CN107148717A - 用于磁耦合式无线电力传送的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供发送器磁转子和接收器磁转子，其中，所述发送器磁转子和接收器磁转子中的每一个包括多个磁体。每个磁体具有与旋转轴线垂直的磁化方向，并且至少一些磁化方向与其它磁体的磁化方向不平行。磁体的磁化方向相对于相邻磁体可具有偏离角度。发送器和接收器可关于二等分面对称，并且接收器的磁化方向可以与发送器磁化方向关于与发送器旋转轴线平行的轴线的旋转对应。发送器和接收器中的磁体被定向为减少由于转子之间的磁耦合导致的转子振动。

Description

用于磁耦合式无线电力传送的方法和装置
相关申请的引用
该申请要求2014年8月15日提交的美国临时申请No.62/038102的优先权。该段落中引用的所有申请和专利通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及用于磁耦合式无线电力传送的方法和装置。
背景技术
电力可以利用法拉第效应以无线方式从一个地方传递到另一地方，在此，变化的磁场在电隔离的次级电路中产生电流。当前使用的无线电力传送(WPT)的形式包括磁感应充电。在图1的WPT系统10中示出了一种形式的磁感应充电。图1中的WPT系统10包括彼此靠近但通过空气间隙16分离的两个线圈12、14。WPT系统10的一个线圈12充当无线电力发送器，并且另一线圈14充当无线电力的接收器。在发送器线圈12中流过时变电流，其产生时变磁场(如图1中的通量线所示)。该时变磁场在附近接收器线圈14中感生出电流(法拉第定律)，其于是可以用于对可与接收器线圈14电连接的各种设备(未示出)进行充电。
在PCT申请No.PCT/CA2010/000252(公开号为WO/2010/096917)中，已经描述了磁耦合技术用于提供多个可变WPT系统，其可以用于对通常在电动(例如以电池操作的)车辆、备用电池、电动(例如以电池操作的)公共汽车、高尔夫球车、运载车辆、船、无人机、货车(这些为非限定性示例)和/或其他进行充电。图2示意性描述了包括PCT/CA2010/000252中所述类型的磁耦合技术的WPT系统20。WPT系统20包括通过空气间隙26分离的无线磁电力发送器22和无线磁电力接收器24。WPT系统20中的电力传送是经由旋转式磁耦合而非经由直接磁感应。在图2的WPT系统20中，发送器22包括永磁体22A，并且接收器24包括永磁体24A。发送器磁体22A关于轴28旋转(和/或枢转)。磁耦合的永磁体22A、24A彼此相互作用(在图2中用箭头表示磁极，将标记“N”用于北极，“S”用于南极)，从而发送器磁体22A关于轴线的运动引起接收器磁体24A关于轴线27的对应移动(例如旋转和/或枢转运动)。与基于磁感应的WPT系统相比，通过使WPT系统20的磁体22A、24A旋转/枢转所生成的时变磁场通常具有更低的频率。
在例如图2所示的磁动力耦合式系统中，发送器磁转子与接收器磁转子之间的吸引力随着每个转子绕着其旋转轴线的角位置而变化。在每个转子的完整旋转期间，发送器磁体22A和接收器磁体24A将均以如下方式对准：二者沿着与它们二者的旋转轴线28垂直的轴线受到变化的力(其由发送器磁体22A和接收器磁体24A中的另一个所产生)。该力每360°旋转将到达两个最大值和两个最小值，使得该力以每周期两次(每完整转子旋转两次)而具有周期性。这种力变化可能使得发送器转子和接收器转子振动，由此产生不合乎期望的效果。这些不合乎期望的效果可包括例如：发送器22和接收器24所发出的更高的噪声、更快的转子支撑轴承磨损、转子操作速度的限制和/或向周围结构(例如支撑体、座架等)传递振动。通常期望具有可以改善这些瑕疵中的至少一些的磁动力耦合式电力传送方法和装置。
现有技术中的前述示例以及与之有关的限制意图是说明性而非囊括性的。在阅读说明书并且研究附图时，对本领域技术人员将明白现有技术的其它限制。
发明内容
结合意在表示示例性和说明性而不是限制范围的系统、工具和方法来描述并且示出以下实施例及其方面。在各个实施例中，减少或消除了以上问题中的一个或多个，而其它实施例涉及其它改进。
本发明一个方面提供一种磁耦合式无线电力传送系统，包括：无线电力发送器转子，包括均具有磁化方向的多个发送器磁体，所述发送器转子关于发送器轴线可旋转，并且所述多个发送器磁体布置成沿着所述发送器轴线彼此相邻；以及无线电力接收器转子，包括均具有磁化方向的多个接收器磁体，所述接收器转子关于接收器轴线可旋转，并且所述多个接收器磁体布置成沿着所述接收器轴线彼此相邻，所述接收器转子相对于所述发送器转子可定位在电力传送位置中。在所述接收器转子相对于所述发送器转子处于所述电力传送位置时，所述发送器转子和所述接收器转子通过空气间隙间隔开并且以磁方式彼此吸引，从而所述发送器转子的旋转引起所述接收器转子的反向旋转。所述多个发送器磁体中的第一发送器磁体具有第一磁化方向，并且所述多个发送器磁体中的第二发送器磁体具有第二磁化方向，所述第二磁化方向与所述第一磁化方向不平行，从而在所述接收器转子相对于所述发送器转子处于所述电力传送位置中并且所述发送器转子关于所述发送器轴线旋转时，在所述发送器转子关于所述发送器轴线处于第一旋转位置处时所述第一发送器磁体对所述接收器转子的磁吸引最大化，并且所述发送器转子关于所述发送器轴线处于与所述第一旋转位置不同的第二旋转位置处时，所述第二发送器磁体对所述接收器转子的磁吸引最大化。
