CN105591473B - 用于无线电力传输的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于无线电力传输的方法和系统。用于在其中希望磁场的方位和取向随着时间改变的应用中减轻与无线电力传输相关联的约束的系统和方法，例如，因为被供电的接收器的方位和取向随着时间改变，或者因为具有不同方位和取向的不同接收器按不同时间供电。根据一些实施方式，该系统在限定空间中采用多个无线电力发送器，每一个发送器都由彼此正交取向的各个线圈构成。利用在这些各个线圈之间以及在它们形成的发送器之间的场干扰，可以主动控制该限定空间中的任何指定点处的无线电场强度和取向。这允许方法操纵电力发送按特定角朝向特定目标。

Description

用于无线电力传输的方法和系统
技术领域
本公开总体上涉及用于无线电力传输的系统和方法。具体来说，本公开涉及借助于谐振感应耦合发送器和接收器的无线电力传输。
背景技术
谐振感应耦合是被调谐成按同一频率谐振的两个线圈之间的电能的近场无线传输。谐振传递通过使初级侧线圈环具有产生振荡磁场的振荡电流来工作。接近初级侧线圈的次级侧线圈可以从该振荡磁场拾取能量。如果该初级侧和次级侧线圈按公共频率谐振，则显著的电力可以按合理的效率在线圈直径几倍的范围上从初级侧线圈传送至次级侧线圈。
一种已知谐振感应耦合方法需要发送器与接收器之间的谐振频率匹配和取向匹配两者，以产生显著电力传输。该已知方法匹配频率，但因为该系统具有恒定的发送器/接收器相对方位和取向，所以其不需要致力于取向匹配。
对于移动接收器的情况来说，该移动接收器相对于电力发送器的取向可以改变。然而，该移动接收器，而且同义地，该接收器所并入的目标对象必须对准磁场线以有效接收无线电力。固定发送器生成相同磁场的事实限制了目标对象的空间自由度。该目标对象可以相对于电力发送器将方位和取向改变至某种程度，但代价是电力传输效率。
在无线电力工业中，一种策略是将发送器放置在和该装置所位于的典型桌子同一平面上。每一个装置都具有与通过发送器所生成的磁场对准的内部接收线圈。这考虑到有效充电。然而，一旦消费者拿起该装置使用它，无线电力链接中断并且装置停止充电。换句话说，这种电源的可用性有限。
另外，任何无线技术，无论其是数据传输还是电力传输，都需要干扰考虑。无线电力传输的已知方法针对电动机中的三个接收器(例如，绕组)中的每一个使用不同频率(例如，44、62以及77kHz)。使用不同频率，以使磁场的频率和取向分化两者都可以被用于最小化电动机中的三相中的每一相之间的串扰，或干扰。这种方法的不利方面在于，其占用了可以导致与其它周围无线系统之间的干扰的频带。
相间串扰问题除了取向分化以外还可以通过使用更宽的频率分化来解决，以生成“双滤器”。这是一种有效的方法，但不利方面在于，所发送电力占用较宽频带，其可以导致与其它周围无线系统之间的干扰。另一种看法是，每一个这种系统都占用较宽带宽，使得很少的系统可以在指定空间容积中操作。
希望一种用于在电力发送器与接收器的谐振感应耦合期间增加目标对象的空间自由度并减小相间串扰的改进方法。
发明内容
在此公开的主旨致力于提供用于在其中希望磁场的方位和取向随着时间改变的应用中，减轻与无线电力传输相关联的约束的系统和方法，例如，因为被供电的接收器的方位和取向随着时间改变，或者因为具有不同方位和取向的不同接收器按不同时间供电。在此公开的系统和方法通常还可应用于无线电力传输工业。根据下面详细公开的一些实施方式，该系统在限定空间中采用多个无线电力发送器，每一个发送器都由彼此正交取向的各个线圈构成。利用在这些各个线圈之间并且在它们形成的发送器之间的场干扰，可以主动控制该限定空间中的任何指定点处的无线电力场强度和取向。这允许方法操纵电力发送按特定角朝向特定目标。
在此公开的系统和方法出于增加目标对象(如三相电动机)的空间自由度并减小相间串扰的目的而提供了取向匹配。在此过程中，通常因为取向已经成为无线电力传输工业方面的挑战，所以其提供了一种用于改进无线电力传输的可行方法。
下面详细公开的主旨的一个方面是，提供一种用于向电气装置无线传输电力的方法，该方法包括以下步骤：设置具有至少两个发送器线圈的发送器，所述至少两个发送器线圈相对于彼此按固定方位和取向布置；相对于包含具有第一接收器线圈的第一电气装置的空间来定位所述发送器；以及向所述发送器的相应发送器线圈提供相应电流，所述发送器线圈在第一时间产生第一合成(resultant)磁场，所述第一合成磁场具有沿所述第一电气装置的所述第一接收器线圈的轴线定位的磁场线。该方法还可以包括以下步骤：确定所述第一电气装置的所述第一接收器线圈的轴线相对于所述发送器的参照系的取向；以及，至少部分地基于所述第一电气装置的所述第一接收器线圈的所述轴线的所述取向而计算关于所述相应电流的幅度。
在此公开的主旨的另一方面是，提供一种用于无线电力传输的系统，该系统包括：具有轴线的接收器线圈；具有相互正交的轴线的第一发送器线圈组件、第二发送器线圈组件以及第三发送器线圈组件；计算机系统，该计算机系统被编程为：计算要提供给所述第一发送器线圈组件、所述第二发送器线圈组件以及所述第三发送器线圈组件的相应电流的相应幅度，以生成具有沿所述接收器线圈的所述轴线定位的磁场线的合成磁场；以及用于分别向所述第一发送器线圈组件、所述第二发送器线圈组件以及所述第三发送器线圈组件提供具有所述相应幅度的所述相应电流的装置。
