在管形結構以內的電容性無線功率的製作方法
2024-02-11 06:34:15
在管形結構以內的電容性無線功率的製作方法
【專利摘要】一種被構造用於在管形結構(200)以內實現無線功率傳送的電容性供電系統包括：電容性管(220)，包括通過第一電感器(222)連接到負載(221)的一對接收器電極(223，224)，其中第一電感器耦合到負載以使系統諧振；發送器設備(210)，包括連接到功率驅動器(211)的一對發送器電極(213，214)；以及絕緣層(230)，用於將電容性管與發送器設備電絕緣管以在該對發送器電極與該對接收器電極之間形成電容性阻抗，其中功率驅動器生成的功率信號從該對發送器電極向該對接收器電極無線傳送以在功率信號的頻率與第一電感器和電容性阻抗的串聯諧振頻率基本上匹配時向負載供電。
【專利說明】在管形結構以內的電容性無線功率
[0001]本申請要求2011年8月16日提交的第61/523，919號美國臨時申請和2012年4月10日提交的第61/622，103號美國臨時申請的權益。
【技術領域】
[0002]本發明主要地涉及用於無線功率傳送的電容性供電系統並且更具體地涉及用於允許在管形結構中的高效功率傳送的結構。
【背景技術】
[0003]無線功率傳送是指無任何接線或者接觸的電功率供應，因此通過無線介質執行向電子設備的供電。用於無接觸供電的一個流行的應用是用於向便攜電子設備、例如行動電話、膝上型計算機等充電。
[0004]用於無線功率傳送的一個實現方式是通過電感性供電系統。在這樣的系統，在功率源(發送器)與設備(接收器)之間的電磁電感允許無接觸功率傳送。發送器和接收器二者配有電線圈，並且在帶入物理鄰近時，電功率從發送器向接收器流動。
[0005]在電感性供電系統中，生成的磁場集中於線圈內。作為結果，向接收器拾取場的功率傳送在空間中非常集中。這一現象在系統中產生熱點，這限制系統的效率。為了提高功率傳送的效率，需要用於每個線圈的高質量因子。為此，線圈應當以電感與電阻的最優比值為特徵、由具有低電阻的材料組成並且使用Litze接線工藝來製作以減少集膚效應。另外，線圈應當被設計用於滿足複雜的幾何形狀以避免渦電流。因此，需要昂貴線圈用於高效電感性供電系統。用於大面積無接觸功率傳送系統的設計將需要許多昂貴線圈，因此對於這樣的應用，電感性供電系統可能不可行。
[0006]電容性耦合是用於無線地傳送功率的另一技術。主要在數據傳送和感測應用中利用這一技術。粘貼在車窗上的具有汽車以內的拾取元件的汽車無線電天線是電容性耦合的示例。電容性耦合技術也用於電子設備的無接觸充電。對於這樣的應用，(實施電容性耦合的)充電單元以在設備的固有諧振頻率以外的頻率操作。
[0007]電容性功率傳送系統也可以用來在例如窗戶、牆壁的大面積傳送功率，並且具有平坦結構等。在圖1中描繪用於這樣的電容性功率傳送系統100的示例。如圖1中所示，這樣的系統的典型布置包括連接到負載120和電感器130的一對接收器電極111、112。系統100也包括連接到功率驅動器150的一對發送器電極141、142，以及絕緣層160。
[0008]發送器電極141、142耦合到絕緣層160的一側，並且接收器電極111、112從絕緣層160的另一側稱合。這一布置形成在該對發送器電極141、142與接收器電極111、112之間的電容性阻抗。因此，功率驅動器生成的功率信號可以在功率信號的頻率與系統的串聯諧振頻率匹配時，從發送器電極141、142向接收器電極111、112無線傳送以向負載120供電。負載可以例如是LED、LED串、燈等。作為示例，系統100可以用來向在牆壁上安裝的照明器材供電。
[0009]電容性功率傳送可以被設計用於在大面積之上傳送功率；這樣的系統主要被設計用於支持平坦表面和結構，例如牆壁、窗等。因此，系統100在它可以支持的應用上受到限制。例如，系統10不能最優地允許沿著可能很長(例如數百公裡)的管道或者橡膠軟管的無線功率傳送。也就是說，電容性功率系統100未被最優地設計用於允許在管形結構之上的無線功率傳送。
