指引輻射能量朝向接收機(jī)。然而，這些定向輻射方案在移動發(fā)射機(jī)和/ 或接收機(jī)的情況下可能要求不中斷的視線和潛在地復(fù)雜的跟蹤和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。另外，此類方案可能對正在傳送中度或大量功率時穿過或橫穿射束的對象或人造成危險。常常稱為感應(yīng)或傳統(tǒng)感應(yīng)的已知非輻射或近場無線能量轉(zhuǎn)移方案并非(故意地)輻射功率，而是使用流過初級線圈的振蕩電流來產(chǎn)生在附近接收或次級線圈中感生電流的振蕩磁近場。傳統(tǒng)感應(yīng)方案已經(jīng)證明了適中到大量功率的傳輸，然而僅僅是在非常短的距離上，并且在主電源單元與輔助接收機(jī)單元之間具有非常小的偏移容差。電變壓器和接近充電器(proximity charger)是利用此已知近程、近場能量轉(zhuǎn)移方案的設(shè)備的示例。因此，需要一種能夠在中程(mid-range)距離或?qū)?zhǔn)偏移內(nèi)傳送有用量的電功率的無線功率轉(zhuǎn)移方案。此類無線功率轉(zhuǎn)移方案應(yīng)能夠相較傳統(tǒng)感應(yīng)方案所實(shí)現(xiàn)的那些在更大的距離和對準(zhǔn)偏移內(nèi)實(shí)現(xiàn)有用能量轉(zhuǎn)移，但是沒有輻射傳輸方案所固有的限制和風(fēng)險。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了一種能夠在中程距離和對準(zhǔn)偏移內(nèi)傳送有用量的功率的非輻射或近場無線能量轉(zhuǎn)移方案。本發(fā)明的技術(shù)使用具有長壽命的振蕩諧振模的耦合電磁諧振器來從電源向功率消耗裝置(power drain)轉(zhuǎn)移功率。該技術(shù)是全面的，并且可以應(yīng)用于大范圍的諧振器，即使在本文公開的涉及電磁諧振器的特定示例的情況下。如果諧振器被設(shè)計(jì)使得由電場存儲的能量被主要約束在結(jié)構(gòu)內(nèi)且由磁場存儲的能量主要在諧振器周圍的區(qū)域中。則主要由諧振磁近場來調(diào)解(mediate)能量交換?？梢詫⑦@些類型的諧振器稱為磁諧振器。如果諧振器被設(shè)計(jì)使得由磁場存儲的能量被主要約束在結(jié)構(gòu)內(nèi)且由電場存儲的能量主要在諧振器周圍的區(qū)域中。則主要由諧振電近場來調(diào)解能量交換?？梢詫⑦@些類型的諧振器稱為電諧振器。還可以將兩種中任一類型的諧振器稱為電磁諧振器。在本文中公開了這兩種類型的諧振器。我們公開的諧振器的近場的全向但固定(無損耗)性質(zhì)在很寬的方向和諧振器取向的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)在中程距離上的高效無線能量轉(zhuǎn)移，適合于充電、供電或同時對多種電子設(shè)備供電和充電。結(jié)果，一種系統(tǒng)可以具有多種可能的應(yīng)用，其中，被連接到電源的第一諧振器在一個位置，并且潛在地連接到電氣/電子設(shè)備、電池、供電和充電電路的第二諧振器等處于第二位置，并且其中，從第一諧振器到第二諧振器的距離約為幾厘米至幾米。例如， 連接到有線電力網(wǎng)的第一諧振器可以位于房間的天花板上，而被連接到諸如機(jī)器人、交通工具、計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等設(shè)備的其它諧振器等在房間內(nèi)來回移動，并且其中，這些設(shè)備恒定地或間歇地從源諧振器無線地接收功率。對于這一個示例而言，一個人可以想象許多應(yīng)用，其中本文公開的系統(tǒng)和方法可以跨越中程的距離提供無線功率，包括消費(fèi)者電子裝置、工業(yè)應(yīng)用、基礎(chǔ)設(shè)施供電和照明、運(yùn)輸交通工具、電子游戲、軍事應(yīng)用等。當(dāng)諧振器被調(diào)諧至基本相同的頻率且系統(tǒng)中的損耗最小時，能夠使兩個電磁諧振器之間的能量交換最優(yōu)化。無線能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)使得諧振器之間的“耦合時間”比諧振器的“損耗時間”短得多。因此，本文所述的系統(tǒng)和方法可以利用具有低固有損耗率的高品質(zhì)因數(shù)(高Q)諧振器。另外，本文所述的系統(tǒng)和方法可以使用具有明顯比諧振器的特性尺寸更長地延伸的近場的亞波長諧振器，使得交換能量的諧振器的近場在中程距離處重疊。這是之前尚未實(shí)踐的操作區(qū)，并且明顯不同于傳統(tǒng)感應(yīng)設(shè)計(jì)。重要的是認(rèn)識到這里公開的高Q磁諧振器方案與已知近程或接近感應(yīng)方案之間的差別，即那些已知方案按照慣例沒有利用高Q諧振器。使用耦合模理論(CMT)(參見例如 Waves and Fields in Optoelectronics,H. A. Haus,Prentice Hall, 1984),可以顯示高 Q諧振器耦合機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)感應(yīng)方案所實(shí)現(xiàn)的間隔開中程距離的諧振器之間的功率遞送高幾個數(shù)量級的高效功率遞送。耦合高Q諧振器已經(jīng)證明了在中程距離上實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)移及在短程能量轉(zhuǎn)移應(yīng)用中改善效率和偏移容差。本文所述的系統(tǒng)和方法可以提供經(jīng)由強(qiáng)耦合高Q諧振器的近場無線能量轉(zhuǎn)移， 一種具有安全地且在比使用傳統(tǒng)感應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的大得多的距離上轉(zhuǎn)移從皮可瓦到千瓦的功率水平的潛力的技術(shù)。針對強(qiáng)耦合諧振器的多種一般系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)移，諸如強(qiáng)耦合聲諧振器、原子能諧振器、機(jī)械諧振器等的系統(tǒng)，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)中描述的那樣。 本文公開的是電磁諧振器和耦合電磁諧振器的系統(tǒng)，更具體地也稱之為耦合磁諧振器和耦CN 102439669 A
