CN107005092A - 无线电场电力传递系统、方法及其发射器和接收器 - Google Patents

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Abstract

一种无线电力传递系统包括：发射器，所述发射器包括被配置成经由谐振电场耦合传递电力的发射电极组；以及接收器，所述接收器包括被配置成经由谐振电场耦合提取所传递的电力的接收电极组，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的电极是同心的。

Description

无线电场电力传递系统、方法及其发射器和接收器
技术领域
本主题申请一般地涉及无线电力传递，并且具体地，涉及无线电场电力传递系统、用于该系统的发射器和接收器以及以无线方式传递电力的方法。
背景技术
各种无线电力传递系统是已知的。典型的无线电力传递系统由电连接到无线电力发射器的电源以及电连接到负载的无线电力接收器构成。
在磁感应系统中，发射器具有感应线圈，该感应线圈将电能从电源传递到接收器的感应线圈。所传递的电能然后被施加到负载。由于发射器和接收器的感应线圈之间的磁场的耦合而发生电力传递。然而，这些磁感应系统的范围是有限的，并且发射器和接收器的感应线圈必须处于最佳对准以便于电力传递。还存在由于发射器和接收器的感应线圈之间的磁场的耦合而传递电力的谐振磁系统。在这些谐振磁系统中，发射器和接收器的感应线圈使用高品质因数(高Q)电容器来谐振。谐振磁系统中的电力传递的范围被增加超过磁感应系统的范围并且对准问题被改正。
在电场耦合系统中，发射器和接收器具有电容式电极，并且由于发射器和接收器的电容式电极之间的电场的耦合而发生电力传递。还存在其中使用高品质因数(高Q)电感器使发射器和接收器的电容式电极谐振的谐振电场系统。与谐振磁系统类似，谐振电场系统与非谐振电场系统相比具有增加的电力传递范围并且对准问题被改正。
尽管无线电力传递技术是已知的，但是改进是期望的。因此目的是提供新颖的无线电场电力传递系统、用于该系统的发射器和接收器以及以无线方式发射电力的方法。
发明内容
因此，在一个方面中提供了无线电力传递系统，所述无线电力传递系统包括：发射器，所述发射器包括被配置成经由谐振电场耦合传递电力的发射电极组；以及接收器，所述接收器包括被配置成经由谐振电场耦合提取所传递的电力的接收电极组，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的电极是同心的。
在一个实施例中，所述发射电极组和所述接收电极组两者的电极是同心的。
在另一实施例中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的电极是共平面的。
在另一实施例中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的电极是同心电极的分段。
在另一实施例中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的电极是方位不对称的。
在另一实施例中，由所述发射电极组的电极限定的平面与由所述接收电极组的电极限定的平面形成在0～90度范围内的角度。
在另一实施例中，所述发射电极组包括两个或更多个同心电极。
在另一实施例中，所述接收电极组包括两个或更多个同心电极。
在另一实施例中，所述发射电极组的一个电极与所述发射电极组的另一电极重叠，或者所述接收电极组的一个电极与所述接收电极组的另一电极重叠。
在另一实施例中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是椭圆形的。在另一实施例中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是圆形的。在另一实施例中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是矩形的。在另一实施例中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是盘。在另一实施例中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是环。在另一实施例中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是截锥体。在另一实施例中，所述发射电极组和所述接收电极组中的一个的至少一个电极是板。在另一实施例中，所述发射电极组包括管和杆，并且其中，所述接收电极组包括至少两个管。在另一实施例中，所述发射电极组与所述接收电极组轴向偏移。在另一实施例中，所述发射电极组包括第一插口和第二插口，并且其中，所述接收电极组包括第一球和第二球。在另一实施例中，所述发射电极组包括第一外球形电极和第二外球形电极，并且其中，所述接收电极组包括第一内球形电极和第二内球形电极。
在另一实施例中，所述发射器的电极和所述接收器的电极是同心的。
在另一实施例中，所述发射电极组与所述接收电极组轴向偏移。
在另一实施例中，所述系统还包括另一接收器，所述另一接收器包括被配置成经由谐振电场耦合提取所传递的电力的另一接收电极组。
在另一实施例中，所述系统还包括由所述发射电极组和所述接收电极组围绕的轴。
根据另一方面提供了包括发射电极组的发射器，发射电极组被配置成经由谐振电场耦合传递电力，其中，所述电极是同心的。
根据又一个方面提供了包括接收电极组的接收器，接收电极组被配置成经由谐振电场耦合提取电力，其中，所述电极是同心的。
根据再一个方面提供了直升机，所述直升机包括：电源；发射器，所述发射器电连接到所述电源，所述发射器包括被配置成经由谐振电场耦合传递从所述电源接收的电力的发射电极组；可旋转负载；以及接收器，所述接收器电连接到所述可旋转负载，所述接收器包括被配置成经由谐振电场耦合提取所传递的电力并且将所提取的电力递送到所述负载的接收电极组，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的电极是同心的。
附图说明
现在将参考附图更充分地描述实施例，在附图中：
图1是无线电力传递系统的通用框图；
图2是无线谐振电场电力传递系统的示意布局视图；
图3是轴图的透视图；
图4a是形成图2的系统的发射器的一部分的发射电极组的透视图；
图4b是图4a的发射电极组的平面图；
图5是图2的系统的散射参数与频率的曲线图；
图6是在各种分离距离上的图2的系统的散射参数中的一个与频率的曲线图；
图7是图2的系统的电极的实施例的视图的平面图；
图8a是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图8b是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图8c是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图8d是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图9是图2的系统的电极的实施例的透视图；
图10a是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图10b是图10a的电极的平面图；
