CN116746025A

CN116746025A - 无线功率传输技术

Info

Publication number: CN116746025A
Application number: CN202180091190.0A
Authority: CN
Inventors: 弗拉莱特·苏亚雷斯·桑多瓦尔
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2023-09-12
Also published as: EP4275260A1; US20230369896A1; WO2022161592A1

Abstract

本发明涉及一种无线功率发射器设备(101)，所述无线功率发射器设备包括：至少一个发射线圈(102)，充当至少一个电感电容谐振器的电感元件，使用时变电压激励时，所述至少一个电感电容谐振器产生时变电磁场(107)，所述时变电磁场通过无线功率接收器设备(108)的至少一个接收线圈产生循环电场，用于为所述无线功率接收器设备(108)充电；其中，所述至少一个发射线圈(102、300)由彼此电连接(302、304)的至少两个螺旋(301、303)组成，并且所述至少两个螺旋(301、303)在空间中定向以形成组合几何形状。本发明还涉及一种相应的无线功率接收器设备(108)。

Description

无线功率传输技术

技术领域

本发明涉及无线功率传输领域，尤其涉及使用无线功率传输(wireless powertransfer，WPT)技术的系统、设备和过程。

背景技术

如今，电池供电的电子设备具有移动自由和便于携带的特点，因此其数量迅速增加。这些设备要持续充电才能确保其正常工作。使用大型电池可以降低其充电频率，但这会影响电子设备的整体成本及其重量和尺寸。电池供电的电子设备通常使用壁式充电器和专用线缆来充电。这种充电机制的缺点包括：由于电池充电所需的连接/断开周期，连接器容易发生机械故障；每个电池供电设备都带有其专用线缆，该线缆不能在设备之间互换；线缆的使用限制了用户的移动性。为避免这些缺点，近年来已提出几种无线功率传输方法。

然而，在现有的无线功率传输系统中，由于无线功率传输效率受到接收器耦合条件的影响，接收器设备的定位自由度降低。使这种技术对发射器和接收器设备之间的横向或角度失准高度敏感，导致接收器设备在某些位置没有正常充电，或者甚至根本不充电。另外，同时高效地向多个接收设备供电还面临进一步的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种没有上述缺点的无线功率传输方案。

具体而言，本发明的目的是提供一种用于高效无线功率传输的机制，其中，接收器设备的定位自由度得到改进，并且可以同时为多个接收器设备供电。

该目的通过独立权利要求的特征来实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。

本发明的基本思想是提出一种无线功率传输机制，所述机制为所述接收器提供具有高定位自由度的高效无线功率传输；能够同时且高效地为多个接收器充电(尤其是在较长的传输距离处)，能够减少向某些未使用位置的无线传输功率，即能够分割可用体积；并且可以在发射器设备的体积周围提供更均匀的磁场。

本发明中描述的概念提供了线圈几何形状，所述线圈几何形状由彼此电连接且以锐角折叠或相对于彼此平滑弯曲的至少两个螺旋组成，作为具有单个或多个发射器和接收器谐振器的无线功率传输(wireless power transfer，WPT)系统的发射器和/或接收器谐振电路的感应组件。这些线圈用作由多个组合线圈组成的阵列的构建块。

本发明提供了一种装置，所述装置包括：由组合线圈构成的线圈发射器装置，所述组合线圈在多个方向上提供均匀磁场，所述装置可以将磁场定向到某些位置；系统控制器，用于根据所述接收器的位置和方向通过采用简化控制算法来控制所述磁场，所述简化控制算法调整连接到所述阵列中每个发射器谐振器的AC电源的幅度或相位。所提出的线圈装置还可以用作接收器设备，并且线圈阵列可以根据所述接收器设备的形状来设计。

本发明还描述了可调电容器网络电路的操作，所述可调电容器网络电路耦合到三维阵列，以针对要充电的接收器设备的耦合条件变化动态调整发射线圈的阻抗。

本发明描述了依赖无线功率传输(wireless power transfer，WPT)的系统、方法和设备。无线功率传输是在不使用电线作为物理链路的情况下传输电能。该技术使用能够产生时变电磁场的发射器设备，所述发射器设备根据电磁感应原理通过接收器设备产生循环电场。所述接收器设备能够直接由此循环电场供电，或者将其转换为合适的功率电平以向连接到所述接收器设备的电负载或电池供电。

商用无线功率传输系统主要由两个组织运行：无线充电联盟和国际无线充电行业联盟。无线充电联盟制定了Qi标准，以利用基站的磁感应为消费类电子设备进行无线充电。所述基站通常是薄垫状物体，包含一个或多个发射线圈以及一个装有接收线圈的目标设备。Qi系统要求发射器和接收器设备非常接近，通常在几毫米到几厘米的范围内。根据国际无线充电行业联盟原则运行的无线功率传输系统使用所述发射线圈和所述接收线圈之间的谐振电感耦合，从而为连接到所述接收器设备的电池充电。所述谐振耦合允许在更远的距离上传输功率。

本文描述了使用电磁无线功率传输为电子设备(例如，智能手机、平板电脑、智能眼镜、耳机、可穿戴设备等)、紧凑型机器人的电池无线供电或充电的组件、系统、方法和设备。本文描述的无线功率传输系统使用发射器谐振器和接收器谐振器之间的谐振电感耦合。在一些方面，当多个接收器设备相对于所述发射器谐振器具有严重角度失准且位于延伸到所述发射器谐振器外部或内部的充电体积内的任意或多个位置时，所述系统能够同时向所述多个接收器设备供电。所述接收器不需要具有限定的供电或充电位置或方向。

在另一方面，所述发射器谐振器阵列和可移动接收器之间的无线功率传输效率显示为在发射器装置的体积周围是一致的，这意味着，当所述系统受到所述接收器耦合条件变化的影响时，所述系统能够同时向多个接收器设备供电。此外，为了进一步提高效率，公开了两种控制方法。所公开的控制方法根据在保持相同幅度的同时对向所述发射器谐振器供电的交流(alternating current，AC)电源应用不同的相位，或者在保持相同相位的同时对每个电源应用不同的幅度。本文还公开了两种可能的接收器传感机制。

本发明中描述的控制器或控制设备是可用于控制特定任务(或块或步骤)的任何设备。所述控制器或控制设备可以是单个微控制器或处理器或多核处理器，或者可以包括一组微控制器或处理器，或者可以包括用于控制和/或处理的装置。所述控制器可以根据软件、硬件或固件应用来执行特定的控制任务，例如控制设备。

根据第一方面，本发明涉及一种无线功率发射器设备，所述无线功率发射器设备包括：至少一个发射线圈，充当至少一个电感电容谐振器的电感元件，使用时变电压激励时，所述至少一个电感电容谐振器产生时变电磁场，所述时变电磁场通过无线功率接收器设备的至少一个接收线圈产生循环电场，用于为所述无线功率接收器设备充电；其中，所述至少一个发射线圈由彼此电连接的至少两个螺旋组成，并且所述至少两个螺旋在空间中定向以形成组合几何形状。

所述无线功率发射器设备提供高效的无线功率传输。所述无线功率接收器设备具有改进的定位自由度。可以同时向多个接收器设备供电。所述无线功率发射器设备为所述接收器提供具有高定位自由度的高效无线功率传输。所述无线功率发射器设备可以同时且高效地为多个接收器充电，尤其是在较长的传输距离处。所述无线功率发射器设备能够减少向某些未使用位置的无线传输功率，即所述无线功率发射器设备能够分割可用体积，并且可以提供更均匀的磁场。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述至少两个螺旋在空间中朝向公共参考点或轴对称定位。

这提供了以下优点：可以在所述发射器设备周围产生对称磁场。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述至少两个螺旋相对于彼此折叠或弯曲，或者以相同的高度或不同的高度彼此相邻。

这提供了以下优点：可以利用所述螺旋的不同配置。因此，可以使用能够使所述发射器设备周围的磁场最佳均匀化的配置。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述至少一个发射线圈包括：第一端口，由所述至少两个螺旋中的第一螺旋的第一线端形成；第二端口，由所述至少两个螺旋中的第二螺旋的第一线端形成；第三端口，由所述至少两个螺旋中的第一螺旋的第二线端形成；第四端口，由所述至少两个螺旋中的第二螺旋的第二线端形成。

这提供了以下优点：所述无线功率发射器设备可以实现为四端口设备，以提供更高的灵活性。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述至少一个发射线圈包括：第一电连接，将所述第一螺旋的两个端口中的一个端口与所述第二螺旋的两个端口中的一个端口电连接；第二电连接，将所述第一螺旋的两个端口中的另一端口与所述第二螺旋的两个端口中的另一端口电连接。

这提供了以下优点：可以形成所述两个电连接，以改进所述无线功率发射器设备周围的磁场的形状。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述第一电连接通过与所述螺旋的材料具有相同或不同导电性的材料连接所述第一螺旋和所述第二螺旋。

这提供了以下优点：可以使用不同的材料对所述螺旋周围产生的磁场进行整形。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述第二电连接将所述第一螺旋和所述第二螺旋连接到电容器或电容器网络；所述电容器或电容器网络的等效电容用于结合所述至少一个发射线圈的自感在谐振频率下创建电谐振器；所述电谐振器由AC电源驱动。

这提供了以下优点：所述电容器或电容器网络可以用于调整所述发射线圈的所述电谐振器的谐振频率。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述第一螺旋和所述第二螺旋中的至少一个具有分段匝数；所述电容器或电容器网络的所述等效电容连接到所述第一螺旋和所述第二螺旋中的至少一个的所述分段匝数的分段。

这提供了以下优点：所述螺旋的所述分段匝数可以用于调整所述发射线圈的所述电谐振器的谐振频率。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述第一电连接通过阻抗或阻抗网络连接所述第一螺旋和所述第二螺旋，以修改所述至少一个发射线圈的总阻抗。

这提供了以下优点：所述阻抗或阻抗网络可以用于调整所述发射线圈的所述电谐振器的谐振频率。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述至少两个螺旋具有圆形、椭圆形或多边形，尤其是三角形、正方形、矩形、五边形或六边形。

这提供了以下优点：存在用于所述无线功率发射器设备的灵活设计选项。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述至少两个螺旋中的每一个具有相同或不同的形状。

这提供了以下优点：可以利用灵活的设计。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述至少两个螺旋中的每一个具有相同或不同的卷绕方向。

这提供了以下优点：可以调整所述磁场的方向。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述至少两个螺旋中的每一个由高磁导率磁芯材料或复合磁芯材料或低磁导率介质芯材料组成，尤其是玻璃增强环氧层压材料(FR4)。

