CN102130512A - 无线供电架 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无线供电架，其包括：电力传输装置，用于传输要被供给的电力；中继装置，用于中继电力传输装置的传输电力；电力接收装置，用于接收由中继装置中继的电力；以及主体，其中设置有负载，该负载被提供有至少由电力接收装置和中继装置中的电力接收装置接收的电力；至少电力传输装置、中继装置和电力接收装置中的中继装置和电力接收装置被结合在主体中；其中，电力传输装置、中继装置和电力接收装置分别具有第一共振元件、第二共振元件和第三共振元件。
Description
相关申请的参考
本发明包含于2010年1月15日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-006525的主题，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种非接触供电型的无线供电架，其可以以非接触或无线方式将电力提供给诸如展示架上的照明器具或显示装置等的负载。
背景技术
例如，在日本专利公开第2008-305737号(下文中，被称作专利文献1)中公开了一种用于将电力提供给商品架上的显示装置的技术。
在专利文献1中公开的技术中，DC电源的导轨(rail)被嵌入架的前面部中，并且通过该导轨来装配具有利用导轨来建立连续性的接点(contact)的附件，以允许对附件的电力供给。
发明内容
然而，根据上述专利文献1的技术，基本上，使用电缆对除架的前面上的电源轨道之外的任何其他构件供电。
因此，该技术的缺点在于，当组装或拆卸架时，电缆很可能受到损坏，并且需要时间连接或断开连接部，而且，架在设计特性和便利性方面也较差。
近年来，已经关注无线供电方式和无线充电方式，其中，使用了利用电磁共振现象的被称作磁场共振法的方法，而没有使用电缆。
在目前广泛使用的电磁感应型的非接触供电方式中，需要供电源和作为电力接收侧的供电目标共同使用磁通量。因此，为了有效地传输电力，需要将供电源和供电目标设置为彼此非常接近，并且用于耦合的对准也是很重要的。
同时，利用电磁共振现象的非接触供电方式的优点在于，从电磁共振现象的原理来看，与电磁感应方式相比，电力可以被传输更远的距离，此外，即使对准有些偏差，传输效率也不会下降太多。
应注意，作为电磁共振现象，不仅磁场共振而且还有电场共振都是可用的。
此外，近年来，已经报道了一种无线电力传输技术，其通过采用利用磁场的共振现象的磁场共振方式来实现60W的电力在2m距离上的传输。
此外，还报道了高效率的“无线供电方式”的发展，其通过采用磁场共振方式来传输60W的电力，以驱动间隔50cm处的电子设备。
如上所述，磁场共振型的无线供电或电力传输方式与电磁感应方式的相似点在于通过磁场来传输电力。然而，磁场共振方式通过利用共振现象可以实现比电磁感应方式的传输距离更大的传输。
然而，为了实现这种高性能，需要良好的共振器，或者换而言之，需要具有高Q值的共振器。
Q值高意味着频率特性较陡峭，这与带宽存在折中(此消彼长)的关系。由此，窄带宽涉及以下缺点：
1)如果载波的频率偏移，则传输效率显著下降。
2)如果共振频率通过周围环境的变化或温度变化而偏移，则传输效率显著下降。
3)电力不能通过除共振点以外的任何其他频率传输。
为了利用除预先设定的共振频率以外的频率传输电力，需要改变共振频率。因此，需要改变一些常数的设定。
这引起了机械复杂性，并产生电子特性劣化(诸如，共振器的Q值下降)的因素。
因此，期望提供一种无线供电架，其可以在不使用电缆的情况下以无线方式并高效率地提供电力，并且在设计特性和便利性方面较高，而不会引起机构的复杂性。