图11a是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图11b是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图12a是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图12b是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图13a是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图13b是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图14是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图15是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图16a是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图16b是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图16c是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图17是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图18a是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图18b是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图19是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图20是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图21是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图22a是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图22b是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图22c是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图22d是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图23a是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图23b是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图23c是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图24a是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图24b是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图24c是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图25a是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图25b是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图26a是无线谐振电场电力传递系统的另一实施例的示意布局视图；
图26b是图26a的系统的电极的实施例的透视图；
图27a是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图27b是图2的系统的电极的另一实施例的平面图；
图28a是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图28b是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图29是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图30a是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图30b是图30a的电极的平面图；
图30c是沿着截面线A-A截取的图30b的电极的横截面侧正视图；
图31a是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图31b是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；
图32是关于图2的系统中的电极的另一实施例的透视图；
图33a是图2的系统的电极的另一实施例的前正视图；
图33b是图33a的电极的侧正视图；
图33c是图33a的电极的底平面图；
图33d是沿着图33a的截面线D-D截取的图33a的实施例的横截面侧正视图；
图33e是沿着图33a的截面线E-E截取的图34a的实施例的横截面底平面图；
图34a是图2的系统的电极的另一实施例的前正视图；
图34b是图34a的电极的横截面前正视图；
图35是图2的系统的电极的另一实施例的透视图；以及
图36是图2的系统的电极的另一实施例的透视图。
具体实施方式
现在转向图1，无线电力传递系统被示出并且一般地由附图标记40来标识。无线电力传递系统40包括发射器42和接收器50。发射器包括电连接到发射谐振器46的电源44。接收器50包括电连接到负载54的接收谐振器52。电力被从电源44传递到发射谐振器46。电力然后经由谐振电场耦合被从发射谐振器46传递到接收谐振器52，并且然后从接收谐振器52传递到负载54。
在前述美国专利申请No.14/751,786中所描述的无线电力传递系统40的一个实施例中，发射谐振器46包括发射电极组，发射电极组包括一对横向隔开的细长电容式发射电极，该对横向隔开的细长电容式发射电极中的每一个经由高Q电感器电连接到电源44。接收谐振器52包括接收电极组，接收电极组包括一对横向隔开的细长电容式接收电极，该对横向隔开的细长电容式接收电极中的每一个经由高Q电感器电连接到负载54。在操作期间，电力被从电源44传递到发射谐振器46的电容式发射电极。来自电源44的电力信号激发发射谐振器46从而使发射谐振器46生成谐振电场。当接收器50被放置在这个谐振电场内时，接收谐振器52经由谐振电场耦合从发射器46提取电力。所提取的电力然后被从接收谐振器52传递到负载54。
由于发射谐振器46和接收谐振器52的高谐振，电容式发射和接收电极可能部分地失准，并且电力将仍然在系统40的发射器42与接收器50之间传递。然而，接收器50相对于发射器42的运动自由度取决于电容式发射和接收电极的几何形状。绕z轴线(即，电容式发射和接收电极的纵向轴线)的旋转被限制。当接收器50相对于发射器42在z轴线上旋转了90(九十)度时，由发射器42的电容式发射电极所生成的电场在接收器50的两个电容式接收电极处产生类似电场。结果，两个电容式接收电极具有产生极小电流的类似电位。因此，高效的无线电力传递难以实现。此外，电容式接收电极的定向有效地使通过由发射器42产生的电场所建立的电位短接，从而减小发射电容。
因此，为了允许在z轴线上旋转的结构与固定结构之间的电力传递实现，常规系统使用滑环或卷环。滑环依靠电刷与圆形电极之间的机械接触来影响电接触。电刷与圆形电极之间的机械接触导致拉紧电机的摩擦，使电刷和圆形电极两者磨损，产生金属尘，并且随热膨胀而变化。电刷常常由碳制成，碳在操作期间产生碳尘，并且在电极的导电环上频繁地导致烧痕。因此，滑环频繁地要求维修和/或替换。
此外，利用滑环的系统的其它部件中的振动可能使滑环以振动的频率造成电噪声，因为振动改变滑环中的电接触的品质。此外，许多滑环使用在室温下为导电液体的水银来减小摩擦。水银是非常危险的并且必须被仔细地处理。这将额外的复杂性添加到滑环的设计，因为需要安全壳。此外，滑环常常是重的且体积大的。
卷环不是依靠电刷与圆形电极之间的机械接触，而是使用圆柱形辊来维持与圆形电极的电接触。圆柱形辊与圆形电极之间的机械接触与滑环的电刷和圆形电极相比导致更小的摩擦，这减少电机上的应力、对圆柱形辊和圆形电极两者的磨损以及金属尘的产生。然而，卷环依靠圆柱形辊与圆形电极之间的紧密配合来影响电接触。由于热膨胀而导致的尺寸变化能够导致故障。此外，利用卷环的系统的其它部件中的振动可能导致故障。振动还可能拉紧卷环并且导致卷环部件的破裂。因此，卷环频繁地要求维修和替换。卷环也通常是重的且体积大的。
现在转向图2，适合于在旋转和固定结构或部件之间以无线方式传递电力的无线电力传递系统的实施例被示出并且一般地由附图标记70来标识。如可以看到的，无线电力传递系统70包括发射器72以及与发射器72间隔开的接收器90。发射器72包括电连接到电力逆变器76的电源74，所述电力逆变器76进而跨越电感式发射换衡器(balun)78电连接。电感式发射换衡器78互连不平衡和平衡系统并且执行阻抗变换。发射器72还包括经由串联高品质因数(Q)发射电感器82电连接到电感式发射换衡器78的发射电极组80。发射电极组80包括一对同心电容式发射电极。发射电极组80中的每个电容式发射电极经由高Q发射电感器82中的一个连接到电感式发射换衡器78。发射电极组80的电容式发射电极在特定工作频率下与串联高Q发射电感器82一起谐振以形成发射谐振器84。