这提供了电磁传输效率高的优点。

在所述无线功率发射器设备的示例性实现方式中，所述至少两个螺旋机械地附接到柔性载体衬底，尤其是FR4、聚酰亚胺、聚合物，以保持其折叠或弯曲的形状。

这提供了以下优点：所述线圈可以从一种形状整形为另一种形状并返回其原始形状。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备包括至少两个发射线圈，其中，所述至少两个发射线圈中的第一发射线圈以90度的折叠角面向所述至少两个发射线圈中的第二发射线圈；所述第一发射线圈和所述第二发射线圈相对于彼此位于相同或不同的高度。

这提供了以下优点：所述无线功率发射器设备可以在多个方向上提供均匀磁场。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备还包括单螺旋线圈，位于所述第一发射线圈和所述第二发射线圈顶部。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备包括四个发射线圈，每个发射线圈由第一螺旋和第二螺旋组成，所述第一螺旋和所述第二螺旋以约90度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有四个发射线圈以约90度的折叠角相对于彼此布置；所述四个发射线圈中的一个发射线圈的每个第一螺旋与位于所述发射线圈旁边的所述四个发射线圈中的另一发射线圈的第二螺旋重叠。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备包括三个发射线圈，每个发射线圈由第一螺旋和第二螺旋组成，所述第一螺旋和所述第二螺旋以约60度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有三个发射线圈以约60度的折叠角相对于彼此布置；所述三个发射线圈中的一个发射线圈的每个第一螺旋与位于所述发射线圈旁边的所述三个发射线圈中的另一发射线圈的第二螺旋重叠。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备包括四个发射线圈，每个发射线圈由第一螺旋和第二螺旋组成，所述第一螺旋和所述第二螺旋以约90度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有四个发射线圈以约90度的折叠角相对于彼此布置；所述四个发射线圈的所述第一螺旋布置在第一平面中；所述四个发射线圈中的两个发射线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面的第二平面中；所述四个发射线圈中的另外两个发射线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面和所述第二平面的第三平面中。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备包括两个发射线圈，每个发射线圈由第一螺旋和第二螺旋组成，所述第一螺旋和所述第二螺旋在曲率半径下相对于彼此弯曲；其中，所述两个发射线圈在曲率半径下相对于彼此弯曲。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备包括由至少两个发射线圈组成的装置；其中，所述由至少两个发射线圈组成的装置为长方体、球面或半平面形状。

这提供了以下优点：所述无线功率发射器设备可以根据特定要求提供磁场。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备还充当无线功率接收器设备，当所述无线功率接收器设备接收时变电磁场时，在至少一个发射线圈处产生相应的时变电压。

这提供了以下优点：此类发射器设备可以提供双向无线功率传输。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备同时充当无线功率发射器设备和无线功率接收器设备，以实现从另一无线功率发射器设备到另一无线功率接收器设备的无线功率传输的无线功率中继。

这提供了以下优点：无线功率中继可以由此类发射器设备实现。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备包括：至少一个AC电源，提供所述时变电压，所述时变电压用于激励所述至少一个发射线圈的所述至少一个电感电容谐振器；相位和幅度控制器，用于根据指示所述无线功率接收器设备的位置的传感信号控制所述至少一个AC电源的幅度或相位中的至少一个。

这提供了以下优点：可以通过所述相位和幅度控制器高效调整所述无线功率发射器设备产生的磁场。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备包括：功率检测单元，用于检测所述至少一个发射线圈的所述至少一个电感电容谐振器与所述无线功率接收器设备的相应谐振器的电磁耦合的变化；其中，所述功率检测单元用于根据所述至少一个发射线圈的所述至少一个电感电容谐振器的所述电磁耦合的所述已检测变化提供所述传感信号。

这提供了以下优点：可以高效地向移动接收器设备提供能量。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备包括：功率检测单元，用于检测传感线圈的至少一个电感电容谐振器与所述无线功率接收器设备的相应谐振器的电磁耦合的变化；其中，所述传感线圈的所述至少一个电感电容谐振器用于在与所述至少一个发射线圈的所述至少一个电感电容谐振器不同的另一工作频率下工作；所述功率检测单元用于根据所述传感线圈的所述至少一个电感电容谐振器的所述电磁耦合的所述已检测变化提供所述传感信号。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备包括数据处理和存储单元，用于：对包括所述传感信号的所述功率检测单元的模拟电压输出进行采样和处理；根据所述传感信号，设置所述相位和幅度控制器的操作特性。

这提供了以下优点：可以实现闭环控制，以对移动接收器设备进行最佳跟踪。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率发射器设备包括无线通信级，用于：与所述无线功率接收器设备的相应无线通信级进行无线通信；根据与所述无线功率接收器设备的无线通信，设置所述相位和幅度控制器的操作特性。

这提供了以下优点：通过这样的通信，可以对所述无线功率发射器设备的操作特性进行最佳调整，从而提高功率传输的效率。

根据第二方面，本发明涉及一种无线功率接收器设备，所述无线功率接收器设备包括：至少一个接收线圈，充当至少一个电感电容谐振器的电感元件，当所述至少一个电感电容谐振器从无线功率发射器设备的至少一个相应电感电容谐振器接收时变电磁场时，在所述至少一个接收线圈处产生时变电压，用于为所述无线功率接收器设备充电；其中，所述至少一个接收线圈由彼此电连接的至少两个螺旋组成，并且所述至少两个螺旋在空间中定向以形成组合几何形状。

此类无线功率接收器设备提供高效的无线功率传输。所述无线功率接收器设备具有改进的定位自由度。可以同时向多个接收器设备供电。所述无线功率接收器设备可以通过无线电力传输高效供电，并且具有高定位自由度。

在所述无线功率接收器设备的示例性实现方式中，所述至少两个螺旋在空间中朝向公共参考点或轴对称定位。

这提供了以下优点：可以在所述接收器设备周围产生对称磁场。

在所述无线功率接收器设备的示例性实现方式中，所述至少两个螺旋相对于彼此折叠或弯曲，或者以相同的高度或不同的高度彼此相邻。

这提供了以下优点：可以利用所述螺旋的不同配置。因此，可以使用能够使所述接收器设备周围的磁场最佳均匀化以提供与所述发射器设备的最佳交互的配置。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率接收器设备包括至少两个接收线圈，其中，所述至少两个接收线圈中的第一接收线圈以90度的折叠角面向所述至少两个接收线圈中的第二接收线圈；所述第一接收线圈和所述第二接收线圈相对于彼此位于相同或不同的高度。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率接收器设备还包括：附加单螺旋线圈，位于所述第一接收线圈和所述第二接收线圈顶部。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率接收器设备包括四个接收线圈，每个接收线圈由第一螺旋和第二螺旋组成，所述第一螺旋和所述第二螺旋以约90度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有四个接收线圈以约90度的折叠角相对于彼此布置；所述四个接收线圈中的一个接收线圈的每个第一螺旋与位于所述接收线圈旁边的所述四个接收线圈中的另一接收线圈的第二螺旋重叠。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率接收器设备包括三个接收线圈，每个接收线圈由第一螺旋和第二螺旋组成，所述第一螺旋和所述第二螺旋以约60度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有三个接收线圈以约60度的折叠角相对于彼此布置；所述三个接收线圈中的一个接收线圈的每个第一螺旋与位于所述接收线圈旁边的所述三个接收线圈中的另一接收线圈的第二螺旋重叠。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率接收器设备包括四个接收线圈，每个接收线圈由第一螺旋和第二螺旋组成，所述第一螺旋和所述第二螺旋以约90度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有四个接收线圈以约90度的折叠角相对于彼此布置；所述四个接收线圈的所述第一螺旋布置在第一平面中；所述四个接收线圈中的两个接收线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面的第二平面中；所述四个接收线圈中的另外两个接收线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面和所述第二平面的第三平面中。

在一种示例性实现方式中，所述无线功率接收器设备包括两个接收线圈，每个接收线圈由第一螺旋和第二螺旋组成，所述第一螺旋和所述第二螺旋在曲率半径下相对于彼此弯曲；其中，所述两个接收线圈在曲率半径下相对于彼此弯曲。

根据第三方面，本发明涉及一种用于通过无线功率发射器设备为无线功率接收器充电的方法，所述无线功率发射器设备包括：至少一个发射线圈，充当至少一个电感电容谐振器的电感元件；其中，所述至少一个发射线圈由彼此电连接的至少两个螺旋组成，并且所述至少两个螺旋在空间中定向以形成组合几何形状。所述方法包括：使用时变电压激励所述至少一个发射线圈，以产生时变电磁场，所述时变电磁场通过所述无线功率接收器设备的至少一个接收线圈产生循环电场，用于为所述无线功率接收器设备充电。

此类充电方法提供高效的无线功率传输。所述无线功率接收器设备具有改进的定位自由度。可以同时向多个接收器设备供电。

根据第四方面，本发明涉及一种无线功率传输系统，所述无线功率传输系统包括根据第一方面所述的无线功率发射器设备和根据第二方面所述的无线功率接收器设备。

此类无线功率传输系统为所述接收器提供具有高定位自由度的高效无线功率传输。所述系统能够同时且高效地为多个接收器充电(尤其是在较长的传输距离处)，能够减少向某些未使用位置的无线传输功率，即所述系统能够分割可用体积，并且可以在所述发射器设备的体积周围提供更均匀的磁场。

附图说明

本发明的其它实施例将结合以下附图进行描述，其中：

图1示出了本发明提供的无线功率传输系统100的示意图；

图2A示出了一示例提供的由三个发射器谐振器和两个接收器谐振器组成的示例性无线功率传输系统的示意图；

图2B示出了图2A所示的示例性无线功率传输系统的电路图；

图3A示出了本发明提供的示例性组合线圈几何形状300的示意图；

图3B示出了不同线圈几何形状的示例的示意图；

图3C示出了线圈几何形状的另一示例的示意图；

图4A示出了一示例提供的由两个组合线圈300组成的无线功率发射器装置400的电感元件的示意图；

图4B示出了图4A所示无线功率发射器装置400的三维表示；

图5A示出了一示例提供的由两个组合线圈300和一个附加单螺旋线圈组成的无线功率发射器装置500的电感元件的示意图；

图5B示出了图5A所示无线功率发射器装置500的三维表示；

图6A示出了一示例提供的由四个组合线圈300组成的无线功率发射器装置600的电感元件的示意图；

图6B示出了图6A所示无线功率发射器装置600的三维表示；

图7A示出了一示例提供的由三个组合线圈300组成的无线功率发射器装置700的电感元件的示意图；

图7B示出了图7A所示无线功率发射器装置700的三维表示；

图8A示出了一示例提供的由四个组合线圈300组成的无线功率发射器装置800的电感元件的示意图；

图8B示出了图8A所示无线功率发射器装置800的三维表示；

图9A示出了一示例提供的由两个组合线圈300组成的无线功率发射器装置900的电感元件的示意图；

图9B示出了图9A所示无线功率发射器装置900的三维表示；

图10A示出了一示例提供的具有类长方体形状的无线功率传输系统的示例性谐振器阵列的示意图；

图10B示出了一示例提供的具有类球面形状1000的无线功率传输系统的示例性谐振器阵列的示意图；

图10C示出了一示例提供的具有半平面形状1003的无线功率传输系统的示例性谐振器阵列的示意图；

图11A示出了一示例提供的示例性无线功率传输系统的示意图，所述示例性无线功率传输系统包括具有中继功能的中间系统；

图11B示出了一示例提供的示例性无线功率传输系统的示意图，所述示例性无线功率传输系统包括具有由两个组合谐振器300实现的中继功能的中间系统；

图12示出了一示例提供的示例性无线功率传输系统1200的示意图；

图13示出了一示例提供的示例性无线功率传输系统1300的示意图；

图14示出了一示例提供的示例性无线功率接收器谐振器1401的示意图，所述无线功率接收器谐振器扫描示例性无线功率发射器装置900周围的半个球面；

图15A示出了图5A和图5B所示无线功率发射器装置500的三维表示；

图15B以俯视图示出了图15A所示无线功率发射器装置500与具有特定负载的接收器谐振器之间的无线功率传输效率的三维场图；

图15C以侧视图示出了图15A所示无线功率发射器装置500与具有特定负载的接收器谐振器之间的无线功率传输效率的三维场图；

图16A示出了图5A和图5B所示无线功率发射器装置500的三维表示；

图16B至图16F示出了在从发射器装置500的原点不断增加的半径处图16A所示发射器装置与图14所示接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图；