根据本发明的实施方式，提供了一种无线供电架，包括：电力传输装置，用于传输要被提供的电力；中继装置，用于中继电力传输装置的传输电力；电力接收装置，用于接收由中继装置中继的电力；以及主体，其中设置有负载，该负载被提供有至少由电力接收装置和中继装置中的电力接收装置接收的电力，至少电力传输装置、中继装置和电力接收装置中的中继装置和电力接收装置被结合在主体中，电力传输装置包括用于接收向其提供的电力并传输接收到的电力的第一共振元件，中继装置包括用于通过磁场共振关系接收从第一共振元件向其传输的电力并传输接收到的电力的第二共振元件，接收装置包括用于通过磁场共振关系来接收从中继装置向其传输的电力的第三共振元件。
通过无线供电架，可以在不使用电缆的情况下以无线方式提供电力。此外，可以以高设计特性、高便利性和高供电效率来执行电力的供给，而不会引起机构的复杂性。
结合附图，从以下描述和所附权利要求中，本发明的上述和其他特征以及优点将变得更加显而易见，附图中，相同的部件或元件由相同的参考标号来表示。
附图说明
图1是示出了根据本发明第一实施方式的无线供电系统的构造的实例的示意图；
图2是示出了图1的无线供电系统的无线供电架的等效块的示意图；
图3A和图3B分别是示出了将线圈结合至中继装置以及电力传输或接收装置的框架中的实例的示意图；
图4A和图4B是示出了将电路结合至中继装置以及电力传输或接收装置的框架中的实例的示意图；
图5是示出了磁场共振方式的原理的示意图；
图6是示出了磁场共振方式中的耦合量的频率特性的示图；
图7是示出了共振元件间的距离与磁场共振方式中的耦合量之间的关系的示图；
图8是示出了在磁场共振方式中共振频率与获得最大耦合量的共振元件间的距离之间的关系的示图；
图9是示出了根据本发明第二实施方式的无线供电方式的构造的实例的示意图；
图10是示出了图9的无线供电方式的无线供电架的等效块的示意图；以及
图11是示出了根据本发明第三实施方式的无线供电方式的构造的实例的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的优选实施方式。
应注意，将以下列顺序给出描述：
1.第一实施方式(无线供电架的第一构造实例)
2.第二实施方式(无线供电架的第二构造实例)
3.第三实施方式(无线供电架的第三构造实例)
<1.第一实施方式>
图1示出了根据本发明第一实施方式的无线供电架的构造的实例，并且图2示出了无线供电架的等效块。
参考图1和图2，所示的无线供电架10包括架主体20、电力传输装置30、中继装置40和电力接收装置50。
在根据本发明第一实施方式的无线供电架10中，电力传输装置30、中继装置40和电力接收装置50被结合在构成如下文详细描述的架主体20的骨架(skeleton)的框架中。
架主体20包括以预定的间隔关系彼此设置以形成骨架的第一框架21、第二框架22和第三框架23。
第一框架21、第二框架22和第三框架23是矩形的非切断环状框构架件。例如，每个框构架件均由四个中空支柱形成。
第一框架21、第二框架22和第三框架23例如被设置为使得它们平行于墙面WLL并垂直于地面FLW延伸。
电力传输装置30被安装在第一框架21、第二框架22和第三框架23中的第一框架21上，该第一框架被设置在架主体20的一侧部。
电力接收装置50被安装在第一框架21、第二框架22和第三框架23中的第三框架23上，该第三框架被设置在架主体20的另一侧部。
中继装置40被安装在第一框架21、第二框架22和第三框架23中的第二框架22上，该第二框架被设置在架主体20的一侧部与另一侧部之间。
第一框架21、第二框架22和第三框架23均由诸如ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)或PC(聚碳酸酯)的非导电材料形成。
架主体20在第一框架21、第二框架22和第三框架23上具有在框架21至23的高度方向上以预定的间隔关系所设置的用于展示架的第一板24、第二板25和第三板26。
第一板24不仅具有展示架的功能而且还具有顶板的功能，第三板26不仅具有展示架的功能，而且还具有作为基体(使无线供电架10稳定地放置在地面FLW上)的功能。
