CN102959823A - 感应式电力供给系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于向电力接收设备（30）提供电力的电力供给设备（20），所述电力供给设备（20）包括两块平板（22）、被设置成耦合到AC电源（41）的两个电极结构（23，43，81，82）以及至少一个电力发送器（21）。每一个电极结构（23，43，81，82）附着到所述两块平板（22）的其中之一。所述电力发送器（21）位于两块平板（22）之间，并且包括导电线圈（28）以及耦合到所述导电线圈（28）的至少两个电接触件（25）。所述平板（22）和电力发送器（21）被设置成使得电力发送器（21）在平行于平板（22）表面的方向上可移动，其中所述电接触件（25）与对应的两个电极结构（23，43，81，82）接触以便从AC电源（41）获得电力。

Description

感应式电力供给系统

技术领域

本发明涉及一种用于向电力接收设备提供电力的电力供给设备，所述电力供给设备包括两块平板、位于所述两块平板之间并且包括耦合到AC电源以用于从中获得电力的导电线圈的至少一个电力发送器，所述平板和电力发送器被设置成使得电力发送器在平行于所述平板的表面的方向上是可移动的。

本发明还涉及一种用于与根据本发明的电力供给设备协作的电力接收设备。

本发明还涉及一种电力消耗系统，其包括所述电力供给设备和电力接收设备两者。

背景技术

这样的电力供给设备例如可以从美国专利申请US 2007/0182367 A1获知。所述专利申请描述了用于为电池操作的电子设备充电的便携式的感应式电力设备。所述电力设备使用具有线圈阵列和AC电源的衬垫来产生交变磁场。所述交变磁场被用来对处于衬垫上并且靠近AC供电的线圈的电子设备充电。在一个实施例中（图16），所述阵列中的每一个线圈具有其自身的小节段并且在其中自由地侧向移动。因此，该实施例可以被视为使用固定线圈节段阵列而不是固定线圈阵列。所述线圈可以包括用于控制所述侧向移动的永磁体。

这种已知的电力供给设备的其中一个问题在于，其需要大量线圈和相应的驱动电子装置。每一个线圈连接到具有电线的电源，从而限制了线圈的移动自由并且限制了组合使用多个线圈的可能性。这些问题使得所述已知的设备较不适用于大面积应用。对用于便携式电子设备的充电设备来说，面积尺寸可能并不非常重要，但是对于其他应用来说，可扩展性可能是一个重要方面。举例来说，能够为可自由移动的电灯供给电力的桌子或墙壁表面可能相当大。当对于整个墙壁应用所述已知技术时，需要大量线圈和附加电子装置。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种更适合于大面积尺寸应用的感应式电力供给设备。

根据本发明的第一方面，该目的是通过提供一种用于向电力接收设备提供电力的电力供给设备而实现的，所述电力供给设备包括两块平板、被设置成耦合到AC电源的两个电极结构以及至少一个电力发送器。每一个电极结构附着到所述两块平板的其中之一。所述电力发送器位于两块平板之间，并且包括导电线圈以及耦合到所述导电线圈的至少两个电接触件。所述平板和电力发送器被设置成使得电力发送器在平行于平板表面的方向上可移动，其中所述电接触件与对应的两个电极结构接触以便从AC电源获得电力。

在根据本发明的电力供给设备中，所述平板具有两项重要功能。首先，所述平板限定线圈的移动自由，从而使得线圈可以在两块平板的间隙内（在两个维度上）自由移动。此外，所述平板提供线圈与电源之间的电耦合。当电力发送器移动经过平板之间的间隙时，所述电接触件沿着电极结构滑动并且保持与之接触。其结果是，感应式线圈由AC源独立于线圈位置供电。不需要附加的电子装置来找出线圈的确切位置，并且线圈不需要通过电线耦合到AC源从而不会在线圈移动经过所述间隙时导致缠结。

在根据本发明的电力供给设备的一个实施例中，两块平板当中的每一块包括两个电极结构的对应的其中之一，其中所述两个电极结构彼此面对。

在该实施例中，电力发送器的其中一个电接触件将与顶部平板的电极结构接触，并且电力发送器的另一个电接触件将与底部平板的电极结构接触。对应的电极结构耦合到AC电源的不同端子。所述电极结构可以是覆盖平板表面的大部分的导电层。