[0010]在現有技術中，通常使用在管形結構(例如管道)以內集成的導電接線來實現跨越管的功率分布。用導電接線產生導電連接以實現從功率源向負載的功率傳送。然而在管中的裂縫可能使接線中斷或者改變導電性能，因此它們不能傳導電功率。此外，對於需要沿著長導管的功率傳輸的應用，解決方案成本高，因為接線可能跨越管的整個長度伸展。
【發明內容】
[0011]因此，將有利的是提供一種用於在管形結構中在大面積內的高效無線功率傳送的解決方案。
[0012]這裡公開的一些實施例包括一種被構造用於在管形結構以內實現無線功率傳送的電容性供電系統。該系統包括:電容性管，包括通過第一電感器連接到負載的一對接收器電極，其中第一電感器耦合到負載以使系統諧振；發送器設備，夾到電容性管上，發送器設備包括連接到功率驅動器的一對發送器電極；以及絕緣層，用於將電容性管與發送器設備電絕緣以在該對發送器電極與該對接收器電極之間形成電容性阻抗，其中功率驅動器生成的功率信號從該對發送器電極向該對接收器電極無線傳送，以在功率信號的頻率與第一電感器和電容性阻抗的串聯諧振頻率基本上匹配時向負載供電。
[0013]這裡公開的一些實施例還包括一種被構造用於在管形結構以內實現無線功率傳送的電容性供電系統。該系統包括:接收器設備，包括通過電感器連接到負載的一對接收器電極，其中第一電感器耦合到負載以使系統諧振；電容性管，包括連接到功率驅動器的一對發送器電極，其中接收器設備夾到電容性管上；以及絕緣層，用於將電容性管與接收器設備電絕緣用於在該對發送器電極與該對接收器電極之間形成電容性阻抗，其中功率驅動器生成的功率信號從該對發送器電極向該對接收器電極無線傳送，以在功率信號的頻率與電感器和電容性阻抗的串聯諧振頻率基本上匹配時向負載供電。
[0014]這裡公開的一些實施例還包括一種用於將電能從電容性管的第一分段無線耦合到電容性管的第二分段的耦合管。該耦合管包括:一對導電電極，放置於耦合管以內並且由絕緣材料覆蓋，耦合管具有管形結構，管形結構具有比電容性管的直徑更寬的開口，在該對導電電極鄰近放置於電容性管的電極之上時，產生電容性阻抗，電容性阻抗在串聯諧振頻率允許在電容性管的第一分段與第二分段之間的無線電能耦合，其中第一分段和第二分段是電容性管的拆卸的分段。
[0015]在說明書的篇尾的權利要求中具體地指出並且清楚地要求保護視為本發明的主題內容。本發明的前述和其它特徵及優點將從結合附圖進行的以下具體描述中變得清楚。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是用於在平坦結構之上的無線功率傳送的電容性功率系統的典型布置。
[0017]圖2是根據本發明的一個實施例的被構造用於在管形結構內實現無線功率傳送的電容性功率電系統的示意圖。[0018]圖3是根據本發明的另一實施例的電容性管的分解透視圖。
[0019]圖4是可以夾入電容性管中的發送器設備的圖。
[0020]圖5是根據一個實施例的被構造用於在管形結構內實現無線功率傳送的電容性供電系統的另一布置。
[0021]圖6是可以夾入電容性管中的接收器設備的圖。
[0022]圖7是根據本發明的一個實施例構造的耦合管的圖。
【具體實施方式】
[0023]重要的是注意公開的實施例僅為這裡的創新教導的許多有利用例的示例。一般而言，在本申請的說明書中進行的陳述未必限制各種要求保護的本發明中的任何發明。另外，一些陳述可能適用於一些發明特徵、但是未適用於其它發明特徵。一般而言，除非另外指出，單數要素可以是複數並且反之亦然而不失一般性。在附圖中，相似標號貫穿若干示圖指代相似部分。
[0024]圖2示出根據本發明的一個實施例的被構造用於在管形結構以內實現無線功率傳送的電容性供電系統200的示意圖。系統200被設計用於從發送器設備210向電容性管220無線傳送功率。設備210可以夾在沿著電容性管220的任一點。管220可以是軟管(例如橡膠軟管、真空清潔器軟管等)、用來送水、石油、天然氣等的管道等。