图17A示出了图4A和图4B所示无线功率发射器装置400的三维表示；

图17B示出了在距离发射器装置400的原点的恒定半径处图17A所示发射器装置与图14所示接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图；

图17C示出了图6A和图6B所示无线功率发射器装置600的三维表示；

图17D示出了在距离发射器装置600的原点的恒定半径处图17C所示发射器装置与图14所示接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图；

图17E示出了图7A和图7B所示无线功率发射器装置700的三维表示；

图17F示出了在距离发射器装置700的原点的恒定半径处图17E所示发射器装置与图14所示接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图；

图17G示出了图9A和图9B所示无线功率发射器装置900的三维表示；

图17H示出了在距离发射器装置900的原点的恒定半径处图17G所示发射器装置与图14所示接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图；

图18A示出了图5A和图5B所示无线功率发射器装置500的三维表示；

图18B以俯视图示出了在距离发射器装置500的原点的恒定半径处图18A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图；

图18C以侧视图示出了在距离发射器装置500的原点的恒定半径处图18A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图；

图19A示出了图5A和图5B所示无线功率发射器装置500的三维表示；

图19B至图19C以侧视图(图19B)和俯视图(图19C)示出了应用相移控制时在距离发射器装置500的原点的恒定半径处图19A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图；

图19D至图19E以侧视图(图19D)和俯视图(图19E)示出了应用幅度控制时在距离发射器装置500的原点的恒定半径处图19A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图；

图20A示出了图6A和图6B所示无线功率发射器装置600的三维表示；

图20B以侧视图示出了表示图20A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图；

图20C以俯视图示出了表示图20A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图；

图20D示出了图7A和图7B所示无线功率发射器装置700的三维表示；

图20E以侧视图示出了表示图20D所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图；

图20F以俯视图示出了表示图20D所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图；

图20G示出了图8A和图8B所示无线功率发射器装置800的三维表示；

图20H以侧视图示出了表示图20G所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图；

图20I以俯视图示出了表示图20G所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图；

图20J示出了图9A和图9B所示无线功率发射器装置900的三维表示；

图20K以侧视图示出了表示图20J所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图；

图20L以俯视图示出了表示图20J所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图。

具体实施方式

以下结合附图进行详细描述，所述附图是描述的一部分，并通过图解说明的方式示出可以实施本发明的具体方面。应理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其它方面，并且可以进行结构或逻辑更改。因此，以下详细描述不应以限制性的意义来理解，并且本发明的范围由所附权利要求限定。

可以理解的是，与所描述的方法有关的注解对于用于执行所述方法的相应设备或系统也同样适用，反之亦然。例如，如果描述了特定的方法步骤，则对应的设备可以包括执行所描述的方法步骤的单元，即使在附图中没有明确描述或示出这样的单元。此外，应理解，除非另外明确说明，否则本文中描述的各种示例性方面的特征可以相互组合。

图1示出了本发明提供的无线功率传输系统100的示意图。

所公开技术描述的无线功率传输系统100由发射器设备101和接收器设备108组成。所述发射器设备可以具有单个线圈或线圈102组成的装置，充当电感电容谐振器的电感元件，当电连接到时变电压或电流源时，所述电感电容谐振器产生时变电磁场107，所述时变电磁场反过来利用电磁感应原理通过接收器设备107或多个接收器设备产生循环电场。

向所述发射器设备的所述谐振器提供能量可以包括：以接近每个所述电谐振器的标称谐振频率的特定激励频率通过与所述交流(alternating current，AC)电源103的直接电连接向每个发射线圈注入电流，和/或在所述谐振器中电感激励循环电场，例如谐振和/或电感功率传输。

在一些实现方式中，所述发射器设备101的所述AC电源103可以连接至直流(direct current，DC)到交流转换器104的输出端，以便从DC电源105(例如，所述发射器设备中的电池)中提取其正常运行所需的功率。在一些其它实现方式中，所述发射器设备还可以从AC-DC转换器105(例如，将线路的AC功率转换为DC功率)中提取其正常运行所需的功率。

所述接收器设备108可以具有单个线圈或由线圈109组成的装置，充当电感电容谐振器的电感元件。在一些实现方式中，所述接收器设备108可以连接到AC-DC转换器110，例如，在由特定应用供电的设备需要DC功率的情况下(例如，向电子设备传递DC功率的情况)将交流电(alternating current，AC)转换为直流(direct current，DC)的整流器。在一些其它实现方式中，可以存在用于将DC功率电平转换为另一DC功率电平的电路111，例如DC-DC转换器或用于调节传递到正在被供电的电子设备的电池功率的充电电路，或者甚至是确保电子设备输入端的特定电压电平的电压调节器。

图2A示出了一示例提供的由三个发射器谐振器和两个接收器谐振器组成的示例性无线功率传输系统的示意图；图2B示出了图2A所示的示例性无线功率传输系统的电路图。

具体而言，图2(即，图2A和图2B)示出了由三个发射器谐振器(T_x1、T_x1和T_x3)和两个接收器谐振器(R_x1和R_x2)组成的示例性无线功率传输系统。虽然每个谐振器被示为简单的正方形几何形状，但每个图也可以表示任何其它更复杂的几何形状，如本文公开的几何形状200。在这种无线功率传输系统中特别关注的是所述系统中所有谐振器之间的电磁耦合之间的复杂交互。如图2A所示，每个发射器不仅耦合到每个接收器，而且发射器和接收器之间存在耦合。此特性是该特定图所固有的，不能出现在其它装置中。然而，无论所述系统的所述谐振器之间有多少电磁耦合，同样的分析过程也适用。

为了求出耦合阶数增加的复杂系统的效率，可以使用阻抗矩阵的求逆及其与构成所述系统的所述谐振器之间的电压和电流的关系。图2所示系统或者甚至具有多个单元(N)的系统的阻抗以及组成所述系统的单元与所述接收器之间更多的纠缠交互可以使用阻抗矩阵进行下列描述：

所述阻抗矩阵的第一种表示形式将所述谐振器的阻抗表示为Z_ij，其中，下标i和j对应于行号和列号。需注意的是，假设所述系统具有由矩阵元素Z₁₁至Z_NN表示的N个单元，而不考虑最后两行和两列中的所有元素，这些元素指示接收器Z_1′1′和Z_2′2′如何耦合到所述系统的每个发射器以及如何耦合在它们之间。如在所述阻抗矩阵的第二种表示形式中所观察到的，考虑到已连接到每个电池的任何阻抗，对角线上的元素的阻抗对应于每个电池的阻抗。例如，所述系统的每个发射器谐振器由其自阻抗Z＝R_N+jωL_N+1/(jωC_N)加上串联连接的电源的阻抗R_S组成，如图2B所示。

还需注意的是，对应于所述接收器的元素具有负载电阻，包括R_L。第二对角线中的元素对应于所述设备的所述谐振器之间的第一耦合阶次，而第三对角线中的元素表示所述谐振器之间的第二耦合阶次。如果在某个无线功率传输系统中，只有磁耦合的第一阶次重要，则等式(1)变为三对角矩阵；如果第二阶次也重要，则等式(1)变为五对角矩阵。需注意的是，所述接收器与所述设备的所述单元之间的耦合通过通用符号(Z_N′N)来保持，其中，N表示所述系统的发射器数量，N′表示所考虑的接收器。借助数值反演软件，例如可以使用以下等式：

其中，根据图2B，必须找到电流矢量。电压矢量是指施加到所述系统的任何外部激励。图2B中的所述系统的所有发射线圈均被激励，因此V_N＝V_s。然后，可以通过矩阵运算找到等式(2)中未知矢量：

I＝Z^-1V (3)

一旦知道所述电流矢量，即可完全定义任何无线功率传输系统。因此，可以将系统效率表示为：

其中，是所述系统向所述电源提供的输入阻抗，I_N和I_1′分别是流经所述发射器N和其中一个所述接收器的电流。提供给所述接收器的输出功率的量将是它们在空间中的位置和工作频率的函数，因为电池的阻抗等参数是频率的函数。

需注意的是，为了能够对等式(1)进行求解，所述线圈的电感、电阻和电容等电气参数必须对期望的工作频率以及任意一对线圈的互感M₁₂、M₁₃、M₂₃、M_11′、M_12′、M_21′、M_22′、M_31′和M_32′是已知的。为了获得这些参数，可以转向通过分析获得的数据，或者通过使用有限元法仿真软件或直接测量获得的数据。

图3A示出了本发明提供的示例性组合线圈几何形状300的示意图。图3B示出了不同线圈几何形状的示例的示意图。图3C示出了线圈几何形状的另一示例的示意图。

所公开技术描述的发射器设备的一个或多个线圈300通过图3A所示的组合线圈几何形状实现。所述线圈300由至少两个单独的螺旋线圈301和303组成。所述组合线圈几何形状由电连接302和304形成，这可以通过以下方式来满足：

(i)连接302或连接304可以通过与所述线圈301和303中使用的材料具有相同或不同导电性的材料来连接所述两个单独的螺旋，而分别来自连接304或连接302的其余两个端口可以连接到电容器或电容器网络，所述电容器或电容器网络的等效电容用于结合所述组合线圈的自感在特定谐振频率下创建电谐振器。然后，该电谐振器可以串联或并联连接到所述AC电源。

(ii)连接302或连接304可以通过与所述线圈301和303中使用的材料具有相同或不同导电性的材料来连接所述两个单独的螺旋，而分别来自连接304或连接302的其余两个端口可以串联或并联连接到所述AC电源。在这种情况下，为了创建串联的电谐振器，可以对任何单独的螺旋线圈进行匝数分段，并且电容器或电容器网络的等效电容可以串联到该分段的每一端。

