用於無線地傳遞能量和/或數據的裝置和方法

2023-04-23 18:54:06

專利名稱：用於無線地傳遞能量和/或數據的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一 種用於在源設備與至少 一 個目標設備之間無線地 傳遞能量和/或數據的裝置和方法，其中至少一個初級電流迴路具有至 少一個源設備側的初級線圏並且至少一個次級電流迴路具有至少一 個目標設備側的次級線圏。尤其是本發明涉及在設備與設備部件之間 的感應能量傳遞，用於使至少一個設置在設備或設備部件中的蓄電池 充電，例如用於通過遠程操作使蓄電池充電。
背景技術：
作為無線操縱設備提供的遙控器用於醫療設備、尤其是用於手術 臺，藉助於遙控器可以從不同的位置並且從與設備接收單元一定距離 處為了接收遙控信號而操作各設備。這些遙控器能夠實現舒適地利用 醫療設備或手術臺的至少一部分操作功能。在現有技術中這些操作設 備以電池或蓄電池運行。為了使用這種遙控器的安全性推薦使用可再 充電的蓄電池，由此使遙控器在蓄電池充電或再充電後可靠地在整個 接下來的處理期間作為操作單元使用。
此外對於相對較小的適配於遙控器結構狀況的結構尺寸，使用專 用的蓄電池能夠對於遙控器的運行提供大的能量。為了對蓄電池充電 必須與另一能源、尤其是與適合的電網部件或與充電器建立連接。為 此在現有技術中不僅已知具有充電器與蓄電池之間電流連接的裝置， 而且已知沒有充電器與蓄電池之間的電流連接。在已知的裝置中，其 中沒有遙控器與能源之間的電流連接(即在電流隔離時)通常感應地 實現充電站或基站與遙控器之間的能量傳遞。在此充電站或基站是源 設備而遙控器是目標設備。
在圖1中示出已知的用於感應地傳遞能量的裝置10。該裝置IO 包括一個源設備12和一個目標設備14。該源設備12包括一個電源 16，它由交流電源構成並且產生交流電壓。此外該源設備12包括一
4個源設備側的線圍18，它作為初級線圍18用於傳遞能量或數據到目 標設備14。目標設備14包括一個目標設備側的線團20，它作為次級 線圏20並且與以負載電阻表示的充電電路22電氣連接。源設備12 的電源16與源設備側的初級線圏18電氣連接，由此能源16影響到 流過線圏18的交流電流，由此使線圏18產生時間上變化的磁場(交 變磁場)。如果目標設備14位於充電和/或數據傳遞位置，目標設備 側的次級線圏20位於由初級線圏18產生的磁場中。通過交變磁場在 初級線團20中感生出一個電壓，通過它能夠實現穿過以負栽電阻表 示的充電電路22的電流，由此對整個充電電路22輸送由電源16通 過線圏18， 20傳遞的能量。也可以作為充電電路22的替代或除了充 電電路22之外設置一個分析電路，用於獲得通過按照圖1的裝置傳 遞的數據。
在圖2中示出與圖1裝置10類似的裝置24，用於在源設備26 與目標設備28之間傳遞能量。相同的部件具有相同的附圖標記。與 按照圖1的裝置10不同，源設備26的電流迴路和目標設備28的電 流迴路分別包括一個電容30， 32。通過在源設備26的電流迴路中布 置電容30形成串聯振蕩迴路並且通過在次級電流迴路中布置電容32 形成並聯振蕩迴路。通過這些振蕩迴路實現源設備26與目標設備28 之間的諧振耦聯，通過諧振耦聯在能量從初級電流迴路傳遞到次級電 流迴路或從源設備26傳遞到目標設備28時達到相對較高的效率。對 於在圖2中所示的裝置24，由初級線圏18產生磁場。初級線圏18和 電容30形成一個與諧振調諧的初級電流迴路。由初級線團18產生的 磁場穿過次級線圏20，它是次級諧振迴路的組成部分。但是在實踐中 困難的是，初級側諧振迴路與次級側諧振迴路的諧振頻率相互調諧， 因為諧振條件根據蓄電池的充電狀態或根據在充電周期上變化的負 載電阻22變化。