在一个不同的实施例中，全部两个电极结构都附着到两块平板当中的同一块，其中所述两个电极结构电隔离。因此，仅仅其中一块平板需要导电材料。AC电源的端子耦合到对应的电极结构。在该实施例中，很重要的是电力发送器的电接触件被设置成使得独立于电力发送器相对于平板的位置，一个电接触件无法立刻接触全部两个电极结构从而将不会导致短路。此外还很重要的是，在电力发送器的许多位置处（不一定是所有位置），所述电接触件的位置使得线圈耦合到全部两个电极结构，以便允许向线圈提供AC电力。

根据本发明的另一方面，提供一种用于与前面描述的电力供给设备协作的电力接收设备，所述电力接收设备包括至少一个具有导电线圈的电力接收器。当这样的电力接收设备被放置在电力供给设备上或与之靠近时，所述导电线圈使用通过所述电力供给产生的交变磁场来拾取电力。所拾取的电力随后被用来为电力接收设备供电。通过把电力供给设备移动到不同的位置，也可以将电力接收设备重新定位。其结果是有可能把电力接收设备定位在例如书桌或墙壁的任何所期望的位置处，而不需要任何布线或重新布线。电力接收设备可以是任何类型的电子设备，比如将由根据本发明的电力供给设备充电的电池供电的便携式电子设备、电灯或计算机显示器。

在根据本发明的电力供给设备的一个优选实施例中，电力发送器还包括铁磁性材料。当电力接收设备也包括铁磁性材料（例如在感应式线圈中）并且电力发送器或电力供给设备具有磁性时，电力接收设备可以被用来将电力发送器拉过所述间隙。在根据本发明的电力供给设备的一个实施例中，电力发送器在电力供给设备中具有一个或更多“默认位置”。当电力供给不被使用时，电力发送器返回默认位置。该返回例如可以通过机械方式利用重力或利用电子装置来实现。在这些默认位置处，电力接收设备可以被用来通过磁性方式拾取电力发送器，并且将电力发送器拉向所期望的位置。

在根据本发明的电力供给设备的一个实施例中，至少其中一块平板是至少部分地透明的。在这样的实施例中，电力发送器不需要默认位置，这是因为其位置可以通过平板观察到。因此用户可以容易地将电力接收设备放置在电力发送器上方。如果所述至少部分地透明的层包括电极结构，则对于所述电极结构可以使用至少部分地透明的导电材料，从而使得电力发送器不被电极结构遮挡。氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）可以是用于这一目的的适当的透明导电材料。

在根据本发明的电力供给设备的另一个实施例中，至少其中一块平板包括发送器位置指示器，以用于指示电力发送器相对于所述至少其中一块平板的位置。举例来说，平板表面上的LED可以指示将在何处找到发送器线圈。如果所述平板是透明的，则还可以在电力发送器上提供位置指示LED。当所述LED是电力发送器的一部分时，只需要一个LED。可替换地可以提供小的显示屏，以用于显示关于平板表面和电力发送器位置的表示。

根据本发明的第三方面，提供一种电力消耗系统，其包括前面所描述的电力供给设备和电力接收设备。

参照下文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并且将对其进行阐述。

附图说明

在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的系统；

图2示出了图1中所示的系统的特写；

图3示出了图2中所示的系统部分的剖面；

图4a和4b示出了具有开槽导电层的电力供给设备的两个剖面；

图5示出了具有位置指示器的电力供给设备；

图6示出了用于指示电力发送器的位置的显示屏；

图7示出了具有受引导可移动电力发送器的电力供给设备的剖面；

图8示意性地示出了可以被用在其中只有一块平板包括导电层的电力供给设备中的栅格布局；以及

图9和10示出了利用本发明的照明系统。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的系统10。系统10包括用于向电灯30无线供给电力的电力供给器20。电力供给器20包括电力发送器21，其耦合到AC源（未示出）以便通过感应方式为电灯30提供电力。电灯30包括电力接收器31，以用于接收由电力发送器21提供的电力并且用于使得电灯30发光。

