專利名稱：用于通過近場內電偶極子之間的遠程縱向耦合來傳輸、分配和管理電能的方法和設備的制作方法
用于通過近場內電偶極子之間的遠程縱向耦合來傳輸、分 配和管理電能的方法和設備
背景技術：
引言電磁波是眾所周知的電磁場的表現(xiàn)形式。在近場環(huán)境中(也就是在材料主體附近)，存在與純電場或純磁場有關的不同性質的各種現(xiàn)象。這些基本場不伴有波輻射并且能 夠持久地圍繞在置于真空內的主體周圍而不會發(fā)生明顯的能量損失。這些場通常與所謂的 靜電或靜磁狀態(tài)有關，而且存在多種應用，其中這些場被用于通過準接觸以動態(tài)方式傳輸 能量。對于磁場，可能會涉及到多種旋轉式工業(yè)機械用于將電能轉化為機械能或相反。對 于電場，應用比較少，但是值得關注地有電荷驅動設備例如靜電噴涂工藝或衛(wèi)星的離子推 進單元，并且最重要的是存在于我們日常生活環(huán)境中的所有電路板內的電容器。發(fā)明人的 主要工作是將靜電設備的場應用擴大、發(fā)展并提升為更加通用的電偶極子的動態(tài)場，電偶 極子振動得足夠慢以使得雖然不會明顯地輻射波但是彼此之間仍然動態(tài)耦合。概述長期以來，常規(guī)應用中非常短的距離和特別低的頻率(數量級為幾厘米和幾十Hz 的)使得能夠用通用的術語“準靜態(tài)”來描述這樣的狀態(tài)。如今近場被越來越多地用在數 量級為米的距離和MHz范圍內的頻率上，因此再提到準靜態(tài)狀態(tài)就變得比較復雜?？赡芸?以稱為無輻射的動態(tài)狀態(tài)，但是在下文中，我們還是建議繼續(xù)使用過去用過的基于專有名 詞的術語“電磁感應”和“感應”(而不是使用術語“靜電感應”，該術語在動態(tài)狀態(tài)下可能會 造成歧義)。電磁感應系統(tǒng)和感應系統(tǒng)的特征在于以下事實發(fā)揮作用的絕大部分能量仍然局 部地存儲在這些設備附近并且不會傳播。盡管這樣的設備至少在個體粒子的水平上必須是機電的或磁力的(也就是說，它 們將電磁學定律與機械定律相結合而發(fā)揮作用)，但是該特征在宏觀水平上可能會局部地 不明顯，允許當前在近場狀態(tài)和電磁波的近場狀態(tài)之間普遍存在混淆。由此，在電磁感應變 壓器的環(huán)境中，當縱向設置的兩個線圈之間的距離變得顯而易見時，眾多技術人員就確信 波在兩個遠程的偶極子之間傳播。相對比較容易地可以證明除了波長經常大于系統(tǒng)總尺寸 的事實之外，表示電磁能流量的坡印亭矢量(Poynting vector)在兩個偶極子的軸線上為 零。這一無法否認的事實在解釋時會引發(fā)重大問題，就此導致了對于用來描述在緊鄰區(qū)域 內的這種相互作用的標準模型的質疑。盡管通過電磁感應利用耦合的磁偶極子實現(xiàn)短距離上的能量傳輸已經有很長的 時間，但是直到最近本發(fā)明人才提出了利用兩個電偶極子之間的近場縱向耦合的設備。這 樣的設備能夠在感應方面被視為電磁感應變壓器的等效設備。作為一個實踐因素，為了這樣的電磁感應設備或者感應設備是無輻射的，它們的 總尺寸與所使用的信號的波長相比通常必須是比較小的。為了降低輻射，較大的系統(tǒng)也可 以被設想為使用多個反相區(qū)域。由此，在IMHz下基于兩個線圈操作的設備即可被認為是電磁感應設備，只要線圈之間的距離明顯地小于150m即可。應該注意的是目前在很多設備被描述為輻射設備而它們其實是感應設備時存在有很大的混淆。特別是絕大多數當前的射頻識別(RFID)設備都是電磁感應設備。本發(fā)明的框架本發(fā)明常用范圍方面的更多細節(jié)在由相同發(fā)明人提交的專利FR2875649， FR2875939, FR2876495 和 PCT/FR2006/000614 中進行了介紹。更具體地，本發(fā)明適用于通過兩個振動的電偶極子之間的整體感應或局部感應傳 輸電能，每個電偶極子都包括一對電極，其中一個電極是有源電極而另一個是無源電極，兩 個有源電極被設置為彼此相對。無源電極的尺寸大于有源電極的尺寸，和/或無源電極被 設置為間隔一定距離，以使有源電極附近區(qū)域內的電場比無源電極處的電場要強得多。在 發(fā)生器側，電極對由連接在兩個電極之間的高壓、高頻發(fā)生器供電。在負載側，負載被連接 在兩個電極之間。為了防止電磁波的有效輻射，盡管發(fā)生器的頻率相對較高，但是有源電極的尺寸 與所述的波長相比是比較小的。通常，電極可以被選擇為其尺寸是所用波長的十分之一 (以使輻射功率是近場功率的1/1000)。但是，在可以容許較大的波輻射度的某些應用中使 用較大的電極(例如λ/8或者甚至是λ/4)也是可行的(這時可以想到將長度為λ/2的 電極用作天線)。此外，在涉及對避免波輻射的需求有所增加的應用中，可以證明使用小于 λ/10的電極才是合乎需要的。在此情況下，能量傳輸由于發(fā)生器側的有源電極的電勢改變而產生，這種電勢改 變通過整體感應或局部感應引發(fā)負載側有源電極處對應的電勢改變?！