無線功率磁諧振器中的高效率和功率轉移的製作方法

2023-06-19 07:43:01 1

無線功率磁諧振器中的高效率和功率轉移的製作方法
【專利摘要】本發明涉及無線功率磁諧振器中的高效率和功率轉移。本發明提供用於在誘發高功率轉移和/或高耦合效率的電平下進行無線功率發射的技術。
【專利說明】無線功率磁諧振器中的高效率和功率轉移
[0001]分案申請的相關信息
[0002]本申請是申請號為PCT/US2008/076559，申請日為2008年9月16日， 優先權日:為2007年9月17日，發明名稱為「無線功率磁諧振器中的高效率和功率轉移」的PCT申請進入國家階段後申請號為200880107520.5的中國發明專利申請的分案申請。
[0003]本申請案主張2007年9月17日申請的第60/973，166號臨時申請案的優先權，所述臨時申請案的整個揭示內容以引用的方式併入本文中。

【背景技術】
[0004]在不使用電線來引導電磁場的情況下需要從源向目的地轉移電能。先前嘗試的困難是低效率以及所遞送功率的量不適當。
[0005]我們的先前申請案和臨時申請案描述了無線功率轉移，所述申請案包含(但不限於)2008年I月22日申請的題目為「無線設備和方法(Wireless Apparatus and Methods)」的第12/018，069號美國專利申請案，所述美國專利申請案的整個揭示內容以引用的方式併入本文中。
[0006]所述系統可使用優選為諧振天線的發射天線和接收天線，所述天線大體上例如在5% -10%諧振、15%諧振或20%諧振內諧振。天線優選具有小尺寸以允許其配合到其中用於天線的可用空間可能有限的移動手持式裝置中。可通過在發射天線的近場中存儲能量而不是將能量以行進電磁波的形式發送到自由空間中來在兩個天線之間實行有效的功率轉移。可使用具有高質量因數的天線。放置兩個高Q天線以使得其類似於鬆散耦合變壓器而起作用，其中一個天線將功率感應到另一天線中。所述天線優選具有大於1000的Q。


【發明內容】

[0007]本申請案描述具有高效率和/或高功率的經由電磁場耦合的從功率源向功率目的地的能量轉移。實施例描述操作和實際效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]現在將參看附圖詳細描述這些和其它方面，在附圖中:
[0009]圖1展示基於磁波的無線功率發射系統的框圖；
[0010]圖2說明包含放大器耦合迴路和天線的發射器框圖；
[0011]圖3說明包含耦合迴路、接收器和調諧元件處的趨勢的接收器框圖；
[0012]圖4說明隨距離而變的所接收功率；
[0013]圖5說明隨距離而變的最大可轉移功率；
[0014]圖6說明隨距離而變的轉移效率；
[0015]圖7說明相對於天線直徑而標準化的效率；以及
[0016]圖8說明天線測量設置。