电力发送器21位于由两块基本上平行的平板形成的间隙中，并且可以在两个方向上移动经过该间隙。在该图中，电力发送器21的重新定位由箭头11表示。当电力发送器21的位置与电灯30的电力接收器31足够靠近时，有可能通过导电方式将电力从电力供给器20发送到电灯30。当电灯30被移动（由箭头12表示）到另一个位置并且电力发送器21被移动（箭头11）到靠近电灯30的新位置时，电灯30将继续从该电力发送器21接收电力。因此不需要在不同位置处为电力供给器20提供电力发送器阵列以便能够在这些不同位置处为电灯30供电。

应当提到的是，电灯30仅仅被用作示例性电力接收设备。系统10还可以被用于为其他电子设备供电，比如笔记本PC、扬声器、PC监视器或者用于电池或移动电话之类的电池供电的电子设备的充电器。电力供给器20可以是单独的电力供给单元，但是也可以被集成在例如台式或桌面计算机中。还有可能把电力供给器20集成在墙壁中。

图2示出了图1中所示的系统10的特写。图2中所示的特写放大在图1中由虚线矩形所表示的区域200。如图2中所示，电力供给器20包括两块基本上平行的平板22，其中每一块具有充当电极的导电层23以用于把电力发送器21耦合到AC源。正如后面将参照图8阐述的那样，系统10也可以在仅有其中一块平板22具有导电层23的情况下运转。平板22可以是不透明的或者（部分地或完全）透明的。被用于平板22的（多种）材料应当具有接近于1的相对磁导率，以便使得由电力发送器21生成的磁场有可能穿透平板22并且到达电力接收器31。用于平板22的适当材料例如有木材、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）。用于导电层23的适当材料例如有铝或铜。一种选项是仅仅使用导电层23而没有不导电平板22。但是这样将限制所施加的电压，因为人类可能会触摸载送电压的导电层23。

两块平板22一起限定间隙24，电力发送器21被提供在其中并且可以将电力发送器21移动经过该间隙。所述电力发送器包括导电线圈28，其在耦合到AC电源时产生交变磁场。线圈28通过滑动接触件24电耦合到导电层23。图2中所示的滑动接触件25包括用于接触导电平板23的导电尖部27，以及用于确保导电尖部27与导电层23之间的稳定接触的可选的弹簧元件26。弹簧元件26关于外部机械冲击以及当电力发送器21被移动经过间隙24时的稳定性。可替换地，线圈28到导电层的电耦合可以利用滚动接触件（例如导电轮）来实现。

电力供给器20的导电层23耦合到AC电源（未示出）。当AC电流流经线圈28时，产生交变磁场。该交变磁场在电力接收设备30的电力接收器31中的第二导电线圈38中感应出电流。该感应出的电流可以被用于为电力接收设备30供电。如此获得的电力输送是最高效的，此时接收器线圈38最靠近发送器线圈28，从而使得电磁耦合最大化。可以利用两块铁磁性材料29、39获得两个线圈28、38的良好对准，所述两块铁磁性材料29、39的至少其中之一是永磁性的。当彼此不太远离时，这两块铁磁性材料29、39之间的吸引磁力将在电力接收器31的方向上拉动电力发送器21，从而使得所述两块铁磁性材料29、39的位置甚至更加靠近在一起。所述两块铁磁性材料29、39的对准也导致发送器线圈28与接收器线圈38的对准，从而优化电力输送的效率。

电力发送器21经过间隙24的移动可以通过许多不同方式来实现。电力发送器21的位置例如可以是通过电子或机械装置来调节的。优选地，电力发送器21和电力接收设备的位置磁性耦合，并且通过在平板22的表面上滑动电力接收设备30而将电力发送器21滑动经过间隙24。在电力发送器21相对于平板22的许多或所有可能的位置处，滑动接触件25与导电平板23接触，从而可以将发送器线圈28耦合到AC源。可选地，在电力发送器21的至少一个位置处，滑动接触件25不与导电层23接触。在这样的位置处，电力发送器不消耗电力，并且电力接收设备30被关断（或者至少不由电力供给器供电）。

图3示出了图2中所示的系统10的部分的剖面。该剖面给出了电力发送器21在图2中的虚线AB的高度下的顶视图。在该顶视图中，滑动接触件25、发送器线圈38和铁磁性材料块29是可见的。