此外，架主体20具有显示装置27和28作为从电力接收装置50接收驱动电力的负载。
例如，显示装置27和28由液晶显示(LCD)装置构成。
显示装置27被设置在第三框架23的前面侧、第一板24的配置位置附近，并在未示出的控制方式的控制下显示放置在第一板24上的商品的名称、价格等。
显示装置28被设置在第三框架23的前面侧、第二板25的配置位置附近，并在未示出的控制方式的控制下显示放置在第二板25上的商品的名称、价格等。
电力传输装置30具有传输从供电电缆60向其提供的AC(交流)电力的功能。
电力传输装置30包括电力传输线圈部31。
电力传输线圈部31具有用作供电元件的供电线圈311和用作第一共振元件的共振线圈312。
尽管共振线圈也被称作谐振线圈(共鸣线圈，consonance coil)，但在本实施方式的描述中，使用术语共振线圈。
供电线圈311由例如通过供电电缆60而被提供有AC电流的环状线圈形成。
共振线圈312用作共振器，并由通过电磁感应而耦合至供电线圈311的空心线圈形成。共振线圈312以无线方式有效地传输从供电线圈311提供的AC电力。
应注意，在供电侧，供电线圈311和共振线圈312通过电磁感应而彼此强烈地耦合。
共振线圈312在其自共振频率与中继装置40的共振线圈411的自共振频率一致时进入磁场共振关系，并在其处于磁场共振关系时有效地传输电力。
具有如上所述的这种结构的电力传输装置30被结合在架主体20的第一框架21中。
中继装置40具有中继从电力传输装置30传输的电力的功能。
中继装置40包括传输和接收线圈部41。
传输和接收线圈部41具有共振线圈411作为第二共振元件。
共振线圈411和电力传输装置30的共振线圈312可以通过磁场共振关系而彼此相耦合，并且共振线圈411用作中间级(段，stage)的共振器。
类似地，共振线圈411和电力接收装置50的共振线圈可以通过磁场共振关系而彼此相耦合，并且共振线圈411用作中间级的共振器。
共振线圈411由空心线圈形成，并且当共振线圈411和电力接收装置50的共振线圈512的自共振频率彼此一致时，建立有效传输电力的磁场共振关系。
具有如上所述的这种构造的中继装置40被结合在架主体20的第二框架22中。
电源接收装置50具有接收由中继装置40中继的电力的功能。
电力接收装置50包括电力接收线圈部51和整流电路52，并将接收到的电力提供给作为电力的供给目标的负载的电子设备，例如提供给显示装置27和28。
电力接收线圈部51具有用作供电元件的电力传输线圈511和用作第三共振元件的共振线圈512。
电力传输线圈511通过来自共振线圈512的电磁感应而被提供有AC电流。
共振线圈512由通过电磁感应耦合至电力传输线圈511的空心线圈形成，并且当中继装置40的共振线圈411和共振线圈512的自共振频率彼此一致时，建立共振线圈512有效接收电力的磁场共振关系。
共振线圈512用作电力接收侧共振器。
应注意，在电力传输线圈511和负载之间的连接部处(即，电力传输线圈511的负载端)设置了具有阻抗匹配功能的匹配电路(未示出)。
整流电路52将接收到的AC电力整流为DC电力。未示出的稳压电路将从整流电路52提供的DC电力转换为符合DC电力的供给目标的电子设备的规格的DC电压，并且将稳定的DC电压提供给负载的电子设备的处理系统。
具有如上所述的这种构造的电力接收装置50被结合在架主体20的第三框架23中。
图3A和图3B分别示出了将中继装置以及电力传输和接收装置结合至框架中的实例。
图4A和图4B示出了将中继装置以及电力传输和接收装置结合至包括电路的框架中的实例。
参考图3A至图4B，中继装置通过设置在由诸如ABS或PC的非导电物质形成的支柱221的内部的共振频率为fo的共振(谐振)元件(线圈)411构成。
由于共振线圈411优选地具有高Q值，因此其通常由具有高导电性的金属(诸如铜、银或铝)形成。