【具體實施方式】
[0017]圖1中展示基本實施例。功率發射器組合件100從源(例如，AC插頭102)接收功率。頻率產生器104用以將能量耦合到天線110 (此處為諧振天線)。天線110包含電感性迴路111，其以電感性方式耦合到高Q諧振天線部分112。諧振天線包含N數目個線圈迴路113，每一迴路具有半徑RA。電容器114(此處展示為可變電容器)與線圈113串聯，從而形成諧振迴路。在所述實施例中，電容器是與線圈完全分離的結構，但在某些實施例中，形成線圈的電線的自電容可形成電容114。
[0018]頻率產生器104可優選經調諧到天線110，且還經選擇以獲得FCC順應性。
[0019]此實施例使用多向天線。115展示在所有方向上輸出的能量。在天線的大部分輸出不是電磁輻射能量而是較為靜止的磁場的意義上，天線100是非輻射性的。當然，來自天線的部分輸出將實際上輻射。
[0020]另一實施例可使用輻射性天線。
[0021]接收器150包含與發射天線110相距距離D放置的接收天線155。接收天線類似地為具有線圈部分和電容器的高Q諧振線圈天線151，其耦合到電感性耦合迴路152。耦合迴路152的輸出在整流器160中整流，且施加於負載。所述負載可為任何類型的負載，例如為例如燈泡等電阻性負載，或者例如電器、計算機、可再充電電池、音樂播放器或汽車等電子裝置負載。
[0022]能量可通過電場稱合或磁場稱合而轉移，但本文主要描述磁場稱合作為一實施例。
[0023]電場耦合提供電感性加載的電偶極，其為開路電容器或介電圓盤。外來物體可能對電場耦合提供相對強的影響。磁場耦合可為優選的，因為磁場中的外來物體具有與「空白」空間相同的磁性質。
[0024]所述實施例描述使用電容性加載的磁偶極的磁場耦合。此偶極由形成線圈的至少一個迴路或匝的電線迴路與將天線電加載到諧振狀態中的電容器串聯形成。
[0025]我們的先前申請案已經描述了單匝迴路用作諧振器的優點。本申請案描述兩個不同單匝迴路可如何用以在無線功率發射系統中產生顯著增加的範圍。
[0026]在實施例中，使用圖8所示的測試設置來實行測試。發射器801是45cm直徑的6mm電線迴路。接收器由40cm x 30mm銅迴路形成。請注意,接收器天線通常出於封裝目的而應較小。如本文中進一步解釋，測試結果是完全互逆的，進而避免所接收功率中的任何差巳升。
[0027]天線802具有比天線801低約20kHz的諧振頻率。調諧迴路803用以使接收天線802的諧振頻率移位以與發射天線801的諧振頻率匹配。信號耦合到耦合迴路804且耦合到負載805。
[0028]圖2說明包含放大器耦合迴路和天線的發射器框圖。在操作中，RF產生器用以創建13.56MHz連續波信號。放大器205提供50dB放大以在206處產生25W的最大功率輸出。出於所述測試的目的，使用模擬功率計。將功率提供到耦合迴路220，所述耦合迴路220鄰近於天線801且以無線方式耦合到天線801，天線801由迴路250和電容器252形成，電容器252將迴路帶到在13.56MHz處的諧振。
[0029]圖3展示接收器，其包含由電感迴路350和電容器352形成的接收回路102、調諧迴路803和接收功率的耦合迴路320。數字功率計330測試在20dB衰減器進行衰減之後接收到的功率的量。
[0030]與調諧迴路組合的接收側諧振器迴路如同具有低但可調整的耦合因數的1:1變壓器一樣起作用。耦合因數是主迴路與調諧迴路之間的距離。調諧迴路可被視為產生短路的次級迴路。所述短路使諧振器的總電感減少取決於耦合因數的小部分，因此在不顯著減少質量因數的情況下增加了其諧振頻率。接收回路102和調諧迴路803可連接到滑架333，所述滑架可使所述兩個迴路相對於彼此移動。如果使用具有低電感電容比的諧振器，那麼其可能極為有效。
[0031]圖4說明隨指定距離而變的所接收功率。根據此測試，距離從1.6m變化到4m。未測量比1.6m近的距離，因為較近距離可致使系統去諧。因此，內插這些值，以避免去諧效應。近場到遠場的過渡在13.56MHz下在約31/2m處發生。此距離使優選定向從同軸改變為共面，進而顯著影響可接收到的功率的量。圖4展示在3.5m處，所接收功率由於此定向變化而接近OW。
[0032]在大於1.7m的距離處，所計劃距離與所計算距離緊密相關。
[0033]圖5說明最大可轉移功率。這些天線為高度線性的，這意味著如果發射器功率加倍，那麼接收功率也將加倍。發射迴路僅受電容器的額定電壓和電流限制；前提條件是存在充分的冷卻。30mm銅迴路使用具有9kV峰值和100安運載限值的200pF電容器。這提供約300W的發射功率。
[0034]因為系統是線性的，所以圖5展示按300W的發射功率縮放的數據點。這展示現有系統可在1.6m的距離處轉移67W。這些電平將超過ICNIRP所建議的最大輻射暴露限制。然而，圖6中展示轉移效率，其說明對於小於21/2m的所有距離來說轉移效率均為-15dB。圖7相對於天線直徑來標準化此距離。圖7中還展示MIT所執行的測試。
