TW201310933A - 一種一對多點的無線共振能量傳輸系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種一對多點的無線共振能量傳輸系統，包含一共振發射線圈、以及至少一個共振接收線圈；其中該共振發射線圈以其特徵尺寸所涵蓋的面積必須大於或等於該至少一個共振接收線圈的面積總合。本發明之一種一對多點的無線共振能量傳輸系統更可包含至少一個可調整的失調(off tune)中繼線圈，而該至少一個可調整的失調中繼線圈係置放於該共振發射線圈所涵蓋的範圍內，且該至少一個可調整的失調中繼線圈之特徵尺寸、共振頻率及置放位置與配合該共振發射線圈之特徵尺寸及共振頻率而調整，使得該至少一個共振接收線圈在該共振發射線圈所涵蓋的範圍內的任何位置能均勻的接收該共振發射線圈所傳輸之一所需最低工作能量，得以獨立正常工作並且互不干擾。

Description

一種一對多點的無線共振能量傳輸系統

本發明係有關一種無線共振能量傳輸系統，尤指一種一對多點的無線共振能量傳輸系統，且其所有在工作範圍內的無線共振能量接收器皆能獨立正常工作而互不干擾。

自尼古拉‧特斯拉(Nikola Tesla)在1891年所進行的共振線圈實驗以來，及在後續眾多科學家共同努力下，使用電磁共振線圈以進行無線能量傳輸的可能性及其工作原理已經獲得證實。基於電磁共振線圈可進行無線能量傳輸的原理，科技界也開發出了，例如，共振變壓器，RF電池充電器及RFID(Radio Frequency Identification)等系統，廣泛地應用於現代生活的各個層面。

第一圖所示為一傳統的單點發射，單點接收共振能量傳輸的系統方塊示意圖。如第一圖所示，一發射器驅動電路102接收自一能量源101的能量以驅動發射共振電路103之線圈，以圓形的發射線圈為例，該線圈之特徵尺寸(characteristic dimension)可以半徑r表示，令其在空間中產生於一頻率為f₀的週期變化磁場。其他形狀之線圈的特徵尺寸也可以其他參數表示。而置於離發射共振電路103距離d的接收共振電路104，其接收共振線圈被調整到具有相同的共振頻率f₀，以保證以最佳的耦合效率從空間中接收該週期變化磁場，扣除經過冗餘能量損耗電路105的損耗後，最終轉變為接收共振電路104之後續能量消耗電路106的能量源。其中，為了保證系統的適用性及更佳的耦合效率，發射及接收線圈都會設計成小尺寸，使其產生的磁場具有較強的集中方向性。並且，該發射及接收線圈具有相近的特徵尺寸，以及極高的Q值。

隨著電磁共振線圈能量傳輸觀念的普及，也引發了許多應用或改善設計的技術嘗試。例如，應如何建立一種一對多點的共振能量傳輸系統，使得該系統能在特定的工作距離範圍，例如，一米(1m)內能令所有共振接收器都能吸收到維持其正常工作所需的能量。然而要建立一套一對多點的共振能量傳輸系統，該系統是必須具有以下特徵的：

1.　其產生的磁場的面積或體積必須足夠大工作範圍(work range)，至少能容納系統定義要求下的最大數量的接收器。

2.　其產生的磁場在各向(omni-directional)或各點必須足夠平均，令位於工作範圍內的接收器都能吸收到維持其正常工作所需的能量。

3.　所有在工作範圍內的接收器應能獨立正常工作並且互不干擾。

針對以上特徵，如果把如第一圖所示的傳統單點發射，單點接收共振能量傳輸作為基礎，直接發展為一對多點的共振能量傳輸系統，一般的辦法是直接增加發射能量，以產生更大的磁場，然而這樣會存在至少下列幾個問題。