容纳有线圈的支柱优选地使用诸如ABS或PC的非导电材料来形成，以减小对线圈的电的不利影响，同时保持支柱221的强度。
如图4A所示，电力传输装置30和电力接收装置50在支柱211和231的内部除了需要容纳共振线圈312和512以外，还需要容纳作为激励元件的供电线圈311和511以及包括整流电路等的电力传输和接收电路33和53。
然而，应注意，在没有足够可用的空间的情况下，可以省略作为激励元件的供电线圈，而代替的是插入分别由LC电路形成的匹配电路34和54。然而，由LC电路形成的匹配电路趋向于表现出相对较高的损耗。
还应注意，在设置供电线圈的情况下，也可以在负载的供电点或连接点处另外结合匹配电路34和54，以用于阻抗调整。
现在，将关于磁场共振方式的原理和根据本发明实施方式的无线供电架的一般操作，具体描述上述构造的无线供电架10的操作。
[磁场共振方式的原理]
首先，将参考图5至图8来描述磁场共振方式的原理。
图5示出了磁场共振方式的原理。
这里，应注意，给出了对供电线圈为供电元件且共振(谐振)线圈为共振(谐振)元件的原理的描述。
尽管电场共振和磁场共振可用作电磁共振现象，但图5示出了无线或非接触供电架使用磁场共振方式并包括以一一对应关系设置的电力传输侧和电力接收侧的基本块。
在通过图1和图2的构造的对应关系中，供电侧包括AC电源70、供电元件311和共振元件312，以及电力接收侧包括共振元件512、电力传输元件511和整流电路52。
供电元件311和511以及共振元件312和512均由空心线圈形成。
在电力传输装置30侧，供电元件311和共振元件312通过电磁感应而彼此强烈地耦合。类似地，在电力接收装置50侧，电力传输元件511和共振元件512通过电磁感应而彼此强烈地耦合。
当电力传输侧和电力接收侧的共振元件312和512的空心线圈的自共振(谐振)频率彼此一致时，共振元件312和512具有磁场共振关系，其中，耦合量最大同时损耗最小。
AC电流从AC电源70提供给供电元件311。此外，通过电磁感应而在共振元件312中感生电流。
将由AC电源70生成的AC电流的频率设定为等于共振元件312和512的自共振频率。
共振元件312和共振元件512以相互磁场共振的关系而设置，并且在共振频率中，AC电力以无线或非接触方式从共振元件312提供给共振元件512。
在电力接收侧，通过电磁感应将电流从共振元件512提供给电力传输元件511，并且由整流电路52生成DC电流并从中输出该DC电流。
图6示出了磁场共振方式中的耦合量的频率特性。
参考图6，横坐标轴表示AC电源的频率f，纵坐标轴表示耦合量。
具体地，图6示出了AC电源的频率与耦合量之间的关系。
从图6可以看出，通过磁共振来表现频率选择性。
图7示出了共振元件间的距离与磁场共振方式中的耦合量之间的关系。
参考图7，横坐标轴表示共振元件之间的距离，纵坐标轴表示耦合量。
具体地，图7示出了电力传输侧的共振元件312和电力接收侧的共振元件512间的距离D与耦合量之间的关系。
从图7可以看出，在特定共振频率处，存在耦合量为最大的距离D。
图8示出了在磁场共振方式中共振频率与获得最大耦合量的共振元件间的距离之间的关系。
参考图8，横坐标轴表示频率f，纵坐标轴表示共振元件之间的距离D。
具体地，图8示出了共振频率与电力传输侧的共振元件312和电力接收侧的共振元件512间的距离D之间的关系。
从图8可以看出，通过在共振频率较低的情况下设定共振元件之间的较大距离，而在共振频率较高的情况下设定共振元件之间的较小距离，可以获得最大耦合量。
关于中继装置，将具体描述基于上述原理的在磁场共振方式中设置有中继装置的本实施方式的无线供电架的一般操作。
在本第一实施方式中，如图2所示，具有与电力传输侧和电力接收侧的共振元件312和512相同的共振频率的共振元件411被设置在共振元件312和512之间的同一直线上。
在刚描述的构造中，由于共振元件312和共振元件411彼此通过磁场来耦合并且共振元件411和共振元件512彼此通过磁场来耦合，以提供电力，所以共振元件411用作中继装置40或中继器。