另一方面是，提供一种用于向电气装置无线传输电力的方法，该方法包括以下步骤：设置具有至少两个发送器线圈的第一发送器，该至少两个发送器线圈相对于彼此按固定方位和取向设置；设置具有至少两个发送器线圈的第二发送器，该至少两个发送器线圈相对于彼此按固定方位和取向设置；将所述第一和第二发送器定位在包含具有接收器线圈的第一电气装置的空间的不同侧；以及向所述第一和第二发送器的相应发送器线圈提供相应电流，该发送器线圈产生合成磁场，该合成磁场具有沿所述电气装置的所述接收器线圈的轴线定位的磁场线。对于该空间包含具有与所述第一电气装置的位置不同的位置的第二电气装置的情况来说，所生成的合成磁场可以在所述第二电气装置的位置处具有零磁通量。
下面公开的主旨的又一方面是，提供一种用于无线电力传输的系统，该系统包括：具有轴线的接收器线圈；万向节布置结构；具有轴线并且安装至所述万向节布置结构的发送器线圈；第一致动器，该第一致动器耦接至所述万向节布置结构，以改变所述发送器线圈的轴线的方位角；第二致动器，该第二致动器耦接至所述万向节布置结构，以改变所述发送器线圈的轴线的仰角；计算机系统(包括一个计算机或处理器或者包括分离计算机或处理器)，该计算机系统被编程为控制所述第一和第二致动器，以生成具有沿所述接收器线圈的轴线定位的磁场线的合成磁场，并且被编程为计算要提供给所述发送器线圈的电流的幅度；以及，用于向所述发送器线圈提供具有所述幅度的所述电流的装置。
下面公开了用于无线电力传输的系统以及它们的操作方法的其它方面。
附图说明
图1是示出设置在同一平面中的四个接收器和一个发送器的平面图的图，其中一些接收器相对于发送器按不同角取向。
图2是示出根据已知技术的用于向消费者电子装置提供无线充电而定位并取向的发送器的正视图的图。
图3是表示根据一些实施方式的电力发送器的一些组件的框图。
图4A是示出二维空间中的双线圈发送器和接收器的平面图的图。图4A中的插图提供了通过发送器生成并且耦合至接收器中的线圈或绕组的干扰磁场的放大图。
图4B是示出当接收器如图4A所示取向时，对准接收器线圈轴线的合成磁场的平面图的图。(图4B和图4A中的插图相同)。
图4C是示出旋转了90°以便对准已经旋转90°的接收器的线圈轴线的合成磁场的平面图的图。
图5是示出根据在美国专利申请No.14/199,272中公开的实施方式的、用于无线控制并供电三相电动机的系统的一些组件的图。
图6是示出根据一个实施方式的、电力发送器的三个相互正交线圈的等角视图的图。
图7是表示其中通过三个相互正交发送器线圈生成磁场线的限定空间的等角视图的图，所述三个相互正交发送器线圈具有处于该限定空间中间的目标接收器线圈。图7是图4B的三维模拟。
图8是表示其中通过两组相互正交发送器线圈生成磁场线的限定空间的等角视图的图，所述两组相互正交发送器线圈按该限定空间内的磁场通过相长干扰来加强的方式放置并操作。
图9是表示图8所描绘的磁场线的X-Y平面图的图。
图10是表示在将两个发送器的Z轴线圈断开、X轴线圈接通，而Y轴线圈以相对于X轴线圈的180°相移接通时所生成的磁场线的X-Y平面图的图。图10是图4C的三维模拟。
图11是表示其中通过两组相互正交发送器线圈生成磁场线的限定空间的等角视图的图，所述两组相互正交发送器线圈按该磁场在该限定空间内具有其中磁通量因相消干扰而为零的区域的方式放置并操作。
图12是示出其中定位有两个发送器和两个接收器的限定空间的等角视图的图，每一个发送器包括三个相互正交线圈，而每一个接收器包括单一线圈。
图13是表示其中磁场线通过安装在用于改变发送器线圈取向的机械装置上的单一发送器线圈来生成的限定空间的等角视图的图。
图14是示出根据另选实施方式的致动发送器线圈系统的组件的框图。
图15是示出根据另一实施方式的、电力发送器的相互正交组件的等角视图的图。
图16是表示具有可以通过无线电力传输系统供电的组件的汽车的正视图的图。
在下文，对附图进行说明，其中，不同图中的相似部件具有相同标号。
具体实施方式
美国专利申请No.14/199,272公开了一种用于利用电力发送器和接收器来无线控制和供电三相电动机的方法。该电动机在转子中包括多个绕组和高磁导率芯。电力发送器谐振感应耦合至电动机绕组以驱动电动机。电动机绕组中的恰当定时电流导致芯磁化并且使转子移动。通过到转子的恰当机械连接从电动机获取机械动力。多个电力发送器可以按恰当方式设置，以无线地向多个电动机供电。
谐振感应耦合需要发送器与接收器之间的谐振频率匹配和取向匹配两者，以产生显著电力传输。美国专利申请No.14/199,272描述了频率匹配和怎样实现它，但因为其描述的系统具有恒定的发送器/接收器相对方位和取向，所以没有公开用于致力于取向匹配的装置或方法。与此相反，下面详细公开的系统和方法实施方式通过致力于取向匹配来寻求扩展用于无线供电电动机的应用。