首先，根據習知原理，如第二圖所示，以發射線圈為中心點，與發射線圈的為垂直方向所產生的磁場密度(B)與耦合距離(d)之間存在一反比三次方的關係(inverse cube law)；而發射線圈的水平方向所產生的磁場密度(B)與耦合距離(d)之間存在一反比二次方的關係(inverse square law)。無論是反比三次方的關係或是反比二次方的關係，都顯示了發射器產生的磁場會隨耦合距離(d)的增加而急速衰減。雖然高Q值的共振發射和接收線圈可吸引更多的磁力線經過接收線圈，進而增加接收到的能量，但其接收到的能量仍然是與耦合距離(d)成反比二次方的關係。也就是說，形成耦合效率非常大程度地取決於耦合距離。換言之，也就是之間的磁場分佈非常不平均。在這種系統的結構下，如果要做到系統定義的最遠工作距離下接收器還能接收到系統定義的最低接收能量，所需的發射能量必然非常大。然而，當接收器位於距離(d)少於系統定義的最遠工作距離時，接收器能接受到的能量就會多於供應其正常工作所需的最低接收能量。一般來說，習知的作法是將接收器及其相關後續電路都設計成在接收到系統定義的最低接收能量時，接收器的相關後續能量損耗電路應該仍能正常工作；或者，因為接收器其相關後續電路的工作性能表現不應該在不同的工作距離下有所變化，所以所接收的過多能量通常是透過限壓或穩壓電路將其消耗掉。就能量而言，這是極大的無謂浪費，而且系統整體的效率也很低。另一方面，極大的發射能量會大幅地增加了發射器的設計難度，增加了建置與運作的成本。

其次，根據習知原理，在發射線圈的物理中心點距離d的地點測量，與發射線圈在垂直方向所產生的磁場密度(B)，與發射線圈的特徵尺寸(r)的平方成反比；然而，在發射線圈水平方向所產生的磁場密度(B)，則與其特徵尺寸(r)的成正比。也就是說，愈是特徵尺寸(r)細小的發射線圈，垂直方向所產生的磁場密度(B)就愈大，反之在水平方向所產生的磁場密度(B)就會愈少，換言之，發射線圈愈具有方向性。這點與系統的必要特徵不符，因為如果全部接收器都需要在位置相同的方向，便必然會有先後位置，而比較接近的接收器則會吸收大部分能量並阻止於較遠的接收器吸收足夠的能量。

第三個問題是，單點發射，單點接收系統的核心設計思想通常以高Q值的發射和接收共振電路，以期達到接收器能儘量吸收全部發射出來的能量為主要目標。然而，在一對多點的共振能量傳輸系統裏，如果將兩個高Q值的接收共振電路同時放置於系統的工作範圍內時，就會出現兩個接收器互相搶奪能量，導致工作非常不穩定情況。常見的情況是距離較接近的接收器會幾乎接收全部發射能量，距離較遠的接收器會幾乎接收不到，也就是接收器間會互相干擾。如果工作範圍內有更多接收器，情況就會非常複雜。而被放置於工作範圍內的接收器也可能因為其他接收器的情況而不能正常工作，這點也不符合系統的必要特徵。所以，這種每個接收器都用最高接收效能的設計，只適合在單點對單點的傳輸，並不適合在一對多點的傳輸系統。

由此可見，一對多點的共振能量傳輸系統並非是傳統單點對單點之無線傳輸系統的直接延伸或擴大而已。因此，一個穩定的一對多點的無線共振能量傳輸系統是設計者面臨的重要議題，不僅目前業界的當務之急，也是未來開發更多應用的重要技術基礎。

基於上述習知技術之缺失，本發明為之主要目的在於提供一種一對多點的無線共振能量傳輸系統，能夠使位在該系統之工作範圍(work range)內的複數個無線共振能量接收器都能接收到維持該接收器與其後續相關電路正常工作所需的能量，而正常運作。

本發明為之另一目的在於提供一種一對多點的無線共振能量傳輸系統，能夠在該系統之工作範圍內產生各方向及各地點足夠平均的磁場，使得位於該系統之工作範圍內的複數個無線共振能量接收器不因其所在之位置或方位而有所差異。

本發明為之再一目的在於提供一種一對多點的無線共振能量傳輸系統，令位於該系統之工作範圍內的複數個無線共振能量接收器只接收其需要的能量並拒絕接收冗餘能量，因此所有在工作範圍內的接收器應能獨立正常工作並且互不干擾。

