CN106972642A - 无线能量转移转换器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及无线能量转移转换器。本文描述用于无线功率转换器的改进的配置，所述无线功率转换器包括：至少一个接收磁谐振器，其配置成捕获通过以第一多个参数为特征的第一振荡磁场无线地接收的电能；以及至少一个转移磁谐振器，其配置成产生以不同于所述第一多个参数的第二多个参数为特征的第二振荡磁场，其中来自所述至少一个接收磁谐振器的所述电能用于激励所述至少一个转移磁谐振器以产生所述第二振荡磁场。
Description
本申请是国家申请号为201180021367.6，申请日为2011年3月10日，发明名称为“无线能量转移转换器”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求下列申请的优先权：2011年2月7日提交的美国专利申请No.13/021,965、2011年1月6日提交的美国专利申请No.12/986,018、2010年5月28日提交的美国专利申请No.12/789,611、2010年4月29日提交的美国专利申请No.12/770,137、2010年4月26日提交的美国申请号12/767,633、2010年4月13日提交的美国申请号12/759,047、2010年4月9日提交的美国申请号12/757,716、2010年3月30日提交的美国申请号12/749,571、2010年3月10日提交的美国申请号12/721,118、2010年3月10日提交的美国专利申请No.12/720,866、以及2010年4月20日提交的美国专利申请No.61/326,051，其中每个申请通过引用被全部并入本文。
背景
领域：
本公开涉及无线能量转移、实现这样的转移的方法、系统和装置、以及应用。
相关领域的描述
使用如在例如在下列专利申请中详述的各种技术可无线地转移能量或功率：共同拥有的于2010年9月23日被公布为美国专利公布No.2010/0237709且标题为“RESONATORARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER”的美国专利申请No.12/789,611以及于2010年7月22日被公布为美国专利公布No.2010/0181843且标题为“WIRELESS ENERGY TRANSFERFOR REFRIGERATOR APPLICATION”的美国专利申请No.12/722,050，这两个专利申请的内容被全部并入，好像在本文充分阐述的一样。现有技术能量转移系统被各种因素限制，这些因素包括对用户安全的忧虑、低能量转移效率以及对能量供应和散热器部件的限制的物理接近度/对准容差。
概述
除非另外指示，本公开可互换地使用术语“无线能量转移”、“无线功率转移”、“无线功率传输”等。本领域技术人员将理解，各种系统架构可由在本申请中描述的各种各样的无线系统设计和功能支持。
在本文所述的无线能量转移系统中，可以在至少两个谐振器之间无线地交换功率。谐振器可供应、接收、保持、转移和分配能量。无线功率的源可以称为源或电源，而无线功率的接收机可以称为设备、接收机和电力负载。谐振器可以是源、设备或同时两者，或可以按被控制的方式从一种功能到另一功能变化。配置成保持或分配能量的没有到电力供应或电力消耗的有线连接的谐振器可以称为中继器。
本发明的无线能量转移系统的谐振器能够在与谐振器本身的尺寸相比大的距离上转移功率。也就是说，如果谐振器尺寸以可包围谐振器结构的最小球体的半径为特征，则本发明的无线能量转移系统可在比谐振器的特征尺寸大的距离上转移功率。系统能够在谐振器之间交换能量，其中谐振器具有不同的特征尺寸，且其中谐振器的电感元件具有不同的尺寸、不同的形状，由不同的材料组成，等等。
可将本发明的无线能量转移系统描述为具有耦合区、激励区域或容积，都通过描述能量可在彼此分开的谐振物体之间转移，它们具有离彼此可变的距离，并可相对于彼此移动。在一些实施方案中，能量可被转移的区域或容积称为有源场区域或容积。此外，无线能量转移系统可包括多于两个的谐振器，每个谐振器可耦合到电源、电力负载、两者或都不耦合到两者。
无线地供应的能量可用于给电气或电子部件供电、给电池再充电或给能量储存单元充电。多个设备可被同时充电或供电，或到多个设备的功率输送可被连续化，使得一个或多个设备在一段时间内接收功率，在这段时间之后，功率输送可切换到其它设备。在各种实施方案中，多个设备可以同时地、或以时间复用的方式、或以频率复用的方式、或以空间复用的方式、或以方位复用的方式、或以时间和频率和空间和方位复用的任何组合与一个或多个其它设备共享来自一个或多个源的功率。多个设备可与彼此、与被配置成连续地、间歇地、周期性地、偶然地或暂时地作为无线电源操作的至少一个设备共享功率。本领域技术人员将理解，存在给可适用于本文所述的技术和应用的设备供电和/或充电的各种方式。
在实施方案中，无线功率转移系统可具有包括至少一个接收磁谐振器的无线功率转换器，该接收磁谐振器配置成捕获通过以第一多个参数为特征的第一振荡磁场无线地接收的电能。转换器也可具有配置成产生以不同于第一多个参数的第二多个参数为特征的第二振荡磁场的至少一个转移磁谐振器，其中来自至少一个接收磁谐振器的电能用于激励至少一个转移磁谐振器以产生第二振荡磁场。在实施方案中，第一多个参数可包括与第二多个参数的第二频率不同的第一频率，且第一频率可以大约是第二频率的整数倍。在其它实施方案中，第一多个参数可包括与第二多个参数的第二幅值不同的第一幅值。第一多个参数还可包括与第二多个参数的第二频率跳变序列不同的第一频率跳变序列，同样，第一多个参数可包括与第二多个参数的第二接通/断开序列不同的第一接通/断开序列。
在其它实施方案中，无线功率转移系统可包括配置成产生以第一多个参数为特征的第一振荡磁场的源谐振器和配置成捕获通过以不同于第一多个参数的第二多个参数为特征的第二振荡磁场无线地接收的电能的设备谐振器。在系统中，包括转换电路的无线功率转换器可配置成和用于捕获来自第二振荡磁场的能量并激励源谐振器以产生第一振荡磁场。在实施方案中，第一多个参数可包括与第二多个参数的第二频率不同的第一频率，且第一频率可以大约是第二频率的整数倍。在其它实施方案中，第一多个参数可包括与第二多个参数的第二幅值不同的第一幅值。第一多个参数还可包括与第二多个参数的第二频率跳变序列不同的第一频率跳变序列，同样，第一多个参数可包括与第二多个参数的第二接通/断开序列不同的第一接通/断开序列。
在其它实施方案中，无线功率转换器可用于通过提供可配置的磁振荡器、调谐可配置的磁谐振器以捕获以第一多个参数为特征的第一振荡磁场、将振荡磁场转换成电能、将电能存储为在能量储存元件中所存储的能量、调谐可配置的磁谐振器以产生以第二多个参数为特征的第二振荡磁场、并使用所存储的能量激励可配置的磁谐振器以产生第二振荡磁场来进行转换。
在其它实施方案中，用于无线功率传输的谐振器可包括形成一个或多个回路并具有电感L的电感器、具有电容C和期望电参数、耦合到电感器的电容器的网络，该网络具有第一类型的至少一个电容器，其具有电参数的第一温度分布，且该网络具有第二类型的至少一个电容器，其具有电参数的第二温度分布。第一类型的电容器的第一温度分布可与第二类型的电容器的第二温度分布互补，使得存在由于温度变化引起的比当只有一种类型的电容器被使用时小的在网络的电参数中的变化。在实施方案中，这些参数可被选择成使得存在由于温度变化引起的在电参数中的实质上为零的变化。在实施方案中，电参数可以是电容、电阻、电感等。
在实施方案中，用于无线功率传输的谐振器可包括形成一个或多个回路的电感器、对电参数有不同的温度分布的两种或更多种类型的电气部件，电气部件形成连接到所述电感器的网络，其中电气部件布置成使得部件的温度分布是互补的，且存在由于温度变化引起的比当只有一种类型的电容器被使用时小的在网络的电参数中的变化。在实施方案中，这些参数可被选择成使得存在由于温度变化引起的在电参数中的实质上为零的变化。在实施方案中，电参数可以是电容、电阻、电感等。
在实施方案中，无线功率转移可包括耦合到电源并产生振荡磁场的源高Q磁谐振器、配置成将振荡磁场转换成用于给耦合到至少一个设备谐振器的灯供电的电能的至少一个设备高Q磁谐振器、以及比设备谐振器大的至少一个中继器谐振器。中继器谐振器可位于离源谐振器比离设备谐振器更远处，以提高源谐振器和设备谐振器之间的功率转移效率。系统可用于从安装在墙上的源给实质上在橱柜下的灯无线地供电，中继器谐振器位于设备谐振器之上的橱柜内部。在实施方案中，源谐振器和设备谐振器可以隔开10cm或更多，或20cm或更多，等等。源谐振器和设备谐振器可被调谐到实质上相同的谐振频率。
在实施方案中，用于无线功率传输的谐振器可包括形成高Q谐振器的至少一个回路的电感器、电耦合到电感器的电容部分、以及电耦合到电感器的供电和控制电路。供电和控制电路可提供一个或多个操作模式，且供电和控制电路选择高Q谐振器如何接收并产生振荡磁场。两个或更多个操作模式可包括中继器操作模式，其中高Q谐振器用于从源无线地接收功率，并将功率无线地发送到接收机。两个或更多个操作模式可包括源操作模式，其中高Q谐振器用于产生磁场。两个或更多个操作模式可包括设备操作模式，其中高Q谐振器用于将振荡磁场转换成电能。
在实施方案中，可通过提供在高Q谐振器的至少一个回路处形成的导体、提供电耦合到导体的电容部分、提供电耦合到导体的供电和控制电路、测量高Q谐振器的一个或多个部件的一个或多个操作参数、并基于一个或多个操作参数选择供电和控制电路的多个操作模式之一来操作谐振器。多个操作模式可包括中继器操作模式，其中高Q谐振器用于从源无线地接收功率，并将功率无线地发送到接收机。多个操作模式可包括源操作模式，其中高Q谐振器用于产生磁场。多个操作模式可包括设备操作模式，其中高Q谐振器用于将振荡磁场转换成电能。谐振器还可包括可在中继器或设备操作模式期间充电的电池。
在另一实施方案中，一些谐振器可具有外壳，其包括支撑板、比谐振器的尺寸大并位于支撑板的一侧上的良导体薄片、用于维持谐振器和良导体薄片之间的间距的分隔件、以及覆盖谐振器、分隔件、良导体薄片并连接到支撑板的无损材料的盖。导体薄片可以是铜、铝等。良导体薄片可以在所有侧面上超过谐振器的尺寸至少1cm或至少2cm或更多。
在又一实施方案中，用于无线功率转移的谐振器可包括具有沿着轴的长度的磁性材料和缠绕在磁性材料周围以绕着轴形成多个回路的第一导体，多个回路具有在磁性材料上的跨距，其中长度是平行于由多个回路产生的偶极矩的磁性材料的最大尺寸，且多个回路的跨距是长度的大约一半。谐振器可包括耦合到导体的一个或多个电容器或电感器。在一些实施方案中，谐振器的谐振频率可以由这些电容器调谐。
在本文公开的系统的实施方案包括：源谐振器，其包括配置成产生振荡磁场的至少一个高Q磁谐振器，源谐振器位于离具有设备谐振器的车辆一段距离处；以及定位系统，其提供关于源谐振器和设备谐振器的相对对准的信息。
定位系统可包括适合于显示关于与车辆的操作员的相对对准的信息的显示器。定位系统可包括摄像机。定位系统可使用机器视觉。
定位系统可测量源谐振器中的电流。定位系统可测量源谐振器中的电流的相位。定位系统可测量源谐振器中的电压。定位系统可测量源谐振器中的电压的相位。定位系统可包括一个或多个传感器以探测在源谐振器或设备谐振器附近的外来物体。当外来物体被探测到时，源谐振器可减小输出功率。
定位系统可包括配置成将源谐振器移动成与设备谐振器处于期望对准的一个或多个机械致动器。定位系统可包括配置成将设备谐振器移动成与源谐振器处于期望对准的一个或多个机械致动器。
定位系统可耦合到车辆的控制系统，并可配置成向控制系统提供控制信号用于车辆的自动定位。
源谐振器和设备谐振器每个具有品质因数Q>100。
本文公开的系统包括包括：源谐振器，其包括配置成产生振荡磁场的至少一个源高Q磁谐振器，源谐振器位于离车辆一段距离处；以及连接到车辆的设备谐振器，设备谐振器包括配置成当源谐振器和设备谐振器处于期望对准中时通过振荡磁场接收功率的至少一个设备高Q磁谐振器，其中源谐振器和设备谐振器依尺寸制造并定向成实质上将无线功率转移效率维持在偏离期望对准的未对准的范围内。
源谐振器可以比设备谐振器大。源谐振器可以比设备谐振器大35％。源谐振器和设备谐振器可每个包括缠绕在磁性材料的至少一个轴周围的导体，且其中当源谐振器和设备谐振器处于期望对准中时，源谐振器和设备谐振器中的每个的偶极矩可与车辆的最长尺寸对准。设备谐振器可集成到车辆的凹进部分中。设备谐振器可包括有源温度控制装置。
有源温度控制装置可耦合到车辆的冷却系统以提供设备谐振器的可控制的冷却。有源温度控制装置可耦合到车辆的加热系统以提供设备谐振器的可控制的加热。
设备谐振器和源谐振器可每个具有品质因数Q>100。
在另一方面，系统的实施方案可包括包含被电互连和布置在阵列中的多个谐振器以形成用于无线功率转移的复合谐振器的装置，多个谐振器中的每个包括磁性材料块，其具有缠绕在其横截面周围以形成包围实质上等于该横截面的区域的至少一个回路的导体电线，其中多个谐振器定向成使得多个谐振器中的每个的偶极矩与多个谐振器中的每个其它谐振器的偶极矩对准。装置还可包括布置在阵列中的第二多个谐振器，第二多个谐振器可每个具有与第二多个谐振器中的每个其它谐振器的第二偶极矩对准的第二偶极矩。在另一方面，装置还可包括布置在阵列中的第二多个谐振器，第二多个谐振器在与第一多个谐振器分离的电路中电连接到彼此。装置可包括至少一个磁性材料块，而没有在复合谐振器内的缠绕的导体。在阵列中的多个谐振器的相邻谐振器之间的间隔可以小于阵列的宽度、高度和长度中的最大者的10％。
在又一方面，系统的实施方案可包括用于无线功率转移的装置，其包括布置在阵列中的多个磁性材料块以及多个导体电线，多个导体电线中的每个缠绕在多个块中的至少一个周围以绕着其形成回路，从而形成多个谐振器，其中多个谐振器电连接到彼此并以平行的偶极矩定向。多个谐振器可以在空间上彼此被多个间隙分开。装置可包括多个供电和控制电路，多个供电和控制电路中的每个电连接到多个谐振器中的不同的谐振器。每个谐振器还可包括电连接到阵列的用于设定装置的谐振频率和阻抗的至少两个电容器。
在本发明的再一个方面中，设想集成的磁谐振器和护罩结构，其可包括具有第一侧和第二侧的电导体薄片、覆盖导体薄片的第一侧的区域的磁性材料块；以及多个导体电线段，每个导体电线段具有第一端和第二端，其中电线段的端部在导体薄片的第一侧上的点之间的磁性材料块上布线。在结构的一些实施方案中，每个导体电线段可以不完全缠绕在磁性材料块的所有侧周围，且导体薄片的最大尺寸可以比磁性材料块的最大尺寸大。导体薄片可包括多个单独的隔离的导体段，且在一些实施方案中，隔离的导体段可被成形为电连接不同的所述导体电线段。在其它实施方案中，隔离的导体段可被成形为串联地连接导体电线段中的至少两个，且导体段可被成形为形成围绕磁性材料块的路径并实质上被限制到导体薄片的没有被磁性材料块叠盖的区域。导体段可依尺寸制造、成形和互连，以便在谐振器的操作期间使电流分布在所有导体段中实质上相等。此外，结构的导体薄片可包括被磁性材料块叠盖的区域的相当大一部分的切口。在一些实施方案中，结构的磁性材料块可被成形为具有通过导体薄片中的所述切口可进入的凹进腔，允许放置供电和控制电路。此外，导体电线段可布置成实质上彼此平行。在一些实施方案中，一些导体电线段可布置成实质上不平行，以产生具有多于一个的磁偶极矩的结构。导体段可被制造在印刷电路板上，导体电线段可包括辫编线(Litz wire)。结构的导体电线段和导体护罩可在柔性电路上形成并成形为接收磁性材料块。
在本发明的又一方面中，设想集成的磁谐振器和护罩结构，其可包括电导体薄片、位于导体薄片的第一侧上的叠盖并覆盖导体薄片的区域的磁性材料块；以及多个导体电线段，其中所述电线段的端部耦合在导体薄片的不同点处，且所述导体电线段在磁性材料块上布线，且其中导体护罩在所述谐振器的操作期间用作导体电线段的电流路径。
在实施方案中，谐振器的磁性材料瓦片可布置成最小化实质上垂直于谐振器的偶极矩的瓦片接缝或接合处的数量。在另一方面，热导体可定位成与磁性材料瓦片接触并定向成实质上垂直于谐振器的偶极矩。热导体可连接到额外的散热器，散热器通过对流、传导或辐射来消散由热导体转移的热。对于包括由较小的磁性材料瓦片组成的磁性材料块的谐振器，热导体优选地定位成使得它们覆盖瓦片之间的接缝，特别是垂直于谐振器的偶极矩的接缝。
在实施方案中，在适合于无线功率传输的系统中，可提供用于驱动具有变化的阻抗的电感负载的可调谐谐振放大器电路，电路包括：具有可变占空比的开关放大器；电感负载；电感负载和开关放大器之间的连接，该连接包括至少一个可调谐部件；以及用于调节至少一个可调谐部件和放大器的占空比的反馈回路，其中反馈回路调节放大器的占空比和至少一个可调谐部件以在电感负载的不同负载条件下维持放大器的输出处的实质上零电压切换和零电流切换。至少一个可调谐部件可包括可调谐电容器。可调谐电容器可以与电感负载串联。可调谐电容器可以与电感负载并联。在电感负载和开关放大器之间的连接可包括多于一个的可调谐部件。开关放大器可使用可变开关频率。开关放大器的总线电压可以是可变的，并用于控制输送到电感负载的功率的量。反馈回路可包括阻抗测量设备。反馈回路可包括处理器，处理器配置成监测在开关放大器的输出处的阻抗并计算对开关放大器的可变占空比的调节，使得零电压切换实质上被维持。处理器可配置成计算对至少一个可调谐部件的第二调节，使得零电流切换实质上被维持。电感负载可包括高Q磁谐振器。电路可在无线功率传输系统中用作源。
在实施方案中，可提供调谐在无线功率转移设备中的放大器电路的方法，该调谐放大器电路可包括在开关放大器和具有可变阻抗的电感负载之间的连接，该方法包括下列步骤：测量在开关放大器的输出处的多个参数；调节开关放大器的占空比；以及调节在开关放大器和电感负载之间的连接中的至少一个可调谐部件，其中调节开关放大器的占空比和调节至少一个可调谐部件被控制来在电感负载的不同负载条件下维持放大器的输出处的实质上零电压切换和零电流切换。至少一个可调谐部件可包括可调谐电容器。测量多个参数可包括测量在开关放大器的输出处的阻抗。此外，计算对开关放大器的占空比的必要调节和对至少一个可调谐部件的调节可基于阻抗，以维持放大器的输出处的实质上零电压切换和实质上零电流切换。电感负载以及开关放大器和电感负载之间的连接的至少一部分可形成高Q磁振荡器。电路可在无线功率传输系统中用作源。
本公开提到某些单独的电路部件和元件，例如电容器、电感器、电阻器、二极管、变压器、开关等；这些元件作为网络、拓扑、电路等的组合；以及具有固有特征的物体，例如在整个物体中具有分布(部分地分布，与仅仅集总相反)的电容或电感的“自谐振”物体。本领域普通技术人员将理解，调节和控制电路或网络内的可变部件可调节该电路或网络的性能，以及那些调节可通常被描述为调谐、调节、匹配、校正等。调谐或调节无线功率转移系统的操作点的其它方法可被单独地使用，或加上调节可调谐部件例如电感器和电容器或电感器和电容器组。本领域技术人员将认识到，在本公开中讨论的特定拓扑可用各种其它方式实现。
除非另外规定，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。在与公布物、专利申请、专利和通过引用在本文提到或并入的其它参考资料冲突的情况下，将以本说明书(包括定义)为准。
可单独地或组合地使用上面描述的任何特征，而不偏离本公开的范围。从下面所述的描述和附图中，本文公开的系统和方法的其它特征、目的和优点将明显。
附图简述
图1是无线能量转移配置的系统方框图。
图2A-2F是简单谐振器结构的示例性结构和示意图。
图3是具有单端放大器的无线源的方框图。
图4是具有微分放大器的无线源的方框图。
图5A和5B是感测电路的方框图。
图6A、6B和6C是无线源的方框图。
图7是示出占空比对放大器的参数的影响的曲线图。
图8是具有开关放大器的无线电源的简化电路图。
图9示出无线电源的参数的变化的影响的曲线图。
图10示出无线电源的参数的变化的影响的曲线图。
图11A、11B和11C示出无线电源的参数的变化的影响的曲线图。
图12示出无线电源的参数的变化的影响的曲线图。
图13是包括具有开关放大器和无线功率设备的无线电源的无线能量转移系统的简化电路图。
图14示出无线电源的参数的变化的影响的曲线图。
图15是示出由于磁性材料瓦片之间的不规则间隔引起的可能的不均匀磁场分布的谐振器的图示。
图16是具有在磁性材料块中的瓦片的布置的谐振器，其可减少磁性材料块中的热点。
图17A是具有包括较小的单独瓦片的磁性材料块的谐振器，而图17B和17C是具有用于热管理的额外的热传导材料条的谐振器。
图18A和18B是包括中继器谐振器的谐振器配置。
图19A和19B是包括中继器谐振器的谐振器配置。
图20A是具有两个中继器谐振器的配置，图20B是具有充当中继器谐振器的设备谐振器的谐振器配置。
图21是在包括中继器谐振器的橱柜照明应用下。
图22是集成在电源插座盖中的源谐振器。
图23是谐振器外壳的分解图。
图24A是具有安装在下侧上的设备谐振器的车辆，24B是集成到垫子中的源谐振器，24C是具有集成在垫子中的设备谐振器和源谐振器的车辆，以及24D是具有安装到下侧的设备谐振器的机器人。
图25是示出由于一个陶瓷电容器的温度引起的电容变化的图。
图26A是可用于被动补偿的两个部件的电容相对于温度分布的示例性关系曲线，26B是可用于被动补偿的三个部件的电容相对于温度分布的示例性关系曲线。
图27A是示出导体的跨距的谐振器的图示，27B是具有中空隔间的谐振器的横截面。
图28A是具有包括折板的导体护罩的谐振器的等距视图，图28B是具有包括折板的导体护罩的谐振器的侧视图。
图29是利用具有桌子环境的中继器谐振器的系统的图示。
图30是利用可在多种模式中操作的谐振器的系统的图示。
图31是配置成具有多种操作模式的谐振器的供电和控制电路的电路方框图。
图32A是利用无线功率转换器的系统的配置的方框图，32B是利用也可起中继器的作用的无线功率转换器的系统的配置的方框图。
图33是示出无线功率转换器的不同配置和使用的方框图。
图34A是使用两个单独的谐振器和AC到DC转换器的无线功率转换器的方框图，34B是使用两个单独的谐振器和AC到AC转换器的无线功率转换器的方框图。
图35是利用一个谐振器的无线功率转换器的电路方框图。
图36A、36B是利用具有不同尺寸的谐振器的无线功率转换器的系统配置的电路图。
图37是示出相对的源和设备谐振器尺寸以允许车辆的横向移位或左右定位不确定性的图示。
图38A是包括单个磁性材料块的谐振器，38B、38C、38D是包括多个单独的磁性材料块的谐振器。
图39A、39B、39C是用于比较包括一个或多于一个的单独磁性材料块的谐振器之间的无线功率转移特征的谐振器配置的等距视图。
图40是包括四个单独的磁性材料块的谐振器的等距视图，每个磁性材料块使用导体被缠绕。
图41A是包括具有交错的导体绕组的两个磁性材料块的谐振器的顶视图，图41B是包括两个磁性材料块的谐振器的顶视图，这两个磁性材料块被成形为减小它们之间的间隔。
图42A具有导体护罩的谐振器的等距视图，42B是具有集成导体护罩的谐振器的实施方案的等距视图，而42C是具有带有单独的导体段的集成导体护罩的谐振器的等距视图。
图43A、43B、43C分别是集成的谐振器-护罩结构的顶视图、侧视图和前视图。
图44是集成的谐振器-护罩结构的实施方案的分解图。
图45A是具有在导体护罩上的对称导体段的集成的谐振器-护罩结构的实施方案的顶视图，45B是集成的谐振器-护罩结构的另一实施方案的等距视图。
图46A是具有在磁性材料块中的腔的集成的谐振器-护罩结构的等距视图，46B是集成的谐振器-护罩结构的导体部分的实施方案的等距视图。
图47是具有两个偶极矩的集成的谐振器-护罩结构的实施方案的等距视图。
图48是示出无线能量转移对外科机器人和病床的应用的图示。
图49是示出无线能量转移对外科机器人和病床的应用的图示。
图50A是使用无线能量转移的医疗手推车的实施方案，50B是使用无线能量转移的计算机手推车的实施方案。
详细描述
