CN103443883B - 用于无线功率传输的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于无线功率传输的装置，其包括三个或更多的线圈，每个线圈限定相应的线圈平面，并且这些线圈被设置在一个或多个功率流路径上，因此每个线圈可以与其它线圈中的一个或多个磁耦合，从而沿一个或多个功率流路径无线传输功率。本发明还提供一种用于无线传输功率的方法，该方法包括：提供三个或更多的线圈，每个线圈限定相应的线圈平面；以及将这些线圈设置在一个或多个功率流路径中，因而每个线圈可以与其它线圈中的一个或多个磁耦合，从而沿一个或多个功率流路径无线传输功率。

Description

用于无线功率传输的装置及方法

技术领域

本发明涉及用于无线功率传输的装置及方法，以及具体地但并不限于涉及利用线圈的无辐射(近场)磁耦合的用于无线功率传输的装置及方法。

背景技术

基于两个环共振器的电磁共振及近场耦合的无线功率传输由Nicola Tesla在19世纪80年代首次报导。参见于1900年3月20日授予Nicola Tesla的题为“Systems ofTransmission of Electrical Energy”的第645,576号美国专利。无线功率传输一般可分为辐射型和无辐射型。

辐射型功率传输依赖于功率源的高频激发。辐射功率由天线发出，并且以电磁波的形式通过介质(诸如空气)进行长距离(即为天线尺寸的很多倍)传播。

无辐射的无线功率传输依赖于导电环(其也可被称作线圈或导电线圈)的近场电磁耦合。能量在相对短的距离(即为耦合线圈的尺寸(诸如直径)的量级)上进行传输。

为了有效率的无线功率传输，Tesla证明了利用耦合线圈的磁共振能够获得高的能量效率。在他的实验中，Tesla利用与莱顿瓶(其为电容的形式)串联的导电线圈(其为空气心电感的形式)来形成环共振器。他激发一个环(初级线圈)作为功率发射器，并且利用第二个环共振器(次级线圈)作为功率接收器。参见于1999年由Headline出版(ISBN 0 74726265 9)，第146页，Robert Lomas的题为“The man who invented the twentiethcentury-Nikola Tesla–Forgotten Genius of Electricity”的文章。

如图1中示意性示出的那样，同样利用两个耦合线圈进行无接触式能量传输在近二十年来吸引了很多关注。例如，有关电动汽车电池无线充电方面的研究项目一直利用初级线圈和次级线圈。对于在生产线使用的可移动式工业机器人而言，功率电缆的使用令人讨厌。用于工业机器人的无线充电的感应式功率传输(IPT)系统由彼此耦合的初级线圈和次级线圈构成。这些线圈可以是密集绕组或者螺旋绕组的形式。对于电池充电应用而言，初级线圈与次级线圈之间的距离通常小于初级和次级线圈的尺寸。传输距离d与线圈半径r的比值小于2，即d/r<3。

这种相对短的距离被称为“短程”无线功率传输。对于数千瓦特的高功率应用而言，用于电动汽车和工业机器人的无线功率传输的工作频率通常为数十千赫兹Hertz。初级电路和次级电路通常为共振电路以使能量传输最大化，这是Tesla在一个世纪之前提出的原理。对于“短程”应用而言，能够实现80％-95％的典型能量效率。

由MIT的一个小组实施且在2010年11月授予A.Karalis等人的题为“WirelessEnergy Transfer”的第7,825,543B2号美国专利和由Andre Kurs等人于2007年7月6日在Science第317卷第83-86页发表的题为“Wireless Power Transfer via StronglyCoupled Magnetic Resonances”的参考文献中描述的无线功率传输实验基本上是基于由Tesla提出的磁耦合和共振原理。该MIT小组利用两个耦合的环共振器，即一个发射器线圈和一个接收器线圈，但是他们强调两个线圈之间的距离d远大于接收器线圈的尺寸，即更具体地大于圆形接收器线圈的半径r。

这被称作“中程”无线功率传输，其中d与r之比大于3，即d/r>3。为了在“中程”距离上实现合理的功率传输，要求高的品质因数Q＝ωL/R_ac，其中ω＝2πf为角频率，L为电感，R_ac为环共振器在工作频率f上的阻抗。为提高能量效率，该MIT小组采用10MHz的工作频率。对于线圈半径r为30cm且传输距离d为2.4m的MIT的系统(即d/r为8)而言，该MIT小组报道获得15％的能量效率。在MIT的工作中同样使用了先前由Tesla提出的两个耦合共振器。

对于d>>r的中程无线功率传输而言，已在理论和实际验证中指出两个耦合共振器之间的能量效率与d³成反比。参见由Jose Oscar Mur-Miranda等人在IEEE ECCEConference,2010年,第4179-4186页中发表的题为“Wireless Power Transfer UsingWeakly Coupled Magnetostatic Resonators”的参考文献。这项重要的发现表明了效率将随着传输距离d的增加呈指数下降。在Andre Kurs等人于2007年7月6日在Science第317卷第83-86页发表的题为“Wireless Power Transfer via Strongly Coupled MagneticResonances”的参考文献中，通过测得的40％的能量效率对这一事实进行了确认。图2中示出了典型的能量效率与传输距离的图形化关系。