(iii)连接302或连接304可以通过阻抗或阻抗网络连接所述两个单独的螺旋，以修改所述组合线圈的总阻抗，而分别来自连接304或连接302的其余两个端口可以连接到电容器或电容器网络，所述电容器或电容器网络的等效电容用于结合所述组合线圈的自感在特定谐振频率下创建电谐振器。然后，该电谐振器可以串联或并联连接到所述AC电源。

(iv)连接302或连接304可以通过直接连接到电容器或电容器网络来连接所述两个单独的螺旋，所述电容器或电容器网络的等效电容用于结合所述组合线圈的自感在特定谐振频率下创建电谐振器。然后，分别来自连接304或连接302的其余两个端口可以串联或并联连接到所述AC电源。

(v)连接302或连接304可以通过直接连接到电容器或电容器网络来连接所述两个单独的螺旋，所述电容器或电容器网络的等效电容用于结合所述组合线圈的自感在特定谐振频率下创建电谐振器。然后，分别来自连接304或连接302的其余两个端口可以串联或并联连接到所述AC电源。可以在由所述组合线圈、所述电容器或电容器网络和所述AC电源串联或并联形成的串联或并联电路中引入额外的阻抗或阻抗网络，以改变所述电谐振器的总阻抗。

(vi)连接302或连接304可以通过直接连接到所述AC电源来连接所述两个单独的螺旋。然后，分别来自连接304或连接302的其余两个端口可以串联或并联连接到电容器或电容器网络，所述电容器或电容器网络的等效电容用于结合所述组合线圈的自感在特定谐振频率下创建电谐振器。可以在由所述组合线圈、所述电容器或电容器网络和所述AC电源串联或并联形成的串联或并联电路中引入额外的阻抗或阻抗网络，以改变所述电谐振器的总阻抗。

在所公开技术的一些实现方式中，所述组合线圈300可以具有两个彼此相邻且具有相同高度的单独螺旋线圈，如图3A所示，或者所述单独的螺旋线圈可以位于不同的高度。在其它实现方式中，所述单独的螺旋线圈可以以任何>0或<360度的角度相对于彼此折叠，如图3B所示。在进一步的实现方式中，所述组合线圈可以在曲率半径下弯曲，如图3C所示。

尽管图3A中的示例性线圈由单独的方形螺旋组成，但是所述线圈也可以由圆形或多边形组成，例如三角形、正方形、矩形、五边形、六边形等。所述组合线圈的单独螺旋中的每一个可以具有不同的形状。所述组合线圈组成的装置可以组合具有不同形状的线圈。所述组合线圈的每个单独螺旋的卷绕方向可以不同。

所述组合线圈可以具有由高磁导率、磁性或复合磁芯或低磁导率的材料制成的衬底/磁芯，例如玻璃增强环氧层压材料(FR4)制成的介电衬底。

为了使所述组合线圈保持图3B或图3C所示的折叠或弯曲形状，它们可以机械地附接到柔性载体衬底(例如，薄FR4、聚酰亚胺、薄聚合物等)。在图3B所示的组合线圈的情况下，每个单独的螺旋可以机械地附接到刚性衬底并使用所述连接302和304作为元件，相对于这些元件执行特定角度的折叠。在以下情况下，所述组合线圈在不使用载体衬底的情况下也可以保持限定的折叠或弯曲状态：所述制造方法允许所述线圈保持独立，例如所述线圈由机械可塑性导电材料(如中空金属管)制成或者所述导电材料涂覆自粘合聚合物，例如所述自粘合聚合物在加热后会熔化，并且在移除热量之后，所述聚合物在使所述组合线圈转动的所述导电材料周围变硬。用于打印导电材料的3D打印技术也可用于生产图3所示的组合线圈。

关于图3A、3B和3C中所示的配置，下文将描述本发明提供的无线功率发射器设备101和本发明提供的无线功率接收器设备101。

所述无线功率发射器设备101包括至少一个发射线圈102，充当至少一个电感电容谐振器的电感元件，使用时变电压激励时，所述至少一个电感电容谐振器产生时变电磁场107，所述时变电磁场通过无线功率接收器设备108的至少一个接收线圈产生循环电场，用于为所述无线功率接收器设备108充电。所述至少一个发射线圈(102、300)由彼此电连接(302、304)的至少两个螺旋(301、303)组成，其中，所述至少两个螺旋(301、303)在空间中定向以形成图3A中所示的组合几何形状。

例如，如图3A所示，所述至少两个螺旋(301、303)可以在空间中朝向公共参考点或轴对称定位。

所述至少两个螺旋(301、303)可以相对于彼此折叠或弯曲，或者可以以相同的高度或不同的高度彼此相邻。

例如，如图3A所示，所述至少一个发射线圈(102、300)可以包括：第一端口，由所述至少两个螺旋(301、303)中的第一螺旋301的第一线端形成；第二端口，由所述至少两个螺旋(301、303)中的第二螺旋303的第一线端形成；第三端口，由所述至少两个螺旋(301、303)中的第一螺旋301的第二线端形成；第四端口，由所述至少两个螺旋(301、303)中的第二螺旋303的第二线端形成。

例如，如图3A所示，所述至少一个发射线圈(102、300)可以包括：第一电连接302，将所述第一螺旋301的两个端口中的一个端口与所述第二螺旋303的两个端口中的一个端口电连接；第二电连接302，将所述第一螺旋301的两个端口中的另一端口与所述第二螺旋303的两个端口中的另一端口电连接。

所述第一电连接302通过与所述螺旋(301、303)的材料具有相同或不同导电性的材料连接所述第一螺旋301和所述第二螺旋303。

例如，如图1所示，所述第二电连接304可以将所述第一螺旋301和所述第二螺旋303连接到电容器或电容器网络；所述电容器或电容器网络的等效电容用于结合所述至少一个发射线圈(102、300)的自感在谐振频率下创建电谐振器；所述电谐振器由AC电源103驱动。

所述第一螺旋301和所述第二螺旋303中的至少一个可以具有分段匝数；所述电容器或电容器网络的所述等效电容连接到所述第一螺旋301和所述第二螺旋303中的至少一个的所述分段匝数的分段。

所述第一电连接302可以通过阻抗或阻抗网络连接所述第一螺旋301和所述第二螺旋303，以修改所述至少一个发射线圈(102、300)的总阻抗。

所述至少两个螺旋(301、303)可以具有圆形、椭圆形或多边形，尤其是三角形、正方形、矩形、五边形或六边形。

所述至少两个螺旋(301、303)中的每一个可以具有相同或不同的形状。

所述至少两个螺旋(301、303)中的每一个可以具有相同或不同的卷绕方向。

所述至少两个螺旋(301、303)中的每一个可以由高磁导率磁芯材料或复合磁芯材料或低磁导率介质芯材料组成，尤其是玻璃增强环氧层压材料(FR4)。

所述至少两个螺旋(301、303)可以机械地附接到柔性载体衬底，尤其是FR4、聚酰亚胺、聚合物，以保持其折叠或弯曲的形状。

在一个示例中，例如，如图4所示，所述无线功率发射器设备(101、400)可以包括至少两个发射线圈300，其中，所述至少两个发射线圈中的第一发射线圈300以90度的折叠角305面向所述至少两个发射线圈中的第二发射线圈300；所述第一发射线圈300和所述第二发射线圈300相对于彼此位于相同或不同的高度。

在一个示例中，例如，如图5所示，所述无线功率发射器设备(101、500)还可以包括单螺旋线圈501，位于所述第一发射线圈300和所述第二发射线圈300顶部。

在一个示例中，例如，如图6所示，所述无线功率发射器设备(101、600)可以包括四个发射线圈300，每个发射线圈300由第一螺旋301和第二螺旋303组成，所述第一螺旋301和所述第二螺旋303以约90度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有四个发射线圈300以约90度的折叠角305相对于彼此布置；所述四个发射线圈中的一个发射线圈300的每个第一螺旋301与位于所述发射线圈旁边的所述四个发射线圈中的另一发射线圈300的第二螺旋303重叠。

在一个示例中，例如，如图7所示，所述无线功率发射器设备(101、700)可以包括三个发射线圈300，每个发射线圈300由第一螺旋301和第二螺旋303组成，所述第一螺旋301和所述第二螺旋303以约60度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有三个发射线圈300以约60度的折叠角(305)相对于彼此布置；所述三个发射线圈中的一个发射线圈300的每个第一螺旋301与位于所述发射线圈旁边的所述三个发射线圈中的另一发射线圈300的第二螺旋303重叠。

在一个示例中，例如，如图8所示，所述无线功率发射器设备(101、800)可以包括四个发射线圈300，每个发射线圈300由第一螺旋301和第二螺旋303组成，所述第一螺旋301和所述第二螺旋303以约90度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有四个发射线圈300以约90度的折叠角305相对于彼此布置；所述四个发射线圈300的所述第一螺旋301布置在第一平面中；所述四个发射线圈中的两个发射线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面的第二平面中；所述四个发射线圈中的另外两个发射线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面和所述第二平面的第三平面中。

在一个示例中，例如，如图9所示，所述无线功率发射器设备(101、900)可以包括两个发射线圈300，每个发射线圈300由第一螺旋301和第二螺旋303组成，所述第一螺旋301和所述第二螺旋303在曲率半径下相对于彼此弯曲；其中，所述两个发射线圈300在曲率半径下相对于彼此弯曲。

在一个示例中，例如，如图10所示，所述无线功率发射器设备(101、600)可以包括由至少两个发射线圈102组成的装置；其中，所述由至少两个发射线圈102组成的装置为长方体(400)、球面(1000)或半平面(1003)形状。

在一个示例中，例如，如图11所示，所述无线功率发射器设备(101、400、700)还充当无线功率接收器设备，当所述无线功率接收器设备接收时变电磁场107时，在所述至少一个发射线圈102处产生相应的时变电压。

在一个示例中，例如，如图11所示，所述无线功率发射器设备(101、400、700)同时充当无线功率发射器设备和无线功率接收器设备，以实现从另一无线功率发射器设备到另一无线功率接收器设备的无线功率传输的无线功率中继。

在一个示例中，例如，如图12或图13所示，所述无线功率发射器设备(101、400、700、1201、1301)可以包括：至少一个AC电源(1208、1310)，提供所述时变电压，所述时变电压用于激励所述至少一个发射线圈102的所述至少一个电感电容谐振器；相位和幅度控制器(1209、1309)，用于根据指示所述无线功率接收器设备(108、1213、1322)的位置的传感信号控制所述至少一个AC电源(1208、1310)的幅度或相位中的至少一个。