熬植俊备袘谟砂l(fā)生 器側的有源電極產生的電場線中只有一部分終止于負載側的有源電極時發(fā)生。盡管可以使用術語“電容性耦合”來描述有源電極的相互作用，但是這種耦合要比 在完全為感應電容器的情況下獲得的耦合常見得多。在本發(fā)明中，根據有源和無源電極的 具體結構(以及這些不同電極之間的距離)，將會有多種互相作用。帶電導體之間的這么多 種互相作用使用電容系數矩陣進行數學描述，并且通常不能簡化為常規(guī)電路理論范圍內的 表達。但是，可以通過使用新的概念例如絕緣導體的固有電容以及開路的固有電容而給出 其比抽象的矩陣更具表現(xiàn)力的表達。主要的困難來自于以下事實在這樣的電路中，盡管電 荷是守恒的，但是物理電流卻不再守恒。它在導體/絕緣材料轉換處被稱為Maxwell位移 電流的位移電流所代替，其準確性質和建模都很難進行處理。但是，在實踐中隔離其中實現(xiàn) 了物理電流守恒的支路，即可獲得流道型的表達以及正常應用電路理論的支路，后者通過 源型/漏型方式終止在每一側，當它們對應于絕緣導體時可以被簡單地表示。請讀者原諒我們無法在本文中說出更多的內容，因為對應的理論仍然在研究當 中。我們在本文中的目標是讓讀者為電路做好準備，否則他將發(fā)現(xiàn)生疏或錯誤之處。因此，根據發(fā)明人的理解，由普通電路和常規(guī)的完全為感應電容器完整表示的任 何較早的設備專利都不能被認為是關于本發(fā)明真正相關的現(xiàn)有技術，本發(fā)明處于局部感應 的領域內并且在常規(guī)電路理論的框架之外。要解決的技術問題近場設備的主要優(yōu)點(在某些應用中這是決定性的)是它們能夠在一定的距離內 以很好的效率傳輸能量，缺點在于它們的范圍相對有限。實際上，我們已經說過這些設備被勢能圍繞，因為(考慮到所使用的大波長)不可能形成沿一個特定方向的能量聚集，因此結果是能量分布在所有方向上，隨距離而非?？焖俚叵陆?。在每一個周期內，可以傳輸至遠程 負載(其通常僅覆蓋一小部分存在能量的空間)的能量部分通常都是非常小的。為了讓這樣的設備可以提供良好的效率，必須要使得被存儲但是未在每一個周期內被用掉的能量能夠進行有效地再循環(huán)。用電子工程師的語言來說，這就意味著這種系統(tǒng) 必須有通常遠遠大于有效功率的無功功率。實際上，在四極耦合的常規(guī)情況下，由發(fā)生器形 成的場強會隨距離而非?？焖俚叵陆?，局部存儲的能量(其與場強的平方成正比)由此隨 距離而極其快速地下降。在每一個周期內，如果負載變遠或者與發(fā)生器的場強存在的空間 相比只占據了非常小的體積，那么為了給遠程負載傳輸指定量的能量，就必須在每一個周 期內將比由負載實際消耗的能量多得多的能量存儲在該空間中。如果負載移動離開的距離 甚至數倍于發(fā)生器的尺寸，那么用于傳輸相同有功功率的無功功率很快就會變得難以控制 或者會在生成無功功率的元件內造成相當大的損耗。根據L/D (其中L是偶極子之間的距 離而D是發(fā)生器的等效直徑)測量的這種系統(tǒng)的相對范圍在實踐中被限制為幾個單位，這 取決于期望達到的效率以及電路“品質”和所用技術。這種設備遇到的第二個困難是所用頻率很高，并且在想要建立大型設備時，這會造成由有源電極的自由表面發(fā)出的電磁輻射。本發(fā)明的比較優(yōu)勢本發(fā)明提出了一種與在振動的電偶極子之間的縱向耦合結構內的能量的無線傳輸相關的簡單裝置，其將強場區(qū)域限制在負載的緊鄰區(qū)域內，由此降低由強無功功率和附 加的波輻射造成的損耗。為了克服大的無功功率水平的問題(這對于電磁感應系統(tǒng)特別關鍵，對于這種系 統(tǒng)，無功功率的增加會快速地轉化為大電流和大的焦耳損失)，在專利US6803744B1中提出 將激活表面(也就是產生強場的表面)分為根據負載的位置或需求而隨意激活的多個小線 圈覆蓋的區(qū)域。本發(fā)明介紹了一種局部(或整體)感應的環(huán)境中的方法和設備，其使用至少在發(fā) 生器側被分為多個子電極的有源電極和子電極的選擇性開關，以激活與負載側的電極(或 子電極)有效相互作用的那些子電極。在具有被分段的激活表面的電磁感應系統(tǒng)以及具有被分段的一個或多個有源電 極和選擇性開關的局部感應系統(tǒng)之間有幾處明顯的不同。具有被分段的一個或多個有源電 極的局部感應系統(tǒng)提供了很多優(yōu)點-強電場的形成不再是與有效強度相關的必要條件并且所需的昂貴的導電金屬的 數量要少得多。-激活表面僅使用非常少量的導電材料即可以低成本覆蓋。-可以更好地控制強場所在的區(qū)域形狀，并且可選地簡單使用弱導電的導線或材 料即可替換該區(qū)域形狀。-盡管間隔一定距離的磁場傳輸和開關要困難得多，但是場發(fā)生器仍然可以遠離 一個或多個有源電極。-開關操作可以只在其自身的單極上進行(沒有磁單極子)，這就使得可以只使用 單條導線就將發(fā)生器連接至整組的子電極。