本发明另一方面提供一种磁耦合式无线电力传送系统，包括：无线电力发送器，包括均具有磁化方向的多个发送器磁体，所述多个发送器磁体关于发送器轴线可旋转，并且布置成沿着所述发送器轴线彼此相邻；以及无线电力接收器，包括均具有磁化方向的多个接收器磁体，所述多个接收器磁体关于接收器轴线可旋转，并且布置成沿着所述接收器轴线彼此相邻，所述无线电力接收器相对于所述无线电力发送器可定位在电力传送位置中。在所述无线电力接收器相对于所述无线电力发送器处于所述电力传送位置时，所述无线电力发送器和所述无线电力接收器通过空气间隙间隔开并且以磁方式彼此吸引，从而所述无线电力发送器的旋转引起所述无线电力接收器的反向旋转。所述多个发送器磁体中的第一发送器磁体具有第一磁化方向，并且所述多个发送器磁体中的第二发送器磁体具有第二磁化方向，所述第二磁化方向与所述第一磁化方向不平行，从而在所述无线电力接收器相对于所述无线电力发送器处于所述电力传送位置中并且所述多个发送器磁体关于所述发送器轴线旋转时，在第一旋转位置处所述第一发送器磁体对所述无线电力接收器的磁吸引最大化，并且在与所述第一旋转位置不同的第二旋转位置处所述第二发送器磁体对所述无线电力接收器的磁吸引最大化。
本发明另一方面提供一种磁耦合式无线电力传送系统，包括：发送器转子，还包括至少两个磁体，所述至少两个磁体端到端连接，并且进一步被布置为使得：所述磁体中的每一个的所述磁化方向关于彼此偏离所定义的角度；以及接收器转子，还包括至少两个磁体，所述至少两个磁体端到端连接，并且进一步被布置为使得：所述磁体中的每一个的所述磁化方向关于彼此偏离所定义的角度。
本发明另一方面提供一种用于将电力从发送器转子无线传送到接收器转子的方法。所述方法包括：提供无线电力发送器转子，其包括均具有磁化方向的多个发送器磁体，所述发送器转子关于发送器轴线可旋转，并且所述多个发送器磁体布置成沿着所述发送器轴线彼此相邻；提供无线电力接收器转子，其包括均具有磁化方向的多个接收器磁体，所述接收器转子关于接收器轴线可旋转，并且所述多个接收器磁体布置成沿着所述接收器轴线彼此相邻。所述方法还包括：使得所述接收器转子接近所述发送器转子；以及使所述发送器转子关于所述发送器轴线旋转，以由此引起所述接收器转子关于所述接收器轴线的反向旋转。所述多个发送器磁体中的第一发送器磁体具有第一磁化方向，并且所述多个发送器磁体中的第二发送器磁体具有第二磁化方向，所述第二磁化方向与所述第一磁化方向不平行，从而在所述发送器转子关于所述发送器轴线的旋转期间，在所述发送器转子关于所述发送器轴线处于第一旋转位置处时所述第一发送器磁体对所述接收器转子的磁吸引最大化，并且在所述发送器转子关于所述发送器轴线处于与所述第一旋转位置不同的第二旋转位置处时所述第二发送器磁体对所述接收器转子的磁吸引最大化。
除了以上描述的示例性方面和实施例之外，其它方面和实施例将通过参照附图并且研究以下详细描述而变得清楚。
附图说明
在附图中示出示例性实施例。应当将在此公开的实施例和附图看作是说明性而不是限制性的。
图1是示出通过彼此靠近的电力发送器线圈和无线电力接收器线圈进行的磁感应充电的原理的现有技术。
图2是示出使无线电力传送系统中的两个旋转磁体磁耦合的原理的现有技术。
图3A示出包括多个磁体的示例性发送器磁体转子和接收器磁体转子。
图3B示出当沿着转子的旋转轴线观看时可看见的关于图3A所示示例性转子的示例性端盖。
图4以曲线方式示出示例单磁体和示例三磁体转子所受到的力。
图5A以曲线方式示出图3A的发送器磁体转子和接收器磁体转子的磁体的相对角位置。
图5B以曲线方式示出示例5中的磁体发送器磁体转子的磁体的相对角位置。
具体实施方式
在以下整体描述中，阐述了特定细节以为本领域技术人员提供更透彻的理解。然而，可能未详细示出或描述公知要素，以免不必要地使得本发明模糊不清。相应地，说明和附图看作是具有说明性而不是限制性含义。
本公开实施例提供用于磁耦合式无线电力传送的装置和方法。磁耦合式无线电力传送系统包括发送器磁转子和接收器磁转子，其中，发送器磁转子和接收器磁转子中的每一个包括多个磁体。每个磁体具有与同一转子中的相邻磁体成角度的、与旋转轴线垂直的总磁矩。发送器转子和接收器转子中的磁体可以被定向成相对于传统的每转子具有单个磁体的磁动力耦合式系统通常受到的转子振动而减少由于转子之间的磁耦合导致的转子振动。
图3A和图3B(一起及单独地称为图3)示意性地示出根据特定实施例的磁耦合式无线电力传送系统100。系统100包括大致圆柱形发送器磁体转子102(在此又称为“发送器转子102”或简称为“发送器102”)以及大致圆柱形接收器磁体转子104(在此又称为“接收器转子102”或简称为“接收器104”)，其均包括多个磁体。在图3的示例实施例中，发送器转子102和接收器转子104被空气间隙106隔开。发送器转子102和接收器转子104被定位成使得它们各自的柱体旋转轴线154、159彼此大致平行，并且以使得能够通过对应的磁场在发送器转子102与接收器转子104之间实现耦合的距离而间隔开——发送器转子102和接收器转子104的该相对位置在此被称为电力传送位置。这种磁耦合将扭矩从一个旋转转子(发送器转子102)传送到另一旋转转子(接收器转子104)。发送器转子102可以例如是无线充电站的组件，并且接收器转子104可以例如是无线电力接收器系统的组件。无线电力接收器系统可以位于例如电动车辆、便携式电子设备和/或其它移动平台或应用中。虽然在图3的示意图中未示出，但发送器磁体转子102和接收器磁体转子104通常置于保护性外壳的内部，在保护性外壳中，对它们进行支撑以便关于它们各自的轴线154、159进行旋转。