除了无线功率传输之外，用于波传播及信号传输应用的超材料和波导方面的研究还已促成了磁感应波导设备，其基于一系列耦合的LC环共振器的使用，其中所述共振器是在环平面与波传播轴垂直的情况下以链的形式设立的，如图3a-3d中所示。参见R.Syms等人于2006年4月在IEE Proceedings-Microwave,Antennas Propagation第153卷第2期第111-121页发表的题为“Magneto–inductive waveguide devices”的参考文献和R.Syms等人在Journal of Applied Physics,97,064909(2005)中发表的题为“A theory ofmetamaterials based on periodically loaded transmission lines:Interactionbetween magnetoinductive and electromagnetic waves”的参考文献。基于他的前期工作，R.Syms开发了基于印制在印刷电路板(PCBs)上的环共振器的磁感应波导，如图3d中所示。参见由R.Syms等人在Journal of Physics D:Applied Physics,43(2010)中发表的题为“Thin-film magneto-inductive cables”的参考文献。

然而，这些波导的主要限制在于环共振器必须以特定的均匀距离间隔。也就是说，在各对相邻的环共振器之间存在相同的距离，其值根据具体环共振器的特性进行确切的计算。

在R.Syms等人于2006年4月在IEE Proceedings-Microwave,AntennasPropagation第153卷第2期第111-121页发表的题为“Magneto–inductive waveguidedevices”的参考文献中，R.Syms还证实这些波导可以被分割成多个信号通道。图4中示出了三端口信号功率分配器的实例，以及示出这种设备的性能的图表。

由于高的频率(即大于100MHz)和在传输线环境中的波传播性质，在这种结构中必须将发射波和反射波一起考虑。波导被设计用于波的传播，并且工作频率在100MHz及以上的量级。这种高频操作不可避免地增大了线圈的AC阻抗，这使得它们更不适于功率传输应用。同样需要要特别注意的是，现有的波导基本是固定式系统。这意味着所有线圈均在固定位置上。

本发明的目标是克服或改善现有技术的缺陷的至少一个或者提供有用的替换方案。

发明内容

本发明在第一方面提供了一种用于无线功率传输的装置，其包括三个或更多的线圈，每个线圈限定相应的线圈平面，并且这些线圈被设置在一个或多个功率流路径上，因此每个线圈可以与其它线圈中的一个或多个磁耦合从而沿一个或多个功率流路径无线传输功率。

优选地，线圈中的一个或多个可以被构造成相应的线圈平面不与它所在的功率流路径垂直，从而改变该一个或多个线圈与相邻线圈之间的互感。

优选地，一个或多个线圈的共振频率和阻抗中的一个或两个均可发生改变。优选地，一个或多个线圈具有电容或电感或其两者，且该一个或多个线圈的共振频率可以通过改变其电容或电感或其两者而改变。

优选地，功率流路径中的一个或多个分割成更多的功率流路径。优选地，功率流路径中的两个或多个合并成更少的功率流路径。优选地，功率流路径中的一个或多个为直线、曲线、圆形、不规则形状或其任意组合。

在一个实施例中，线圈构成管状结构的一部分。优选地，该管状结构是柔性的。

优选地，这些线圈中的一个或多个适于从功率源处接收功率，所述功率借助线圈之间的互感能够沿功率流路径中的一个或多个无线传输。优选地，线圈中的一个或多个适于向功耗设备提供功率。

优选地，两个或多个线圈之间的磁耦合共振。优选地，线圈之间的磁耦合无辐射。

在一个实施例中，线圈平面中的任意两个之间的距离与所述两个线圈平面中的任意一个的最大尺寸的一半之比小于3。

在另一实施例中，一对线圈平面之间的距离不等于另一对线圈平面之间的距离。

在另外的实施例中，不同的成对的线圈平面之间的距离被选择成使无线功率传输效率最大化。

在各种实施例中，线圈的工作频率分别小于100MHz，小于10MHz，小于5MHz，以及小于1MHz。

在另一实施例中，线圈的工作频率大于10kHz。

在第二方面，本发明提供一种用于无线传输功率的方法，该方法包括：提供三个或更多的线圈，每个线圈限定相应的线圈平面；以及将这些线圈设置在一个或多个功率流路径中，因而每个线圈可以与其它线圈中的一个或多个磁耦合，从而沿一个或多个功率流路径无线传输功率。

优选地，该方法包括将线圈中的一个或多个构造成相应的线圈平面不与它所在的功率流路径垂直，从而改变该一个或多个线圈与相邻线圈之间的互感。

优选地，该方法包括改变一个或多个线圈的共振频率和阻抗中的一个或两个。优选地，一个或多个线圈具有电容或电感或其两者，且该方法包括改变电容或电感或其两者，从而改变该一个或多个线圈的共振频率。

优选地，线圈被设置成功率流路径中的一个或多个分割成更多的功率流路径。优选地，线圈被设置成功率流路径中的两个或多个合并成更少的功率流路径。优选地，线圈被设置成功率流路径中的一个或多个为直线、曲线、圆形、不规则形状或其任意组合。

在一个实施例中，线圈被提供成管状结构的一部分。优选地，该管状结构是柔性的。

优选地，这些线圈中的一个或多个适于从功率源处接收功率，所述功率借助线圈之间的互感能够沿功率流路径中的一个或多个无线传输。优选地，线圈中的一个或多个适于向功耗设备提供功率。