[0025]根據一個實施例，電容性管220包括可以從外部夾在電容性管220中的負載221，而設備210連接到功率驅動器211。在圖4中示出這樣的發送器設備210的布置。在另一實施例中，電容性管220連接到功率驅動器，而設備210包括待供電的負載。在圖5中提供這樣的布置的示例圖。應當注意，在這些布置中的任何布置中，沒有在負載與功率設備之間的物理電連接，但是實際上在設備210與電容性管220之間無線傳送電功率。
[0026]在圖2中所示實施例中，設備210也包括耦合到驅動器211的一對發送器電極(TX1，TX2)213和214。在發送器電極213、214與驅動器211之間的連接可以藉助電接觸或者電容性內部耦合(in-coupling)。設備210可以夾到電容性管220上、由螺絲附接住(圖4)、與電容性管220 —體地構造在一起或者通過讓發送器電極與接收器電極無線接觸的其它手段。
[0027]在絕緣層230上附接發送器電極213、214。絕緣層230是薄層襯底材料，該薄層襯底材料可以是任何絕緣材料，例如包括空氣、紙、木材、紡織品、玻璃、DI水等。在一個實施例中，選擇具有介電常數的材料。絕緣層230的厚度通常在10微米(例如塗料層)與數毫秒(例如玻璃層)之間。
[0028]在圖2中所示實施例中充當接收器的電容性管220還包括與負載221串聯連接的電感器222和一對接收器電極(RX1，RX2)223、224。負載221可以是照明元件、傳感器、控制器、水泵、閥等。
[0029]接收器電極(RX1，RX2)223、224放置於電容性管220以內並且由絕緣材料覆蓋。在示出電容性管220的分解透視圖的圖3中進一步圖示這一結構。外材料310是電絕緣材料，而內材料320是形成接收器電極223、224的連接物質。
[0030]接收器電極223、224中的每個接收器電極的導電材料可以例如是碳、鋁、氧化銦錫(ITO)、有機材料(比如PED0T)、銅、銀、導電塗料或者任何導電材料。發送器電極213、214對中的每一個可以是與接收器電極相同的導電材料或者由不同導電材料製成。在一個實施例中，接收器和發送器電極中的每個電極被形成為粘貼到管的內壁的薄鋁片。
[0031]返回參考圖2，通過放置發送器電極213和214與接收器電極223、224鄰近而無在二者之間的直接接觸來向負載221供應功率。作為結果，電容性阻抗形成於發送器電極213,214與連接到負載221的接收器電極223、224之間。電容性阻抗具有連接到接收器電極中的每個接收器電極的電容器的性質。
[0032]驅動器211生成幅度、頻率和波形可以被控制的AC信號。為了允許系統正確地操作，驅動器211輸出具有如下頻率的AC功率信號，該頻率作為由電容器(與電容性阻抗等效)和電感器222的串聯構成的電路的串聯諧振頻率。這樣的電容器和電感器的阻抗在諧振頻率相互抵消從而產生低歐姆電路。
[0033]AC功率信號的幅度是為了向負載211供電而需要的幅度。可以通過控制驅動器211輸出的信號的頻率、相位或者佔空比、由此使信號不同於系統的串聯諧振頻率，來改變向負載211傳送的AC功率信號的功率電平。在AC信號的頻率接近根據電感器222和在電極之間形成的電容性阻抗的阻抗值推導的串聯諧振時實現在電容性供電系統200中的最大功率傳輸。
[0034]在一個實施例中，管220可以包括多個負載，每個負載連接到不同對的接收器電極並且在相同或者不同串聯諧振頻率諧振。在這一配置中，多個負載中的每個負載由驅動器211生成的功率信號供電並且通過設備210中的該對發送器電極無線傳送。根據一個實施例，設備210可以控制負載221的功能。為此，驅動器211生成被調製在AC功率信號上的控制信號或者從系統的串聯諧振頻率去調諧AC功率信號的頻率。例如，如果負載221是LED,則驅動器211輸出的控制信號可以用於LED的調光或者顏色控制。作為另一不例，如果負載221是水閥，則可以在AC功率信號上調製對閥的控制以控制閥的打開。控制信號可以由控制器、微處理器或者可以被配置用於對負載221的各種功能進行控制或者編程的任何電子電路來生成。