根據本發(fā)明的方法類似于用于通過高壓線傳輸電能的常用方法，但是其不同之處在于使用了高得多的頻率、在分配的最終階段沒有導線以及只向位置非常接近負載的區(qū)域 施加強場。與專利DE 10304584A1相比-其中負載(可以是多個)完全位于發(fā)生器結構的內部-本發(fā)明的不同之處在于以下事實通過使用無源電極，并且通過限制存在電場的區(qū)域， 發(fā)生器和負載位于外部并彼此遠離。與專利CA 2526245A1相比-基于雙重的常規(guī)電容性耦合(在任意時刻都涉及使用至少兩對電極)_通過兩個電偶極子之間的縱向耦合，根據本發(fā)明的方法使得能夠使用 單對電極，這極大地簡化了開關操作的控制。與我們自己的專利相比，本發(fā)明的不同之處在于使用的裝置允許對強電場所在區(qū)域進行限制、控制和擴展，由此獲得效率的提高。

發(fā)明內容
序言本發(fā)明提出了一種方法和一種設備，用于根據一種準縱向模式通過局部感應在一定距離內傳輸、分配和管理電能，這種模式還可以被稱為“兩個或多個偶極子之間的近場 縱向電耦合”?？紤]了兩種類型的雙極(或者可選地是多極)設備，分別被稱為發(fā)生器和負載。給 定的雙極(或多極)通過強電場以相對高的頻率在近場內耦合。對于“高頻”應該理解為頻率比通常用于傳輸電能的那些頻率高得多。設備的主要 特征在于以下事實它們被優(yōu)先以縱向方式耦合并且它們只會輻射出非常少的電磁能量。 值得關注地是在圍繞介質中的波長明顯地大于發(fā)生器設備的尺寸時的情況。強電場由所考 慮介質內的擊穿場強限制并在電極之間的距離變得相當大時導致非常高的電壓。由此，獲得的電壓和頻率是要被傳輸的功率、設備的尺寸以及將設備分隔開的距 離的函數。以下我們將使用簡潔的術語HVHF(高壓高頻)來描述與這種設備直接相連的發(fā)生 器和負載。使用常規(guī)的電子技術轉化為其他類型的電壓或頻率、升高或降低也仍然是可行 的。根據本發(fā)明的每一種設備都是由至少一個HVHF發(fā)生器或相同類型的負載構成 的，它們的每一個末端都被連接至至少一個變化尺寸和形狀的電極。一方面，裝置由與其連 接的發(fā)生器和電極構成，另一方面，由與其連接的負載和電極構成，每一種情況都構成振動 的電偶極子。在本發(fā)明的范圍內優(yōu)選的結構對應于偶極子被縱向設置也就是設置在同一軸 線上的情況。但是，在緊耦合(close coupling)的某些情況下，偶極子在它們之間具有非 常大的角度，有可能大于直角。在負載側或發(fā)生器側的其中一個無源電極可以可選地由接地代替。在本發(fā)明的范圍內，在發(fā)生器和特定負載之間實施的耦合的特征在于以下事實 連接內主要地只包含兩個電極，每側一個電極。這些電極(稱為“有源電極”)優(yōu)選地被直 接面對面設置(彼此相對)，也就是說它們優(yōu)選地將表面設置為局部彼此平行并且被設置 為彼此間隔相對較短的距離。其他的電極(稱為“無源電極”)，并且也可以是地面，則處于場較弱的環(huán)境中。這種不對稱性是通過調節(jié)不同電極的尺寸或者通過調節(jié)其定位也就是它們各自的間距而獲得的。在各種應用中是大尺寸設備或導體的屏蔽部分并且更常見的是地 面或發(fā)生器側的主接地以及負載側的副接地來扮演無源電極的角色。在包含緊耦合的結構中，也就是說，當研究中的兩個偶極子彼此非常靠近時，可以認為兩個有源電極之間的耦合是有效地占據支配地位并且因此它們在完全的感應狀態(tài)下 操作，兩個另外遠離并且是接地的電極隨即就可以被認為是只與周圍的絕緣介質耦合。在 這樣的情況下，偶極子可以具有任意的相對朝向，只要無源電極彼此之間保持足夠的距離 即可。彼此之間相當遠離的兩個對稱偶極子的極端情況是本發(fā)明的另一種可行結構。在這 樣的情況下偶極子可以被設置在同一軸線上或構成小角度的軸線上。在這兩個示例中間， 人們可以實現(xiàn)各種各樣的不能被簡化為通常的完全由感應電容器構成的簡單裝置的結構。 獲得這些結構的同時保持優(yōu)選為縱向的總體結構，并且一方面改變電極的尺寸和形狀，而 另一方面改變它們之間相應的距離。本發(fā)明提供了一種如權利要求1所述的在一定距離內傳輸電能的方法，以及一種 如權利要求5所述的用于在一定距離內傳輸電能的設備。在本發(fā)明的范圍內，電極被分段并選擇性地開關，但是通常上述的主要原理值得 關注地適用于對于給定的發(fā)生器-負載連接，在給定的時刻，耦合基本上是利用兩個優(yōu)選 為縱向結構的有源電極形成的。除了其他情況以外，本發(fā)明設想得是在強不對稱情況下的應用，其中由大尺寸發(fā) 生器(物理尺寸)為多個小負載供電，負載可以是移動的并且被設置成相對于發(fā)生器間隔 與它們自身的尺寸相比相對較大的距離。根據本發(fā)明的方法包括選擇性地通過開關系統(tǒng)向將要覆蓋的空間內確定的局部 區(qū)域以高頻施加非常高的電壓。根據縱向的無輻射模式在一定距離內通過強電場傳輸能 量。根據本發(fā)明的方法的理想情況是將存在電能的區(qū)域限制為只是由消耗能量的負載占據 的區(qū)域。在這方面，本發(fā)明涉及無線模式的能量分布。關于生成要施加的HVHF電壓，通常該方法包括以下的連續(xù)步驟將低壓直流或低 頻電能轉化為低壓和高頻的電能，并隨后明顯地升高電壓。