优选地，两个或多个线圈被构造成所述线圈之间的磁耦合共振。优选地，线圈被构造成线圈之间的磁耦合无辐射。

在一个实施例中，线圈被构造成线圈平面中的任意两个之间的距离与所述两个线圈平面中的任意一个的最大尺寸的一半之比小于3。

在另一实施例中，线圈被构造成一对线圈平面之间的距离不等于另一对线圈平面之间的距离。

在另外的实施例中，线圈被构造成不同的成对的线圈平面之间的距离被选择成使无线功率传输效率最大化。

在各种实施例中，线圈的工作频率被设置为分别小于100MHz，小于10MHz，小于5MHz，以及小于1MHz。

在另一实施例中，线圈的工作频率被设置为大于10kHz。

附图说明

现在将参见附图并以举例的方式来描述根据本发明最佳模式的优选实施例，其中：

图1是现有技术的一对环共振器的示意图；

图2是能量效率作为无线功率传输的传输距离的函数的典型的指数下降的曲线图；

图3a-3c是用于信号传输的现有技术的磁感应波导的示意图；

图3d是用在图3a-3c的波导中的PCB环共振器的示意图；

图4a示出了现有技术的磁感应式三端口信号功率分配器的示意图；

图4b示出了图4a的信号功率分配器的性能的曲线图；

图5是使用一对磁耦合线圈的、用于无线功率传输的现有技术的装置的示意图；

图6是根据本发明实施例的用于无线功率传输的装置的示意图；

图7a是根据本发明另一实施例的用于无线功率传输的装置的示意图，其中线圈设置在直线功率流路径上；

图7b是根据本发明又一实施例的用于无线功率传输的装置的示意图，其中线圈设置在曲线功率流路径上；

图7c是根据本发明又一实施例的用于无线功率传输的装置的示意图，其中线圈设置在分成另外两个功率流路径的功率流路径上；

图7d是根据本发明另一实施例的用于无线功率传输的装置的示意图，其中线圈设置在合并成一个功率流路径的两个功率流路上；

图8a-8c是根据本发明实施例的用于无线功率传输的装置的示意图，其中线圈之一(用粗线示出)被构造成不与它所在的功率流路径垂直，从而控制所传输的功率；

图9a-9c是根据本发明另一实施例的用于无线功率传输的装置的示意图，其中两个线圈(用虚线示出)的共振频率和阻抗中的一个或两个发生改变，从而控制所传输的功率；

图10示出了根据本发明又一实施例的用于无线功率传输的装置的示意图，其中线圈构成柔性管状结构的一部分；

图11-17为本发明的各种实施例的实验装置的示意图；

图18是根据本发明实施例的用于无线功率传输的装置的电路模型的示意图；

图19是效率相对于图18所示实施例的一对线圈之间的不同距离的曲线图；以及

图20是根据本发明另一实施例的用于无线功率传输的装置的示意图。

具体实施方式

从本发明背景技术的讨论继续，现有的用于无线功率或信号传输的方法可被认为存在以下这些限制：

(1)仅使用一对环共振器对于“短程”方法而言存在距离方面的限制或者对于“中程”方法而言存在能量效率方面的限制。

(2)在上面讨论的波导研究中使用高于100MHz的高频操作会增大耦合线圈的AC阻抗，且因此在被用于功率传输应用时会降低能量效率。

(3)在设计用于波传播目的的波导时，环共振器的尺寸与工作频率成反比。因此，工作频率必须非常高，即高于100MHz，以便减小环共振器的尺寸。然而，对于借助耦合磁场进行的功率传输而言，会避免使用这种非常高的频率，即大于100MHz的频率。

(4)在上述3种方法中，除了对功率源的控制之外，不存在对功率流的可变控制。沿功率流路径改变功率流的机制未曾被提出。

参见图6-20，本发明的优选实施例提供一种用于无线功率传输的装置，其包括三个或更多的线圈1，每个线圈1限定相应的线圈平面，并且这些线圈被设置在一个或多个功率流路径2上，因此每个线圈可以与其它线圈中的一个或多个磁耦合从而沿一个或多个功率流路径无线传输功率。

这些线圈中的两个或多个之间的磁耦合优选为共振的。具体地，磁耦合在两个或多个线圈共用的共振频率上。在一个实施例中，所有线圈均在共振频率上磁耦合。

将认识到，术语“线圈”、“环”、“绕组”及其它类似术语是可互换的，正如本领域技术人员所理解的那样。类似地，可以在共振频率上工作的线圈可以被称作“共振器”、“线圈共振器”、“环共振器”、“绕组共振器”或其它类似术语，正如本领域技术人员所理解的那样。另外，将认识到，设在功率流路径上的线圈也可以被称作“线圈链”、“环链”或“绕组链”。

这些线圈可以由任意导电材料制成。这些线圈还可以由超导材料制成，使得没有传导损失。

回到本发明的优选实施例，这些线圈允许借助线圈之间的互感沿一个或多个功率流路径无线传输功率。

具体地，这些线圈中的一个或多个适于从功率源3处接收功率，所述功率借助线圈之间的互感能够沿功率流路径中的一个或多个无线传输。此外，线圈中的一个或多个还适于向功耗设备提供功率。在一个实施例中，各个线圈充当AC电压源且因此为功率源。