為了確定諧振頻率，不僅在初級側而且在次級側都可以採取不同 的措施。例如可以選擇電源16的適當頻率，其中預先設定頻率，可 以在給定頻率範圍中調整、調節或跟蹤。此外可以採用適當的結構上 的、尤其是機械和電氣的措施，用於在較長的充電周期上保證諧振條件。尤其是可以通過適當的零部件選擇達到或至少支持保持諧振條
件。此外通過改變至少一個電容30、 32的容量或至少一個線團18、 20的電感可以實現諧振調諧。但是這涉及相對較高的費用。總之保持 初級和/或次級電流迴路中的諧振條件是相對費事的。
在圖3中示出與圖1裝置10類似的裝置34，用於在源設備36 與目標設備38之間傳遞能量。與按照圖1的裝置IO的差別是初級線 圏18圍繞第一鐵芯段40設置而次級線團20圍繞第二鐵芯段42設置。 鐵芯段40， 42在充電和/或數據傳遞位置在其相互面對的端面上具有 一個間隙44。該間隙44尤其通過源設備36和目標設備38的各封閉 的外殼和/或通過附加的氣隙構成。由磁鐵芯段40， 42的相互背對的 端面出來的磁力線進入相對的背對端面並且通過磁鐵芯段40， 42和 間隙44形成磁迴路。
在圖4中示出與圖3裝置34類似的裝置46，其中不僅在源設備 48而且在目標設備50中都使用磁芯段52， 54，它們u形地構成並且 在數據和/或能量傳遞位置這樣設置，使磁芯段52， 54的兩個端面分 別相互相對設置並且這樣相互間隔地設置，使得在這些端面之間分別 具有與裝置34的間隙44類似的間隙56， 58。
在圖5中示出與圖4裝置46類似的裝置60，其中在源設備62 的電流迴路中並且在目標設備64的電流迴路中以與藉助於圖2描述 的相同方式分別具有一個用於形成振蕩迴路的電容30， 32。
源設備和目標設備的外殼通常由電絕緣的、且對電磁場沒有或只 有微小衰弱的材料構成。由於所需的外殼壁材料厚度、尤其是為了源 設備和目標設備外殼的電絕緣和機械強度，在所示的已知實施例中所 述間隙具有一個最小間隙寬度，它主要影響電磁迴路的特性。間隙寬 度對於在按照圖1至5的裝置的通過磁芯段構成的磁迴路中的磁場強 度是重要的。
由文獻DE38 10 702 C2已知一種裝置，其中實現能源的頻率跟 蹤。為此在這個裝置中獲得初級電流迴路中電流與電壓之間的相位關 系並且調節到預先設定的值。
由文獻DE 198 37 675 Al已知一種充電裝置，其中為了感應地傳遞充電能量，在感應耦合器的初級部分中具有一個功率振蕩器。在 次級部分中具有一個用於交替接收蓄電池充電功率的控制裝置。
由文獻DE 601 02 613 T2已知一種裝置，其中調節由應答器讀取 裝置給出的能量的發射功率。在此在初級側或次級側電流迴路中具有 一個用於提供發射功率的串聯振蕩迴路。通過應答器與讀取裝置之間 磁耦聯獲得實際的信息。諧振迴路具有一個可變電容，通過它可以調 諧諧振迴路。

發明內容
由現有技術已知的裝置出發，本發明的目的是給出一種用於無線 地在源設備與至少一個目標設備之間傳遞能量和/或數據的裝置和方 法，其中以簡單的結構能夠實現良好的能量及數據傳遞。
這個目的通過具有權利要求1所述特徵的裝置並通過具有獨立 的方法要求所述特徵的方法得以實現。在從屬權利要求中給出本發明 的有利改進方案。
