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CN102201704A - 非接触功率传递系统和方法 - Google Patents

非接触功率传递系统和方法 Download PDF

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CN102201704A
CN102201704A CN2011100821298A CN201110082129A CN102201704A CN 102201704 A CN102201704 A CN 102201704A CN 2011100821298 A CN2011100821298 A CN 2011100821298A CN 201110082129 A CN201110082129 A CN 201110082129A CN 102201704 A CN102201704 A CN 102201704A
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coil
resonator
concentrating element
power transmission
magnetic field
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J·W·布雷
S·拉马钱德拉帕尼克
S·M·N·布哈特
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Abstract

本发明的发明名称是“非接触功率传递系统和方法”。提出一种非接触功率传递系统。该系统包括第一线圈，第一线圈耦合到电源并且配置成产生磁场。第二线圈配置成经由磁场从第一线圈接收功率。场聚焦元件设置在第一线圈与第二线圈之间，并且配置为具有驻波电流分布的自谐振线圈。场聚焦元件还配置成将磁场聚焦到第二线圈上，并且增强第一线圈与第二线圈之间的耦合。

Description

非接触功率传递系统和方法
技术领域
一般来说，本发明涉及非接触功率传递，具体来说，涉及基于谐振的非接触功率传递。
背景技术
在需要瞬时或连续能量传递、但互连导线不方便的某些应用中，非接触功率传递是合乎需要的。一种非接触功率传递方法是电磁感应方法，它根据如下原理工作：初级变压器线圈生成主要磁场，而初级变压器线圈附近的次级变压器线圈生成对应电压。由次级变压器线圈所接收的磁场作为两个线圈之间距离的平方的函数而减小，并且因此初级与次级线圈之间的耦合对于大于数毫米的距离是弱的。
非接触功率传递的另一种方法尝试通过谐振感应耦合来提高感应功率传递的效率。发射器和接收器元件以相同频率谐振，最大感应在谐振频率发生。但是，这种谐振感应对负载和间隙变化敏感。
需要一种有效的非接触功率传递系统，它可与分隔比当前可接受距离更长的距离的线圈配合操作，并且在经受未对准或负载变化时是有效的。
发明内容
简言之，提出一种非接触功率传递系统。该系统包括耦合到电源并且配置成产生磁场的第一线圈。第二线圈配置成经由磁场从第一线圈接收功率。场聚焦元件设置在第一线圈与第二线圈之间，并且配置为具有驻波电流分布的自谐振线圈。场聚焦元件还配置成将磁场聚焦到第二线圈上，并且增强第一线圈与第二线圈之间的耦合。
在另一个实施例中，提出一种场聚焦元件。场聚焦元件包括多个谐振器，它们配置成在激励时聚焦磁场并且形成驻波电流分布。多个谐振器之中的一组谐振器以与其它谐振器不同的相位来激励。磁聚焦元件还包括至少两个独特的谐振频率。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细描述，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似的符号在附图中通篇表示相似的部件，其中：