接收器90包括电连接到调节器94的负载92，所述调节器94进而电连接到射频至直流(RF-DC)整流器96。在这个实施例中，RF-DC整流器96采用具有低结电容、高反向击穿电压和低正向电压降的超快二极管。RF-DC整流器96还可以采用同步MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。RF-DC整流器96包括调谐/匹配网络。RF-DC 96跨越电感式接收换衡器98电连接。与电感式发射换衡器78类似，电感式接收换衡器98互连不平衡和平衡系统并且执行阻抗变换。接收器90还包括经由串联高Q接收电感器102电连接到电感式接收换衡器98的接收电极组100。接收电极组100包括一对同心电容式接收电极。接收电极组100中的每个电容式接收电极经由高Q接收电感器102中的一个连接到电感式接收换衡器98。接收电极组100的电容式接收电极在与发射谐振器84相同的工作频率下与串联高Q接收电感器102一起谐振以形成接收谐振器104。
高Q指示存储能量的量大于耗散能量。在这个实施例中，发射电感器82和接收电感器102的品质因数是约200。本领域的技术人员应了解，其它品质因数是可能的。
负载92可以包括美国专利申请No.13/607,474中所标识的负载。另外的示例性负载92包括但不限于：电动机、电池(AA、9V和非传统或定制的可再充电电池形式)、无线电通信设备、计算机电池(台式、膝上型和平板)、电话(无绳、移动和蜂窝)、电视机(例如，等离子体、LCD、LED和OLED)以及家庭电子设备(例如，DVD播放器、蓝光播放器、受话器、放大器、一体化家庭影院、扬声器、低音炮、视频游戏控制台、视频游戏控制器、遥控设备、电视、计算机或其它监视器、数码相机、视频录像机、数码相框、视频或图像投影器以及媒体流设备)。
现在转向图3，示出了轴线参考图。图3图示包括x轴、y轴和z轴的常规笛卡儿坐标系统。x轴和y轴彼此垂直并且与z轴线垂直。图3图示圆柱坐标系统。在该圆柱坐标系统中，h轴线与z轴线相同，r轴线是径向轴线，并且θ是方位或旋转轴线。
现在转向图4a和图4b，更好地图示了发射电极组80。虽然发射电极组80被示出，但是应了解，在这个实施例中，接收电极组100被同样地配置。如可以看到的，在这个实施例中，发射电极组80包括定位在内区域内并且由外电容式圆环形发射电极80b围绕的内电容式圆环形发射电极80a。内电容式发射电极80a和外电容式发射电极80b如图4a中所示以z轴线为中心，同时发射电极组80的平面位于x-y平面中。内电容式发射电极80b具有rin的内半径和rout的外半径。外电容式发射电极80b具有Rin的内半径和Rout的外半径。在这个实施例中，半径之间的关系由以下等式给出：
0≤rin＜rout＜Rin＜Rout
出于本主题申请的目的，同心被限定为至少包括下列中的一个：电极组的电极具有公共中心轴线，电极组的电极具有公共旋转中心，电极组的电极具有公共质心，电极组的电极具有公共体积中心，电极组的电极具有公共曲率中心，电极组的外电极围绕电极组的每个内电极，并且通过在z轴线上使电极组的外电极的周缘延伸而形成的形状围绕电极组的每个内电极。同心未必限于圆形电极。
在操作期间，电力被从电源74传递到电力逆变器76。电力逆变器76以工作频率输出RF信号，RF信号经由电感式发射换衡器78激发发射谐振器84从而使发射谐振器84生成交变谐振电场。当接收器90被放置在电场内时，接收谐振器104经由谐振电场耦合从发射器82提取电力。传递到接收谐振器104的电力然后经由电感式接收换衡器98被传递到电力被整流的RF-DC整流器96。经整流的电力然后被传递到调节电力的调节器94。经调节的电力然后被施加到负载92。RF-DC整流器96的调谐/匹配网络确保发射谐振器84和接收谐振器104临界耦合。
发射谐振器84和接收谐振器104可能过耦合、临界耦合或弱耦合。当发射谐振器84和接收谐振器104被对准以在最高效率水平下得到最大电力传递时，在不同频率下存在两种谐振模式并且发射谐振器84和接收谐振器104被强耦合。随着发射谐振器84和接收谐振器104离彼此更远，两种谐振模式的频率变得更近直到它们在一个频率(临界耦合频率)下合并为止，并且发射谐振器84和接收谐振器104被临界耦合。当临界耦合时，发射谐振器84和接收谐振器104在临界耦合频率下谐振。随着发射谐振器84和接收谐振器104离开更远，电力传递的效率水平落在阈值水平以下，这里发射谐振器和接收谐振器被称为弱耦合。当发射谐振器84和接收谐振器104被强耦合或临界耦合时，能够实现高效率电力传递。
如将了解的，发射电极组80和接收电极组100的几何形状允许电容式发射和接收电极在公共z轴线(或h轴线)上旋转并且允许在径向方向(r轴线)上以及沿着z轴线的平移运动，同时仍然许可电力的无线传递(参见图3)。如将了解的，这使系统70特别适于替换常规的滑环和卷环，并且至少部分地减轻与滑环和卷环相关联的上述问题中的至少一个。
此外，能够包封发射电极组80和接收电极组100从而限制来自水、沙或尘的腐蚀或其它损坏。在无需发射电极组80与接收电极组100之间的物理接触的情况下，与滑环和卷环相比维修时间和成本减少了。
使用CST(计算机模拟技术)微波工作室(Microwave Studio)软件的电磁场模拟被执行以标绘如图5中所示出的系统70的散射参数或S参数与频率的关系。系统准则是：rin＝304mm，rout＝482mm，Rin＝532mm，并且Rout＝711mm。发射器72和接收器90是平行的，并且在发射电极组80和接收电极组100处的发射器72与接收器90之间的间隙是50.8mm。系统70的S参数通过发射器72处的反射电力波b1与接收器92处的反射电力波b2以及发射器72处的入射电力波a1与接收器处92处的入射电力波a2之间的关系来限定。因此，S参数通过以下关系来限定：
由于对称，S11和S22如S12和S21一样是难区分的。因此，仅S11和S21被标绘在图5中。
图6是在各种分离距离(单位为毫米)上的系统70的S12参数与频率的曲线图。
在使用之前对发射谐振器84和接收调谐器104进行调谐消除对于调谐/匹配网络的需要，同时在中等运动范围内维持谐振电场的临界耦合。例如，在以5.55MHz的频率操作的在50.8mm的分离距离上临界耦合的系统中，能够在没有调谐/匹配网络的情况下维持75％或更大的效率直到124mm的分离距离为止。
尽管在图2的实施例中，发射电极组80和接收电极组100各自包括被同轴对准的一对圆环形电极，但替代电极配置是可能的。例如，现在转向图7，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。发射电极组80和接收电极组100未被同轴对准，如图7中所示，重叠面积也保持恒定。在图7中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心电极130，该对同心电极130包括外圆环形发射电极以及被该外圆环形发射电极围绕的内圆环形发射电极。接收电极组100包括一对同心电极132，该对同心电极132包括外圆环形接收电极以及被该外圆环形接收电极围绕的内圆环形接收电极。
在这个实施例中，接收同心电极132的旋转轴线是平行的，但是未与发射同心电极130的旋转轴线对准。发射同心电极130的旋转轴线被绕发射同心电极130的中心轴线(z轴线)对准。类似地，接收同心电极132的旋转轴线被绕接收同心电极132的中心轴线(z轴)(z轴线)对准。
类似地，如果发射电极组80和接收电极100具有相同的旋转轴线，但是在θ轴线上旋转(参见图3)，则由发射电极组80和接收电极组100限定的重叠面积保持恒定。
然而，如果发射同心电极130和接收同心电极132中的一个具有非中心旋转轴线，则谐振电场耦合将随旋转角度而变化，因为发射同心电极130和接收同心电极132的几何形状在绕偏心轴线的旋转下缺少对称从而以旋转频率产生电力调制。现在转向图8a，描绘了发射同心电极134和接收同心电极136。接收同心电极136具有非中心旋转轴线。图8a描绘在θ等于零度情况下的离轴旋转。图8b描绘在θ等于90度情况下的离轴旋转。图8c描绘在θ等于180度情况下的离轴旋转。图8d描绘在θ等于270度情况下的离轴旋转。