通過用於在源設備與至少 一個目標設備之間無線地傳遞能量和/ 或數據的按照本發明的裝置以及通過按照本發明的方法能夠使諧振 器的諧振頻率和諧振條件的滿足不必取決於初級電流迴路和次級電 流迴路的變化的條件。尤其是諧振器與次級電流迴路中的變化負載無 關。通過與初級電流迴路並與次級電流迴路電絕緣的諧振器還可以實 現初級電流迴路與次級電流迴路之間有目的的有效能量傳遞。在多個 分別與初級電流迴路並與次級電流迴路電絕緣的具有相互不同的諧 振頻率的諧振器裝置中幾乎可以傳遞任何所期望的信號形式，例如矩 形信號，它們例如由多個諧波振蕩組成。在此每個諧振器最好由一個 諧振迴路構成，它尤其至少包括一個電感和一個電容。
通過每個諧振迴路使能量從初級側傳遞到次級側，由此使傳遞的 總能量是直接從初級迴路到次級迴路和從初級迴路到諧振迴路和從 諧振迴路到次級迴路傳遞的能量分量的總和。例如如果代替一個諧振 器而具有兩個諧振器，可以使傳遞的總能量提高約15%。第二個諧振 器最好具有笫一個諧振器兩倍的諧振頻率。但是對於本發明而言，代 替電磁諧振器也可使用其它諧振器，如聲學的、機械的或液壓的諧振器。在此在本發明的意義上諧振器是各種能夠振蕩的系統，其元件與 輸入頻率以這種方式相調諧，使諧振器在用這個頻率激勵時振蕩。
在本發明的一個改進方案中，諧振器由諧振迴路構成，或者多個 諧振器由多個諧振迴路構成。在此最好使初級線圍、次級線圍和絕緣 諧振迴路的電感設置在同一個磁迴路裡面。在此有利的是，初級線團、 次級線圏和形成絕緣諧振迴路電感的線團圍繞由磁迴路包圍的磁芯 設置，其中磁迴路最好具有沒有間隙的磁芯。
此外有利的是，具有至少兩個諧振迴路，它們分別與次級電流回 路並且分別與另一電流迴路電絕緣。至少兩個諧振迴路的電感最好分 別由線圏構成，其繞組由雙線繞組構成或者對於多於兩個諧振迴路的
情況由n線繞組構成。通過雙線繞組或者在n個諧振迴路的情況下通 過n線繞組使由這些繞組形成的線圏最好具有相同的電感，由此使諧 振頻率可以僅僅通過選擇不同的電容而被調節。有利的是，諧振迴路 相互間具有不同的諧振頻率，由此使初級電流迴路與次級電流迴路之 間的能量傳遞受到具有諧振迴路或諧振器的疊加諧振頻率的諧振回 路的影響。
此外有利的是，使次級線圏的繞組和形成諧振迴路電感的線圏的 繞組和/或初級線圍的繞組和形成諧振迴路電感的線圍的繞組可以由 雙線繞組構成。設置有多個諧振迴路，這些諧振迴路的線圏繞組或諧 振迴路的部分線圏繞組和初級繞組或初級繞組由n線繞組構成。n線 繞組的存在簡化了整個裝置的加工。尤其是通過n線繞組構成的線圍 電感可以通過把多個線圏連接在一起而簡單地改變，尤其是倍增。
此外有利的是，藉助於傅立葉變換分解要傳遞的信號。對於通過 傅立葉變換分解的要傳遞信號的傅立葉變換的每個諧波振蕩設置一 個諧振迴路，其諧振頻率與各諧波振蕩的頻率一致。由此可以由諧波 振蕩組成幾乎任意的信號形狀，由此例如可以在次級側產生一個基本 為矩形的信號變化。要指出的是，獨立的方法權利要求也可以通過各 個獨立的裝置權利要求的特徵或相應的方法特徵得到改進。


由下面的描述給出本發明的其它特徵和優點，結合附圖詳細解釋本發明的實施例。附圖中
圖l示出了一種已知的用於感應地傳遞能量的裝置。
圖2示出了與圖1所示裝置類似的已知裝置。
圖3示出了與圖1所示裝置類似的已知裝置。
圖4示出了與圖3所示裝置類似的已知裝置。
圖5示出了與圖4所示裝置類似的已知裝置。
圖6示出用於感應地傳遞能量裝置的按照本發明的第一實施例，
圖7示出用於感應地傳遞能量裝置的按照本發明的第二實施例，
圖8示出用於感應地傳遞能量裝置的按照本發明的第三實施例，
圖9示出用於感應地傳遞能量裝置的按照本發明的第四實施例，
圖10示出用於感應地傳遞能量裝置的按照本發明的第五實施
例，
圖11示出用於感應地傳遞能量裝置的按照本發明的第六實施例。
具體實施例方式