[0035]結論如下。除了最靠近近場邊界的區和在緊密距離處外，天線為高度線性的，且可簡單地使功率加倍來使所接收功率加倍。
[0036]系統可在1.5m的距離上以25W的發射功率和25%的轉移效率來操作。系統相對於諧振頻率和Q因數來說極為穩定。系統也可在1.5m的距離處提供達70W的功率。向較小距離的外推也可以是可能的。
[0037]雖然上文已經詳細揭示了僅幾個實施例，但其它實施例也是可能的，且發明人希望這些實施例涵蓋在本說明書內。說明書描述用以實現可以另一方式實現的較一般目標的具體實例。此揭示內容既定為示範性的，且權利要求書既定涵蓋所屬領域的一般技術人員可能可預測到的任何修改或替代。舉例來說，可使用其它尺寸、材料和連接。雖然天線的耦合部分展示為單個電線迴路，但應理解，此耦合部分可具有多個電線迴路。其它實施例可使用所述實施例的類似原理，且同樣等效地適用於主要靜電和/或電動力場耦合。大體上，可使用電場來代替磁場作為主要耦合機制。
[0038]而且，發明人希望僅使用詞「用於...的裝置」的那些權利要求既定根據35USC112第六節來解釋。此外，不希望來自說明書的任何限制對任何權利要求添加另外的意義，除非那些限制明確地包含於權利要求中。
[0039]在本文提到特定數字值的情況下，應認為，所述值可增加或減少20%，同時仍保留在本申請案的教示內，除非具體提到某種不同的範圍。在使用指定的邏輯意義的情況下，還既定涵蓋相反的邏輯意義。
【權利要求】
1.一種無線功率發射系統，其包括: 發射天線，其經配置以經由磁場向接收天線發射功率以對負載供電；以及 調諧迴路，其與所述發射天線電絕緣，且可相對於所述發射天線移動，以調整所述發射天線與所述調諧迴路之間的耦合。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述調諧迴路相對於所述接收天線可移動。
3.根據權利要求1所述的系統，其中所述調諧迴路經配置以基於其相對於所述發射天線的移動來調整所述耦合。
4.根據權利要求1所述的系統，其中所述發射天線可相對於所述接收天線移動。
5.根據權利要求4所述的系統，其中所述發射天線經配置以基於其相對於所述接收天線的移動來進一步調整所述耦合。
6.根據權利要求1所述的系統，其中所述調諧迴路經配置以使所述接收天線的諧振頻率與所述發射天線的諧振頻率大致匹配。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述接收天線的所述諧振頻率低於所述發射天線的所述諧振頻率，且其中所述調諧迴路進一步經配置以將所述接收天線的所述諧振頻率提高到與所述發射天線的所述諧振頻率大致相同。
8.根據權利要求1所述的系統，其中所述調諧迴路的尺寸小於所述發射天線的尺寸。
9.一種發射功率的方法,其包括: 經由磁場從發射天線向接收天線發射功率以對負載供電，所述發射天線與調諧迴路電絕緣；以及 相對於所述發射天線移動所述調諧迴路以調整所述發射天線與所述調諧迴路之間的耦合。
10.根據權利要求9所述的方法，其進一步包括相對於所述接收天線移動所述發射天線以進一步調整所述耦合。
11.根據權利要求9所述的方法，其進一步包括相對於所述接收天線移動所述調諧迴路。
12.根據權利要求9所述的方法，其中所述移動包括使所述接收天線的諧振頻率與所述發射天線的諧振頻率大致匹配。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述接收天線的所述諧振頻率低於所述發射天線的所述諧振頻率，且其中所述移動進一步包括將所述接收天線的所述諧振頻率提高到與所述發射天線的所述諧振頻率大致相同。
14.一種無線功率接收器，其包括: 接收天線，其經配置以經由磁場從發射天線接收功率以對負載供電；以及 調諧迴路，其與所述接收天線電絕緣，且可相對於所述接收天線移動，以調整所述接收天線與所述調諧迴路之間的耦合。
15.根據權利要求14所述的接收器，其中所述調諧迴路與所述負載電絕緣。
16.根據權利要求14所述的接收器，其中所述調諧迴路進一步經配置以基於所述接收天線與所述調諧迴路之間的耦合因子來調整所述耦合。
17.根據權利要求14所述的接收器，其進一步包括耦合迴路，所述耦合迴路經配置以由電感性方式從所述接收天線接收所發射的功率並向所述負載提供所接收的功率。
18.根據權利要求17所述的接收器，其中所述耦合迴路的尺寸小於所述接收天線的尺寸。
19.根據權利要求17所述的接收器，其中所述耦合迴路的尺寸與所述調諧迴路的尺寸大致相似。
20.根據權利要求14所述的接收器，其中所述調諧迴路至少部分覆蓋所述接收天線的周邊。
【文檔編號】H02J17/00GK104283332SQ201410482667
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2008年9月16日 優先權日:2007年9月17日
【發明者】漢斯彼得·威德默, 奈傑爾·P·庫克, 盧卡斯·西貝爾 申請人:高通股份有限公司