CN102664467A - 用于非接触式电力传送的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于非接触式电力传送的系统。系统(10)包括机械耦合于第一部件并且电耦合于电源(12)的第一线圈(14)。该系统(10)进一步包括机械耦合于第二部件(18)并且配置成经由磁场从该第一线圈(14)接收电力的第二线圈(16)。该第一和第二部件中的至少一个包括可旋转部件。该系统(10)还包括设置在该第一线圈(14)和该第二线圈(16)之间并且配置作为自谐振线圈(其具有驻波电流分布)的场聚焦元件(22)以将该磁场聚焦到该第二线圈(16)上并且增强该第一线圈(14)和该第二线圈(16)之间的耦合。

Description

用于非接触式电力传送的系统
技术领域
本发明的实施例大体上涉及非接触式电力传送系统并且更具体地涉及用于部件(其中这些部件中的至少一个正在旋转)之间的非接触式电力传送的系统。
背景技术
通常采用机械滑环来在机器的可旋转部件之间传送电力。滑环是安装在机器的可旋转部件上的金属环，金属环通过静触点的导电刷与机器的静止部件电接触。滑环的尺寸和材料是专用的，并且滑环的定期维护是必需的以确保当发生机械损伤时机器不中断操作。
旋转变压器备选地在一些应用中使用以提供可旋转部件之间的非接触式电力传送。旋转变压器包括两个旋转感应线圈并且根据感应耦合原理工作以从一个线圈传送电力到另一个。以50Hz或60Hz的工频操作的旋转变压器是庞大的并且笨重的。减小旋转变压器的尺寸的一个方式是以高频操作变压器并且使谐振槽路(resonance tank circuit)耦合于变压器的一次和二次绕组。
然而，当减小旋转变压器的尺寸时，旋转变压器的效率对于变压器的一次和二次绕组之间间隙的改变或机器中的负荷变化变得更敏感。也就是说，两个线圈之间的空隙的任何改变减少磁场耦合并且引起旋转变压器效率降低。
因此，存在需要改进的系统和方法来解决前面提到的问题。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供用于非接触式电力传送的系统。该系统包括机械耦合于第一部件并且电耦合于电源的第一线圈，其中该第一线圈配置成产生磁场。该系统进一步包括机械耦合于第二部件并且配置成经由该磁场从第一线圈接收电力的第二线圈。第一和第二部件中的至少一个包括可旋转部件。该系统还包括设置在该第一线圈和该第二线圈之间并且配置作为自谐振线圈(其具有驻波电流分布)的场聚焦元件以将磁场聚焦到该第二线圈上并且增强该第一线圈和该第二线圈之间的耦合。
在本发明的另一个实施例中，涡轮机包括配置成从发电机传送电力到叶片浆距马达的非接触式电力传送系统。该涡轮机包括耦合于该涡轮机的发电机的第一线圈。该第一线圈配置成产生磁场。该涡轮机进一步包括耦合于该涡轮机的叶片桨距马达的第二线圈。该第二线圈配置成经由该磁场从该第一线圈接收电力。该涡轮机还包括设置在该第一线圈和该第二线圈之间并且包括至少一个谐振器(其配置将磁场聚焦到该第二线圈上并且形成驻波电流分布)的场聚焦元件。
在本发明的再另一个实施例中，计算机断层摄影机器包括配置成从电源传送电力到X射线管的非接触式电力传送系统。该计算机断层摄影机器包括耦合于高压变压器的第一线圈。该第一线圈配置成产生磁场。该计算机断层摄影机器进一步包括耦合于该X射线管的第二线圈。该第二线圈配置成经由该磁场从该第一线圈接收电力。该计算机断层摄影机器还包括设置在该第一线圈和该第二线圈之间并且包括至少一个谐振器(其配置将磁场聚焦到该第二线圈上并且形成驻波电流分布)的场聚焦元件。
附图说明
当下列详细说明参照附图(其中所有图中相似的符号代表相似的部件)阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中：
图1是根据本发明的实施例用于可旋转部件的非接触式电力传送系统的图示；
图2是根据本发明的实施例的场聚焦元件的图示，该场聚焦元件包括用于在图1的非接触式电力传送系统中使用的多个瑞士卷(SwissRoll)形谐振器的阵列。
图3是根据本发明的实施例配置成形成用于在图2中的实施例中使用的场聚焦元件的至少一个谐振器的截面图的图示。
图4是根据本发明的实施例的包括图1的非接触式电力传送系统的涡轮机的图示。
图5是根据本发明的实施例的包括图1的非接触式电力传送系统的计算机断层摄影机器的图示。
具体实施方式