通過閱讀完全為了解釋目的而給出的本發(fā)明某些優(yōu)選實施例的以下說明并結合 附圖可以更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，在附圖中圖1示意性地示出了根據本發(fā)明的方法的一個實施例，圖2示出了圖1中實施例的一種變形，圖3示出了圖2中實施例的一種變形圖4示意性地示出了根據本發(fā)明的系統(tǒng)的一個實施例，圖5示意性地示出了在圖4的系統(tǒng)中的發(fā)生器設備內使用的HVHF發(fā)生器的結構，圖6示意性地示出了在圖4的系統(tǒng)中的發(fā)生器設備內使用的HVHF發(fā)生器的結構，圖7示出了分段電極可以采用的一種具體形式。
具體實施例方式現(xiàn)在將介紹根據本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選實施例。根據該實施例，所述方法包括以下步驟步驟1 電能以低壓直流或交流電流的形式來自外部電源。步驟2 該電流，可能在經過整流之后，被利用適當的技術轉化為高頻交流電流。步驟3 隨后，該交流電流的電壓被利用例如升壓變壓器設備這樣的裝置明顯地升高。步驟4 高壓發(fā)生器的端子之一被接地或連接至相當大的電子接地，另一端子的 高壓通過檢測和開關裝置選擇性地加至一組或多組子電極(其對應于分段的有源電極)。步驟5 在設備可供使用時，與這些子電極組直接相對地設有至少一個電極，所述 至少一個電極可以構成與負載側其他的開關裝置相連的一個組的一部分，連接至以高壓和 高頻操作的設備的端子。負載的另一端子被連接至相當大的金屬接地。步驟6 在該設備內，利用適當的裝置例如變壓器將電壓降低。步驟7 隨后，通過特定的電子裝置對低壓進行整流和調制。步驟8 將低壓電能加至最終負載。開關裝置與被設置在發(fā)生器側或負載側或者在每一側都設置一部分的檢測和控 制裝置相連，。子電極被通過這些裝置以這樣的方式開關根據發(fā)生器和負載的相互位置以及負 載的要求對指定時刻激活的子電極的數量和位置進行優(yōu)化。例如，如果在傳輸期間負載和 發(fā)生器設備之間的距離增大，那么附近的被激活的子電極的數量即可被增加以增大發(fā)生器 側有源電極的有效尺寸。發(fā)生器側的子電極有利地被設有電路(可選地為電子電路)，使得在子電極和負 載之間可能存在的能量傳輸不再需要或者不能被準確地完成時子電極能夠采用保護或應 急模式?？梢杂卸喾N變形而并不背離該方法的范圍，例如步驟2和3-涉及產生高頻電流并升高至高壓-可以顛倒順序，也就是說，可以在 增大信號頻率之前升高電壓?？蛇x地，在變壓器被用于每一個激活子電極的情況下，開關操作在升高電壓之前 實施，在電子模塊與每一個激活子電極相連的情況下，開關操作也可以可選地在生成高頻 電流之前實施。還可以將用于開關操作的上述方案以任何方式進行組合。用相同的方式，負載側可行的開關操作(在分段的電極位于負載側的情況下)可 選地在降低電壓或整流或這些可能操作的任意組合之后實施。在可變朝向的負載設有分段的有源電極的情況下，沒有激活的子電極被可選地接 地以實現(xiàn)增大了尺寸的無源電極。驅動激活子電極的檢測和開關裝置的控制或者是局部進行的(例如通過使用發(fā) 生器側的磁力開關以及位于相對設備上的磁鐵)，或者是遠程地使用專用電路，例如與能夠 對存在和/或激活的負載進行定位的位置檢測器相連的微控制器。通信協(xié)議可選地用于負載、一個或多個發(fā)生器以及可選地外界環(huán)境之間的能量和 /或數據的交換。它們或者通過將用于傳輸能量的電子連接以單向或雙向的方式布置，或者通過任意其他現(xiàn)有的通信技術來實施。圖1示意性地示出了該方法的一種可行的實施方式，各個步驟用位于附圖頂部的 圈內數字表示。提供低壓直流電流的外部電能來源1給在高頻下的高壓發(fā)生器11供電，發(fā) 生器11由直流到交流的轉換器13 (其輸出所需的高頻信號)和升壓變壓器14構成。在該 變形中設有兩組開關的子電極，一組電極5位于發(fā)生器側，而另一組電極6位于負載側與開 關裝置7相連。在負載側，通過子電極6接收的電能被加至設備12，設備12由降壓變壓器 15、整流器16和最終負載18構成。應該注意的是設備12的部件可以根據目標應用(值得 關注地是作為最終負載18電子特性的函數)而改變。
