TWI747865B

TWI747865B - 用於電能到移動裝置的移動系統中的非接觸式傳遞的裝置及其操作方法

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Publication number: TWI747865B
Application number: TW105144071A
Authority: TW
Inventors: 馬丁維克斯
Original assignee: 瑞士商史區尼堡控股公司
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2021-12-01
Also published as: TW201801443A; EP3188198A1; US20170194092A1; KR20170080497A; US10910151B2; CN206806146U; EP3188199A1; EP3188199B1

Abstract

本發明涉及一種裝置(1)，該裝置用於電能從移動裝置的第一系統到移動裝置的第二系統的非接觸式的電感式的傳遞，該裝置包含：初級磁芯(10)和次級磁芯(20)的磁路，該初級磁芯被設置到第一系統，並且，初級線圈纏繞在該初級磁芯上；該次級磁芯被設置到第二系統，並且，次級線圈纏繞在該次級磁芯上。該次級磁芯(20)被設置為能夠沿著移動路徑(X)相對於初級磁芯(10)而移動，該移動路徑較佳地平行於移動裝置的移動路徑。其中，該初級磁芯(10)至少沿著移動路徑的整體長度(L)而延伸。根據本發明，初級磁芯(10)包含至少一個初級磁芯隙(30a)，沿著初級磁芯(10)的整體縱向延伸(L10)而形成。本發明進一步涉及一種移動裝置，特別是一種線性移動裝置，其包含上述的能量傳遞裝置(1)。本發明還涉及一種上述能量傳遞裝置(1)的操作方法。

Description

用於電能到移動裝置的移動系統中的非接觸式傳遞的裝置及其操作方法

本發明涉及電能從移動裝置的第一系統(較佳為靜止系統)到移動裝置的第二系統(其能夠相對於該第一系統移動)的非接觸式的電感式的傳遞。本發明進一步涉及(線性)移動系統，其包括上述能量傳遞裝置，並涉及操作該能量傳遞裝置的方法。

原則上，移動裝置(特別是分別為一維或多維或單軸向或多軸向的線性移動裝置)分別(例如所謂的X或XY移動台)由一個或多個單軸向(線性)導引系統組成，該單軸向(線性)導引系統提供物體在一個或多個方向上的有時高精確度的移動和定位。例如，一維或單軸向的移動裝置的非常簡單的變型分別由導引滑軌組成，導引滑動體被導引在該導引滑軌上從而能夠縱向移動。在該導引滑軌形成所謂的移動裝置的靜止系統，而該導引滑動體(其被設置為能夠縱向移動)作為第二系統，該第二系統能夠相對於該第一系統移動。需要被提供電能的各種裝置(例如測量系統、驅動裝置、控制和校準裝置等)能夠設置在該導引滑動體上，即設置在該可移動的第二系統中。傳統地，有線能量傳遞裝置(在例如柔性線織機將在靜止的第一系統中的能量源與在可移動的第二系統中的能量消耗連接到一起的情況下)用於此目的。線織機的柔性設計使其可以跟隨可移動的第二系統的相對移動。但是，這樣的線織機經常暴露缺點，因為其能夠從靜止系統傳遞機械干擾(例如振動)至第二系統中，而該第二系統需要精確定位，例如在需要高度精確定位的應用的情況下，例如在半導體技術領域。

為了避免這樣的問題，現有技術提供了多種無線或所謂非接觸式的能量傳遞裝置，在這種情況下，電能有時根據換能器的原理通過電感傳遞。例如，這樣的裝置在日本公開JP 6 204 043 A中被知曉，其描述了用於非接觸式能量傳遞的線性移動系統。該系統由初級磁芯和次級磁芯組成，其在各情況下以E形呈現並且其被設置為互相面對，其中該第二磁芯能夠沿著初級磁芯的縱向軸，相對於初級磁芯而移動。初級或次級繞組各自搭載到兩個E磁芯，在所有情況下到其中心網，其目的是能量傳遞。為了避免初級線圈中的自感的增加，初級磁芯被週期性地沿著其縱向軸被分割，在該填充分割區中磁性並絕緣的材料被引入導磁磁芯區域。為了達到期望的自感減少，第二磁芯的長度被強制匹配於移動路徑的縱向方向上的填充分割區和導磁磁芯區域的長度總和的整體倍數。