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合電諧振器，具有IOGHz之下的工作頻率。本公開內(nèi)容描述了也稱為無線功率傳輸技術(shù)的無線能量轉(zhuǎn)移技術(shù)。綜觀本公開內(nèi)容，我們可互換使用術(shù)語無線能量轉(zhuǎn)移、無線功率轉(zhuǎn)移、無線功率傳輸?shù)?。我們可以提到將來自源、AC或DC源、電池、源諧振器、電源、發(fā)電機(jī)、太陽能電池板和集熱器等的能量或功率供應(yīng)給設(shè)備、遠(yuǎn)程設(shè)備、多個遠(yuǎn)程設(shè)備、一個或多個設(shè)備諧振器等。我們可以描述中間諧振器，其通過允許能量跳躍、轉(zhuǎn)移通過、被臨時存儲、被部分地耗散、或允許以任何方式來調(diào)解從源諧振器到其它設(shè)備與中間諧振器的任何組合的轉(zhuǎn)移來擴(kuò)展無線能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的范圍， 從而可以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)或串或延長的路徑。設(shè)備諧振器可以從源諧振器接收能量，將該能量的一部分轉(zhuǎn)換成用于對設(shè)備供電和充電的電功率，并同時將接收到的能量的一部分傳到其它設(shè)備或移動設(shè)備諧振器上。能量可以從源諧振器轉(zhuǎn)移至多個設(shè)備諧振器，顯著地延長可無線地轉(zhuǎn)移能量的距離?？梢允褂枚喾N系統(tǒng)架構(gòu)和諧振器設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)無線功率傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括向單個設(shè)備或多個設(shè)備傳送功率的單個源或多個源?？梢詫⒅C振器設(shè)計(jì)為源或設(shè)備諧振器，或者可以將其設(shè)計(jì)為重發(fā)器(r印eater)。在某些情況下，諧振器可以同時是設(shè)備和源諧振器，或者可以將其從作為源進(jìn)行操作切換至作為設(shè)備或重發(fā)器進(jìn)行操作。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是可以由在本申請中描述的大范圍的諧振器設(shè)計(jì)和功能來支持多種系統(tǒng)架構(gòu)。在我們描述的無線能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中，可以使用無線供應(yīng)的功率或能量直接對遠(yuǎn)程設(shè)備供電，或者可以將設(shè)備耦合到諸如電池、法拉電容器、超級電容器等的儲能單元(或其它種類的功率消耗裝置)，其中，可以無線地對儲能元件充電或再充電，和/或其中，無線功率轉(zhuǎn)移機(jī)制僅僅是設(shè)備的主電源的補(bǔ)充?？梢杂芍T如具有集成存儲電容器等的混合電池/ 儲能設(shè)備來對設(shè)備供電。此外，可以將新型電池和儲能設(shè)備設(shè)計(jì)為利用由無線功率傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的操作改進(jìn)。其它功率管理方案包括使用無線地供應(yīng)的功率來對電池再充電或?qū)δ軉卧潆?，同時其進(jìn)行供電的設(shè)備被關(guān)斷、處于空閑狀態(tài)、處于睡眠模式等?？梢砸愿?快)或低 (慢)速率對電池或儲能單元充電或再充電。可以對電池或儲能單元涓流充電或浮動充電。 可以并行地同時對多個設(shè)備充電或供電，或者可以使到多個設(shè)備的功率遞送串行化，使得一個或多個設(shè)備在其它功率遞送被切換到其它設(shè)備之后的一段時間內(nèi)接收功率。多個設(shè)備可以同時地或以時間復(fù)用方式或以頻率復(fù)用方式或以空間復(fù)用方式或以取向復(fù)用方式或以時間和頻率和空間和取向復(fù)用的任何組合來與一個或多個其它設(shè)備共享來自一個或多個源的功率。多個設(shè)備可以相互共享功率，至少一個設(shè)備被連續(xù)地、間歇地、周期性地、偶爾地或臨時地重新配置以作為無線功率源進(jìn)行操作。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解的是存在向設(shè)備供電和/或充電的多種方式，并且所述多種方式可以應(yīng)用于本文所述的技術(shù)和應(yīng)用。無線能量轉(zhuǎn)移具有多種可能的應(yīng)用，包括例如將源(例如連接到有線電力網(wǎng)的一個)放置在房間的天花板上、在地板下或在墻壁中，同時將諸如機(jī)器人、交通工具、計(jì)算機(jī)、 PDA等放置在室內(nèi)或其在室內(nèi)自由地移動。其它應(yīng)用可以包括對電引擎交通工具供電或再充電，諸如公交車和/或混合汽車和醫(yī)療設(shè)備，諸如可穿戴或可植入設(shè)備。附加示例性應(yīng)用包括對獨(dú)立電子裝置(例如膝上型計(jì)算機(jī)、蜂窩電話、便攜式音樂播放器、家務(wù)機(jī)器人、GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)、顯示器等)、傳感器、工業(yè)和制造設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和監(jiān)視器、家用器具和工具(例如燈、風(fēng)扇、鉆、鋸、加熱器、顯示器、電視、柜臺上器具等)、軍用設(shè)備、保暖或照明衣物、通信和導(dǎo)航設(shè)備，包括嵌入交通工具、衣物和保護(hù)性衣物中諸如頭盔、防彈服和背心的設(shè)備等供電或再充電的能力，以及向被物理隔離的設(shè)備傳送功率的能力，諸如向植入的醫(yī)療設(shè)備，向隱藏、掩埋、植入或嵌入的傳感器或標(biāo)簽，和/或從屋頂太陽能電池板向室內(nèi)配電盤等。在一個方面，在此公開的是一種系統(tǒng)，其包括具有品質(zhì)因數(shù)A和特性尺寸X1并且利用直接電連接而耦合到發(fā)電機(jī)的源諧振器；和具有品質(zhì)因數(shù)A和特性尺寸&、利用直接電連接而耦合到負(fù)載、并且位于與源諧振器相距距離D的第二諧振器，其中所述源諧振器和第二諧振器被耦合以在源諧振器和第二諧振器之間無線地交換能量以便從發(fā)電機(jī)向負(fù)載傳送功率，并且其中大于100。A可以大于100并且％可以小于100。A可以大于100并且％可以大于100?？梢栽趶?到D的操作距離上保持有用能量交換，其中D大于X1和&中的較小的一個。源諧振器和第二諧振器中的至少一個可以是連接到第一電容器網(wǎng)絡(luò)的至少一匝導(dǎo)電材料的線圈。第一電容器網(wǎng)絡(luò)可以包括至少一個可調(diào)諧電容器。源諧振器到發(fā)電機(jī)的接地端子和第二諧振器到負(fù)載的接地端子中至少一個的直接電連接可以在第一電容器網(wǎng)絡(luò)的電氣對稱軸上的點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。第一電容器網(wǎng)絡(luò)可以包括至少一個可調(diào)諧蝶式電容器，其中到接地端子的直接電連接在至少一個可調(diào)諧蝶式電容器的中心端子上實(shí)現(xiàn)。