在一些实施例中，诸如图7c中所示的，功率流路径中的一个或多个分割成更多的功率流路径。在图7c中，确切地说，一个功率流路径分割成两个功率流路径。在其它实施例中，诸如图7d中所示的，功率流路径中的两个或多个合并成更少的功率流路径。在图7d中，确切地说，两个功率流路径合并成一个功率流路径。

功率流路径中的一个或多个为直线(例如参见图7a)、曲线(例如参见图7b)、圆形、不规则形状或其任意组合。

因此，根据本发明的实施例可以有很多种不同的功率流路径网络，从简单的到其中多个支路分割成更多支路和/或合并成更少功率流路径的更为复杂的，其中功率流路径也可以具有各种各样的形状。

在其它实施例中，如图20中所示，线圈具有不同的尺寸且同心设置。具体地，线圈为圆形，具有增大的直径，且同心地设置在公共平面上。该实施例中的功率流路径沿径向从直径最小的线圈到外侧的直径最大的线圈。

在一个实施例中，线圈中的一个或多个可以被构造成相应的线圈平面不与它所在的功率流路径垂直，从而改变该一个或多个线圈与相邻线圈之间的互感。这从而控制沿一个或多个功率流路径的功率流或者无线传输的功率数量。

如图8a-8c中所示，线圈设在一个功率流路径中，所述功率流路径分割成两个功率流路径，即一个主路径分割成两个分支路径，上分支路径和下分支路径。主路径上的分割成两个分支路径之前的最后一个线圈(图8a－8c中用粗体示出)可以围绕轴线转动，所述轴线穿过该最后一个线圈并且垂直于主路径和分支路径。因此，最后一个线圈的线圈平面不与它所在的功率流路径垂直，从而改变该一个或多个线圈与相邻线圈之间的互感。更具体地，在图8b中，最后一个线圈的线圈平面朝向上分支路径(图8b中用粗体示出)转动，从而在上分支路径中产生比下分支路径更大的功率流。在图8c中，最后一个线圈的线圈平面朝向下分支路径(图8c中用粗体示出)转动，从而在下分支路径中产生比上分支路径更大的功率流。

在另一实施例中，一个或多个线圈的共振频率和阻抗中的一个或两个均可发生改变。在一个实施例中，一个或多个线圈具有电容，并且该一个或多个线圈的共振频率可以通过改变电容而改变。在另一实施例中，一个或多个线圈具有电感，并且该一个或多个线圈的共振频率可以通过改变电感而改变。同样地，这从而控制沿一个或多个功率流路径的功率流或者无线传输的功率数量。

如图9a-9c中所示，线圈设在一个功率流路径中，所述功率流路径分割成两个功率流路径，即一个主路径分割成两个分支路径，上分支路径和下分支路径。参见图9b，上分支路径中的头两个线圈(在图9b中用虚线示出)的共振频率和阻抗中的一个或两个被改变以使上分支路径中的这头两个线圈“失调”或“去耦合”。这因而在下分支路径(图9b中用粗体示出)中产生比上分支路径更大的功率流。相反地，参见图9c，下分支路径中的头两个线圈(在图9c中用虚线示出)的共振频率和阻抗中的一个或两个被改变以使下分支路径中的这头两个线圈“失调”或“去耦合”。这因而在上分支路径(图9c中用粗体示出)中产生比下分支路径更大的功率流。

因此，上述这两个实施例呈现了可用在本发明实施例中的两种功率流控制方法。

在图10示出的另一个实施例中，线圈构成管状结构4的一部分。优选地，该管状结构为柔性的。该柔性管状结构可以通过这种方式形成一种新型的中央中空的功率电缆。由于无需用导电材料(诸如铜)填充这种新型电缆的中央，因此需要较少的导电材料。导电材料也不需要是连续的。另外，在这种新型电缆的两端之间存在固有的电绝缘。

在优选的实施例中，线圈之间的磁耦合是无辐射的。也就是说，采用近场或短程磁耦合。在一些实施例中，线圈平面中的任意两个之间的距离与所述两个线圈平面中的任意一个的最大尺寸的一半之比小于3。线圈平面中的任意两个之间的距离也被称作两个线圈之间的“传输距离”。

在图6-9c描述的实施例中，线圈为圆形，且基本相同，并彼此间隔相同的距离。因此，任意线圈平面的最大尺寸的一半为半径r。传输距离在附图中被标为d。

尽管图6-9c所示的实施例示出彼此间隔相同距离的线圈，但并不一定需要就是这样的。在其它实施例中，一对线圈平面之间的距离不等于另一对线圈平面之间的距离。在另外的实施例中，不同的成对的线圈平面之间的距离被选择成使无线功率传输效率最大化。在下面进一步详细描述的一个实施例中，不同的成对的线圈平面之间的距离被计算且因此选择成使无线功率传输效率最大化。实际上，正如将在下面进一步详细描述的那样，不同的成对的线圈平面之间的距离不相同可以在某些应用中使无线功率传输的效率最大化。

因此，任何一对线圈平面之间的距离可以相对于另一对线圈平面发生变化。为消除任何怀疑，一对线圈平面可以包括同样构成另一对线圈平面的一部分的一个线圈平面，即不同的两对线圈平面可以共用一个公共的线圈平面。

上述有关线圈之间相对距离的特征当然可以进行结合。具体地，在一些实施例中，任意两个线圈平面之间的距离与所述两个线圈平面中的任意一个的最大尺寸的一半之比小于3，且一对线圈平面之间的距离不等于另一对线圈平面之间的距离。在其它实施例中，任意两个线圈平面之间的距离与所述两个线圈平面中的任意一个的最大尺寸的一半之比小于3，且不同的成对的线圈平面之间的距离被选择成使无线功率传输效率最大化。