在一个示例中，例如，如图12所示，所述无线功率发射器设备(101、400、700、1201)可以包括：功率检测单元1203，用于检测所述至少一个发射线圈(102、1202)的所述至少一个电感电容谐振器与所述无线功率接收器设备(108、1213)的相应谐振器1214的电磁耦合1212的变化；其中，所述功率检测单元1203用于根据所述至少一个发射线圈(102、1202)的所述至少一个电感电容谐振器的所述电磁耦合1212的所述已检测变化提供所述传感信号。

在一个示例中，例如，如图13所示，所述无线功率发射器设备(101、400、700、1301)可以包括：功率检测单元1303，用于检测传感线圈1302的至少一个电感电容谐振器与所述无线功率接收器设备(108、1213)的相应谐振器1314的电磁耦合1323的变化；其中，所述传感线圈1302的所述至少一个电感电容谐振器用于在与所述至少一个发射线圈(102、1202)的所述至少一个电感电容谐振器不同的另一工作频率下工作；所述功率检测单元1303用于根据所述传感线圈1302的所述至少一个电感电容谐振器的所述电磁耦合1323的所述已检测变化提供所述传感信号。

在一个示例中，例如，如图12或图13所示，所述无线功率发射器设备(101、400、700、1201、1301)可以包括数据处理和存储单元1206，用于：对包括所述传感信号的所述功率检测单元(1203、1303)的模拟电压输出进行采样和处理；根据所述传感信号，设置所述相位和幅度控制器(1209、1309)的操作特性。

在一个示例中，例如，如图12或图13所示，所述无线功率发射器设备(101、400、700、1201、1301)可以包括无线通信级(1207、1307)，用于：与所述无线功率接收器设备(108、1213、1322)的相应无线通信级(1219、1317)进行无线通信；根据与所述无线功率接收器设备(108、1213、1322)的无线通信，设置所述相位和幅度控制器(1209、1309)的操作特性。

例如，如图1和图3A所示，无线功率接收器设备108包括：至少一个接收线圈109，充当至少一个电感电容谐振器的电感元件，当所述至少一个电感电容谐振器从无线功率发射器设备的至少一个相应电感电容谐振器接收时变电磁场107时，在所述至少一个接收线圈处产生时变电压，用于为所述无线功率接收器设备108充电；其中，所述至少一个接收线圈(109、300)由彼此电连接(302、304)的至少两个螺旋(301、303)组成，并且所述至少两个螺旋(301、303)在空间中定向以形成组合几何形状。

所述至少两个螺旋(301、303)可以相对于彼此折叠或弯曲，或者以相同的高度或不同的高度彼此相邻。

在一个示例中，例如，如图4所示，所述无线功率接收器设备(108、400)可以包括至少两个接收线圈300，其中，所述至少两个接收线圈中的第一接收线圈300以90度的折叠角305面向所述至少两个接收线圈中的第二接收线圈300；所述第一接收线圈300和所述第二接收线圈300相对于彼此位于相同或不同的高度。

在一个示例中，例如，如图5所示，所述无线功率接收器设备(108、500)还可以包括：附加单螺旋线圈，位于所述第一接收线圈300和所述第二接收线圈300顶部。

在一个示例中，例如，如图6所示，所述无线功率接收器设备(108、600)可以包括四个接收线圈300，每个接收线圈300由第一螺旋301和第二螺旋303组成，所述第一螺旋301和所述第二螺旋303以约90度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有四个接收线圈300以约90度的折叠角305相对于彼此布置；所述四个接收线圈中的一个接收线圈300的每个第一螺旋301与位于所述接收线圈旁边的所述四个接收线圈中的另一接收线圈300的第二螺旋303重叠。

在一个示例中，例如，如图7所示，所述无线功率接收器设备(108、700)可以包括三个接收线圈300，每个接收线圈300由第一螺旋301和第二螺旋303组成，所述第一螺旋301和所述第二螺旋303以约60度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有三个接收线圈300以约60度的折叠角305相对于彼此布置；所述三个接收线圈中的一个接收线圈300的每个第一螺旋301与位于所述接收线圈旁边的所述三个接收线圈中的另一接收线圈300的第二螺旋303重叠。

在一个示例中，例如，如图8所示，所述无线功率接收器设备(108、800)可以包括四个接收线圈300，每个接收线圈300由第一螺旋301和第二螺旋303组成，所述第一螺旋301和所述第二螺旋303以约90度的折叠角相对于彼此布置；其中，所有四个接收线圈300以约90度的折叠角305相对于彼此布置；所述四个接收线圈300的所述第一螺旋301布置在第一平面中；所述四个接收线圈中的两个接收线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面的第二平面中；所述四个接收线圈中的另外两个接收线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面和所述第二平面的第三平面中。

在一个示例中，例如，如图9所示，所述无线功率接收器设备(108、900)可以包括两个接收线圈300，每个接收线圈300由第一螺旋301和第二螺旋303组成，所述第一螺旋301和所述第二螺旋303在曲率半径下相对于彼此弯曲，其中，所述两个接收线圈300在曲率半径下相对于彼此弯曲。

在本发明中，所公开技术描述的组合线圈可以用作谐振器装置的感应组件，所述谐振器装置用作无线功率传输系统的发射器或接收器。下面描述的图4至图9的示例中显示了一些可能的配置。

图4A示出了一示例提供的由两个组合线圈300组成的无线功率发射器装置400的电感元件的示意图。图4B示出了图4A所示无线功率发射器装置400的三维表示。

图4(图4A和图4B)示出了由所公开技术描述的两个组合线圈300组成的无线功率发射器装置400的电感元件。所述两个组合线圈具有90度的折叠角305且彼此相对。在本实施例中，两个线圈相对于彼此位于相同的高度，但是可以存在高度不同的配置。已根据所述单独螺旋的磁北极指向所述发射线圈装置外侧的方式选择用于激励每个组合线圈的循环电流的方向。通过改变给定卷绕方向的所述循环电流的方向，或者通过反转给定循环电流的卷绕方向，可以使所述磁北极指向所述线圈装置的外侧或内侧。

图5A示出了一示例提供的由两个组合线圈300和一个附加单螺旋线圈组成的无线功率发射器装置500的电感元件的示意图。图5B示出了图5A所示无线功率发射器装置500的三维表示。

图5(图5A和图5B)示出了由所公开技术描述的两个组合线圈300和一个附加单螺旋线圈组成的无线功率发射器装置500的电感元件。所述两个组合线圈具有90度的折叠角305且彼此相对，所述单个线圈501位于所述组合线圈装置顶部的XY平面上。已根据每个螺旋的磁北极指向所述发射线圈装置外侧的方式选择用于激励该装置的每个线圈的循环电流的方向。通过改变给定卷绕方向的所述循环电流的方向，或者通过反转给定循环电流的卷绕方向，可以使所述磁北极指向所述线圈装置的外侧或内侧。

图6A示出了一示例提供的由四个组合线圈300组成的无线功率发射器装置600的电感元件的示意图。图6B示出了图6A所示无线功率发射器装置600的三维表示。

图6(图6A和图6B)示出了由所公开技术描述的四个组合线圈300组成的无线功率发射器装置600的电感元件。所有组合线圈具有90度的折叠角305，并且组合线圈的每个单独的螺旋与其旁边的组合线圈的单独螺旋中的一个重叠。已根据每个螺旋的磁北极指向所述发射线圈装置外侧的方式选择用于激励该装置的每个线圈的循环电流的方向。通过改变给定卷绕方向的所述循环电流的方向，或者通过反转给定循环电流的卷绕方向，可以使所述磁北极指向所述线圈装置的外侧或内侧。

图7A示出了一示例提供的由三个组合线圈300组成的无线功率发射器装置700的电感元件的示意图。图7B示出了图7A所示无线功率发射器装置700的三维表示。

图7(图7A和图7B)示出了由所公开技术描述的三个组合线圈300组成的无线功率发射器装置700的电感元件。所有组合线圈具有60度的折叠角305，并且组合线圈的每个单独的螺旋与其旁边的组合线圈的单独螺旋中的一个重叠。已根据每个螺旋的磁北极指向所述发射线圈装置外侧的方式选择用于激励该装置的每个线圈的循环电流的方向。通过改变给定卷绕方向的所述循环电流的方向，或者通过反转给定循环电流的卷绕方向，可以使所述磁北极指向所述线圈装置的外侧或内侧。

图8A示出了一示例提供的由四个组合线圈300组成的无线功率发射器装置800的电感元件的示意图。图8B示出了图8A所示无线功率发射器装置800的三维表示。

图8(图8A和图8B)示出了由所公开技术描述的四个组合线圈300组成的无线功率发射器装置800的电感元件。所有组合线圈具有90度的折叠角305。与图4至图7所示的组合线圈相比，已经相对于X或Y轴(而不是Z轴)形成了所述折叠角。已根据每个螺旋的磁北极指向每个螺旋外侧的方式选择用于激励该装置的每个线圈的循环电流的方向。通过改变给定卷绕方向的所述循环电流的方向，或者通过反转给定循环电流的卷绕方向，可以使所述磁北极指向所述线圈装置的外侧或内侧。

图9A示出了一示例提供的由两个组合线圈300组成的无线功率发射器装置900的电感元件的示意图。图9B示出了图9A所示无线功率发射器装置900的三维表示。

图9(图9A和图9B)示出了由所公开技术描述的两个组合线圈300组成的无线功率发射器装置900的电感元件。与图4至图8所示的线圈相比，这两个线圈在一定的曲率半径下弯曲，而不是锐利的折叠角。已根据每个螺旋的磁北极指向每个螺旋外侧的方式选择用于激励该装置的每个线圈的循环电流的方向。通过改变给定卷绕方向的所述循环电流的方向，或者通过反转给定循环电流的卷绕方向，可以使所述磁北极指向所述线圈装置的外侧或内侧。

基于所公开线圈几何形状的谐振器阵列可以仅由诸如图4以及图6至图9中示出的组合螺旋的组合，或诸如图5中示出的单一和组合几何形状的组合构成。

所述阵列可以由重叠(图6、图7)或非重叠线圈几何形状组成，使得各个谐振器之间的电磁耦合不严格为某个值。

图10A示出了一示例提供的具有类长方体形状的无线功率传输系统的示例性谐振器阵列的示意图。图10B示出了一示例提供的具有类球面形状1000的无线功率传输系统的示例性谐振器阵列的示意图。图10C示出了一示例提供的具有半平面形状1003的无线功率传输系统的示例性谐振器阵列的示意图。

所述谐振器阵列可以具有类长方体400(图10A)、类球面1000(图10B)或半平面1003(图10C)形状。对于半平面装置，它们可以在两个主方向1001或1002中的任一个方向上延伸。

图11A示出了一示例提供的示例性无线功率传输系统的示意图，所述示例性无线功率传输系统包括具有中继功能的中间系统。图11B示出了一示例提供的示例性无线功率传输系统的示意图，所述示例性无线功率传输系统包括具有由两个组合谐振器300实现的中继功能的中间系统。