源諧振器到發(fā)電機(jī)和第二諧振器到負(fù)載中至少一個的直接電連接可以通過第二電容器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，其中第一電容器網(wǎng)絡(luò)和第二電容器網(wǎng)絡(luò)形成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可以被設(shè)計(jì)為使線圈與發(fā)電機(jī)的特性阻抗或在發(fā)電機(jī)的驅(qū)動頻率下的負(fù)載匹配。第一電容器網(wǎng)絡(luò)和第二電容器網(wǎng)絡(luò)中的至少一個可以包括至少一個可調(diào)諧電容器。第一電容器網(wǎng)絡(luò)和第二電容器網(wǎng)絡(luò)可以是可調(diào)整的以改變阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)在發(fā)電機(jī)的驅(qū)動頻率下的阻抗。第一電容器網(wǎng)絡(luò)和第二電容器網(wǎng)絡(luò)可以是可調(diào)整的以使線圈與發(fā)電機(jī)的特性阻抗或在發(fā)電機(jī)的驅(qū)動頻率下的負(fù)載匹配。第一電容器網(wǎng)絡(luò)和第二電容器網(wǎng)絡(luò)中的至少一個可以包括降低至少一個可調(diào)諧電容器兩端的電壓的至少一個固定電容器。源諧振器到發(fā)電機(jī)和第二諧振器到負(fù)載中至少一個的直接電連接可以被配置成基本上保持諧振模。 源諧振器和第二諧振器中的至少一個可以是可調(diào)諧諧振器。源諧振器可以在物理上與發(fā)電機(jī)分離并且第二諧振器可以在物理上與負(fù)載分離。第二諧振器可以耦合到功率轉(zhuǎn)換電路以向負(fù)載遞送DC功率。第二諧振器可以耦合到功率轉(zhuǎn)換電路以向負(fù)載遞送AC功率。第二諧振器可以耦合到功率轉(zhuǎn)換電路以向負(fù)載遞送AC和DC功率這二者。第二諧振器可以耦合到功率轉(zhuǎn)換電路以向多個負(fù)載遞送功率。在另一個方面，在此公開的系統(tǒng)包括具有品質(zhì)因數(shù)A和特性尺寸X1的源諧振器， 和具有品質(zhì)因數(shù)A和特性尺寸&、并且位于與源諧振器相距距離D的第二諧振器；其中源諧振器和第二諧振器被耦合以在源諧振器和第二諧振器之間無線地交換能量；并且其中極大于100，并且其中諧振器中的至少一個被封閉在低損耗角正切材料中。在另一個方面，在此公開的系統(tǒng)包括具有品質(zhì)因數(shù)A和特性尺寸X1的源諧振器， 和具有品質(zhì)因數(shù)A和特性尺寸&、并且位于與源諧振器相距距離D的第二諧振器；其中源諧振器和第二諧振器被耦合以在源諧振器和第二諧振器之間無線地交換能量；并且其中顧大于100 ；并且其中諧振器中的至少一個包括連接到電容器網(wǎng)絡(luò)的多匝導(dǎo)電材料的線圈，其中所述多匝位于共同平面中，并且其中所述諧振器中的至少一個的特性厚度比所述諧振器中的至少一個的特性尺寸小得多?？v觀本公開內(nèi)容，我們可以將諸如電容器、電感器、電阻器、二極管、開關(guān)等某些電路組件稱為電路組件或元件。我們還可以將這些組件的串聯(lián)和并聯(lián)組合稱為元件、網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電路等。我們可以將電容器、二極管、變抗器、晶體管和/或開關(guān)的組合描述為可調(diào)整阻抗網(wǎng)絡(luò)、調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)、匹配網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整元件等。我們還可以提到使電容和電感這二者遍及整個對象分布(或部分地分布，與單獨(dú)地集總相反)的“自諧振”對象。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是在電路或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)調(diào)整和控制可變組件可以調(diào)整該電路或網(wǎng)絡(luò)的性能，并且那些調(diào)整可以一般描述為調(diào)諧、調(diào)整、匹配、修正等。除調(diào)整諸如電感器和電容器或成組的電感器和電容器的可調(diào)諧組件之外，其它調(diào)諧或調(diào)整無線功率轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的方法可以單獨(dú)使用。除非另外定義，本文所使用的所有技術(shù)和/或科學(xué)術(shù)語具有與本公開所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的意義相同的意義。在與出版物、專利申請、專利和通過引用在本文中提及或結(jié)合到本文中的其它參考文獻(xiàn)沖突的情況下，本說明書(包括定義)將具有支配權(quán)。在不脫離本公開的范圍的情況下，可以單獨(dú)地或組合地使用任何上述特征。通過以下詳細(xì)說明和附圖，本文公開的系統(tǒng)和方法的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。


圖1 (a)和(b)描繪了包含以距離D分隔開的源諧振器1和設(shè)備諧振器2的示例性無線功率系統(tǒng)。圖2示出根據(jù)本公開中描述的加標(biāo)簽慣例被加標(biāo)簽的示例性諧振器。請注意，在諧振器1的附近未示出無關(guān)對象或附加諧振器。圖3示出在存在“加載”對象的情況下，根據(jù)本公開中描述的加標(biāo)簽慣例被加標(biāo)簽的示例性諧振器。圖4示出在存在“擾動”對象的情況下，根據(jù)本公開中描述的加標(biāo)簽慣例被加標(biāo)簽的的示例性諧振器。圖5示出效率η對比強(qiáng)耦合系數(shù)== AV^的繪圖。圖6(a)示出諧振器的一個示例的電路圖，(b)示出電容加載電感器環(huán)路磁諧振器的一個示例的圖示，(c)示出具有分布式電容和電感的自諧振線圈的圖，(d)示出與本公開的示例性磁諧振器相關(guān)聯(lián)的電場和磁場線的簡化圖，以及(e)示出電諧振器的一個示例的圖示。圖7示出可以用于MHz頻率下的無線功率傳輸?shù)氖纠灾C振器的作為頻率的函數(shù)的“品質(zhì)因數(shù)％(實(shí)線)的圖。吸收性Q(短劃線)隨著頻率增加，而輻射性Q(點(diǎn)線)隨著頻率減小，因此，促使總的Q在特定頻率處達(dá)到峰值。圖8示出諧振器結(jié)構(gòu)的圖，其特性尺寸、厚度和寬度均被指示。圖9(a)和(b)示出示例性感應(yīng)環(huán)路元件的圖。圖10(a)和(b)示出在印刷電路板上形成并用來實(shí)現(xiàn)磁諧振器結(jié)構(gòu)中的電感元件的跡線(trace)結(jié)構(gòu)的兩個示例。圖11(a)示出平面磁諧振器的透視圖，(b)示出具有各種幾何結(jié)構(gòu)的兩個平面磁諧振器的透視圖，以及(c)示出以距離D分隔開的兩個平面磁諧振器的透視圖。圖12是平面磁諧振器的示例的透視圖。