本發明為之又一目的在於提供一種一對多點的無線共振能量傳輸系統，其工作範圍所涵蓋之產生磁場的面積或體積必須至少能容納該系統定義要求下的最大數量的接收器。

為達成上述目的，本發明提供一種一對多點的無線共振能量傳輸系統，包含一共振發射線圈、以及至少一個共振接收線圈；其中該共振發射線圈以其特徵尺寸所涵蓋的面積必須大於或等於該至少一個共振接收線圈的面積總合。本發明之一種一對多點的無線共振能量傳輸系統更可包含至少一個可調整的失調(off tune)中繼線圈，而該至少一個可調整的失調中繼線圈係置放於該共振發射線圈所涵蓋的範圍內，且該至少一個可調整的失調中繼線圈之特徵尺寸、共振頻率及置放位置與配合該共振發射線圈之特徵尺寸及共振頻率而調整，使得該至少一個共振接收線圈在該共振發射線圈所涵蓋的範圍內能均勻的接收該共振發射線圈所傳輸之能量得以獨立正常工作並且互不干擾。

茲配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利範圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。

第三圖所示為本發明之一種一對多點的無線共振能量傳輸系統架構示意圖，該系統包含一共振發射線圈301、以及至少一個共振接收線圈302；其中，點303係為該共振發射線圈301的中心點，該發射線圈301係具有一共振頻率，且以一特徵尺寸來表示所涵蓋的面積，該所涵蓋的面積必須大於或等於該至少一個共振接收線圈302的面積總合，且該共振發射線圈301所涵蓋之面積範圍內的磁場密度具有良好平均性，使得該至少一個共振接收線圈302在該共振發射線圈301所涵蓋的範圍內的任何位置能均勻的接收該共振發射線圈301所傳輸之一所需最低工作能量，得以獨立正常工作並且互不干擾。值的說明的是，本實施例中之發射線圈與接收線圈皆以圓形的發射線圈為例，其特徵尺寸可以半徑r表示。其他形狀之線圈的特徵尺寸也可以其他參數表示，以下磁場密度之說明亦適用於其他形狀之線圈。

本發明之特徵與設計原理分別說明如下。首先，根據磁場產生之原理，闡述本發明之共振發射線圈的設計依據，以產生一對多點的無線共振能量傳輸系統所需的具有高度平均性的磁場密度的工作範圍。

根據磁場產生之原理，假設有一條無限長的導線，其內部載有電流I，則在距離該導線之距離為d處所產生的磁場密度(B)為：

B=uI/2πd=K/d

其中，磁場密度的單位為weber/m2，且K=uI/2π、u=4π*(10)^(-7)，係為空氣導磁係數。

第四圖與第五圖進一步說明磁場密度的疊加關係。如第四圖所示，假設發射線圈為兩條無限長之導線L1及L2，其上之電流(I)方向相反。兩條導線係設置於中心點O的兩側，與中心點O的距離為r，亦即，兩導線的實際距離為2r.。現假設一測量點A係位於距離O點的距離d的位置，根據磁強密度疊加定理，則

B_a=B_1a+B_2a

其中，B_1a為導線L1於A點所生產的磁場密度，而B_2a為導線L2於A點所生產的磁場密度。

由於測量點A係位於兩條導線的同一側，而兩條導線電流方向相反，根據弗萊明右手定理(Fleming right hand law)，得出B_1a與B_2a方向相反，部分互相抵消；亦即，

B_a=B_1a-B_2a

=K/(d-r)-K(d+r)

=K(d+r-d+r)/(d-r)(d+r)

=K×2r/(d²-r²)　(1)

假設d=n×r而且n≠1(當n=1時，A點位於其中一條導線上，磁強密度被視為未定義(undefined))，則

B_a=K×2r/(n²-1)r²

=K×2/(n²-1)r　(2)

當n>>1時，(2)可簡化為

B_a=K×2/n²r　(3)

從上述方程式(3)可知道，發射線圈外的磁場密度(B)的衰減程度與距離成反比平方關係(inverse square law)。

第五圖所示為當測量點A係位於該兩導線L1及L2之間時的情況，同樣地，根據磁強密度疊加定理：

B_a=B_1a+B_2a

其中，B_1a為導線L1於A點所生產的磁場密度，而B_2a為導線L2於A點所生產的磁場密度。

由於測量點A係位於兩條導線之間，而兩條導線電流方向相反，根據弗萊明右手定理，得出B_1a與B_2a方向相同，因此互相疊加。換言之，

B_a=B_1a+B_2a

=K/(r-d)+K/(r+d)