在圖6中示出按照本發明的第一實施例的裝置100,用於在源設 備102與目標設備104之間無線地傳遞能量和/或數據。該裝置100 具有與上述的圖4已知裝置46類似的結構。相同的部件具有相同的 附圖標記。除了包括電源16和線圏18的初級側電流迴路以外該裝置 IOO還具有次級側的電流迴路，它具有次級線圏20和以負載電阻表示 的充電電路22。磁芯或鐵芯由第一初級側u形的圍繞其設置初級線團 18繞組的磁芯段52和第二次級側的u形磁芯段54組成。在磁芯段 52， 54之間在源設備102和目標設備104的充電和/或數據傳遞位置 中存在間隙56， 58。該裝置IOO還具有線圏106，其繞組圍繞第二磁 芯段54設置並且與電容108電連接。線圏106和電容108形成振蕩 迴路，它具有取決於線圏106的電感和電容108的電容量的諧振頻率。 這個振蕩迴路也稱為諧振振蕩迴路並且是本發明意義上的諧振器。因 此該諧振器對於按照圖6的裝置100設置在次級側、即目標設備104中。
在圖7中示出按照本發明的第二實施例的裝置110，用於在源設 備112與目標設備114之間無線地傳遞能量和/或數據。該裝置110 具有與圖6所示的裝置IOO類似的結構。與圖6所示裝置100不同的 是，由線圏106和電容108構成的諧振器在空間上設置在源設備112 內，其中線圏106的繞組圍繞磁芯的第一磁芯段52設置。
在圖8中示出按照本發明的第三實施例的裝置120，用於在源設 備122與目標設備124之間無線地傳遞能量和/或數據，其中既設置了 初級側的諧振器也設置了次級側的諧振器。線圏126與電容128相互 電連接，形成了次級側的諧振器。線圏130和電容132彼此電連接成 一個電流迴路，形成了初級側的諧振器。線圏130和源i殳備側的初級 線圏18的繞組由雙線繞組構成。以同樣的方式，線圏126和目標設備 側的次級線圏20的繞組也由雙線繞組構成。
在圖9中示出按照本發明的第四實施例的裝置140，它與圖8所 示裝置120相類似，用於在源設備142與至少一個目標設備144之間 無線地傳遞能量和/或數據，其中源設備側的初級線圏18的繞組和初 級側諧振器線圏130的繞組被實現為獨立的繞組。以同樣的方式，目 標設備側的次級線圏20的繞組和次級側諧振器線圏126的繞組也被 實現為獨立的繞組。
在圖10中示出按照本發明的第五實施例的裝置150，用於在源 設備152與目標設備154之間無線地傳遞能量和/或數據，該裝置具有 一個目標設備側的諧振器。目標設備側諧振器的線圏繞組和目標設備 側的次級線圏在這個實施例中由雙線繞組構成。在這個裝置中沒有初 級側的諧振器。
在圖11中示出按照本發明的第六實施例的裝置160,用於在源 設備162與目標設備164之間無線地傳遞能量和/或數據。該裝置160 具有初級側的諧振器。諧振器線圏130的繞組由源設備側的初級線圏 18繞組作為雙線繞組構成。
所描述的本發明實施例在實現諧振器線圏繞組時表示使用具有
10源設備側初級線圏18或具有目標設備側次級線圏20繞組的雙線繞組 或者表示源設備側初級線圏的獨立繞組和諧振器線團的實現以及表 示目標設備側次級線圏20和諧振器線圏的獨立配置。但是以相同的 方式能夠實現以下配置，其中例如初級側諧振器的繞組和源設備側的 初級線圏18的繞組實現為獨立的繞組並且次級側諧振器線圏的繞組 和目標設備側次級線圏20的繞組也實現為獨立的繞組。以相同的方 式能夠使初級側諧振器線圏的繞組和源設備側的初級線圏18實現為 獨立的繞組並且使次級側諧振器的線圏繞組和目標設備側的次級線 圏20由雙線繞組構成。為了簡化視圖，在實施例中初級側和次級側 均分別只示出一個諧振器。但是有意義的是，在本發明的某些實施例 中具有多個初級側的和/或多個次級側的諧振器，其繞組最好由具有初 級線圏18或次級線圏20的n線繞組構成和/或由獨立的繞組構成初級 線圏18和次級線圏20的繞組。