圖13是具有圓形諧振器(circular resonator)線圈的平面磁諧振器布置的透視圖。圖14是平面磁諧振器的有效區(qū)域(active area)的透視圖。圖15是無線功率轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的應(yīng)用的透視圖，其中處于桌子中心處的源對放置在源周圍的多個設(shè)備供電。圖16(a)示出由繞其中心處的阻塞點(diǎn)的電流的正方形環(huán)路驅(qū)動的銅和磁性材料結(jié)構(gòu)的3D有限元模型。在本示例中，結(jié)構(gòu)可以由用諸如銅的導(dǎo)電材料制成、被一層磁性材料覆蓋并通過一塊磁性材料連接的兩個盒子組成。本示例中的兩個導(dǎo)電盒子的內(nèi)部將與在盒子外面產(chǎn)生的AC電磁場屏蔽開來，并且可以容納可能降低諧振器的Q的有損耗對象或可能被AC電磁場負(fù)面地影響的敏感組件。還示出了所計(jì)算的由此結(jié)構(gòu)生成的磁場流線，指示磁場線趨向于遵循磁性材料中的較低磁阻路徑。圖16(b)示出如圖(a)所示的兩個相同結(jié)構(gòu)之間的如所計(jì)算的磁場流線所指示的交互作用。由于對稱性以及為了降低計(jì)算復(fù)雜性， 僅對系統(tǒng)的一半進(jìn)行建模(但是，該計(jì)算假定了另一半的對稱布置)。圖17示出包括繞結(jié)構(gòu)纏繞N次的導(dǎo)線的磁諧振器的等效電路表示，可能包含可透磁材料。使用繞包括磁性材料的結(jié)構(gòu)纏繞的導(dǎo)電環(huán)路來實(shí)現(xiàn)電感，并且電阻器表示系統(tǒng)中的損耗機(jī)構(gòu)(R^e用于環(huán)路中的電阻損耗，Ru表示被環(huán)路圍繞的結(jié)構(gòu)的等效串聯(lián)電阻)?？梢詫p耗最小化以實(shí)現(xiàn)高Q諧振器。圖18示出頻率6. 78MHz的外部磁場中的由有損耗電介質(zhì)材料組成的圓盤之上和之下的兩個高導(dǎo)電率表面的有限元法(FEM)模擬。請注意，磁場在圓盤之前是均勻的，并且導(dǎo)電材料被引入模擬環(huán)境。在圓柱形坐標(biāo)系中執(zhí)行此模擬。圖像是繞r = 0軸方位角對稱的。有損耗電解質(zhì)圓盤具有ε r = 1和σ = 10S/m。圖19示出在其附近具有被高導(dǎo)電率表面完全地覆蓋的有損耗對象的磁諧振器的圖。圖20示出在其附近具有被高導(dǎo)電率表面部分地覆蓋的有損耗對象的磁諧振器的圖。圖21示出在其附近具有被設(shè)置在高導(dǎo)電率表面之上的有損耗對象的磁諧振器的圖。圖22示出完全無線投影儀的圖示。圖23示出沿著包含圓形環(huán)路電感器的直徑和沿著環(huán)路電感器的軸的電場和磁場的幅值。圖M示出磁諧振器和其外殼以及被放置在(a)外殼的角落中，盡可能遠(yuǎn)離諧振器結(jié)構(gòu)或(b)在被磁諧振器中的電感元件封閉的表面的中心上的必需但有損耗的對象的圖。圖25示出具有在其上方的高導(dǎo)電率表面和有損耗對象的磁諧振器的圖，所述有損耗對象可以被帶到諧振器的附近，但是在高導(dǎo)電率片材上方。圖沈(幻示出被暴露于沿著ζ軸的最初均勻的外加磁場(灰色磁通線)的薄導(dǎo)電 (銅)圓柱或圓盤(直徑為20cm，高度為2cm)的軸向?qū)ΨQFEM模擬。對稱軸在r = 0處。 所示的磁流線在源于ζ =-①，其中，其被以Icm的間隔間隔開r = 3cm至r = IOcm0軸刻度以米為單位。圖26(b)示出與在(a)中相同的結(jié)構(gòu)和外加場，除導(dǎo)電圓柱已被修改為在其外表面上包括具有從=40的0.25mm的磁性材料層(不可見)。請注意，磁流線偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離圓柱的程度明顯比在(a)中小。圖27示出基于圖沈所示的系統(tǒng)的變化的軸對稱視圖。有損耗材料僅有一個表面被銅和磁性材料的分層結(jié)構(gòu)覆蓋。如圖所示，電感器環(huán)路被放置在與有損耗材料相對的銅和磁性材料結(jié)構(gòu)的一側(cè)。圖28(a)描繪了包括到高Q電感元件的間接耦合的匹配電路的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖^(b)示出了包括導(dǎo)體環(huán)路電感器和可調(diào)諧阻抗網(wǎng)絡(luò)的磁諧振器的方框圖。可以將到此諧振器的物理電連接進(jìn)行至端子連接。圖^(c)描繪了被直接耦合到高Q電感元件的匹配電路的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖觀(d)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并被反對稱地驅(qū)動(平衡驅(qū)動)的對稱匹配電路的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖觀(e)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并在主諧振器的對稱點(diǎn)處接地(非平衡驅(qū)動)的匹配電路的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖四⑷和四㈦描繪了被耦合(即間接地或電感地)到高Q電感元件的匹配電路變壓器的兩個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(c)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了在CoL2 = 1/ C2的情況下從可以被圖31(b)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配到任意實(shí)阻抗&的復(fù)數(shù)阻抗(從電感元件的L和R 產(chǎn)生)。圖30 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與Z0 串聯(lián)的電容器的匹配電路的六個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。用輸入端子處的共模信號來驅(qū)動圖30 (a)、(b)、 (c)所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而圖30(d)、(e)、(f)所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是對稱的，并接收平衡驅(qū)動。圖 30(g)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以通過這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配的復(fù)數(shù)阻抗。