為了簡單起見，在圖1中沒有示出開關裝置7的檢測和控制裝置。根據圖1中的 示例，在HVHF側進行開關操作，也就是說在發(fā)生器側是在升壓變壓器14之后進行，而在負 載側是在降壓變壓器15之前進行。圖2示出了類似的可行實施方式，其中額外示出了輔助的調制和控制裝置，調制 裝置用于在傳輸的能量上疊加所需的調制信號。所使用的調制是雙向振幅調制，通過調制 器19在發(fā)生器2 —側實施以實現(xiàn)對加至變壓器14的信號振幅的調制，而在負載側則通過 負載調制器20實現(xiàn)。設備上的調制信號的檢測在變壓器處實現(xiàn)，這些信號在通過邏輯單元 21進行處理之前可選地可以被放大和整形，邏輯單元21也控制與外部的數據交換。圖3示意性地示出了這樣一種情況其中參照圖2介紹的主要功能被整合并入發(fā) 生器側的專用集成電路22和負載側的專用集成電路23內。還示出了整合功能的可能性， 這對于將市場上已有的現(xiàn)有產品以適配器設備24的形式轉化(為能夠根據本發(fā)明參與能 量和/或數據傳輸的設備)是必須的，適配器設備24包括位于負載側的除了最終低壓負載 18以外的所有元件。要注意的是，在以上三種表現(xiàn)形式中，發(fā)生器側的主要電子電路以及負載側的輔 助電子電路暗含地扮演了無源電極的角色。實施方法的設備現(xiàn)在將介紹根據本發(fā)明的設備的某些優(yōu)選實施例。通用結構根據本發(fā)明的整套裝置由(通常固定地)連接至電能來源1的多個發(fā)生器設備2 中的一個，以及一組可以移動的負載3構成。每個負載都被通過有限的空間區(qū)域(參見圖 4)供電而無需使用導線或電接觸或接地，在該區(qū)域內存在強且可以快速變化的電場4。強 場被局部地建立在位于發(fā)生器表面上的某些子電極5以及位于相對的負載6—側的一個電 極或多個子電極之間。發(fā)生器子電極被通過與開關7相連的檢測和控制裝置選擇性地激 活。開關例如是磁性的并由位于負載8上的永磁體激活。設備值得關注的特征在于分別在負載側和發(fā)生器側使用了無源電極9，10。這些電 極優(yōu)選地是比有源電極更大的尺寸和/或充分地遠離后者以使它們被主要地連接至周圍 的絕緣介質。在實踐中，這種情況在它們自身的電容量僅略微不同于它們單獨位于真空內 的電容量時實現(xiàn)。這些電容量由耦合矩陣內對應于它們編號的對角元素Cii表示，耦合矩 陣由下式確定Qi = Cij. Vj,發(fā)生器
根據本發(fā)明的發(fā)生器設備由一個或多個HVHF發(fā)生器11構成，一方面被連接至大 的無源電極或地面10，而另一方面通過導線網絡和一組開關7被連接至一組或多組較小的 有源子電極5。負載根據本發(fā)明的設備的負載類型由一個或多個HVHF負載12構成，一方面被連接至 有源電極6，而另一方面被連接至優(yōu)選為較大尺寸的無源電極9。負載可選地包含有源子電 極組。例如，根據本發(fā)明的具體應用，一組由負載側的有源電極構成的子電極被圍繞車輪 (例如自行車車輪)設置。
HVHF 發(fā)生器根據本發(fā)明的HVHF發(fā)生器11或者利用感應或壓電類型的升壓變壓器14與在低 壓下產生高頻的電子電路13相連而由低壓獲得，或者可以用任意其他的易于同時產生強 電場和高頻的技術獲得。有利地，它們包括諧振電路和/或能量回收設備以使未使用的能 量部分不會在每一個周期中被完全浪費?？蛇x地，發(fā)生器使用諧振感應變壓器以通過一個 部件即可實現(xiàn)升壓和能量回收設備。有利地，發(fā)生器的接地或地線作為無源電極。HVHF 負載負載結構通常是雙極的，但是在同時使用多于兩個電極時，它們也可以構成更加 復雜的多極結構。根據本發(fā)明的某些應用，負載由電阻型的高阻抗介質或可選地由具有高損耗角的 直接使用場能例如用于產生熱或光的絕緣介質構成。在這樣的情況下，可以認為電極是虛 擬的并由這些部件的外表面構成，電場線通過這些表面進出。可選地，負載由連接至一個或多個現(xiàn)有設備的適配器24構成以使其與根據本發(fā) 明提出的技術相適應。適配器設備由至少一個有源電極6以及可選的無源電極9構成，它 還可以根據現(xiàn)有設備的電子特性包括可選為諧振的降壓變壓器15以及電子整流和調制模 塊16。在某些情況下，有利的是低阻抗電路和/或最終負載的金屬屏蔽部分用來用作無源 電極。分配能量的分配優(yōu)選地在HVHF發(fā)生器11的高壓端以及發(fā)生器側的一組和多組激活子 電極5之間通過開關7的網絡進行。該實施例使得能夠使用單根導線將HVHF電能攜帶至 構成分段的有源電極的所有子電極組。而且，該導線可以非常細(參見下文)。根據本發(fā)明的設備的其他實施例，通過位于能量源1以及與設置在發(fā)生器5的每 一個有源電極處的升壓變壓器14相連的直流/交流轉換電路13之間的開關網絡來實現(xiàn)能 量分配。另一種可能性是使用開關模式電路以通過單個適配的供電電路13將低壓直流電 流轉化為高頻并隨后通過開關網絡將該高頻分配至與發(fā)生器5的每一個有源電極相連的 一組升壓變壓器14。導線攜帶HVHF電壓的連接導線不需要是良好的電導體，可選地它們非常細或者由少 量的沉積或包含在其他(可選為撓性的)絕緣材料內的導電材料代替，例如薄片、條、帶等。電極