如上所述，本公开涉及使用耦合的电磁谐振器的无线能量转移。然而，这样的能量转移不限于电磁谐振器，且本文所述的无线能量转移系统是更一般的，并可使用各种谐振器和谐振物体来实现。
如本领域技术人员将认识到的，对基于谐振器的功率转移的重要考虑包括谐振器效率和谐振器耦合。例如在于2010年9月23日被公布为US 2010/0237709且标题为“RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER”的美国专利申请12/789,611以及于2010年7月22日被公布为US 2010/0181843且标题为“WIRELESS ENERGY TRANSFER FORREFRIGERATOR APPLICATION”的美国专利申请12/722,050中提供这样的问题的广泛讨论，例如耦合模式理论(CMT)、耦合系数和因子、品质因数(也称为Q因数)以及阻抗匹配，这两个申请通过引用被全部并入本文，好像在本文充分阐述的一样。
谐振器可被定义为可存储以至少两种不同的形式的能量的谐振结构，且其中所存储的能量在这两个形式之间变动。谐振结构将具有特定的振荡模式，其具有谐振(模态)频率f和谐振(模态)场。角谐振频率ω可被定义为ω＝2πf，谐振周期T可被定义为T＝1/f＝2π/ω，且谐振波长λ可被定义为λ＝c/f，其中c是相关的场波(光，例如电磁谐振器)的速度。在没有损耗机制、耦合机制或外部能量供应或消耗机制的情况下，谐振器所存储的能量的总量W将保持固定，但能量的形式将在振荡器所支持的这两种形式之间变动，其中一种形式将在另一形式最小时最大，反之亦然。
例如，谐振器可构造成使得所存储的能量的这两种形式是磁能和电能。此外，谐振器可构造成使得电场所存储的电能主要限制在结构内，而磁场所存储的磁能主要限制在围绕谐振器的区域内。换句话说，总电能和磁能将是相等的，但它们的局部化将是不同的。使用这样的结构，在至少两个结构之间的能量交换可由至少两个谐振器的谐振磁近场起媒介作用。这些类型的谐振器可称为磁谐振器。
在无线功率传输系统中使用的谐振器的重要参数是谐振器的品质因数或Q因数或Q，其表征能量衰减并与谐振器的能量损耗成反比。它可被定义为Q＝ω*W/P，其中P是在稳态损失的时间平均的功率。也就是说，具有高Q的谐振器具有相对低的固有损耗，并可存储能量相对长的时间。因为谐振器以其固有衰减率2Γ损失能量，也称为其固有Q的其Q由Q＝ω/2Γ给出。品质因数也代表振荡周期T的数量，其是谐振器中的能量衰减e-2π倍所花费的振荡周期。注意，谐振器的品质因数或固有品质因数或Q仅仅由于固有损耗机制。连接到或耦合到电力发电机的谐振器的Q、g或负载l可称为“有载品质因数”或“有载Q”。当不预期是能量转移系统的部分的外来物体不存在时的谐振器的Q可以被称为“受扰品质因数”或“受扰因数”。
通过谐振器的近场的任何部分耦合的谐振器可相互影响和交换能量。如果谐振器在实质上相同的谐振频率处操作，则该能量转移的效率可明显提高。作为例子而不是限制，想象具有Qs的源谐振器和具有Qd的设备谐振器。高Q无线能量转移系统可利用高Q谐振器。每个谐振器的Q可以很高。谐振器Q的几何平均也可以或替代地很高。
耦合因子k是在0≤|k|≤1之间的数，且它可以独立于(或几乎独立于)源谐振器和设备谐振器的谐振频率，当这些频率置于亚波长距离处时。更确切地，耦合因子k可主要由相对几何结构以及源谐振器和设备谐振器之间的距离确定，其中考虑调停它们的耦合的场的物理衰减定律。在CMT中使用的耦合系数可以是谐振频率以及谐振器结构的其它特性的强函数。在利用谐振器的近场的无线能量转移的应用中，有比谐振波长小得多的谐振器的尺寸使得通过辐射损失的功率减小是合乎需要的。在一些实施方案中，高Q谐振器是亚波长结构。在一些实施方案中，高Q谐振器结构设计成具有高于100kHz的谐振频率。在其它实施方案中，谐振频率可以小于1GHz。
在示例性实施方案中，由这些亚波长谐振器辐射到远场中的功率可进一步通过降低谐振器的谐振频率和系统的操作频率来减小。在其它实施方案中，远场辐射可通过为两个或更多个谐振器的远场作准备来减小，以破坏性地干涉远场。
在无线能量转移系统中，谐振器可用作无线能量源、无线能量捕获设备、中继器或其组合。在实施方案中，谐振器可在转移能量、接收能量或分程传递能量之间交替。在无线能量转移系统中，一个或多个磁谐振器可耦合到能量源并被激励以产生振荡磁近场。在振荡磁近场内的其它谐振器可捕获这些场，并将能量转换成可用于给负载供电或充电的电能，从而实现有用能量的无线转移。
在有用能量交换中所谓的“有用”能量是必须输送到设备以便以可接受的速率给它供电或充电的能量或功率。相应于有用能量交换的转移效率可以是系统或应用相关的。例如，转移数千瓦功率的高功率车辆充电应用可能需要至少80％有效，以便供应有用数量的功率，导致足以给车辆电池再充电的有用能量交换，而不使转移系统的各种部件明显变热。在一些消费电子设备应用中，有用能量交换可包括大于10％的任何能量转移效率，或可接受来保持可再充电的电池“注满(topped off)”并运行长时间段的任何其它数量。在移植医疗设备应用中，有用能量交换可以是不伤害患者但延长电池的寿命并唤醒传感器或监测器或刺激器的任何交换。在这样的应用中，100mW或更小的功率可能是有用的。在分布式感测应用中，微瓦的功率转移可能是有用的，且转移效率可以完全低于1％。
在供电或再充电应用中对无线能量转移的有用能量交换可能是有效的、高度有效的、或足够有效的，只要所浪费的能量水平、热耗散和相关场强在可容忍的限制内，并适当地与有关因素例如成本、重量、尺寸等平衡。
谐振器可被称为源谐振器、设备谐振器、第一谐振器、第二谐振器、中继器谐振器等。实现可包括三个(3)或更多个谐振器。例如，单个源谐振器可将能量转移到多个设备谐振器或多个设备。能量可从第一设备转移到第二设备，并接着从第二设备转移到第三设备，依此类推。多个源可将能量转移到单个设备或连接到单个设备谐振器的多个设备或连接到多个设备谐振器的多个设备。谐振器可以交替地或同时用作源、设备，和/或它们可用于将功率从一个位置上的源分程传递到另一位置上的设备。中间电磁谐振器可用于扩展无线能量转移系统的距离范围和/或产生集中的磁近场的区域。多个谐振器可以菊花链式地链接在一起，在延长的距离上和使用各种源和设备交换能量。例如，源谐振器可经由几个中继器谐振器将功率转移到设备谐振器。来自源的能量可转移到第一中继器谐振器，第一中继器谐振器可将功率转移到第二中继器谐振器，第二中继器谐振器将功率转移到第三中继器谐振器，依此类推，直到最后的中继器谐振器将其能量转移到设备谐振器。在这个方面，可通过添加中继器谐振器来扩展和/或调整无线能量转移的范围或距离。高功率水平可以在多个源之间分配，转移到多个设备并在远处位置处重新组合。
使用耦合模式理论模型、电路模型、电磁场模型等可设计谐振器。谐振器可设计成具有可调谐的特征尺寸。谐振器可设计成处理不同的功率水平。在示例性实施方案中，高功率谐振器可能比较低功率的谐振器需要更大的导体和更高的电流或电压额定部件。
图1示出无线能量转移系统的示例性配置和布置的图示。无线能量转移系统可包括耦合到能量源102的至少一个源谐振器(R1)104(任选地，R6，112)和任选地，传感器和控制单元108。能量源可以是能够被转换成可用于驱动源谐振器104的电能的任何类型的能量。能量源可以是电池、太阳能电池板、电干线、风力或水力涡轮机、电磁谐振器、发电机等。用于驱动磁谐振器的电能由谐振器转换成振荡磁场。振荡磁场可由其它谐振器捕获，其它谐振器可以是任选地耦合到能量消耗装置110的设备谐振器(R2)106、(R3)116。振荡场可以任选地耦合到配置成扩展或调整无线能量转移区域的中继器谐振器(R4、R5)。设备谐振器可捕获在源谐振器、中继器谐振器和其它设备谐振器附近的磁场，并将它们转换成可由能量消耗装置使用的电能。能量消耗装置110可以是配置成接收电能的电的、电子的、机械的或化学的设备等。中继器谐振器可捕获在源谐振器、设备谐振器和中继器谐振器附近的磁场，并可将能量继续传递到其它谐振器。
无线能量转移系统可包括耦合到能量源102的单个源谐振器104和耦合到能量消耗装置110的单个设备谐振器106。在实施方案中，无线能量转移系统可包括耦合到一个或多个能量源的多个源谐振器和耦合到一个或多个能量消耗装置的多个设备谐振器。
在实施方案中，可在源谐振器104和设备谐振器106之间直接转移能量。在其它实施方案中，可经由任何数量的中间谐振器将能量从一个或多个源谐振器104、112转移到一个或多个设备谐振器106、116，中间谐振器可以是设备谐振器、源谐振器、中继器谐振器等。可经由谐振器114的网络或布置转移能量，该网络或布置可包括布置在拓扑例如令牌环、网格、ad hoc网络等的任何组合中的子网络118、120。
在实施方案中，无线能量转移系统可包括集中式感测和控制系统108。在实施方案中，谐振器、能量源、能量消耗装置、网络拓扑等的参数、操作参数等可以从控制处理器被监测和调节，以满足系统的特定操作参数。中央控制处理器可调节系统的单独部件的参数以优化全局能量转移效率，优化所转移的功率的量，等等。其它实施方案可设计成具有实质上分布式的感测和控制系统。感测和控制可合并到每个谐振器或每组谐振器、能量源、能量消耗装置等中，并可配置成调节组中的单独部件的参数以最大化所输送的功率，最大化该组中的能量转移效率，等等。
在实施方案中，无线能量转移系统的部件可具有到其它部件例如设备、源、中继器、电源、谐振器等的无线或有线数据通信链路，并可发送或接收可用于实现分布式或集中式感测和控制的数据。无线通信通道可与无线能量转移通道分离，或它可以是同一个。在一个实施方案中，用于功率交换的谐振器也可用于交换信息。在一些情况下，可通过调节源或设备电路中的部件并使用端口参数或其它监测设备感测该变化来交换信息。谐振器可通过调谐、改变、变更、抖动等谐振器参数例如谐振器的阻抗来发信号通知彼此，谐振器参数可影响系统中的其它谐振器的反射阻抗。本文所述的系统和方法可实现在无线功率传输系统中的谐振器之间的功率和通信信号的同时传输，或它可使用在无线能量转移期间使用的相同的磁场来实现在不同的时间段期间或在不同的频率处的功率和通信信号的传输。在其它实施方案中，可使用单独的无线通信通道例如WiFi、蓝牙、红外线等实现无线传输。
在实施方案中，无线能量传输系统可包括多个谐振器，且总系统性能可通过控制系统中的各种元件来提高。例如，具有较低功率要求的设备可远离向具有较高功率要求的设备供应功率的高电源的谐振频率调谐其谐振频率。以这种方式，低和高功率设备可安全地操作或从单个高电源充电。此外，在充电区中的多个设备可找到根据各种消耗控制算法例如先来先服务(First-Come-First-Serve)、尽力服务、保证功率等中的任一个来调节的、它们可采用的功率。功率消耗算法可以在本质上是分级的，给某些用户或某些类型的设备优先权，或它可通过同等地共享在源中可用的功率来支持任何数量的用户。可通过在本公开中所述的复用技术中的任一种来共享功率。
在实施方案中，可使用形状、结构和配置的组合来实现或实施电磁谐振器。电磁谐振器可包括电感元件、分布式电感、或具有总电感L的电感的组合、以及电容元件、分布式电容、或具有总电容C的电容的组合。图2F示出了包括电容、电感和电阻的电磁谐振器的最小电路模型。谐振器可包括电感元件238和电容元件240。被提供了初始能量例如存储在电容器240中的电场能的系统将振荡，因为电容器放电，将能量转换成存储在电感器238中的磁场能，这又将能量转换回存储在电容器240中的电场能。在这些电磁谐振器中的固有损耗包括由于电感和电容元件中的电阻和辐射损耗引起的损耗，并在图2F中由电阻器R242表示。
图2A示出示例性磁谐振器结构的简化图。磁谐振器可包括充当在导体回路的端部处的电感元件202和电容元件204的导体的回路。电磁谐振器的电感器202和电容器204可以是体电路元件，或电感和电容可被分布并可从导体在结构中形成、成形或定位的方式产生。
例如，电感器202可通过使导体成形为包围表面区域来实现，如图2A所示。这种类型的谐振器可称为电容加载回路电感器或电容加载导电回路。注意，我们可使用术语“回路”或“线圈”来通常指示以任何数量的匝包围任何形状和尺寸的表面的导电结构(电线、管、条等)。在图2A中，包围的表面区域是圆形的，但表面可以是各种其它类型和尺寸中的任一种，并可设计成实现某些系统性能规范和/或安装在某些容积或空间中。在实施方案中，电感可以使用电感器元件、分布式电感、网络、阵列、电感器和电感的串联和并联组合等实现。电感可以是固定或可变的，并可用于改变阻抗匹配以及谐振频率操作条件。
有各种方法来实现达到谐振结构的期望谐振频率所需的电容。可如图2A所示的形成并利用电容器板204，且电容可在多回路导体的相邻绕组之间分布和实现。电容可使用电容器元件、分布式电容、网络、阵列、电容器和电容的串联和并联组合等实现。电容可以是固定或可变的，并可用于改变阻抗匹配以及谐振频率操作条件。
在磁谐振器中使用的电感元件可包含多于一个的回路，并可向内或向外或向上或向下或以方向的某种组合螺旋移动。通常，磁谐振器可具有各种形状、尺寸和匝数，且它们可由各种导电材料组成。导体210例如可以是电线、辫编线、带、管子、由导电油墨、油漆、凝胶等或由印刷在电路板上的单个或多个迹线形成的迹线。图2B示出了在衬底208上形成导电回路的迹线图案的示例性实施方案。
在实施方案中，电感元件可使用任何尺寸、形状厚度等的磁性材料以及具有宽范围的渗透率和损耗值的材料形成。这些磁性材料可以是固体块，它们可以包围中空容积，它们可由铺或堆叠在一起的较小的磁性材料片形成，且它们可与由高度导电材料制成的导电薄片或外壳集成。导体可缠绕在磁性材料周围以产生磁场。这些导体可缠绕在结构的一个或多于一个的轴周围。多个导体可缠绕在磁性材料周围，且并联地、串联地或经由开关组合以形成定制的近场图案和/或使结构的偶极矩定向。图2C、2D、2D、2E示出了包括磁性材料的谐振器的例子。在图2D中，谐振器包括缠绕在磁性材料核心222周围的导体224的回路，产生具有平行于导体224的回路的轴的磁偶极矩的结构。谐振器可包括在正交方向上缠绕的导体216、212的多个回路以及形成具有磁偶极矩218、220的谐振器的磁性材料214，磁偶极矩218、220可在如图2C所示的多于一个的方向上定向，取决于导体如何被驱动。
电磁谐振器可具有由其物理特性确定的特征、固有或谐振频率。该谐振频率是谐振器所存储的能量在谐振器的电场所存储的能量WE(WE＝q2/2C，其中q是在电容器C上的电荷)和磁场所存储的能量WB(WB＝Li2/2，其中i是通过电感器L的电流)之间振荡的频率。这个能量被交换的频率可称为谐振器的特征频率、固有频率或谐振频率，并由ω给出，
可通过调谐该谐振器的电感L和/或电容C来改变谐振器的谐振频率。在一个实施方案中，系统参数是动态地可调节或调谐的，以尽可能接近地实现最佳操作条件。然而，基于上面的讨论，可实现有效足够的能量交换，即使一些系统参数不是可变的或部件没有动态调节的能力。
在实施方案中，谐振器可包括耦合到布置在电容器和电路元件的网络中的多于一个的电容器的电感元件。在实施方案中，电容器和电路元件的被耦合的网络可用于定义谐振器的多于一个的谐振频率。在实施方案中，谐振器在多于一个频率处可以是谐振的或部分谐振的。
在实施方案中，无线电源可包括耦合到电源的至少一个谐振器线圈，其可以是开关放大器，例如D类放大器或E类放大器或其组合。在这种情况下，谐振器线圈事实上是到供电电源的电力负载。在实施方案中，无线功率设备可包括耦合到电力负载的至少一个谐振器线圈，其可以是开关放大器，例如D类放大器或E类放大器或其组合。在这种情况下，谐振器线圈事实上是电力负载的供电电源，且负载的阻抗也直接与来自谐振器线圈的负载的工作消耗率有关。在供电电源和电力负载之间的功率传输的效率可能被电源的输出阻抗与负载的输入阻抗匹配得多近影响。当负载的输入阻抗等于供电电源的内部阻抗的复共轭时，功率可按最大可能的效率输送到负载。设计供电电源或电力负载阻抗以获得最大功率传输效率常常称为“阻抗匹配”，并也可称为优化系统中的有用功率与损失的功率之比。可通过添加元件例如电容器、电感器、变压器、开关、电阻器等的网络或组来执行阻抗匹配，以形成在供电电源和电力负载之间的阻抗匹配网络。在实施方案中，在元件定位中的机械调节和变化可用于实现阻抗匹配。对于变化的负载，阻抗匹配网络可包括可变部件，其被动态地调节以确保指向负载的电源端子处的阻抗和供电电源的特征阻抗实质上保持是彼此的复共轭，甚至在动态环境和操作场景中。
在实施方案中，可通过调谐供电电源的驱动信号的占空比和/或相位和/或频率或通过调谐供电电源内的物理部件例如电容器来实现阻抗匹配。这样的调谐机制可能是有利的，因为它可允许供电电源和负载之间的阻抗匹配，而不使用可调谐阻抗匹配网络，或使用简化的可调谐阻抗匹配网络，例如具有例如较少的可调谐部件的可调谐阻抗匹配网络。在实施方案中，调谐供电电源的驱动信号的占空比和/或频率和/或相位可产生具有扩展的调谐范围或精度、具有较高的功率、电压和/或电流容量、具有较快的电子控制、具有较少的外部部件等的动态阻抗匹配系统。
在一些无线能量转移系统中，谐振器的参数例如电感可被环境条件例如周围的物体、其它谐振器的温度、方位、数量和位置等影响。谐振器的操作参数中的变化可改变某些系统参数，例如在无线能量转移中转移的功率的效率。例如，位于谐振器附近的高导电性材料可移动谐振器的谐振频率，并将它从其它谐振物体解谐。在一些实施方案中，使用通过改变电抗元件(例如，电感元件或电容元件)来校正频率的谐振器反馈机制。为了实现可接受的匹配条件，系统参数中的至少一些可能需要是动态可调节或可调谐的。所有系统参数可以是动态可调节或可调谐的，以大致实现最佳操作条件。然而，可实现有效足够的能量交换，即使所有或一些系统参数不是可变的。在一些例子中，至少一些设备可以不被动态地调节。在一些例子中，至少一些源可以不被动态地调节。在一些例子中，至少一些中间谐振器可以不被动态地调节。在一些例子中，没有一个系统参数可以被动态地调节。
在一些实施方案中，可通过选择具有当受到操作环境或操作点中的差异时在互补或相反的方面或方向上变化的特征的部件来减轻部件的参数中的变化。在实施方案中，系统可设计有部件，例如电容器，其具有由于温度、功率水平、频率等引起的相反的相关性或参数波动。在一些实施方案中，作为温度的函数的部件值可存储在系统微控制器中的查找表中，且来自温度传感器的读数可在系统控制反馈回路中用于调节其它参数以补偿温度引起的部件值变化。
在一些实施方案中，可使用包括可调谐部件的有源调谐电路来补偿部件的参数值中的变化。可在设计中合并监测部件和系统的操作环境和操作点的电路。监测电路可提供主动补偿部件的参数中的变化所必需的信号。例如，温度读数可用于计算系统的电容中的预期变化，或指示系统的电容的测量值，允许通过在其它电容器中切换或调谐电容器来进行补偿以维持在温度范围内的期望电容。在实施方案中，RF放大器开关波形可被调节以补偿系统中的部件值或负载变化。在一些实施方案中，可使用主动冷却、加热、主动环境调节等来补偿部件的参数中的变化。
参数测量电路可测量或监测系统中的某个功率、电压和电流信号，且处理器或控制电路可基于这些测量来调节某些设置或操作参数。此外，整个系统中的电压和电流信号的幅值和相位、功率信号的幅值可被取得以测量或监测系统性能。在整个本公开中所指的所测量的信号可以是端口参数信号以及电压信号、电流信号、功率信号、温度信号等的任何组合。这些参数可使用模拟或数字技术来测量，它们可被采样和处理，且它们可使用多种已知的模拟和数字处理来数字化或转换。在实施方案中，某些所测量的量的预设值被装入系统控制器或存储位置中并用在各种反馈和控制回路中。在实施方案中，所测量、监测和/或预设的信号的任何组合可用在反馈电路或系统中以控制谐振器和/或系统的操作。
调节算法可用于调节磁谐振器的频率、Q和/或阻抗。算法可采用与偏离系统的期望操作点的偏差度有关的输入参考信号，并可输出与该偏差有关的校正或控制信号，其控制系统的可变或可调谐元件以将系统带回到一个或多个期望操作点。磁谐振器的参考信号可被获取，同时谐振器在无线功率传输系统中交换功率，或它们可在系统操作期间从电路切换。可连续地、周期性地、在阈值交叉时、数字地、使用模拟方法等应用或执行对系统的校正。
在实施方案中，有损外来材料和物体可通过吸收无线功率传输系统的谐振器的磁能和/或电能来引入效率中的可能减小。可通过定位谐振器以最小化有损外来材料和物体的效应并通过放置结构场成形元件(例如，导电结构、板和薄片、磁性材料结构、板和薄片以及其组合)以最小化其效应来减轻那些影响。
减小有损材料对谐振器的影响的一种方法是使用高导电性材料、磁性材料、其组合以使谐振器场成形，使得它们避开有损物体。在示例性实施方案中，高导电性材料和磁性材料的分层结构可适应、成形、定向、重定向等谐振器的电磁场，使得它们通过使场转向来避开在其附近区域中的有损物体。图2D示出在磁性材料之下的导体薄片226的谐振器的顶视图，磁性材料可用于适应谐振器的场，使得它们避开有损物体并可在导体薄片226之下。良导体层或薄片226可包括任何高导电性材料，例如铜、银、铝，如可能最适合于给定应用的。在某些实施方案中，良导体层或薄片在谐振器操作频率处比导体的外皮深度厚。导体薄片可优选地比谐振器的尺寸大，延伸出谐振器的物理范围。
在正被传输的功率的量可能对可侵入有源场容积中的人或动物呈现安全危险的环境和系统中，安全措施可包括在系统中。在功率水平需要特殊化的安全措施的实施方案中，谐振器的封装、结构、材料等可设计成提供离磁谐振器中的导电回路的间隔或“避开”区。为了提供进一步的保护，高Q谐振器以及供电和控制电路可位于将高电压或电流限制在外壳内的外壳中，外壳保护谐振器和电气部件免受风雨、潮湿、沙子、尘土和其它外部元素，以及免受冲击、振动、刮擦、爆炸和其它类型的机械震动。这样的外壳要求对各种因素例如热耗散的注意，以维持电气部件和谐振器的可接受的操作温度范围。在实施方案中，外壳可由无损材料例如合成物、塑料、木材、混凝土等构成，并可用于提供从有损物体到谐振器部件的最小距离。离有损物体或环境的最小间距可包括金属物体、盐水、油等，可提高无线能量转移的效率。在实施方案中，“避开”区可用于增加谐振器或谐振器的系统的受扰Q。在实施方案中，最小间距可提供谐振器的更可靠或更恒定的操作参数。
在实施方案中，谐振器及其相应的传感器和控制电路可具有与其它电子和控制系统和子系统的不同水平的集成。在一些实施方案中，供电和控制电路以及设备谐振器以对现有系统的最小集成完全分离模块或外壳，提供功率输出以及控制和诊断接口。在一些实施方案中，设备配置成将谐振器和电路组件容纳在外壳内部的腔中，或集成到设备的壳体或外壳中。
示例性谐振器电路
图3和4示出描绘无线能量转移系统的示例性源的功率生成、监测和控制部件的高级方框图。图3是包括半桥开关功率放大器以及一些相关的测量、调谐和控制电路的源的方框图。图4是包括全桥开关功率放大器以及一些相关的测量、调谐和控制电路的源的方框图。
图3所示的半桥系统拓扑可包括执行控制算法328的处理单元。执行控制算法328的处理单元可以是微控制器、专用电路、现场可编程门阵列、处理器、数字信号处理器等。处理单元可以是单个设备，或它可以是设备的网络。控制算法可在处理单元的任何部分上运行。算法可对某些应用被定制，并可包括模拟和数字电路和信号的组合。主算法可测量并调节电压信号和水平、电流信号和水平、信号相位、数字计数设置等。
系统可包括任选的源/设备和/或耦合到无线通信电路312的源/其它谐振器通信控制器332。任选的源/设备和/或源/其它谐振器通信控制器332可以是执行主控制算法的同一处理单元的部分，它可以是在微控制器302内的部分或电路，它可以在无线功率传输模块的外部，它可以实质上类似于用在有线供电或电池供电的应用中但适合于包括某个新的或不同的功能以增强或支持无线功率传输的通信控制器。