此外，在共振元件411对齐地设置在共振元件312和512的中间点处的情况下，获得了最大效率。
在本第一实施方式中，电力传输装置30(图2中的电力传输侧共振元件+激励元件)被置于位于图1的内侧的第一框架21的构架中。
在最前方，放置有电力接收装置50(图2中的电力接收侧共振元件+激励元件)。
在电力传输侧和电力接收侧之间的距离较大、并且传输性能不足的情况下，中间的第二框架22可用于配置中继装置40或中继器。
这里，作为供电电缆60，只需要用于连接电源传输装置和AC插头的供电电缆，并且也需要任何其他的电缆。
通过以这种方式将中继装置40的共振元件411设置在电力传输装置30的共振元件312和电力接收装置50的共振元件512之间的中间点处，可以增加供电距离。
结果，可以获得超过普通磁场共振方式的电力传输能力的供电距离。
<2.第二实施方式>
图9示出了根据本发明第二实施方式的无线供电架的构造的实例，并且图10示出了图9的无线供电架的等效块。
参考图9和图10，根据第二实施方式的无线供电架10A与根据第一实施方式的无线供电架10相类似，但不同之处在于，中继装置40-2代替电力传输装置30而被结合在第一框架21中。
此外，在本第二实施方式中，安装有电力传输装置30A的第一框架21被形成为设置在主体20A外部的非骨架框21A。
非骨架框21A例如被嵌入在墙面WLL中。
在这种情况下，为了获得高供电效率，主体20A被设置为使得电力传输装置30A的共振线圈312在主体20A的一个侧部与第一框架21中的中继装置40-2的共振线圈411A相对。
通过设置主体20A，展示架不再需要供电电缆，从而其被设计得简洁(clear-cut)，使其可以容易地组装和拆卸。
<3.第三实施方式>
图11示出了根据本发明第三实施方式的无线供电架的构造的实例。
参考图11，根据第三实施方式的无线供电架10B与根据第二实施方式的无线供电架10A相类似，但不同之处在于，非构架框21B没有嵌入在墙面WLL中而是嵌入在地面FLW中。
此外，第一框架21、第二框架22和第三框架23从地面FLW朝顶板侧顺次地以预定的间隔关系设置，使得它们与非构架框21B的环部相对。
此外，在这种情况下，展示架不再需要供电电缆，从而其被设计得简洁，使其可以容易地组装和拆卸。
如上所述，根据本实施方式，可以实现以下优点。
具体地，根据本实施方式，当诸如电子显示标签等的电子设备附接至展示架时，可以将所需的电缆的数目最小化，并且可以实现可容易组装和拆卸的展示架。此外，展示架可以容易地移动，并且可以明显减少清洁时的麻烦。
本领域的技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变形，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围之内。
Claims (15)
1.一种无线供电架，包括：
电力传输装置，用于传输要被供给的电力；
中继装置，用于中继所述电力传输装置的传输电力；
电力接收装置，用于接收由所述中继装置中继的所述电力；以及
主体，其中设置有负载，所述负载被提供有至少由所述电力接收装置和所述中继装置中的所述电力接收装置接收的电力；
至少所述电力传输装置、所述中继装置和所述电力接收装置中的所述中继装置和所述电力接收装置被结合在所述主体中；
所述电力传输装置包括：
第一共振元件，用于接收向其提供的电力并传输接收到的所述电力；
所述中继装置包括：
第二共振元件，用于接收通过磁场共振关系从所述第一共振元件向其传输的所述电力，并传输接收到的所述电力；
所述接收装置包括：
第三共振元件，用于接收通过磁场共振关系从所述中继装置向其传输的所述电力。
2.根据权利要求1所述的无线供电架，其中，所述主体包括：
多个框架，彼此以预定的间隔关系设置以形成骨架，使得所述电力接收装置被结合在所述多个框架的一个中，而所述中继装置被结合在所述多个框架的另一个中。