发送器转子102和接收器转子104中的每一个可以包括沿着它们各自的旋转轴线154、159彼此相邻布置的多个磁体。在一些实施例中，发送器转子102和接收器转子104之一或二者中的至少一些磁体在它们各自的旋转轴线154、159的方向上与相邻磁体间隔开。磁体可以通过合适的间隔物(例如非磁配件等)而间隔开。在一些实施例中，发送器转子102和接收器转子104之一或二者中的至少一些磁体在轴向上毗邻(即，它们在它们各自的旋转轴线154、159的方向上并非与相邻磁体间隔开)。磁体可以是永磁场生成单元、电磁磁场生成单元和/或任一其它合适的磁场生成单元。
在一些实施例(例如图3中所描述的实施例)中，发送器转子102包括保持出于在轴向上对置的端盖108、120之间的三个磁体110、114、118。所示实施例的磁体110、114、118在轴向上间隔开，并且由连接器配件112、116(其可以是非磁的)刚性地保持在适当位置。出于以下更详细讨论的原因，在具有奇数个磁体的实施例中，轴向上的中心磁体114可以(在轴向方向上)如端部磁体110和118中的任一者的大约两倍那样大。将轴向中心磁体114的轴向尺寸加倍可以使得发送器转子102具有关于二等分面的对称性，如以下所解释的那样。
发送器转子102关于旋转轴线154(又称为“发送器轴线154”)旋转。发送器轴线154可以被标记为笛卡尔z轴(如图3中的情况那样)。可以通过参照与旋转轴线154正交的平面中的、发送器转子102关于发送器轴线154的角位置来描述发送器转子102的旋转。为了方便，我们在此定义了与发送器转子102的旋转轴线154正交并且彼此正交的第一正交轴150和第二正交轴152。这些正交轴150、152可以标记为笛卡尔x轴和y轴(如图3B所示)。应理解，这些正交轴150、152在此用作方便参照的内容。在图3A中，轴152和轴154处于页面的平面中，因此是可见的，而轴150从页面穿入穿出，因此是不可见的。在图3B中，轴150和轴152处于页面的平面中，因此是可见的，而轴154从页面穿入穿出，因此是不可见的。
相似地，在一些实施例(包括图3所示实施例)中，接收器转子104包括保持在轴向上对置的端盖130、142之间的三个磁体132、136、140。所示实施例的磁体132、136、140在轴向上间隔开，并且由连接器配件134、138(其可以是非磁的)刚性地保持在适当位置。出于以下更详细讨论的原因，在具有奇数个磁体的实施例中，轴向中心磁体136可以(在轴向方向上)如端部磁体132和140中的任一者的大约两倍那样大。将轴向中心磁体136的轴向尺寸加倍可以使得接收器转子104具有关于二等分面的对称性，如以下所解释的那样。支撑接收器转子104以便关于旋转轴线159(又称为“接收器轴线159”)旋转，并且可以为了便于描述接收器转子104关于其旋转轴线159的旋转而定义第一正交轴156和第二正交轴158(见图3B)。如图3A和图3B所示，旋转轴线159可以沿着笛卡尔z轴定向，并且正交轴156、158可以对应于笛卡尔x轴和y轴。除非上下文或说明书另外指示，否则本文中关于发送器转子102及其特性的描述通常也可应用于接收器转子104及其特性(对标号和命名法方面进行适当改变)，并且反之亦然。
图3B提供了发送器转子102和接收器转子104的端视图，因此示出了端盖120、130。在包括所示实施例的一些实施例中，发送器转子102具有圆柱形设计，其取决于无线电力传送系统100的要求而可以(如图3B所示的双头箭头所表示的那样)关于其旋转轴线154在任一角方向上旋转。
在一些实施例中，发送器转子102和接收器转子104中的每个磁体包括相对于其对应转子102、104中的一个或多个其它磁体的磁化方向不平行的磁化方向。例如，发送器转子102和接收器转子104中的一些磁体的磁化方向可以关于其各自的旋转轴线154、159而相对于彼此偏离了偏离角度θ。在一些实施例中，发送器转子102和接收器转子104中的每个磁体关于其各自的旋转轴线154、159与轴向相邻磁体偏离了偏离角度θ(但在一些实施例中，可选地，轴向中心磁体可以并非如此偏离)。
在一些三磁体实施例(例如图3的实施例)中，发送器转子102的磁体110、114、118分别具有磁化方向126、124、128(分别表示为m1A、m2A、m3A)，其可以是不平行的，具体地说，可以关于旋转轴线154具有不同的角向定向。在一些实施例(例如图3所示实施例)中，给定的磁体关于旋转轴线154的磁化方向(例如磁体114的磁化方向124)相对于其轴向相邻磁体关于旋转轴线154的磁化方向(例如分别为磁体110的磁化方向126、磁体118的磁化方向128)偏离了偏离角度θ。例如，在至少一些三磁体实施例中，已经发现偏离角度θ＝90°在减少振动传递方面特别有效，但也可以有其它偏离角度。例如，如果磁体110关于旋转轴线154具有0°的磁化方向(可以假设如此而不失一般性)，则磁体114和118可以关于旋转轴线154分别具有90°和0°的磁化方向。
利用方向符号，在图3中示出磁体110、114、116的示例磁化方向124、126、128。轴向中心磁体114的磁化方向124由指示其方向的箭头表示；在所描述的实施例中，其方向沿着y轴152。第一磁体110和第三磁体118的磁化方向126和128分别都从页面穿出(由带圆圈的“×”指示)，因此相对于轴向中心磁体114的磁化方向124(关于旋转轴线154)偏离大约θ＝90°。在任意选取的由轴150、152限定的参照系中，磁化方向126和128沿着x轴150。