系统可包括耦合到至少两个晶体管栅极驱动器334的PWM发生器306，并可由控制算法控制。两个晶体管栅极驱动器334可直接或经由栅极驱动变压器耦合到通过阻抗匹配网络部件342驱动源谐振器线圈344的两个功率晶体管336。功率晶体管336可与可调节的DC电源304耦合并使用可调节的DC电源304供电，且可调节的DC电源304可由可变总线电压Vbus控制。Vbus控制器可由控制算法328控制，并可以是微控制器302或其它集成电路的部分或集成到微控制器302或其它集成电路中。Vbus控制器326可控制可调节的DC电源304的电压输出，该电压输出可用于控制放大器的功率输出和输送到谐振器线圈344的功率。
系统可包括包含信号过滤和缓冲电路318、320的感测和测量电路，信号过滤和缓冲电路318、320可在例如信号输入到处理器和/或转换器例如模数转换器(ADC)314、316之前成形、修改、过滤、处理、缓存等信号。处理器和转换器例如ADC 314、316可集成到微控制器302中，或可以是可耦合到处理核心330的单独的电路。基于所测量的信号，控制算法328可产生、限制、发起、取消、控制、调节或修改PWM发生器306、通信控制器332、Vbus控制装置326、源阻抗匹配控制器338、过滤/缓冲元件318、320、转换器314、316、谐振器线圈344中的任一个的操作，且可以是微控制器302或单独电路的部分或集成到微控制器302或单独电路中。阻抗匹配网络342和谐振器线圈344可包括电气地可控制的、可变的或可调谐的部件，例如电容器、开关、电感器等，如本文所述的，且这些部件可具有根据从源阻抗匹配控制器338接收的信号来调节的其部件值或操作点。部件可被调谐以调节谐振器的操作和特征，包括输送到谐振器和由谐振器输送的功率、谐振器的谐振频率、谐振器的阻抗、谐振器的Q、以及任何其它耦合的系统等。谐振器可以是本文所述的任何类型或结构的谐振器，包括电容加载回路谐振器、包括磁性材料的平面谐振器、或其任何组合。
图4所示的全桥系统拓扑可包括执行主控制算法328的处理单元。执行控制算法328的处理单元可以是微控制器、专用电路、现场可编程门阵列、处理器、数字信号处理器等。系统可包括源/设备和/或耦合到无线通信电路312的源/其它谐振器通信控制器332。任选的源/设备和/或源/其它谐振器通信控制器332可以是执行主控制算法的同一处理单元的部分，它可以是在微控制器302内的部分或电路，它可以在无线功率传输模块的外部，它可以实质上类似于用在有线供电或电池供电的应用中但适合于包括某个新的或不同的功能以增强或支持无线功率传输的通信控制器。
系统可包括具有耦合到至少四个晶体管栅极驱动器334的至少两个输出的PWM发生器410，其可由在主控制算法产生的信号控制。四个晶体管栅极驱动器334可直接或经由栅极驱动变压器耦合到通过阻抗匹配网络部件342驱动源谐振器线圈344的四个功率晶体管336。功率晶体管336可与可调节的DC电源304耦合并使用可调节的DC电源304供电，且可调节的DC电源304可由Vbus控制器326控制，Vbus控制器326可由主控制算法控制。Vbus控制器326可控制可调节的DC电源304的电压输出，该电压输出可用于控制放大器的功率输出和输送到谐振器线圈344的功率。
系统可包括包含信号过滤和缓冲电路318、320的感测和测量电路以及微分/单端转换电路402、404，这些电路可在例如信号输入到处理器和/或转换器例如模数转换器(ADC)314、316之前成形、修改、过滤、处理、缓存等信号。处理器和转换器例如ADC 314、316可集成到微控制器302中，或可以是可耦合到处理核心330的单独的电路。基于所测量的信号，主控制算法可产生、限制、发起、取消、控制、调节或修改PWM发生器410、通信控制器332、Vbus控制装置326、源阻抗匹配控制器338、过滤/缓冲元件318、320、微分/单端转换电路402、404、转换器314、316、谐振器线圈344中的任一个的操作，且可以是微控制器302或单独电路的部分或集成到微控制器302或单独电路中。
阻抗匹配网络342和谐振器线圈344可包括电气地可控制的、可变的或可调谐的部件，例如电容器、开关、电感器等，如本文所述的，且这些部件可具有根据从源阻抗匹配控制器338接收的信号来调节的其部件值或操作点。部件可被调谐以实现谐振器的操作和特征的调谐，这些特征包括输送到谐振器和由谐振器输送的功率、谐振器的谐振频率、谐振器的阻抗、谐振器的Q、以及任何其它耦合的系统等。谐振器可以是本文所述的任何类型或结构的谐振器，包括电容加载回路谐振器、包括磁性材料的平面谐振器、或其任何组合。
阻抗匹配网络可包括固定值部件，例如电容器、电感器、和如本文所述的部件的网络。阻抗匹配网络A、B和C的部分可包括电感器、电容器、变压器、这样的部件的串联和并联组合，如本文所述的。在一些实施方案中，阻抗匹配网络A、B和C的部分可以是空的(短路)。在一些实施方案中，部分B包括电感器和电容器的串联组合，且部分C是空的。
全桥拓扑可使用与等效半桥放大器相同的DC总线电压允许在较高的输出功率水平处的操作。图3的半桥示例性拓扑可提供单端驱动信号，而图4的全桥示例性拓扑可向源谐振器308提供微分驱动。阻抗匹配拓扑和部件以及谐振器结构可以对两个系统是不同的，如本文所述的。
图3和4所示的示例性系统还可包括故障探测电路340，其可用于触发源放大器中的微控制器的关闭或改变或中断放大器的操作。该探测电路可包括一个或多个高速比较器以监测放大器返回电流、来自DC电源304的放大器总线电压(Vbus)、源谐振器308和/或任选的调谐板两端的电压、或可引起对系统中的部件的损坏或可产生不希望有的操作条件的任何其它电压或电流信号。优选实施方案可取决于与不同的应用相关的可能不希望有的操作模式。在一些实施方案中，可以不实现保护电路，或可以不增加电路。在一些实施方案中，系统和部件保护可以被实现为主控制算法的部分或其它系统监测和控制电路。在实施方案中，专用故障电路340可包括耦合到主控制算法328的输出(未示出)，其可触发系统关闭、输出功率的减小(例如，Vbus的减小)、对PWM发生器的改变、操作频率中的变化、对调谐元件的改变、或可由控制算法328实现来调节操作点模式、提高系统性能和/或提供保护的任何其它合理的行动。
如本文所述，在无线功率转移系统中的源可使用驱动源谐振器线圈344的阻抗匹配网络342的输入阻抗的测量，作为可以是主控制算法的部分的系统控制回路的误差或控制信号。在示例性实施方案中，在三个参数的任何组合中的变化可用于调谐无线电源以补偿环境条件中的变化、耦合中的变化、设备功率要求中的变化、模块、电路、部件或子系统性能中的变化、系统中的源、设备或中继器的数量的增加或减少、用户发起的变化等。在示例性实施方案中，对放大器占空比、对可变电气部件例如可变电容器和电感器的部件值、以及对DC总线电压的变化可用于改变无线源的操作点或操作范围并提高某个系统操作值。对不同应用使用的控制算法的细节可根据期望系统性能和行为来改变。
例如本文所述以及图3和4所示的阻抗测量电路可使用两通道同时采样ADC来实现，且这些ADC可集成到微控制器芯片中或可以是单独电路的部分。在源谐振器的阻抗匹配网络和/或源谐振器的输入处电压和电流信号的同时采样可产生电流和电压信号的相位和幅值信息，并可使用已知的信号处理技术来处理以产生复阻抗参数。在一些实施方案中，监测仅仅电压信号或仅仅电流信号可能就足够了。
本文所述的阻抗测量可使用直接采样方法，其可能比一些其它已知的采样方法相对简单。在实施方案中，所测量的电压和电流信号可在输入到ADC之前由过滤/缓冲电路调节、过滤和按比例缩放。在实施方案中，过滤/缓冲电路可以是可调节的，以在各种信号水平和频率处工作，且电路参数例如滤波器形状和宽度可手动地、电子地、自动地、响应于控制信号、通过主控制算法等来调节。图3、4和5中示出了过滤/缓冲电路的示例性实施方案。
图5示出可在过滤/缓冲电路中使用的示例性电路部件的更详细的视图。在实施方案中且根据在系统设计中使用的ADC的类型，单端放大器拓扑可通过消除对从微分信号格式转换到单端信号格式的硬件的需要来减小用于表征系统、子系统、模块和/或部件性能的模拟信号测量路径的复杂度。在其它实现中，微分信号格式可能是优选的。图5所示的实现是示例性的，且不应被解释为是实现本文所述的功能的唯一可能的方法。更确切地，应理解，模拟信号路径可使用具有不同的输入要求的部件，因此可具有不同的信号路径架构。
在单端和微分放大器拓扑中，驱动谐振器线圈344的到阻抗匹配网络342的输入电流可通过测量电容器324两端的电压或经由某种类型的电流传感器来获得。对于图3中的示例性单端放大器拓扑，可在来自阻抗匹配网络342的地返回路径上感测电流。对于图4所示的示例性微分放大器拓扑，驱动谐振器线圈344的到阻抗匹配网络342的输入电流可使用电容器324的端子两端的微分放大器或经由同一类型的电流传感器来获得。在图4的微分拓扑中，电容器324可在源功率放大器的负输出端子处重复。
在这两种拓扑中，在获得表示源谐振器和阻抗匹配网络的输入电压和电流的单端信号之后，可过滤(502)信号以获得信号波形的期望部分。在实施方案中，可过滤信号以获得信号的基本分量。在实施方案中，所执行的类型的滤波例如低通、带通、陷波等以及所使用的滤波拓扑例如椭圆、Chebyshev、Butterworth等可取决于系统的特定需要。在一些实施方案中，将不需要滤波。
电压和电流信号可被任选的放大器504放大。任选放大器504的增益可以是固定或可变的。放大器的增益可手动地、电子地、自动地、响应于控制信号等被控制。放大器的增益可在反馈回路中响应于控制算法通过主控制算法等调节。在实施方案中，放大器的所需性能规范可取决于信号强度和期望测量准确度，并对不同的应用场景和控制算法可以不同。
所测量的模拟信号可具有添加到它们的DC偏移506，其可能需要将信号带到ADC的输入电压范围内，该范围对于一些系统可以是0到3.3V。在一些系统中，这个阶段可能不需要，取决于所使用的特定ADC的规范。
如上所述，在电力发电机和电力负载之间的功率传输的效率可能被发生器的输出阻抗与负载的输入阻抗匹配得多近影响。在图6A所示的示例性系统中，当负载604的输入阻抗等于电力发电机或功率放大器602的内部阻抗的复共轭时，功率可按最大可能的效率输送到负载。设计发电机或负载阻抗来获得高和/或最大功率传输效率常常称为“阻抗匹配”。可通过插入元件例如电容器、电感器、变压器、开关、电阻器等的适当网络或组来执行阻抗匹配，以形成在电力发电机602和电力负载604之间的阻抗匹配网络606，如图6B所示。在其它实施方案中，在元件定位中的机械调节和变化可用于实现阻抗匹配。如上所述，对于变化的负载，阻抗匹配网络606可包括可变部件，其被动态地调节以确保指向负载的电源端子处的阻抗和电源的特征阻抗实质上保持是彼此的复共轭，甚至在动态环境和操作场景中。在实施方案中，可通过调谐电力发电机的驱动信号的占空比和/或相位和/或频率或通过调谐电力发电机内的物理部件例如电容器来实现阻抗匹配，如图6C所示。这样的调谐机制可能是有利的，因为它可允许发电机608和负载之间的阻抗匹配，而不使用可调谐阻抗匹配网络，或使用简化的可调谐阻抗匹配网络606，例如具有例如较少的可调谐部件的可调谐阻抗匹配网络。在实施方案中，调谐电力发电机的驱动信号的占空比和/或频率和/或相位可产生具有扩展的调谐范围或精度、具有较高的功率、电压和/或电流容量、具有较快的电子控制、具有较少的外部部件等的动态阻抗匹配系统。下面描述的阻抗匹配方法、架构、算法、协议、电路、测量、控制等可能在电力发电机驱动高Q磁谐振器的系统中以及在如本文所述的高Q无线功率传输系统中是有用的。在无线功率转移系统中，电力发电机可以是驱动有时称为源谐振器的谐振器的功率放大器，该谐振器可以是功率放大器的负载。在无线功率应用中，控制功率放大器和谐振器负载之间的阻抗匹配以控制从功率放大器到谐振器的功率输送的效率可能是合乎需要的。可通过调谐或调节驱动谐振器的功率放大器的驱动信号的占空比和/或相位和/或频率来实现或部分地实现阻抗匹配。
开关放大器的效率
当在放大器的开关元件上没有功率耗散时，开关放大器例如D、E、F类放大器等或其任何组合以最大效率将功率输送到负载。可通过设计系统使得最关键的开关操作(即，最可能导致开关损耗的条件)在开关元件两端的电压和通过开关元件的电流都为零时完成，来实现这个操作条件。这些条件可以分别称为零电压切换(ZVS)和零电流切换(ZCS)条件。当放大器在ZVS和ZCS操作时，开关元件两端的电压或通过开关元件的电流为零，因此没有功率可在开关中耗散。因为开关放大器可在特定的频率或频率范围处将DC(或非常低频率的AC)功率转换成AC功率，滤波器可在负载之前被引入，以防止可能由切换过程产生的不需要的谐波到达负载并在那里耗散。在实施方案中，开关放大器可设计成当连接到具有非平凡品质因数(比如Q>5)和特定阻抗的谐振负载时以功率转换的最大效率操作，这导致同时的ZVS和ZCS。我们将Zo＝Ro-jXo定义为放大器的特征阻抗，使得实现最大功率传输效率相当于谐振负载与放大器的特征阻抗的阻抗匹配。
在开关放大器中，开关元件的开关频率fswitch(其中fswitch＝ω/2π)和开关元件的接通开关状态持续时间的占空比dc对于放大器的所有开关元件都相同。在这个说明书中，我们将使用术语“D类”来表示D类和DE类放大器，也就是说，dc<＝50％的开关放大器。
放大器的特征阻抗的值可取决于开关元件的操作频率、放大器拓扑和开关序列。在一些实施方案中，开关放大器可以是半桥拓扑，而在一些实施方案中是全桥拓扑。在一些实施方案中，开关放大器可以是D类，而在一些实施方案中E类。在上述实施方案的任一个中，假定桥的元件是对称的，开关放大器的特征阻抗具有下列形式：
Ro＝FR(dc)/ωCα,Xo＝FX(dc)/ωCα (1)
其中dc是开关元件的接通开关状态的占空比，函数FR(dc)和FX(dc)在图7中被绘制出(都对D类和E类)，ω是开关元件被切换的频率，且Cα＝nαCswitch，其中Cswitch是每个开关两端的电容，包括晶体管输出电容以及还有与开关并联放置的可能的外部电容器，其中对于全桥nα＝1，而对于半桥nα＝2。对于D类，也可写分析表达式：
FR(dc)＝sin2u/π,FX(dc)＝(u-sinu*cosu)/π (2)
其中u＝(1-2*dc)，指示当占空比dc朝着50％增加时，D类放大器的特征阻抗水平降低。对于dc＝50％的D类放大器操作，实现ZVS和ZCS只有在开关元件实际上没有输出电容(Cα＝0)时是可能的，且负载确切地处于谐振(Xo＝0)，而Ro可以是任意的。
阻抗匹配网络
在应用中，驱动负载可具有非常不同于它所连接到的外部驱动电路的特征阻抗的阻抗。此外，驱动负载可以不是谐振网络。阻抗匹配网络(IMN)是电路网络，其可如图6B所示连接在负载之前，以便调节在由IMN电路和负载组成的网络的输入处看到的阻抗。IMN电路可一般通过产生接近于驱动频率的谐振来实现这种调节。因为这样的IMN电路实现最大化从发电机到负载(开关放大器的谐振和阻抗匹配-ZVS和ZCS)的功率传输效率所需的所有条件，在实施方案中，IMN电路可在驱动电路和负载之间被使用。
对于图6B所示的布置，令由阻抗匹配网络(IMN)电路和负载(从现在起一起被表示为IMN+负载)组成的网络的输入阻抗为Zl＝Rl(ω)+jXl(ω)。该网络到具有特征阻抗Zo＝Ro-jXo的外部电路的阻抗匹配条件于是为Rl(ω)＝Ro,Xl(ω)＝Xo。
用于可变负载的可调谐阻抗匹配的方法
在负载可以是可变的实施方案中，在负载和外部驱动电路例如线性或开关功率放大器之间的阻抗匹配可通过使用在IMN电路中的可调节/可调谐部件来实现，IMN电路可被调节以使变化的负载与外部电路的固定特征阻抗Zo匹配(图6B)。为了匹配阻抗的实部和虚部，可能需要IMN电路中的两个可调谐/可变元件。
在实施方案中，负载可以是具有阻抗R+jωL的电感(例如谐振器线圈)，所以在IMN电路中的这两个可调谐/可变元件可以是两个可调谐电容网络、或一个可调谐电容网络和一个可调谐电感网络、或一个可调谐电容网络和一个可调谐互电感网络。
在负载可以是可变的实施方案中，在负载和驱动电路例如线性或开关功率放大器之间的阻抗匹配可通过使用在放大器电路中的可调节/可调谐部件来实现，放大器电路可被调节以使放大器的特征阻抗Zo与由IMN电路和负载组成(Imn+负载)的网络的变化(由于负载变化)的输入阻抗匹配，其中IMN电路也可以是可调谐的(图6C)。为了匹配阻抗的实部和虚部，可能需要放大器和IMN电路中的总共两个可调谐/可变元件或参数。所公开的阻抗匹配方法可减少IMN电路中的可调谐/可变元件的所需数量，或甚至完全消除对IMN电路中的可调谐/可变元件的需要。在一些例子中，可使用功率放大器中的一个可调谐元件和IMN电路中的一个可调谐元件。在一些例子中，可使用功率放大器中的两个可调谐元件和没有一个IMN电路中的可调谐元件。
在实施方案中，功率放大器中的可调谐元件或参数可以是施加到晶体管、开关、二极管等的驱动信号的频率、振幅、相位、波形、占空比等。
在实施方案中，具有可调谐特征阻抗的功率放大器可以是D、E、E类的可调谐开关放大器或其任何组合。组合方程式(1)和(2)，对该网络的阻抗匹配条件是：
Rl(ω)＝FR(dc)/ωCα,Xl(ω)＝FX(dc)/ωCα (3)
在可调谐开关放大器的一些例子中，一个可调谐元件可以是电容Cα，其可通过调谐与开关元件并联放置的外部电容器来调节。
在可调谐开关放大器的一些例子中，一个可调谐元件可以是放大器的开关元件的接通开关状态的占空比dc。经由脉冲宽度调制(PWM)调节占空比dc可以在开关放大器中用来实现输出功率控制。在本说明书中，我们公开了PWM也可用于实现阻抗匹配，即，满足方程(3)，且因此最大化放大器效率。
在可调谐开关放大器的一些例子中，一个可调谐元件可以是开关频率，其也是IMN+负载网络的驱动频率，并可设计成实质上接近于IMN+负载网络的谐振频率。调谐开关频率可改变放大器的特征阻抗和IMN+负载网络的阻抗。放大器的开关频率可连同一个或多个可调谐参数来被适当地调节，以便满足方程(3)。
用于为了动态阻抗匹配而调谐放大器的占空比和/或驱动频率的益处是，这些参数可被电子地、快速地和在宽范围上被调谐。相反，例如，可维持大电压并具有足够大的可调谐范围和品质因数的可调谐电容器可能昂贵、缓慢或对必要的部件规范是不可用的。
可变负载的可调谐阻抗匹配的方法的例子
图8示出了简化的电路图，其示出D类功率放大器802、阻抗匹配网络804和电感负载806的电路水平结构。该图示出具有开关放大器804的系统的基本部件，开关放大器804包括电源810、开关元件808和电容器。包括电感器和电容器的阻抗匹配电路804以及负载806被模拟为电感器和电阻器。
本发明性调谐方案的示例性实施方案包括在开关频率f处操作并经由IMN驱动低损耗电感元件R+jωL的半桥D类放大器，如图8所示。
在一些实施方案中，L′可以是可调节的。可通过电感器上的可变分接点或通过将可调谐电容器串联或并联地连接到电感器来调谐L′。在一些实施方案中，Cα可以是可调谐的，对于半桥拓扑，可通过改变一个或多个电容器Cswitch来调谐Cα，因为只有这些电容器的并联和对放大器操作要紧。对于全桥拓扑，可通过改变一个、两个、三个或全部电容器Cswitch来调谐Cα，因为只有它们的组合(与桥的两半相关的两个并联和的串联和)对放大器操作要紧。
在可调谐阻抗匹配的一些实施方案中，IMN的部件中的两个可可以是可调谐的。在一些实施方案中，L′和C2可被调谐。接着，图9示出对于f＝250kHz，dc＝40％，Cα＝640pF和C1＝10nF，根据电感元件的变化的R和L和放大器的输出功率的相关变化(在给定的DC总线电压处)实现阻抗匹配所需的两个可调谐部件的值。因为IMN总是调节到放大器的固定特征阻抗，当电感元件变化时，输出功率总是不变的。
在可调谐阻抗匹配的一些实施方案中，开关放大器中的元件也可以是可调谐的。在一些实施方案中，电容Cα以及IMN电容器C2可被调谐。接着，图10示出对于f＝250kHz，dc＝40％，C1＝10nF和ωL′＝10000Ω，根据电感元件的变化的R和L和放大器的输出功率的相关变化(在给定的DC总线电压处)实现阻抗匹配所需的两个可调谐部件的值。从图10中可以推断出，C2需要主要响应于L中的变化来被调谐，以及当R增加时输出功率降低。
在可调谐阻抗匹配的一些实施方案中，占空比dc以及IMN电容器C2可被调谐。接着，图11示出对于f＝250kHz，Cα＝640pF、C1＝10nF和ωL′＝1000Ω，根据电感元件的变化的R和L和放大器的输出功率的相关变化(在给定的DC总线电压处)实现阻抗匹配所需的两个可调谐部件的值。从图11中可以推断出，C2需要主要响应于L中的变化来被调谐，以及当R增加时输出功率降低。
在可调谐阻抗匹配的一些实施方案中，电容Cα以及IMN电感器L′可被调谐。接着，图11A示出对于f＝250kHz，dc＝40％，C1＝10nF和C2＝7.5nF，根据电感元件的变化的R和放大器的输出功率的相关变化(在给定的DC总线电压处)实现阻抗匹配所需的两个可调谐部件的值。从图11A中可以推断出，当R增加时输出功率降低。
在可调谐阻抗匹配的一些实施方案中，占空比dc以及IMN电感器L′可被调谐。接着，图11B示出对于f＝250kHz，Cα＝640pF、C1＝10nF和C2＝7.5nF，根据电感元件的变化的R和放大器的输出功率的相关变化(在给定的DC总线电压处)实现阻抗匹配所需的两个可调谐部件的值。从图11B中可以推断出，当R增加时输出功率降低。
在可调谐阻抗匹配的一些实施方案中，只有开关放大器中的元件可以是可调谐的，而没有在IMN中的可调谐元件。在一些实施方案中，电容占空比dc以及电容Cα可被调谐。接着，图11C示出对于f＝250kHz，C1＝10nF、C2＝7.5nF和ωL′＝1000Ω，根据电感元件的变化的R和L和放大器的输出功率的相关变化(在给定的DC总线电压处)实现阻抗匹配所需的两个可调谐部件的值。从图11C中可以推断出，输出功率是R的非单调函数。当L中的变化(以及因此谐振频率)适度时，这些实施方案可能能够实现动态阻抗匹配。
在一些实施方案中，也当L如早些时候描述的极大地变化时，与IMN内部的固定元件的动态阻抗匹配可通过改变外部频率f的驱动频率(例如，开关放大器的开关频率)来实现，以便它跟随谐振器的变化的谐振频率。使用开关频率f和开关占空比dc作为两个可变参数，全阻抗匹配可被实现，因为R和L变化而不需要任何可变部件。接着，图12示出对于Cα＝640pF、C1＝10nF、C2＝7.5nF和L′＝637μH，根据电感元件的变化的R和L和放大器的输出功率的相关变化(在给定的DC总线电压处)实现阻抗匹配所需的两个可调谐部件的值。从图12中可以推断出，频率f需要主要响应于L中的变化来被调谐，如早些时候解释的。
无线功率传输的系统的可调谐阻抗匹配
在无线功率转移的应用中，低损耗电感元件可以是耦合到一个或多个设备谐振器或其它谐振器例如中继器谐振器的源谐振器的线圈。电感元件的阻抗R+jωL可包括在源谐振器的线圈上的其它谐振器的反射阻抗。由于在源谐振器和/或其它谐振器附近的外部扰动或部件的热漂移，电感元件的R和L的变化可出现。由于设备和其它谐振器相对于源的相对运动，电感元件的R和L的变化也可在无线功率传输系统的正常使用期间出现。这些设备和其它谐振器相对于源的相对运动或其它源的相对运动或位置可导致设备到源的变化的耦合(以及因此变化的反射阻抗)。此外，由于其它耦合的谐振器内的变化例如在其负载的功率消耗中的变化，电感元件的R和L的变化也可在无线功率传输系统的正常使用期间出现。到目前为止公开的所有方法和实施方案也适用于这种情况，以便实现这个电感元件与驱动它的外部电路的动态阻抗匹配。
为了论证无线功率传输系统的目前公开的动态阻抗匹配方法，考虑包括低损耗源线圈的源谐振器，低损耗源线圈电感地耦合到驱动电阻负载的设备谐振器的设备线圈。
在一些实施方案中，可在源电路处实现动态阻抗匹配。在一些实施方案中，也可在设备电路处实现动态阻抗匹配。当获得完全的阻抗匹配(在源和设备处)时，源电感元件的有效电阻(即，源线圈的电阻Rs加上来自设备的反射阻抗)是(类似地，设备电感元件的有效电阻是其Rd是设备线圈的电阻。)由于运动引起的在线圈之间的互电感的动态变化导致因此，当源和设备都被动态地调谐时，互电感的变化从源电路侧被看作源电感元件电阻R中的变化。注意，在这种类型的变化中，谐振器的谐振频率可以不明显地变化，因为L可以不改变。因此，对动态阻抗匹配提出的所有方法和例子可用于无线功率传输系统的源电路。