图1是示出接近发送器线圈4的接收器线圈6A-6D的图。发送器线圈4和接收器线圈6A-6D中的每一个可以包括相应导电线绕组和电容器以创建谐振电路。在图1所描绘的实施例中，发送器线圈4的轴线和接收器线圈6A-6D的轴线共面。接收器线圈6A-6D具有相对于发送器线圈4的不同的方位和取向。虚线2a和2b形成发送器线圈4在电流经过其时所生成的磁场的简化局部表述。接收器线圈6A可以从发送器线圈4接收无线电力，因为其沿经过发送器线圈10的中心轴线的磁场线2a定位。接收器线圈6B和6C因它们沿磁场线2b定位而都可以接收电力。然而，接收器线圈6D因其取向未对准磁场线2b而很少或不接收电力。对于接收器线圈6D是移动目标对象的一部分的情况来说，接收器线圈6D的轴线必须对准磁场线2b，以有效接收无线电力。这将该目标对象的空间自由度限制到三平移和一旋转。
对于一般无线电力工业来说，一种策略是将发送器线圈4放置在和要被无线供电的装置所位于的典型桌子14同一平面上，如图2所示。在这个实施例中，要被无线供电的装置包括：蜂窝电话8、膝上型计算机10，以及平板计算机12。图2中的每一种装置都具有按和图1中的接收器线圈6C相同的方式定位的内部接收器线圈(未示出)。这允许有效充电。然而，一旦消费者拿起该装置使用它，无线电力链接中断并且装置停止充电。
在下文详细公开的用于取向匹配的系统和方法就是基于使用彼此正交设置的发送器线圈的想法，以使在电流经过它们时，发送器线圈生成彼此相长干扰的分离磁场，以创建合成的希望磁场。
图3是表示根据一些实施方式的无线电力传输系统的一些电子组件的框图。该无线电力传输系统包括微控制器50，其被编程成针对电流需求等进行计算。接着，微控制器50向功率调节器52输出针对每一个发送器线圈的电流需求(即，幅度和相位)，该功率调节器确保具有正确幅度和相位的电力输出至发送器22的三个线圈4A、4B以及4C中的每一个。微控制器50环向变频驱动器54输出频率命令。基于从微控制器50接收的电流需求，功率调节器52向变频驱动器54输出三个不同的直流电流。基于从微控制器50接收的频率命令，变频驱动器54将每一个直流电流转换成具有相应指定频率的交变电流。
根据其它实施方式，该系统可以包括相应变频信号发生器，以生成针对每一个发送器线圈的具有恰当频率的小交变电流，每一个变频信号发生器后跟随相应可变功率放大器，该可变功率放大器根据通过计算机系统计算出的相应幅度将该小电流放大至更大电流
图3中描述的系统能够控制由发送器线圈4A-4C在指定位置处生成的净磁场。发送器线圈4A-4C在相应时段期间接收相应交变电流，这些交变电流的幅度和相位被设计成实现磁场线与接收器线圈轴线的取向匹配。根据一个实施方式，发送器线圈4A-4C被设置成相互正交，以使当交变电流经过它们时，发送器线圈4A-4C生成彼此相长干扰的分离磁场，以创建合成的希望磁场。
为更好地理解该构思，本公开首先按二维空间，接着按三维空间来讨论该理论。
二维空间下的理论
图4A是示出在二维空间下包括两个发送器线圈4A和4B和一个接收器线圈6D的排布结构的平面图的图。发送器线圈4A和4B被设置成，使得它们各自的轴线彼此正交。图4A中的插图提供了分别通过发送器线圈4A和4B生成的干扰磁场线2a和2b的放大图，该磁场线2a和2b沿接收器线圈6D的轴线相交。
该布置结构允许分别由发送器线圈4A和4B生成的磁场彼此干扰，以使在接收器线圈6D的位置(即，方位加取向)处，它们的矢量和将对准接收器线圈6D的轴线。该情况通过矢量16与18(表示交点处的相应磁场)以及矢量和20(其对准接收器线圈6D的轴线)在图4A中的放大插图中表示。
为了使发送器有效操纵并调节净磁场，控制发送器的微控制器(图4A中未示出)必须找到用于馈送到每一个发送器线圈中的最佳电流幅度和最佳相位角，其根据下列因子来确定：(1)目标接收器线圈的方位和取向(即，位置)；(2)在该位置相交的每一个磁场的单位矢量；(3)在该位置获取希望合成磁场所需的针对每一个矢量的幅度；以及(4)振荡磁场的频率。
方位和取向
具有一个或更多个接收器线圈或绕组(例如，电动机)的移动目标对象相对于固定发送器的方位和取向可以利用下列方法中的任一者来确定。
用于确定接收器线圈方位和取向的第一方法涉及利用差分全球定位系统(DGPS)、超声波传感器，或Vicon摄像机(运动捕捉)来获取并向发送器控制器发送方位和取向信息。这些方法对电力传输必须高度响应的应用尤其有用。
用于确定接收器线圈方位和取向的第二方法涉及搜索目标对象所驻留的物理空间。针对三维(3-D)空间中的每一个(x，y，z)坐标和在3-D空间中的这些坐标处的每一个(θ，φ)取向，创建强局部磁场矢量。发送器中的能量在接收器线圈接收电力时减少。控制器可以将这用作其已经发现接收器线圈的方位和取向的迹象。尽管理解和开发简单，但该方法因其涉及解决五维问题而实际上缓慢。
用于确定接收器线圈方位和取向的第三方法涉及搜索参数空间。对于所有(Pi、Pj、Pk)来说，其中，P是发送器中的每一个线圈中的电力。通过扫描(Pi、Pj、Pk)之间的比率来发现由接收器线圈所接收的最大电力，直到控制器检测到耗用功率(power drain)为止。该方法解决三维问题，并由此比第二方法更快。
单位矢量
在运行该系统之前，模拟工具可以生成并在只读存储器查寻表中存储限定空间中的任何指定方位处的每一个磁场的单位矢量。在二维下，这由针对每一个方位的两个矢量构成。在三维下，因为存在三个磁场，所以这由针对每一个方位的三个矢量构成。另选的是，更强大的计算机可以实时计算该单位矢量，尽管其必须在针对该步骤所需较短时间量内达到该结果。