耦合的变化改变系统70的谐振频率、系统70的电力传递效率或两者。这个效果能够被用来出于对准目的而检测离轴旋转，或者用来以旋转频率创建特定波形。电力传递效率的改变导致输出电力的变化，从而创建波形。电极组80和100可以被设计成创建特定波图案。这些波图案能够被用于对旋转角度具有变化的电力要求的负载。然而，不是使用这个效果来检测离轴旋转，而是可以利用基于角度位置对耦合强度的改变进行补偿的RF-DC整流器96的调谐/匹配网络至少部分地消除电力调制。离轴旋转导致系统70的互电容的变化，其导致通过RF-DC整流器96的调谐/匹配网络来补偿的阻抗的改变。RF-DC整流器96还可以包括带通滤波器以滤出低频调制并且将可能在所提取的电力方面产生下降的旋转周期的提取电力(这可能产生减小的电力传递效率)平均分配。
尽管在图2的实施例中，发射电极组80和接收电极组100各自包括一对圆环形电极，但是替代电极配置是可能的。例如，现在转向图9，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对同心电极，该对同心电极包括外圆环形发射电极140以及被该外圆环形发射电极140围绕的成盘形式(即，具有零的rin)的内发射电极142。接收电极组100类似地包括一对同心电极，该对同心电极包括外圆环形接收电极144以及被该外圆环形接收电极144围绕的成盘形式(即，具有零的rin)的内接收电极146。在这个实施例中，发射电极组80和接收电极组100两者的电极以z轴线为中心，并且发射电极组80和接收电极组100的电极的平面是平行的并且位于x-y平面中。
现在转向图10a和图10b，示出了发射电极组80的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对同心电极，该对同心电极包括外椭圆环形发射电极150以及被该外椭圆环形发射电极150围绕的内椭圆环形发射电极152。发射电极组80的电极以z轴线为中心并且发射电极组80的电极的平面是平行的并且位于x-y平面中。虽然仅发射电极组80被示出，但是应了解，接收电极组100可以被同样地配置。
现在转向图11a和图12b，示出了发射电极组80的其它实施例。在图11a中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极，该对同心发射电极包括外方环形发射电极156a以及被该外方环形发射电极156a围绕的内方环形发射电极158a。在图11b中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极，该对同心发射电极包括外矩形环发射电极156b以及被该外矩形环发射电极156b围绕的内矩形环发射电极158b。在图11a和图11b中所示出的实施例中，发射电极组80的电极以z轴线为中心并且发射电极组80的电极的平面是平行的并且位于x-y平面中。虽然仅发射电极组80被示出，但是应了解，接收电极组100可以被同样地配置。
现在转向图12a和图12b，示出了发射电极组80和接收电极组100的其它实施例。在图12a中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极160，该对同心发射电极160包括具有公共中心轴线的外椭圆环形发射电极和内椭圆环形发射电极。内椭圆环形发射电极由外椭圆环形发射电极围绕。接收电极组100包括一对同心接收电极162，该对同心接收电极162包括不具有公共中心轴线的外椭圆环形接收电极和内椭圆环形接收电极。内椭圆环形接收电极由外椭圆环形接收电极围绕。虽然发射电极组80的电极160已被示出为具有公共中心轴线并且接收电极组100的电极162已被示出为不具有公共中心轴线，但是应了解，该配置能够是相反的。
在图12b中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极164，该对同心发射电极164包括不具有公共中心轴线的外椭圆环形发射电极和内椭圆环形发射电极。内椭圆环形发射电极由外椭圆环形发射电极围绕。接收电极组100包括一对同心接收电极166，该对同心接收电极166包括不具有公共中心轴线的外椭圆环形接收电极和内椭圆环形接收电极。内椭圆环形接收电极由外椭圆环形接收电极围绕。
在图12a和图12b中所示出的实施例中，在电极组未绕由外椭圆环形发射和接收电极所共享的中心轴线轴向对准时，谐振电场耦合随旋转角度θ而变化，从而以旋转频率在由接收器90提取的电力方面产生调制。这以旋转频率创建波形。RF-DC整流器96的调谐/匹配网络基于角度位置对耦合强度的改变进行补偿。如先前提及的，RF-DC整流器96还可以包括带通滤波器以滤出低频调制并且将可能在所提取的电力方面产生下降的旋转周期的提取电力(这可能产生减小的电力传递效率)平均分配。
现在转向图13a和图13b，示出了发射电极组80和接收电极组100的另外的实施例。在图13a中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心非共平面的发射电极171，该对同心非共平面的发射电极171包括外椭圆环形发射电极和内椭圆环形发射电极。内椭圆环形发射电极被外椭圆环形发射电极沿着z轴线的投影围绕。接收电极组100包括一对同心非共平面的接收电极170，该对同心非共平面的接收电极170包括沿着z轴线偏移的外椭圆环形接收电极和内椭圆环形接收电极。内椭圆环形接收电极被外椭圆环形接收电极沿着z轴线的投影围绕。
在图13b中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心非共平面的发射电极173，该对同心非共平面的发射电极173包括沿着z轴线偏移的外方环形发射电极和内方环形发射电极。内方环形发射电极被外方环形发射电极沿着z轴线的投影围绕。接收电极组100包括一对同心非共平面的接收电极172，该对同心非共平面的接收电极172包括沿着z轴线偏移的外方环形接收电极和内方环形接收电极。内方环形接收电极被外方环形接收电极沿着z轴线的投影围绕。该对同心非共平面的接收电极172限定比该对同心非共平面的发射电极173基本上更小的体积。
现在转向图14，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对同心共平面的发射电极174，该对同心共平面的发射电极174包括外椭圆环形发射电极以及被该外椭圆环形发射电极围绕的内椭圆环形电极。接收电极100包括一对同心非共平面的接收电极176，该对同心非共平面的接收电极176包括沿着z轴线偏移的外椭圆环形接收电极和内椭圆环形接收电极。内椭圆环形接收电极被外椭圆环形接收电极沿着z轴线的投影围绕。发射电极组80和接收电极组100两者的电极以z轴线为中心。虽然发射电极组80已被示出为包括一对同心共平面的发射电极174并且接收电极组100已被示出为包括一对同心非共平面的接收电极176，但是应了解，这个配置能够是相反的。
现在转向图15，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对同心非共平面的发射电极178，该对同心非共平面的发射电极178包括沿着z轴线偏移的外椭圆环形发射电极和内椭圆环形发射电极。内椭圆环形发射电极被外椭圆环形发射电极的投影围绕。内椭圆环形发射电极未与外椭圆发射电极轴向对准。接收电极组100包括一对同心非共平面的接收电极179，该对同心非共平面的接收电极179包括沿着z轴线偏移的外椭圆环形接收电极和内椭圆环形接收电极。内椭圆环形接收电极被外椭圆环形接收电极沿着z轴线的投影围绕。内椭圆环形接收电极未与外椭圆接收电极轴向对准。
现在转向图16a，示出了发射电极组80的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组包括一对同心电极180，该对同心电极180包括具有相同半径的外椭圆环形发射电极和内椭圆环形发射电极(即，rin＝Rin并且rout＝Rout)。虽然发射电极组80已被示出，但是应了解，这个配置能够被应用于接收电极组100。
现在转向图16b，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极182，该对同心发射电极182包括具有相同半径的外椭圆环形发射电极和内椭圆环形发射电极(即，rin＝Rin并且rout＝Rout)。接收电极组100包括一对同心接收电极184，该对同心接收电极184包括具有相同半径电极的外椭圆环形接收电极和内椭圆环形接收电极(即，rin＝Rin并且rout＝Rout)。该对同心接收电极184限定比该对同心发射电极182基本上更小的体积。