注意，因为电阻R代表源线圈和设备线圈到源线圈的反射阻抗，在图9-12中，当R由于增加的U而增加时，相关的无线功率传输效率增加。在一些实施方案中，可能在设备电路驱动的负载处需要近似恒定的功率。为了实现传输到设备的功率的恒定水平，当U增加时，源电路的所需输出功率可能需要降低。如果通过调谐一些放大器参数实现动态阻抗匹配，则放大器的输出功率可相应地变化。在一些实施方案中，输出功率的自动变化优选地随着R单调地降低，以便它匹配恒定的设备功率要求。在输出功率水平通过调节电力发电机的DC驱动电压来设定的实施方案中，使用导致输出功率相对于R单调地降低的一组阻抗匹配的可调谐参数可暗示恒定的功率可保持在设备中的电力负载处，只有DC驱动电压的适度调节。在调节输出功率水平的“旋钮”是阻抗匹配网络内部的开关放大器或部件的占空比dc或相位的实施方案中，使用导致输出功率相对于R单调地降低的一组阻抗匹配的可调谐参数可暗示恒定的功率可保持在设备中的电力负载处，只有该功率“旋钮”的适度调节。
在图9-12的例子中，如果Rs＝0.19Ω，则范围R＝0.2-2Ω大约相应于USd＝0.3-10.5。对于这些值，在图14中，当源和设备都动态阻抗匹配时，我们以虚线示出保持负载处的恒定功率水平所需的输出功率(标准化到平方DC电压)。在实线和虚线之间的类似趋势解释为什么具有输出功率的这种变化的一组可调谐参数可能是优选的。
在一些实施方案中，可以在源电路处实现动态阻抗匹配，但可以在设备电路处不实现或仅部分地实现阻抗匹配。当源和设备线圈之间的互电感变化时，设备到源的变化的反射阻抗可导致源电感元件的有效阻抗R和有效电感L的变化。到目前为止对动态阻抗匹配提出的方法是可适用的，并可用于无线功率传输系统的可调谐源电路。
作为例子，考虑图14的电路，其中f＝250kHz、Cα＝640pF、Rs＝0.19Ω、Ls＝100μH、C1S＝10nF、ωLS′＝1000Ω、Rd＝0.3Ω、Ld＝40μH、C1d＝87.5nF、C2d＝13nF、ωLd′＝400Ω和Zl＝50Ω，其中s和d分别表示源谐振器和设备谐振器，且系统在Usd＝3处匹配。调谐开关放大器的占空比dc以及电容器C2S可用于动态地阻抗匹配该源，因为不可调谐的设备正相对地移动到源，改变源和设备之间的互电感M。在图14中，我们示出可调谐参数以及放大器的每DC电压的输出功率的期望值。虚线再次指示将需要的放大器的输出功率，使得在负载处的功率是恒定的值。
在一些实施方案中，调谐源驱动电路的驱动频率f可仍然用于为源和一个或多个设备之间的无线功率传输的系统实现在源处的动态阻抗匹配。如早些时候解释的，该方法实现源的完全的动态阻抗匹配，即使存在源电感LS和因此源谐振频率中的变化。对于从源到设备的有效功率传输，设备谐振频率必须被调谐以跟随所匹配的驱动和源-谐振频率的变化。当存在源谐振器或设备谐振器的谐振频率中的变化时，调谐设备电容(例如，在图13的实施方案中，C1d或C2d)可能是必要的。实际上，在具有多个源和设备的无线功率转移系统中，调谐驱动频率减轻了只调谐一个源-物体谐振频率的需要，然而物体的所有其余部分可能需要调谐其谐振频率以匹配驱动频率的机制(例如，可调谐的电容)。
谐振器热管理
在无线能量转移系统中，在无线转移过程中损耗的能量的一些部分作为热被耗散。能量可在谐振器部件本身中耗散。例如，甚至高Q导体和部件具有一些损耗或电阻，且这些导体和部件可在电流和/或电磁场穿过它们流动时变热。能量可在谐振器周围的材料和物体中耗散。例如，在谐振器周围或附近的有缺陷的导体或电介质中耗散的涡流可使那些物体变热。除了影响那些物体的材料特性以外，该热可通过导电、辐射或对流过程转移到谐振器部件。这些加热效应中的任一个可影响谐振器Q、阻抗、频率等，因此影响无线能量转移系统的性能。
在包括磁性材料块或核心的谐振器中，由于从所引入的涡流产生的磁滞损耗和电阻损耗，热可在磁性材料中产生。这两个效应都取决于材料中的磁通量密度，且都可产生相当大量的热，特别是在通量密度或涡流可被聚集或局部化的区域中。除了通量密度以外，振荡磁场的频率、磁性材料成分和损耗以及磁性材料的周围或操作温度也都可能影响磁滞和电阻损耗如何加热材料。
在实施方案中，可对特定的操作功率水平和环境选择磁性材料的特性例如材料的类型、块的尺寸等以及磁场参数，以最小化磁性材料的加热。在一些实施方案中，在磁性材料块中的变化、裂缝或缺陷可能在无线功率传输应用中增加磁性材料的损耗和加热。
对于具有缺陷或由布置在较大单元内的较小尺寸的磁性材料瓦片或片组成的磁性块，块中的损耗可能是不均匀的，且可能聚集在存在相邻的磁性材料瓦片或片之间的异质性或相对窄的间隙的区域中。例如，如果不规则的间隙存在于磁性材料块中，则穿过材料的各种磁通量路径的有效磁阻可能明显不规则，且磁场可能更集中在磁阻最低的块的部分中。在一些情况下，有效磁阻可能在瓦片或片之间的间隙最窄或缺陷的密度最低的地方最低。因为磁性材料引导磁场，磁通量密度在整个块中可能明显不一致，但可能集中在提供相对较低的磁阻的区域中。在磁性材料块内的磁场的不规则集中可能不是合乎需要的，因为它们可导致材料中的不均匀损耗和热耗散。
例如，考虑包括导体1506的磁谐振器，导体1506缠绕在由接合的两个单独的磁性材料瓦片1502、1504组成的磁性材料块周围，使得它们形成垂直于导体1506的回路的轴的接缝1508，如图15所示。在磁性材料瓦片1502、1504之间的接缝1508中的不规则间隙可迫使谐振器中的磁场1512(由虚磁场线示意性示出)集中在磁性材料的横截面的子区域1510中。因为磁场将遵循最小磁阻的路径，包括两个磁性材料片之间的空气间隙的路径可产生比在磁性材料片接触或具有较小的空气间隙的点处横穿磁性材料的宽度的路径实际上更高磁阻的路径。磁通量密度可因此优先流经磁性材料的相对小的交叉区域，导致在该小区域1510中的高浓度的磁通量。
在所关注的很多磁性材料中，较不均匀的通量密度分布导致较高的总损耗。此外，较不均匀的通量分布可导致材料饱和，并引起磁通量被集中的区域的局部加热。局部加热可在加重损耗的一些情况下改变磁性材料的特性。例如，在一些材料的操作的相关状况中，磁滞和电阻损耗随着温度而增加。如果加热材料增加了材料损耗，导致更多的加热，则材料的温度可继续增加，且如果没有采取校正行动则甚至失控。在一些情况下，温度可达到100度或更多，并可能使磁性材料的特性和无线功率转移的性能退化。在一些情况下，磁性材料可能被损坏，或周围的电子部件、封装和/或外壳可能被额外的热损坏。
在实施方案中，在磁性材料块的瓦片或片之间的变化或不规则性可通过用机器加工、磨光、研磨等瓦片或片的边缘来最小化，以确保磁性材料的瓦片之间的紧密配合，提供穿过磁性材料块的整个横截面的实质上更均匀的磁阻。在实施方案中，磁性材料块可能需要用于提供瓦片之间的压缩力的装置，以确保瓦片紧密压在一起而没有间隙。在实施方案中，可在瓦片之间使用粘合剂以确保它们保持处于紧密接触中。
在实施方案中，相邻的磁性材料瓦片的不规则间隔可通过增加相邻磁性材料瓦片之间的周密间隙来减小。在实施方案中，周密的间隙可用作隔板以确保磁性材料瓦片或片之间的均匀或规则间隔的周密间隙。柔性材料的周密间隙也可减小由于瓦片运动或振动引起的在间隔中的不规则性。在实施方案中，相邻的磁性材料瓦片的边缘可以使用电绝缘体来被捆绑、浸没、涂覆等，以防止涡流流经块的减小的横截面区域，因而降低材料中的涡流损耗。在实施方案中，分隔件可集成到谐振器封装中。隔板可提供1mm或更小的间隔。
在实施方案中，在瓦片之间的隔板的机械特性可被选择，以便提高总结构对机械效应例如由于固有效应(例如，磁致伸缩、热膨胀等)引起的瓦片的尺寸和/或形状的变化以及外部震动和振动的忍耐力。例如，隔板可具有期望量的机械弹性以适应单独瓦片的膨胀和/或收缩，并可在瓦片受到继续振动时帮助减小瓦片上的应力，因而帮助减少裂缝的出现和在磁性材料中的其它缺陷。
在实施方案中，可能优选地布置包括磁性材料块的单独的瓦片以最小化垂直于谐振器的偶极矩的在瓦片之间的接缝或间隙的数量。在实施方案中，可优选地布置并定向磁性材料瓦片以最小化垂直于由包括谐振器的导体的回路形成的轴的在瓦片之间的间隙。
例如，考虑图16所示的谐振器结构。谐振器包括缠绕在磁性材料块周围的导体1604，磁性材料块包括布置在三乘二阵列中的六个分开的单独瓦片1602。瓦片的布置导致当在一个方向上横穿磁性材料块时的两个瓦片接缝1606、1608以及当在正交方向上横穿磁性材料块时的仅仅一个瓦片接缝1610。在实施方案中，可优选地将导体电线1604缠绕在磁性材料块周围，使得谐振器的偶极矩垂直于最少数量的瓦片接缝。发明人观察到，有在平行于谐振器的偶极矩的接缝和间隙1606、1608周围引起的相对较少的加热。垂直于谐振器的偶极矩延伸的接缝和间隙也可称为临界接缝或临界接缝区域。然而，电隔离平行于谐振器的偶极矩延伸的间隙(例如，1606和1608)以便减小涡流损耗可能仍然是合乎需要的。由这样的平行间隙分开的瓦片之间的不均匀接触可能使涡流流经窄接触点，导致在这样的点处的大损耗。
在实施方案中，使用临界接缝区域的足够冷却可容忍间隔中的不规则性，以当磁性材料变热时防止材料特性的局部退化。将磁性材料的温度维持在临界温度之下可防止由足够高的温度引起的失控效应。由于临界接缝区域的适当冷却，无线能量转移性能可能是令人满意的，而不考虑由于瓦片之间的不规则的间隔、裂缝或间隙引起的额外的损耗和加热效应。
谐振器结构防止磁性材料的过多的局部加热的有效散热提出了几个挑战。一般用于散热器和热传导的金属材料可与用于通过谐振器进行无线能量转移的磁场交互作用并影响系统的性能。它们的位置、尺寸、方位和用途应设计成在这些散热材料存在时不过多地降低谐振器的受扰Q。此外，由于磁性材料例如铁酸盐的差的导热性，在散热器和磁性材料之间的相对大的接触区域可能需要提供足够的冷却，其可能需要相当大数量的有损材料放置在磁谐振器附近。
在实施方案中，可使用导热材料的战略放置以对无线能量转移的最小影响来实现谐振器的足够冷却。在实施方案中，导热材料条可放置在导体电线的回路之间并与磁性材料块热接触。
图17示出了具有导热材料条的谐振器的一个示例性实施方案。图17A示出没有传导条且具有包括形成间隙或接缝的较小的磁性材料瓦片的磁性材料块的谐振器结构。导热材料条1708可放置在导体1702的回路之间并与磁性材料块1704热接触，如图17B和17C所示。为了最小化条对谐振器的参数的影响，在一些实施方案中，布置平行于导体的回路或垂直于谐振器的偶极矩的条可能是优选的。导体条可放置成覆盖瓦片之间的尽可能多的接缝或间隙，特别是在瓦片之间的垂直于谐振器的偶极矩的接缝。
在实施方案中，导热材料可包括铜、铝、黄铜、热环氧树脂、糊状物、垫等，并可以是具有至少是谐振器中的磁性材料的导热率(对于一些商业亚铁酸盐材料为约5W/(K-m))的导热率的任何材料。在导热材料也是导电的实施方案中，材料可能需要电绝缘体的层或涂层，以防止与磁性材料或谐振器的导体的回路的短路和直接电接触。
在实施方案中，导热材料条可用于将热从谐振器结构传导到可安全地耗散热能的结构或介质。在实施方案中，导热条可连接到散热器，例如位于导体条之上的大板，其可使用被动或强制对流、辐射或传导来将热能耗散到环境。在实施方案中，系统可包括可以在可耗散来自导热条的热能的谐振器结构外部或内部的任何数量的主动冷却系统，并可包括液体冷却系统、压缩空气系统等。例如，导热条可以是中空的或包括冷却剂的通道，冷却剂可被抽送或强制穿过以冷却磁性材料。在实施方案中，由良电导体(例如铜、银、铝等)制成的场偏转器可作为散热装置的部分来加倍。导热和导电条添加到磁性材料和场偏转器之间的空间可以对受扰Q有边际效应，因为在该空间中的电磁场一般被场偏转器的存在抑制。这样的传导条可热连接到磁性材料和场偏转器两者，以使不同条当中的温度分布变得更均匀。
在实施方案中，导热条被隔开以允许导体的至少一个回路缠绕在磁性材料周围。在实施方案中，导热材料条可只位于磁性材料的一些或所有间隙或接缝处。在其它实施方案中，条可定位成接触实质上在其整个长度上的磁性材料。在其它实施方案中，条可被分布以匹配磁性材料内的通量密度。在谐振器的正常操作下可具有较高的磁通量密度的磁性材料的区域可具有与导热条的较高接触密度。在例如图17A所示的实施方案中，可观察到在磁性材料中的最高磁通量密度朝着磁性材料块的中心，且较低的密度可朝着谐振器的偶极矩的方向上的块的端部。
为了显示导热条的使用如何帮助减小磁性材料中的总温度以及在可能的热点处的温度，发明人执行与图17C中所示的谐振器结构类似的谐振器结构的有限元件模拟。该结构被模拟为在235kHz的频率处操作并包括测量30cm x 30cm x 5cm的EPCOS N95磁性材料块，其由10匝辫编线(对称地放置在离结构的对称平面25mm、40mm、55mm、90mm和105mm处)激励，每匝辫编线携带40A的峰值电流，并通过三个3x3/4x1’铝(合金6063)中空正方形管(1/8”壁厚)热连接到50cm x 50cm x 4cm场偏转器，该管的中心轴放置在离结构的对称平面-75mm、0mm和+75mm处。由于场偏转器和中空管引起的受扰Q被发现为1400(与没有中空管的同一结构的1710相比)。在护罩和管中消耗的功率被计算为35.6W，而在磁性材料中消耗的功率是58.3W。假定结构通过空气对流和辐射以及24℃的周围温度而被冷却，结构中的最大温度是85℃(在中空管之间大约中途的磁性材料中的点处)，而与中空管接触的磁性材料的部分中的温度为大约68℃。通过比较，没有导热中空管的相同谐振器对于40W峰值的相同的激励电流在磁性材料中消耗62.0W，且磁性材料中的最大温度被发现是111℃。
如果我们在与管热接触的磁性材料的一部分中引入缺陷，传导带的优点还更明显。10cm长并放置在离磁性材料的中心处0.5mm处且垂直于偶极矩定向的空气间隙将在磁性材料中消耗的功率增加到69.9W(相对于以前讨论的无缺陷例子的额外的11.6W高度集中在空气间隙附近)，但传导管确保磁性材料中的最大温度只有11℃到96℃的相对适度的增加。相反，没有传导管的相同缺陷导致在缺陷附近的161℃的最大温度。除了对流和辐射以外的冷却解决方案例如将传导管主体与大的热块连接或主动冷却它们可能在同一电流水平处对这个谐振器导致甚至更低的操作温度。
在实施方案中，热传导材料条可位于可能具有发展裂缝的最高概率的区域处，裂缝可能引起磁性材料中的不规则的间隙。这样的区域可以是材料上的高应力或应变的区域，或具有来自谐振器的封装的差支撑或支持的区域。战略上定位的导热条可确保当裂缝或不规则间隙在磁性材料中发展时，磁性材料的温度将被维持在其临界温度之下。临界温度可被定义为磁性材料的居里温度，或谐振器的特征降低而超出期望性能参数的任何温度。
在实施方案中，散热结构可提供对磁性材料的机械支撑。在实施方案中，散热结构可设计成具有期望量的机械弹性(例如，通过使用具有适当的机械特性以热连接结构的不同元件的环氧树脂、热垫等)，以便给谐振器提供对其元件的固有尺寸中的变化(由于膨胀、磁致伸缩等)以及外部震动和振动的较大数量的忍耐力，并防止裂缝和其它缺陷的形成。
在谐振器包括缠绕在磁性材料周围的正交绕组的实施方案谐振器中，传导材料条可被调整以产生与两组正交的相邻回路所划界的区域内的磁性材料的热接触。在实施方案中，条可包含适当的缺口以安装在至少一个正交绕组的导体周围，同时在至少一个点处产生与磁性材料的热接触。在实施方案中，磁性材料可以与放置在相邻回路之间的多个导热块热接触。导热块又可通过良热导体和/或散热器热连接到彼此。
在整个这个描述中，虽然术语导热材料条用作材料的形状的示例性样本，本领域技术人员应理解，任何形状和轮廓可以被代替，而不偏离本发明的精神。正方形、椭圆、条、点、细长形状等将都在本发明的精神内。
无线功率中继器谐振器
无线功率转移系统可合并配置成与一个或多个源谐振器、设备谐振器或额外的中继器谐振器交换能量的中继器谐振器。中继器谐振器可用于扩展无线功率转移的范围。中继器谐振器可用于改变、分配、集中、增强等由源产生的磁场。中继器谐振器可用于引导在有损和/或金属物体周围的源谐振器的磁场，这些物体可能以其它方式阻挡磁场。中继器谐振器可用于消除或减小低功率转移的区域或在源周围的低磁场的区域。中继器谐振器可用于提高一个或多个源和目标设备谐振器之间的冷却效率，并可用于提高具有不同的方位的谐振器之间的耦合，或其偶极矩不可被有利地对准。
由源磁谐振器产生的振荡磁场可在中继器谐振器的导体部分中引起电流。当这些电流在谐振器中振荡时，它们可产生其自己的磁场，从而扩展或改变源的磁场区域或磁场分布。
在实施方案中，中继器谐振器可作为一个或多个设备谐振器的源操作。在其它实施方案中，设备谐振器可同时接收磁场并重复磁场。在又一些其它实施方案中，谐振器可在作为源谐振器、设备谐振器或中继器谐振器操作之间交替。该交替可通过时间复用、频率复用、自调谐或通过集中式控制算法来实现。在实施方案中，多个中继器谐振器可位于区域中并调谐进和谐振出以实现空间上变化的磁场。在实施方案中，强磁场的局部区域可由谐振器的阵列产生，且强场区域的位置可通过改变阵列中的谐振器的电分量或操作特征而四处移动。
在实施方案中，中继器谐振器可以是空气-核心电容加载回路磁谐振器。在实施方案中，中继器谐振器可以是磁性材料核心电容加载回路磁谐振器。在实施方案中，中继器谐振器可被调谐以具有实质上等于该中继器谐振器被设计成交互作用或耦合的源或设备或至少一个其它中继器谐振器的频率的谐振频率。在其它实施方案中，中继器谐振器可被解谐以具有实质上大于或实质上小于该中继器谐振器被设计成交互作用或耦合的源或设备或至少一个其它中继器谐振器的频率的谐振频率。优选地，中继器谐振器可以是具有100或更大的固有品质因数Qr的高Q磁谐振器。在一些实施方案中，中继器谐振器可具有小于100的品质因数。在一些实施方案中，在其它实施方案中，在又一些实施方案中，
在实施方案中，中继器谐振器可只包括电感和电容部件，其包括没有任何额外的电路的谐振器，用于连接到源、负载、控制器、监测器、控制电路等。在一些实施方案中，中继器谐振器可包括额外的控制电路、调谐电路、测量电路或监测电路。额外的电路可用于监测中继器谐振器的电压、电流、相位、电感、电容等。中继器谐振器的测量参数可用于调节或调谐中继器谐振器。控制器或微控制器可由中继器谐振器使用来主动调节中继器谐振器的电容、谐振频率、电感、电阻等。可调谐中继器谐振器可能对防止中继器谐振器超过其电压、电流、温度或功率限制是必要的。中继器谐振器可例如解谐其谐振频率以减小输送到中继器谐振器的功率或调节或控制多少功率被输送到耦合到中继器谐振器的其它设备或谐振器。
在一些实施方案中，中继器谐振器的供电和控制电路可由中继器所捕获的能量供电。中继器谐振器可包括AC到DC、AC到AC或DC到DC转换器和调节器以向控制或监测电路提供功率。在一些实施方案中，中继器谐振器可包括额外的能量储存部件例如电池或超电容器以在无线功率转移中断的瞬间或延长的时期期间向供电和控制电路供应功率。当中继器谐振器在任何无线电源的范围内时，电池、超电容器或其它功率储存部件可在正常操作期间被周期性或连续地再充电。
在一些实施方案中，中继器谐振器可包括通信或发信号能力，例如可用于协调从一个源或多个源到特定的位置或设备或多个位置或设备的功率转移的WiFi、蓝牙、近场等。散布在整个地点的中继器谐振器可被发信号通知以选择性地调谐特定的谐振频率或从特定的谐振频率解谐以扩展从源到特定的位置、区域或设备的磁场。多个中继器谐振器可用于选择性地调谐、解谐功率或将功率从源分程传递到特定的区域或设备。
中继器谐振器可包括设备，可从源输送或捕获到中继器谐振器的能量中的一些、大部分或全部可用来使用。中继器谐振器可向一个或多个电气或电子设备提供功率，同时分程传递或扩展源的范围。在一些实施方案中，低功率消耗设备例如灯、LED、显示器、传感器等可以是中继器谐振器的部分。
在图18-20中示出几种可能的使用配置，其示出包括耦合到电源1800的源谐振器1804、耦合到设备1802的设备谐振器1808、以及中继器谐振器1806的无线功率转移系统的示例性布置。在一些实施方案中，中继器谐振器可在源谐振器和设备谐振器之间使用以扩展源的范围。在一些实施方案中，中继器谐振器可位于源谐振器之前和比设备谐振器离源谐振器更远处，如图18B所示。对于图18B所示的配置，与如果不使用中继器谐振器比较，在源和设备之间的更有效的功率转移可能是可能的。在图18B所示的配置的实施方案中，中继器谐振器比设备谐振器大可能是优选的。
在一些实施方案中，对于高耦合因子或能量转移效率，中继器谐振器可用于提高非同轴谐振器或偶极矩未对准的谐振器之间的耦合。例如，中继器谐振器可用于通过将中继谐振器放置在源和设备之间使它与如图19A所示的设备谐振器对准或与如图19B所示的源谐振器对准来增强未同轴地对准的源谐振器和设备谐振器之间的耦合。
在一些实施方案中，多个中继谐振器可用于一个在另一个之后地将无线能量转移扩展到多个方向或多个中继器谐振器中，以延伸如图20A所示的功率转移距离。在一些实施方案中，连接到负载或电子设备的设备谐振器可作为如图20B所示的另一设备的中继器谐振器、中继器谐振器或设备谐振器同时或交替地操作。注意，对可在给定系统或操作情景中使用的谐振器的数量没有理论限制，但在优选实施方案中可能没有产生某个数量的谐振器的实际问题。例如，系统成本考虑因素可能限制可在某个应用中使用的谐振器的数量。系统尺寸或集成考虑因素可限制在某些应用中使用的谐振器的尺寸。
在一些实施方案中，中继器谐振器可具有与源谐振器或设备谐振器相同的尺寸、大小或配置。在一些实施方案中，中继器谐振器可具有与源谐振器或设备谐振器不同的尺寸、大小或配置。中继器谐振器可具有比设备谐振器大或比源谐振器大或比这两者大的特征尺寸。较大的中继器谐振器可提高在源和设备之间的较大间距处在源谐振器和中继器谐振器之间的耦合。
在一些实施方案中，可在无线功率转移系统中使用两个或更多个中继器谐振器。在一些实施方案中，可使用具有两个或更多个源或设备的两个或更多个中继器谐振器。
在使用中继器谐振器的橱柜照明下
中继器谐振器可用于在照明应用中增强功率转移。图21对厨房照明配置示出了使用中继器谐振器的无线功率转移系统的一个示例性应用。在源谐振器2112、2114和内置在灯2104中的设备谐振器2106之间的功率转移可由位于灯2104或设备谐振器2106之上或附近的额外的中继器谐振器2108增强或提高。
较大的中继器谐振器添加到灯附近可增加源和灯之间的耦合和功率转移效率，并可允许较小、较不显眼和更有效的源或源谐振器或较小的灯或设备谐振器的使用。
在实施方案中，中继器谐振器可以是缠绕在依尺寸制造以安装在橱柜内部的平面、扁平、矩形线圈中的电容加载回路。中继器谐振器可集成到刚性或柔性垫或壳体中，允许将规则橱柜内容物放置在谐振器的顶部上。中继器谐振器可合并在一般用于给橱柜加衬里的材料例如接触印相纸、垫子、非滑动垫木餐位餐具垫等中。在实施方案中，中继谐振器可设计成连接到橱柜的底部，并可与灯的连接机构或连接点集成。在一些实施方案中，灯可能不需要额外的设备谐振器，但可直接连接或可集成到中继器谐振器中。
在实施方案中，设备谐振器可内置到灯中，并设计成耦合到中继器谐振器。每个灯可与其自己的设备谐振器以及本文描述的供电和控制电路集成。每个灯可包括适当的AC到AC、AC到DC、或DC到DC转换器和驱动器以给设备的发光部分供电并控制设备的发光部分。使用在嵌入灯中的设备谐振器之上的中继器谐振器，以到点的自由度将灯定位在橱柜下的任何地方并在橱柜下的特定区域或点处移动设备可能是可能的。具有集成的谐振器以及设备供电和控制电路的灯可使用粘合剂或任何数量的已知紧固件连接到橱柜的底部。
在实施方案中，源谐振器可集成在源中，该源是电源插座盖或任何类型的壁板。图22示出了在橱柜照明下的源的一个例子。源谐振器2204可集成到电源插座2202的盖中，盖可覆盖现有插座2206并安装在现有插座2206周围。源的供电和控制电路2208可集成到盖中。盖可以插入或连接到插座的任一个中，允许供电和控制电路直接从具有120VAC或230VAC等的插座被供电，使源变得完备的且不需要任何额外的配线、插头、电源插座、接线盒等。可由最终用户通过用无线源盖代替插座盖来改进源。