=K(r+d+r-d)/(r-d)(r+d)

=K×2r/(r²-d²)

=-K×2r/(d²-r²)

若只考慮大小，不考慮方向，則可將負號移除，

B_a=K×2r/(d²-r²)

所得之結果與前述之(1)完全相同。

假設d=r/n而且n≠1(當n=1時，A點位於其中一條導線上，磁強密度被視為未定義(undefined))，則

B_a=(K×2r)/((1/n²-1)r²)

=(K×2)/((1/n²-1)r)　(4)

當n為無限大時，可得1/n²=0。然而，實際上當n為無限大時，A點係位於O點上，此位置得出的B_a應為最弱。此時，

B_a=-K×2/r

同樣地，只考慮大小，不考慮方向時，則負號可以移除，亦即

B_a=K×2/r　(5)

從上述方程式(5)可知道，發射線圈內的磁場密度(B)的衰減程度是與距離呈反比的關係。

比較方程式(3)及(5)，可以得知發射線圈內的磁場密度因距離衰減比率遠比發射線圈外要低。第六圖所示為磁場密度(B)與發射線圈距離之示意圖，其中兩個圓圈係代表發射線圈的位置，橫軸為與發射線圈的距離，而縱軸係表示磁場密度。

舉例來說，假設當測量點A係位於發射線圈之外(如第四圖)，且n=3，則

B_a=K×2/8r=K/4r　(6)

另一方面，假設第五圖中把兩條導線(L1、L2)中的導線L2放置於如第四圖中測量點A的位置，且R=3r，而導線L1則放在距離O點的另外一側距離3r的位置，此時若測量於O點上的磁場密度，則

B_a=K×2/3r=2K/3r　(7)

從(6)和(7)比較可得出，位於發射線圈之內(如第五圖)的磁場密度大於位於發射線圈之外(如第四圖)的磁場密度。

由上述之分析可以得出一結論，相較於傳統辦法以較小的發射線圈支援整個工作範圍，若發射線圈能以一足夠大的特徵尺寸將整個工作範圍包含在其特徵尺寸內，則該整個工作範圍的磁場密度將更具平均性。換言之，可以使用較小的發射能量來保持整個工作範圍內的磁場密度最低點處的磁場密度維持在系統定義的最低接收能量以上，來維持接收器能接收足夠的能量以正常工作狀態。當然，這樣設計的另一個結論就是，發射線圈以其特徵尺寸所包含的面積，必須大於能置於工作範圍內的接收器的面積的總和，以便能將所有的接收器涵蓋在其工作範圍內。

上述的描述是以兩條無限長的導線為例子來解釋發射線圈內外的磁場密度分佈情況，凡熟知此技藝之人士，應該可推衍出不管是使用圓形發射線圈或者方形發射線圈，都會在各種方向得到類似的關係及方程式。

另外一面，使用較大尺寸的發射線圈還有另一樣優點，就是適合三維立體磁場的應用。事實上小尺寸的發射線圈在水平方向的磁場密度與距離關係成快速下降趨勢，並不是小尺寸的發射線圈把能量自行損耗掉，而是於線圈的垂直方向產生更大的磁場。習知在發射線圈中心點的垂直方向上的磁場密度(B)與距離(d)的關係為

其中，μ₀為真空磁導率，也稱為磁場場數，I為電流強度，N為線圈數，r則為其特徵尺寸。所以，若d=k×r，則

由於B與r成反比，所以r愈小B就愈大。因此小尺寸的發射線圈會在垂直的方向更有方向性，在垂直面上更加不平均。相反地，使用大尺寸的發射線圈會令垂直方向的磁場密度降低，從而在三維立體來說其磁場密度也更平均。

本發明之一種一對多點的無線共振能量傳輸系統可更包含至少一可調整的失調中繼線圈，以增加工作範圍內磁場的平均度。習知的中繼線圈是一種只包含一線圈及電容的電路，並無功率損耗負載的高Q值並聯共振電路，且其共振頻率會調整至與發射線圈的完全相同。習知的中繼線圈技術已經被廣泛地應用於無線能量傳輸的領域，其主要作用是把由發射線圈所產生的，由於距離而分散的磁場，在中繼線圈附近重新吸引集中。由於其具有高Q值的特性，理論上比一個帶有負載，Q值較低的接收器，在一相對較遠的距離處能吸引較多的磁力線。由於中繼線圈並不帶功率損耗負載，所以被其吸引集中的磁場能量並不會因此被中繼線圈損耗掉。而原本在該相對較遠的距離因Q值較低而無法吸收足夠能量的接收器，可因放置在中繼線圈附近而接收較多能量。