相似地，图3中所描述的三磁体实施例的接收器转子104的磁体132、136、140分别具有磁化方向148、146、150(分别表示为m1B、m2B、m3B)。在转子102、104的所示定向中，轴向中心磁体114和136的磁化方向124和146对应地对准，从而它们实质上处于同一方向上，由此使得磁体124和146彼此吸引。在所示实施例中，磁化方向148、150都是进入页面(由不带圆圈的“×”指示)，因此相对于轴向中心磁体136的磁化方向146(关于旋转轴线154)偏离了大约θ＝90°。在任意选取的由轴156、158定义的参照系中，磁化方向148和150是沿着x轴156(在负x方向上)，因此实质上与发送器转子102的第一磁体110和第三磁体118的磁化方向126和128平行并且相反。当然，由于转子102、104关于它们各自的旋转轴线154、159旋转，因此它们的其它定向也是可能的，但如果给出足够的旋转，那么示例转子将最终到达所示出的定向。
在一些实施例(包括图3的实施例)中，发送器转子102的磁体110、114、118和接收器转子104的磁体132、136、140的布置和/或定向并非精确相同。例如，在一些实施例中，磁化方向146、148、150的定向近似等于磁化方向124、126、128关于y轴152进行180°旋转，y轴152沿着发送器转子102的旋转轴线154将发送器转子102二等分。也就是说，可以通过关于轴向二等分y轴152将发送器转子102进行端到端旋转来获得接收器转子104中的磁体的磁化方向146、148、150的定向。这种反转考虑了这样的情况：发送器转子102关于其旋转轴线154在特定角方向上的旋转将引起接收器转子104关于其旋转轴线159在相反角方向上旋转。如果发送器转子102和接收器转子104的磁体具有相同的磁化方向，则关于其各自的轴线154、159在相反方向上的旋转将可能在一些旋转角处产生净排斥力，且在其它旋转角处产生净吸引力。这样会加强转子102、102之间的振动传递，这通常不合乎期望。
在一些实施例中，发送器转子102的磁化方向124、126、128关于将其旋转轴线154二等分的二等分面对称。例如，示例性的图3实施例的发送器转子102关于与旋转轴线154正交并且与轴向二等分y轴152重合的二等分(沿x-y定向的)平面是对称的，从而第一磁体110(及其磁化方向126)与磁体118(及其磁化方向128)关于二等分面对称。轴向中心磁体114可以看作与自身关于二等分面对称。在一些实施例中，二等分面不穿过磁体(例如，在具有偶数个磁体的对称实施例中)。在这些实施例中，尽管在二等分面侧部的最靠近中心的一对磁体可以看作是彼此轴向相邻的(因此是相邻磁体，不具有偏离的磁化方向)，这些磁体也可以彼此对称。
在一些实施例中，包括一些对称的实施例(例如图3的实施例)，发送器转子102上的磁体的磁化方向可以可选地在发送器转子102的磁体的至少一个子集上单调增加或降低。例如，如果发送器转子102的磁体的磁化方向被按照端到端顺序{m1A、m2A、……、mnA}布置，从而对于每个i而言miA和m(i+1)A是轴向相邻的，则对于相邻磁化方向的子序列{miA}，每个miA可以在同一角方向(例如顺时针或逆时针)上与m(i+1)A偏离了偏离角度θ。例如，m1A可以具有0°的定向，m2A可以与m1A顺时针偏离90°，m3A可以与m2A顺时针偏离90°(因此与m1A顺时针偏离180°)，依此类推，直到mjA。
在一些对称的实施例中，可选地，在发送器转子102的二等分面的一侧的轴向相邻磁体的磁化方向可以单调增加或降低——也就是说，对于每对轴向相邻磁体，更靠近二等分面的磁体的磁化方向可以相对于距二等分面更远的磁体的磁化方向在同一方向上偏离。由于对称性，在二等分面的另一侧的磁体的磁化方向将均在相反方向上与其轴向相邻磁体的磁化方向偏离。例如，继续以上举例，m(j+1)A可以与mjA逆时针偏离90°(或在具有偶数个磁体的实施例中，mjA和m(j+1)A可以具有相同的磁化方向，并且都可以与m(j+2)A逆时针偏离90°)，依此类推，直到mnA。在图3中示出了该实施例的示例，其中，第一磁体110的磁化方向126在一个方向上(例如顺时针)与第二磁体114的磁化方向124偏离90°，并且第二磁体114的磁化方向124在相反方向上(例如逆时针)与第三磁体118的磁化方向128偏离90°。
图3所示磁体110、114、116的相同示例性磁化方向124、126、128(m2A、m1A、m3A)也在图5A中示出，图5A以曲线方式表示发送器转子102的磁体关于发送器轴线154的磁化方向124、126、128(m2A、m1A、m3A)以及接收器转子104的磁体关于接收器轴线159的磁化方向146、148、150(m2B、m1B、m3B)的相对定向。为了比较，x轴156和y轴158(其与接收器转子104关联)重叠在x轴150和y轴152(其与发送器转子102关联)上。如上所述，发送器转子102的磁化方向126和128(m1A和m3A)实质上对准，并且与发送器转子102的磁化方向124(m2A)偏离了偏离角度180(表示为θ)，其在该示例中是θ＝90°。接收器转子104的磁化方向150、148(m1B和m3B)相似地与发送器转子104的磁化方向146(m2B)偏离了偏离角度182(其在该实施例中在幅值方面等于偏离角度180并且也表示为θ)，但其相对于发送器转子102的磁化方向124、126、128之间的角偏离具有相反的角偏离方向。接收器转子104的磁化方向150、148对应于关于轴向二等分y轴152端到端(即180°)旋转的发送器转子102的磁化方向126、128，如上所述。
虽然图3的示例实施例在发送器转子102中仅提供三个磁体，但在一些实施例中，发送器转子102包括两个或更多个磁体。发送器转子102的轴向相邻磁体的磁化方向之间的偏离角度θ通常在-180°<θ<180°的范围中变化。在一些实施例中，在发送器转子102包括三个或更多个磁体的情况下，轴向相邻磁体的磁化方向之间的偏离角度θ可以在-90°<θ<90°的范围中变化。