在实施方案中，源谐振器可集成在插入位于橱柜下的电源插座的源中。源可延伸出电源插座或在电源插座周围，提供扩展的容积或盒，谐振器以及供电和控制电路可集成到该容积或盒中。
在实施方案中，源谐振器可设计成代替完整的插座，其中插座盒或插座接线盒可用于源的供电和控制电路。代替插座的盖可具有与功能插座盖类似的形状或外观，但可具有集成到盖的周界中用于转移无线功率的谐振器。在实施方案中，盖可以是装饰性的，以匹配厨房摆设。在实施方案中，无线功率电路可包括故障中断电路和其它必要的安全、节电或调整电路。
在实施方案中，源可包括用于接通或断开源并从而允许中央位置打开或关闭无线供电的灯的手动或自动开关或传感器。源可与定时器或灯传感器集成以当其它灯在区域中或被打开或关闭时自动打开或关闭。例如，无线功率转移系统可包括运动传感器或定时器以根据在房间或一天的某个时间某人的探测到的存在来打开和关闭灯。
在一个示例性配置中，包括10匝辫编线并具有大于100的品质因数Q的15cm×15cm源谐振器连接到墙，低于悬挂的橱柜23cm。具有包括八匝辫编线并具有大于100的品质因数的集成的7.5cm直径谐振器的一个圆灯安装在橱柜的底部上的源谐振器之上23cm处。包括10匝辫编线并具有大于100的品质因数的29cm乘86cm矩形中继器谐振器放置在源之上24cm处的橱柜内部。在这个示例性实施方案中，中继器谐振器用于增强在安装在墙上的源和安装在橱柜下的灯之间的功率转移的效率。在没有中继器谐振器的情况下，功率转移的效率小于5％。使用如所述的中继器谐振器，功率转移的效率大于50％。
注意，虽然在一个源谐振器和一个设备谐振器方面描述了某些实施方案，本描述包括使用多个源和/或多个设备的系统。也注意，谐振器可同时或交替地被调谐为源谐振器、设备谐振器或中继器谐振器。
高功率谐振器外壳
在实施方案中，高Q谐振器以及供电和控制电路可能需要特殊的封装或外壳，其将高电压或电流限制在外壳内，保护谐振器和电气部件免受风雨、潮湿、沙子、尘土和其它外部元素，以及免受冲击、振动、刮擦、爆炸和其它类型的机械震动。在实施方案中，封装和外壳可能需要对热耗散的特殊的考虑，以维持电气部件和外壳中的谐振器的操作温度范围。封装和外壳可能需要特殊的考虑因素来减小在无线功率转移期间外壳或周围环境的材料或部件中的损耗或能量消耗。
图23示出对车辆充电应用设计的谐振器外壳的一个实施方案的分解图。外壳包括支撑板2306、良导体层或薄片2304、单独的片2312和包围谐振器2310的外壳盖2302、供电和控制电路或电子部件2308中的任一个或全部，以及外壳零件的任一个或全部。支撑板2306可由可支持外壳的结构完整性的刚性材料制成。例如，支撑板可由铝、钢、铸铁、黄铜、木材、塑料、任何类型的复合材料等制成，这些材料提供用于安装盖并经受谐振器的重量的足够的硬度，该重量在一些实施方案中可以是多达10公斤或多达20公斤。在该示例性实施方案中，支撑板可包括用于将外壳安装到车辆的安装孔。
良导体层或薄片2304可被包括在支撑板2306之上。在一些实施方案中，良导体层或薄片可与支撑板电和/或热隔离。在其它实施方案中，有与支撑板电和/或热接触的良导体层或薄片可能是优选的。
分隔片2312可位于导体薄片的顶部上，并可提供良导体层或片和谐振器7910之间的某个间距。在良导体层或薄片和谐振器之间的优选间隔可取决于谐振器的操作频率、谐振器的尺寸、谐振器所包括的材料、将被转移的功率水平、围绕谐振器的材料等。
外壳盖2302可以用覆盖或包围并保护内部谐振器和任何内部部件的方式连接到支撑板。对于图23的外壳设计，使用平面谐振器，例如图2D所示的包括缠绕在矩形形式的磁性材料周围的导体的谐振器可能是优选的。
在实施方案中，良导体层或薄片可包括任何高导电性材料，例如铜、银、铝等。在实施方案中，良导体层或薄片在谐振器操作频率处可以比导体的外皮深度厚。在实施方案中，良导体层或薄片在谐振器操作频率处可以比导体的外皮深度厚几倍。在实施方案中，导体薄片比谐振器的尺寸大或延伸出谐振器的物理范围、保护谐振器免受有损和/或金属材料的影响可能是有益的，这些材料可以在外壳外部和支撑板2306后面或之下。在实施方案中，导体薄片可延伸出谐振器的周界至少1cm。在其它实施方案中，导体薄片可延伸出谐振器的周界至少2cm。在实施方案中，导电薄片的尺寸可被选择成使得安装的谐振器的受扰Q是在未安装的外壳中的谐振器的受扰Q的至少2％。在实施方案中，导电薄片的尺寸可被选择成使得安装的谐振器的受扰Q是在未安装的外壳中的谐振器的受扰Q的至少10％。在其它实施方案中，导电薄片的尺寸可被选择成使得安装的谐振器的受扰Q是在未安装的外壳中的谐振器的受扰Q的至少25％。在实施方案中，导电薄片的尺寸可被选择成使得安装的谐振器的受扰Q是在未安装的外壳中的谐振器的受扰Q的至少50％。在其它实施方案中，导体薄片可以尽可能大且仍然安装到外壳中。
在实施方案中，提供导体薄片和谐振器之间的间隔的分隔片可以是电绝缘器。在实施方案中，分隔片也是可提供来自谐振器的热耗散的良热导体可能是有利的。在实施方案中，分隔片可包括用于主动冷却的供应物，其包括空气或冷却剂循环。分隔片可以是大致与外壳的谐振器的相同的尺寸，或它可以比谐振器小。分隔片的尺寸可取决于谐振器的刚度。在实施方案中，分隔片可提供谐振器和导体薄片之间的至少0.5cm的间隔。在其它实施方案中，分隔片可提供谐振器和导体薄片之间的至少1cm的间隔。在实施方案中，分隔件薄片可被成形为为谐振器的某些部分提供更多的间隔。
在实施方案中，分隔片的厚度和材料可被选择成使得所包围的谐振器的受扰Q是未受扰Q的至少2％。在实施方案中，分隔片的厚度和材料可被选择成使得所包围的谐振器的受扰Q是未受扰Q的至少10％。在实施方案中，分隔片的厚度和材料可被选择成使得所包围的谐振器的受扰Q是未受扰Q的至少25％。在实施方案中，分隔片的厚度和材料可被选择成使得所包围的谐振器的受扰Q是未受扰Q的至少50％。
在实施方案中，外壳盖可由无损材料、优选地由非金属材料制成。在实施方案中，外壳盖可由塑料、尼龙、特氟隆、Rexolite、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、橡胶、PVC(聚氯乙烯)、丙烯酸、聚苯乙烯等制成。材料可被选择成提供足够的结构强度来保护谐振器免受冲击、振动和盖上的支撑负载。材料可被选择成抵抗对车辆设想的操作环境。
在实施方案中，外壳可包括额外的层以提供增加的支撑、刚性、坚固性、忍耐力、耐受性等。在实施方案中，外壳可安装在凯夫拉尔薄片或层后面，或可以缠绕在凯夫拉尔中，以便抵抗子弹、榴弹、简易爆炸装置(IED)和其它武器。在实施方案中，外壳可包括特殊的热材料、电材料、防风雨材料、光材料等。在实施方案中，外壳可包括材料或部分以实现安全系统、控制系统、监测系统、记账系统等。
在一些实施方案中，外壳和封装可包括电子部件和电路。电子部件可包括谐振器的电容器、电感器、开关等或电容器、电感器、开关等，用于阻抗匹配。在一些实施方案中，外壳可包围供电和控制电路的任何和所有部分，供电和控制电路包括放大器、整流器、控制器、电压传感器、电流传感器、温度传感器等。供电和控制电路可能需要额外的冷却或温度调节，并可能需要主动冷却系统或到穿过外壳或外壳的部分循环空气或冷却剂的外部主动冷却系统的连接。在实施方案中，安置或定位电气或电子部件使得它们不与谐振器的偶极矩成一直线可能是优选的。在实施方案中，安置或定位电气或电子部件使得它们最小化谐振器的受扰Q可能是优选的。在实施方案中，可能优选地将电气或电子部件安置或定位在外壳中的良导体层或薄片下面，使得部件被保护而免受谐振器所产生的电磁场，且所以谐振器被保护而免受电气和电子外壳的有损部分的影响。
具有设备谐振器的外壳可依尺寸制造并设计成安装在汽车、机器人、手推车、摩托车、自行车、机动手推车或平台、铲车、施工设备零件、卡车或任何其它车辆之下。图24示出了一些示例性安装和充电配置。可对每个应用的适当功率水平依尺寸制造并配置设备谐振器和源谐振器以及外壳，该功率对于汽车充电系统可以大于3kW，或对于机器人充电系统可以是500W。设备谐振器可配置成从源谐振器接收能量并可用于给车辆的电池、功率电子器件或设备等再充电。外壳和设备谐振器2404中的一个或多个可安装在车辆2402的下侧上、车辆的前面、朝着车辆的后面等，如图24A所示。车辆可具有安装在下侧上的一个外壳，或它可具有带有安装在下侧上的外壳的多个谐振器。
在实施方案中，谐振器和外壳可安装在车辆内部。在一些车辆中，地板面板、轮窝、多余的没有遮住车轮的车身缺口部分或汽车的其它部件可由无损或非金属材料例如塑料、碳纤维、复合物等构成，提供当谐振器在汽车内部时使磁场穿过的窗口。
在实施方案中，设备谐振器可包括到车辆的连接用于使冷却剂向电子器件、部件和外壳内部的谐振器提供主动冷却或加热。
在实施方案中，源谐振器可安装在外壳2408内并集成到橡胶垫2410或如图24B所示的平台中。橡胶垫和外壳可放置在车库或停车空间的地板上，并可连接到电源，当车辆在垫上行使时允许无线功率转移到车辆，以及源谐振器使设备谐振器与如图24C所示的源谐振器对准。
适当尺寸的外壳和谐振器2412可设计成安装在机器人、远程控制的或自动车辆2414的下侧上。机器人可设计有具有源谐振器的停靠笼或充电区域，源谐振器可将电功率转移到机器人。
无源部件补偿
无线功率转移系统的电气部件的参数可被系统的环境条件和/或操作参数或特征影响。部件的电值和性能可能被环境和无线功率转移系统模块的温度、湿度、振动等影响。温度的变化例如可改变电容器的电容、导电回路电感器的电感、磁性材料的损耗等。高环境温度可影响电分量，改变它们的参数，其可能又影响无线功率转移系统的参数。例如，环境温度的升高可增加电容器的电容，该电容可移动或改变无线功率转移系统中的谐振器的谐振频率，该谐振频率又可影响功率转移的效率。
在一些应用中，由于系统的操作点或操作引起的参数的变化消极地影响无线功率转移。例如，在高功率水平处操作无线功率转移系统可能需要部件中的大电流，引起部件的增加的功率消耗和温度增加。温度增加可影响部件的电容、电感、电阻等，并可影响无线功率转移系统的效率、谐振频率等。
在一些应用中，由于操作点引起的参数的变化可产生失控效应，其可消极地影响无线功率转移系统的性能。例如，功率转移和操作可加热谐振器的部件，例如电容器，改变它们的有效电容。电容中的改变可移动谐振器的谐振频率，并可引起功率转移效率的下降。功率转移效率的下降又可导致部件的增加的加热，引起电容中的进一步的变化，引起谐振频率中的较大移动，等等。
图25示出温度对一个市场上可买到的陶瓷电容器的电容的影响。在电容器的工作温度范围内，电容值可改变20％。对于电容器的一些技术或类型，在工作温度范围内的电容变化可以高达50％或200％或更多。作为温度的函数的电容变化可以是温度的单调增或减函数，或它可以是具有一个或多个最大值或在一个或多个不同的温度处的最大值的复函数。作为温度的函数的电容曲线的形状和行为可以是各种电容器技术的设计参数，且一批部件的特定特征可在某些部件的设计和制造期间被调整。温度特征的设计可以是其它参数例如击穿电压、总电容、温度范围等之间的折衷，且因此对于一些应用，在其温度范围内的电容变化可以不是完全可定制的或可优化的。
在无线功率转移系统的实施方案中，部件例如电容器可用在系统的各种部分中。电气部件例如电容器例如可用作谐振器的部分，并可设定谐振器的谐振频率。电气部件例如电容器可用在阻抗匹配网络中和如本文所述的电路的其它部分中。由于温度引起的部件的参数中的变化可影响无线功率转移系统的重要特征，例如谐振的品质因数、谐振频率和阻抗、系统效率和功率输送等。
在一些实施方案中，可使用包括可调谐部件的有源调谐电路补偿部件的参数值中的变化。监测部件和系统的操作环境和操作点的电路可合并在设计中。监测电路可包括主动补偿参数中的变化的可调谐部件。例如，温度读数可用于计算系统的电容中的预期变化，允许通过在额外的电容器或调谐电容器中切换来进行补偿以维持期望电容。
在一些实施方案中，可使用主动冷却、加热、主动环境调节等补偿部件的参数中的变化。
在一些实施方案中，可通过选择具有在经受操作环境或操作点中的差异时以互补或相反的方式改变的特征来减轻部件的参数中的变化。系统可设计有具有由于温度、功率水平、频率等引起的相反的相关性或参数波动的部件，例如电容器。例如，系统的相同电容器或其它部件可被选择或设计成使得它们具有在特定的温度范围内的正温度系数，即，当温度增加时，部件的电容增加，如图26A所示。系统中的一些电容器或其它部件可被选择或设计成使得它们具有在特定的温度范围内的负温度系数，即，当温度增加时，部件的电容减小，如图26A的第二曲线所示的。通过适当地选择系数，具有相反的温度系数的两个电容器部件的并联放置可抵消由于温度变化引起的电容变化。也就是说，当一个部件的电容由于温度的上升而上升时，其它部件的电容将减小，从而引起总电容中的净零变化。
被动参数变化补偿可能对很多应用是有利的。被动补偿方法可能比主动调谐方法更不昂贵和更简单，因为不需要主动传感器和控制装置或控制器。被动补偿方法对传统控制器和传感器可以不起作用或可能难以使用的应用可能是有利的。高温、高辐射环境可能使数字或模拟主动监测和控制电路变得不实际或不可能使用。被动补偿方法可具有较高的可靠性，可以较小和较不昂贵，因为它需要较少的净部件来实现系统性能稳定。
在实施方案中，被动补偿方法可与主动调谐和控制方法或系统结合。被动补偿可减小主动调谐和控制方法和系统可能需要操作或补偿的范围。在一些实施方案中，归因于被动部件的补偿可能不是足够的。热系数或部件值中的变化可导致不完全的被动补偿并需要额外的主动调谐。被动补偿到主动调谐方法的添加可减小对主动调谐方法的所需调谐范围要求。主动调谐可能只需要补偿由于不完整或部分被动调谐补偿引起的小变化和瑕疵，其可能是如果被动补偿未包括在系统中则需要补偿的参数中的总变化的一小部分。
在一些实施方案中，被动补偿可在系统的完整的温度范围或操作范围内实现。在一些实施方案中，被动补偿可在系统的部分温度或操作范围内实现，并可能需要从主动调谐系统或方法的额外调谐。
被动补偿可使用串联、并联或以其任何组合放置的部件由具有各种热参数的部件的各种布置来实现。被动补偿可使用具有不同的参数变化的至少两个部件实现，这些变化由相同的环境或部件变化产生。在一些实施方案中，可能必须使用串联、并联或以其任何组合放置的三个或更多个部件来获得在期望范围内的必要补偿。例如，图26B所示的具有电容曲线的三个部件可并联地放置以实现由于在其完整的温度范围内的电容变化引起的被动补偿。在一些实施方案中，一个部件可用于使几个部件的变化偏移。
在一些系统实施方案中，谐振器或系统的特定部分可比其它部分暴露于更大的参数波动。例如，由于对太阳、热源、较高损耗部件、外壳或通风块等的局部暴露，电路的一些部分可比其它部分加热得更多。在一些系统中，在整个外壳、谐振器、电路或设计中分配部件以防止可能以非对称方式影响部件的温度梯度的温度差异可能是有利的。
在一些实施方案中，部件参数的变化可用作安全机制，或它们可用于调节或增强功率转移的参数。部件可被选择或设计成具有特定或预定的参数偏差。例如，诸如电容器的部件可被选择成具有超出、低于某个温度值或在某个温度值之间的电容的明显增加或降低。具有在特定的温度之后有明显增加的电容曲线的电容器可用在设备或功率捕获谐振器中以在阈值温度达到时自动解谐设备谐振器。这样的特征可用作被动安全特征，因为额外的热可能意味着设备正超过其功率额定值。使用正确的部件选择，部件可从源的谐振频率解谐设备谐振器，减少设备谐振器所捕获的功率，防止使设备过热或超过设备的功率额定值。
应理解，在本章节中概述的方法和设计可适用于很多不同类型的电气部件和很多类型的参数变化。虽然主要使用电容器、电容和温度作为电容变化的原因而概述了方法和设计，本领域的技术人员应清楚，方法和设计可用在无线功率转移系统的各种其它部件中。类似的行为可被利用来补偿由于温度变化、电压水平、电流水平、湿度、振动、气压、磁场强度、电场强度、对元件的暴露等而引起的电感器的电感、电容器的电容、磁性材料的磁阻和损耗等的变化。
在一些实施方案中，一种类型的部件的参数的变化可使用另一类型的部件的变化来补偿。例如，谐振器线圈的电感中的变化可由其它部件例如电容器的温度变化来补偿。
使用被动补偿的电气元件可被串联或并联地放置，或可分布在谐振器、无线电源或无线功率设备的电感器中。
示例性谐振器优化
谐振器的特性或性能以及无线功率转移的参数可被谐振器的结构、配置或操作中的变化影响。对谐振器配置、结构或操作的改变可用于优化谐振器的品质因数，改变磁场的分布，减少损耗，或减少或改变谐振器与其它物体的交互作用。
在实施方案中，缠绕在磁性材料周围的导体回路的跨距可影响谐振器周围的磁场分布。对于平面谐振器结构或包括缠绕在磁性材料周围的导体的例如图27A中所示的谐振器，在结构周围的磁场的分布可被导体绕组的跨距改变或影响。缠绕在磁性材料核心2702周围的包括谐振器结构的导体2704可被缠绕以具有覆盖磁性材料的特定跨距(该跨距由图27A中的尺寸B描绘)。可通过以在单独的导体回路之间的较大或较小的间隔缠绕导体、通过改变磁性材料周围的导体的回路的数量等来选择或修改该跨距或尺寸。与周围缠绕有导体的磁性材料的跨距或尺寸(被定义为图27A中的尺寸A)比较，导体回路的跨距可影响在谐振器周围产生或局部化的最大磁场。例如，当导体的跨距(图27A中的尺寸B)实质上等于周围缠绕有导体的磁性材料的长度(图27A中的尺寸A)时，在谐振器中产生或引起的磁场可由导体回路引导和集中到磁性材料的端部，导致在谐振器2710的磁性材料的端点处的相对高的磁场。如果导体的跨距比周围缠绕有导体的磁性材料的长度小得多，则由谐振器产生的磁场可集中在导体回路附近，导致在那些位置处的高磁场。对于一些系统或应用，在谐振器周围的最大磁场强度可能是关键参数，且可能优选地确保磁场尽可能实质上均匀地分布在谐振器周围，以便与谐振器周围的其它区域比较，消除或减少具有相对高的磁场的“磁场热点”或区域。对于更均匀的场分布，可能优选地有实质上为核心材料的总长度的50％的导体回路跨距并被居中，使得相等数量的磁性材料在谐振器的偶极矩的方向上延伸出导体回路。对于在谐振器周围的最大磁场强度可能是关键参数的系统或应用，可能优选地有实质上是缠绕在磁性材料2704周围的导体的跨距的两倍的磁性材料的跨距。
与在同一磁性材料结构上的导体绕组的三个不同跨距的最大磁场强度比较，当执行有限元件方法时，观察到磁场的分布中的差异。模拟模仿包括45cm宽乘45cm长乘1cm厚的磁性材料块的谐振器之间的无线功率转移。对在175kHz处操作并谐振的两个谐振器之间的21cm间隔处转移3.3kW的功率的配置计算最大磁场强度。对具有以10cm、20cm和30cm的跨距缠绕在磁性材料周围的导体的10个回路的谐振器计算场。对于具有大致为磁性材料的跨距(20cm)的一半的导体跨距的配置，在离设备谐振器3cm的距离处的最大磁场是0.74x10-3TRMS。对于10cm和30cm的导体跨距，最大磁场强度都是0.95x10-3T RMS，并分别集中在导体处或磁性材料的端部处。
在最大磁场强度可能是关键参数的系统和应用中，减少缠绕有导体回路的磁性材料的尖锐边缘或角也可能是优选的。将磁性材料的角削去或切成圆角可能是优选的。
在实施方案中，将谐振器的供电和控制电路定位在包括磁性材料的外壳中可用于优化谐振器的受扰品质因数。可以是供电和控制电路的部分并常常需要位于谐振器附近的外部电路板或电子设备可影响谐振器和无线功率转移系统的参数。电路板或电子部件可装入谐振器，引起损耗，并影响谐振器的电容、品质因数、电感等。在实施方案中，可包括放大器、功率转换器、微处理器、开关、电路板和其它有损物体的供电和控制电路可完全或部分地被封入谐振器的磁性材料内部，这可消除或减少在谐振器参数上的电路的扰动效应。
使用谐振器的磁性材料来容纳电子部件的一个实施方案的图在图27B中示出。该图示出包括缠绕在磁性材料2702周围的导体回路2704的磁谐振器的横截面。磁性材料2702可以是中空外壳，使得供电和控制电路或2708其它电气或电子电路和设备中的一些或全部可以在磁性材料2702内部。与放置在谐振器的外部和附近但没有封入磁性材料中的电路比较，将电路定位和封入谐振器的磁性材料内部可消除或实质上减少电子设备对谐振器固有Q的扰动Q和因而产生的无线功率转移效率。磁性材料外壳可引导由谐振器的导体或由在磁性材料内部的电路和物体周围并远离电路和物体的外部源产生的振荡磁场，从而防止磁场与有损电子部件和/或其它物体交互作用。
包括具有0.5cm壁厚和缠绕在磁性材料的中部周围的辫编线导体的二十个回路的磁性材料的中空盒的示例性11cm x 5cm x 20cm磁谐振器可用于展示有损材料对谐振器的品质因数的影响，以及磁性材料的中空外壳减小这些有损材料的扰动Q的能力。上面描述的示例性谐振器的固有Q具有品质因数Q＝360。在一些实施方案中可以是包含供电和控制电路的电路板的、直接放置在磁性材料的外部上的谐振器导体的顶部上的电路板干扰谐振器并将结构的受扰品质因数减小到130。然而，将同一电路板放置在包括谐振器的磁性材料的中空盒内部对谐振器的品质因数没有影响，产生实质上等于固有品质因数的受扰品质因数。
在实施方案中，谐振器的磁性材料可包括可用于通风、通信、配线、连接、安装孔、冷却等的孔、凹口、间隙等。当供电和控制电路配置成安装在磁性材料孔内部时，孔可能需要连接到在谐振器的外部上的导体或辫编线。在实施方案中，磁性材料可具有在磁性材料的一些或全部端面或区域上的额外孔、间隙、空间、孔隙等，这些端面或区域可能对谐振器的品质因数有最小影响。例如，对于图27B所示的设计，在谐振器的偶极矩的相对端上的磁性材料2712的壁比在其它侧上的磁性材料和在最小化谐振器的重量或成本是优先考虑的事的实施方案中更不重要。
在实施方案中，磁性材料的外壳可包括类似或不同的磁性材料的一个或多个区段、部分、瓦片、块或层。在一些实施方案中，磁性材料可能需要磁性材料被紧固、粘贴或连接到的基底或支撑结构。在一些实施方案中，在外壳的内部上的磁性材料的表面可与良电导体例如铜、银等的一层或多层成一直线。磁性材料外壳的内部可进一步与电绝缘体成一直线以防止在外壳和任何内部电气部件或设备之间的短路。在一些实施方案中，磁性材料外壳从多个部分被设计使得它可以被拆卸或组装可能是优选的，提供对内部电子设备和部件的通路。在实施方案中，磁性材料外壳可以是围绕设备的电子器件以及谐振器的供电和控制电路的设备封装的部分或集成到设备封装中。谐振器的导体回路可缠绕在整个设备和磁性材料外壳周围。在实施方案中，磁性材料外壳可设计有最小数量的临界接缝和/或有被连接来减小如上所述的磁性材料的加热的冷却结构。
对本领域的技术人员应清楚，磁性材料的形状可包括任何数量的延伸部、突出部或各种几何机构，同时在结构的至少一部分中提供包围的结构，其可用于完全或部分地包围物体例如电路板或电气部件。可使用磁性材料或平面谐振器例如使用在正交方向上缠绕的多个导体或在没有磁性材料的情况下组合谐振器与电容加载回路谐振器来进一步扩展或修改设计和配置以包括本文对谐振器描述的特征和设计。
在实施方案中，使用于保护谐振器免受引起损耗的物体影响的导体薄片成形可增加导体护罩的有效尺寸或增加谐振器的耦合，而不增加护罩的物理尺寸。使导体护罩成形也可减小在无线功率转移期间在外部物体内的损耗或能量消耗，并可在扰动物体存在时增加谐振器的品质因数。如本文所述的，位于高Q谐振器和其周围环境之间的高导电性材料薄片可减小由于在周围环境中但在导体薄片的相对侧上的物体中的能量消耗的损耗，如图21所示。导体薄片的尺寸可减小，或导体护罩的有效性可通过使导体薄片的边缘成形来提高，所以它们使磁场远离薄片周围的物体而转向。图28A示出在包括缠绕在磁性材料块2702周围的导体2704的谐振器之上的成形的导体薄片2802。在这个配置中，导体薄片2802保护薄片2806之上的任何有损物体免受可能由下面的谐振器引起或产生的磁场。在实施方案中，导体薄片具有比谐振器大的尺寸或延伸出谐振器可能是优选的。在有损物体实质上比谐振器大的应用中，增加导体薄片的尺寸或大小可能是有益的。然而，在很多应用中，导体薄片的尺寸可能被实际考虑因素例如重量、可用空间、成本等限制。通过使导体朝着谐振器的边缘成形可增加导体薄片的有效性或有效尺寸，而不增加导体薄片的物理面积。