图1示出根据本发明的一个实施例的示范非接触功率传递系统；
图2示出根据本发明的一个实施例的示范场聚焦元件；
图3示出根据本发明的各种实施例的场聚焦元件的多个示范结构；
图4示出其中多个谐振器设置在阵列中并且实现为场聚焦元件的一个实施例；
图5示出根据本发明的一个实施例围绕场聚焦元件的磁场分布；
图6是作为初级线圈与次级线圈之间的距离的函数的磁场分布图(profile)的模拟；
图7示出作为初级与次级线圈之间的距离的函数的效率分布图的模拟；
图8示出作为初级线圈与次级线圈之间未对准的函数的效率分布图的模拟；
图9示出本发明的一个实施例，其中非接触功率传递系统包括电容元件；
图10示出本发明的一个实施例，其中场聚焦元件将单个初级线圈耦合到多个次级线圈；
图11示出根据本发明的一个实施例，其中线圈和/或场聚焦元件中的至少一个沿对称轴旋转；以及
图12示出根据本发明的一个实施例的谐振器的无源阵列。
具体实施方式
非接触功率传递系统通常特征在于初级与次级线圈之间的短距离功率传递。例如，感应功率传递系统的一个实施例使用初级线圈和次级线圈在电流隔离的两个电路之间传递功率。当耦合到电源时，在初级线圈周围建立磁场。从初级线圈传递到次级线圈的功率的量与链接次级线圈的主磁场的量成比例。变压器使用高磁导率磁芯来链接初级与次级线圈之间的磁场，并且因而取得至少大约98％这种程度的效率。但是，当这类系统配置用于非接触功率传递时，两个线圈之间的气隙降低磁场耦合。这种降低的耦合影响非接触功率传递系统的效率。
本文所公开的某些实施例提供具有对负载变化的降低的敏感度、线圈未对准期间的有效功率传递的健壮非接触功率传递系统，和/或增强功率传递效率的场聚焦结构。
图1示出根据本发明的一个实施例的示范非接触功率传递系统10，其中包括耦合到电源14并且配置成产生磁场(未示出)的第一线圈12。第二线圈16配置成从第一线圈12接收功率。本文所使用的术语“第一线圈”也可称作“初级线圈”，以及术语“第二线圈”也可称作“次级线圈”。场聚焦元件18设置在第一线圈12与第二线圈16之间，用于聚焦来自电源14的磁场。在另一个实施例中，场聚焦元件可用于聚焦电场和/或电磁场。术语“磁场聚焦元件”和“场聚焦元件”可互换使用。在一个实施例中，磁场聚焦元件18配置为自谐振线圈，并且在经由第一线圈激励时具有驻波电流分布。在另一个实施例中，磁场聚焦元件18配置为亚波长谐振器。在又一个实施例中，磁场聚焦元件包括作为有源阵列或无源阵列来工作的多个谐振器，并且各谐振器配置为具有驻波电流分布的自谐振线圈。在又一个实施例中，磁场聚焦元件包括多组这类谐振器，每个这种谐振器组以 特定相位来激励。可以理解，当经由不同相位来激励谐振器组时，在预期方向可增强场聚焦。
磁场聚焦元件18还配置成将磁场聚焦到第二线圈16上，从而增强第一线圈12与第二线圈16之间的耦合。在所示实施例中，作为一个示例，场聚焦元件18放置成更靠近第一线圈12。在某些系统中，将场聚焦元件18放置成更靠近第二线圈16可能是有利的。负载20耦合到第二线圈16，以便利用从电源14传递的功率。在某些实施例中，非接触功率传递系统10还可配置成同时把来自第二线圈的功率传递到第一线圈，使得系统能够进行双向功率传递。可能的负载的非限制性示例包括电灯泡、电池、计算机、传感器或者需要电力来工作的任何装置。
非接触功率传递系统10可用于把来自电源14的功率传递给负载20。在一个实施例中，电源14包括单相AC发电机或三相AC发电机或者与功率转换电子器件结合以便将功率转换成更高频率的DC发电机。在以磁场聚焦元件18的谐振频率激励第一线圈12时，在磁场聚焦元件18内在场聚焦元件的两个开口端(22，24)之间形成驻波电流分布。驻波电流分布导致磁场聚焦元件18周围的不均匀磁场分布。这种不均匀电流分布配置成沿任何预期方向、例如在这个示例中沿第二线圈16的方向聚焦磁场。当工作在谐振频率时，甚至对磁场聚焦元件18的小激励也产生沿磁场聚焦元件的长度25的电流分布的大幅度。不均匀分布的大电流幅值引起沿第二线圈16的方向的放大和聚焦的磁场，这产生功率传递的更高效率。