然而，本發明中所應用的中繼線圈技術與上述習知的中繼線圈技術並不相同。本發明中應用的中繼線圈，其共振頻率會調整至發射線圈的頻率附近，但不完全相同。而其主要作用是令改善由發射線圈所產生的磁場的平均性。

第七圖所示為一圓形發射線圈之示意圖，而第八圖為對應的磁場密度示意圖。該圓形線圈中心點O的磁場密度為最低點，以表示。已知從切面AA為縱軸測量的磁場密度為反比分佈，並於非常接近發射線圈的導線點上變為理論值趨近無窮大(事實上此情況不可能發生，因為發射線圈的Q值不可能為無窮大)，如第八圖所示。雖然如前述之發射線圈內與線圈外的磁場密度變化的說明中已經證實線圈內的磁場密度分佈遠較線圈外分佈平均，但於中心點O點的附近仍然較低，所以以線圈內局部來看，平均性仍可進一步改善，以提升系統的效能。

現假設放置一特徵尺寸為r的發射線圈之1/2的高Q值的中繼線圈於第七圖中的發射線圈內並且其中心也對齊於O點。第九圖所示為本發明之一對多點無線能量傳輸系統之另一實施例。如第九圖所示，除了共振發射線圈301、以及至少一個共振接收線圈302外，本系統更包含至少一個可調整的失調中繼線圈904，而該至少一個可調整的失調中繼線圈904係置放於該共振發射線圈所涵蓋的範圍內，且該至少一個可調整的失調中繼線圈904之特徵尺寸、共振頻率及置放位置與配合該共振發射線圈301之特徵尺寸及共振頻率而調整，使得該至少一個共振接收線圈在該共振發射線圈所涵蓋的範圍內能均勻的接收該共振發射線圈所傳輸之能量得以獨立正常工作並且互不干擾。

由於中繼線圈的特性是會把於中繼線圈附近的的磁力線大幅吸引到中繼線圈，以至於在中繼線圈週邊的磁場密度會被降低，而中繼線圈的磁場密度會被提高，但仍根據反比分佈，可得出如第十圖所示的磁場密度分佈圖，其中箭頭所標示之處為原始之B_o值。值得注意的是，在第十圖中，中繼線圈外的磁場密度因此大幅降低。也就是說，放置一個完全共振，起具有高Q值的中繼線圈可能會令於中繼線圈週邊兩側的磁場密度變得過低。如果在中繼線圈上增加功率損耗負載，或者選擇使用內阻較大的導線來製作中繼線圈，以降低其Q值，的確可降低中繼線圈吸引磁力線的能力，進而令中繼線圈週邊兩側的磁場密度不至變得過低。但是，由於增加了功率損耗負載或線圈內阻(等效於一功率損耗負載)，該中繼線圈的存在便會於整體影響到有效被接收器接收的磁場能量總和，因此影響系統整體的效能。

本發明所採用的方法是仍然使用一個高Q值的中繼線圈，但調整其共振頻率至發射線圈的頻率附近，但不完全相同於該頻率，稱為失調(off-tune)。

當中繼線圈的共振頻率被調整至與發射線圈的頻率不一致時，中繼線圈的等效內部阻抗(impedance)在該頻率下會降低(並聯共振電路的等效內部阻抗於共振頻率時為無限大)從而出現純容性(pure capacitive)或者純感性(pure inductive)的阻抗部分。該阻抗部分會阻止共振的發生，也等效於降低該中繼線圈的Q值，因此中繼線圈吸引磁力線的能力降低。然而以失調方式降低中繼線圈Q值的辦法與前述之增加功率損耗負載，或者選擇使用內阻較大的導線來製作中繼線圈等手段的結果並不相同。因為失調的方式所以產生的阻抗是純容性或者純感性的阻抗，實際上並非真正的阻性損耗(ohmic loss)，所以並不會整體影響到有效能被接收器接收的磁場能量總和。