如果具有多個諧振器，它們最好具有不同的諧振頻率。在此有利
的是，所有次級側諧振器的線圏也由所有分別由n線繞組構成的初級 側諧振器的線圏繞組構成，由此使它們分別具有基本相同的電感。通 過n線繞組以簡單的方式和方法在生產過程中能夠實現這樣纏繞線圏 的基本一致的電感。通過把多個線圏連接到 一起可以精確地使電感數 倍地增加。為了確定所期望的諧振頻率可以設置適當容量的電容，它 們分別與線圏或與多個連接在一起的線圏電連接並因此形成一個振 蕩迴路或諧振迴路(諧振器)。通過設置不與初級迴路和次級迴路電 連接的、即電絕緣的諧振器實現了對於能量和數據傳遞的高效率。在 此包含在初級電流迴路和次級電流迴路中的元件的元件容差以及通 過充電電路22形成的負載電阻的特性的變化不會導致諧振器特性的 變化，尤其是不會導致諧振頻率的變化。因此通過本發明無需費事地 調整或跟蹤諧振頻率。
如實施例所示，有利的是，使至少一個諧振器設置在與初級線圏 和次級線圏20相同的磁迴路裡面。在使用多個諧振器時可以實現諧 振地傳遞高頻的、非正弦形信號，它們最好由多個正弦形諧波振蕩組
ii成。由此尤其可以通過簡單的方式和方法傳遞基本為矩形的信號。按
照本發明的裝置示例地通過兩個u形的磁芯段52， 54表示。但是也 可以以相同的方式使用本發明的其它芯形狀。尤其是也可以只具有初 級側的磁芯，它在結構上這樣構成，使它在機械上從源設備突出來。 在源設備的外殼中最好具有一個空隙，在該空隙中在充電位置和/或在 數據傳遞位置中伸進突出的磁芯。如果源設備和目標設備位於數據傳 遞位置或能量傳遞位置，圍繞該空隙設置次級線圏20，由此使次級線 圏圍繞磁芯設置。如果源設備和目標設備位於數據傳遞位置或能量傳 遞位置，也可以選擇或附加地使目標設備具有突出的芯部位，它伸到 源設備的空隙裡面。圍繞源設備的空隙設置初級線圏。最好使源設備 或目標設備的外殼圍繞突出的磁芯並沿著空隙封閉地構成，由此至少 使目標設備具有環繞封閉的外殼。
在源設備側的初級側與目標設備側的次級側之間的能量傳遞基 本取決於由初級線圏在磁迴路中產生的磁場或磁流的強度和由電源 16產生的交流電壓的頻率。通過諧振迴路尤其可以實現電流和/或電 壓的諧振傳遞。如同結合圖2所示的那樣磁芯的杆狀結構，由於磁場 的^f茲力線相對自由地傳播，該方法可能在外部部位導致EMV問題。 此外場強或磁流只能以相對較大的開銷提高。傳遞到次級側的能量數 量取決於磁場強度和使磁場場強變化的頻率。通過改變由初級線圏產 生的磁場的場強，在次級線圏20中感生出一個電壓。
按照本發明利用具有初級側線圏的初級側電流迴路、具有次級側 線圏和附加地設置在磁迴路中的或設置在由初級線圏產生的磁場區 域中的諧振器的次級側電流迴路，從而能夠無線地在初級側與次級側 之間傳遞能量或數據。
通過本發明，為了滿足諧振條件，既不需要初級側的措施也不需 要次級側的措施。而是尤其可以與諧振條件無關地實現初級側或次級 側的無功功率補償。
諧振器在初級側和/或次級側的布置對於功能而言具有重大的意 義。另外，在此可以考慮結構上的需求，尤其是目標設備和/或源設備的結構尺寸。有利的是，電源1(i具有20kHz至SMHz、最好是6okH
至500kz頻率的交流電壓。
權利要求
1. 一種用於在源設備與至少一個目標設備之間無線地傳遞能量和/或數據的裝置，具有至少一個初級電流迴路的至少一個源設備側的初級線圈(18)，具有至少一個次級電流迴路的至少一個目標設備側的次級線圈(20)，並且具有至少一個諧振器。