幅度
一旦微控制器或计算机获知该方位、取向以及单位矢量，其就可以确定为倍乘每一个单位矢量以便实现希望场取向和强度所需的幅度。例如，如果图4B中的接收器线圈6D旋转90°(如图4C所示)，则该系统将确定图4B中的单位矢量18的幅度需要乘以-1，以形成新矢量18'。新矢量18'在与矢量16求和时，将形成对准被旋转接收器线圈6D的轴线的新矢量20'，如在图4C中看到的。类似的是，如果微控制器50(参见图3)判定进一步旋转合成磁场达另几度，则其命令功率调节器52减弱由发送器线圈4B生成的磁场，并且加强由发送器线圈4A生成的磁场。
频率
在讨论三维空间之前，可以有启发性的是，回顾根据谐振感应耦合的重要构思。出于简化的目的，本公开中的图例示了DC磁场。在实践中，该场必须是频率f下的AC，以进行有效无线电力传输。因此，当本公开早前陈述“单位矢量18的幅度需要乘以-1”时，实际上，在将该相移AC电流馈送到发送器线圈4A中之前，将180°相移添加至频率f的载波电流。对于利用相应谐振频率无线供电的三相电动机来说，根据哪一项当前有效来选择正确频率f。
有关换向利用相应谐振频率无线供电的三相电动机的话题，可以使用在美国专利申请No.14/199,272中公开的同一方法，来发现诸如方位、旋转方向以及速度的转子信息。这将指示何时向哪个接收器线圈(定子)发送电力。接着，可以覆盖在此公开的取向匹配方法，以确保操纵该磁场朝着接收器线圈。
图5是示出根据在美国专利申请No.14/199,272中公开的实施方式的、用于无线控制并供电电动机的系统的一些组件的图。在这个实施例中，通过电力发送器202无线地向三相电动机供电。在其它实施方式中，电力发送器202可以被设计成无线地向具有任何其它数量的相位的电动机供电。
如在图5中看到，电动机200包括：转子204、第一绕组206、第二绕组208，以及第三绕组210。绕组206、208以及210被设置成具有不同谐振频率，其在下文分别被称为第一、第二以及第三谐振频率。
电力发送器202包括：第一传输线圈212、第二传输线圈214，以及第三传输线圈216。传输线圈212、214以及216被设置成具有与绕组206、208以及210的谐振频率相对应的不同谐振频率。例如，传输线圈212可以具有与绕组206的第一谐振频率相对应的谐振频率218；传输线圈214可以具有与绕组208的第二谐振频率相对应的谐振频率220；而传输线圈216可以具有与绕组210的第三谐振频率相对应的谐振频率222。
电力可以经由开关系统226从电源224提供给传输线圈212、214以及216。为操作电动机200，通过绕组206、208以及210中的每一个按恰当顺序发送电流，以使转子204转动。控制器228被设置成确定在该顺序中的任何点应当向绕组206、208以及210中的哪一个供电。控制器228可以操作开关系统226中的开关装置，以按该恰当顺序从电源224向传输线圈212、214以及216中的每一个供电。依次地，传输线圈212、214以及216中的每一个都按对应谐振频率218、220以及222来感应磁通量变化。按该恰当顺序在谐振频率218、220以及222的这些磁通量变化按该恰当顺序感应绕组206、208以及210中的希望电流，以转动转子204。因为绕组206、208以及210具有不同的谐振频率，所以按谐振频率218、220或222之一从电力发送器202传输电力将仅在绕组206、208或210中的具有对应谐振频率的一个绕组中感应电流。这允许按该恰当顺序单独地向绕组206、208以及210中的每一个供电。
美国专利申请No.14/199,272还公开了用于确定转子204相对于电动机200的绕组206、208以及210的角方位的装置。例如，传输线圈212、214以及216的总电感可以随着转子204的角方位改变而改变。转子204的方位、旋转方向以及速度可以通过检测由转子移动而产生的对传输线圈的总电感的影响来确定。该信息可以被控制器用于确定何时向哪一个绕组发送电力。因而，可以采用在此公开的取向匹配方法，以确保净磁场被操纵朝向该绕组。下面的步骤是这样做，针对具有任何数量的绕组的电动机设计(即，定子)被概括如下：
(1)预定“标记”绕组，此后指定为具有频率f1的Rx1。
(2)利用具有频率f1的AC磁场发现Rx1的方位和取向。任何先前提出方法将工作。
(3)因为电动机的设计已知，所以Rx1与下一绕组之间的角θ已知。现在，仅需要扫描角φ，以锁定下一绕组的3-D方位和取向。该结果是2-D平面。
(4)对于在步骤(3)中发现的方位和取向来说，试验频率f2和fn(其中，n是电动机设计中的绕组数)，以确定该绕组是Rx2还是Rxn(最后的绕组)。
(5)因为电动机中的所有绕组设置在2-D平面上，所以可以容易地根据Rx1的方位和取向计算剩余绕组的方位和取向。
三维空间下的图解
图6是根据一个实施方式的、电力发送器22的三个相互正交线圈4A-4C的等角视图。发送器的其它组件，如电容器和振荡器未知。每一个线圈都包括沿相同方向缠绕的电导体，线圈4A-4C轴线彼此正交取向。随着可变量的电流经过线圈4A-4C，它们生成强度和方向可变的磁场。根据计算，通过任何两个线圈生成的磁场总是在远场彼此离开多于53°来取向。这意指在空中的任何指定点，可以使用矢量求和来达到希望的合成磁场强度和取向。另一解释是，每一个线圈都充当作为矢量的偶极子。三个矢量(具有可变幅度)的叠加允许合成总偶极子矢量指向任何方向。