现在转向图16c，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对非共平面的同心发射电极308，该对非共平面的同心发射电极308包括具有相同半径的外环形发射电极和内环形发射电极(即，rin＝Rin并且rout＝Rout)。接收电极组100类似地包括一对同心接收电极310，该对同心接收电极310包括具有相同半径的外环形接收电极和内环形接收电极(即，rin＝Rin并且rout＝Rout)的。接收电极310被定位在由发射电极308限定的体积内。
现在转向图17，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极190，该对同心发射电极190包括外圆环形发射电极以及被该外圆环形发射电极围绕的内圆环形发射电极。接收电极组100包括一对同心接收电极192，该对同心接收电极192包括外方环形接收电极以及被该外方环形接收电极围绕的内方环形接收电极。虽然发射电极组80已被示出为包括圆环形发射电极并且接收电极组100已被示出为包括方环形接收电极，但是应了解，这个可以是相反的。
现在转向图18a和图18b，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在图18a中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极193，该对同心发射电极193包括外圆环形发射电极以及被该外圆环形发射电极围绕的内圆环形发射电极。接收电极组100包括一对同心接收电极194，该对同心接收电极194包括外方环形接收电极以及被该外方环形接收电极围绕的内方环形接收电极。同心发射电极193和同心接收电极194被同轴对准。因此，如果同心接收电极193绕z轴线旋转(参见图3)，则由同心发射电极193和同心接收电极194限定的重叠面积保持恒定。这个被清楚地图示在图18a和18b中。图18a描绘在θ等于零度情况下的同心发射电极193和同心接收电极194。图18b描绘同心发射电极193和同心接收电极194，其中同心接收电极193在θ轴线上旋转了45度。只要发射电极193和接收电极194中的一个包括圆环形电极，电场就将通过绕z轴线的所有旋转均匀地耦合在发射电极193与接收电极194之间，因为由发射电极193和接收电极194限定的重叠面积保持恒定。
然而，如果同心发射电极193和同心接收电极194中的一个具有非中心旋转轴线，则谐振电场耦合将随旋转角度而变化从而以旋转频率产生电力调制。现在转向图19，所描绘的接收电极194具有非中心旋转轴线。图19描绘在θ等于零度情况下的离轴旋转。图20描绘在同心接收电极193具有等于四十五度的θ的旋转情况下的离轴旋转。耦合的变化改变系统70的谐振频率、系统70的电力传递效率或两者。如先前陈述的，这个效果能够被用来出于对准目的而检测离轴旋转，或者用来以旋转频率创建特定波形。电力传递效率的改变导致输出电力的变化，从而创建波形。同心发射电极193和同心接收电极194可以被设计成创建特定波图案。这些波图案能够被用于对旋转角度具有变化电力要求的负载。
现在转向图21，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对共平面的同心发射电极196，该对共平面的同心发射电极196包括外椭圆环形发射电极以及被该外椭圆环形发射电极围绕的内椭圆环形发射电极。接收电极组包括一对弓形接收电极198，该对弓形接收电极198包括外弓形接收电极和内弓形接收电极。外弓形接收电极被定尺寸为外椭圆环形发射电极的分段。内弓形接收电极被定尺寸为内椭圆环形发射电极的分段。虽然仅单一一对弓形接收电极198已被示出，但是应了解，在这个实施例，多个接收弓形电极可以耦合到同一对同心发射电极196。此外，虽然发射电极组80已被示出为包括一对共平面的同心发射电极196并且接收电极组100已被示出为包括一对弓形接收电极198，但是应了解，这个配置可以是相反的。
现在转向图22a至图22d，示出了发射电极组80和接收电极组100的其它实施例。在图22a中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对共平面的同心电极200，该对共平面的同心电极200包括外圆环形发射电极以及被该外圆环形发射电极围绕的内圆环形发射电极。每个圆环形发射电极由通过绕转矩形而生成的圆环面(toroid)来限定。在这个实施例中，接收电极组100与发射电极组80相同。
在图22b中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极202，该对同心发射电极202包括不具有公共中心轴线的外椭圆环形发射电极和内椭圆环形发射电极。内椭圆环形发射电极被外椭圆环形发射电极围绕。每个椭圆环形发射电极由通过绕转矩形而生成的圆环面来限定。接收电极组100包括一对同心接收电极203，该对同心接收电极203包括不具有公共中心轴线的外椭圆环形接收电极和内椭圆环形接收电极。内椭圆环形接收电极被外椭圆环形接收电极围绕。每个椭圆环形接收电极由通过绕转矩形而生成的圆环面来限定。
在图22c中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心共平面的电极204，该对同心共平面的电极204包括外圆环形发射电极以及被该外圆环形发射电极围绕的内圆环形发射电极。每个圆环形发射电极由通过绕转圆(即，圆环(torus))而生成的圆环面来限定。在这个实施例中，接收电极组100与发射电极组80相同。
在图22d中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极206，该对同心发射电极206包括不具有公共中心轴线的外圆环形发射电极和内圆环形发射电极。内圆环形发射电极被外圆环形发射电极沿着z轴线的投影围绕。每个圆环形发射电极由通过绕转圆(即，圆环)而生成的圆环面来限定。接收电极组100包括同心接收电极207，同心接收电极207包括不具有公共中心轴线的外圆环形接收电极和内圆环形接收电极。内圆环形接收电极被外圆环形接收电极沿着z轴线的投影围绕。每个圆环形接收电极由通过绕转圆(即，圆环)而生成的圆环面来限定。
现在转向图23a至图23c，示出了发射电极组80和接收电极组100的其它实施例。在图23a中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极208，该对同心发射电极208包括外椭圆环形发射电极以及被该外椭圆环形发射电极围绕的内椭圆环形发射电极。接收电极组100包括一对同心接收电极210，该对同心接收电极210包括外椭圆环形接收电极以及被该外椭圆环形接收电极围绕的内椭圆环形接收电极。发射电极组80的平面与接收电极组100的平面之间的角度是约45(四十五)度。
现在转向图23b，发射电极组80包括一对同心发射电极212，该对同心发射电极212包括外椭圆环形发射电极以及被该外椭圆环形发射电极围绕的内椭圆环形发射电极。接收电极组100包括一对同心非共平面的接收电极214，该对同心非共平面的接收电极214包括外椭圆环形接收电极以及被该外椭圆环形接收电极围绕的内椭圆环形接收电极。发射电极组80的平面与接收电极组100的平面之间的角度是约45(四十五)度。
现在转向图23c，发射电极组80包括一对同心非共平面的发射电极216，该对同心非共平面的发射电极216包括外椭圆环形发射电极以及被该外椭圆环形发射电极沿着z轴线的投影围绕的内椭圆环形发射电极。接收电极组100包括一对同心共平面的接收电极218，该对同心共平面的接收电极218包括外椭圆环形接收电极以及被该外椭圆环形接收电极围绕的内椭圆环形接收电极。发射电极组80的平面与接收电极组100的平面之间的角度是约90(九十)度。虽然发射电极组80和接收电极100已被示出为特定角度，但是应了解，其它角度是可能的。
现在转向图24a至图24c，示出了发射电极组80和接收电极组100的其它实施例。在图24a中所示出的实施例中，发射电极组80包括四个共平面的同心圆环形发射电极220。交替的环形发射电极被短接在一起。在这个实施例中，接收电极组100与发射电极组80相同。
在图24b中所示出的实施例中，发射电极组80包括四个共平面的同心圆环形发射电极222。交替的环形发射电极被短接在一起。每个环形发射电极是通过绕转矩形而生成的圆环面。在这个实施例中，接收电极组100与发射电极组80相同。
在图24c中所示出的实施例中，发射电极组80包括四个共平面的同心圆形发射电极224。交替的环形发射电极被短接在一起。每个环形发射电极是通过绕转圆(即，圆环)而生成的圆环面。在这个实施例中，接收电极组100与发射电极组80相同。