調整中繼線圈的共振頻率的原則是令其中心O點(磁場密度最低處)的磁場密度調整至中繼線圈的外部磁場密度最低點的磁場密度相同。實際上當調整中繼線圈的共振頻率時，中心O點(磁場密度最低點)的磁場密度與中繼線圈的週邊兩側的磁場密度會朝相反方向變化，因此中繼線圈只有兩個共振頻率(令其具純容性或者純感性的阻抗)的設定能滿足內外磁場密度相同要求。當調整中繼線圈的共振頻率至合適的點時，磁場密度會如第十一圖示。值得注意的是，加入失調性的中繼線圈後，磁場密度最低點的最低磁場密度比沒有中繼線圈時(第十一圖中箭頭所標示處)還高。

由此可知，雖然使用失調性的中繼線圈並不能增加整體有效能被接收器接收的磁場能量總和，但卻可有效地提高了磁場密度最低點的值，也改善了整體磁場的平均性。根據前述的原則，整體磁場的平均性愈好，線圈所發射的總能量便可愈低，也可是整個系統的效能愈好。

本發明之又一特徵在於該至少一個接收器之每一個接收器都可以選擇性地失調。如眾所知，在一已知的磁場密度中，如果接收器的接收線圈的特徵尺寸較大，或者接收線圈的Q值較高，則理論上可從磁場裏吸收更多磁場能量，並可轉換成更多的電性能量。當然，接收線圈的特徵尺寸及接收線圈的Q值往往會受到接收器設計的一些物理限制，如面積及體積等，而令其無法增加。當接收線圈的特徵尺寸及Q值已經調整到可容許的最佳值，而在工作範圍內仍不能接收及轉換足夠供應其後續電路以保持正常工作的能量時，增加發射能量是習知技藝的唯一手段。

相反地，當一個接收器的接收線圈被設計為被置於在整個工作範圍內的磁場密度最低點，仍然能吸收足夠供應其後續電路保持正常工作的能量時，如果將該接收器被放置到工作範圍內其他磁場密度較高的位置時，接收線圈就會接收到多於需供應其後續電路保持正常工作的能量。一般的無線能量傳輸系統設計上此時會考慮到當後續電路直接吸收過多的能量所帶來的問題及危險性，習知普遍的做法是增加一個能量穩定電路，一般是恒壓、限壓、或者恒流電路。讓該能量穩定電路吸收並以阻性損耗(ohmic loss)的方式損耗來自接收線圈的過多能量。然而，此方式也等效於直接損耗整個發射磁場的能量，從而影響到有效能被其他接收器接收的磁場能量總和。因此這種設計將大大限制了可容許同時在工作範圍裡正常工作的接收器總量，以及每個接收器的工作穩定性。換言之，增加發射能量與降低穩定度會導致整體效能降低。

針對上述習知之限制，本發明採用一能量感測電路(power detection circuit)放置於包含該接收線圈的接收共振電路與一後續電路之間，該能量感測電路並有一回授訊號連接至接收線圈的共振頻率控制元件。如第十二圖所示，接收共振電路1201與其接收線圈的共振頻率控制元件1202係為並聯連接，而能量感測電路1203係位於接收共振電路1201與一後續電路之間。能量感測電路1203更有一回授訊號連接至接收線圈的共振頻率控制元件1202。能量感測電路1203接收來自該後續電路傳來的最低正常工作能量需求值的一訊號，用以產生該回授訊號以控制該接收線圈的共振頻率控制元件1202。當能量感測電路1203感測到來自接收共振電路1201所接收到的，多於需供應該後續電路保持正常工作的能量時，能量感測電路1203產生一個適當的回授訊號至共振頻率控制元件1202，該共振頻率控制元件的作用是令接收共振電路1201偏離其原本的共振頻率，令其適當地失調。其原理與目的與前述的失調性中繼線圈類似。當接收共振電路1201的共振頻率被調整至與發射線圈的頻率不一致時，接收共振電路1201的等效內部阻抗在該頻率下為減少(並聯共振電路的等效內部阻抗於共振時為無限大)從而出現純容性或者純感性的阻抗部分。該阻抗部分阻止共振的發生，也等效於降低該接收共振電路1201的Q值，並且因此令接收共振電路1201從磁場裏吸收能量的能力下降。由於共振頻率控制元件是純容性或純感性的，所以並不帶來真正的阻性損耗，也因此不會整體影響到有效能被其他接收器接收的磁場能量總和。接收共振電路1201從磁場裏吸收能量的能力下降會直接導致其可轉換出的電性能量下降。因此只是適當控制能量感測電路的工作參數，便可在儘量減少影響其他接收器的情況下，令接收器只吸收能供其後續電路能正常工作的最低能量需求。