为了延长从发射器到接收器的传输距离，所述系统可以包括中间系统，所述中间系统具有将从所述发射器发送的功率中继到终端接收器的功能，这意味着所提议的谐振器装置也可以用作接收器装置。在图11A中可以看到空腔谐振器阵列之间的这种情况。从装置400发送的能量的一部分通过在其间首先通过装置400到达装置700。图11B示出了所述发射器装置400发送的能量的一部分通过中间发射器装置1100中继到达接收器设备1101的情况，此处以两个组合谐振器300、具有90度折叠角305的谐振器1100以及具有180度折叠角305的谐振器1102为例，这两个谐振器通过其单独螺旋中的一个耦合。

所公开的技术还提供了无线功率传输系统，所述无线功率传输系统能够通过控制馈送发射器阵列的每个谐振器的AC电源的幅度或相位，提高向目标设备的功率传输效率。这可以通过感测所述接收器设备相对于固定发射器装置的位置来实现。这种类型的系统如图12和图13所示。

图12示出了一示例提供的示例性无线功率传输系统1200的示意图。

图12示出了能够根据接收器1214调整AC电源1208的特性的无线功率传输系统1200的框图。这是通过使用功率检测单元1203来实现的，所述功率检测单元1203直接受所述接收器的可能位置变化的影响。当接收器设备从先前位置移动到新位置时，由于接收器谐振器或谐振器阵列1214与发射器谐振器或谐振器阵列1202之间存在电磁耦合1212，将通过接收器设备1213加载发射器1202的阻抗的变化，在所述发射器谐振器或谐振器阵列1202上反映出变化。

例如，在所述接收器1214由总阻抗为Z_Rx的单个谐振器组成且串联连接到负载R_L的情况下，所述发射器阵列的每个谐振器的“反射”阻抗Z_reflected根据以下等式得出：

其中，ω为角工作频率，M_Rx→Tx为单个接收器谐振器与给定发射器谐振器之间的互感。

在该图中，所述功率检测单元由作为反射计连接的双向耦合器1204实现，所述双向耦合器1204又连接到RF检测器电路1205。所述功率检测单元可以由其它电压/电流/阻抗/功率敏感电路组成，这些电路将因所述接收器的耦合条件变化而直接受到等式(5)的影响。该图中的功率检测单元连接到数据处理和存储单元1206，所述数据处理和存储单元1206可以通过中央处理器、微型计算机或微控制器来实现，所述中央处理器、微型计算机或微控制器负责对所述功率检测单元1204输出的模拟电压进行采样和处理，以高效地设置移相器或幅度控制器1209的操作条件，所述移相器或幅度控制器1209连接到所述AC电源1208，所述AC电源1208通过所述功率检测单元1204将AC功率发送到所述发射器谐振器或谐振器阵列1202。所述数据处理/存储单元1206还受到来自所述发射器设备1201中的无线通信级1207的信息的影响，所述发射器设备1201能够通过电磁波1220与所述接收器设备1213中的无线通信级1219进行无线通信。所述两个无线通信级1207和1219可以通过与以下各项(但不限于以下各项)兼容的两个不同的转换器来交换信息：蓝牙、BLE、ZigBee、Wi-Fi、WLAN、Thread、蜂窝通信(如2G/3G/4G/5G/LTE)、NB-IoT、NFC、RFID、WirelessHART等。在所述接收器设备1213上，所述无线通信级1219可以通过所述接收器设备1213中可能存在的另一数据处理和存储单元来帮助控制充电电路1216。

图13示出了一示例提供的示例性无线功率传输系统1300的示意图。

与图12相比，图13中的实施例示出了系统1300，其中，不通过所述发射器和所述接收器谐振器或谐振器阵列1321的电磁耦合，而是通过发射器1301和接收器设备1322中存在的另一对谐振器或谐振器阵列1302和1314之间的电磁耦合1323监测所述接收器设备的耦合条件变化。这些谐振器在进行无线功率交换的另一工作频率下工作，并且可以位于所述系统的功率谐振器或谐振器阵列1313和1320附近。

例如，它们可以在多层PCB的另一层中实现，以监测移动接收器设备的位置变化。图13显示，感测谐振器或阵列1302可以连接到功率检测单元1303，所述功率检测单元1303直接受所述接收器设备1322上的可检测谐振器或谐振器阵列的可能位置变化的影响。

当接收器设备从先前位置移动到新位置时，由于所述可检测谐振器或谐振器阵列之间存在的电磁耦合1323，所述接收器设备1322加载所述发射器1301的阻抗的变化将在所述感测谐振器或谐振器阵列1302上引起变化。

例如，在可检测谐振器1314由总阻抗为Z_Dx的单个谐振器组成且串联连接到负载R_L的情况下，检测到的传感阵列S_x的每个谐振器的阻抗Z_detected根据以下等式得出：

其中，ω为角工作频率，M_Dx→Sx为单个可检测谐振器与给定感测谐振器之间的互感。

在该图中，所述功率检测单元由作为反射计连接的双向耦合器1304实现，所述双向耦合器1304又连接到RF检测器电路1305。所述功率检测单元可以由其它电压/电流/阻抗/功率敏感电路组成，这些电路将因所述接收器的耦合条件变化而直接受到等式(6)的影响。该图中的功率检测单元连接到数据处理和存储单元1306，所述数据处理和存储单元1306可以通过中央处理器、微型计算机或微控制器来实现，所述中央处理器、微型计算机或微控制器负责对所述功率检测单元1304输出的模拟电压进行采样和处理，以高效地设置移相器或幅度控制器1309的操作条件，所述移相器或幅度控制器1309连接到所述AC电源1310，所述AC电源1310将AC功率发送到所述发射器谐振器或谐振器阵列1313。需注意的是，在该系统中，所述功率检测单元1304具有自己的AC电源1308，所述AC电源1308能够在与无线功率传输频率不同的另一频率下为所述感测谐振器或谐振器阵列1302生成激励信号。所述数据处理/存储单元1306还受到来自所述发射器设备1301中的无线通信级1307的信息的影响，所述发射器设备1301能够与所述接收器设备1322中的无线通信级1317进行无线通信，这通过经由与以下各项(但不限于以下各项)兼容的两个不同的转换器交换信息来实现：蓝牙、BLE、ZigBee、Wi-Fi、WLAN、Thread、蜂窝通信(如2G/3G/4G/5G/LTE)、NB-IoT、NFC、RFID、WirelessHART等。在所述接收器设备1322上，所述无线通信级1317可以通过所述接收器设备1322中可能存在的另一数据处理和存储单元来帮助控制充电电路1316。

在图12和图13所示的系统中，有一个在所述数据处理和存储单元内部运行的脚本，所述脚本能够收集与所述接收器的耦合条件相关的相关信息以及诸如所述接收器设备(只要存在)中的电池充电量等其它信息。为了补偿不断变化的耦合条件，移相器或幅度控制器将改变激励所述发射器谐振器或谐振器阵列的每个AC电源的相位或幅度。

移相器将改变输入信号的传输相位角，同时使所述输入信号的幅度受到组件插入损耗的影响。所述输入信号将根据所述移相器的配置在输出端进行相移。所述移相器可以是数字、模拟或机械移相器。在图12和图13所示系统的另一种实现方式中，所述系统的源的相位改变可以通过使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)实现的可控函数发生器来实现，所述现场可编程门阵列将输入信号应用于射频功率放大器AC电源。在图12和图13所示系统的其它实现方式中，可以存在幅度控制电路，所述幅度控制电路根据来自所述接收器的反射阻抗改变AC电压或电流源的幅度，而不是控制激励所述发射器谐振器或谐振器阵列的系统中的每个AC电源的相位。

该控制电路可以允许所述幅度仅在所述幅度的0％至100％之间或者在0％至100％的范围内变化。对于“开启”和“关闭”操作，可以认为处于“开启”状态的发射器谐振器具有与处于“关闭”状态的发射器谐振器大不相同的等效阻抗。“关闭”状态可以通过经由另一个强耦合谐振器的失谐、物理移除或将有效地阻碍所述谐振器中的电子流的导电轨道、或者通过直接失谐或开关来实现。这种被认为是开关的状态之间的变化可以通过使用单个晶体管或晶体管的组合来实现，这些晶体管包括但不限于FET、MOSFET、GAN、GAN HEMT等。

在图12和图13所示系统的其它实现方式中，发射器和接收器设备之间的通信可以通过图12所示的无线功率信道1212以及感测信道1323或无线功率信道1321来完成。这意味着，在该系统的某些实现方式中，不需要通信单元。这可以通过具有更宽带宽和两个谐振频率的谐振器来实现，所述谐振器允许发送并非由单个分量组成的无线功率信号，例如，所述无线功率信号可以由载波信号进行幅度调制。在这种其它实现方式中，发射器和接收器设备分别需要调制器和解调器级。

现在，根据等式(4)表示的计算所得效率展示本发明中提出的无线传输概念的优点。所述效率计算是根据待分析发射器装置向外延伸的体积内的接收器运动来完成的。根据所述发射器结构，可以向位于球体内半径等于或小于所述发射器的能量仍然能到达所述接收器的半径的任何点的接收器供电，这是因为所述发射器和所述接收器之间的能量交换发生在所述接收器产生的近场内。这是因为所述发射器装置无辐射，因为它们的物理尺寸小于所述工作频率下的波长。

图14示出了一示例提供的示例性无线功率接收器谐振器1401的示意图，所述无线功率接收器谐振器扫描示例性无线功率发射器装置900周围的半个球面。

在图14中，所述接收器定位在圆柱坐标给出的三维空间中。所述接收器1401扫描所述发射器装置周围的半个球面，此处以装置900为例，在恒定或可变半径的极角和方位角上以180步长扫描，如图14所示。虽然在该图中，所述接收器谐振器1401对应于具有180度折叠角的所公开技术描述的组合线圈几何形状，但它可以具有其它线圈几何形状。

图15A示出了图5A和图5B所示无线功率发射器装置500的三维表示。图15B以俯视图示出了图15A所示无线功率发射器装置500与具有特定负载的接收器谐振器之间的无线功率传输效率的三维场图。图15C以侧视图示出了图15A所示无线功率发射器装置500与具有特定负载的接收器谐振器之间的无线功率传输效率的三维场图。由于两个量成正比例关系，效率图显示了磁场均匀化能力。

所提出的组合线圈几何形状能够使所述发射器阵列周围的磁场均匀化，如图15B(俯视图)和图15C(侧视图)所示，图15B和图15C示出了在距离图15A所示原点的恒定半径处所述发射器装置500与图14所示移动接收器900之间的功率传输效率(4)。在该图中，每个发射器谐振器连接到单个电源。所有电源的幅度和相位都相同。具备磁场均匀化的能力是因为移动接收器设备能够在从所述发射器装置的一个面过渡到下一个面时保持与组合线圈类似的互感，并且已确定构成所述线圈的单个螺旋的卷绕方向，以避免所述发射器装置的所有面中的磁场被抵消。