本发明的实施例包括：非接触式电力传送系统；涡轮机，其包括配置成从发电机传送电力到叶片桨距马达的非接触式电力传输系统；和计算机断层摄影机器，其包括配置成从电源传送电力到X射线管的非接触式电力传送系统。
非接触式电力传送系统包括耦合于第一部件并且耦合于电源的第一线圈和耦合于第二部件的第二线圈。该第一和第二部件中的至少一个包括可旋转部件。该第一线圈配置成产生磁场，并且该第二线圈配置成经由该磁场从该第一线圈接收电力。非接触式电力传送系统还包括设置在该第一线圈和该第二线圈之间并且配置作为自谐振线圈(其具有驻波电流分布)的场聚焦元件以将该磁场聚焦到该第二线圈上并且增强该第一线圈和该第二线圈之间的耦合。如本文使用的，术语“一”不表示数量的限制，而是表示存在引用的项目的至少一个。
图1是根据本发明的实施例在第一部件(未示出)和第二部件18之间的非接触式电力传送系统10的图示。在示范性实施例中，该第一部件包括静止部件，并且该第二部件包括可旋转部件。该非接触式电力传送系统10包括电耦合于第一线圈14并且配置成传送电力到该第一线圈14的电源12。该第一线圈14耦合于该第一部件并且配置成产生磁场。该磁场被聚焦到第二线圈16上，该第二线圈16耦合于可旋转部件18并且配置成经由该磁场从该第一线圈14接收电力。在一个实施例中，可旋转部件18配置成沿着旋转轴线20关于固定部件旋转。可旋转部件18可包括一个可旋转轴或多个可旋转轴。该磁场通过设置在该第一线圈14和该第二线圈16之间的场聚焦元件22聚焦到该第二线圈16上。该场聚焦元件22包括自谐振线圈，其具有增强该第一线圈14和该第二线圈16之间的耦合的驻波电流分布。在示范性实施例中，该场聚焦元件22可包括固定的或可旋转的场聚焦元件。
电源12可包括，例如单相AC发电机、三相AC发电机或DC发电机(与电力转换电子组合以将电力转换成更高频率)。当第一线圈14在场聚焦元件22的谐振频率被激励，在场聚焦元件22内在场聚焦元件22的两个开口端24、26之间产生驻波电流分布。驻波电流分布导致场聚焦元件22周围非均匀的磁场分布。这样的非均匀的电流分布可配置成在期望的方向上聚焦磁场，例如在第二线圈16的方向上。当在谐振频率操作时，对场聚焦元件22的甚至小的激励产生沿着场聚焦元件22的长度28的大幅度的电流分布。非均匀分布的大的电流幅度导致在第二线圈16的方向上的放大和聚焦的磁场，其引起更高的电力传送效率。在一个实施例中，场聚焦元件11包括至少一个谐振器。在更特定的实施例中，至少一个谐振器包括配置成沿着旋转轴线聚焦磁场的轴对称结构。
图2是根据本发明的一个实施例的场聚焦元件22的图示，该场聚焦元件22包括用于在图1的非接触式电力传送系统10中使用的采用阵列设置的多个谐振器30。在该阵列的一个实施例中，谐振器30的每个配置作为具有驻波电流分布的自谐振线圈。在更特定的实施例中，个体谐振器或谐振器组可分别设计成在特定相位被激励，该特定相位在一个实施例中可以是对于每个谐振器是相同的或在其他实施例中可以对于谐振器或谐振器组之间是不同的。可意识到，当在不同的相位激励谐振器或谐振器组时，场聚焦可在期望的方向上增强。当使用多个谐振器时，阵列的总场通过来自个体谐振器的场的矢量相加而确定。当个体谐振器30或谐振器组的参数变化时，这样的变化可选择成塑造阵列32的总的场图。提供变化的不同方式包括，例如几何构型(线形、圆形、矩形、球形，等)、谐振器30之间的相对位移距离、个体谐振器30的激励幅度、个体谐振器30的激励相位和个体谐振器30的模式。在一个设置中，来自阵列32中的谐振器30的场在期望的方向上构建性地干扰(相加)以实现磁场聚焦，并且在剩余的空间中破坏性地干扰(互相抵消)。在图示的实施例中，个体谐振器采用圆形设置，其中一个较大的谐振器在中心并且较小的谐振器环绕该较大的谐振器。
在再另一个实施例中，第一组谐振器配置成一个特定的谐振频率并且第二组谐振器配置成另一个谐振频率以便电力同时传送通过该第一组谐振器并且数据传送通过该第二组谐振器。在另一个实施例中，对于双向电力传送，第一组谐振器配置成一个特定的谐振频率并且第二组谐振器配置成另一个谐振频率以便电力经由第一组谐振器在一个方向上传送通过该第一组谐振器并且经由该第二组在相反的方向上传送电力。
在另一个实施例中，单个谐振器被激励而其他谐振器电磁耦合于该激励的谐振器以形成无源阵列。这样的无源阵列产生拉长的磁场聚焦束，其使得能够高效地传送电力多达几米的距离。
在另一个实施例中，谐振器30没有一个被特定地激励。然而，当谐振器被集体放置在磁场附近时，阵列32将聚焦该磁场。这样的无源结构的空间设置可设计成引起有效的负磁导率。