3.根据权利要求2所述的无线供电架，其中，所述第一共振元件、所述第二共振元件和所述第三共振元件均由线圈形成，并且每个所述框架均由环状的非导电材料的构架形成，使得在其中心部形成空间，并且形成各所述共振元件的所述线圈在所述构架中均形成环路。
4.根据权利要求3所述的无线供电架，其中，所述电力传输装置包括被提供有来自电源的电力并通过电磁感应耦合至所述共振元件的供电元件，所述电力接收装置包括通过电磁感应耦合至所述第三共振元件以将由所述第三共振元件接收的电力提供给所述电力接收装置的供电元件，并且每个所述供电元件均由线圈形成并与形成所述共振元件的线圈一起被结合在所述框架中。
5.根据权利要求1所述的无线供电架，其中，所述主体包括：
多个框架，彼此以预定的间隔关系设置以形成骨架，使得所述电力接收装置被结合在设置于所述主体的一侧部的一个所述框架中，而所述电力传输装置被结合在另一所述框架中，该另一所述框架设置在所述主体的与所述一侧部相对的另一侧部，并且所述中继装置被结合在设置于所述主体的所述一侧部和所述另一侧部之间的至少一个所述框架中。
6.根据权利要求5所述的无线供电架，其中，所述第一共振元件、所述第二共振元件和所述第三共振元件均由线圈形成，并且每个所述框架均由环状的非导电材料的构架形成，使得在其中心部形成空间，并且形成各所述共振元件的所述线圈在所述构架中均形成环路。
7.根据权利要求6所述的无线供电架，其中，所述电力传输装置包括被提供有来自电源的电力且通过电磁感应耦合至所述共振元件的供电元件，所述电力接收装置包括通过电磁感应耦合至所述第三共振元件以将由所述第三共振元件接收的电力提供给所述电力接收装置的供电元件，并且每个所述供电元件均由线圈形成并与形成所述共振元件的线圈一起被结合在所述框架中。
8.根据权利要求1所述的无线供电架，其中，所述主体包括：
多个框架，彼此以预定的间隔关系设置以形成骨架，使得所述电力接收装置被结合在设置于所述主体的一个侧部上的一个所述框架中，并且所述中继装置被结合在所述框架中的、从所述主体的一端部到所述主体的与所述一端部相对的另一端部以预定的间隔关系设置的多个框架中，而所述电力传输装置被结合在设置于所述主体的外部的非骨架框中，使得所述电力传输装置与所述另一端部的框架相对。
9.根据权利要求8所述的无线供电架，其中，所述第一共振元件、所述第二共振元件和所述第三共振元件均由线圈形成，并且每个所述框架均由环状的非导电材料的构架形成，使得在其中心部形成空间，并且形成各所述共振元件的所述线圈在所述构架中均形成环路。
10.根据权利要求9所述的无线供电架，其中，所述电力传输装置包括被提供有来自电源的电力并通过电磁感应耦合至所述共振元件的供电元件，所述电力接收装置包括通过电磁感应耦合至所述第三共振元件以将由所述第三共振元件接收的电力提供给所述电力接收装置的供电元件，并且每个所述供电元件均由线圈形成并与形成所述共振元件的线圈一起被结合在所述框架中。
11.根据权利要求8所述的无线供电架，其中，所述非骨架框被设置在房间的墙壁、地板和天花板中的一个上，并且所述主体被设置为使得结合有所述中继装置的框架以与所述非骨架框相对的关系进行设置。
12.根据权利要求1所述的无线供电架，其中，所述电力传输装置包括：
供电元件，被提供有来自电源的电力，并通过电磁感应耦合至所述共振元件。
13.根据权利要求1所述的无线供电架，其中，所述电力接收装置包括通过电磁感应耦合至所述第三共振元件以将由所述第三共振元件接收的电力提供给所述电力接收装置的供电元件。
14.根据权利要求1所述的无线供电架，其中，所述电力传输装置在所述第一共振元件的供电点处包括具有阻抗匹配功能的匹配部。
15.根据权利要求1所述的无线供电架，其中，所述电力接收装置在所述第三共振元件和负载之间的连接部处包括具有阻抗匹配功能的匹配部。
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