例如，图5B示出发送器转子102的五磁体实施例的磁化方向160、162、164、166、168(分别表示为m1A、m2A、m3A、m4A、m5A)的角位置。磁化方向160和162偏离了偏离角度190，磁化方向166和168亦同样(但在相反方向上)。相似地，磁化方向162和164偏离了偏离角度192，磁化方向164和166亦同样(但在相反方向上)。因此，磁化方向164(m3A)与m1A、m5A偏离总角度在图5B所示的实施例中，偏离角度190和192(都表示为θ)是60°，但可以使用其它偏离角度。虽然图5B中未示出接收器转子104，但可以通过关于轴向二等分y轴152将磁化方向160、162、164、166、168旋转180o来得出其磁化方向，如上所述。
在一些实施例中，基于各个转子102、104中的磁体的数量m，确定发送器转子102和/或接收器转子104中的一对轴向相邻磁体的磁化方向之间的偏离角度θ。取决于磁体的数量m是偶数还是奇数，这种确定可以不同。例如，对于奇数m个磁体，可以根据以下公式来确定偏离角度θ：
因此，例如，在三磁体系统(例如，图3实施例)中，θ＝90°，在五磁体系统(例如图5B实施例)中，θ＝60°，依此类推。作为另一示例，对于偶数m个磁体，可以根据以下公式来确定偏离角度θ：
因此，例如，在两磁体系统中，θ＝180°，在四磁体系统中，θ＝90°，依此类推。
如在前面段落中所描述并且图3中所示那样，包括发送器转子和接收器转子的磁体可以在特定布置中以端到端方式放置，从而它们的磁化方向在每对相邻磁体之间偏离有规律的量(例如偏离角度θ)。发送器磁体和接收器磁体可以进一步关于彼此对准(例如，通过关于轴向二等分y轴152进行180°旋转，如上所述)，以创建磁平衡系统。例如，在图3所示的实施例中，发送器转子102和接收器转子104的轴向中心磁体的磁化方向可以实质上沿同一方向对准，而发送器磁体转子102中的端部磁体110和118以及接收器磁体转子104中的端部磁体132和140的磁化方向在实质上相反方向上对准。这种布置与关于轴向二等分y轴152旋转180°对应。磁耦合的两个这样的转子102和104产生比两个典型的单磁体(在直径上磁化的转子或具有其它磁配置的转子)更低的振动。这种配置在转子102、104的磁体之间产生相对平滑的吸引力，并且在转子的质心周围产生平滑的力矩。
在可操上，包括多磁体转子的磁耦合式无线传送系统可以通过在时间和空间中在磁体之间进行力的分布来减少振动。并非所有的力在两个转子之间同时起作用，而是将力分布成使得：磁体的每一个扭矩配对(其被定义为来自发送器的所有平行磁化的磁体以及接收器中的对应磁体)之间的力将以每周期两次而具有周期性，但由于其余扭矩配对中所产生的力而偏离。图3所示示例实施例的扭矩配对是跨越空气间隙106的配对的磁体110和140、配对的磁体114和136以及配对的磁体118和132。在审慎地使用对准，来自一个扭矩配对的力会被来自相邻扭矩配对的力所衰减。
图4以曲线方式示出示例性的一对单磁体转子200以及具有图3所示配置的示例性的一对多磁体转子202上的(例如y轴方向上的)平移力。图4中曲线的x轴是转子的、从0°到360°(即，覆盖一个完整旋转)的角向旋转。曲线中的y轴是随着转子从0°旋转到360°时与转子的旋转轴线垂直的、作用于转子上的最终平移力(N)。虚线曲线200表示随着两个单磁体的、沿直径磁化的转子从0°到360°旋转时作用在它们上的最终力。实线曲线202表示具有图3所示配置的两个多磁体转子202上的最终力。
在图4中的曲线中可见，单磁体转子所受到的力(曲线202)随着角向旋转而实质变化。转子在90°和270°旋转时受到两个力最小值，并且在0°和180°时受到两个力最大值，换言之，每圈旋转均经历两次。换言之，在完整旋转期间，发送器转子和接收器转子将均以如下方式对准：二者沿着与它们的旋转轴线二者垂直的轴将受到最大和最小平移吸引力。这种力变化可能引起转子振动，导致发送器转子和接收器转子发出更高噪声、增加轴承磨损以及限制转子操作速度，这限制了它们在高功率传送应用方面的使用。
与之对比，在图4中的曲线中可见，包括三个磁体的图3实施例的发送器转子102和接收器转子104的平移力(曲线202)比曲线200所示的单磁体力实质小很多。图4示出，当与单磁体转子的平移力(曲线200)比较时，图3的转子上的平移力(曲线202)在完整的转子旋转(从0°到360°)上相对更均匀并且更平滑。虽然实线202被示为在竖轴上基本不变，但本领域技术人员应理解，图3实施例的转子可能有些变化。
这种磁平衡可以有助于实质减少转子振动、磨损和噪声产生，这可以提供其它益处，例如更低的维护成本和/或更长的操作寿命。解析计算已经确认，本文中描述且在图3中示出以及在图4以曲线方式示出的、所提出的实施例产生实质上磁平衡的转子系统。
根据在此所描述的本发明各个实施例的无线电力传送系统和方法可以用在任何磁耦合式无线充电系统和感应无线充电系统(例如但不限于电动汽车、运输公共汽车、运载车辆、货车、无人机、船、高尔夫球车或其它消费者设备以及移动应用)中。根据本发明各个实施例的无线电力传送系统和方法减少了在具有单个磁体转子的无线充电系统中所观测到的振动和噪声，并且允许高功率传送速率和更长的操作寿命。
术语解释
除非上下文清楚地另外要求，否则在整个说明书和权利要求中：
●“包括”、“包含”等应以包括性含义来理解，与排除性或穷尽性含义相反；也就是说，以“包括但不限于”的含义来理解；