图2示出根据本发明的一个实施例的示范场聚焦元件。在可实现为图1的磁场聚焦元件18的各种结构之中，一种这样的结构如图2所示。在所示实施例中，参考标号30是本文中称作“欧米茄结构”的场聚焦结构，并且工作在数兆赫兹的范围之内。这类工作频率要求高电容和电感。“欧米茄结构”实现高电容和电感，并且还在谐振频率附近实现负磁导率。负磁导率帮助主要场响应，并且在控制磁场方 面是有效率的。这类结构的谐振频率能够通过改变圈数(32，34，36)、圈之间的间隙(38)和盘旋的宽度(40)来控制。通过与盘旋结构相比增加的周长，“欧米茄结构”要求减小的结构尺寸以工作在较低谐振频率。
图3示出根据本发明的各种实施例的场聚焦元件的多个示范结构。在一个实施例中，场聚焦元件包括单环线圈50。在另一个实施例中，场聚焦元件包括例如分割环结构52、盘旋结构54、瑞士卷(Swiss-roll)结构56或螺旋线圈58中的多圈。针对具体应用的结构的选择通过场聚焦元件的大小和自谐振频率来确定。例如，在低功率应用(例如，小于大约1瓦特)中，高达大约1000MHz的谐振频率是可行的。在高功率应用(例如，从大约一百瓦特到大约500千瓦)中，大约数百kHz的谐振频率是可行的。在某些应用中，通过对人们暴露于高频电场和磁场的限制来推动频率的选择并且因此推动场聚焦元件的设计。
瑞士卷线圈56可用于提供一种紧凑谐振器，它可配置成工作在从大约100kHz直到大约100MHz的频率。瑞士卷实施例可用于提供扩展的磁场聚焦强度，并且帮助实现增加的电容和电感，并且因此由于线圈的空间结构的尺寸减小而帮助实现紧凑设计。单瑞士卷谐振器预计能够聚焦多达数英寸距离的磁场。
螺旋结构是采取螺旋形式卷绕的导线。螺旋结构58在用作磁场聚焦元件时，能够实现高Q因数。在一个实施例中，采用高电导率材料涂敷螺旋结构中的导体表面帮助使磁场聚焦元件在高频的集肤效应为最小，并且因此实现更高Q因数。螺旋谐振器与偶极子和环的阵列相似。螺旋结构设计用于通过优化圈的节距和数量沿轴向聚焦磁场。
图4示出其中多个谐振器设置在阵列中并且实现为场聚焦元件的一个实施例。谐振器阵列构成多个谐振器线圈，它们排列成采用特定相位关系来激励的特定阵列布置，诸如线性或平面阵列。单独谐振 器(66-77)或亚波长谐振器配置成沿预期方向聚焦磁场。在这种布置中，来自阵列中的谐振器的场沿预期方向相长干涉(增加)以实现磁场聚焦，而在其余空间相消干涉(相互抵消)。在另一个实施例中，谐振器排列在线性、圆形、平面或三维阵列中的至少一个中。在所示实施例中，单独谐振器70-74排列成行，并且四个这种行66-69从上至下排列。作为阵列64的一部分的单独谐振器共同配置用于至少一个或多个谐振频率。在一个具体实施例中，阵列的所有单独谐振器是相同的。
在另一个实施例中，在不同相位激励几个单独谐振器、例如谐振器70-74，使得沿预期方向实现场聚焦。例如70、75-79的另一组谐振器可具有特定相位配置。在这些实施例的任一个中，阵列64的总场通过来自单独谐振器的场的向量相加来确定。当谐振器组中的单独谐振器的参数改变时，这类改变可经过选择，以便对阵列的总场模式进行整形。提供改变的不同方式包括例如几何配置(线性、圆形、矩形、球形等等)、谐振器之间的相对位移(76，78)、单独谐振器的激励幅度、单独谐振器的激励相位以及单独谐振器的相对模式。
在又一个实施例中，一组谐振器、例如66配置用于一个特定谐振频率，而另一组谐振器67配置用于另一个谐振频率。在这种配置中，功率可通过第一组谐振器66来传递，而数据在第二组谐振器67上传递。备选地，双向功率可使用阵列64来传递。例如，功率在一个方向经由谐振器组66来传递，而同时，在相反方向的功率经由组67来传递。
可在阵列的单独谐振器上实现各种激励方案。一种这样的示例包括激励阵列中所有的单独谐振器以形成有源阵列。在各谐振器上的激励的幅度和相位可经过控制，以便改变相应磁束的方向以实现有源波束导向。