共平面的同心圆环形发射电极220中的两个以及共平面的同心圆环形发射电极222中的两个可以用作电极的备用组。
虽然已经描述了电极组80和100包括四个电极的实施例，但是应了解，电极组80和100可以包括三个或更多个电极。
现在转向图25a和图25b，示出了发射电极组80的其它实施例。在图25a中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对共平面的同心电极226，该对共平面的同心电极226包括外椭圆环形发射电极以及被该外椭圆环形发射电极围绕的内椭圆环形发射电极。外椭圆环形发射电极和内椭圆环形发射电极是方位不对称的。在这个实施例中，谐振电场耦合随旋转角度而变化，从而以旋转频率在由接收器90所提取的电力方面产生调制。这以旋转频率创建波形。如先前描述的，可以利用基于角度位置对耦合强度的改变进行补偿的RF-DC整流器96的调谐/匹配网络至少部分地消除电力调制。离轴旋转导致系统70的互电容的变化，其导致通过RF-DC整流器96的调谐/匹配网络来补偿的阻抗的改变。RF-DC整流器96还可以包括带通滤波器以滤出低频调制并且将可能在所提取的电力方面产生下降的旋转周期的提取电力(这可能产生减小的电力传递效率)平均分配。虽然发射电极组80已被示出为包括同心电极226，但是应了解，接收电极组100可以被同样地配置。
在图25b中所示出的实施例中，发射电极80包括一对同心共平面的电极227，该对同心共平面的电极227包括外椭圆环形发射电极以及被该外椭圆环形发射电极围绕的内椭圆环形发射电极。外椭圆环形发射电极和内椭圆环形发射电极是方位不对称的。在这个实施例中，谐振电场耦合随旋转角度而变化，从而以旋转频率在由接收器90所提取的电力方面产生调制。这以旋转频率创建波形。如先前描述的，可以利用基于角度位置对耦合强度的改变进行补偿的RF-DC整流器96的调谐/匹配网络至少部分地消除电力调制。离轴旋转导致系统70的互电容的变化，其导致通过RF-DC整流器96的调谐/匹配网络来补偿的阻抗的改变。RF-DC整流器96还可以包括带通滤波器以滤出低频调制并且将可能在所提取的电力方面产生下降的旋转周期的提取电力(这可能产生减小的电力传递效率)平均分配。虽然发射电极组80已被示出为包括同心电极227，但是应了解，接收电极组100可以被同样地配置。
现在转向图26a，示出了无线电力传递系统228的另一实施例。在这个实施例中，无线电力传递系统228包括发射器230、第一接收器250和第二接收器270。发射器230包括电连接到电力逆变器234的电源232，所述电力逆变器76进而跨越电感式发射换衡器236电连接。电感式发射换衡器236互连不平衡和平衡系统并且执行阻抗变换。发射器230还包括经由串联高Q发射电感器238电连接到电感式发射换衡器236的发射电极组240。
发射电极组240包括三个共平面的同心电容式发射电极。在这个实施例中，电容式发射电极包括外圆环形发射电极以及一对横向隔开的内圆环形发射电极。内圆环形发射电极被外圆环形发射电极围绕。发射电极组240中的每个电容式发射电极经由高Q发射电感器238中的一个连接到电感式发射换衡器236。发射电极组240的电容式发射电极在特定工作频率下与串联高Q发射电感器238一起谐振以形成发射谐振器242。
第一接收器250包括电连接到调节器254的负载252，所述调节器254进而电连接到射频至直流(RF-DC)整流器256。在这个实施例中，RF-DC整流器256采用具有低结电容、高反向击穿电压和低正向电压降的超快二极管。RF-DC整流器256还可以采用同步MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。RF-DC整流器256包括调谐/匹配网络。RF-DC整流器256跨越电感式接收换衡器258电连接。与电感式发射换衡器238类似，电感式接收换衡器258互连不平衡和平衡系统并且执行阻抗变换。第一接收器250还包括经由串联高Q接收电感器262电连接到电感式接收换衡器258的电极组260。电极组260包括一对同心电容式接收电极，该对同心电容式接收电极包括内圆环形接收电极以及围绕该内圆环形接收电极的外圆环形接收电极。电极组260中的每个电容式接收电极经由高Q接收电感器262中的一个连接到电感式接收换衡器258。电极组260的电容式接收电极在与发射谐振器242相同的工作频率下与串联高Q接收电感器262一起谐振以形成第一接收谐振器264。
第二接收器270包括电连接到调节器274的负载272，所述调节器274进而电连接到射频至直流(RF-DC)整流器276。在这个实施例中，RF-DC整流器276采用具有低结电容、高反向击穿电压和低正向电压降的超快二极管。RF-DC整流器276还可以采用同步MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。RF-DC整流器276包括调谐/匹配网络。RF-DC整流器276跨越电感式接收换衡器278电连接。与电感式发射换衡器278类似，电感式接收换衡器278互连不平衡和平衡系统并且执行阻抗变换。第二接收器270还包括经由串联高Q接收电感器282电连接到电感式接收换衡器278的电极组280。电极组280包括一对同心电容式接收电极，该对同心电容式接收电极包括内圆环形接收电极以及围绕该内圆环形接收电极的外圆环形接收电极。电极组280中的每个电容式接收电极经由高Q接收电感器282中的一个连接到电感式接收换衡器278。电极组280的电容式接收电极在与发射谐振器242相同的工作频率下与串联高Q接收电感器282一起谐振以形成第二接收谐振器284。
在操作期间，电力被从电源232传递到电力逆变器234。电力逆变器234以工作频率输出RF信号，RF信号经由电感式发射换衡器236激发发射谐振器242从而使发射谐振器242生成交变谐振电场。当第一接收器250被放置在谐振电场内时，第一接收谐振器264经由谐振电场耦合从发射器230提取电力。传递到第一接收谐振器264的电力然后经由电感式接收换衡器258被传递到电力被整流的RF-DC整流器256。经整流的电力然后被传递到调节电力的调节器254。经调节的电力然后被施加到负载252。RF-DC整流器256的调谐/匹配网络确保发射谐振器242和第一接收谐振器264临界耦合。
类似地，当第二接收器270被放置在电场内时，第二接收谐振器284经由谐振电场耦合从发射器230提取电力。传递到第二接收谐振器284的电力然后经由电感式接收换衡器278被传递到电力被整流的RF-DC整流器276。经整流的电力然后被传递到调节电力的调节器274。经调节的电力然后被施加到负载272。RF-DC整流器276的调谐/匹配网络确保发射谐振器242和第二接收谐振器284临界耦合。
现在转向图26b，示出了发射电极组240以及第一接收电极组260和第二接收电极组280的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组260包括三个电极，这三个电极包括具有形成在其中的两个圆形孔径的外板电极290、定位在外板电极290的第一孔径内的第一内圆环形发射电极292以及定位在外板电极290的第二孔径内的第二发射内环形电极294。
第一接收电极组260包括一对共平面的同心电极296，该对共平面的同心电极296包括外圆环形接收电极以及被该外圆环形接收电极围绕的内圆环形接收电极。第二接收电极组280包括一对共平面的同心电极298，该对共平面的同心电极298包括外圆环形接收电极以及被该外圆环形接收电极围绕的内圆环形接收电极。
现在转向图27a和图27b，示出了系统70的发射电极组80和接收电极组100的其它实施例。在图27a中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极300，该对同心发射电极300包括外环形发射电极以及成盘形式(即，具有零的rin)的内环形发射电极。接收电极组100类似地包括一对同心接收电极302，该对同心接收电极302包括外环形接收电极以及成盘形式(即，具有零的rin)的内环形接收电极。如可以看到的，接收电极302与发射电极300轴向偏移。在这个实施例中，接收电极302绕发射电极300的z轴线旋转。参考图8a至图8d讨论了这个离轴对准的效果。