●“连接”、“耦合”或其任何变形表示两个或更多个要素之间的直接或间接的任何连接或耦合；各要素之间的耦合或连接可以是物理的、逻辑的或其组合；整体形成的要素可以看作是连接的或耦合的；
●“在此”、“以上”、“以下”以及相似含义的词语在被用于描述本说明书时，应指代本说明书整体，而非该说明书的任何特定部分；
●关于具有两个或更多个条目的列表，词语“或”覆盖该词语的所有以下解释：列表中的任何条目、列表中的所有条目以及列表中的条目的任何组合；
●未指定个数时以及“所述”还包括任何适当复数形式的含义。
本说明书和任何所附权利要求中所使用的指示方向的词语(例如“垂直”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“垂直”、“横向”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“之下”、“之上”、“下面”等)(在出现的情况下)取决于所描述及示出的装置的具体定向。在此所描述的主题内容可以假设各种替选定向。相应地，这些方向性术语并非是严格限定的，并且不应狭义地解释。
在此已经为了说明目的而描述了系统、方法和装置的特定示例。它们仅是示例。在此所提供的技术可以应用于除了以上所描述的示例系统之外的系统。在实践本发明时可以有很多替选、修改、添加、省略以及替换。本发明包括对于本领域技术人员将显然明白的所描述的实施例的变形，包括通过以下操作所获得的变形：以等效特征、要素和/或动作替换特征要素和/或动作；混合并且匹配来自不同实施例的特征、要素和/或动作；将来自在此所描述的实施例的特征、要素和/或动作与其它技术的特征、要素和/或动作组合；和/或从所描述的实施例中省略组合的特征、要素和/或动作。具体地说：
●上述实施例描述对称的转子，其中，轴向相邻磁体的磁化方向关于转子轴线的角向定向在轴向二等分对称平面的每一侧上单调地增加或降低。这并非必须的。在一些实施例中，转子中磁体的磁化方向关于轴向二等分对称平面是对称的，而不单调地增加或降低，这亦是足够。在一些实施例中，关于转子轴线的、在磁化方向的不同定向之间的角偏离仍可以通过公式(1)(在奇数个磁体的情况下，或者在偶数个磁体的情况下通过公式(2))提供，除了具有这些偏离的磁体的轴向位置无需是轴向相邻的之外。例如，在磁体的数量是m＝5的情况下，公式(1)说明磁化方向集合内的偏离可以是θ＝60°。在图5B实施例中，磁化磁体的定向是m1A＝0°、m2A＝60°、m3A＝120°、m4A＝60°、m5A＝0°，从而每对轴向相邻磁体偏离θ＝60°。然而，在一些实施例中，可以通过在轴向二等分对称平面的每一侧上并非单调增加或降低的对称性配置来实现磁化方向内的θ＝60°间隔。例如，磁化磁体的定向可以是m1A＝0°、m2A＝120°、m3A＝60°、m4A＝120°、m5A＝0°。
●上述实施例描述对称的转子，其中，磁体的磁化方向关于转子轴线的角向定向在轴向二等分对称平面的每一侧是对称的。这并非严格必要的。在一些实施例中，在轴向二等分面的每一侧的所述多个磁体中的大多数展现这种对称性的情况下，可以实现相似的振动减少效果。例如，在轴向二等分面的每一侧具有7个磁体的实施例中，如果二等分面的每一侧的7个磁体中的6个(或7个磁体中的某个其它多数)彼此是对称的，则可以是足够的。
●在上述实施例中，在转子上具有奇数个磁体的情况下通过公式(1)并且在转子上具有偶数个磁体的情况下通过公式(2)提供磁化方向集合关于转子轴线中的角向定向间隔。这并非严格必要的。在其它实施例中，可以提供其它角向间隔。
●在上述实施例中，发送器转子102中的磁体的数量等于接收器转子104中的磁体的数量。这并非必要的。在一些实施例中，在接收器转子中的磁体的数量与发送器转子中的磁体的数量不同的情况下，可以实现相似的振动减少效果。
因此，旨在将所附权利要求解释为包括可以合理推断出的所有这些修改、替换、添加、省略和部分组合。权利要求的范围不应受限于示例中所阐述的优选实施例，而应给予与说明书整体一致的最宽泛解释。

Claims (32)

1.一种磁耦合式无线电力传送系统，包括：
无线电力发送器转子，包括均具有磁化方向的多个发送器磁体，所述发送器转子关于发送器轴线可旋转，并且所述多个发送器磁体被布置成沿所述发送器轴线彼此相邻；
无线电力接收器转子，包括均具有磁化方向的多个接收器磁体，所述接收器转子关于接收器轴线可旋转，并且所述多个接收器磁体被布置成沿所述接收器轴线彼此相邻，所述接收器转子相对于所述发送器转子可定位在电力传送位置中；
其中，在所述接收器转子相对于所述发送器转子处于所述电力传送位置中时，所述发送器转子和所述接收器转子通过空气间隙间隔开并且以磁方式彼此吸引，从而所述发送器转子关于所述发送器轴线的旋转引起所述接收器转子关于所述接收器轴线的反向旋转；以及
其中，所述多个发送器磁体中的第一发送器磁体具有第一磁化方向，并且所述多个发送器磁体中的第二发送器磁体具有第二磁化方向，所述第二磁化方向与所述第一磁化方向不平行，从而在所述接收器转子相对于所述发送器转子处于所述电力传送位置中并且所述发送器转子关于所述发送器轴线旋转时，在所述发送器转子关于所述发送器轴线处于第一旋转位置处时所述第一发送器磁体对所述接收器转子的磁吸引最大化，并且所述发送器转子关于所述发送器轴线处于与所述第一旋转位置不同的第二旋转位置处时，所述第二发送器磁体对所述接收器转子的磁吸引最大化。
2.根据权利要求1或在此的任一其它权利要求所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中：
所述第一发送器磁体和第二发送器磁体彼此轴向相邻；
所述第一磁化方向和第二磁化方向关于所述发送器轴线相对于彼此偏离了发送器偏离角度；以及