圖 30(h)、⑴、(j)、(k)、(1)、(m)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與Ztl串聯(lián)的電感器的匹配電路的六個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖31 (a)、(b)、(c)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與、串聯(lián)的電容器的匹配電路的三個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其在電容器的中心點(diǎn)處接地并接收不平衡驅(qū)動。圖31(d)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以通過這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配的復(fù)數(shù)阻抗。圖31 (e)、(f)、 (g)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與4串聯(lián)的電感器的匹配電路的三個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖32(a)、(b)、(c)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與ZO串聯(lián)的電容器的匹配電路的三個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其通過電感器環(huán)路的中心點(diǎn)處的分接(tapping)接地并接收不平衡驅(qū)動。(d)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以被這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配的復(fù)數(shù)阻抗，(e)、(f)、(g)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與ZO串聯(lián)的電感器的匹配電路的三個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖33(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與 Z0并聯(lián)的電容器的匹配電路的六個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。用輸入端子處的共模信號來驅(qū)動圖33(a)、 (b)、(c)所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而圖33(d)、(e)、(f)所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是對稱的，并接收平衡驅(qū)動。圖33(g)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以被這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配的復(fù)數(shù)阻抗。 圖33(h)、(i)、(j)、(k)、(1)、(m)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與&并聯(lián)的電感器的匹配電路的六個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖34(a)、(b)、(c)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與&并聯(lián)的電容器的匹配電路的三個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其在電容器的中心點(diǎn)處接地并接收不平衡驅(qū)動。(d)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以被這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配的復(fù)數(shù)阻抗。圖34(e)、(f)、(g)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與4并聯(lián)的電感器的匹配電路的三個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖35(a)、(b)、(c)描繪了被直接耦合到高Q電感元件并包括與&并聯(lián)的電容器的匹配電路的三個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其通過電感器環(huán)路的中心點(diǎn)處的分接接地并接收不平衡驅(qū)動。 圖35(d)、(e)和(f)中的史密斯圖的突出顯示部分描繪了可以被這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配的復(fù)數(shù)阻抗。圖36 (a)、(b)、(c)、(d)描繪了被設(shè)計(jì)為在可變電容器上產(chǎn)生具有更細(xì)調(diào)諧分辨率的總可變電容和某些具有降低的電壓的固定和可變電容器的四個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖37(a)和37(b)描繪了被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生總可變電容的固定電容器和可變電感器的兩個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖38描繪了無線功率傳輸系統(tǒng)的高級方框圖。圖39描繪了示例性被無線供電的設(shè)備的方框圖。圖40描繪了示例性無線功率轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的源的方框圖。圖41示出了磁諧振器的等效電路圖。通過電容器符號的短斜線指示所表示的電容器可以是固定或可變的?？梢詫⒍丝趨?shù)測量電路配置為測量某些電信號，并且可以測量信號的幅值和相位。圖42示出其中用電壓控制電容器來實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧阻抗網(wǎng)絡(luò)的磁諧振器的電路圖。 可以由包括可編程或可控電壓源和/或計(jì)算機(jī)處理器的電路來調(diào)整、調(diào)諧或控制此類實(shí)施方式。可以響應(yīng)于由端口參數(shù)測量電路測量并由測量分析和控制算法和硬件處理的數(shù)據(jù)來調(diào)整電壓控制電容器。