在另一个实施例中，可激励单个谐振器，而将其它谐振器电磁耦合到被激励的谐振器，从而形成无源阵列。这类无源阵列生成拉长的 磁场聚焦束，它有效地实现多达数米距离的功率传递。
在另一个实施例中，阵列包括形成无源结构的亚波长尺寸的单独谐振器。没有专门激励任何一个谐振器。但是，当它们放置在磁场附近时，阵列将聚焦磁场。这类无源结构的空间部署设计成产生有效负磁导率。
如果需要的话，谐振器或者谐振器的阵列能够被嵌入具有高介电常数(电容率)的材料或者具有高磁导率的磁性材料或者具有高电容率和高磁导率的磁介电介质中，以便以较小尺寸的谐振器来实现更低谐振频率。高磁导率材料增强谐振器的自感，并且高磁导率材料增强谐振器的自电容，以便减小谐振的频率。在另一个实施例中，高磁导率材料也配置成增加初级线圈、场聚焦元件和次级线圈之间的耦合。例如但不限于钛酸锶钡之类的材料是呈现高介电常数的材料的一个示例。
图5示出根据本发明的一个实施例围绕场聚焦元件的磁场分布。由标号80所表示的各种绘制图包括示出磁场聚焦元件内的电流分布的列82、示出对应二维磁场绘制图的列84以及示出对应三维磁场绘制图的列86。本文所示的绘制图在包括作为具有变化电流分布的场聚焦元件的示范单环(圈)谐振器的模拟期间得到。例如，工作在非自谐振频率的场聚焦元件内的均匀电流分布88会产生均匀磁场分布90(92中的对应三维图示)，并且不会引起任何场聚焦。但是，在对如参考标号94所示的驻波电流分布的一个全周期激励场聚焦元件时，磁场分布的至少两个弧形(lob)当工作在自谐振频率时产生，如参考标号96所示。在对应三维图表98中更清楚地看到，沿轴向99实现场聚焦。在另一个实施例中，在对如参考标号100所示的驻波电流分布的多个周期、例如两个周期激励场聚焦元件时，产生如参考标号102所示的磁场分布。当工作在自谐振频率时实现磁场的多个弧形、如106-108，如参考标号104所示。取决于非接触功率传递要求，可实现特定方案。例如，具有一个初级线圈将功率传递给一个次级线圈的 非接触功率传递系统可实现磁场聚焦元件内的驻波电流分布的一个全周期。具有一个初级线圈将功率传递给两个或更多次级线圈的非接触功率传递系统可实现磁场聚焦元件内的驻波电流分布的多个周期。
改变场聚焦元件中的电流分布(88，94，100)改变磁场分布(92，98，104)。因此，磁场聚焦元件的线圈内的电流分布决定磁场分布。如前面所述，影响磁场分布的其它因素包括线圈的几何形状和阵列中的谐振器的特殊布置。
图6是作为初级线圈与次级线圈之间距离的函数的磁场分布图的模拟。在所示实施例中，图表110在横坐标112上表示在线圈之间所测量的单位为毫米的距离，以及在纵坐标114上表示归一化磁场强度。分布图116示出实现例如图1所述的磁场聚焦元件的非接触功率传递系统中的磁场强度的变化。分布图118表示没有实现磁场聚焦元件的典型感应非接触功率传递系统中的磁场强度的变化。在线圈之间大约17mm的距离的磁场强度在实现磁场聚焦元件的系统中大约为0.7个单位，而在典型感应非接触功率传递系统中仅为大约0.1个单位。对于线圈之间的相同距离，磁场聚焦元件将磁场强度增强了至少大约15％至大约30％。这种增强的场强提高了整体功率传递的效率，并且使系统能够对初级与次级线圈之间的未对准更健壮。
图7示出作为初级与次级线圈之间距离的函数的效率分布图的模拟。在所示实施例中，图表122在横坐标124上表示在线圈之间所测量的单位为毫米的距离，以及在纵坐标126上表示效率。分布图128示出实现例如图1所述的磁场聚焦元件的非接触功率传递系统中的效率的变化。分布图130表示没有实现磁场聚焦元件的典型感应非接触功率传递系统中的效率的变化。在线圈之间大约32mm的距离的非接触功率传递系统的效率在实现磁场聚焦元件的系统中大约为95％。但是，在线圈之间大约32mm的相同距离，功率传递的效率在典型感应非接触传递系统中大约为55％。对于线圈之间的相同距离，磁场聚焦元件将效率增强了至少大约40％至大约50％。