所述多个接收器磁体包括在与所述发送器轴线正交的方向上与所述第一发送器磁体和第二发送器磁体间隔开的第一接收器磁体和第二接收器磁体，所述第一接收器磁体和第二接收器磁体彼此轴向相邻并且具有关于所述接收器轴线相对于彼此偏离了接收器偏离角度的磁化方向。
3.根据权利要求2或在此的任一其它权利要求所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，彼此轴向相邻的所述第一发送器磁体和第二发送器磁体包括轴向毗邻的所述第一发送器磁体和第二发送器磁体。
4.根据权利要求2或在此任一其它权利要求所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，彼此轴向相邻的所述第一发送器磁体和第二发送器磁体包括在轴向方向上轴向间隔开的所述第一发送器磁体和第二发送器磁体，所述第一发送器磁体和第二发送器磁体之间的空间未被其它磁体占据。
5.根据权利要求2至4中的任一项或在此的任一其它权利要求所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中：
所述多个发送器磁体关于发送器二等分面对称，所述发送器二等分面将所述发送器转子的轴向长度二等分并且与所述发送器轴线正交；以及
所述多个接收器磁体关于接收器二等分面对称，所述接收器二等分面将所述接收器转子的轴向长度二等分并且与所述接收器轴线正交。
6.根据权利要求5或在此的任一其它权利要求所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，在所述发送器二等分面的第一侧的所述发送器磁体的所述磁化方向是以下之一：随着所述发送器磁体接近所述发送器二等分面而单调增加或单调降低，从而关于所述发送器二等分面的所述第一侧的每对相邻发送器磁体，所述发送器二等分面的所述第一侧的相邻发送器磁体之间的偏离处于同一角方向上。
7.根据权利要求2至4中的任一项或在此的任一其它权利要求所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中：
将所述发送器转子的轴向长度二等分并且与所述发送器轴线正交的发送器二等分面的每一侧上的所述多个发送器磁体中的大多数彼此对称；以及
将所述接收器转子的轴向长度二等分并且与所述接收器轴线正交的接收器二等分面的每一侧上的所述多个接收器磁体中的大多数彼此对称。
8.根据权利要求2至7中的任一项或在此的任一其它权利要求所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，所述多个发送器磁体具有奇数m个磁体，并且所述偏离角度α根据下式确定：
9.根据权利要求2至7中的任一项或在此的任一其它权利要求所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，所述多个发送器磁体具有偶数m个磁体，并且所述偏离角度α根据下式确定：
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，所述多个接收器磁体包括与所述多个发送器磁体相同数量的磁体，并且所述多个接收器磁体的所述磁化方向与所述无线电力发送器关于二等分轴旋转180°对应，所述二等分轴将所述无线电力发送器的轴向长度二等分并且与所述发送器轴线正交。
11.根据权利要求1至9中的任一项所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，所述多个接收器磁体包括与所述多个发送器磁体不同数量的磁体。
12.一种磁耦合式无线电力传送系统，包括：
无线电力发送器，包括均具有磁化方向的多个发送器磁体，所述多个发送器磁体关于发送器轴线可旋转，并且布置成沿着所述发送器轴线彼此相邻；
无线电力接收器，包括均具有磁化方向的多个接收器磁体，所述多个接收器磁体关于接收器轴线可旋转，并且布置成沿着所述接收器轴线彼此相邻，所述无线电力接收器相对于所述无线电力发送器可定位在电力传送位置中；
其中，在所述无线电力接收器相对于所述无线电力发送器处于所述电力传送位置时，所述无线电力发送器和所述无线电力接收器通过空气间隙间隔开并且以磁方式彼此吸引，从而所述无线电力发送器关于所述发送器轴线的旋转引起所述无线电力接收器关于所述接收器轴线的反向旋转；以及
其中，所述多个发送器磁体中的第一发送器磁体具有第一磁化方向，并且所述多个发送器磁体中的第二发送器磁体具有第二磁化方向，所述第二磁化方向与所述第一磁化方向不平行，从而在所述无线电力接收器相对于所述无线电力发送器处于所述电力传送位置中并且所述多个发送器磁体关于所述发送器轴线旋转时，在第一旋转位置处所述第一发送器磁体对所述无线电力接收器的磁吸引最大化，并且在与所述第一旋转位置不同的第二旋转位置处所述第二发送器磁体对所述无线电力接收器的磁吸引最大化。
13.一种磁耦合式无线电力传送系统，包括：
发送器转子，还包括至少两个磁体，所述发送器转子的所述至少两个磁体端到端连接，并且进一步被布置为使得：所述磁体中的每一个的所述磁化方向关于彼此偏离所定义的角度；以及
接收器转子，还包括至少两个磁体，所述接收器转子的所述至少两个磁体端到端连接，并且进一步被布置为使得：所述磁体中的每一个的所述磁化方向关于彼此偏离所定义的角度。
14.根据权利要求11所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，所述发送器转子中的磁体的所述磁化方向、或所述接收器转子中的磁体的所述磁化方向、或所述发送器转子和所述接收器转子二者中的所述磁体的所述磁化方向关于彼此偏离大约1°至大约90°。