電壓控制電容器可以是開關(guān)電容器組。圖43示出了端到端無線功率傳輸系統(tǒng)。在本示例中，源和設(shè)備都包含端口測量電路和處理器。標(biāo)記為“耦合器/開關(guān)”的方框指示可以由定向耦合器或開關(guān)將端口測量電路連接到諧振器，使得能夠與功率轉(zhuǎn)移功能相結(jié)合地或分開地進(jìn)行源和設(shè)備諧振器的測量、調(diào)整和控制。圖44示出端到端無線功率傳輸系統(tǒng)。在本示例中，僅源包含端口測量電路和處理器。在這種情況下，所述設(shè)備諧振器工作特性可以是固定的，或者可以由模擬控制電路來調(diào)整，并且不需要由處理器生成的控制信號。圖45示出端到端無線功率傳輸系統(tǒng)。在本示例中，源和設(shè)備這二者都包含端口測量電路，但是僅源包含處理器。通過可以用單獨(dú)天線或通過源驅(qū)動信號的某種調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的無線通信信道來傳送來自設(shè)備的數(shù)據(jù)。圖46示出端到端無線功率傳輸系統(tǒng)。在本示例中，僅源包含端口測量電路和處理器。通過可以用單獨(dú)天線或通過源驅(qū)動信號的某種調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的無線通信信道來傳送來自設(shè)備的數(shù)據(jù)。圖47示出可以使用利用處理器或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的算法來自動地調(diào)整其頻率和阻抗的耦合磁諧振器。圖48示出變抗器陣列。圖49示出由源無線地供電或充電的設(shè)備(膝上型計(jì)算機(jī))，其中，源和設(shè)備諧振器在物理上與源和設(shè)備分離，但是被電連接到源和設(shè)備。
圖50(a)是被無線地供電或充電的膝上型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的圖示，其中設(shè)備諧振器在膝上型計(jì)算機(jī)外殼內(nèi)且不可見。圖50(b)是被無線地供電和充電的膝上型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的圖示，其中諧振器在膝上型計(jì)算機(jī)底座下面且通過線纜電連接到膝上型計(jì)算機(jī)功率輸入端。圖50(c)是被無線地供電或充電的膝上型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的圖示，其中諧振器被附著于膝上型計(jì)算機(jī)底座。圖50(d)是被無線地供電和充電的膝上型計(jì)算機(jī)應(yīng)用的圖示，其中諧振器被附著于膝上型計(jì)算機(jī)顯示器。圖51是具有無線功率轉(zhuǎn)移的屋頂PV板的圖示。圖52a)是分層PCB中的四層中的單獨(dú)跡線的布線(routing)的圖，b)是示出單獨(dú)跡線和通孔連接(via connection)的布線的三維透視圖。圖53a)是分層PCB的四層中的單獨(dú)跡線的布線的圖，其中單獨(dú)跡線之一被突出顯示以示出其通過該層的路徑，b)是示出導(dǎo)體跡線和通孔連接的布線的三維透視圖，其中導(dǎo)體跡線之一被突出顯示以示出其通過絞合(stranded)跡線的各層的路徑。圖M是單獨(dú)跡線的可替換布線的例子。圖55是PCB的一層中的單獨(dú)跡線的布線的圖示。圖56是PCB的導(dǎo)電層之間的布線方向的圖示。圖57是示出彼此接近地布線的兩個絞合跡線的通孔間距的共享的圖示。圖58(a)_(d)是具有各種特征尺寸和高寬比的絞合跡線的橫截面的圖示。圖59(a)是作為分離距離的函數(shù)的固定尺寸設(shè)備諧振器和不同尺寸源諧振器之間的無線功率轉(zhuǎn)換效率的繪圖，并且(b)是用于生成該繪圖的諧振器結(jié)構(gòu)的圖示。圖60(a)是作為橫向偏移的函數(shù)的固定尺寸設(shè)備諧振器和不同尺寸源諧振器之間的無線功率轉(zhuǎn)換效率的繪圖，并且(b)是用于生成該繪圖的諧振器結(jié)構(gòu)的圖示。圖61是示例性系統(tǒng)實(shí)施例的導(dǎo)體布置的圖示。圖62是示例性系統(tǒng)實(shí)施例的另一導(dǎo)體布置的圖示。圖63是包括相等尺寸的諧振器的陣列的源的示例性系統(tǒng)實(shí)施例的圖示。圖64是包括多種尺寸的諧振器的陣列的源的示例性系統(tǒng)實(shí)施例的圖示。圖65是包括平面諧振器結(jié)構(gòu)的可調(diào)整尺寸的源的示例性實(shí)施例的圖示。圖66(a)_(d)是示出用于可調(diào)整源尺寸的使用方案的圖示。圖67(a_b)是具有不同遮擋區(qū)(ke印out zone)的諧振器的圖示。圖68是具有對稱遮擋區(qū)的諧振器的圖示。圖69是具有不對稱的遮擋區(qū)的諧振器的圖示。圖70是無線功率轉(zhuǎn)移的應(yīng)用的圖示。圖71(a_b)是用于減少源和設(shè)備之間的橫向和角對準(zhǔn)依賴性的諧振器陣列的圖示。圖72是由于諧振器位移所引起的諧振器定向?qū)π实挠绊懙睦L圖。圖73(a_b)是示出諧振器之間的橫向和角失準(zhǔn)的圖示。
具體實(shí)施方式
如上所述，本公開涉及具有可以從電源向功率消耗裝置無線地轉(zhuǎn)移功率的長壽命振蕩諧振模的耦合電磁諧振器。然而，本技術(shù)不限于電磁諧振器，但是具有一般性，并且可以應(yīng)用于多種諧振器和諧振對象。因此，我們首先描述一般技術(shù)，然后公開用于無線能量轉(zhuǎn)移的電磁示例。諧振器可以將諧振器定義為能夠以至少兩種不同的形式儲存能量的系統(tǒng)，并且其中儲存的能量在兩種形式之間振蕩。諧振具有特定的振蕩模，其具有諧振(模態(tài))頻率f和諧振 (模態(tài))場?？梢詫⒔侵C振頻率ω定義為ω = 2Jif，可以將諧振波長λ定義為X=c/ f，其中，c是光速，并且可以將諧振周期T定義為T= Ι/f = 2π/ω。在不存在損耗機(jī)制、 耦合機(jī)制或外部能量供應(yīng)或消耗機(jī)制的情況下，總諧振器儲存能量W將保持固定，并且兩種能量形式將振蕩，其中，一個在另一個是最小值時將是最大值，反之亦然。在不存在無關(guān)材料或?qū)ο蟮那闆r下，圖1所示的諧振器102中的能量可能衰減或被固有損耗所損耗。諧振器場則服從以下線性等式^^--/(ω- Γ)ο( )