图7中示出了图4B在三维下的模拟，其提供了其中通过发送器22的三个相互正交发送器线圈生成磁场线的限定空间V(在该实施例中，立方体)的等角视图。目标接收器线圈21设置在该限定空间V的中间。在这个实施例中，接收器线圈21的轴线与限定空间V的对角线共线。分别具有沿X、Y以及Z方向的轴线的发送器线圈中的每一个都以相同电流(ix＝iy＝iz)运行。主要合成磁场线由此指向该限定空间V的斜对角。这精确为将最大化向接收器线圈21传送的电力的取向。
仍参照图7，还可以使用次要磁场线，即，更弯曲的线，来发送电力。这些线通常小于更直的极线的一半强度。另外，用于使用次要磁场线来发送电力的计算变得更复杂。尽管如此，一种可能性是，当限定空间中存在许多接收器(即，目标对象)时可以有用。
为在目标对象处创建更强磁场，可以在限定空间V中安装更多发送器。图8到11例证了这样一种布置结构，其中，一对电力发送器22和24设置在立方限定空间V的对角地相对的角部中。限定空间V中的多个发送器(每一个均具有两个或更多个发送器线圈)的布置可以通过预期目标对象的最常见方位和取向来最优化。然而，应当清楚，图8-11中例示的能力可以只利用单个三线圈发送器来实现。
图8是其中通过两个发送器22和24生成磁场线的限定空间V的等角视图，每一个发送器都包括一组三个相互正交线圈，放置在限定空间V的对角地相对的角部并按通过相长干扰来加强限定空间V内的磁场的方式操作。
图9是图8所描绘的磁场线的X-Y平面图。磁场线56沿限定空间V的对角线设置。
图10是在将两个发送器22和24的Z轴线圈断开、X轴线圈接通，而Y轴线圈以相对于X轴线圈的180°相移接通时所生成的磁场线的X-Y平面图。图10是图4C的三维模拟。该结果是磁场线58，其已经相对于在图9中看到的对角磁场线56旋转90°。
图11是其中通过两个发送器22和24生成磁场线的限定空间V的等角视图，这两个发送器按该合成磁场在该限定空间内具有其中磁通量因相消干扰而为零的区域的方式放置并操作。图11例示了单个发送器不能实现的某事：黑斑(black spotting)。在图11中描绘的情况下，该对发送器22和24彼此相对，由此在中部生成因相消干扰而具有零磁通量的区域。该区域被称作“黑斑”，因为设置在该区域中的接收器线圈不接收电力，而任何其它点中的接收器可以接收电力。黑斑可以通过简单改变一个发送器Tx1相对于另一发送器Tx2的强度(例如，Tx1通量的强度随着相距Tx1的距离减小而变得更强，而Tx2通量的强度变得更弱，反之亦然)而沿对角线位移。一般来说，可以使用和如上所述相同的算法，但适于计算在向发送器线圈提供电流时将生成黑斑的幅度和相位角：(1)确定目标接收器线圈的位置；(2)计算针对所述多个发送器在该位置相交的每一个磁场的单位矢量；以及(3)计算针对在该位置将生成零通量的每一个矢量的幅度。
根据另选实施方式，用于无线供电电动机的黑斑可以通过确保在该指定位置，创建不对准目标接收器线圈的轴线的磁场来创建。这种方法还与一些耗能对象一起工作。
根据另一实施方式，可以应用数学方法，以计算用于在一个位置对装置进行供电而在另一位置生成黑斑的发送器电流幅度和相位角。该构思将参照图12进行说明，其示出了其中设置有两个发送器22、24和两个接收器23、25的限定空间V。每一个发送器22、24都包括三个相互正交线圈；每一个接收器23、25都包括单个接收器线圈。
在图12中描绘的情况下，发送器22处于位置x1，而发送器24处于位置x2。(粗体字指示矢量)。每一个发送器都充当磁偶极子，m1或m2，具有可变幅度和方向。可以将每一个偶极子描述为三个正交偶极子矢量的和，例如：
Figure GDA0002127820070000111
在典型实施方式中，可以控制通过选择流过发送器的每一个线圈的电流来控制值mx1、my1，以及mz1。
在图12所示情况下，假定其中通常希望磁场BA供电接收器的位置r1。假定还存在其中想要生成磁场BB的位置r2。因为在r1和r2处的磁场是来自两个发送器偶极子的磁场矢量的和，所以可以将该希望磁场描述如下：
B(r1)＝BA＝B1(r1)+B2(r1) (2)
和
B(r2)＝BB＝B1(r2)+B2(r2) (3)
其中，磁场B1和B2分别通过偶极子m1和m2生成。这些磁场可以计算如下：
B(r1)＝f(m1,r1–x1)+f(m2,r1–x2) (4)
B(r2)＝f(m1,r2–x1)+f(m2,r2–x2) (5)
其中，f(m,r)是计算在位置r处相对于偶极子m的磁场矢量的函数：
Figure GDA0002127820070000121
来自任何偶极子的磁场强度线性地与偶极子幅度成比例，这样，可以将方程(4)和(5)展开，以示出每一个磁场分量，作为偶极子分量的线性组合：
BAx(r1)＝a11m1x+a12m1y+a13m1z+a14m2x+a15m2y+a16m2z (6)
BAy(r1)＝a21m1x+a22m1y+a23m1z+a24m2x+a25m2y+a26m2z