在各种实施例中，线圈的工作频率小于100MHz、10MHz、5MHz或1MHz。这些工作频率范围有利地在线圈中形成低的AC阻抗、高的品质因数、以及低的传导损失，从而改善传输能量效率。这在下面作进一步讨论。在两个或多个线圈之间的磁耦合形成共振的实施例中，由这两个或多个线圈共用的共振频率可以落在这些范围内，从而获得与上述相同的优点。在其它实施例中，线圈的工作频率大于10kHz。这有利地形成超出听觉范围的频率。在另外的实施例中，这些频率范围可以进行组合，即另外的实施例的线圈的工作频率可以在10kHz与100MHz、10MHz、5MHz或1MHz之一之间。

本发明还提供一种用于无线传输功率的方法。该方法包括：提供三个或更多的线圈，每个线圈限定相应的线圈平面；以及将这些线圈设置在一个或多个功率流路径中，因而每个线圈可以与其它线圈中的一个或多个磁耦合，从而沿一个或多个功率流路径无线传输功率。

该方法的优选实施例包括已在上文中描述过的那些。这些包括利用上述的线圈以及根据上述来设置和构造线圈。

下面提供有关本发明的上述实施例及其它实施例的附加细节、特征和优点。

考虑到前面的描述，本发明的一些实施例利用设在一个或多个功率流路径上的一系列共振磁耦合线圈或“环共振器”，从而形成所谓的“多米诺链”或者“多米诺共振器链”。耦合的环共振器被置于能量效率高的“短程”状态下。“短程”多米诺链结构在功率源共振器(即与功率源连接的线圈)与终端接收器环共振器(即位于功率流路径末端远离功率源的最后的线圈)之间实现较长的总传输距离(对于给定的d/r比值)，其中在所述终端接收器环共振器处连有负载，尽管使用了两个以上的环共振器。

通过将图5中示出的现有技术装置(其采用一对环共振器)与图6中示出的本发明的一般性实施例(其中采用三个或更多的环共振器)作比较可以说明该优点。

尽管所提出的多米诺共振器链可以在高出MHz水平的高频下使用，但是必要时在各个环共振器中使用相对较大的电容可以将共振频率降至低于MHz范围，以减小线圈的AC阻抗并提高品质因数Q＝ωL/R_ac。高的Q值改善传输能量效率。这允许有关功率传输的R_ac且因此传导损失i²R_ac最小化。

环共振器的多米诺链结构的使用使得能够以高度灵活的方式控制功率。如上所述，直线、曲线、圆形、甚至不规则形状的多米诺路径或者其组合可以容易地形成以将功率流引至目标位置。各个共振器的共振电容电压成为AC电压源。同样，如上所述，单个功率多米诺链可以分割成多个链。数个多米诺链也可以合并成一个多米诺链。参见图7c和7d。

上面描述了两种功率流控制方法。

第一种方法的实施例通过环平面的中心轴的角度进行控制。环共振器的中心轴的角度可以被改变以改变相邻耦合的环共振器之间的互感，以作为控制功率流的手段。如果耦合的环平面与功率流的轴线平行，则该角度为零。这种方法可以用在单个多米诺链内或者多米诺链的接合点处，如图8a-8c中所示。

第二种方法的实施例通过控制例如环共振器的阻抗借助环共振器的共振频率来进行控制。该阻抗接着可以通过控制环共振器的电容和/或电感来进行控制。由于只有在环共振器具有相同共振频率时才能够实现有效的功率传输，因此通过使一段功率多米诺链中的一个或多个环共振器失调或去耦合，阻抗可以发生变化以改变功率流，正如图9a-9c中所示。由于失调的环共振器具有高的等效阻抗，因此共振频率的控制提供了一种简单的控制功率流的手段。改变环共振器的共振频率的手段包括但不限于增加或减少环共振器的电容，或者增加或减少环共振器的电感。

功率多米诺共振器网络的使用基本上提供了一种功率网络，因为各个环共振器中的电容提供了AC电压源。这与家用电力系统中使用的功率插座类似。

如上所述，如果耦合的环共振器的链被包封在柔性管状结构中，则它构成功率电缆，其可以允许在没有连续导电材料(诸如铜)的情况下在特定共振频率下进行功率传输。这是一种新的功率电缆形式，其在电缆两端之间具有固有电绝缘。参见图10。它需要少得多的导电材料(诸如铜)，并且适于在特定的电缆共振频率下进行功率传输。

作为示例，在一个特定实施例中，这种功率电缆可以用在显微手术中，其中该功率电缆可以被用于处理患者体内的肿瘤。这可以通过使线圈在与肿瘤的共振频率相匹配的共振频率下工作来实现。

如上所述，注意到尽管其中环共振器间隔相同距离(即不同的成对的环共振器之间的相应距离相同)的环共振器的“等距离结构”是一种容易且通用的方式，但是优化的“不等距结构”事实上在一些特定应用中能够改善总的能量效率，其中在“不等距结构”中，环共振器之间的距离发生变化(即一对环共振器之间的距离不等于另一对环共振器之间的距离)。