图28A和图28B示出了包括具有成形边缘的导体薄片的谐振器的导体护罩的示例性实施方案。在这个示例性实施方案中，导体护罩2802的端部朝着谐振器被成形或向下弯曲，产生两个折板2804。导体护罩的成形折板2804不添加到导体护罩的总长度(图28B中的尺寸C)，但可提高导体免受导体护罩之上的有损物体2806影响的有效保护。导体折板可向下偏斜并引导磁场，减小在谐振器的侧面上的场强并减小与可能在导体护罩的边缘之上或附近的有损物体的场交互作用。导体护罩的这个配置和形状可增加导体护罩的有效性，而不增加长度(图28B中的尺寸C)。
在实施方案中，可对每个应用、环境、功率水平、其它谐振器的定位、功率转移效率要求等特别配置导体薄片折板的形状、间隔和长度。导体护罩折板的长度(图28B中的尺寸A)和与谐振器的折板的间隔(图28B中的尺寸B)可被配置并改变以对每个应用实现期望功率转移参数。
在示例性实施方案中，对于包括缠绕有导体的10个回路的32cmx 30cm x 1cm磁性材料块的谐振器上的导体护罩的示例性形状和尺寸，在谐振器屏蔽应用中导体薄片成形的有效性可由有限元件方法模拟展示，该导体跨越磁性材料的20cm并缠绕成使得回路的轴平行于磁性材料的最长边缘。谐振器具有175kHz的谐振频率并位于离无限钢薄片大约2cm处，谐振器的磁性材料的最大端面平行于钢薄片。可对位于谐振器和钢薄片之间的导体护罩的各种尺寸和形状计算当无限钢薄片存在时的谐振器的受扰品质因数。在没有任何屏蔽的情况下，谐振器的受扰品质因数被计算为大约24。将扁平的(未成形的)42cm乘47cm铜护罩放置在谐振器和钢薄板之间将谐振器的受扰Q提高到227。将扁平的(未成形的)50cm乘50cm铜护罩放置在谐振器和钢薄板之间将谐振器的受扰Q提高到372。使导体护罩成形使得它们具有相同的42cm乘47cm和50cm乘50cm覆盖区但现在包括在所有边缘上的2.5cm折板将受扰品质因数分别提高到422和574。这个示例性实施方案示出导电薄片可被成形以提高屏蔽的谐振器的受扰品质因数而不增加导体护罩的覆盖区的一种方式。
对本领域技术人员应清楚，可从示例性实施方案改变并配置导体折板的形状、尺寸和几何机构。在一些实施方案中，导体护罩可仅在垂直于如图28所示的谐振器的偶极矩的边缘上成形。在一些实施方案中，导体护罩可在所有侧上成形。在一些实施方案中，折板的长度、尺寸、厚度等在谐振器周围可以不是一致的。对于具有引起较少损耗的物体的谐振器的侧面，折板的尺寸可以更小，且在可能有引起更多损耗的物体的侧面上更大。在一些实施方案中，折板可具有一个或多个弯折或弯曲部。折板可相对于导体的平面成90度或更小。
中继器谐振器操作模式
中继器谐振器可用于增强或提高从源到内置在电子设备中的一个或多个谐振器的无线功率转移，电子设备可在桌子、书桌、架子、橱柜、床、电视架和其它家具、结构和/或容器的顶部上、附近或内部被供电或充电。中继器谐振器可用于在家具、结构和/或容器上或附近产生通电的表面、容积或区域，而不需要到电源的任何有线电连结。中继器谐振器可用于提高在可能在家具、结构和/或容器外部的源和在家具、结构和/或容器附近的一个或多个设备之间的耦合和无线功率转移。
在图29所示的一个示例性实施方案中，中继器谐振器2904可与桌面2902一起使用来使桌子的顶部通电用于给具有集成或连接的设备谐振器2912的电子设备2910、2916、1914供电或充电。中继器谐振器2904可用于提高从源2906到设备谐振器2912的无线功率转移。
在一些实施方案中，电源和源谐振器可内置到墙、地板、隔板、天花板、隔墙、墙遮盖物、地板遮盖物等中。可通过将家具和中继器谐振器定位在包括电源和源谐振器的墙、地板、天花板、隔墙、墙遮盖物、地板遮盖物等附近来使包括中继器谐振器的一件家具通电。当接近于源谐振器并配置成具有与源谐振器实质上相同的谐振频率时，中继器谐振器可经由源所产生的振荡磁场耦合到源谐振器。振荡磁场在产生振荡磁场的中继器谐振器的导体回路中产生振荡电流，从而延伸、扩展、重定向、集中或改变由仅仅电源和源谐振器产生的磁场的范围或方向。包括中继器谐振器的家具可实际上“被插入”或通电，并能够通过将家具放置在容纳电源和源谐振器的墙、地板、天花板等附近来向家具的顶部上、下面或附近的设备提供无线功率，而不需要在家具和电源以及源谐振器之间的任何物理电线或有线电连接。来自中继器谐振器的无线功率可被供应到中继器谐振器附近的设备谐振器和电子设备。电源可包括但不限于电源插座、电网、发电机、太阳能电池板、燃料电池、风力涡轮机、电池、超电容器等。
在实施方案中，中继器谐振器可增强到小特征尺寸、非最佳方位和/或离源谐振器的大间隔的设备谐振器的无线功率转移的耦合和效率。无线功率转移的效率可与源谐振器和设备谐振器之间的间距成反比，并可相对于源谐振器或设备谐振器的较小者的特征尺寸而被描述。例如，设计成集成到移动设备例如智能电话2912中的、具有大约5cm的特征尺寸的设备谐振器可以比设计成安装在墙上的具有50cm的特征尺寸的源谐振器2906小得多，且在这两个谐振器之间的间隔可以是60cm或更大或设备谐振器的大约12个或更多个特征尺寸，导致相对低的功率转移效率。然而，如果50cm x 100cm中继器谐振器集成到桌子中，如图29所示，则在源和中继器之间的间隔可以是源谐振器的大约一个特征尺寸，使得从源到中继器的功率转移的效率可以高。同样，放置在桌子的顶部上的智能电话设备谐振器或中继器谐振器可具有小于设备谐振器的至少一个特征尺寸的间距，导致在中继器谐振器和设备谐振器之间的功率转移的高效率。虽然在源和设备之间的总转移效率必须考虑从源到中继器和从中继器到设备这两种耦合机制，中继器谐振器的使用可提供在源谐振器和设备谐振器之间的提高的总效率。
在实施方案中，如果源谐振器和设备谐振器的偶极矩未对准或位于非有利或非最佳方位上，中继器谐振器可增强源和设备之间的无线功率转移的耦合和效率。在图29所示的示例性系统配置中，集成到墙中的电容加载回路源谐振器可具有与墙的平面垂直的偶极矩。通常搁在扁平表面上的扁平设备例如移动手机、计算机等可包括具有垂直于桌子的平面的偶极矩的设备谐振器，例如当电容加载回路谐振器集成到设备的一个或多个较大端面例如移动手机的背面或膝上型计算机的底部中时。这样的相对方位可产生比例如如果源谐振器和设备谐振器的偶极矩在同一平面中时低的耦合和功率转移效率。具有如图29所示与设备谐振器的偶极矩对准的偶极矩的中继器谐振器可增加在源和设备之间的无线功率转移的总效率，因为中继器谐振器的大尺寸可提供在源谐振器之间的强耦合，即使这两个谐振器的偶极矩正交，而中继器谐振器的方位对耦合到设备谐振器是有利的。
在图29所示的示例性实施方案中，在安装在墙上的50cm x 50cm源谐振器2906和当没有中继器谐振器存在时位于桌子的顶部上且离源谐振器的中心大约60cm的智能电话大小的设备谐振器2912之间的直接功率转移效率被计算为大约19％。添加如所示的50cm x100cm中继器谐振器并维持源谐振器和设备谐振器的相对位置和方位将从源谐振器到设备谐振器的耦合效率提高到大约60％。在这个例子中，从源谐振器到中继谐振器的耦合效率大约为85％，且从中继器谐振器到设备谐振器的耦合效率大约为70％。注意，在这个示例性实施方案中，该提高是由于中继器谐振器的尺寸和方位。
在使用中继器谐振器的系统例如图29所示的示例性系统的实施方案中，中继器谐振器可集成到桌子或家具的顶表面中。在其它实施方案中，中继器谐振器可连接或配置成连接在桌子表面下。在其它实施方案中，中继器谐振器可集成在桌子腿、面板或结构支架中。中继器谐振器可集成在桌架、抽屉、活动桌板、支架等中。在又一些其它实施方案中，中继器谐振器可集成到可放置在桌面的顶部上的垫子、垫、桌布、防烫套垫等中。中继器谐振器可集成到物品例如碗、灯、碟子、照片框架、书、小装饰物、蜡台、热板、插花、蓝等中。
在实施方案中，中继器谐振器可使用磁性材料核心或使用磁性材料的形式，并可使用传导表面来使中继器谐振器的场成形，以提高设备谐振器和源谐振器之间的耦合或保护中继器谐振器免受可以是家具、结构或容器的部分的有损物体的影响。
在实施方案中，除了上面描述的示例性桌子以外，中继器谐振器还可内置到椅子、长沙发、书架、手推车、灯、毯子、地毯、垫子、床罩、照片框架、书桌、柜台、壁橱、门、窗、看台、岛、橱柜、笼、风扇、遮光罩、百叶窗、窗帘、脚凳等中。
在实施方案中，中继器谐振器可具有供电和控制电路，其可调谐谐振器或可控制并监测在谐振器内和谐振器外的任何数量的电压、电流、相位、温度、场等。中继器谐振器以及供电和控制电路可配置成提供一种或多种操作模式。中继器谐振器的操作模式可配置成只充当中继器谐振器。中继器谐振器的操作模式可配置成只充当中继谐振器。在其它实施方案中，中继器谐振器的操作模式可配置成充当中继器谐振器和/或源谐振器。中继器谐振器可具有允许到电源例如电源插座的任选的电力电缆或连接器，为供电和控制电路的放大器提供能量源，用于驱动中继器谐振器，如果例如源谐振器不运行或不在家具附近则将它调谐到源中。在其它实施方案中，中继器谐振器可具有第三操作模式，其中它也可充当提供连接的设备谐振器或用于连接电气或电子设备以接收中继器谐振器所捕获的DC到AC电力的插头。在实施方案中，这些模式由用户选择或可基于源磁场、电力连接或设备连接的可用性由中继器谐振器的供电和控制电路自动选择。
在实施方案中，中继器谐振器可设计成使用集成到墙、地板和其它物体或结构中的任何数量的源谐振器来操作。中继器谐振器可配置成使用永久或临时从墙、家具、天花板等改进、悬挂或悬吊的源来操作。
虽然用描绘桌子和桌顶设备的示例性实施方案描述了中继器谐振器与家具一起使用，但是对本领域的技术人员应清楚，相同的配置和设计可在多个类似的配置、家具物品和设备中被使用和部署。例如，中继器谐振器可集成到电视机或媒体台或橱柜中，以便当橱柜或台放置在源附近时，中继器谐振器能够转移足够的能量以给台或橱柜上的电子设备例如电视机、电影播放器、远程控制装置、扬声器等供电或再充电。
在实施方案中，中继器谐振器可集成到可用于存放电子设备、电子玩具、远程控制装置、游戏控制器等的桶或柜子中。当柜子或桶位于源附近时，中继器谐振器可增强在柜子或桶内部从源到设备的功率转移，柜子或桶内置有设备谐振器以允许电池的再充电。
图30示出了说明中继器谐振器的使用的另一示例性实施方案。在该实施方案中，可在三种不同的操作模式中使用中继器谐振器，取决于在布置中的电源的使用和状态以及消费者。该附图示出被描绘为透明的以显示内部部件的手提包。在这个示例性实施方案中，在包3002中可能有单独的包、书包、袋子或隔间3006，其可用于存放或携带电子设备3010例如蜂窝电话、MP3播放器、摄像机、计算机、电子阅读器、iPods、上网本等。隔间可安装有可在至少三种操作模式中操作的谐振器3008。在一种模式中，谐振器3008可耦合到供电和控制电路，其可包括可再充电或可替换的电池或电池组或其它类型的便携式电源3004，并可作为用于给位于手提包3002或手提包隔间3006中的电子设备无线地再充电或供电的无线电源来操作。在这种配置和设置中，包和隔间可用作电子设备的便携式无线再充电或发电台。
谐振器3008也可用作扩展从外部源的无线功率转移的中继器谐振器，以提高在外部源和源谐振器(未示出)与在包或隔间内的设备3010的设备谐振器3012之间的耦合和无线功率转移效率。中继器谐振器可以比包或隔间内的设备谐振器大，并可具有到源的提高的耦合。
在另一模式中，谐振器可用作向电子设备和在无线电源中使用的便携式电源提供功率的中继器谐振器。当位于外部源或源谐振器附近时，所捕获的无线能量可由中继器谐振器使用来给电池3004充电或给隔间3006的便携式能量源再充电，允许其未来作为源谐振器来使用。具有设备的整个包可放置在源谐振器附近，允许隔间电池3004和隔间3006或包3002内的设备3010的电池的再充电。
在实施方案中，隔间可内置到包或容器中或可以是可放置在任何包或存储外壳例如背包、钱包、购物包、行李包、设备箱等中的额外或独立的隔间。
在实施方案中，谐振器可包括开关，其将供电和控制电路耦合进和耦合出谐振电路，使得谐振器可配置成仅作为源谐振器、仅作为中继器谐振器、或同时或间歇地作为源谐振器、设备谐振器和中继器谐振器的任何组合。图31示出了能够在三种操作模式之间控制并切换谐振器的电路配置的示例性方框图。在这个配置中，电容加载导电回路3008耦合到调谐网络3128以形成谐振器。谐振网络3128可用于设定、配置或修改谐振器的谐振频率、阻抗、电阻等。谐振器可耦合到包括任何数量的固态开关、继电器等的开关元件3102，其可将谐振器耦合或连接到至少两个电路分支(设备电路分支3104或源电路分支3106)中的任一个，或可用于在不活动状态期间或对某些中继器操作模式从至少两个电路分支中的任一个断开。当谐振器在中继器或设备模式中操作时，设备电路分支3104可被使用。设备电路分支3104可将谐振器的电能转换成设备、负载、电池等所需的特定的DC或AC电压，并可包括阻抗匹配网络3108、整流器3110、DC到DC或DC到AC转换器3110以及需要功率的任何设备、负载或电池3114。设备电路分支可以在设备操作模式期间和/或在中继器操作模式期间是活动的。在中继器操作模式期间，设备电路分支可配置成消耗来自谐振器的一些功率以给负载供电或充电，而谐振器同时重复从外部源到另一谐振器的振荡磁场。
可在谐振器的中继器和/或源操作模式期间使用源电路分支3106。源电路分支3106可提供振荡电能以驱动谐振器来产生可用于将功率无线地转移到其它谐振器的振荡磁场。源电路分支可包括电源3122，其可以是在谐振器的设备操作模式期间充电的相同能量储存设备例如电池。源电路分支可包括DC到AC或AC到AC转换器3120来转换电源的电压以产生可用于通过额外的阻抗匹配部件3116驱动谐振器的振荡电压。源电路分支可以在谐振器的源操作模式期间和/或在中继器操作模式期间是活动的，允许从电源3122到其它谐振器的无线功率转移。在中继器操作模式期间，源电路分支可用于放大或补充谐振器的功率。在中继器操作模式期间，外部磁场可能太弱而不允许中继器谐振器转移或重复足够强的场以给设备供电或充电。来自电源3122的功率可用于补充在谐振器3008中从外部磁场引起的振荡电压，以产生可足以给其它设备供电或充电的较强的振荡磁场。
在一些情况下，设备和源电路分支都可从谐振器断开。在中继器操作模式中，谐振器可被调谐到适当的固定频率和阻抗，并可用被动方式操作。也就是说，以电容加载导电回路和调谐网络中的部件值不被主动控制的方式。在一些实施方案中，设备电路分支可能在中继器操作模式期间需要激活和连接，以给用于监测、配置和调谐谐振器的控制和测量电路供电。
在实施方案中，被启动来在多种模式中操作的谐振器的供电和控制电路可包括在电路的任一部件或子块中的处理器3126和测量电路，例如模数转换器等，以监测谐振器和电路的操作特征。谐振器的操作特征可由处理器解释和处理，以调谐或控制电路的参数或在操作模式之间切换。谐振器中的电压、电流或功率传感器例如可用于确定谐振器是否在外部磁场的范围内，或是否设备存在，以确定要激活哪个操作模式和哪个电路分支。
应理解，具有中继器谐振器的所描述和示出的示例性实施方案在讨论中被限制到单个中继器谐振器以简化描述。所有例子可扩展到具有使用不同的活动操作模式的多个设备谐振器或中继器谐振器。
无线功率转换器
在一些无线能量转移系统和配置中，无线能量转换器可用于转换无线功率转移的参数或配置，在一些实施方案中，系统可具有能够或配置成使用一个或多个不同和可能不兼容的参数来操作和转移无线能量的一个或多个源或一个或多个设备。无线能量转换器可用于转变或转换无线功率转移的参数或特征，允许在源和设备之间的能量转移，设备可配置成使用不兼容或不同的参数来接收或捕获无线能量。注意，在整个本公开中，我们可互换地使用术语“无线功率转换器、无线能量转换器、无线转换器”和“无线功率转换、无线能量转换和无线转换”。
在实施方案中，无线功率转换器可用于转换无线功率转移的特征，并允许源和可设计或配置成使用不同的参数或特征进行无线能量转移的设备之间的功率转移。例如，源谐振器可配置或设计成在特定的谐振频率处操作，并可在该频率处经由振荡磁场转移能量。设备谐振器可配置或设计成在不同的谐振频率处操作，并可设计或配置成只有在振荡磁场在设备谐振频率处或接近于设备谐振频率时才无线地接收能量。如果源和设备的谐振频率实质上不同，则可转移非常少的能量或不转移能量。无线功率转移器可用于转换源所转移的无线能量以具有特征或参数，使得无线能量可由设备利用。无线功率转换器可例如可在一个频率处经由振荡磁场接收能量，并使用所捕获的能量来在不同的频率处产生可由具有与源不同的振荡频率的设备利用和接收的振荡磁场。
图32示出无线功率转换器的示例性功能和使用。在无线能量转移系统中，一个或多个源3210可在一个或多个频率处产生振荡磁场3214。无线功率转换器3208可耦合到源3210，并从振荡磁场3214捕获能量，并通过在一个或多个频率处产生振荡磁场3216来转移所捕获的能量中的一些或全部，一个或多个频率可不同于源谐振频率并可由设备3212利用。注意到无线功率转换器3208可能不需要位于源3210和设备3212之间但只在源和设备的一般附近区域中很重要。注意，如果设备配置成使用与源所产生的参数或特征不同的参数或特征来操作或接收能量，设备可以不从源接收相当大数量的功率，即使源和设备靠拢。在实施方案中，无线功率转换器可用于使源的参数适应于可由设备接收的参数，并可在转换器不存在时增加将是不兼容的源和设备的部件之间的无线功率转移的效率。在一些实施方案中，无线功率转换器也可用作中继器谐振器，并可在它放置在源和设备之间或在设备附近时扩展、增强或修改无线功率转移的范围。
无线功率转换器可能对很多无线功率系统和应用是有益的。在一些实施方案中，无线功率转换器可用于转换在通常不兼容的谐振器或无线功率转移系统之间的无线功率转换的特征。
在一些实施方案中，无线功率转换器可由无线功率转移系统利用来管理、分离或增强具有不同的功率要求、功率输出等的源和设备之间的无线功率分配。在实施方案中，一些无线功率转移系统和配置可使用具有不同的功率要求的设备。系统中的一些设备可具有对几百瓦的功率的功率要求，而其它设备可能只需要几瓦或更少的功率。在没有无线功率转换器的系统中，在功率要求和设备功率要求中的这样的差异可对设备的硬件和操作强加额外的设计约束和限制。例如，在所有设备配置成在同一频率处操作的系统中，具有几瓦的较低功率要求的设备可能需要设计成经受等于需要几百瓦功率的设备的电压、电流和磁场强度的电压、电流和磁场强度。在实施方案中，较低功率设备谐振器所包括的电路部件可能需要消耗大量功率作为热。减小高电压、电流、功率等的一种方法，对较低功率设备的要求可以是从高电源谐振器频率解谐较低功率设备谐振频率，或使用频率跳变或时间复用技术来周期性地或以可调节的间隔使设备从源去耦。这些系统可减小设备所接收的平均功率，并可扩展可在设备中使用的部件的范围，因为部件能够在短时间段内经受高电压、电流、功率等，可以较小、较不昂贵，且比必须在延长的时间段内或对于连续的操作经受这样的电压、电流和功率的部件更有能力。
在实施方案中，例如当设备的谐振频率不是可调谐的时，或当谐振频率可被调谐到支持高电源和较低电源之间的无线功率传输的操作点时，无线功率转换器可用于支持无线功率转移。
在示例性实施方案中，无线功率配置可将两百瓦或更多的功率从墙中的源转移到电视机。在这样的实施方案中，将无线功率也提供到可放置在电视附近的电视远程控制器、游戏控制器、额外的显示器、DVD播放器、音乐播放器、电缆盒等可能是有用的。这些设备中的每个可能需要不同的功率水平，且可能需要比从源可得到的功率水平低得多的功率水平。在这样的实施方案中，调节例如在源处可用的功率而不干扰电视的操作可能不是可能的。此外，电视远程控制器、游戏控制器、额外的显示器、DVD播放器、音乐播放器、电缆盒等也可能能够从其它无线电源例如架子或桌子上的较低功率激励的表面源接收功率，例如，如图15所示。在没有无线功率转换器的情况下，可能必须设计较低功率设备的无线功率转移硬件，以经受由能够向电视机供应数百瓦的源所产生的电压、电流和磁场，以及例如当较低功率设备从较低功率激励的表面源接收功率时是有效的。可对实现这种类型的操作的较低功率设备设计电路，但在一些实施方案中，对使用较低电源的操作优化较低功率设备电路并在某个操作区域中使用功率转换器来将从高功率设备可用的高功率水平转换到较低功率水平可能是优选的。无线功率转换器可捕获高电源所产生的一些无线能量，可根据各种系统要求调节该功率，并可在不同的频率、功率水平、磁场强度、间隔等处重新提供经调节的功率，其适合于由在该示例性实施方案中提到的较低功率设备接收。
例如在一些实施方案中，在较低频率处例如在100kHz到500kHz的范围内操作需要50瓦功率的高功率设备可能是优选的。对安全考虑因素的可允许的磁场限制相对较高，且辐射功率水平在较低的操作频率处可能较低。在一些实施方案中，可能优选地在500kHz或更大的较高频率处操作需要50瓦或更少的功率的较小的、较低功率的设备，以实现较高Q的谐振器和/或利用电气和电子部件例如电容器、电感器、AC到DC转换器等，其可能更小或更有效，允许更小和/或更紧密的谐振器以及供电和控制电路集成。
在实施方案中，无线功率转换器可用于转换从具有不同参数的多个源转移到单个源的无线功率，并可用于转换与多于一个的设备兼容的无线功率参数。在实施方案中，无线功率转换器可用于通过转换来自使用不同的参数工作的其它源的无线功率来放大特定的无线电源。
图33示出了使用无线功率转换器的无线功率转移系统配置的示例性实施方案。作为配置的部分，无线功率转换器3314可从来自一个或多个源3322、3324的振荡磁场3332、3330捕获能量，这些源可配置或设计成使用不同的参数来操作。无线功率转换器3314可捕获能量，并使用与能量被接收自的源3322、3324不同的一个或多个参数产生磁场3334、3336、3338，并将能量转移到一个或多个设备3316、3318、3320。在配置的另一方面中，无线功率转换器3314可用于捕获来自一个或多个源3322、3324的能量，这些源可设计成使用不同的参数来操作并使用匹配另一源3326的场3328的参数产生磁场3334，提供对来自源3322、3324的场和使用不同参数的场3330、3332的“放大”或升高。
在实施方案中，无线功率转换器可包括配置或可配置成使用一个或多个参数捕获无线能量的一个或多个磁谐振器以及配置或可配置成使用一个或多个参数捕获无线能量的一个或多个谐振器。例如，图34A示出了设计成转换振荡磁场的频率参数的无线功率转换器。无线功率转换器3412可具有调谐或可调谐到一个或多个频率的一个或多个磁谐振器3414、3416。在谐振器3414中由振荡磁场3402产生的振荡电压可由DC到AC转换器3408整流并使用，以使用产生具有一个或多个不同的频率的振荡磁场3404的振荡电流来驱动另一谐振器3416。在实施方案中，无线功率转换器的DC到AC转换器可使用控制器3410被调谐或可调谐以产生一定范围的频率和输出功率水平。
在实施方案中，接收谐振器3414的振荡电压可使用AC到AC转换器3418转换到在不同频率处的振荡电压，并用于激励无线功率转换器的谐振器3416，而不首先将所接收的电压和电流转换到DC，如图34B所示。在实施方案中，可能优选地配置和设计无线功率转换器以转换磁场的频率，使得所捕获和转移的磁场是彼此的倍数，使得二极管、非线性元件、频率乘法器、频率除法器等可用于将所捕获的能量的频率转换到不同的频率，而不首先转换到DC电压。