如果需要的话，谐振器或谐振器阵列可以嵌入具有高介电常数(介电电容率)的材料或具有高磁导率的磁性材料或具有高介电电容率以及高磁导率的磁性介电介质中以用较小尺寸的谐振器实现较低的谐振频率。高磁导率的材料增强谐振器的自感，并且高介电常数的材料增强谐振器的自电容来减小谐振频率。在另一个实施例中，高磁导率的材料还配置成增加一次线圈、场聚焦元件和二次线圈之间的耦合。一个示例材料包括钛酸锶钡。
图3是图2的阵列32的一个谐振器30的截面图。在图3的实施例中，谐振器30包括配置成沿着旋转轴线聚焦磁场的轴对称结构。这样的谐振器可包括，例如瑞士卷形结构、螺旋结构或盘旋结构。这样的谐振器可配置成在从大约100kHz直到大约100MHz的频率操作并且用于在非接触式电力传送系统10中提供拉长的磁场聚焦强度。预计这样的谐振器的效率不受第一线圈和第二线圈的相对位置的偏离的影响，只要第一线圈和第二线圈的中心点之间的偏移小于第一线圈或场聚焦元件的直径即可。
图4是根据本发明的实施例的涡轮机44的图示，该涡轮机44包括配置成从发电机48传送电力到叶片桨距马达46的图1的非接触式电力传送系统10。在一个实施例中，该涡轮机44包括风力涡轮机。在另一个实施例中，该涡轮机44包括海洋流体动力能涡轮机。该发电机48电耦合于第一线圈50并且配置成向该第一线圈50提供输入电力。在一个实施例中，该发电机48电耦合于高频转换器52，其将低频输入电力54转换成馈送给该第一线圈50的高频输入电力56。该第一线圈50从该高频输入电力产生磁场。该磁场被聚焦到耦合于涡轮机44的叶片桨距马达46的第二线圈58上。该第二线圈58通过该磁场从该第一线圈50接收电力。该磁场由设置在该第一线圈50和该第二线圈58之间的场聚焦元件60聚焦到该第二线圈58上，该场聚焦元件60包括配置成当激励时将该磁场聚焦到该第二线圈58上并且形成驻波电流分布的至少一个谐振器。在一个实施例中，该场聚焦元件60包括旋转场聚焦元件。
在图4的实施例中，在第二线圈58和叶片桨距马达46之间提供循环换流器62。该循环换流器62从第二线圈58接收高频电力56并且将从第二线圈58接收的高频电力56转换成较低频的电力54，其被进一步传送到叶片桨距马达46。
图5是根据本发明的实施例的包括图1的非接触式电力传送系统10的计算机断层摄影机器70的图示。该计算机断层摄影机器70包括电耦合于高频逆变器72的电源(未示出)，该高频逆变器72配置成将来自该电源的低频输入电力转换成高频输入电力。该高频逆变器72电耦合于高压变压器74。在一个实施例中，该高压变压器74包括升压变压器。该高压变压器74将低压输入电力转换成高压输入电力78。该高压输入电力78提供给电耦合于该高压变压器74的第一线圈80。该第一线圈80基于接收的高频、高压输入电力78产生磁场。该磁场朝耦合于X射线管84的第二线圈82聚焦。该第二线圈82经由磁场从该第一线圈80接收输入电力78。该磁场由设置在该第一线圈80和该第二线圈82之间的场聚焦元件86聚焦到该第二线圈82上，该场聚焦元件86包括配置成当激励时将该磁场聚焦到该第二线圈82上并且形成驻波电流分布的至少一个谐振器。在一个实施例中，该场聚焦元件86包括旋转场聚焦元件。此外，该第二线圈82电耦合于整流器88，其将来自该第二线圈82的AC电力转换成要在X射线管84中使用的DC电力。
上文描述的非接触式电力传送系统的各种实施例包括电源、第一线圈、场聚焦元件和第二线圈并且使电力能够经由非接触式介质从该第一线圈传送到该第二线圈。例如，非接触式电力传送系统使静止部件和旋转部件之间能够高效地非接触式电力传送。非接触式电力传送系统还在第一线圈和第二线圈之间的空隙的任何偏离的情况下维持效率。这向非接触式电力传送系统提供最小维护和更高的操作范围。
当然，要理解，不是必定根据任意特定实施例实现上文描述的所有这样的目的或优势。从而，例如本领域内技术人员将认识到，本文描述的系统和技术可采用实现或优化本文教导的一个优势或一组优势的方式来体现或实施，而不必实现如可在本文中教导或启示的其他目的或优势。
此外，技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的互换性。例如，关于一个实施例的循环换流器可以改成与关于本发明另一实施例描述的高压变压器一起使用以提供非接触式电力传送系统。相似地，描述的各种特征以及每个特征的其他已知的等同物可以由本领域内技术人员混合和匹配以根据本公开的原理构建另外的系统和技术。