BAz(r1)＝a31m1x+a32m1y+a33m1z+a34m2x+a35m2y+a36m2z
BBx(r2)＝a41m1x+a42m1y+a43m1z+a44m2x+a45m2y+a46m2z
BBy(r2)＝a51m1x+a52m1y+a53m1z+a54m2x+a55m2y+a56m2z
BBz(r2)＝a61m1x+a62m1y+a63m1z+a64m2x+a65m2y+a66m2z
其中，根据函数f计算矩阵系数a11、a12等。(如果该计算使用具有处于偶极子m的中心的原点和平行于偶极子矢量的z轴，则计算函数f相对简单。接着，给出“偶极子纬度”，即，90°减m与r之间的角度，可以存储一组无量纲场强，在需要时查寻它们，并且与m/r3成比例地比例化它们，以得到实际场值B(r))。
这六个方程具有六个未知数：偶极子分量m1x、m1y、m1z、m2x、m2y以及m2z。因此，可以求解方程(7)，以找到偶极子值。如果设置BB＝0，则可以找到磁偶极子值，其在位置r1驱动装置，而在位置r2赋予零磁场(即，黑斑)。已知线圈参数(例如，线圈直径、线圈长度、匝数、任何高导磁率材料的导磁率)，可以计算为生成那些磁偶极子值所需的电流。
图12所示实施例假定，系统设计者想要指定两个位置中的每一个位置处的全部三个磁场分量。在一些实施方式中，系统设计者宁愿指定两个或三个位置中的每一个位置处的一个磁场分量。例如，工作区可以包含一个或更多个平坦导电材料片。系统设计者可能希望垂直于该表面的磁场为零，以使不感应涡电流。如前所述，假定其中磁场BA被希望用于供电装置的位置r1。与以前不同的是，在这个实施例中，对于磁场来说，目标是在三个位置ri处沿不同方向vi具有零分量：在位置r2处沿方向v2、在位置r3处沿方向v3，以及在位置处r4沿方向v4。这组条件可以被写为：
BAx(r1)＝a11m1x+a12m1y+a13m1z+a14m2x+a15m2y+a16m2z (7)
BAy(r1)＝a21m1x+a22m1y+a23m1z+a24m2x+a25m2y+a26m2z
BAz(r1)＝a31m1x+a32m1y+a33m1z+a34m2x+a35m2y+a36m2z
Bv2(r2)＝b41m1x+b42m1y+b43m1z+b44m2x+b45m2y+b46m2z
Bv3(r3)＝c51m1x+c52m1y+c53m1z+c54m2x+c55m2y+c56m2z
Bv4(r4)＝d61m1x+d62m1y+d63m1z+d64m2x+d65m2y+d66m2z
其中，Bvi是沿vi方向的磁场分量，并且其中，系数bmn、cmn以及dmn根据函数f计算，而且通常不同于amn。在这个实施例中，设置每一个Bvi＝0。
对于其它应用来说，可以将那些Bvi设置成不同值。可以在六个方位中的每一个处在选定方向vi上控制磁场，假设垂直于每一个方位处的vi的场分量不受关注。因为谐振感应耦合取决于平行于接收线圈的轴线的磁场强度，所以两个3-D发送器可以向多达六个装置供电。(而且，一个3-D发送器可以供电三个装置，或者两个装置和一个黑斑，反之亦然)。对于每一个发送线圈可以处理多少电流和不同取向接收器线圈彼此有多靠近来说，存在实际限制，但数学是相当概括的。
另选实施方式
除在限定空间中利用多个发送器来更有效地向目标传送能量外，其它另选实施方式处于在此公开的宽泛构思的范围内。
迄今讨论的实施方式使用磁场干扰来引导磁场。在另选实施方式中，该磁场可以通过机械地瞄准单个线圈以在目标处生成正确的场取向，而被引导至希望位置。图13是其中磁场线通过安装在用于改变发送器线圈26的取向的机械装置(图13中未示出)上的单个发送器线圈26来生成的限定空间V的等角视图。如图14中描绘，机械装置可以包括双轴万向节组60，其中，发送器线圈26的方位角和仰角可以利用相应致动器62和64来改变。致动器62和64的操作可以根据发送器线圈26的方位角和仰角，通过微控制器50来控制，所述方位角和仰角可以通过微控制器50基于要被无线供电的电气装置的位置来计算。
图13和14中描绘的致动发送器线圈系统需要一致地工作的致动器，从而可以增加组件和维护成本。然而，其在磁干扰不是选项的应用中，或者在发送器线圈重但致动器系统轻时有用。为在长范围下驱动相当强力的三相电动机，这三个发送器线圈中的每一个(参见图6)必须相当大且重。如果该电动机应用不需要电力发送器非常快速地重新取向磁场或者在高重力下工作，则可以利用一对一盎司致动器(one-ounce actuator)来操纵一个发送器线圈。
图6中描绘的三线圈发送器22有用于说明将谐振感应耦合用于无线供电电气装置，但其不是最佳设计，因为其不表示单个可操纵偶极子。这意指接收器变得越靠近发送器22，控制就越不直接。事实上，这可以在图7中看出，其包括靠近发送器22的非故意固有黑斑。