参见图18和19，现在将描述上面提到的使用“不等距结构”的实施例。

图18示出了根据本发明实施例的n个绕组的无线功率传输(WPT)系统的电路模型，其中每个绕组均通过下标数字1至n表示。Z_L(Z_L＝R_L+jX_L)表示负载阻抗，其包括绕组-n的补偿电容。在下面的讨论中，假设除了绕组-1外所有绕组均共振。绕组-1的共振将不影响系统效率，但是将降低功率源的VA等级(rating)。因此，在实际操作中，绕组-1也是共振的。

借助于图18中的电路模型，绕组中电流之间的关系可以通过下列方程来表达：

其中为绕组-i与绕组-j之间的互感，RL为与绕组-n连接的负载阻抗。

然后通过求解该方程可以得到以下关系：

$\frac{I_m}{I_n},m=1,2,...,n-1.---\left(U2\right)$

另外，n个绕组的系统的效率可以通过将(U2)的所有关系带入下列方程而获得：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{I_n^2{R}_L}{I_1^2{R}_1+I_2^2{R}_2+...+I_n^2\left(R_n+R_L\right)}=\frac{R_L}{{\left(\frac{I_1}{I_n}\right)}^2{R}_1+{\left(\frac{I_2}{I_n}\right)}^2{R}_2+...+{\left(\frac{I_{n-1}}{I_n}\right)}^2{R}_{n-1}+R_n+R_L}.---\left(U3\right)$

基于方程(U3)，在假设系统给定的情况下能够计算出最大效率和最佳负载。对于所有绕组均置于直线上的实施例而言，在总的功率传输距离给定和绕组数量给定的情况下能够计算出绕组之间的最佳距离。

现在将分析简化模型。

在中程无线功率传输应用中，每两个不相邻的绕组之间的互感事实上小于两个相邻绕组之间的互感，并且将几乎不对系统性能产生影响。因此，可以使用简化模型来研究多绕组WPT系统的特性。

对于简化模型，方程(U1)可以重写为：

效率的表达式可以通过上述相同的步骤来获得。

然后，通过解方程：

$\frac{\&part;\mathrm{\&eta;}}{\&part;R_L}=0,---\left(U5\right)$

我们能够获得最佳的负载及最大的效率，其可以表达如下：

$R_{L\_OPT}=R_n\sqrt{\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{A}_k^2{\mathrm{\&delta;}}_k}{\underset{k=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{B}_k^2{\mathrm{\&delta;}}_k}},---\left(U6\right)$

${\mathrm{\&eta;}}_{\max }=\frac{{\mathrm{\&delta;}}_n}{2\sqrt{\left(\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{A}_k^2{\mathrm{\&delta;}}_k\right)\left(\underset{k=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{B}_k^2{\mathrm{\&delta;}}_k\right)}+2\underset{k=1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{A}_k{B}_k{\mathrm{\&delta;}}_k+{\mathrm{\&delta;}}_n}---\left(U7\right)$

其中，

$A_k=\underset{E\left(k,n\right)}{\&Sigma;}\underset{g=k+1}{\overset{n-1}{\&Pi;}}{\mathrm{\&Delta;}}_{g\left(g+1\right)}^{e\left(g\right)},fork=1,2,...n-2and{A}_{n-1}=1,A_n=1;$

$B_k=\underset{E\left(k,n-1\right)}{\&Sigma;}\underset{g=k+1}{\overset{n-2}{\&Pi;}}{\mathrm{\&Delta;}}_{g\left(g+1\right)}^{e\left(g\right)},fork=1,2,...n-3and{B}_{n-2}=1,B_{n-1}=1;$

${\mathrm{\&delta;}}_k=\underset{g=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{\mathrm{\&Delta;}}_{\left(g-1\right)g},fork=1,2,...n;$

E(k，n)＝{[e(k+1)，e(k+2)，…，e(n-1)]|e(m-1)e(m)≠1，m＝k+1，…，n-2}，for k＝1，2，…n-2；

e(k)∈{0，1}，for k＝2，3，…n-1；

${\mathrm{\&Delta;}}_{k\left(k+1\right)}=k_{k\left(k+1\right)}^2{Q}_k{Q}_{k+1}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2{M}_{k\left(k+1\right)}^2}{R_k{R}_{\left(k+1\right)}},fork=1,2,...n-1{\mathrm{and\&Delta;}}_{01}=1.$

对于相同的同轴圆形绕组，分析如下：

Maxwell已经推导出用于计算两个同轴圆形丝状电流之间互感的方程：

$M={\mathrm{\&mu;}}_0\frac{\sqrt{R_1{R}_2}}{f}\&lsqb;(2-f^2)K\left(f\right)-2E\left(f\right)\&rsqb;---\left(U8\right)$

其中K(f)和E(f)分别为第一和第二类完全椭圆积分，并且：

$f=\sqrt{\frac{4R_1{R}_2}{D^2+{(R_1+R_2)}^2}}$

其中R₁、R₂和D分别为绕组-1、绕组-2的半径以及它们之间的距离。

对于中程无线功率传输，两个同轴圆形绕组之间的互感可以通过下列方程来精确计算：

$M=\underset{i=1}{\overset{n_1}{\&Sigma;}}\underset{j=1}{\overset{n_2}{\&Sigma;}}{M}_{ij}---\left(U9\right)$