[0035]圖4示出根據本發明的一個實施例構造的發送器設備210的示例和非限制圖。發送器設備210用作電容性供電系統200中的發送器。根據這一實施例，設備210可以夾到電容性管220上並且使用螺絲201和202來緊固。發送器設備210包括連接到可以使用以上提到的導電材料中的任何導電材料形成的發送器電極213、214的驅動器211。基於設備210的應用來確定發送器電極213、214的尺度和導電材料。發送器電極213、214中的每個發送器電極的外表面耦合到可以使用以上提到的絕緣材料中的任何絕緣材料形成的絕緣層203。在一個實施例中，設備210的絕緣層203可以用作系統200的絕緣層230。
[0036]在一個可選實施例中，驅動器211連接到電感器216，該電感器可以用來調整系統200的串聯諧振頻率。在這一實施例中，串聯諧振頻率由電感器216、222和電容性阻抗確定。在另一可選實施例中，驅動器210可以被連接到控制器215，該控制器連接到驅動器211。控制器215可以用來生成用於如以上討論的那樣對負載2212的功能進行編程和控制的控制信號。
[0037]圖5圖示根據一個實施例的被構造用於在管形結構以內實現無線功率傳送的電容性供電系統500的另一布置。在這一布置中，設備510充當接收器，並且電容性管520充當發送器。[0038]具體而言，電容性管520包括可以從外部夾到電容性管520上的功率驅動器521。電容性管520還包括一對發送器(TX1，TX2)電極523、524。在發送器電極523、524與驅動器521之間的連接可以藉助電接觸或者電容性內部耦合。在一個實施例中，發送器電極523,524如圖3中所示形成於管以內。
[0039]接收器設備510包括連接到一對接收器電極(RX1，RX2)513和514的負載511和電感器512。接收器電極513、514附接在絕緣層530上。絕緣層530是薄襯底材料層，該襯底材料可以是可以使用以上提到的材料中的任何材料來形成的任何絕緣材料。負載511可以是照明元件、傳感器、控制器、水泵、閥等。可以使用以上提到的導電材料中的任何導電材料來形成接收器電極513和514以及發送器電極523、524。在一個實施例中，接收器和發送器電極中的每個電極被形成為薄鋁片。
[0040]在圖5中所示布置中，通過放置發送器電極523、524與接收器電極513、514鄰近而無在二者之間的直接接觸、即電極被絕緣層530分離，來從驅動器521向負載511供應功率。作為結果，電容性阻抗形成於發送器電極與接收器電極之間。接收器驅動器521生成幅度、頻率和波形可以被控制的AC信號。為了允許系統正確地操作，驅動器521輸出具有如下頻率的AC功率信號，該頻率作為由電容器(與電容性阻抗等效)和電感器222的串聯構成的電路的串聯諧振頻率。這樣的電容器和電感器的阻抗在諧振頻率相互抵消從而產生低歐姆電路。AC功率信號的幅度是為了向負載521供電而需要的幅度，並且它的頻率與由電容器(與電容性阻抗等效)和電感器512的串聯構成的電路的串聯諧振頻率相同。也在這一布置中，可以將控制信號調製在AC功率信號上以對負載521的功能進行控制或者編程。
[0041]圖6示出根據本發明的一個實施例的電容性供電系統500的接收器設備510的示例和非限制圖。接收器設備510可以夾到電容性管520上並且使用螺絲501和502來緊固。設備510包括連接到負載511和電感器512的一對接收器電極513和514。基於設備210的應用確定接收器電極的尺度和導電材料。接收器電極513、514中的每個接收器電極的外表面耦合到可以使用以上提到的絕緣材料中的任何絕緣材料形成的絕緣層503。在一個實施例中，接收器設備510的絕緣層503可以用作系統500的絕緣層530。
[0042]以上已經描述接收器和發送器設備為各自具有一對電極。然而應當注意，接收器和發送器電極中的每個電極可以包括大於2的任何數目的電極。