15.根据权利要求13所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，所述发送器转子中的磁体的所述磁化方向、或所述接收器转子中的磁体的所述磁化方向、或所述发送器转子和所述接收器转子二者中的所述磁体的所述磁化方向关于彼此偏离大约90°。
16.根据权利要求13所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，所述发送器转子包括三个磁体，并且所述三个磁体的磁化方向关于彼此偏离大约90°。
17.根据权利要求13所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，所述接收器转子包括三个磁体，并且所述三个磁体的磁化方向关于彼此偏离大约90°。
18.根据权利要求13所述的磁耦合式无线电力传送系统，其中，所述接收器转子和所述发送器转子均包括三个磁体，并且其磁化方向关于彼此偏离大约90°。
19.汽车、运输公共车、运载车辆、卡车、无人机、船、高尔夫球车或其它消费者设备，包括根据权利要求13至18中的任一项所述的磁耦合式无线电力传送系统。
20.一种用于将电力从发送器转子无线传送到接收器转子的方法，所述方法包括：
提供无线电力发送器转子，包括均具有磁化方向的多个发送器磁体，所述发送器转子关于发送器轴线可旋转，并且所述多个发送器磁体布置成沿着所述发送器轴线彼此相邻；
提供无线电力接收器转子，包括均具有磁化方向的多个接收器磁体，所述接收器转子关于接收器轴线可旋转，并且所述多个接收器磁体布置成沿着所述接收器轴线彼此相邻；
使所述接收器转子接近所述发送器转子；以及
使所述发送器转子关于所述发送器轴线旋转，以由此引起所述接收器转子关于所述接收器轴线的反向旋转；
其中，所述多个发送器磁体中的第一发送器磁体具有第一磁化方向，并且所述多个发送器磁体中的第二发送器磁体具有第二磁化方向，所述第二磁化方向与所述第一磁化方向不平行，从而在所述发送器转子关于所述发送器轴线的旋转期间，在所述发送器转子关于所述发送器轴线处于第一旋转位置处时所述第一发送器磁体对所述接收器转子的磁吸引最大化，并且在所述发送器转子关于所述发送器轴线处于与所述第一旋转位置不同的第二旋转位置处时所述第二发送器磁体对所述接收器转子的磁吸引最大化。
21.根据权利要求20或在此的任一其它权利要求所述的方法，包括：
将所述第一发送器磁体和第二发送器磁体定位为彼此轴向相邻；
将所述第一磁化方向和第二磁化方向定向为关于所述发送器轴线相对于彼此偏离了发送器偏离角度；
其中，所述多个接收器磁体包括在与所述发送器轴线正交的方向上与所述第一发送器磁体和第二发送器磁体间隔开的第一接收器磁体和第二接收器磁体，所述第一接收器磁体和第二接收器磁体彼此轴向相邻并且具有关于所述接收器轴线相对于彼此偏离了接收器偏离角度的磁化方向。
22.根据权利要求21或在此的任一其它权利要求所述的方法，包括：将所述第一发送器磁体和第二发送器磁体定位为彼此轴向毗邻。
23.根据权利要求21或在此的任一其它权利要求所述的方法，包括：将所述第一发送器磁体和第二发送器磁体定位为在轴向方向上轴向间隔开，所述第一发送器磁体和第二发送器磁体之间的空间未被其它磁体占据。
24.根据权利要求21至23中的任一项或在此的任一其它权利要求所述的方法，包括：
将所述多个发送器磁体定向为关于将所述发送器转子的轴向长度二等分并且与所述发送器轴线正交的发送器二等分面对称；以及
其中，所述多个接收器磁体关于将所述接收器转子的轴向长度二等分并且与所述接收器轴线正交的接收器二等分面对称。
25.根据权利要求24或在此的任一其它权利要求所述的方法，包括：将所述发送器二等分面的第一侧的所述发送器磁体的所述磁化方向定向为以下之一：随着所述发送器磁体接近所述发送器二等分面而单调增加或单调降低，从而关于所述发送器二等分面的所述第一侧上的每对相邻发送器磁体，所述发送器二等分面的所述第一侧上的各相邻发送器磁体之间的偏离处于同一角方向上。
26.根据权利要求21至23中的任一项或在此的任一其它权利要求所述的方法，包括：
将所述发送器转子的轴向长度二等分并且与所述发送器轴线正交的发送器二等分面的每一侧上的所述多个发送器磁体中的大多数被定向为彼此对称；以及
其中，将所述接收器转子的轴向长度二等分并且与所述接收器轴线正交的接收器二等分面的每一侧上的所述多个接收器磁体中的大多数彼此对称。
27.根据权利要求21至26中的任一项或在此的任一其它权利要求所述的方法，其中，所述多个发送器磁体具有奇数m个磁体，并且所述偏离角度α根据下式确定：
28.根据权利要求21至26中的任一项或在此的任一其它权利要求所述的方法，其中，所述多个发送器磁体具有偶数m个磁体，并且所述偏离角度α根据下式确定：
29.根据权利要求20至28中的任一项所述的方法，其中，所述多个接收器磁体包括与所述多个发送器磁体相同数量的磁体，并且所述多个接收器磁体的所述磁化方向与所述无线电力发送器关于二等分轴旋转180°对应，所述二等分轴将所述无线电力发送器的轴向长度二等分并且与所述发送器轴线正交。
30.根据权利要求20至28中的任一项所述的方法，其中，所述多个接收器磁体包括与所述多个发送器磁体不同数量的磁体。
31.一种装置，包括在此所描述的任何特征、特征的组合和/或特征的部分组合。
32.一种方法，包括在此所描述的任何特征、特征的组合和/或特征的部分组合。
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