图4a和4b示出了具有开槽导电层43的电力供给设备20的两个剖面。图4a示出了侧视图，而图4b则示出了相同的电力供给设备20的顶视图。在图4a中示出了前面已经参照图1和2描述的许多特征。此外，图4a示出了耦合到导电层43的AC电源41。取代无间断导电层，该实施例使用具有导电材料的条带43的开槽导电层43，所述条带由不具有导电材料的小狭槽44分开。这些狭槽44的效果是减小了由发送器线圈的磁场在导电层43中感应出的涡电流。涡电流导致增加损耗以及降低有效的发送器－接收器线圈耦合。导电条带43在平板22的边界处并联连接并且耦合到电源41。狭槽44对于为发送器线圈28馈电的电阻的影响可以忽略。用于使得磁场更加高效地穿过导电层的一种替换或附加措施是使用非常薄的导电层。为了获得薄的导电层，可以使用真空沉积或溅射。

图5示出了具有位置指示器51的电力供给设备。当把电灯30放置在平板22的表面上时，重要的是知道将在何处找到电力发送器21。电灯30将只有在被放置在平板22上并且靠近电力发送器21时才从电力发送器21接收电力。此外，当用户必须把电力发送器21移动到所期望的位置时，重要的是能够知道电力发送器的当前位置。如果平板22和导电层23都是透明的，则容易看到电力发送器21的位置。氧化铟锡（ITO）和氧化锌（ZnO）是用在透明导电层中的适当材料的例子。如果平板22或导电层23不是透明的，则需要某种位置指示装置。举例来说，电力发送器21可以配备有能够透过导电层23和平板22发光的LED 51或其他类型的光源。可替换地，平板表面上的位置指示LED可以显示出电力发送器的位置。可以提供位置检测装置以用于确定电力发送器21相对于平板22的位置。当知道电力发送器21的位置时，可以接通平板表面上的相应LED。

可替换地，在单独的显示屏61上显示电力发送器21的位置。图6示出了用于指示电力发送器21的位置的显示屏61。显示屏61可以与电力供给器20一起集成在桌面表面或墙壁中，但是其也可以被提供为单独的单元。所述显示屏优选地显示出电力发送器21和电力接收设备30的位置，以便使得更容易将这些单元带到一起。当重新定位电力发送器21或电力接收设备30时，显示屏61可以被用于确定要将其置于何处。

图7示出了具有受引导可移动电力发送器21的电力供给设备30的剖面。在许多应用中将希望允许电力发送器21在两个维度上自由移动。但是出于美学或实际原因，可能还希望限制电力发送器21的移动自由（从而也限制电力接收设备30的移动自由）。图7中所示的电力供给器20包括用于限制电力发送器21的移动自由的引导装置71、72。

图8示意性地示出了可以被用在其中只有一块平板22包括导电层23的电力供给设备20中的栅格布局。为了向电力发送器21的发送器线圈28供给AC电压，电力发送器21的两个滑动接触件25必须耦合到AC电源41的不同端子。这样做的最简单的方式是使用前面描述的两平板配置，其中处在电力发送器21的一侧的电接触件25与第一平板22上的第一导电层23接触，并且电力发送器21的相对侧上的第二电接触件25与第二平板22上的第二导电层23接触。利用图8中所示的栅格布局，还有可能使用仅仅一个导电层23。导电层23包括两个电隔离的电极结构81、82。每一个电极81、82耦合到AC电源41的其中一个端子。在该实施例中，电力发送器21在面对导电层23的该侧具有三个滑动接触件25。接触件25小于两个电极81、82之间的空间，以避免一个接触件25将电极81、82两者短路的风险。此外，电力发送器21上的三个滑动接触件25的设置使得不管电力发送器的指向如何，总有一个或两个接触件25与每一个电极81、82接触。

图9和10示出了利用本发明的照明系统10。图9和10的系统10的电力供给器20可以附着到墙壁，或者可以形成墙壁本身。电力供给器20可以使用如图1、2、4或5中所示的两平板配置，或者如图8中所示的一层导电栅格布局。照明系统10包括可以附着到墙壁的一盏或更多盏电灯30。电灯30例如可以利用电灯30中的磁体与导电层23的铁磁性材料之间的磁力以及/或者电灯30中的磁体与耦合到电灯30的电力发送器21中的铁磁性材料之间的磁力附着到墙壁。在该实施例中，并不是电力供给器20的整个表面都覆盖有导电层23。在底部提供无电力区域91，其中不存在导电层23。当电力发送器21处于该无电力区域中时，其不耦合到AC电源，并且将不消耗任何电力。当电灯30附着到墙壁时，用户拾取无电力区域91中的电力发送器21。当电灯30在墙壁表面上滑动时，电力发送器21将例如由于磁力而跟随电灯30。当电力发送器21的滑动接触件25达到导电层23时，发送器线圈28耦合到电源，并且电灯30将接收所发送的电力并且可以被接通。电灯30可以被放置在墙壁上的存在导电层23的每一个位置。当把电灯30从墙壁上去除时，电力发送器21将朝向无电力区域91下落。该实施例的一个优点在于，其通过在不使用电力发送器21时将发送器线圈28与导电层23解耦而节省能量。