图8示出作为初级线圈与次级线圈之间未对准的函数的效率分布图的模拟。在所示实施例中，图表132在横坐标134上表示以毫米为单位所测量的线圈之间的未对准，以及在纵坐标136上表示效率。分布图138示出实现例如图1所述的磁场聚焦元件的非接触功率传递系统中的效率的变化。分布图140表示没有实现磁场聚焦元件的典型感应非接触功率传递系统中的效率的变化。对于线圈之间大约14mm的未对准的非接触功率传递系统的效率在实现磁场聚焦元件的系统中大约为95％。但是，对于线圈之间大约14mm的相同未对准，典型非接触感应功率传递的效率大约为72％。从所示分布图显而易见，磁场聚焦元件增强了未对准期间的效率。
图9示出包括电容元件的非接触功率传递系统的一个实施例。非接触功率传递系统144包括耦合到第一线圈和第二线圈中每个的至少一个电容元件。电容元件146、148形成具有第一线圈12和第二线圈16的调谐谐振电路，它引起第一线圈、第二线圈和磁场聚焦元件18以相同谐振频率谐振。
图10示出其中场聚焦元件将单个初级线圈耦合到多个次级线圈的一个实施例。例如，场聚焦元件156在经过多周期电流分布(如图5中的标号100所示)时呈现磁场分布的多个弧形(153，155，157，159)。在所示实施例中，非接触功率传递系统152包括场聚焦元件156，它配置成耦合一个第一线圈154和至少两个或更多第二线圈158-162。第二线圈158-162分别耦合到各种负载。这种配置使来自一个电源的功率能够同时传递到多个负载。
图11示出其中线圈和/或场聚焦元件中的至少一个沿对称轴旋转的一个实施例。非接触功率传递系统166包括旋转轴168，第一线圈170、第二线圈172和场聚焦元件174中的至少一个或全部配置成沿旋转轴168旋转。在所示实施例中，第一线圈170是固定的，而第二线圈172和场聚焦元件174安装在转轴176上。在一个实施例中，在工作期间，旋转的磁场聚焦元件174配置成沿耦合固定的第一线圈 170和旋转的第二线圈172的旋转轴来聚焦场。
图12示出根据本发明的一个实施例的谐振器的无源阵列。谐振器180的阵列包括多个单独谐振器182-190，使得各谐振器配置成具有不同驻波电流分布，例如半周期、一个全周期或多个周期。在一个示范实施例中，谐振器182配置成在谐振频率具有多周期电流分布，以便产生磁场分布的四个弧形，如先前在图10中所述。相应地，四个谐振器184-190放置在谐振器182周围，使得各谐振器184-190磁耦合到中心谐振器182。谐振器184-190还配置成在相同谐振频率具有单周期电流分布，使得这四个场的向量和是沿轴向192聚焦的增强磁场。
有利地，本文在某些实施例中公开的非接触功率传递系统配置成包括场聚焦元件，并且对负载的变化不太敏感，因为这种系统的谐振频率由场聚焦元件的结构来确定，而与初级和次级线圈中的电路和负载参数无关。基于典型谐振感应耦合的非接触功率传递系统的效率对负载的变化敏感。随着负载在这类感应系统中改变，次级电路的谐振频率被改变，并且引起阻抗失配，从而引起降低的功率传递能力和效率。如本文所述，场聚焦元件可用于增强非接触功率传递系统的磁场聚焦和效率。此外，如前面所述的单个谐振器或者谐振器的阵列可包括多个谐振频率，以便实现在谐振频率中的所有频率或任一频率的功率和/或数据的传递。例如，一个频率可用于把来自初级线圈的功率传递给次级线圈以便激励连接到次级线圈的设备，而另一个频率可用于在初级线圈与次级线圈之间传送数据信号。功率和数据传输能够同时通过初级线圈、场聚焦元件和次级线圈来实现。
虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员会想到许多修改和变更。因此要理解，所附权利要求意在涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。
元件列表
10    非接触功率传递系统