图16A示出了图5A和图5B所示无线功率发射器装置500的三维表示。图16B至图16F示出了在从发射器装置500的原点不断增加的半径处图16A所示发射器装置与图14所示接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图。

所提出的组合线圈几何形状和所公开技术描述的装置可以在图16A所示的示例性发射器装置与诸如图14所示的移动接收器之间以增加的分隔半径使磁场均匀化。这使得所公开的技术能够以高效率将无线功率传输到具有不同耦合条件的接收器设备，即使没有应用任何控制方法或者没有采取任何措施通过调节所述发射器/接收器谐振器的阻抗补偿所述接收器的耦合条件的变化。图16B至图16F举例说明了该优点，图16B至图16F示出了从图16A所示发射器原点不断增加的半径处所述发射器装置与所述接收器之间的无线功率传输效率。

图17A示出了图4A和图4B所示无线功率发射器装置400的三维表示。图17B示出了在距离发射器装置400的原点的恒定半径处图17A所示发射器装置与图14所示接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图。图17C示出了图6A和图6B所示无线功率发射器装置600的三维表示。图17D示出了在距离发射器装置600的原点的恒定半径处图17C所示发射器装置与图14所示接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图。图17E示出了图7A和图7B所示无线功率发射器装置700的三维表示。图17F示出了在距离发射器装置700的原点的恒定半径处图17E所示发射器装置与图14所示接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图。图17G示出了图9A和图9B所示无线功率发射器装置900的三维表示。图17H示出了在距离发射器装置900的原点的恒定半径处图17G所示发射器装置与图14所示接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图。

由于所公开技术描述的装置具有磁场均匀化能力，其能够同时向多个接收器供电。图17所示的在图14所示相应原点的恒定半径处四个发射器谐振器装置400、600、700、900与围绕所述发射器的移动接收器设备之间的效率计算说明了这一点。在该图中，所分析的每个装置的每个发射器谐振器连接到单个电源，并且所有电源具有相同的幅度和相位。这些装置可以用作位于客厅桌子中央的功能性无线充电器，其任务是向坐在桌子周围的人使用的不同接收器设备提供无线电源。

图18A示出了图5A和图5B所示无线功率发射器装置500的三维表示。图18B以俯视图示出了在距离发射器装置500的原点的恒定半径处图18A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图。图18C以侧视图示出了在距离发射器装置500的原点的恒定半径处图18A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图。

所公开线圈、阵列和控制方法的另一个优点在于，可以激活/停用所述发射器系统的某些谐振器，以避免只有一个接收器或一组接收器设备位于所述发射器阵列周围的同一区域时，能量被全向发送。如图18B(俯视图)和图18C(侧视图)所示，图18B和图18C示出了在距离图18A所示原点的恒定半径处所述发射器装置500与图14所示移动接收器900之间的功率传输效率(4)。在该图中，只有发射器谐振器1801处于活动状态，即处于“开启”状态，而谐振器1802和1803处于非活动状态，即处于“关闭”状态。效率曲面图表明，能量不能更远、更有效地传播到活动区域。

图19A示出了图5A和图5B所示无线功率发射器装置500的三维表示。图19B至图19C以侧视图(图19B)和俯视图(图19C)示出了应用相移控制时在距离发射器装置500的原点的恒定半径处图19A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图。图19D至图19E以侧视图(图19D)和俯视图(图19E)示出了应用幅度控制时在距离发射器装置500的原点的恒定半径处图19A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图。

图12或图13所示系统中公开的控制方法的效率增强能力如图19所示。在这种情况下，还分析了相同的发射器装置500，其行为与所述发射器谐振器的AC电源具有相同的幅度和相位的系统相结合，如图15所示。图中示出了在距离19A所示原点的恒定半径(该半径也与图15A中的半径相同)处所述发射器装置500与图14所示移动接收器900之间的功率传输效率(4)。图19B和图19C从侧面(图19B)和顶部(图19C)示出了应用相移控制方法时的效率曲面图。在所述接收器的每次定位时，向所述三个发射器谐振器提供的所述AC电源的相位设置为0、90或+-180度的值，同时保持所述三个AC电源的相同幅度。图19D和图19E从侧面(图19D)和顶部(图19E)示出了应用幅度控制方法时的效率曲面图。在所述接收器的每次定位时，向所述三个发射器谐振器提供的所述AC电源的幅度设置为0到100％范围内的值，同时保持所述三个AC电源的相同相位。

图20A示出了图6A和图6B所示无线功率发射器装置600的三维表示。图20B以侧视图示出了表示图20A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图。图20C以俯视图示出了表示图20A所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图。图20D示出了图7A和图7B所示无线功率发射器装置700的三维表示。图20E以侧视图示出了表示图20D所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图。图20F以俯视图示出了表示图20D所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图。图20G示出了图8A和图8B所示无线功率发射器装置800的三维表示。图20H以侧视图示出了表示图20G所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图。图20I以俯视图示出了表示图20G所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图。图20J示出了图9A和图9B所示无线功率发射器装置900的三维表示。图20K以侧视图示出了表示图20J所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图。图20L以俯视图示出了表示图20J所示发射器装置与图14所示移动接收器之间的无线功率传输效率的示例性三维场图的曲面图。

所公开的技术还能够对空间的可用无线能量进行几何整形，这在不同的应用场景中可能是有益的，例如，具有定义轨迹的电动工业机器人或旨在向会议参与者提供无线功率的会议室内不同形状的桌子。图20中的曲面图所示的在图14所示相应原点的恒定半径处四个发射器谐振器装置600、700、800、900与围绕所述发射器的移动接收器设备之间的效率计算说明了这一点。在该图中，所分析的每个装置的每个发射器谐振器连接到单个电源，并且根据所述接收器的位置来应用基于向所述谐振器提供的所述AC电源的不同幅度的控制方法，同时保持每个谐振器的相同相位。

为了比较从每个装置中获得的不同行为，所有装置都被设计为占据相同的体积，这意味着，例如对于图20G所示的发射器谐振器装置，由于在距离所示原点的恒定分离半径处较小的谐振器与所述接收器设备之间的电磁耦合减小，总体功率传输效率预期小于图20A、图20D和图20J所示谐振器阵列与所述接收器设备之间的功率传输效率。该图中间列的曲面图示出了效率的侧视图(图20B、图20E、图20H和图20K)，而该图右列的曲面图示出了相同操作条件下的俯视图(图20C、图20F、图20I和图20L)。

本发明涉及如上所述的无线功率传输，包括用于无线功率传输的所有可能的发射器和/或接收器，所述无线功率传输使用所公开的任何所述形式的组合几何形状，例如：a)用于无线功率传输的谐振器的电感元件的任何类型的组合几何形状，具有任何线圈几何形状、用于实现组合几何形状的任何类型的连接、任何类型的弯曲、任何类型的制造方法、用于制造方法的任何类型的材料；b)发射器和接收器单元处的任何线圈组合，其中，组合几何形状的数量应大于或等于一，且单个(非组合)几何形状的数量应大于或等于零；c)基于根据a)和b)所述的组合和单个几何形状的任何特殊装置线圈，其也可用作装置组合，以扩展所述无线功率传输的范围。

本公开还涉及结合以下任何控制方法使用上述几何形状：恒定相位和幅度；可变相位和恒定幅度；可变幅度和恒定相位；以及实现这种控制方法的任何可能的硬件和/或软件。例如，所述接收器设备可以通过安装在所述发射器阵列体积内的相机而不是根据电磁耦合的传感方法来定位。

尽管本发明的特定特征或方面可能已经仅结合几种实现方式中的一种进行公开，但此类特征或方面可以和其它实现方式中的一个或多个特征或方面相结合，只要对任何给定或特定的应用有需要或有利即可。此外，在一定程度上，术语“包括”、“有”、“具有”或这些术语的其它变形在详细说明或权利要求书中使用，此类术语和所述术语“包含”是类似的，都是表示包括的含义。同样，术语“示例性的”、“例如”和“如”仅表示为示例，而不是最好或最佳的。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解，这些术语可以用于指示两个元件彼此协作或交互，而不管它们是直接物理接触还是电接触，或者它们彼此不直接接触。

尽管本文中已说明和描述特定方面，但本领域普通技术人员应了解，多种替代和/或等效实现方式可在不脱离本发明的范围的情况下替代所示和描述的特定方面。本申请旨在覆盖本文论述的特定方面的任何修改或变化。

尽管以上权利要求书中的元件是利用对应的标签按照特定顺序列举的，但是除非对权利要求的阐述另有暗示用于实现部分或所有这些元件的特定顺序，否则这些元件不必限于以所述特定顺序来实现。

通过以上启示，对于本领域技术人员来说，许多替代、修改和变化是显而易见的。当然，本领域技术人员容易认识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，仍可对所述实施例进行许多改变。因此，应当理解，只要是在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。

Claims

1.一种无线功率发射器设备(101)，其特征在于，所述无线功率发射器设备包括：

至少一个发射线圈(102)，充当至少一个电感电容谐振器的电感元件，使用时变电压激励时，所述至少一个电感电容谐振器产生时变电磁场(107)，所述时变电磁场(107)通过无线功率接收器设备(108)的至少一个接收线圈产生循环电场，用于为所述无线功率接收器设备(108)充电；

其中，所述至少一个发射线圈(102、300)由彼此电连接(302、304)的至少两个螺旋(301、303)组成，并且所述至少两个螺旋(301、303)在空间中定向以形成组合几何形状。

2.根据权利要求1所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，

所述至少两个螺旋(301、303)在空间中朝向公共参考点或轴对称定位。

3.根据权利要求1或2所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，

所述至少两个螺旋(301、303)相对于彼此折叠或弯曲，或者以相同的高度或不同的高度彼此相邻。

4.根据上述权利要求中任一项所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，所述至少一个发射线圈(102、300)包括：

第一端口，由所述至少两个螺旋(301、303)中的第一螺旋(301)的第一线端形成；

第二端口，由所述至少两个螺旋(301、303)中的第二螺旋(303)的第一线端形成；

第三端口，由所述至少两个螺旋(301、303)中的第一螺旋(301)的第二线端形成；

第四端口，由所述至少两个螺旋(301、303)中的第二螺旋(303)的第二线端形成。

5.根据权利要求4所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，所述至少一个发射线圈(102、300)包括：

第一电连接(302)，将所述第一螺旋(301)的两个端口中的一个端口与所述第二螺旋(303)的两个端口中的一个端口电连接；

第二电连接(302)，将所述第一螺旋(301)的两个端口中的另一端口与所述第二螺旋(303)的两个端口中的另一端口电连接。

6.根据权利要求5所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，

所述第一电连接(302)通过与所述螺旋(301、303)的材料具有相同或不同导电性的材料连接所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)。