在图27b中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极304，该对同心发射电极304包括外圆环形发射电极以及成盘形式(即，具有零的rin)的内圆形发射电极。接收电极组100类似地包括一对同心接收电极306，该对同心接收电极306包括外圆环形接收电极以及成盘形式(即，具有零的rin)的内圆形接收电极。如可以看到的，接收电极306与发射电极304轴向偏移。此外，在这个实施例中，接收电极306绕发射电极304的z轴线并且绕接收电极306的z轴线旋转。参考图8a至图8d讨论了这个离轴对准的效果。
现在转向图28a和图28b，示出了发射电极组80和接收电极组100的其它实施例。在图28a中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极312，该对同心发射电极312包括具有相同半径(即，rin＝Rin并且rout＝Rout)的第一外圆柱形发射电极312和第二外圆柱形发射电极。接收电极组100类似地包括一对同心接收电极314，该对同心接收电极314包括具有相同半径(即，rin＝Rin并且rout＝Rout)的第一内圆柱形接收电极和第二内圆柱形接收电极。每个接收电极314被定位在对应的发射电极312内。同心发射电极312和同心接收电极314相对于图2的发射电极组80和接收电极组100的增加的表面积产生增加的电容，因为表面积与电容成比例。此外，因为工作频率与电容的平方成反比，所以增加的电容减小工作频率。这对电子设备来说可以是特别有利的。
在图28b中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极316，该对同心发射电极316包括具有不相同半径的第一外圆柱形发射电极和第二外圆柱形发射电极。接收电极组100包括一对同心接收电极318，该对同心接收电极318包括具有不相同半径的第一内圆柱形接收电极和第二内圆柱形接收电极。每个接收电极318被定位在对应的发射电极316内。虽然发射电极组80已被描述为包括同心发射电极316并且接收电极组100已被描述为包括具有不相同半径的同心接收电极318，但是应了解，这个配置可以是相反的。
现在转向图29，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对非共平面的同心发射电极320，该对非共平面的同心发射电极320包括外截锥体发射电极以及被该外截锥体发射电极沿着z轴线的投影围绕的内截锥体发射电极。接收电极组包括一对非共平面的同心接收电极322，该对非共平面的同心接收电极322包括外截锥体接收电极以及被该外截锥体接收电极沿着z轴线的投影围绕的内截锥体接收电极。由接收电极322限定的锥体比由发射电极320限定的锥体小。
现在转向图30a至图30c，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极，该对同心发射电极包括中空管330和杆332。接收电极组100包括一对同心接收电极，该对同心接收电极包括内中空管334和外中空管336。中空管330包含内中空管334和外中空管336以及杆332，使得在杆332与内管334、内管334与外管336以及外管336与中空管330之间存在间隙。在这个实施例中，杆332是实心的；然而，本领域的技术人员应了解，杆332可以是中空的。中空管330与杆332之间的电容小，因为内管334和外管336位于中空管330与杆332之间。为了至少部分地减轻这个问题，中空管330具有变化的直径，使得它在包围外管336、内管334和杆的一端处与外管336极为接近，然后随着中空管330越过内管334和外管336延伸而渐缩以更靠近杆332。随着中空管330的直径减小并且内管334和外管336不再在中空管330与杆302之间，中空管330与杆302之间的电容增加。
虽然发射电极组80已被描述为包括同心发射电极，该同心发射电极包括中空管330和杆332，并且接收电极组100已被描述为包括同心接收电极，该同心接收电极包括内中空管334和外中空管336，但是应了解，这个配置可以是相反的。
现在转向图31a和图31b，示出了发射电极组80和接收电极组100的其它实施例。在图31a中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极340，该对同心发射电极340包括外圆环形发射电极以及被该外圆环形发射电极围绕的内圆环形发射电极。接收电极组100包括一对同心接收电极342，该对同心接收电极342包括具有相同半径(即，rin＝Rin并且rout＝Rout)的外圆环形接收电极和内圆环形接收电极。接收电极342与发射电极342成90度角(绕r轴线旋转)。接收电极342具有旋转自由度的附加轴线，其可以是与z轴线垂直的任何轴线。许多对接收电极342能够在z轴线上绕同一对发射电极340旋转。
虽然发射电极组80已被描述为包括同心发射电极340并且接收电极组100已被描述为包括与发射电极340成90度角的同心接收电极342，但是应了解，这个配置可以是相反的。
在图31b中所示出的实施例中，发射电极组80包括一对同心共平面的发射电极344，该对同心共平面的发射电极344包括外圆环形发射电极以及被该外圆环形发射电极围绕的内圆环形发射电极。接收电极组100包括一对同心接收电极346，该对同心接收电极346包括外截锥体接收电极以及被该外截锥体接收电极沿着z轴线的投影围绕的内截锥体接收电极。接收电极346相对于发射电极绕r轴线旋转，并且能够在不改变耦合强度的情况下绕它们的曲率中心旋转。与图31a中所示出的实施例类似，附加的接收电极346能够在z轴线上绕同一对发射电极344旋转。
现在转向图32，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对平行隔开的细长板发射电极348。接收电极组100包括一对同心接收电极350，该对同心接收电极350包括具有相同半径(即，rin＝Rin并且rout＝Rout)的外圆环形接收电极和内圆环形接收电极。接收电极350与发射板电极348成90度角(绕z轴线旋转)。
现在转向图33a和图33e，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极，该对同心发射电极包括第一插口电极352和第二插口电极354。第一插口电极352和第二插口电极354被绝缘体356分离，所述绝缘体356在这个实施例中是绝缘固体电介质。每个插口电极352和354通过馈电线358连接到系统70的高Q发射电感器82。同轴馈电线358被绝缘材料360分离。如图33d和图33e中所示，第一插口电极352和第二插口电极354可以被包封在外壳体362中。
接收电极组100包括一对同心接收电极，该对同心接收电极包括位于插口电极352和354内的第一球电极364和第二球电极366。第一球电极364和第二球电极366未电连接。在这个实施例中，第一球电极364和第二球电极366被绝缘流体368分离。球电极364和366被涂覆有绝缘材料以通过绝缘流体368来防止来自球电极364和366的移动的短接。每个球电极334和366通过馈电线370连接到系统70的高Q接收电感器102。两个同轴馈电线370被绝缘材料372分离。第一插口电极352中的开口许可第一球电极364和第二球电极366在第一插口电极352内枢转。第一球电极364和第二球电极366自由绕它们的z轴线旋转。
虽然发射电极组80已被描述为包括插口电极352和354并且接收电极组100已被描述为包括球电极364和366，但是应了解，这个配置可以是相反的。
现在转向图34a和图34b，示出了发射电极组80和接收电极组100的另一实施例。在这个实施例中，发射电极组80包括一对同心发射电极，该对同心发射电极包括外球形电极380以及包含在该外球形电极380内的内球形电极382。外球形电极380和内球形电极382被绝缘流体384分离。外球形电极380的内表面和内球形电极382的外表面被涂覆有绝缘材料以通过绝缘流体384来防止来自电极380和382的移动的短接。每个球形电极380和382可以通过馈电线386连接到系统70的高Q发射电感器82。同轴馈电线386被在这个实施例中为绝缘固体电介质的绝缘材料388分离。
接收电极组100包括一对同心接收电极，该对同心接收电极包括部分地位于外球形电极380内的第一内球形电极390和第二内球形电极392。第一内球形电极390和第二内球形电极392被绝缘固体394分离。每个球形电极390和932通过馈电线396连接到系统70的高Q接收电感器102。两条馈电线396被绝缘固体394分离。在这个实施例中馈电线386和396是同轴的。