2. 如權利要求l所述的裝置，其特徵在於，所述諧振器具有諧 振迴路，該諧振迴路與初級電流迴路並與次級電流迴路電絕緣。
3. 如權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，所述諧振器具 有與設置在初級電流迴路中的電源頻率不同的諧振頻率，該諧振頻率 最好為電源頻率的兩倍或0.5倍。
4. 如權利要求2或3任一項所述的裝置，其特徵在於，所述初 級線圏、次級線圏和諧振器諧振迴路的電感設置在同 一個磁迴路中， 最好使初級線圏(18)、次級線圏(20)和形成諧振迴路電感的線圏 圍繞形成磁迴路的磁芯i殳置。
5. 如上述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，具有至 少兩個諧振器，它們分別與初級電流迴路並且與初級電流迴路並且與 相應的其它諧振器電絕緣，其中諧振器最好分別具有一個諧振迴路， 並且該至少兩個諧振迴路的電感最好分別由線圏構成，線圏的繞組由 雙線繞組構成。
6. 如權利要求5所述的裝置，其特徵在於，該至少兩個諧振器 相互具有不同的諧振頻率。
7. 如權利要求5或6所述的裝置，其特徵在於，該至少兩個諧 振迴路具有電感相同的線圈，其中線圏的繞組最好由n線繞組構成。
8. 如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，該至少兩個諧振回 路相互具有不同的電容量。
9. 如上述權利要求2至8中任一項所述的裝置，其特徵在於， 所述次級線圏(20)的繞組和形成諧振迴路電感的線圏的繞組由雙線 繞組構成。
10. 如上述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，對於通過傅立葉變換分解的要傳遞信號的傅立葉變換的每個諧波振蕩設置 一個諧振器，其諧振頻率與各諧波振蕩的頻率一致。
11. 如上述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，設置在 初級電流迴路內的能源產生矩形輸出電壓。
12. —種用於在源設備與至少一個目標設備之間無線地傳遞能量 和/或數據的方法，其中通過至少一個初級電流迴路的至少一個源設備 側的初級線圏(18)在至少一個次級電流迴路的至少一個目標設備側 的次級線圏(20)中感生出一個電壓並且激勵至少一個諧振器。
13. 如權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述諧振器由諧振迴路構成，該諧振迴路具有至少一個線圏和至少一個電容，其中諧 振迴路與初級電流迴路並且與次級電流迴路電絕緣地i殳置。
14. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，通過感生出的電 壓對諧振迴路輸送能量，通過該能量激勵諧振迴路，並且受到激勵的 諧振迴路產生與諧振迴路諧振頻率交變的磁場，由該磁場在次級線圏(20)中感生出一個電壓。
全文摘要
本發明涉及一種用於在源設備與至少一個目標設備之間無線地傳遞能量和/或數據的裝置和方法，其中通過至少一個初級電流迴路的至少一個源設備側的初級線圈(18)在至少一個次級電流迴路的至少一個目標設備側的次級線圈(20)中、並且在至少一個諧振迴路的至少一個線圈中感生出一個電壓，其中諧振迴路與初級電流迴路並與次級電流迴路電絕緣地設置。
文檔編號H02J7/00GK101431259SQ20081021118
公開日2009年5月13日 申請日期2008年9月1日 優先權日2007年9月1日
發明者A·布呂恩 申請人:邁奇兩合公司