因此，在具有相同的同轴圆形绕组的n个绕组的WPT系统中，所有每两个相邻绕组之间的互感可以利用(U9)进行计算，并且通过将所有的互感带入(U7)中，我们能够获得为系统中距离的组合的函数的效率表达式，其具体如下：

η_max＝f(D₁₂，D₂₃，…，D_(n-1)n) (U10)

其中D_ij为绕组-i和绕组-j之间的距离。

借助于方程(U10)，在假定总传输距离给定的情况下能够确定绕组距离的最佳值。

作为一个实例，基于0.9m的总传输距离，针对根据本发明实施例的4绕组WPT系统进行上述计算。结果在图19的图形中示出，其中D₁₂代表绕组-1和绕组-2之间的距离，D₂₃代表绕组-2和绕组-3之间的距离。可以看到，不等距结构(D₁₂＝0.285m，D₂₃＝0.33m，D₃₄＝0.285m)的效率高于等距离结构(D₁₂＝0.3m，D₂₃＝0.3m，D₃₄＝0.3m)。

测得的效率如下。

4个绕组(总距离为0.9m)：

对于等距离结构为66.33％；并且

对于不等距结构(0.282m,0.336m,0.282m)为67.69％。

作为另一实例，基于2.1m的总传输距离，针对根据本发明另一实施例的8个绕组的WPT系统进行上述计算。

测得的效率如下。

8个绕组(总距离为2.1m)：

对于等距离结构为45.81％；并且

对于不等距结构(0.259,0.314,0.318,0.318,0.318,0.314,0.259)为47.53％。

概括而言，本发明的实施例涉及基于导电耦合环共振器的无辐射(近场)磁耦合的无线功率传输方法及装置，因而将这些耦合环共振器沿期望的功率流路径设置，非常像一系列的多米诺。这种功率流可以分割成多个功率流通道或者由多个功率流通道合并而成。

控制功率流进入分割的功率流通道的手段可以通过改变共振器线圈的角度和/或改变一段功率流路径上的环共振器的共振频率(例如通过改变功率流路径的电容且因此阻抗)来实现。

现有的波导技术典型地在数百MHz至数十GHz的辐射频率范围上工作。而且在现有的波导技术中，环共振器的间隔通过传播波的波长来确定。相比而言，根据本发明实施例的多米诺共振器能够在几十KHz以上的低频下工作且共振器间隔距离具有一定的灵活性，从而使具有很大灵活性的用于功率传输应用的耦合线圈的AC阻抗最小化，品质因数最大化。

本发明的独特优点在于，磁耦合的共振器可以灵活地设置成任何形式的多米诺链结构。另外，如果一系列磁耦合的多米诺共振器被设置在柔性管状壳体内，根据本发明的一个实施例，它们可以形成电绝缘的功率电缆或者功率引导电缆，其中不存在穿过该电缆结构的连续实心导电材料。这种新的功率电缆具有这样的特性，即：除非输入功率激发发生在环共振器的共振频率上(其可以精确设计)，否则它将不传输功率。

已经着手进行实际实验来验证本发明各种实施例的性能。这在下面进行描述。

构建环共振器，其中各个环共振器由与电容串联的线圈形成。线圈半径为15.5cm。每个线圈的匝数为8。电感L＝90μH，电容C＝1nF，共振频率约为520kHz。该频率上的AC绕组阻抗为R_ac＝0.98Ω。品质因数Q＝290。一个环共振器连接电源3。紧凑型荧光灯(CFL)5被用作电负载，即功耗设备为CFL5的形式。下面描述利用不同共振器结构的结果。

(a)具有(i)等距和(ii)不等距方式的直线功率多米诺共振器结构

(i)等距结构

如图11中所示，建立一条多米诺链，其包括等距离间隔的8个共振器。14W的CFL连接链上最后一个共振器的电容的两端。该最后一个共振器由RF功率放大器在520kHz上进行激发。

(ii)不等距结构

重复与上面关于(i)相同的实验装置，其中共振器间隔不等距离，如图12中所示。证实这种不等距方式也是实用的。

(b)L形功率多米诺共振器结构

这种多米诺链方法在引导功率流方面高度灵活。这点通过按照L形设置共振器得到证实，其中功率流路径弯曲约90度，如图13中所示。

(c)圆形功率多米诺共振器结构

一种有趣的多米诺结构是按照圆形放置环共振器，在实际实验过程中也是这么做的，如图14中所示。证实CLF负载可以连接在该圆形多米诺链上的任意环共振器中的电容的两端。

(d)不规则形状(Y形)的功率多米诺共振器结构，其证实通过改变环平面的角度进行功率流控制。

本发明实施例的特点是该多米诺方式分割功率流和改变功率流的能力。在实际实验中，弯曲的功率流路径被分割成两个分支路径以向两个CFL负载提供相同功率，如图15中所示。如图16中所示，通过略微沿逆时针方式转动接合环平面，更多的功率被转向接合环平面所转向的分支路径(图16中的上分支路径)，因此该分支路径上的CFL比另一分支路径(图16中的下分支路径)上的更亮。

类似地，如图17中所示，通过略微沿顺时针方式转动接合环平面，更多的功率被转向接合环平面所转向的分支路径(图17中的下分支路径)，因此该分支路径上的CFL比另一分支路径(图17中的上分支路径)上的更亮。