虽然发射电极组80已被示出为包括外球形电极380和内球形电极382并且接收电极组100已被示出为包括第一内球形电极390和第二内球形电极392，但是应了解，这个可以是相反的。此外，虽然馈电线386和396是同轴的，但是应了解，可以使用其它类型的馈电线。
发射电极组80和接收电极组100可以包括多个电极的堆叠。例如，如图35中所示，发射电极组80包括第一对同心发射电极402和第二对同心发射电极406，第一对同心发射电极402包括外圆环形电极以及被该外圆环形电极围绕的内圆环形电极，第二对同心发射电极406包括外圆环形电极以及被该外圆环形电极围绕的内圆环形电极。类似地，接收电极组100包括第一对同心接收电极404和第二对同心接收电极408，第一对同心接收电极404包括外圆环形电极以及被该外圆环形电极围绕的内圆环形电极，第二对同心接收电极408包括外圆环形电极以及被该外圆环形电极围绕的内圆环形电极。电力被从第一对同心发射电极402传递到第一对同心接收电极404，并且从第二对同心发射电极406传递到第二对同心接收电极408。
发射电极组80和接收电极组100可以在如图36中所示出的还包括轴的系统中起作用。在这个实施例中，发射电极组80包括一对同心圆环形发射电极422。接收电极组100包括一对同心圆环形接收电极424。在这个实施例中，发射电极422和接收电极424以z轴线为中心并且发射电极422和接收电极424的平面是平行的并且位于x-y平面中。此外，在这个实施例中，轴420被发射电极422和接收电极424围绕并且穿过由发射电极422和接收电极424形成的孔径。轴420的纵向轴线与z轴线并且与发射电极422和接收电极424的旋转轴线对准。这允许在沿着轴420的任何位置处发生无线电力传递。这在轴420从机身起延伸超过电源(诸如在直升机的桨叶顶上的供电电子设备)的位置时是特别有用的。
轴420可以由导电材料制成。轴420的半径必须小于发射电极422和接收电极424的rin，使得存在使发射电极422和接收电极424与轴420绝缘的非导电间隙。非导电间隙的大小是这样的，使得发射电极422和接收电极424的内电极与轴420之间的电容是可忽视的。如果发射电极422和接收电极424的内电极与轴420之间的电容大，则将不会实现高效的电力传递，因为发射电极422和接收电极424的内电极之间的电位差将减小。
本领域的技术人员应了解，可以组合各种实施例，例如将椭圆形同心非共平面的发射电极与矩形共平面的非同心分段接收电极组合。
在一个应用中，电源72是直升机的机体内的电源。负载92是直升机的旋转组件中的一个。在这个应用中发射电极组80允许电力到接收电极组100的无线传递实现。发射电极组80和接收电极组100电桥接直升机的不旋转和旋转组件。不旋转和旋转组件可以包括：框架、框架的顶部、固定倾斜盘、倾斜盘的顶部、旋转倾斜盘、尾部、天线杆、雷达天线罩、尾部螺旋桨和桨叶。可能的连接包括：从直升机的框架到天线杆；从固定倾斜盘到旋转倾斜盘；从框架的顶部到桨叶上的分段电极；从框架的顶部到雷达天线罩；从倾斜盘的顶部到雷达天线罩；以及从尾部到尾部螺旋桨。
可以在各种其它应用中采用本系统，所述其它应用包括但不限于：机器人臂、制造旋转臂、车辆中的转向柱、旋转风车轴、将动力从地面传递到车辆的车轮以及将动力从车辆传递到车辆的车轮中的电动机。
尽管已经参考图在上面描述了实施例，然而本领域的技术人员应了解，可以在不脱离如由所附权利要求限定的其范围的情况下做出变化和修改。

Claims (26)

1.一种无线电力传递系统，所述无线电力传递系统包括：
发射器，所述发射器包括发射电极组，所述发射电极组被配置成经由谐振电场耦合传递电力；以及
接收器，所述接收器包括接收电极组，所述接收电极组被配置成经由谐振电场耦合提取所传递的电力，
其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的电极是同心的。
2.根据权利要求1所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组和所述接收电极组两者的电极是同心的。
3.根据权利要求1或2所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的电极是共平面的。
4.根据权利要求1所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的电极是同心电极的分段。
5.根据权利要求1或2所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的电极是方位不对称的。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，由所述发射电极组的电极限定的平面与由所述接收电极组的电极限定的平面形成在0至90度范围内的角度。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组包括两个或更多个同心电极。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述接收电极组包括两个或更多个同心电极。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组的一个电极与所述发射电极组的另一电极重叠，或者所述接收电极组的一个电极与所述接收电极组的另一电极重叠。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是椭圆形的。
11.根据权利要求1至9中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是圆形的。
12.根据权利要求1至9中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是矩形的。
13.根据权利要求1至9中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是盘。
14.根据权利要求1至9中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是环。
15.根据权利要求1至9中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的至少一个的至少一个电极是截锥体。
16.根据权利要求1至9中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组和所述接收电极组中的一个的至少一个电极是板。
17.根据权利要求1至16中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组与所述接收电极组轴向偏移。
18.根据权利要求1至3中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组包括管和杆，并且其中，所述接收电极组包括至少两个管。
19.根据权利要求1所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组包括第一插口和第二插口，并且其中，所述接收电极组包括第一球和第二球。
20.根据权利要求1所述的无线电力传递系统，其中，所述发射电极组包括第一外球形电极和第二外球形电极，并且其中，所述接收电极组包括第一内球形电极和第二内球形电极。
21.根据权利要求1至14中的任一项所述的无线电力传递系统，其中，所述发射器的电极和所述接收器的电极是同心的。
22.根据权利要求1至17中的任一项所述的无线电力传递系统，进一步包括：
另一接收器，所述另一接收器包括另一接收电极组，所述另一接收电极组被配置成经由谐振电场耦合提取所传递的电力。
23.根据权利要求1至14中的任一项所述的无线电力传递系统，进一步包括：
轴，所述轴被所述发射电极组和所述接收电极组所围绕。
24.一种用于谐振电场无线电力传递系统的发射器，所述发射器包括发射电极组，所述发射电极组被配置成在被引起谐振时发出电场，其中，所述电极是同心的。
25.一种用于谐振电场无线电力传递系统的接收器，所述接收器包括接收电极组，所述接收电极组被配置成耦合到在被引起谐振时发出谐振电场的发射器，其中，所述电极是同心的。
26.一种包括根据权利要求1至14中的任一项所述的无线电力传递系统的直升机。
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