12    第一线圈
14    电源
16    第二线圈
18    磁场聚焦元件/场聚焦元件
20    负载
22    开口端
24    开口端
25    长度
30    场聚焦结构
32    圈
34    圈
36    圈
38    圈之间的间隙
40    盘旋的宽度
50    单环线圈
52    分割环结构
54    盘旋结构
56    瑞士卷结构
58    螺旋线圈
64    谐振器的阵列/场聚焦元件
66-69 谐振器组
70-74 单独谐振器
76    谐振器之间的位移
78    谐振器之间的位移
75-79 单独谐振器
80
82      列
84      列
86      列
88      均匀电流分布
90      磁场分布
92      磁场分布
94      驻波电流分布的一个全周期
96      磁场分布
97      垂直中心轴
98      磁场分布
99      轴向
100     驻波电流分布的多周期
102     磁场分布
104     磁场分布
106-109 多个弧形
110     图表
112     以毫米为单位所测量的距离
114     磁场强度
116     分布图
118     分布图
122     图表
124     以毫米为单位所测量的距离
126     效率
128     分布图
130     分布图
132     图表
134     以毫米为单位所测量的线圈之间的未对准
136     效率
138     分布图
140     分布图
144     非接触功率传递系统
146     电容元件
148     电容元件
152     非接触功率传递系统
154     第一线圈
156     磁场聚焦元件
158-162 第二线圈
166     非接触功率传递系统
168     旋转轴
170     第一线圈
172     第二线圈
174     场聚焦元件
176     转轴
180     谐振器的阵列
182-190 谐振器
192     轴向 。

Claims (10)

1.一种非接触功率传递系统，包括：
第一线圈，所述第一线圈耦合到电源并且配置成产生磁场；
第二线圈，所述第二线圈配置成经由所述磁场从所述第一线圈接收功率；以及
场聚焦元件，所述场聚焦元件设置在所述第一线圈与所述第二线圈之间，并且配置为具有驻波电流分布的自谐振线圈，以便将所述磁场聚焦到所述第二线圈上，并且增强所述第一线圈与所述第二线圈之间的耦合。
2.如权利要求1所述的非接触功率传递系统，其中，所述场聚焦元件包括多个谐振器。
3.如权利要求2所述的非接触功率传递系统，其中，所述多个谐振器包括两个或更多谐振频率。
4.如权利要求3所述的非接触功率传递系统，其中，两个或更多谐振频率配置成同时传递功率和数据信号。
5.如权利要求1所述的非接触功率传递系统，其中，所述第一线圈、所述第二线圈或者所述场聚焦元件中的至少一个配置成沿旋转轴彼此相对旋转。
6.如权利要求1所述的非接触功率传递系统，其中，所述场聚焦元件还配置成聚焦电场、磁场或电磁场中的至少一个。
7.一种场聚焦元件，包括：
多个谐振器，所述多个谐振器配置成在激励时聚焦磁场并且形成驻波电流分布，其中，所述多个谐振器之中的一组谐振器以与其它谐振器不同的相位来激励，并且其中，磁聚焦元件包括至少两个或更多独特的谐振频率。
8.如权利要求7所述的场聚焦元件，其中，所述谐振器包括单圈线圈、多圈线圈或螺旋线圈中的至少一个。
9.如权利要求8所述的场聚焦元件，其中，所述谐振器包括盘旋结构、分割环结构或瑞士卷结构中的至少一个。
10.如权利要求7所述的场聚焦元件，其中，所述谐振器内的电流分布对磁场分布进行整形。
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