图10示出了图9的墙壁系统10的另一个实施例。在这里，系统10包括多个（例如六个）电力发送器21。在无电力区域91中提供轨道或斜坡92。该斜坡92引导电力发送器21朝向系统10的其中一个角落下落到无电力区域91。该角落充当用于电力发送器21的标准拾取点。此外，当电力供给器20的表面不透明并且电力发送器21不可见时，用户知道可以在标准拾取点处拾取电力发送器21。当第一电灯30被用来拾取第一电力发送器21时，下一个电力发送器21将滚落到标准拾取点。

应当提到的是，前面提到的实施例说明而非限制本发明，并且在不背离所附权利要求书的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计许多替换实施例。在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记不应当被理解成限制该权利要求。使用动词“包括”及其动词变化不排除存在未在权利要求中列出的其他元件或步骤。元件前面的冠词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以通过包括几个不同元件的硬件来实施，并且可以通过适当编程的计算机来实施。在枚举几个装置的设备权利要求中，这些装置当中的几个可以由同一项硬件具体实现。在互不相同的从属权利要求中引述某些措施并不表示不能使用这些措施的组合来获益。

Claims (12)

1. 一种用于向电力接收设备（30）提供电力的电力供给设备（20），所述电力供给设备（20）包括：

－两块平板（22）；

－被设置成耦合到AC电源（41）的两个电极结构（23，43，81，82），每一个电极结构（23，43，81，82）附着到所述两块平板（22）的其中之一；

－至少一个电力发送器（21），其位于两块平板（22）之间，并且包括导电线圈（28）以及耦合到所述导电线圈（28）的至少两个电接触件（25），

所述平板（22）和电力发送器（21）被设置成使得电力发送器（21）在平行于平板（22）表面的方向上可移动，其中所述电接触件（25）与对应的两个电极结构（23，43，81，82）接触以便从AC电源（41）获得电力。

2. 根据权利要求1的电力供给设备（20），其中，所述两块平板（22）当中的每一块包括所述两个电极结构（23，43）的对应的其中之一，所述两个电极结构（23，43）彼此面对。

3. 根据权利要求1的电力供给设备（20），其中，全部两个电极结构（81，82）附着到所述两块平板（22）当中的同一块，所述两个电极结构（81，82）电隔离。

4. 根据权利要求1的电力供给设备（20），其中，所述电力发送器（21）还包括铁磁性材料（29）。

5. 根据权利要求1的电力供给设备（20），其中，所述电接触件（25）是弹簧加载的接触件。

6. 根据权利要求1的电力供给设备（20），其中，所述电接触件（25）是滑动接触件或滚动接触件。

7. 根据权利要求1的电力供给设备（20），其中，所述平板（22）的至少其中之一是至少部分地透明的。

8. 根据权利要求7的电力供给设备（20），其中，所述电极结构（23，43，81，82）的至少其中之一包括至少部分地透明的导电材料。

9. 根据权利要求1的电力供给设备（20），其中，所述电极结构（23，43，81，82）的至少其中之一被至少部分地开槽以便减小涡电流。

10. 根据权利要求1的电力供给设备（20），其中，所述平板（22）的至少其中之一包括发送器位置指示器以用于指示电力发送器（21）相对于所述至少其中一块平板（22）的位置。

11. 一种用于与如权利要求1到10当中的任一条所述的电力供给设备（20）协作的电力接收设备（30），所述电力接收设备（30）包括至少一个具有导电线圈的电力接收器（31）。

12. 一种电力消耗系统（10），其包括如权利要求1到10当中的任一条所述的电力供给设备（20）和如权利要求11所述的电力接收设备（30）。

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