图15例示了与图6所示设计相比的具有改进设计的发送器28。该另选实施方式中的发送器28包括下列组件：具有平行于z方向的轴线的z轴发送器线圈30；具有平行于x方向的轴线并且设置在z轴发送器线圈30的相反两侧上的第一和第二x轴发送器线圈34a和34b；以及具有平行于y方向的轴线并且设置在z轴发送器线圈30的相反两侧上的、分别处于第一和第二x轴发送器线圈34a和34b之上和之下的第一和第二y轴发送器线圈32a和32b。所有组件线圈共有同一中心，这导致更靠近的远场，简化控制并允许接收器变得更靠近发送器。在设计电路以实现希望谐振频率方面，必须考虑x和y轴组件的电感因每一个组件中的不同数量的线圈而不同于z轴组件的电感的事实。按相同方式，当调节进入发送器的电力时，该系统应当被设计成，发送1X电力至z轴发送器线圈30，而将1/2X电力发送至第一和第二x轴发送器线圈34a和34b中的每一个以及第一和第二y轴发送器线圈32a和32b中的每一个。
利用同一磁场操纵构思但更简单的算法，可以提供一种用于无线电力传输的系统，以供诸如汽车、公共汽车以及飞机的交通工具使用。例如，汽车通常并入遍布该汽车分布的大量小电动机。
图16是表示汽车38的正视图的图，该汽车并入风挡雨刮器电动机40、后视镜电动机42、后备箱电动机/电磁铁44、以及用于改变座位50的配置的座位电动机48。这些电动机中的每一个都可以采取被设计成借助于并入汽车38中的三维发送器46来无线供电的电动机形式。
这些电动机中的大部分(有时风挡雨刮器电动机40除外)不同时操作。由此足够的是，将单个(如期望的话，多个)3-D发送器46放置在可以无线供电和换向这些小型电动机的汽车的中心。因为这些更小的电动机没有严格的安全性，所以该电动机架构可以充当现场测试网关。为消除针对到这些电动机的所有物理导线的需要，驾驶员用来命令电动机的按钮可以是能量收集按钮，其使用人推能量来向3-D发送器模块发送无线信号。
在汽车中包括这种无线电力传输系统的益处包括如下：(1)因为导线束不必蠕行通过整个车辆，并且需要更少的孔，所以缩减了组装时间；(2)更轻的重量；以及(3)钻取更少的孔，以致成本更少并且结构完整性更高。目前来说，必须将孔钻入汽车框架和门中，以馈送用于后视镜和窗户滑动电动机的电力线。
因为不同无线供电电动机的方位和取向相对于3-D发送器46固定，所以不必设置用于监测被供电的电动机的位置的有源装置。单位矢量、针对每一个矢量分量的幅度以及频率全部可以驻留于ROM查寻表中。
根据上面公开的一些实施方式，使用磁场叠加来控制特定方位处的磁场的取向。发送器线圈的正交布置结构确保接收器可以在3-D空间中的任何点处具有任何希望合成磁场，其允许目标对象即使在移动的同时也一直仍保持可操作。在此公开的无线电力传输系统在应用方面不限于其中固定发送器仅发送固定磁场的情况，该情况需要接收器按方位和取向固定。对于一般无线电力工业来说，在此公开的系统允许在运送无线供电装置的同时自由移动。
磁场操纵可以结合频率分化来使用，以创建双滤器。还可以更精确地控制磁场取向，并因此减小甚或消除对于频率分化的需要。这允许系统占用更窄频带，因此，减小与周围区域中的其它无线系统之间的干扰。
赤道场(如图2所示)在任何指定距离最弱。极场(如图1中的接收器线圈6A的位置所示)有两倍强。使用磁场叠加(如图4A和7所示)几乎总是将接收器放置在相对于发送器的极方位中，这样，电力传送比图2中描绘的现有系统更有效。
利用黑斑化，可以减小与已知位置处的对象之间的干扰，由此，进一步改进频带占用。另外，黑斑化可以帮助确保非故意对象没有与发送器耦合。这有益于安全和传输效率。
当在工厂场地或飞机内部利用无线电力时，成为非故意耦合到无线链接中的对象存在约束。在最佳情况下，这导致能量在这些对象中不必要地消耗。在最坏情况下，这可以因浪费能量通常变成热而造成安全问题，其可以导致材料腐蚀和燃烧。上文中公开的“黑斑化”特征可以防止这个发生。
虽然参照不同实施方式对本装置和方法进行了详细描述，但本领域技术人员应当明白，在不脱离在此的教导的情况下，可以进行各种改变，并且其部件可以用等同物替代。另外，可以进行许多修改，以使有关在此公开的实践的构思和简化适应特殊情况。因此，意图是，被权利要求书覆盖的主旨不限于所公开实施方式。
如在本权利要求书中使用的，术语“计算机系统”应当被宽泛地视为涵盖具有至少一个计算机或处理器的系统，并且其可以具有多个计算机或处理器。如在前述句子中使用的，术语“计算机”和“处理器”都指具有处理单元(例如，中央处理单元)和用于存储可通过该处理单元读取的程序的某一形式的存储器(即，计算机可读介质)的装置。例如，图3所示的微控制器50在前述定义下说成计算机系统。如在此使用的，术语“微控制器”指有关包含处理器核心、存储器以及可编程输入/输出外围设备的集成电路上的小型计算机。
另外，随附的方法权利要求不应被视为需要按字母表次序(权利要求书中的任何字母排序仅用于引用先前陈述步骤的目的)或者按陈述它们的次序执行在此陈述的步骤。它们不应被视为排除同时或交替执行两个或更多个步骤中的任何步骤。
如在权利要求书中使用的，术语“位置”包括方位和取向。
与用于提供具有一幅度的电流的装置相对应的结构(如在权利要求书中陈述的)包括与如图3中描绘的变频驱动器组合的功率调节器，或者与可变功率放大器组合的变频信号发生器，及其等同物。

Claims (12)

1.一种用于向电气装置无线传输电力的方法，该方法包括以下步骤：
设置具有至少两个发送器线圈的发送器，所述至少两个发送器线圈相对于彼此按固定方位和取向布置；
相对于包含具有第一接收器线圈的第一电气装置的空间来定位所述发送器；