？其中，變量a(t)是諧振場振幅，其被定義使得由|a(t) |2來給定包含在諧振器內(nèi)的能量。Γ是固有能量衰減或損耗率(例如由于吸收和輻射損耗)。表征能量衰減的諧振器的品質(zhì)因數(shù)或Q因數(shù)或Q與這些能量損耗成反比?？梢詫⑵涠x為Q= *W/P，其中，P是在穩(wěn)態(tài)下?lián)p耗的時間平均功率。也就是說，具有高Q的諧振器102具有相對低的固有損耗，并且能夠相對長時間地儲存能量。由于諧振器以其固有的衰減速率2Γ損耗能量，所以由Q= ω/2Γ來給定也稱為其固有Q的其Q。質(zhì)量因數(shù)還表示振蕩周期T的數(shù)目，其使得諧振器中的能量以e的因數(shù)衰減。如上所述，我們將諧振器的品質(zhì)因數(shù)或Q定義為僅僅是由于固有損耗機(jī)制引起的。諸如兌的下標(biāo)指示Q所指代的諧振器(在這種情況下為諧振器1)。圖2示出根據(jù)此慣例標(biāo)記的電磁諧振器102。請注意，在本圖中，在諧振器1的附近不存在無關(guān)對象或附加諧振器。根據(jù)諸如諧振器和對象或其它諧振器之間的距離、對象或其它諧振器的材料組成、第一諧振器的結(jié)構(gòu)、第一諧振器中的功率等多種因數(shù)，在第一諧振器附近的無關(guān)對象和 /或附加諧振器可以對第一諧振器造成擾動或加載，從而對第一諧振器的Q造成擾動或加載?？梢詫⒃谥C振器附近的非故意的外部能量損耗或到無關(guān)材料和對象的耦合機(jī)制稱為對諧振器的Q造成“擾動”，并且可以由圓括號0內(nèi)的下標(biāo)來指示?？梢詫⑴c經(jīng)由到無線能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中的其它諧振器和發(fā)電機(jī)和負(fù)載的耦合所進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)移相關(guān)聯(lián)的預(yù)期外部能量損耗稱為對諧振器的Q進(jìn)行“加載”，并且可以由方括號[]內(nèi)的下標(biāo)來指示?？梢詫⒈贿B接或耦合到發(fā)電機(jī)g或負(fù)載302 1的諧振器102的Q稱為“被加載品質(zhì)因數(shù)”或“被加載Q”，并且如圖3所示，可以用Q[g]或Qm來表示。通常，不止一個發(fā)電機(jī)或負(fù)載302可以連接到諧振器102。然而，我們未單獨(dú)地列出那些發(fā)電機(jī)或負(fù)載，而是使用 “g”和“1”來指代由發(fā)電機(jī)和負(fù)載的組合施加的等效電路加載。在一般性說明中，我們可以使用下標(biāo)“ 1，，來指代被連接到諧振器的發(fā)電機(jī)或負(fù)載。在本文的某些討論中，我們將由于被連接到諧振器的發(fā)電機(jī)或負(fù)載而引起的“加載品質(zhì)因數(shù)”或“加載Q”定義為SQm，其中l(wèi)/SQm = l/Qm-1/Q。請注意，發(fā)電機(jī)或負(fù)載的加載Q、即δ Qm越大，被加載Q、即Qm越少地偏離諧振器的無載Q。在存在并非意在作為能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的一部分的無關(guān)對象402 ρ的情況下，諧振器的Q可以稱為“被擾動品質(zhì)因數(shù)”或“被擾動Q”，并且如圖4所示可以用Q(p)來表示。通常， 可以存在被表示為pl、p2等的許多無關(guān)對象或?qū)χC振器102的Q造成擾動的一組無關(guān)對象 {ρ}。在這種情況下，可以將被擾動Q表示為Q(p1+p2+...)或Q({p})。例如，Q1(brick+W00d)可以表示在存在磚或一塊木材的情況下，用于無線功率交換的系統(tǒng)中的第一諧振器的被擾動品質(zhì)因數(shù)，并且％({。^&})可以表示在辦公室環(huán)境中的用于無線功率交換的系統(tǒng)中的第二諧振器的被擾動品質(zhì)因數(shù)。在本文的某些討論中，我們將由于無關(guān)對象ρ而引起的“擾動品質(zhì)因數(shù)”或“擾動 Q”定義為δ Q(p)，其中1/ δ Q(p) ε 1/Q(p)-1/Q。如上所述，擾動品質(zhì)因數(shù)可以是由于多個無關(guān)對象pi、p2等或一組無關(guān)對象{ρ}引起的。對象的擾動Q、即SQ(p)越大，被擾動Q、即Q(p) 越少地偏離諧振器的未擾動Q。在本文的某些討論中，我們還定義了 θ(ρ) ^ Q(p)/Q并在存在無關(guān)對象的情況下， 將其稱為諧振器的“品質(zhì)因數(shù)不靈敏度”或“Q不靈敏度”。諸如θ1(ρ)的下標(biāo)指示被擾動或未擾動品質(zhì)因數(shù)所指的諧振器，S卩O1(P) ε Qkp)/^。請注意，還可以在必要時將品質(zhì)因數(shù)Q表征為“未擾動”以將其與被擾動品質(zhì)因數(shù) Q(P)區(qū)別開，并在必要時將其表征為“無載”以將其與被加載品質(zhì)因數(shù)Qm區(qū)別開。同樣地， 還可以在必要時將被擾動品質(zhì)因數(shù)Q(p)表征為“無載”，以將其與被加載被擾動品質(zhì)因數(shù)Q(p) [1]區(qū)別開。耦合諧振器通過其近場的任何部分被耦合，具有基本上相同的諧振頻率的諧振器可以交互并交換能量。存在可以用來理解、設(shè)計(jì)、優(yōu)化并表征此能量交換的多種物理圖片和模型。描述兩個耦合諧振器并對其之間的能量交換進(jìn)行建模的一種方式是使用耦合模理論(CMT)。在耦合模理論中，諧振器場服從以下線性方程組
dcim (t) (、H出m~『m)^2⑴+ ^ Σ KmnCin(J)
ηΦτη其中，指數(shù)表示不同的諧振器，并且κ·是諧振器之間的耦合系數(shù)。對于相反系統(tǒng)，耦合系數(shù)可以服從關(guān)系κ·= Knm。請注意，出于本說明書的目的，將忽視遠(yuǎn)場輻射干擾效應(yīng)，并因此將耦合系數(shù)視為實(shí)值。此外，由于在本說明中的系統(tǒng)性能的所有后續(xù)計(jì)算中，
耦合系數(shù)幾乎以其平方出現(xiàn)，所以我們使用κ·來表示實(shí)耦合系數(shù)的絕對值。請注意，來自上述CMT的耦合系數(shù)κ mn通過^) =2、/Vii與諧振器m和η之間的所謂耦合因數(shù)kmn相關(guān)。我們用= KjyIrjrn 二‘將“強(qiáng)耦合系數(shù)”Unm定義為諧振器m和η之間的耦合和損耗率的比率。以與由所連接的功率生成或消耗設(shè)備對諧振器進(jìn)行加載的類似方式，可以由該諧振器η或附加諧振器對存在類似頻率的諧振器η或附加諧振器的情況下的諧振器m的品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行加載?？梢杂芍C振器η對諧振器m進(jìn)行加載且反之亦然這一事實(shí)，僅僅是以不同方式看待諧振器被耦合。
可以將這些情況下的諧振器的被加載Q表示為Qm[n]和。對于多個諧振器或加載源或設(shè)備而言，可以通過將每個負(fù)載建模為電阻損耗并以適當(dāng)?shù)牟⑿泻?或串行組合將多個負(fù)載相加以確定系綜的等效負(fù)載來確定諧振器的總加載。在本文的某些討論中，我們將由于諧振器η而引起的諧振器m的“加載品質(zhì)因數(shù)” 或“加載Qm”定義為5Qm[n]，其中l(wèi)/SQm[n] ^ 1/Qm[n]_l/Qm。請注意，諧振器m也來對諧振器 η造成加載，并由1/ δ Qn[m] ^ Α η[ω]- Α η來給定其“加載化”。當(dāng)一個或多個諧振器被連接到發(fā)電機(jī)或負(fù)載時，將線性方程組修改為
權(quán)利要求