7.根据权利要求5或6所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，

所述第二电连接(304)将所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)连接到电容器或电容器网络；

所述电容器或电容器网络的等效电容用于结合所述至少一个发射线圈(102、300)的自感在谐振频率下创建电谐振器；

所述电谐振器由AC电源(103)驱动。

8.根据权利要求7所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，

所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)中的至少一个具有分段匝数；

所述电容器或电容器网络的所述等效电容连接到所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)中的至少一个的所述分段匝数的分段。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，

所述第一电连接(302)通过阻抗或阻抗网络连接所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)，以修改所述至少一个发射线圈(102、300)的总阻抗。

10.根据上述权利要求中任一项所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，

所述至少两个螺旋(301、303)具有圆形、椭圆形或多边形，尤其是三角形、正方形、矩形、五边形或六边形。

11.根据上述权利要求中任一项所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，

所述至少两个螺旋(301、303)中的每一个具有相同或不同的形状。

12.根据上述权利要求中任一项所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，

所述至少两个螺旋(301、303)中的每一个具有相同或不同的卷绕方向。

13.根据上述权利要求中任一项所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，

所述至少两个螺旋(301、303)中的每一个由高磁导率磁芯材料或复合磁芯材料或低磁导率介质芯材料组成，尤其是玻璃增强环氧层压材料(FR4)。

14.根据上述权利要求中任一项所述的无线功率发射器设备(101)，其特征在于，

所述至少两个螺旋(301、303)机械地附接到柔性载体衬底，尤其是FR4、聚酰亚胺、聚合物，以保持其折叠或弯曲的形状。

15.根据上述权利要求中任一项所述的无线功率发射器设备(101、400)，其特征在于，包括至少两个发射线圈(300)，

其中，所述至少两个发射线圈中的第一发射线圈(300)以90度的折叠角(305)面向所述至少两个发射线圈中的第二发射线圈(300)；

所述第一发射线圈(300)和所述第二发射线圈(300)相对于彼此位于相同或不同的高度。

16.根据权利要求15所述的无线功率发射器设备(101、500)，其特征在于，还包括：

单螺旋线圈(501)，位于所述第一发射线圈(300)和所述第二发射线圈(300)顶部。

17.根据上述权利要求中任一项所述的无线功率发射器设备(101、600)，其特征在于，包括四个发射线圈(300)，每个发射线圈(300)由第一螺旋(301)和第二螺旋(303)组成，所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)以约90度的折叠角相对于彼此布置，

其中，所有四个发射线圈(300)以约90度的折叠角(305)相对于彼此布置；

所述四个发射线圈中的一个发射线圈(300)的每个第一螺旋(301)与位于所述发射线圈旁边的所述四个发射线圈中的另一发射线圈(300)的第二螺旋(303)重叠。

18.根据权利要求1至14中任一项所述的无线功率发射器设备(101、700)，其特征在于，包括三个发射线圈(300)，每个发射线圈(300)由第一螺旋(301)和第二螺旋(303)组成，所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)以约60度的折叠角相对于彼此布置，

其中，所有三个发射线圈(300)以约60度的折叠角(305)相对于彼此布置；

所述三个发射线圈中的一个发射线圈(300)的每个第一螺旋(301)与位于所述发射线圈旁边的所述三个发射线圈中的另一发射线圈(300)的第二螺旋(303)重叠。

19.根据权利要求1至14中任一项所述的无线功率发射器设备(101、800)，其特征在于，包括四个发射线圈(300)，每个发射线圈(300)由第一螺旋(301)和第二螺旋(303)组成，所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)以约90度的折叠角相对于彼此布置，

所述四个发射线圈(300)的所述第一螺旋(301)布置在第一平面中；

所述四个发射线圈中的两个发射线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面的第二平面中；

所述四个发射线圈中的另外两个发射线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面和所述第二平面的第三平面中。

20.根据权利要求1至14中任一项所述的无线功率发射器设备(101、900)，其特征在于，包括两个发射线圈(300)，每个发射线圈(300)由第一螺旋(301)和第二螺旋(303)组成，所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)在曲率半径下相对于彼此弯曲，

其中，所述两个发射线圈(300)在曲率半径下相对于彼此弯曲。

21.根据上述权利要求中任一项所述的无线功率发射器设备(101、600)，其特征在于，

包括由至少两个发射线圈(102)组成的装置，

其中，所述由至少两个发射线圈(102)组成的装置为长方体(400)、球面(1000)或半平面(1003)形状。

22.根据上述权利要求中任一项所述的无线功率发射器设备(101、400、700)，其特征在于，

还充当无线功率接收器设备，

当所述无线功率接收器设备接收时变电磁场(107)时，在所述至少一个发射线圈(102)处产生相应的时变电压。

23.根据权利要求22所述的无线功率发射器设备(101、400、700)，其特征在于，

同时充当无线功率发射器设备和无线功率接收器设备，以实现从另一无线功率发射器设备到另一无线功率接收器设备的无线功率传输的无线功率中继。

24.根据上述权利要求中任一项所述的无线功率发射器设备(101、400、700、1201、1301)，其特征在于，包括：

至少一个AC电源(1208、1310)，提供所述时变电压，所述时变电压用于激励所述至少一个发射线圈(102)的所述至少一个电感电容谐振器；

相位和幅度控制器(1209、1309)，用于根据指示所述无线功率接收器设备(108、1213、1322)的位置的传感信号控制所述至少一个AC电源(1208、1310)的幅度或相位中的至少一个。

25.根据权利要求24所述的无线功率发射器设备(101、400、700、1201)，其特征在于，包括：

功率检测单元(1203)，用于检测所述至少一个发射线圈(102、1202)的所述至少一个电感电容谐振器与所述无线功率接收器设备(108、1213)的相应谐振器(1214)的电磁耦合(1212)的变化；

其中，所述功率检测单元(1203)用于根据所述至少一个发射线圈(102、1202)的所述至少一个电感电容谐振器的所述电磁耦合(1212)的所述已检测变化提供所述传感信号。

26.根据权利要求24所述的无线功率发射器设备(101、400、700、1301)，其特征在于，包括：

功率检测单元(1303)，用于检测传感线圈(1302)的至少一个电感电容谐振器与所述无线功率接收器设备(108、1213)的相应谐振器(1314)的电磁耦合(1323)的变化；

其中，所述传感线圈(1302)的所述至少一个电感电容谐振器用于在与所述至少一个发射线圈(102、1202)的所述至少一个电感电容谐振器不同的另一工作频率下工作；

所述功率检测单元(1303)用于根据所述传感线圈(1302)的所述至少一个电感电容谐振器的所述电磁耦合(1323)的所述已检测变化提供所述传感信号。

27.根据权利要求25或26所述的无线功率发射器设备(101、400、700、1201、1301)，其特征在于，包括数据处理和存储单元(1206)，用于：

对包括所述传感信号的所述功率检测单元(1203、1303)的模拟电压输出进行采样和处理；

根据所述传感信号，设置所述相位和幅度控制器(1209、1309)的操作特性。

28.根据权利要求27所述的无线功率发射器设备(101、400、700、1201、1301)，其特征在于，包括无线通信级(1207、1307)，用于：

与所述无线功率接收器设备(108、1213、1322)的相应无线通信级(1219、1317)进行无线通信；

根据与所述无线功率接收器设备(108、1213、1322)的无线通信，设置所述相位和幅度控制器(1209、1309)的操作特性。

29.一种无线功率接收器设备(108)，其特征在于，所述无线功率接收器设备包括：

至少一个接收线圈(109)，充当至少一个电感电容谐振器的电感元件，当所述至少一个电感电容谐振器从无线功率发射器设备的至少一个相应电感电容谐振器接收时变电磁场(107)时，在所述至少一个接收线圈处产生时变电压，用于为所述无线功率接收器设备(108)充电；

其中，所述至少一个接收线圈(109、300)由彼此电连接(302、304)的至少两个螺旋(301、303)组成，并且所述至少两个螺旋(301、303)在空间中定向以形成组合几何形状。

30.根据权利要求29所述的无线功率接收器设备(108)，其特征在于，

31.根据权利要求29或30所述的无线功率接收器设备(108)，其特征在于，

32.根据权利要求29至31中任一项所述的无线功率接收器设备(108、400)，其特征在于，包括至少两个接收线圈(300)，

其中，所述至少两个接收线圈中的第一接收线圈(300)以90度的折叠角(305)面向所述至少两个接收线圈中的第二接收线圈(300)；

所述第一接收线圈(300)和所述第二接收线圈(300)相对于彼此位于相同或不同的高度。

33.根据权利要求32所述的无线功率接收器设备(108、500)，其特征在于，还包括：

附加单螺旋线圈，位于所述第一接收线圈(300)和所述第二接收线圈(300)顶部。

34.根据权利要求29至33中任一项所述的无线功率接收器设备(108、600)，其特征在于，包括四个接收线圈(300)，每个接收线圈(300)由第一螺旋(301)和第二螺旋(303)组成，所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)以约90度的折叠角相对于彼此布置，

其中，所有四个接收线圈(300)以约90度的折叠角(305)相对于彼此布置；

所述四个接收线圈中的一个接收线圈(300)的每个第一螺旋(301)与位于所述接收线圈旁边的所述四个接收线圈中的另一接收线圈(300)的第二螺旋(303)重叠。

35.根据权利要求29至34中任一项所述的无线功率接收器设备(108、700)，其特征在于，包括三个接收线圈(300)，每个接收线圈(300)由第一螺旋(301)和第二螺旋(303)组成，所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)以约60度的折叠角相对于彼此布置，

其中，所有三个接收线圈(300)以约60度的折叠角(305)相对于彼此布置；

所述三个接收线圈中的一个接收线圈(300)的每个第一螺旋(301)与位于所述接收线圈旁边的所述三个接收线圈中的另一接收线圈(300)的第二螺旋(303)重叠。

36.根据权利要求29至31中任一项所述的无线功率接收器设备(108、800)，其特征在于，包括四个接收线圈(300)，每个接收线圈(300)由第一螺旋(301)和第二螺旋(303)组成，所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)以约90度的折叠角相对于彼此布置，

所述四个接收线圈(300)的所述第一螺旋(301)布置在第一平面中；

所述四个接收线圈中的两个接收线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面的第二平面中；

所述四个接收线圈中的另外两个接收线圈的所述第二螺旋布置在垂直于所述第一平面和所述第二平面的第三平面中。

37.根据权利要求29至31中任一项所述的无线功率接收器设备(108、900)，其特征在于，包括两个接收线圈(300)，每个接收线圈(300)由第一螺旋(301)和第二螺旋(303)组成，所述第一螺旋(301)和所述第二螺旋(303)在曲率半径下相对于彼此弯曲，

其中，所述两个接收线圈(300)在曲率半径下相对于彼此弯曲。