确定所述第一电气装置的所述第一接收器线圈的轴线相对于所述发送器的参照系的取向；
至少部分地基于所述第一电气装置的所述第一接收器线圈的所述轴线的所述取向而计算关于将向所述发送器的相应发送器线圈提供的相应交流电流的幅度和频率，所计算的幅度和频率被计算为使得，当被提供给所述发送器的相应发送器线圈时，产生第一合成磁场，所述第一合成磁场具有沿所述第一电气装置的所述第一接收器线圈的所述轴线定位的磁场线；以及
在第一时间向所述发送器的相应发送器线圈提供相应交流电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电气装置的所述第一接收器线圈的所述轴线不与任何所述发送器线圈的轴线共线。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发送器的所述发送器线圈相互正交。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述第一电气装置的所述第一接收器线圈的所述轴线的取向的所述步骤包括以下步骤：
在空间中创建按每一个坐标和每一个取向的局部磁场；以及
检测所述发送器中的能量的减少。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述第一电气装置的所述第一接收器线圈的所述轴线的取向的所述步骤包括以下步骤：
扫描提供给每一个发送器线圈的相应电力的比率；以及
检测所述发送器中的耗用功率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述空间包含第二电气装置，所述第二电气装置具有接收器线圈并且具有与所述第一电气装置的位置不同的位置，所述方法还包括以下步骤：向所述发送器的相应发送器线圈提供相应交流电流，这些相应发送器线圈在不同于所述第一时间的第二时间产生第二合成磁场，所述第二合成磁场具有沿所述第二电气装置的所述接收器线圈的轴线定位的磁场线。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
在所述第一时间之前，从查寻表检索与所述第一合成磁场相关联的单位矢量和幅度；以及
在所述第二时间之前，从所述查寻表检索与所述第二合成磁场相关联的单位矢量和幅度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电气装置具有第二接收器线圈，所述第二接收器线圈具有与所述第一接收器线圈的所述轴线不同的轴线，所述方法还包括以下步骤：向所述发送器的相应发送器线圈提供相应交流电流，这些相应发送器线圈在不同于所述第一时间的第二时间产生第二合成磁场，所述第二合成磁场具有沿所述第一电气装置的所述第二接收器线圈的所述轴线定位的磁场线。
9.一种用于无线电力传输的系统，该系统包括：
具有轴线的接收器线圈；
第一发送器线圈组件、第二发送器线圈组件以及第三发送器线圈组件；
计算机系统，该计算机系统被编程为：确定所述接收器线圈的轴线相对于所述第一发送器线圈组件、所述第二发送器线圈组件以及所述第三发送器线圈组件的参照系的取向，并且然后至少部分地基于所述接收器线圈的所述轴线的所述取向而计算要提供给所述第一发送器线圈组件、所述第二发送器线圈组件以及所述第三发送器线圈组件的相应交流电流的相应幅度和频率，所计算的幅度和频率被计算为使得，当被提供给所述第一发送器线圈组件、所述第二发送器线圈组件以及所述第三发送器线圈组件时，生成具有沿所述接收器线圈的所述轴线定位的磁场线的合成磁场；
功率调节器，该功率调节器从所述计算机系统接收代表相应的所计算的幅度的幅度命令，并且输出具有那些相应的所计算的幅度的相应直流电流；以及
变频驱动电路，该变频驱动电路从所述计算机系统接收代表相应的所计算的频率的频率命令并且从所述功率调节器接收相应直流电流，将各个直流电流转换为具有相应的所计算的频率的相应交流电流，并且分别向所述第一发送器线圈组件、所述第二发送器线圈组件以及所述第三发送器线圈组件提供具有所述相应的所计算的幅度和所计算的频率的所述相应交流电流。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一发送器线圈组件、所述第二发送器线圈组件以及所述第三发送器线圈组件中的每一个都包括相应发送器线圈。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一发送器线圈组件包括第一发送器线圈，所述第二发送器线圈组件包括相互平行的第二发送器线圈和第三发送器线圈，并且所述第三发送器线圈组件包括相互平行的第四发送器线圈和第五发送器线圈，所述第二发送器线圈和所述第三发送器线圈设置在所述第一发送器线圈的相反两侧，所述第四发送器线圈和所述第五发送器线圈设置在所述第一发送器线圈的相反两侧并且分别位于所述第二发送器线圈和所述第三发送器线圈上方和下方。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述接收器线圈是电动机的绕组。
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