1.一種無線功率轉(zhuǎn)移系統(tǒng)包括至少一個源磁諧振器，包括耦合到功率源并且被配置成生成振蕩磁場的電容加載的導(dǎo)電環(huán)路；和至少一個設(shè)備磁諧振器，遠(yuǎn)離所述源諧振器，包括被配置成將所述振蕩磁場轉(zhuǎn)換成電能的電容加載的導(dǎo)電環(huán)路；其中至少一個所述諧振器具有在諧振器周圍的遮擋區(qū)，其用非有損材料層包圍諧振ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述遮擋區(qū)在諧振器周圍以對稱距離延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述遮擋區(qū)在諧振器周圍以不對稱距離延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述遮擋區(qū)是其中電場為最大的諧振器的最大周圍區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中最小遮擋區(qū)超過0.25mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中最小遮擋區(qū)超過1cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中最小遮擋區(qū)超過10cm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中最小遮擋區(qū)近似諧振器的特性尺寸的1.0%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中最小遮擋區(qū)近似諧振器的特性尺寸的0.1%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中磁諧振器進(jìn)一步包括磁性材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中至少一個磁諧振器具有大于100的固有Q。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中至少一個磁諧振器被浸入水中。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中至少一個磁諧振器被浸入油中。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中至少一個磁諧振器被浸入土制材料中。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中至少一個磁諧振器位于井中。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中至少一個磁諧振器位于生物內(nèi)部。
17.一種用于無線功率轉(zhuǎn)移的方法包括對包括電容加載的導(dǎo)電環(huán)路的至少一個源磁諧振器賦能以生成振蕩磁場；和提供至少一個設(shè)備磁諧振器，其遠(yuǎn)離所述源諧振器，包括被配置成將所述振蕩磁場轉(zhuǎn)換成電能的電容加載的導(dǎo)電環(huán)路；在至少一個諧振器周圍保持遮擋區(qū)以保持諧振器和環(huán)境的有損耗材料之間的分離距1 ο
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述遮擋區(qū)在諧振器周圍以對稱距離延伸。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述遮擋區(qū)在諧振器周圍以不對稱距離延伸。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中最小遮擋區(qū)超過0.25mm。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中最小遮擋區(qū)超過1cm。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中最小遮擋區(qū)超過10cm。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中最小遮擋區(qū)近似諧振器的特性尺寸的1.0%。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中最小遮擋區(qū)近似諧振器的特性尺寸的0.1%。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中磁諧振器進(jìn)一步包括磁性材料。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中至少一個磁諧振器具有大于100的固有Q。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中至少一個磁諧振器被浸入水中。
28.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中至少一個磁諧振器被浸入油中。
29.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中至少一個磁諧振器被浸入土制材料中。
30.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中至少一個磁諧振器位于井中。
31.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中至少一個磁諧振器位于生物內(nèi)部。
32.一種用于井穴中的無線功率轉(zhuǎn)移的源，包括電容加載的導(dǎo)電環(huán)路，其繞磁性材料芯纏繞并且耦合到功率源并且被配置成生成振蕩磁場；其中導(dǎo)電環(huán)路被定向?yàn)榕c井穴的長度共軸。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的源，進(jìn)一步包括多個電容加載的導(dǎo)電環(huán)路，其繞磁性材料芯纏繞，所述磁性材料芯在井穴的直徑周圍布置。
全文摘要
在此描述的是用于電子設(shè)備的無線功率轉(zhuǎn)移的改進(jìn)配置，其包括至少一個源磁諧振器，包括耦合到功率源并且被配置成生成振蕩磁場的電容加載的導(dǎo)電環(huán)路；和至少一個設(shè)備磁諧振器，遠(yuǎn)離所述源諧振器，包括被配置成將所述振蕩磁場轉(zhuǎn)換成電能的電容加載的導(dǎo)電環(huán)路；其中至少一個所述諧振器具有在諧振器周圍的遮擋區(qū)，其用非有損材料層包圍諧振器。
文檔編號H01F27/42GK102439669SQ201080016702
公開日2012年5月2日 申請日期2010年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月13日
發(fā)明者A·B·科斯, E·R·吉勒, K·L·霍爾, M·P·克斯勒, M·索爾亞奇克 申請人:韋特里西提公司