在实施方案中，无线功率转换器可包括一个或多个谐振器，其在捕获一个频率处的能量和转移在不同的频率处的能量之间被时间复用。图35示出了时间复用的功率转换器的方框图。时间复用的无线功率转换器3502可被调谐以捕获振荡磁场3504，使用AC到DC转换器3514将所产生的AC能量转换到DC能量，并给能量储存元件3508例如超电容器、电池等充电。在一段时间之后，谐振器3516可被调谐到不同的频率，且存储在能量储存元件3508中的能量可用于给放大器或DC到DC转换器3512供电以在新的谐振频率处使用振荡电压驱动经调谐的谐振器3516，从而产生振荡磁场。在实施方案中，谐振器3516可每几毫秒、秒或分钟从捕获功率改变到转移功率。谐振器可配置成当储存元件中的能量一到达预定水平就从捕获功率改变到转移功率，并可在存储元件中的能量下降到预定水平之下时切换回捕获功率。在实施方案中，将功率从高电源转换到具有低功率要求的设备的无线功率转换器可能只需要在时间按复用的周期的一小部分内捕获功率，并在周期的其余部分内缓慢地传输在所需设备功率水平处的功率。
在利用无线功率转换器的实施方案系统中，区域、房间或地区可能充满低功率磁场或由可集成到墙、天花板、隔板等中的多个源以低功率磁场激励。不同的无线功率转换器可分布在或战略上位于不同的位置处以捕获和转换低功率磁场到不同的频率、参数和功率水平，以将功率转换到区域内的不同类别或类型的设备。在利用无线功率转换器的系统实施方案中，源可配置或扩展到功能并使用具有专门的功率要求或配置的大量的各种设备来操作，而不需要源的改变或重新配置。
在实施方案中，无线功率转换器可能不需要任何额外的能量输入，并可仅仅转换无线功率转移的参数和特征。在实施方案中，无限功率转换器可具有来自可用于补充所转移的能量的电池、太阳能电池板等的额外的能量输入。
在实施方案中，无线功率转换器可以是可调谐和可配置的，使得它可以被调谐或配置成从任何数量的频率或功率水平或能量复用方案转换到任何数量的频率或功率水平或能量复用方案。它可通过感测源的功率水平或频率或例如具有最强或适当的磁场的源来被自动调节。转换器可包括通信或发信号能力以通过一个或多个源、一个或多个设备、一个或多个中继器、一个或多个主控制器或其它转换器允许关于可能被期望或需要的转换的参数的配置。转换器可传达或发信号通知一个或多个源开启或关闭，或增加或减小功率水平，取决于一个或多个设备、一个或多个中继器的功率要求，转换器将能量转移到这些设备或中继器，或转换器对这些设备或中继器适应、转换或转变无线功率转移的特征。
虽然在改变振荡磁场的频率的转换器方面描述了无线功率转换器的很多特定的实施方案，但是应理解，频率是示例性参数，且其它参数可被转换，而不偏离本发明的精神。在实施方案中，功率转换器可改变任何数量的参数，包括相位、振幅等。在一些实施方案中，无线功率转换器可改变频率跳变的序列或定时，或允许单个频率源给使用或预期恒定的或周期性的操作模式的设备供电。在一些实施方案中，转换器可使用时间复用技术来调节功率水平、功率分配算法和序列，并实现优先或分级的充电或供电服务。
在实施方案中，无线功率转换器可转换无线功率转移的参数，并且也可或替代地改变源场所产生的场的分布。无线功率转换器可包括多个尺寸的或可变尺寸的谐振器，其可配置成重新分布源的磁场以使用不同尺寸或在不同间隔处的设备来允许或增强操作。在实施方案中，小源谐振器在将功率转移到大设备谐振器时可以不是最有效的。同样，大源谐振器在将功率转移到小设备谐振器时可以不是最有效的。无线功率转换器可包括两个或更多个不同尺寸的谐振器，其为了到设备谐振器的无线功率转移的提高的效率而捕获并重新分布磁场，而不需要源或设备谐振器的改变或重新配置。
例如，如图36A所示，具有大捕获谐振器3616和小发射谐振器3618的无线功率转换器3614可放置在小设备谐振器3612附近，并可提高在大的远处源谐振器3608和小设备谐振器3612之间的无线功率转移效率。同样，如图36B所示，具有小捕获谐振器3618和大发射谐振器3616的无线功率转换器3614可放置在小源谐振器3608附近，并可提高在大的远处设备谐振器3612和小源谐振器3608之间的无线功率转移效率。转换器谐振器可包括依尺寸制造成最大化从源谐振器到转换器谐振器的无线功率转移的效率的一个或多个捕获谐振器以及依尺寸制造成最大化从转换器谐振器到设备谐振器的无线功率转移的效率的一个或多个转移谐振器。在一些实施方案中，捕获谐振器所捕获的能量可用于直接给发射谐振器供电。在实施方案中，捕获谐振器所捕获的能量可在用于激励发射机谐振器之前被转换、修改、用仪表测量或放大。具有不同尺寸的谐振器的无线功率转换器可导致提高的系统效率。
车辆充电配置
无线功率转移可用于给车辆供电、充电或将电能输送到车辆。如上所述，功率可从在车辆外部产生磁场的一个或多个源谐振器输送到在车辆上、之下、旁边或连接到车辆的一个或多个设备谐振器，用于给车辆电池充电或用于给车辆中或上的电子系统和设备充电或供电。
在实施方案中，车辆充电系统的源谐振器和设备谐振器可能需要特定的对准，或可具有对操作参数例如间距、横向偏移、轴向未对准等的限制。在实施方案中，无线功率转移系统可包括确保、使能、监控或便于距离、偏移、对准等在系统的特定操作参数内的设计。在实施方案中，无线功率转移系统可包括使能、监测或便于距离、偏移、对准等相对于功率转移的安全、效率、幅度等对于特定的配置是最佳可行的或最佳操作特征的设计和系统。
在汽车实施方案中，例如，安装在汽车之下的设备谐振器可从位于汽车下的源接收功率。汽车可通过在源上行驶或停车从设备谐振器所捕获的能量接收功率，给电池充电，给外围设备供电，等等。根据尺寸、类型、设计、方位、功率水平、周围环境等，汽车源和汽车可能需要位于特定的边界内或相对于源的位置上。无线功率转移系统可包括使能、便于、引导、促进或确保源谐振器和设备谐振器或车辆的正确方位、位置或对准的特征。
在实施方案中，耦合到机器视觉系统的数字摄像机可用于帮助或自动化源谐振器和设备谐振器对准。源谐振器和设备谐振器的视频摄像机图像可在车辆中向用户显示，提供关于源的位置的指导。在一些实施方案中，摄像机和机器视觉可与处理单元和适当的机器时间算法耦合，并预先处理汽车的对准和定位以使用听觉、振动或视觉指示器向用户警告位置信息。处理和对准算法可包括来自车辆的其它系统的定位和位置信息，使得定位和位置指示器考虑汽车的堵塞或位置限制。例如，处理和对准算法可耦合到在汽车的保险杠中的红外或声传感器，以帮助定位在停车空间、车库等的界限内。
在实施方案中，摄像机系统或机器视觉系统可与处理单元和用于自动化谐振器对准的过程或过程的部分的适当机器视觉算法耦合。在一些实施方案中，源或设备可安装在使用用于定位的摄像机和方位信息移动成对准的机器人或自动化轨道、臂、平台上。在一些实施方案中，机器视觉算法和处理单元可耦合到车辆的传感器和控制装置，允许汽车本身定位和停车以与源正确地对准。
在实施方案中，摄像机系统或机器视觉系统可探测或帮助探测在源谐振器和设备谐振器之间的堵塞和外来物体和/或材料。在实施方案中，摄像机和机器视觉系统可不断地监控在用于运动的源和设备周围的间隙和/或邻近区域、外来物体、或任何类型的未定义或异常的操作环境或配置。系统可设计成停止功率或限制功率转移，并可设计成当任何未定义或异常的操作环境或配置由摄像机和/或算法探测到时警告驾驶员、用户或操作员。在实施方案中，摄像机和机器视觉系统可使用可设计成在各种环境、车辆、源和系统中或与各种环境、车辆、源和系统一起运行的自我学习或可培训的算法来被耦合和控制，并可学习或被培训以在被监督的操作期之后在很多环境中操作。
在实施方案中，摄像机可安装在源中或周围，并可将视频或经处理的信息无线地传输到在车辆内部或外部的电子器件或用户。在实施方案中，摄像机可安装在汽车上，并可安装在汽车下。在实施方案中，摄像机可安装有只在对准过程被发起时或在设备或源在极接近区域中时打开的自动门或壳体。机械门或壳体可只按需要打开和关闭，保护摄像机镜头和电子器件免受道路瓦砾、水、灰尘等。
在实施方案中，透射和/或反射的声、微波、RF、光信号等可用于自动或在用户的帮助下在规定的准确度内对准源谐振器和设备谐振器。规定的准确度可以是用户可设置的参数，或它可以是由控制系统设置的参数。可根据一天的时间、对电网的要求、电费(例如以kW小时报价)、绿色能量的可用性等来调节可设置的参数。可设置的参数可由公用事业提供者、本地机构、汽车公司、服务公司、个别用户等控制。
在实施方案中，各种传感器系统可用于帮助或自动化控制源和设备谐振器对准。声、压力、接触、电感、电容传感器等可位于车辆中或周围以确定车辆位置，并引导车辆的操作员的用户建立最佳对准。各种保险杠、激光器、球、汽笛、刮削器、线、铃、扬声器等也用作对用户或操作员的用于正确的对准定位的指示器。在实施方案中，任何数量的停车导向装置或停车辅助设备可合并到系统中以帮助适当地或在源的可接受的限制内引导或定位车辆。
在实施方案中，一个或多个压力、温度、电容、电感、声、红外、紫外传感器等可集成到源、设备、源外壳、车辆或周围区域中，并可探测或帮助探测在源谐振器和设备谐振器之间的堵塞和外来物体和/或材料。在实施方案中，传感器和安全系统可不断地监控在用于运动的源和设备周围的间隙和/或邻近区域、外来物体、或任何类型的未定义或异常的操作环境或配置。在实施方案中，例如覆盖源谐振器的壳体可包括压力传感器或可安装压力传感器的顶部上，压力传感器在监测源谐振器的重量或在源谐振器的外壳上推的力。额外的压力或另外探测的重量例如可指示留在源的顶部上的外来或不需要的物体，指示操作无线功率转移系统可能是不安全或不合乎需要的。传感器的输出可耦合到无线功率转移系统的处理元件，并可用于阻止或防止无线功率转移或当传感器跳闸或探测到异常时防止。在实施方案中，系统和传感器可耦合到听觉、视觉或振动指示器以警告用户或操作员无线功率转移中断。在一些实施方案中，感测多个参数的多个传感器可被同时使用来确定堵塞或外来物体是否存在。在一些实施方案中，系统可配置成使得至少两个传感器例如压力和温度传感器必须被跳闸，例如以断开或防止无线功率转移。
在实施方案中，盗窃制止或探测系统可合并在利用无线功率传输系统的各种传感器和摄像机来探测车辆的未经授权的使用的源和设备中。
在实施方案中，源谐振器和设备谐振器可具有不一致的尺寸和几何结构，以减小对源和设备线圈之间的功率转移的效率的对准的依赖性。在一些实施方案中，使源谐振器比设备谐振器大可能是有益的，这可增加对源谐振器和设备谐振器之间的期望能量转移效率的位置容差。
在实施方案中，源谐振器和设备谐振器的各种几何结构可用于减小源和设备未对准的效应，例如可能与停车变化相关的效应。停车变化可包括向前和向后变化、左右变化、角偏移(当车辆以一角度停车时)等。例如，在一些实施方案中，源谐振器和设备谐振器可能倾向于在车辆的向前和向后方向上的对准中的变化。在这样的实施方案中，使用平行于车辆位置不确定的方向的电感回路的长轴定向的矩形源电感回路(与具有与源谐振器相同的短轴长度的正方形设备谐振器成对)可根据源到设备谐振器位移产生比具有与设备谐振器相同的尺寸的正方形源谐振器所实现的平均效率更好的平均效率。注意，矩形源电感回路的长轴可与车辆的长度对准(如果位置不确定性在那个方向上)，并可与车辆的宽度对准(如果左右位置不确定性被预期)。图37示出了示例性实施方案，其示出用于减小对车辆的横向或左右偏移依赖性的源和设备电感回路的相对几何结构。该附图示出当源谐振器位于汽车下且设备谐振器安装到汽车的下侧时从在汽车处向下看的顶部角度看的示例性相对几何结构。为了增加汽车3702的左右偏移能力，包括源和设备的电容加载回路谐振器可具有不同的尺寸。源3704的尺寸可以在汽车的左右尺寸或轴上比设备3706的尺寸大。
在实施方案中，可以对不需要精确对准的谐振器设计减轻或限制在源和设备之间未对准的效应。在实施方案中，源谐振器和设备谐振器可包括平面谐振器或包括缠绕在磁性材料核心周围的导体的谐振器。在实施方案中，平面谐振器的偶极矩可垂直于车辆位置不确定的尺寸而定向。谐振器的设计可允许以功率转移效率的最小效应垂直于谐振器的偶极矩的未对准。
在实施方案中，设备谐振器及其相应的供电和控制电路可具有与车辆的其它电子和控制系统和子系统的不同集成水平。在一些实施方案中，供电和控制电路以及设备谐振器可以是具有对车辆的现有系统的最小集成的完全分离的模块或外壳，提供对车辆的功率输出以及控制和诊断接口。在其它实施方案中，设备谐振器或谐振器壳体的部分可集成到车辆的主体、结构、底架、面板中。在一些实施方案中，车辆可配置成在车辆下面的凹进区域中容纳谐振器和电路组件，使线圈外壳的底面与车身底板齐平。在一些实施方案中，凹进区域可进一步与高导电性材料例如铝、铜、银等成一直线，这些材料可被电镀、碾压、喷射、涂敷等到凹进区域。
在实施方案中，设备和源可包括主动冷却或加热。设备谐振器和电路可集成到车辆的冷却系统中以防止在高功率应用中的高温。在实施方案中，设备谐振器和电路可包括具有散热器、风扇、液体冷却剂等的其自己的主动冷却或加热系统。在实施方案中，谐振器以及供电和控制电路可包括各种形状、轮廓、突出部、散热片等以帮助温度控制。
在无线功率系统中，车辆功率控制系统可包括发电站预订系统，其允许用户在一天的特定时间预订充电站，防止其它用户从源充电。中央信息可用于让用户选择特定的电源或使用更环境友好的能量源例如风能或太阳能的源。
在实施方案中，车辆的设备谐振器也可用作电源。在实施方案中，车辆功率可用于给在断电期间的建筑物或没有电的机舱供电。在实施方案中，车辆可用于将功率传输到在工地处的施工车辆或工具。
谐振器阵列
在实施方案中，两个或更多个较小的谐振器或缠绕有导体的两个或更多个磁性材料块可布置成形成具有大于较小的谐振器的物理尺寸或大于磁性材料块的尺寸的有效尺寸的较大谐振器。具有较大有效尺寸的谐振器可具有在较大距离上的提高的耦合，可具有较高的效率，相对于位置不确定性的提高的不变性，可能能够转移较高的功率水平，等等。较小的谐振器或较小的磁性材料块的布置可提供关于可制造性、成本、可伸缩性、可变性等优于单个大谐振器的优点。
例如，在如图38A所示的实施方案中，包括缠绕在磁性材料块3804周围的导体3806的平面谐振器可使用单个谐振器或一个磁性材料块来实现。谐振器可包括周围缠绕有导体4806的实质上连续的磁性材料块3804，磁性材料的完整宽度形成具有实质上等于磁性材料块的横截面的围住的区域的回路。谐振器可具有实质上等于谐振器的物理尺寸的有效尺寸3802。
在其它实施方案中，平面谐振器可使用两个或更多个较小的谐振器或磁性材料块的布置来实现。这些较小的谐振器可包括被导体缠绕的较小的磁性材料块，形成具有实质上等于磁性材料块的横截面的围住的区域的回路。如图38B中的示例性实施方案中所示的，两个较小的磁性材料块3808(每个缠绕有导体3810)可并排布置成产生具有实质上等于两个磁性材料块的布置的物理尺寸的有效尺寸3802。在实施方案中，多于两个的磁性材料块(每个包括缠绕在块3812周围的导体3814)可布置在如图38C和38D所示的二维或三维阵列中以产生具有实质上等于磁性材料块的布置的物理尺寸的有效尺寸3802的较大有效谐振器。较小的谐振器的阵列可依尺寸制造并布置成产生具有期望有效尺寸和形状的阵列，且该阵列可被使用来代替包括单个实质上连续的磁性材料块的谐振器。
在实施方案中，缠绕有导体的每个磁性材料块可作为单独的谐振器被处理，并可耦合到额外的电气元件例如电容器或电感器用于每个单独块的参数调节。在其它实施方案中，缠绕在磁性材料块周围的一些或所有导体可连接在一起，并耦合到额外的电气元件例如电容器、电感器等，以使磁性材料块和导体的完整布置成为单个谐振器。在实施方案中，多个较小的电感或谐振器结构可串联或并联或以串联和并联连接的网络来连接。
在一些实施方案中，较小的谐振器的布置或缠绕有导体的较小磁性材料块的布置可提供关于可制造性、成本、可伸缩性、可变性等优于单个大谐振器的优点。磁性材料常常是谐振器的易碎和大的连续磁性材料片，特别是对于大谐振器，可能易受损坏和破裂。谐振器的较小阵列可能更抗振动和损坏，因为隔离、增强、包装等较小单独的磁性材料块可能更容易。同样，包括缠绕有导体的单独磁性材料块的阵列的谐振器可能更可伸缩或可扩展。可通过根据应用或部署配置添加或从阵列移除单独的谐振器元件或添加或从阵列移除单独的磁性材料块以增加或减小谐振器的有效尺寸来使谐振器阵列变得更大或更小。这样的布置可具有优点，因为各种谐振器有效尺寸和形状可通过组装多个较小的谐振器来实现。接着，单个或几个标准谐振器可被储备、测试、按量制造等，并用于支持为无线功率转移系统提供的各种谐振器尺寸和形状。
在实施方案中，包括较小的谐振器的布置或磁性材料块的布置的谐振器可具有与具有较大的实质上连续的磁性材料片的谐振器实质上相同或类似的系统参数和无线功率转移特征，并可用于代替或替换具有较大的实质上连续的磁性材料片的谐振器，而没有对无线功率转移的性能或特征的明显影响。在无线功率转移配置的一个实施方案中，在源和设备之间的无线功率转移的参数使用对于布置的有限元件方法模型来计算和比较，对于所述布置，设备谐振器3904被实现为缠绕在单个实质上连续的磁性材料块(图39A)周围的两个导体，设备谐振器3904被实现为缠绕在两个相等尺寸的磁性材料块(图39B)周围的两个导体，以及设备谐振器3904被实现为缠绕在四个相等尺寸的磁性材料块(图39C)周围的四个导体。在设备的每个配置中，谐振器的有效尺寸被维持在30cm乘32cm，并正好在包括缠绕在实质上连续的磁性材料块周围的导体的30cm乘32cm源谐振器3902之上20cm处对准。在设备谐振器包括如图39A中的3904所示的单个磁性材料块的配置中，有效设备谐振器的品质因数被计算为450，且源和设备之间的耦合因子k被计算为0.124，导致在源和设备之间的96.4％的预测无线功率转移效率。在设备谐振器包括如图39B中的3904所示的缠绕有导体并分隔开0.1cm空气间隙的两个较小的磁性材料块的配置中，有效设备谐振器的品质因数被计算为437，且源和设备之间的耦合因子k被计算为0.115，导致在源和设备之间的96.2％的预测无线功率转移效率。在设备谐振器包括如图39C所示的缠绕有导体并分隔开0.2cm空气间隙的四个较小的磁性材料块的配置中，有效设备谐振器的品质因数被计算为437，且源和设备之间的耦合因子k被计算为0.109，导致在源和设备之间的96％的预测无线功率转移效率。
在实施方案中，包括较小的磁性材料块的谐振器的布置的参数可被磁性材料块、导体等的方位、定位、布置和配置影响。被发现重要的一个因素是谐振器和可包括具有较大的有效区域的谐振器的较小的磁性材料块之间的间距。例如，考虑图40所示的具有大有效区域的谐振器，该有效区域包括具有单独的磁性材料块的四个单独的较小谐振器。在图中被标为A和B的间距的尺寸可影响谐振器的参数和无线功率转移的效率。例如，对于图39C所示和上面描述的配置和方位，将尺寸A和尺寸B从0.2cm改变到2cm将从源到设备的无线功率转移的效率从96％减小到94.8％。
在实施方案中，最小化磁性材料块之间的间隙可能是优选的，以及间隙不平行于谐振器的偶极矩4002的轴可能是特别优选的。在实施方案中，可接受或优选的空气间隙的尺寸可取决于较大的谐振器的总尺寸或有效尺寸、单独的小谐振器的尺寸、功率水平等。在实施方案中，确保磁性材料块之间的间隙小于谐振器布置的有效尺寸的最大尺寸的10％可能是优选的。在实施方案中，确保磁性材料块之间的间隙小于谐振器布置的有效尺寸的最小尺寸的10％可能是优选的。
在实施方案中，缠绕有导体并包括有效的较大谐振器的单独的较小谐振器或单独的磁性材料块可包括实现较小的磁性材料块或较小的谐振器之间的较小分隔间隙的特征、形状、设计、凹口等。在一些实施方案中，可通过使相邻谐振器的导体绕组4104交错并允许邻近谐振器的导体安装在如图41A所示的另一谐振器的导体的相邻绕组之间来减小如图41所示的在相邻谐振器之间的间隙4106。在一些实施方案中，磁性材料块4102可被成形并可具有缺口、凹口、孔和类似物4108以产生导体4104的缺口，允许邻近的磁性材料块在一起靠近并具有可小于如图41B所示的导体4104的厚度的间隔4106。
在实施方案中，谐振器之间的间隙可完全或部分地填充有磁性材料块、粉末、环氧树脂等。在一些实施方案中，磁性材料块可不同于包括较小的谐振器的磁性材料块。在一些实施方案中，使用可防止或减少谐振器之间的振动或震动转移的柔性形式的磁性材料可能是优选的。
在实施方案中，包括大有效谐振器的每个较小磁性材料块可缠绕有单独的导体片并耦合到单独的调谐和匹配网络。具有缠绕的导体的每个磁性材料块可以是单独的谐振器，并可与其它谐振器单独地被调谐或调节。在实施方案中，每个谐振器或谐振器组可耦合到单独的供电和控制电路，其可与振荡器或时钟同步以确保所有谐振器以及供电和控制电路在同一频率和相位处或在预定的频率和相位偏移处操作。在实施方案中，单个供电和控制电路可用于所有谐振器，且在源的情况下，可与振荡电压并行地驱动所有谐振器，或在设备的情况下，一个供电和控制电路可捕获并转换在每个谐振器导体上的振荡电压。
在实施方案中，单个导体可用于顺序地缠绕谐振器的所有磁性材料块或磁性材料块的组。导体可缠绕在一个磁性材料块周围，并接着缠绕在第二磁性材料块周围，依此类推，提供在多个磁性材料块周围的导体之间的串联连接。在这样的实施方案中，单个供电和控制电路可用于使用振荡电流来激励导体。
在实施方案中，包括谐振器布置的单独的较小谐振器和磁性材料块可都具有实质上相等的尺寸。在其它实施方案中，磁性材料块可以是不一致的，并可具有变化的厚度或不规则的形状。
在实施方案中，缠绕有包括有效的较大谐振器的导体的单独的较小谐振器或单独的磁性材料块可都被缠绕，使得由导体形成的所有回路是同轴的，或使得由导体形成的所有回路是平行的。在其它实施方案中，导体可被缠绕，使得不是由导体形成的所有回路都是平行的。一些磁性材料块可被缠绕或布置使得导体形成具有垂直于其它导体的其它回路的轴的回路，并可用于形成具有在多于一个方向上有磁偶极矩的能力的较大的有效谐振器。
在实施方案中，包括较小的磁性材料块的布置的谐振器可包括磁性材料块，而没有缠绕的导体。
在包括较小磁性材料块或较小谐振器的布置的谐振器的实施方案中，导体可以根据功率水平、距离、磁场限制等在无线功率转移期间被选择性地激励或激活。在实施方案中，例如，包括包含多个导体的布置的源谐振器可在低水平的无线功率转移被需要时激励一个导体或导体的仅仅一部分，并可在高水平的无线功率转移被需要时激励大部分或全部导体。
在一些实施方案中，可根据包括距离或横向偏移的源和设备的相对位置激励不同的导体或不同数量的导体。例如，在车辆充电应用的实施方案中，其中源谐振器可具有比如图37所示的设备谐振器大的尺寸，源谐振器可包括较小的磁性材料块或较小的谐振器，对于其，只有正好在设备谐振器之下的块和导体可被激励。在这样的实施方案中，源谐振器和设备谐振器可容许较大的横向偏移，同时确保最强的磁场总是被限制到设备谐振器之下的区域。
应理解，小的或大的磁性材料块的任何描述可以指包括单个单体的磁性材料块、瓦片、结构、晶体、薄片、正方形、形状、形式等的块，或可包括被连接、包装、组装或固定在一起以形成实质上连续的形式的单独较小的类似或不同类型的磁性材料块、瓦片、结构、晶体、薄片、正方形、形状、形式等的任何组合。
集成的谐振器-护罩结构
在无线功率转移的一些实施方案和应用中，将谐振器结构放置成极接近另一物体例如电子设备、电路板、金属物体、有损物体等可能是必要或合乎需要的。在一些实施方案中，对一些类型的物体例如电池、电路板、有损物体和/或金属的极接近性可能不利地影响或干扰无效功率转移系统的性能。对一些物体的极接近性可减小在功率转移中涉及的一个或多个谐振器的品质因数，或可影响两个或更多个谐振器之间的耦合。在一些实施方案中，由谐振器产生的电磁场也可例如通过影响电磁设备或电路或引起物体的加热来影响谐振器周围的物体。
在实施方案中，磁场对物体的影响以及物体对无线功率转移的参数或谐振器的参数的影响可以至少部分地通过在谐振器和物体之间引入护罩结构来减轻。在一些实施方案中，护罩结构和谐振器可集成到一个结构中，允许谐振器结构放置在或位于对谐振器的品质因数Q有最小影响和同样对外部物体有最小影响的物体附近。在一些实施方案中，集成的谐振器和护罩结构可以在至少一个尺寸上比包括从其每个部分单独地组装的谐振器和护罩的结构小。