有源子電極5可以可選地采用與導線相同的布置，也就是說，它們可以利用少量 的導電材料實現(xiàn)，可選地包含或沉積在撓性絕緣表面上。子電極和電極可以具有任意形狀，但是，對于有源電極來說避免銳緣是適當的，銳 緣很容易通過電離造成損失并且會通過電暈效應導致周圍的絕緣材料退化。在某些應用中，能夠在發(fā)生器表面上的任意位置建立起所需強度的電場可能是很 有用的。在這樣的情況下，表面可以設有例如被三角形、矩形、六邊形或采取能夠以鑲嵌方 式覆蓋整個表面的任意其他形狀的理想子電極。具有任意合適形狀的子電極以及任意的表 面區(qū)域都可以在需要例如改善某些區(qū)域內的控制效果的特定情況下使用。子電極和電極各自的尺寸和形狀的選擇是完全不受限制的，但是，在發(fā)生器側優(yōu)選地使用盡可能小的子電極以能夠在負載側的有源電極(或有源子電極)緊鄰的局部區(qū)域 內形成所需強度的場，同時限制強場發(fā)散到未被占據的區(qū)域內。如果發(fā)生器側的子電極尺 寸對于負載側的有源電極的尺寸是可比較的或者稍大，那么即可實現(xiàn)對負載的足量供電同 時在某一時刻激活發(fā)生器側的單個子電極，這使得發(fā)生器側的開關更為簡單。如果發(fā)生器側的子電極尺寸遠遠小于負載側的有源電極尺寸，那么通常必須要在 某一時刻激活發(fā)生器側的多個子電極，目的是為了確保對負載的足量供電。而且，在發(fā)生器 側的子電極尺寸與負載側的有源電極尺寸相同或者比負載側的電極(或子電極)略小的某 些情況下，如果負載側的電極被設置為面對這些子電極之間的邊界，那么可以在某一時刻 激活發(fā)生器側的兩個或多個子電極。如果發(fā)生器側的子電極尺寸遠遠大于負載側的有源電極尺寸，那么建立的強場區(qū) 域將大于所需要的，從而包含了能量浪費。但是，該浪費的能量在對于確保負載的足量供電 有嚴格要求的某些應用中是可以接受的。當兩側都有分段的電極時，子電極的形狀和尺寸適合于每一種單獨的情況。開關開關7可以根據選擇的分配模式(高壓或低壓)、所用的功率級和使用的觸發(fā)裝置 變化而采用各種不同的技術制成?？蛇x地，它們可以被集成有控制電路。它們可選地可以是 機電式、磁力式、電磁式、光學式、聲學式或者可以包括在一定距離內觸發(fā)的任意其他技術。 可選地，它們利用其端子上的電勢差來給自身供電而不需要另外的電纜。通過使用這樣的 自供電開關7，能夠獲得這樣的結構其中單根導線即可從HVHF發(fā)生器延伸到整組子電極 5。根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，例如導線和電極，對于開關來說，在其被置于高壓時使 用少量的導電材料是有利的。開關7優(yōu)選地被設置在每一個有源電極5緊鄰的周邊區(qū)域內并且或者通過直接的 機械動作(固體接觸，壓力，……)驅動，或者在一定的短距離內直接通過由于靠近負載的 動作而驅動，或者間接地通過電子裝置驅動。在使用電子裝置的情況下，后者或者被集成到 開關自身內部，或者被集成到每一個電極處，或者被設置在發(fā)生器處，或者一部分分配在發(fā) 生器和一部分分配在負載內。控制、檢測和通信裝置在檢測和控制裝置沒有被集成到開關自身內部的情況下，它們被以存在于發(fā)生器 和/或負載內的電子模塊的形式分配?？蛇x地，它們采取專用集成電路22，23的形式。電子裝置被可選地與軟件裝置以通信協(xié)議的形式相關聯(lián)。可選地，通信裝置使用與能量傳輸相同的載體，并且用適當的調制和解調裝置19，20進行處理。一些示例性實施例圖4示出了本發(fā)明的一個特別簡單的實施例。HVHF發(fā)生器11 一方面被連接至大的無源電極10，而另一方面通過Reed型磁力開關7的網絡被連接至一組小電極也就是子電 極5。磁性開關通過在短距離內的裝有永磁體或電磁鐵8的負載3的存在而被啟動，以下述 方式設置位于開關7內的磁鐵8被吸引或排斥以根據負載的存在或需求來打開或關閉接 觸。根據圖4中實施例的一種變形，開關7包括檢測器(未示出)，用于檢測加在負載 側的調制(該調制用于生成存在于負載側有源電極上的電荷的變化)。開關7的觸點僅在 通過傳感器檢測到該調制時才保持閉合。該特征使得在存在不是來自預期負載3的磁場時 可以避免子電極的意外致動。即使在開關7是由其他激勵(固體接觸，壓力等)控制的情況 下，也可以使用相同類型的傳感器以及負載側的相同調制以防止子電極不合需要的致動。圖5示出了 HVHF發(fā)生器11的一種可行的實施方式。在該實施方式中，低壓電流 在被加至Tesla型的諧振式升壓變壓器14之前首先在第一步中被轉化為交流(可選地為 正弦)電流。該變壓器輔助繞組的低壓端子被接地，高壓端子被連接至分配網絡。圖6示出了負載的一種實施方式，形式為連接至現(xiàn)有負載的適配器。