[0043]圖7描繪根據本發明的一個實施例構造的耦合管700。耦合管700將電能從電容性管的一個分段701耦合到電容性管的拆卸的分段702。根據另一實施例，耦合管700也可以將電能從入口耦合到電容性管。電容性管可以是以上具體描述的電容性管220和520中的任何電容性管。也就是說，電容性管包括一對電極。
[0044]在一個實施例中，耦合管700被構造為包括放置於耦合管以內並且由絕緣材料覆蓋的一對導電電極。例如，如圖3中所示形成導電電極。耦合管700的開口比電容性管的開口更寬。
[0045]耦合管700還包括一對電極，該對電極當鄰近放置在電容性管中的電極之上時產生電容性阻抗，該電容性阻抗在諧振頻率產生低歐姆電路。因此，可以通過耦合管700的電極從電容性管的在分段701的電極向在分段702的電極無線傳送電能。可以使用以上提到的導電材料中的任何導電材料形成發送器電極510和520。在本發明的一個實施例中，在率禹合管700與分段701和702之間的連接可以是電接觸。[0046]可以在許多部分應用中利用這裡描述的各種實施例。例如，可以向橡膠軟管配備包括LED的夾式光器件。在這一示例中，橡膠軟管是具有功率驅動器的電容性管，並且LED是夾到軟管上的負載。在另一示例中，夾式器件具有LED、也可以放置於包括功率驅動器的真清潔器軟管上以照亮真空清潔器底部。
[0047]另外，在另一示例中，可以在包括若干水閥的溫室水管中實施這裡討論的電容性功率系統。可以使用電容性管向閥無線提供為了操作閥而需要的功率和控制。(可以連接到控制器的)驅動器連接於水入口中的驅動器中並且在管的末端連接到夾式器件，該夾式器件控制管的操作。作為另一示例，使用如下電容性管，該電容性管包括在通風和空氣調節(HVAC)系統中使用的中央加熱、HVAC傳感器(即負載)。例如可以向每個房間配備這樣的管從而允許住戶基於傳感器的讀數控制房間中的溫度。
[0048]可以實施本發明的某些實施例為硬體、固件、軟體或者其任何組合。另外，優選地實施軟體為在可以形式為數字電路、模擬電路、磁介質或者其組合的程序存儲單元、非瞬態計算機可讀介質或者非瞬態機器可讀存儲介質上有形地實現的應用程式。應用程式可以上傳到包括任何適當架構的機器並且由其執行。優選地，在具有比如一個或者多個中央處理單元(「CPU」)、存儲器和輸入/輸出接口的硬體的計算機平臺上實施機器。計算機平臺也可以包括作業系統和微指令代碼。這裡描述的各種過程和功能可以是可以由CPU執行的微指令代碼的部分或者應用程式的部分或者其任何組合，而不管是否明示這樣的計算機或者處理器。此外，各種其它外圍單元可以連接到計算機平臺，比如附加數據存儲單元和列印單
J Li ο
[0049]儘管已經關於若干描述的實施例用一些篇幅和用一些細節描述本發明，但是並非旨在於它應當限於任何這樣的細節或者實施例或者任何具體實施例，而是將參照附圖解釋它以便鑑於現有技術提供這樣的權利要求的最廣義可能解釋、因此有效涵蓋本發明的既定範圍。另外，前文在發明人預見的實施例方面描述本發明，對於這些實施例有可能的描述可用，然而本發明的當前未預見的非實質修改卻可以代表其等效物。
【權利要求】
1.一種被構造用於在管形結構(200)以內實現無線功率傳送的電容性供電系統，包括: 電容性管(220)，包括通過第一電感器(222)連接到負載(221)的一對接收器電極(223，224)，其中所述第一電感器耦合到所述負載以使所述系統諧振；發送器設備(210)，包括連接到功率驅動器(211)的一對發送器電極(213，214);以及絕緣層(230)，用於將所述電容性管與所述發送器設備電絕緣以在所述一對發送器電極與所述一對接收器電極之間形成電容性阻抗，其中所述功率驅動器生成的功率信號從所述一對發送器電極向所述一對接收器電極無線傳送，以在所述功率信號的頻率與所述第一電感器和所述電容性阻抗的串聯諧振頻率基本上匹配時向所述負載供電。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述一對接收器電極由導電材料製成並且放置於所述電容性管以內並且由絕緣材料覆蓋。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述接收器電極中的每個接收器電極被形成為粘貼到所述電容性管的內壁的薄鋁片。