如上所述，保护平面谐振器或包括磁性材料块的谐振器免受来自外部物体的干扰的一种方法是将良导体材料薄片放置在谐振器和物体之间。例如，如图42A所示，对于包括磁性材料块4214和完全缠绕在块4214周围的导体电线4216的平面谐振器4218，包括良电导体薄片4212的护罩可位于谐振器4218附近，至少部分地保护谐振器免受位于导体护罩4212之下的物体4220的影响，且同样至少部分地保护位于护罩之下的物体4220免受可由谐振器产生的电磁场的影响。注意，虽然附图可能没有明确地示出谐振器电容器，应清楚，这里所述的磁谐振器包括由在空中或缠绕在磁性材料块和电容元件周围的导电电线回路组成的电感元件，如上所述。
添加例如图42A所示的导电护罩的一个物理效果是在导电护罩的另一侧上的“镜像”谐振器的产生。本领域的普通技术人员将认识到，这里描述的“镜像”类似于镜像电荷和用于复制沿着完美导体的电磁边界条件的镜像的方法。“镜像”谐振器将具有镜像谐振器本身中的电磁电流的“镜像”电流。在护罩的尺寸比谐振器的尺寸无限地大的限制中，在实际谐振器的区域中的电磁场可被表示为由实际谐振器产生的场和由镜像谐振器产生的场的叠加。在一些实施方案中，在谐振器结构中包括护罩的额外益处是护罩使谐振器结构中的磁性材料的有效厚度加倍。
在护罩是平坦的、大的、接近于谐振器和高度导电的限制中，在实际和镜像结构的内部导体段(在实际谐振器及其镜像之间)上流动的镜像电流和实际电流将实质上是相等的和相反的，且它们产生的电磁场实质上被抵消。因此，横穿磁性材料的底部的电线段对谐振器的总场贡献非常小。然而，它们的电阻损耗减小了谐振器Q，且其厚度增加了结构的总厚度。
在一些实施方案中，导电护罩可放置成接近平面谐振器，使得较薄的谐振器可用于实现与两倍厚的谐振器类似的性能。在其它实施方案中，可通过移动或移除横穿如图42A所示的磁性材料的“底部”的导体电线段来使薄谐振器变得更薄。如上所述，这些电线段对总场贡献很小，但它们的电阻损耗减小了谐振器Q，且其厚度增加了结构的总厚度。如果这些导电电线段将从谐振器结构移动或移除，则电流的交替电路经必须被提供，使得电流可穿过电感元件和在谐振器的磁性材料周围流动。
从磁性材料块下移除电线段同时保留护罩的一种结构在图42B中示出。在实施方案中，可通过将其余的绕组段直接连接到导体护罩来将电流返回到绕组的其余部分。这样的谐振器和护罩组合可比没有电连接到护罩但使用连续的电线缠绕的等效谐振器具有更高的Q，假定在最近集成的护罩和其余绕组中的电流分布实质上与导体护罩是分离的配置中的相同。在一些实施方案中，在集成的谐振器-护罩结构中的相同电流分布可通过在每个导体电线段中单独地驱动或控制电流来实现。在其它实施方案中，电流分布可通过将护罩分成优化的单独导体段来实现，如下所示。
在实施方案中，将护罩明确地合并为谐振器的部分并使用导体护罩来传送直接连接到谐振器的没有屏蔽功能的其它部分的电流可能是有利的。集成的谐振器-护罩结构可消除在护罩中产生的镜像电流，并与使用分开的护罩和谐振器的结构比较可具有增加的品质因数。
集成的谐振器-护罩结构的电感部分的示例性实施方案在图2B中示出，并包括导体薄片4222、磁性材料块4204以及导体电线段4210。磁性材料块4204位于导体薄片4222的顶部上，且核心部分地被导体电线段4210缠绕。导体电线段4210的端部连接到未被磁性材料块覆盖的导体护罩的相对侧。换句话说，导体电线段只部分地缠绕磁性材料块，当更确切地连接到护罩或护罩的段以完成电路。在图42B中，导体电线段缠绕磁性材料块的顶部和两侧。导体电线段连接到用于完成导体电线段的两端之间的电连接的导体护罩。在实施方案中，导体护罩部分地作为导体电线段的电流路径起作用。
在一些实施方案中，在集成的谐振器的绕组段和护罩中的总电流分布可实质上不同于分开的谐振器和护罩的总电流分布，甚至在解释冗余电流之后。如果例如绕组的其余段简单地电连接到护罩(例如，通过焊接)，则这个差异可能出现，在这种情况下单独的绕组都将与护罩并联连接，且除非对每个导体电线段添加额外的功率控制，电流将优先在展示最低阻抗的绕组的那些部分中流动。这样的电流分布可能不适合于所有应用。例如，这样的电流分布可能不是最小化损耗和/或优化性能的电流分布。
集成的谐振器-护罩结构的一个可选的实施方案是将连续的导体护罩分成不同的电隔离的导体段。在图42C中，集成的谐振器-护罩结构包括分割或划分成不同的隔离导体段4202、4212等的导体护罩4208，这些导体段连接不同的导体电线段4210、4214的端部，形成导体电线段之间的电连接并产生一个连续的导电路径。净结果是与导体护罩的电隔离段交替的导体电线段的串联连接。
在图43A、43B、43C和图44中分别示出集成的谐振器-护罩结构的一个实施方案的顶视图、侧视图、前视图和分解图。集成的谐振器-护罩结构具有分成多个隔离的导体段或路径4202、4212等的导体护罩4208，这些导体段连接到导体电线段4210、4214的端部，导体电线段部分地缠绕磁性材料块4204，或更确切地，导体电线段被布线，以便覆盖磁性材料的部分。如可从图43C中的谐振器的前视图看到的，导体电线段4210不完全缠绕磁性材料核心4204，而只部分地缠绕有导体电线段4210的端部，其连接到导体护罩4208的不同段。
在实施方案中，导体护罩可分成多个段并成形为使得护罩段以导致每个或一些导体电线段串联连接的方式而连接到导体电线段的端部。图43A中示出了具有成形和配置成将导体电线段串联连接的段的示例性导体护罩。导体护罩4208的每个段4202、4212被成形为连接不同导体电线段4210的两端。在这个配置中，例如分开的护罩段和导体电线段串联连接以产生一个连续的导体，其从顶部到底部部分地缠绕在磁性材料核心4204周围，并在护罩的平面中部分地缠绕在磁性材料块周围。对于例如图43A所示的实施方案，有效导体在一个导体电线段4306的端部处开始，并在磁性材料块4204之上的导体电线段和布线在磁性材料块4204周围的导体护罩4208的段之间交替。第一导体电线段4306在磁性材料块4202上被布线，并连接到导体护罩段4310，其又连接到在磁性材料上布线的另一导体电线段4312并连接到另一导体段4314，且交替的导体电线段和导电护罩段的图案重复，直到导体护罩4308的最后一个导体段。在导体护罩上的段和在磁性材料核心之上的导体电线段的组合产生有效的连续导体和因此产生具有集成护罩的磁谐振器，其可用于经由振荡磁场来转移或捕获无线功率。在实施方案中，导体电线段可包括任何类型的电线，例如单股线、辫编线、多股绞合线等。在其它实施方案中，导体电线段可包括PCB或柔性电路迹线、导体皮带、条、管子、带子、油墨、凝胶、油漆等。
图43A所示的结构例如可通过将有效导体4306、4308的两端连接到至少一个电容器和振荡电压电源而用作源磁谐振器。在有效导体中的振荡电流将产生实质上平行于导体护罩4208的振荡磁场，同时提供保护而免受可能位于谐振器-护罩结构之下的有损物体的影响。此外，所产生的场可表现为好像它们由具有磁性材料块的谐振器产生，磁性材料块在某些耦合情形下是磁性材料块的实际尺寸t的两倍厚。
在实施方案中，可能优选地连接导体电线段和导体护罩的段，使得当有效导体被外部电源或外部振荡磁场激励时，导体电线段中的电流实质上在同一方向上流动。例如，对于图43A所示的实施方案，导体电线段被连接，使得当有效导体通过导体端部或导线4308、4306激励时，在所有单独的导体电线段4210等中的所有电流在同一方向上流动，其中该方向取决于在有效导体上的感应电压的极性。在导体电线段中的相同方向上流动的电流可产生最强的磁场。
在实施方案中，可能优选地连接并布置导体护罩的段，使得对于在谐振器的中心线4310之上或之下的护罩段，在护罩段中的电流在相反的方向上流动。例如，对于图43A所示的实施方案，导体护罩的导体段被连接，使得当有效导体在端部4308、4306处被激励时，在谐振器4310的中心线之上的电流在与导体护罩4208的导体段4202、4212中的谐振器4310的中心线之下的电流在相反的旋转方向上流动。也就是说，如果在中心线之上的导体段中的电流在实质上顺时针方向上流动，在中心线之下的电流实质上在逆时针方向上流动。导电护罩的段的顶部和底部的反向流动的电流可引导由谐振器的相应部分产生的磁场，以增强彼此或指向朝着与导体护罩平行的平面加强谐振器的偶极矩的同一方向。
在实施方案中，产生导体屏蔽段的集成护罩的分割可自我一致地完成，使得对集成结构的因而产生的电流分布也将至少执行(如因而产生的品质因数、护罩中的有效性、到其它谐振器的耦合等所定义的)作为包括分开的谐振器和护罩的原始系统。
在实施方案中，导体护罩上的段的形状和分布可设计成使护罩的每个段中、每个导体绕组段中、或组合的段的部分中的电流相等。可能优选地使导体护罩成形并分割以及使护罩段成形，使得每个护罩段携带实质上相等的电流。这样的电流分布可例如减小接近度损耗。护罩段的成形常常完成，所以当它们最接近于磁性材料时它们更窄或更薄，或当它们远离时更厚或更宽在一些实施方案中可能是优选的，因为从驱动与相等的电流并联的所有导体段产生的分布最好地近似于位于未集成的谐振器-护罩结构中的谐振器附近的固体护罩中的电流分布。
可在例如图43A所示的实施方案中的护罩段中看到图案的一般特征。在该图中，导体段4212、4202跨越或覆盖导体护罩4208的较大区域，这些段远离磁性材料块4204。在未集成的谐振器-护罩结构中，在导体护罩中引起的有效电流在较接近于磁性材料块4204的区域中增加。使如图43A所示的屏蔽段成形强制在具有分段的护罩的集成结构中的实质上类似的电流分布。
在实施方案中，导体护罩可能不需要一直在磁性材料块之下延伸。在实施方案中，在磁性材料块之下的区域可能在谐振器的操作期间实质上没有磁场。在实施方案中，导体护罩可具有在磁性材料块之下的孔或切口(在磁性材料块和导体护罩将以另外方式重叠的区域中)。在实施方案中，移除这个屏蔽材料可能使谐振器结构变得更轻或制造起来更不昂贵。例如，图44示出包括具有在导体护罩的区域中的切口或孔4402的导体护罩4208的集成的谐振器-护罩结构的实施方案的分解图，所述区域将以另外方式与组装的结构中的磁性材料块4204重叠。
在实施方案中，护罩的有效尺寸可以比磁性材料块或谐振器的电感部分的尺寸大。导体护罩的确切尺寸可能对不同的应用是不同的。例如，在为小设备例如蜂窝电话或其它手持式电子设备设计的谐振器中，可能优选地确保导体护罩在每个方向上延伸出磁性材料块的长度的至少15-20％。该护罩延伸可提供额外的保护而免受蜂窝电话或其它手持式电子设备中的有损材料的影响。护罩相对于磁性材料的尺寸可取决于护罩预定有效地预防的物体的类型和尺寸。导体护罩的尺寸可减小，如果例如在护罩之后的物体或材料不是非常有损的。然而在谐振器可放置在非常有损的钢的平面上的实施方案中，使护罩变得更大以最小化钢中的损耗可能是合乎需要的，且护罩可具有比磁性材料块的尺寸大30％或更多的尺寸。
在实施方案中，分段护罩可通过任何数量的制造技术(包括机器加工、电镀、电沉积、蚀刻、油漆、图案化等)并通过刚性和柔性印刷的、沉积的、蚀刻的等电路板技术来制造。在导体护罩上的单独段可通过匹配单个导体片来形成。在实施方案中，在护罩段之间的间隔可包括额外的间隔或隔离空间、层或材料。这样的额外间隔可提供在段之间的改进的电隔离，并可防止两个相邻的导体迹线之间的电击穿。
在实施方案中，导体护罩可进一步分成由绝缘体分开的导体的多个层。分层的护罩可用于增加导体的横截面，电流在该横截面上流动而超过由在操作频率处的外皮深度效应设置的限制，如在前面的章节中所述的。在实施方案中，分层护罩可减小导体段的AC电阻并增加结构的品质因数。分层护罩也可用于实现具有偶极矩的集成的谐振器-护罩结构，偶极矩具有在薄和紧凑结构中的实质上相互正交的方向。这样的结构可包括在磁性材料块的顶部上彼此正交的导体电线段。护罩段的每层可本身进一步分成导体的较窄轨道，其将提供对护罩中的电流密度分布的额外控制，并可进一步增加结构的性能。
在实施方案中，导体护罩的段可被成形和布置成提供部分地缠绕在磁性材料块周围的导体电线段的串联连接。例如，在图43A所示的实施方案中，护罩段4212、4202相对于谐振器的中心线4310不是对称的。每个护罩迹线被成形为连接两个不同的导体电线段4210的端部，允许导体电线段相对于中心线4310布置在对称图案中。这样的布置可能对很多配置是有利的，因为它允许更简单的导体电线设计。部分地缠绕在磁性材料块周围的导体电线都是平行的，并与谐振器结构成直角。在其它实施方案中，护罩段可相对于导体护罩的中心线完全或部分地对称，需要部分地在待布置的磁性核心之上的导体电线段，使得它们连接不同的护罩段的两端。例如，在图45A所示的实施方案中，导体护罩4502的护罩段4506、4510相对于谐振器的中心线4504是对称的。导体段的串联连接由部分地缠绕磁性材料块4204的导体电线段4508的非对称对准或对角线对准提供。在一些实施方案中，非对称或对称护罩段和非对称或对称导体电线段布线的组合可用于串联或并联地连接一些或全部导体，取决于谐振器的期望性能。例如，对于大电流可存在于谐振器中的一些较高的功率配置，使用至少一些导体电线段并联连接以减小导体中的损耗的布置可能是有利的。
在实施方案中，部分地缠绕磁性材料块的导体电线段可由单独的电线或编线例如辫编线组成。在实施方案中，导体电线可由柔性电路或迹线或印刷电路或迹线组成，并可成形为折叠在磁性材料块上，且可具有适当的触头或附件以产生与导体护罩的导体段的电连接。例如，图45B示出导体电线段集成到单个片4514中的示例性实施方案，单个片4514可以是印刷电路板、柔性电路等，并形成为折叠在磁性材料块4204上，且产生与导体护罩4502的导体段的适当电接触。
在实施方案中，护罩和导体电线段可在同一过程中被制造，潜在地提高可再现性和性能，同时减少制造成本。在实施方案中，集成的护罩和导体电线段结构可被制造为柔性PCB，且谐振器结构可通过简单地将磁性材料块插在集成护罩和绕组内并接着将因而产生的结构连接到适当的电路来完成。在图46B所示的示例性实施方案中，具有导体段(未示出)的导体护罩4614和包括单独的导体段(未示出)的导体电线部分4612的完整结构可以是一个印刷电路板，其中导体电线部分4612弯曲并成形为便于或支持磁性材料块的放置。
在实施方案中，谐振器的支持电路中的一些或全部可在与集成的谐振器-护罩结构的导体护罩相同的印刷电路板上制造。例如，印刷电路板的一侧可具有导体护罩的印刷导体迹线，而另一侧可具有电子部件和印刷迹线，并对谐振器可用于包含供电和控制电路。
在实施方案中，磁性材料块可以是中空的，或可具有在面向导体护罩的一侧上的腔，其中有效磁场或谐振器是最小的。磁性材料中的腔可用于容纳电气或电子部件，例如用于给谐振器供电并控制谐振器的放大器或整流器。电子部件可位于腔内，而不明显影响谐振器的特性和参数，且同样不明显被谐振器的磁场影响。例如，图46A示出示例性集成的谐振器-护罩结构，其中底侧4608或面向磁性材料4602的导体护罩4502的侧面被成形为具有腔4604，部件或电子设备可位于腔4604中。将部件放置在腔4604中可提供具有在磁性材料和护罩下设计的供电和控制电路的集成的谐振器-护罩结构，而对谐振器结构的高度或厚度有最小影响或没有影响。在一些实施方案中，天线等可放置在腔中，并可在磁性材料实质上是透明的或至少不是有效护罩的频率处操作。在这样的实施方案中，天线可能遭受由于谐振器的存在的很小的衰减。
在实施方案中，集成的谐振器-护罩结构的导体护罩可具有额外的弯折、弯曲部、折板等，以增强、提高或改变所产生的或影响谐振器的磁场。集成的谐振器-护罩结构的导体护罩可具有在本文对包括分开的谐振器和导体护罩描述的弯折、弯曲部、折板等中的任一个。例如，类似于图28A所示的导体护罩，其中导体护罩2802被成形为具有折板2804，集成的谐振器-护罩结构的导体护罩可被成形为包括朝着磁性材料块延伸的折板，其可增加集成护罩的有效尺寸，而不需要较大尺寸的导体护罩。
在实施方案中，集成的谐振器-护罩结构的设计可被依尺寸制造、修改、配置等，以在对特定的应用可能需要的特定的配置、功率水平、频率、方位、环境等处操作。导体电线段的数量、导体护罩上的单独的导体段的数量、电线直径、导体护罩的厚度、磁性材料的厚度、护罩的尺寸等都可被修改或控制以满足特定的设计要求。
在实施方案中，集成的谐振器-护罩结构可被修改或扩展到具有多于一个磁偶极矩的结构。磁性材料块可在正交方向上或在非平行方向上部分地缠绕有导体电线段，导体护罩的段布置成在串联或并联或切换的配置中连接导体电线段。例如，图47示出了具有两个正交偶极矩的集成的谐振器-护罩结构的示例性实施方案。在实施方案中，具有四个突出部4708的磁性材料块4704部分地缠绕有导体电线段4706，其在磁性材料块4704周围延伸并连接到结构的导体护罩4702的导体段4710。护罩段4710可被成形为串联、并联地连接导体电线段4706，或可包括开关，使得不同的偶极矩可被单独地激励。结构具有在正交方向上缠绕磁性材料块的导体电线段，并能够产生两个正交的磁偶极矩，每个磁偶极矩平行于导体护罩的表面。导体护罩的段提高连续的电流路径，同时消除与用于保护谐振器免受干扰物体的未集成护罩相关的损耗，该物体可位于结构之下(4712)。
医学和外科应用
在医院和手术室环境中可使用无线功率转移。在医院和手术室中使用大量电气和电子设备来监控患者、管理药物、执行医疗程序、维持管理和医学记录等。电气和电子设备常常移动、被重新定位、随着患者移动、或连接到患者。频繁的移动可导致与到设备的功率输送有关的问题。常常被移动和重新定位的设备和电子设备可能由于变得缠结、拉紧、未插电的电缆、变成跳闸危险的电缆等而产生电力电缆危险和管理问题。具有能够在一段时间内操作而没有直接电连接的备用电池的设备每当设备被使用或重新定位时需要频繁的再充电或从电源插座插上插头或拔去插头。无线功率转移可用于消除在医院和手术室环境中的传统有线连接的问题和危险。
无线功率转移可用于给外科手术机器人、设备、传感器等供电。很多医疗程序和外科手术利用机器人或机器人设备来执行或帮助医疗程序或手术。无线功率转移可用于将功率转移到机器人设备、设备的部分、或可减小系统的潜在地危险和麻烦的配线的由设备操纵的仪器或工具。
图48示出了利用无线功率转移的手术机器人的一个示例性配置。该图描绘手术机器人4806和手术床4804。在一些实施方案中，手术机器人可无线地接收功率用于手术或给它的电池或能量储存系统充电。所接收的功率可经由常规有线方法分配到系统或部件例如电动机、控制器等。手术机器人可具有用于捕获源所产生的振荡磁能的在其底座4816中的设备谐振器、颈部4802、主结构4808等。在一些实施方案中，可从集成到、连接到或靠近手术床的源4814给机器人无线地供电。
在一些实施方案中，源谐振器或设备谐振器可安装在如图49所示的关节式臂杆或移动或可配置的延伸部上。臂或移动延伸部4902可配置成响应于机器人的位置变化、功率要求或无线功率转移的效率来重新定位源或设备，以确保被输送到机器人的足够水平的功率。在一些实施方案中，可移动的源或设备可由操作人员手动地移动或可以是自动化或计算机化的并配置成对准或维持源和设备之间的特定间隔范围或方位。
在实施方案中，可在可能有源和设备之间的位置偏移、失配、以后的偏移或高度偏移的情况或配置中使用可移动的臂或延伸部。在实施方案中，容纳或用于定位源或设备谐振器的可移动的臂可以是计算机控制的，并可自主地定位本身以获得最佳功率转移效率。臂例如可在扫描最有效的配置或位置的所有方向上移动，并可使用来自传感器的任何数量的测量结果以试图对准或寻找最佳或最有效的位置，包括但不限于阻抗、功率、效率、电压、电流、品质因数、耦合率、耦合系数测量等。
在其它实施方案中，手术机器人可使用无线功率转移来给机器人的由机器人操纵或集成到机器人中的电动机、传感器、工具、电路、设备或系统供电。例如，很多手术机器人可具有复杂的附件，其具有多个运动自由度。由于电线的笨重、不灵活性或不可靠性，沿着或穿过附件的各种关节或移动部件提供功率可能很难。
同样，对程序所必需的各种工具或仪器的供电在体液存在时可能对功率连接和连接器提出可靠性和安全问题。手术机器人可利用位于附件或工具中的一个或多个源谐振器4802和一个或多个设备谐振器4810、4812，以给电动机、电子器件或设备供电，以允许附件的运动或机器人操纵的可在患者内部或外部的工具、摄像机等的供电。功率可在没有任何电线的情况下被无线地转移，而不考虑附件的关节连接或旋转，并可增加附件的程度或关节连接能力。在一些实施方案中，源可集成到机器人中，并由可无线地或从有线连接接收其自己的功率的机器人供电。在一些实施方案中，给附件和工具供电的源可安装在手术床上、床下或靠近患者。
如本领域技术人员将认识到的，附图中所述和所示的系统是可利用各种形状和能力的很多不同的机器人设备、工具等中的任一个的特定的示例性实施方案和系统。同样，源可根据机器人的应用和使用安装在任何数量的具有各种尺寸的物体上。源可安装在如图48所示的手术室床或操纵台上。在其它实施方案中，源可安装在地板、墙壁、天花板、其它设备等中。
无线功率转移可用于给可移动设备例如IV或药物输送搁架或计算机台供电或再充电。这样的台或搁架常常被临时重新定位或随着患者从一个位置移动到另一位置。连接到这些搁架的电子设备常常具有备用电池，允许它们在一段时间内操作而没有直接电连接，使得它们可被移动或重新定位并维持其功能。然而，每当传统搁架被移动或重新定位时，它们需要被拔去插头和将插头插回到电源插座中用于再充电或供电，且电缆必须缠绕或从其它电缆解开。
传统可移动的有线药物输送、患者监控或计算机搁架的问题可通过将无线功率转移系统集成到设备来克服。例如，图50示出了药物输送搁架和计算机搁架的示范性实施方案。设备谐振器5008、5006以及供电和控制电路可集成或连接到底座或搁架的主体或支撑结构，允许从安装到地板、墙壁、充电台或其它物体中的源谐振器的无线功率转移。为了被充电或供电，搁架5002或台5014可位于源附近、在源的仪表测量距离内或在源的底脚间隔内。无线功率转移启用的搁架和电气设备不需要插入插头或拔去插头或电缆管理。可通过将搁架或电气设备定位在房间的特定区域中或源附近来给无线功率转移启用的搁架和电气设备供电。在这个配置中，例如，可仅在一短时间段内使用来测量或诊断患者的设备或搁架可从充电位置移动并被带到靠近患者的任何地方以进行测量，并移动回充电位置，而不需要设备的精确定位或插入插头或拔去插头。
虽然结合某些优选的实施方案描述了本发明，但是其它实施方案将被本领域的普通技术人员理解，并被预期落在本公开的范围内，该范围应在法律所允许的最广泛的意义上被解释。
本文引用的所有文件特此通过引用被全部并入，好像在本文充分阐述的一样。
Claims (10)
1.一种无线功率转换器，其包括：
至少一个接收磁谐振器，其配置成捕获通过以第一多个参数为特征的第一振荡磁场无线地接收的电能；以及
至少一个转移磁谐振器，其配置成产生以不同于所述第一多个参数的第二多个参数为特征的第二振荡磁场，
其中来自所述至少一个接收磁谐振器的所述电能用于激励所述至少一个转移磁谐振器以产生所述第二振荡磁场。
2.如权利要求1所述的转换器，其中所述第一多个参数包括与所述第二多个参数中的第二频率不同的第一频率。
3.如权利要求2所述的转换器，其中所述第一频率大约是所述第二频率的整数倍。
4.如权利要求2所述的转换器，其中所述第二频率大约是所述第一频率的整数倍。
5.如权利要求1所述的转换器，其中所述第一多个参数包括与所述第二多个参数中的第二幅值不同的第一幅值。
6.如权利要求1所述的转换器，其中所述第一多个参数包括与所述第二多个参数中的第二频率跳变序列不同的第一频率跳变序列。
7.如权利要求1所述的转换器，其中所述第一多个参数包括与所述第二多个参数中的第二接通/断开序列不同的第一接通/断开序列。
8.如权利要求1所述的转换器，其还包括配置成将所述至少一个接收磁谐振器捕获的所述电能转换成直流信号的第一转换器电路。
9.如权利要求8所述的转换器，其还包括配置成将来自所述第一转换器电路的所述直流信号转换成交流信号的第二转换器电路，其中所述交流信号用于激励所述至少一个转移磁谐振器。
10.如权利要求1所述的转换器，其中所述至少一个接收磁谐振器和所述至少一个转移磁谐振器中的至少一个具有品质因数Q>100。
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