適配器24由 連接至諧振型降壓變壓器主繞組的高壓端子的有源電極6、該繞組被連接至電路輔助部分 的低壓端子構成。變壓器的輔助部分被連接至可選地包含調節(jié)元件16的整流電路。輸出 電壓隨后被加至最終負載。在該實施例中，輔助部分和負載的低阻抗電路起到了無源電極 的作用。圖7示出了一個實施例，其中絕緣材料的一個非常薄的(可以是撓性的)表面被 用作用于子電極組的載體。子電極通過沉積或通過電鍍和/或蝕刻實現(xiàn)。電子型開關例如 由晶體管構成，晶體管是串聯(lián)組裝的，可選地一電路相連，該電路檢測負載的存在，例如檢 測由短距離內存在裝有適當調制電路的負載造成的調制存在。晶體管以及控制和檢測電路 是利用類似的絕緣襯底上的沉積技術實現(xiàn)的。在應急位置(也就是斷開)時，電動控制該開關的電路可選地通過存在于發(fā)生器 和浮動電極之間的電勢差供電，而無需輔助連線。在本發(fā)明的一種變形中(未示出)，當必須覆蓋更大的空間區(qū)域時-并且為了限制 波輻射-利用多個異相發(fā)生器或者通過在同一發(fā)生器兩個端子中的其中一個處交替地開 關有源電極來提供同相或逆相扇區(qū)。一些應用示例本發(fā)明可以被用于多種應用場合，其中電極的尺寸和所使用的頻率可以根據應用 有很大的不同。以下是一些用于說明而非加以限制的示例-用于從裝有根據本發(fā)明的發(fā)生器設備的工作表面給家用電器供電的系統(tǒng)(家用 電器被裝有根據本發(fā)明的負載設備)；_用于從根據本發(fā)明的沿著道路安裝(例如地下、里程標記處或者路側的路標處 等)的發(fā)生器設備給機動車輛攜帶的一個/多個負載供電的系統(tǒng)；-在主發(fā)生器設備和多個子負載設備之間傳輸電能和數據的系統(tǒng)(例如安裝在公交車站的發(fā)生器設備以及安裝在公共汽車內的負載設備)；-從安裝在房屋墻壁等內的發(fā)生器設備為移動電話或其他移動設備(MP3播放器， 便攜式計算機等)供電。除了其他情況以外，本發(fā)明的目標是給低功率或中等功率的固定或移動的電子設 備遠距離提供電能。在長距離傳輸能量的情況下，必要的 電壓水平或電場強度是為了確保輸送風險超 出現(xiàn)行標準中具體規(guī)定的限制(其不允許使用超過幾十千伏的電壓)。但是，隨著標準的發(fā) 展，本發(fā)明的應用可以擴展到更加廣泛的范圍。
權利要求
在一定距離內傳輸電能的方法，包括以下步驟提供發(fā)生器設備，包括第一對電極(5，10)，一個電極(5)是有源電極而另一個電極(10)是無源電極，所述第一對電極被連接至高頻高壓電能的發(fā)生器(11)的端子，有源電極被分段為多個子電極(5)，所述多個子電極(5)通過開關裝置(7)選擇性地連接至發(fā)生器(11)；提供至少一個用作負載的設備(3)，該負載設備(3)包括第二對電極，一個電極(6)是有源電極而另一個電極(9)是無源電極，所述第二對電極被連接至負載；將至少一個負載設備(3)的有源電極(4)設置在發(fā)生器設備(2)的至少一個子電極(5)附近；通過啟動開關裝置(7)以將所述至少一個子電極(5)連接至發(fā)生器(11)而將電能傳輸至所述至少一個負載設備(3)，同時其他的子電極(5)未被連接至發(fā)生器(11)，因此建立起位于所述至少一個子電極(5)附近的強電場區(qū)域(4)，該區(qū)域(4)位于所述至少一個負載設備(3)附近。
2.如權利要求1所述的方法，其中信息可選地根據相同的方法并使用附加的集成在發(fā) 生器設備(2)和負載設備(3)內的調制和解調裝置單向或雙向傳輸。
3.如權利要求2所述的方法，其中根據通信協(xié)議將電能可選地輸送到至少一個負載設 備(3)，通信協(xié)議使每一個負載設備(3)自身都能夠觸發(fā)能量傳輸，該協(xié)議通過使用了優(yōu)選 地設置在發(fā)生器設備(2)的每一個有源子電極(5)處和/或可選地設置在負載設備(3)處 的檢測、控制和開關裝置的設備實現(xiàn)。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述通信協(xié)議可選地包括在所述發(fā)生器設備(2)和 負載設備(3)之間可能存在的能量傳輸不再需要或者不能再被準確地完成時的保護型或 應急型模式。
5.用于在一定距離內通過至少兩個振動的電偶極子之間的近場縱向耦合來傳輸電能 的系統(tǒng)，一個電偶極子被指定為提供能量的“發(fā)生器設備”，而另一個電偶極子被指定為接 收能量的“負載設備”，所述系統(tǒng)包括至少一個發(fā)生器設備(2)，所述發(fā)生器設備(2)設有第一對電極(5，10)，一個電極(5) 是有源電極而另一個電極(10)是無源電極，所述第一對電極被連接至高頻高壓電能的發(fā) 生器(11)的端子，有源電極被分段為多個子電極(5)，所述多個子電極(5)通過開關裝置 (7)選擇性地連接至發(fā)生器(11)；至少一個負載設備(3)，包括第二對電極，一個電極(6)是有源電極而另一個電極(9) 是無源電極，所述第二對電極被連接至負載(12)；以及用于選擇性地啟動開關裝置(7)以將至少一個子電極(5)連接至發(fā)生器(11)的控制 裝置，同時其他的子電極(5)未被連接至發(fā)生器(11)，因此被啟動的所述至少一個子電極 (5)構成了電偶極子的一端而另一端則由發(fā)生器設備(2)的無源電極(10)構成；所述控制裝置適合用于啟動被面對其中一個負載設備(3)的有源電極(6)設置的至少 一個子電極(5)，所述負載設備(3)的有源電極(6)構成電偶極子的一端而另一端則由負載 設備⑶的無源電極(9)構成。