4.根據權利要求2所述的系統，其中覆蓋所述接收器電極的所述絕緣材料部分形成所述絕緣層。
5.根據權利要求1所述的系統，其中所述發送器電極由導電材料製成，所述導電材料由部分形成所述絕緣層的絕緣材料覆蓋。
6.根據權利要求1所述 的系統，其中所述多個負載是以下中的至少任一個:燈、發光二極體(LED)串、和LED燈、加熱通風和空氣調節(HVAC)傳感器、水泵以及閥。
7.根據權利要求1所述的系統，其中所述發送器設備還被配置用於控制所述負載的操作，並且其中所述操作的所述控制通過從所述串聯諧振頻率去調諧所述功率信號的頻率和在所述功率信號上調製控制信號中的至少一個來執行。
8.根據權利要求7所述的系統，其中所述發送器設備還包括: 第二電感器(216)，串聯連接到所述一對電極之一，用於調整所述串聯諧振頻率；控制器(215)，連接到所述功率驅動器(211)，所述控制器生成用於至少控制所述負載的功能的控制信號，其中所述功率驅動器使用可以藉助電接觸和電容性內部耦合中的至少一項通過所述第二電感器連接到所述一對發送器電極。
9.一種被構造用於在管形結構(500)以內實現無線功率傳送的電容性供電系統，包括: 接收器設備(510)，包括通過電感器(512)連接到負載(511)的一對接收器電極(513，514)，其中所述第一電感器耦合到所述負載以使所述系統諧振；電容性管(520)，包括連接到功率驅動器(521)的一對發送器電極(523，524);以及絕緣層(530)，用於將所述電容性管與所述接收器設備電絕以便在所述一對發送器電極與所述一對接收器電極之間形成電容性阻抗，其中所述功率驅動器生成的功率信號從所述一對發送器電極向所述一對接收器電極無線傳送，以在所述功率信號的頻率與所述電感器和所述電容性阻抗的串聯諧振頻率基本上匹配時向所述負載供電。
10.根據權利要求9所述的系統，其中所述一對發送器電極由導電材料製成、放置於所述電容性管以內並且由絕緣材料覆蓋，其中覆蓋所述發送器電極的所述絕緣材料部分形成所述絕緣層。
11.根據權利要求10所述的系統，其中所述發送器電極中的所述每個發送器電極被形成為粘貼到所述電容性管的內壁的薄鋁片。
12.根據權利要求9所述的系統，其中所述接收器電極由部分形成所述絕緣層的絕緣材料覆蓋。
13.根據權利要求9所述的系統，其中所述功率驅動器還被配置用於控制所述負載的操作，其中所述操作的所述控制通過以下操作中的至少一個操作執行:從所述串聯諧振頻率去調諧和在所述功率信號上調製控制信號。
14.一種用於將電能從電容性管的第一分段(701)無線耦合到所述電容性管的第二分段(702)的耦合管(700)，包括: 一對導電電極，放置於所述耦合管以內並且由絕緣材料覆蓋，所述耦合管具有管形結構，所述管形 結構具有比所述電容性管的直徑更寬的開口，在所述一對導電電極鄰近放置於所述電容性管的電極之上時，產生電容性阻抗，所述電容性阻抗在串聯諧振頻率允許在所述電容性管的所述第一分段與所述第二分段之間的無線電能耦合，其中所述第一分段和所述第二分段是所述電容性管的拆卸的分段。
15.根據權利要求14所述的系統，其中所述第一分段和所述第二分段之一是所述電容性管的入口。
【文檔編號】H04B5/00GK103748797SQ201280039942
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2012年8月13日 優先權日:2011年8月16日
【發明者】D·W·范古爾, A·森普爾, H·T·范德贊登, E·瓦芬施密特 申請人:皇家飛利浦有限公司