上面详细讨论的本发明实施例的优点和缺陷概括在下面的表1中，其在本发明的实施例、基于一对环共振器的现有技术的“短程”和“中程”无线功率传输方法、以及基于环共振器链的现有技术的用于信号传输的磁感应波导之间对主要特征进行了比较。

表1.本发明实施例与现有技术之间的概要比较

尽管已参见特定实例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将意识到，本发明可以以很多其它形式实现。本领域技术人员还将意识到，所描述的各种实例的特征可以按照其它组合方式进行组合。

Claims (40)

1.一种用于无线功率传输的装置，其包括三个或更多的线圈，每个线圈限定相应的线圈平面，并且这些线圈被设置在一个或多个功率流路径上，每个线圈与其它线圈中的一个或多个磁耦合，从而沿一个或多个功率流路径无线传输功率；

其中线圈中的一个或多个可以被构造成相应的线圈平面不与它所在的功率流路径垂直，从而改变该一个或多个线圈与相邻线圈之间的互感。

2.如权利要求1所述的装置，其中线圈中的一个或多个的共振频率和阻抗中的一个或两个均可发生改变。

3.如权利要求1所述的装置，其中线圈中的一个或多个具有电容或电感或其两者，且该一个或多个线圈的共振频率可以通过改变电容或电感或其两者而改变。

4.如权利要求1所述的装置，其中功率流路径中的一个或多个分割成更多的功率流路径。

5.如权利要求1所述的装置，其中功率流路径中的两个或更多个合并成更少的功率流路径。

6.如权利要求1所述的装置，其中功率流路径中的一个或多个为直线、曲线、圆形、不规则形状或其任意组合。

7.如权利要求1所述的装置，其中线圈构成管状结构的一部分。

8.如权利要求7所述的装置，其中该管状结构是柔性的。

9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中线圈中的一个或多个适于从功率源处接收功率，所述功率借助线圈之间的互感能够沿功率流路径中的一个或多个无线传输。

10.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中线圈中的一个或多个适于向功耗设备提供功率。

11.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中线圈中的两个或更多个之间的磁耦合共振。

12.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中线圈之间的磁耦合无辐射。

13.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中线圈平面中的任意两个之间的距离与所述两个线圈平面中的任意一个的最大尺寸的一半之比小于3。

14.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中一对线圈平面之间的距离不等于另一对线圈平面之间的距离。

15.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中不同的成对的线圈平面之间的距离被选择成使无线功率传输效率最大化。

16.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中线圈的工作频率小于100MHz。

17.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中线圈的工作频率小于10MHz。

18.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中线圈的工作频率小于5MHz。

19.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中线圈的工作频率小于1MHz。

20.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其中线圈的工作频率大于10kHz。

21.一种用于无线传输功率的方法，该方法包括：

提供三个或更多的线圈，每个线圈限定相应的线圈平面；

将这些线圈设置在一个或多个功率流路径中，每个线圈与其它线圈中的一个或多个磁耦合，从而沿一个或多个功率流路径无线传输功率；以及

将线圈中的一个或多个构造成相应的线圈平面不与它所在的功率流路径垂直，从而改变该一个或多个线圈与相邻线圈之间的互感。

22.如权利要求21所述的方法，还包括改变一个或多个线圈的共振频率和阻抗中的一个或两个。

23.如权利要求21所述的方法，其中线圈中的一个或多个具有电容或电感或其两者，且该方法包括改变电容或电感或其两者，从而改变该一个或多个线圈的共振频率。

24.如权利要求21所述的方法，其中线圈被设置成功率流路径中的一个或多个分割成更多的功率流路径。

25.如权利要求21所述的方法，其中线圈被设置成功率流路径中的两个或更多个合并成更少的功率流路径。

26.如权利要求21所述的方法，其中线圈被设置成功率流路径中的一个或多个为直线、曲线、圆形、不规则形状或其任意组合。

27.如权利要求21所述的方法，其中线圈被提供成管状结构的一部分。

28.如权利要求27所述的方法，其中该管状结构是柔性的。

29.如权利要求21所述的方法，其中线圈中的一个或多个适于从功率源处接收功率，所述功率借助线圈之间的互感能够沿功率流路径中的一个或多个无线传输。

30.如权利要求21所述的方法，其中线圈中的一个或多个适于向功耗设备提供功率。

31.如权利要求21所述的方法，其中线圈中的两个或更多个被构造成所述线圈之间的磁耦合共振。

32.如权利要求21所述的方法，其中线圈被构造成线圈之间的磁耦合无辐射。

33.如权利要求21所述的方法，其中线圈被构造成线圈平面中的任意两个之间的距离与所述两个线圈平面中的任意一个的最大尺寸的一半之比小于3。

34.如权利要求21所述的方法，其中线圈被构造成一对线圈平面之间的距离不等于另一对线圈平面之间的距离。

35.如权利要求21所述的方法，其中线圈被构造成不同的成对的线圈平面之间的距离被选择成使无线功率传输效率最大化。

36.如权利要求21所述的方法，其中线圈的工作频率被设置为小于100MHz。

37.如权利要求21所述的方法，其中线圈的工作频率被设置为小于10MHz。

38.如权利要求21所述的方法，其中线圈的工作频率被设置为小于5MHz。

39.如权利要求21所述的方法，其中线圈的工作频率被设置为小于1MHz。

40.如权利要求21所述的方法，其中线圈的工作频率被设置为大于10kHz。