6.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)生器(11)是高壓高頻發(fā)生器(HVHF發(fā)生器)。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)生器設備(2)和所述負載設備(3)中的至少一個的無源電極(10/9)由至主接地或大地的連接代替。
8.如權利要求6或7所述的系統(tǒng)，其中HVHF發(fā)生器(11)由與至少一個升壓變壓器 (14)關聯(lián)的電子設備構成，所述至少一個升壓變壓器(14)例如優(yōu)選為諧振型的感應變壓 器、壓電變壓器或能夠以高頻提供高壓的任意技術。
9.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其中負載設備(3)直接在高壓下操作或者可選地由與常 規(guī)的低壓負載(18)關聯(lián)的降壓設備(15)構成。
10.如權利要求8所述的系統(tǒng)，其中負載設備(3)中的無源電極(9)的功能由低壓負載 (18)的金屬屏蔽或者由后者的低阻抗電路承擔。
11.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中一方面在HVHF發(fā)生器(11)和與其關聯(lián)的電極(5， 10)之間的連接，以及另一方面包括在負載設備(3)和與其關聯(lián)的電極(4，9)中的HVHF負 載是利用可選為非常細的導線實現(xiàn)的，后者例如電極(5，10/4，9)和HV開關(7)可選地由 少量的沉積或包含在絕緣材料內的導電材料構成，其可以是撓性的，例如薄片、條、帶等。
12.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其中發(fā)生器側的子電極(5)的尺寸足夠小并且它們的數 量、它們的形狀及它們的配置被調節(jié)用于確保在每一時刻都很好地覆蓋負載側的一個或多 個可能是移動的、相對設置的有源電極(6)。
13.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其中開關裝置(7)、用于在一定距離內檢測的輔助裝置 和這些元件的控制電路優(yōu)選地被靠近子電極(5)設置，在變壓器和發(fā)生器之一被設置在每 一個子電極(5)處時開關裝置(7)被可選地設置在變壓器或發(fā)生器的上游。
14.如權利要求13所述的系統(tǒng)，其中集成到開關內構成開關裝置(7)的一部分或者位 于開關裝置(7)附近的電子裝置可選地通過所述開關的端子之間存在的電勢差進行供電。
15.如權利要求13所述的系統(tǒng)，其中控制開關裝置(7)的電子控制裝置可選地部分或 全部整合到專用集成電路(22，23)內，并且可選地利用與允許傳輸能量的連接相同的連接 與電子通信裝置關聯(lián)。
16.如權利要求5所述的系統(tǒng)，進一步包括輔助電路，可選地集成到所述控制裝置內， 以使其在所述至少一個發(fā)生器設備(2)和負載設備(3)之間可能存在的能量傳輸不再需要 或者不能被準確地完成時能夠采用保護或應急模式。
全文摘要
根據本發(fā)明的裝置由連接至能量源的一個或多個發(fā)生器設備(2)以及一個或多個(可以移動的)負載(3)構成。每個負載都通過存在強且快速變化的電場的有限空間區(qū)域(4)作為媒介而供電，并且這是無需導線或電接觸或使用接地即可實現(xiàn)的。強場被局部地建立在位于發(fā)生器表面上的某些子電極(5)以及位于負載側并相對設置的一個電極(6)或多個子電極之間。發(fā)生器側的有源子電極(5)通過開關(7)，例如通過設置在負載(3)上的永磁體(8)啟動的磁性開關而被選擇。在負載側，所用的無源電極(9)可以被認為是主要連接至周圍的絕緣介質。本發(fā)明特定的目標在于給低功率或中等功率的固定或移動的電子設備遠距離提供電能。
文檔編號H04B5/00GK101803222SQ200880103151
公開日2010年8月11日 申請日期2008年8月14日 優(yōu)先權日2007年8月17日
發(fā)明者亨利·邦達爾, 帕特里克·卡穆拉蒂 申請人:Tmms有限公司