第十三圖所示為本發明之一應用實施例示意圖。如第十三圖所示，該應用實施例係為一無線能量傳輸的發光國際象棋組，包含一位於底部的棋盤中與複數個棋子；其中，該棋盤設有一發射線圈1301與一具有可調整性的失調中繼線圈1303，而該複數個棋子中之每一個棋子係為一可控失調性的共振接收器1302，該共振接收器1302中更包含有一含有LED之後續電路。

如圖所示，發射線圈1301包括了整個平面棋盤範圍(工作範圍)，棋盤範圍內的中繼線圈1303改善了磁場平均性，也因此減低了必要的發射功率，維持了良好的系統效率。該發射線圈1301的工作範圍至少可容納32只棋子，為標準國際象棋組的棋子數。每只棋子實際皆為一個獨立接受器，並且包含有前述之能量感測電路及共振頻率控制元件，以達到前述之可控失調性，來維持每只棋子的工作獨立性並進一步改善系統效率。每個棋子上皆包含有適當數量的發光二極體(LED)以作顯示顏色和美觀之用。包含發射線圈的發射器上更可包含有一發射功率控制器，可以是手動或者自動感測回授控制，令最終發射功率最低化至僅足以令全部棋子都在棋盤時，全部能達到吸收讓其正常工作的能量。

第十三圖所示僅為本發明之眾多可應用之實施例中一種，除了棋類，本發明之一對多點無線共振能量傳輸系統尚可應用於實現多種平面盤類遊戲(board game)，例如，拼圖、卡片遊戲平台、大富翁等。另外，如前所述，由於本發明之一對多點無線共振能量傳輸系統也可產生一個立體平均磁場，因此本發明亦可應用於實現立體型的遊戲，例如，疊疊樂、樂高、積木，或其他教育型教材。並且，其後續電路除了發光的LED外，更可具有聲音或其他視覺等效果。

經由以上本發明之實施例與現有之習知技術比較，本發明有以下之優點：

1.　提供一具有平均性磁場密度的工作範圍，有效降低所需的總發射能量，並提升系統效能。

2.　多個接收器可獨立運作，在不影響其他接收器的情況下，只吸收能供其後續電路能正常工作的最低能量需求。

3.　其結構簡單，可應用於產生平面及立體的工作範圍的均值磁場密度，容易製造、具市場競爭力。

因此，本發明之一種一對多點之無線共振能量傳輸系統，確能藉所揭露之技藝，達到所預期之目的與功效，符合發明專利之新穎性，進步性與產業利用性之要件。

惟，以上所述者，僅為發明之最佳實施例而已，當不能依此限定本發明實施之範圍。即大凡一本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