尽管本文仅图示和描述本发明的某些特征，本领域内技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内
部件列表
10    非接触式电力传送系统    12    电源
14    第一线圈                16    第二线圈
18    可旋转部件              20    旋转轴线
22    场聚焦元件              24    场聚焦元件的开口端
26    场聚焦元件的开口端      28    场聚焦元件的长度
30    多个谐振器              32    阵列
44    涡轮机                  46    桨距马达
48    发电机                  50    第一线圈
52    高频转换器              54    低频电力
56    高频电力                58    第二线圈
60    场聚焦元件              62    循环换流器
70    计算机断层摄影机器      72    高频逆变器
74    高压变压器              78    高压输入电力
80    第一线圈                82    第二线圈
84    X射线管                 86    场聚焦元件
88    整流器

Claims (10)

1.一种用于非接触式电力传送的系统(10)，其包括：
机械耦合于第一部件并且电耦合于电源(12)的第一线圈(14)，其中所述第一线圈(14)配置成产生磁场；
机械耦合于第二部件(18)并且配置成经由所述磁场从所述第一线圈(14)接收电力的第二线圈(16)，
其中所述第一和第二部件(18)中的至少一个包括可旋转部件；和
场聚焦元件(22)，设置在所述第一线圈(14)和所述第二线圈(16)之间并且配置成为具有驻波电流分布的自谐振线圈以用于将所述磁场聚焦到所述第二线圈(16)上并且增强所述第一线圈(14)和所述第二线圈(16)之间的耦合。
2.如权利要求1所述的系统(10)，其中所述场聚焦元件(22)包括至少一个谐振器(30)。
3.如权利要求2所述的系统(10)，其中所述至少一个谐振器(20)包括配置成沿着旋转轴线(20)聚焦所述磁场的轴对称结构。
4.如权利要求1所述的系统(10)，其中所述第一和第二部件(18)中的至少另一个包括静止部件，并且其中所述可旋转部件配置成沿着旋转轴线(20)关于静止部件旋转。
5.一种包括配置成从发电机(48)传送电力到叶片桨距马达(46)的非接触式电力传送系统(10)的涡轮机(44)，其包括：
耦合于所述涡轮机(44)的发电机(48)的第一线圈(50)，其中所述第一线圈(50)配置成产生磁场；
耦合于所述涡轮机(44)的叶片桨距马达(46)并且配置成经由所述磁场从所述第一线圈(50)接收电力的第二线圈(58)；和
设置在所述第一线圈(50)和所述第二线圈(58)之间并且包括配置成将磁场聚焦到所述第二线圈(58)上并且形成驻波电流分布的至少一个谐振器的场聚焦元件(60)。
6.如权利要求5所述的涡轮机(44)，其中所述涡轮机(44)包括风力涡轮机并且其中所述场聚焦元件(60)包括可旋转场聚焦元件。
7.如权利要求5所述的涡轮机(44)，其中所述至少一个谐振器包括多个谐振器，其中所述谐振器中的至少一个配置成在与至少另一个谐振器不同的相位激励。
8.一种包括配置成从电源传送电力到X射线管(84)的非接触式电力传送系统(10)的计算机断层摄影机器(70)，其包括：
耦合于高压变压器(74)的第一线圈(80)，其中所述第一线圈(80)配置成产生磁场；
耦合于所述X射线管(84)的第二线圈(82)，其中所述第二线圈(82)配置成经由所述磁场从所述第一线圈(80)接收电力；和
设置在所述第一线圈(80)和所述第二线圈(82)之间并且包括配置成将磁场聚焦到所述第二线圈(82)上并且形成驻波电流分布的至少一个谐振器的场聚焦元件(86)。
9.如权利要求8所述的计算机断层摄影机器(70)，其中所述场聚焦元件(86)包括可旋转场聚焦元件。
10.如权利要求8所述的计算机断层摄影机器(70)，其中所述至少一个谐振器包括多个谐振器，其中所述多个谐振器中的至少一个能够在与所述多个谐振器中的至少另一个谐振器不同的相位激励。
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