101．．．能量源

102．．．發射器電路驅動

103．．．發射共振電路

104．．．接收共振電路

105．．．冗餘能量損耗電路

106．．．後續能量消耗電路

301．．．共振發射線圈

302．．．共振接收線圈

303．．．中心點

904．．．可調整的失調性中繼線圈

1201．．．接收共振電路

1202．．．共振頻率控制元件

1203．．．能量感測電路

1301．．．發射線圈

1302．．．可控失調性的共振接收器

1303．．．具有可調整性的失調中繼線圈

第一圖所示為一傳統的單點發射，單點接收共振能量傳輸的系統方塊示意圖。

第二圖所示為一發射線圈所產生磁場的磁場方向示意圖。

第三圖所示為本發明之一種一對多點的無線共振能量傳輸系統架構示意圖。

第四圖所示為說明兩導線外磁場密度的疊加關係。

第五圖所示為說明兩導線之間磁場密度的疊加關係。

第六圖所示為磁場密度與發射線圈距離之示意圖。

第七圖所示為一圓形發射線圈之示意圖。

第八圖為對應於第七圖圓形發射線圈的磁場密度示意圖。

第九圖所示為本發明之一種一對多點的無線共振能量傳輸系統之另一實施例示意圖。

第十圖所示為於第七圖圓形發射線圈中加入一中繼線圈之後的磁場密度分佈示意圖。

第十一圖所示為於第九圖之中繼線圈失調之後的磁場密度分佈示意圖。

第十二圖所示為利用一能量感測電路使得接收共振電路可控性失調的示意圖。

第十三圖所示為本發明之一應用實施例示意圖。

301．．．共振發射線圈

302．．．共振接收線圈

303．．．中心點

Claims (16)

1. 一種一對多點的無線共振能量傳輸系統，包含一共振發射線圈、以及至少一個共振接收線圈；其中該共振發射線圈係具有一共振頻率，且以一特徵尺寸來表示所涵蓋的面積，該所涵蓋的面積必須大於或等於該至少一個共振接收線圈的面積總合，且該共振發射線圈所涵蓋之面積範圍內的磁場密度具有良好平均性，使得該至少一個共振接收線圈在該共振發射線圈所涵蓋的範圍內的任何位置能均勻的接收該共振發射線圈所傳輸之一所需最低工作能量，得以獨立正常工作並且互不干擾。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，其中該至少一個共振接收線圈中的每一個共振接收線圈更並聯於一共振頻率控制元件，且設置一能量感測電路，連接於該共振接收線圈與一後續電路之間，該能量感測電路可接收來自該後續電路傳來的最低正常工作能量需求值的一訊號，用以產生一回授訊號以控制該共振頻率控制元件，以產生一失調性，使得該共振接收線圈降低接收無線共振能量的能力，僅接收一所需最低工作能量，得以獨立正常工作並且不干擾其他共振接收線圈。
3. 如申請專利範圍第2項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，其中該所需最低工作能量係用以推動該後續電路維持正常工作所需的工作能量。
4. 如申請專利範圍第1項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，更包含至少一個可調整的失調性(off tune)中繼線圈；其中該至少一個可調整的失調中繼線圈係置放於該共振發射線圈所涵蓋的面積範圍內，且該至少一個可調整的失調中繼線圈之一特徵尺寸、一共振頻率及其置放位置係與配合該共振發射線圈之特徵尺寸及共振頻率而調整，以更進一步改善該共振發射線圈所涵蓋之面積範圍內的磁場密度的平均性。
5. 如申請專利範圍第4項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，其中該可調整的失調性中繼線圈的共振頻率係在該共振發射線圈共振頻率附近，略為偏移該共振發射線圈共振頻率，但不與該共振發射線圈共振頻率相同。
6. 如申請專利範圍第4項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，其中該可調整的失調性中繼線圈的中心位置係與該共振發射線圈中心位置重疊，該可調整的失調性中繼線圈的涵蓋面積形狀係與該共振發射線圈涵蓋面積形狀相似，且該中心點至該調整的失調性中繼線圈的距離約為至該共振發射線圈距離的一半。
7. 如申請專利範圍第4項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，其中該可調整的失調性中繼線圈具有高Q值。
8. 如申請專利範圍第1項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，係應用於一無線能量傳輸系統平面盤類遊戲台。
9. 如申請專利範圍第8項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，其中該無線能量傳輸系統平面盤類遊戲台係為一國際象棋組。
10. 如申請專利範圍第8項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，其中該無線能量傳輸系統平面盤類遊戲台係為一拼圖。
11. 如申請專利範圍第8項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，其中該無線能量傳輸系統平面盤類遊戲台係為一卡片遊戲平台。
12. 如申請專利範圍第8項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，其中該無線能量傳輸系統平面盤類遊戲台係為一大富翁遊戲。
13. 如申請專利範圍第1項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，係應用於一無線能量傳輸系統立體盤類遊戲台。
14. 如申請專利範圍第13項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，該無線能量傳輸系統立體盤類遊戲台係為一疊疊樂。
15. 如申請專利範圍第13項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，該無線能量傳輸系統立體盤類遊戲台係為一樂高遊戲組。
16. 如申請專利範圍第13項所述之一對多點的無線共振能量傳輸系統，該無線能量傳輸系統立體盤類遊戲台係為一積木組。