通過初級磁芯的分割設計，在從JP 6 204 043 A知曉的方案的情況下，作為整體的該裝置在可傳遞能量的方面受到限制。另外，第二磁芯沿著移動方向的所需最小長度增加了第二系統所移動的總品質，其反過來會在移動系統的動態方面產生不利效果。

車輛部件(其可以線性地互相移動)之間的信號的非接觸式傳遞在公開D 195 45 220 A1中被知曉。換能器(transformer)具有鍋磁芯滑軌(pot core rails)，其被導引從而能夠進入彼此，在各情況下包含E形輪廓。在各情況下，換能器的初級繞組和次級繞組纏繞在E形滑軌的中橫樑上。在兩個能夠相對於彼此移動的E輪廓滑軌之間形成有氣隙，電感式能量傳遞通過該氣隙而進行。在該已知設置的情況下，由於鍋磁芯設置有多個凹槽，該凹槽在鍋磁芯的縱向方向上一個接一個排列並且被定位成垂直於鍋磁芯(pot core)的縱向方向，從而抵消了渦電流的產生。

在從DE 195 45 220 A1知曉的方案的情況下，氣隙是相當大的；磁場通過該氣隙被減弱。所以，必須選擇相對更大的磁體用於能量傳遞，從而增加了設備的尺寸和重量。

因此，本發明的目的是提供一種用於移動裝置的非接觸式電感式能量傳遞的裝置，相比於現有技術的裝置，其具有顯著提高的能量傳遞效率，並且其較佳地也提高了移動裝置的動態特性。

該目的通過根據請求項1的能量傳遞裝置、根據請求項14的移動裝置以及根據請求項15的方法來實現。本發明的有利實施例構成了其它附屬請求項。

根據本發明的用於電能的非接觸式電感式傳遞的裝置具有磁路，其一方面包含初級磁芯，該初級磁芯被設置到移動裝置的第一(較佳靜止)系統，並且，其另一方面包含次級磁芯，該次級磁芯被設置到第二系統(其能夠相對於該第一系統移動)，其中，初級線圈或次級線圈分別纏繞在該初級磁芯上或該次級磁芯上。該次級磁芯與該次級線圈一起被設置為能夠沿著移動路徑相對於與該初級線圈一起的初級磁芯而移動，該移動路徑較佳地平行於移動裝置的移動路徑，其中，該初級磁芯至少沿著次級磁芯的該移動路徑的總長度而延伸。

本發明的特徵在於，該初級磁芯包含至少一個初級磁芯空隙，其沿著該初級磁芯的整個縱向延伸而形成。

與從現有技術中所知曉的方案相反，分別通過至少一個初級磁芯隙(在初級磁芯中或在初級磁芯的梁中的氣隙)的方式能夠最小化渦電流損失。這使得該裝置可以也相對地適於用於線性系統或(線性)移動裝置的能量傳遞。盡管即將有開放式的實施例，但是該裝置在電磁相容性方面相對地僅僅產生微小的效果或不產生不利的效果。該裝置具有能量密度，其比得上靜態方案──從而比得上非移動式設計。非常強的能量可以進一步通過磁芯(初級磁芯和/或次級磁芯)來傳遞，該磁芯具有在幾厘米範圍內的尺寸，以及例如在幾千瓦範圍內的功率。

根據一個有利實施例，次級磁芯包含至少一個次級磁芯隙，其沿著次級磁芯的整個縱向延伸而形成。在以這樣的方式發展的裝置中，初級磁芯隙和次級磁芯隙的有利效果相對於在初級磁芯中和在次級磁芯中的渦電流損失而互補。

根據一個進一步的有利實施例，至少一個初級磁芯隙和/或至少一個次級磁芯隙各自沿著初級磁芯或次級磁芯的整個縱向延伸的長度為小於或等於0.2mm，較佳小於或等於0.1mm。

該初級線圈和/或次級線圈能夠進一步被設計為，其能夠通過最高為50A的交流電流而工作。初級線圈和/或次級線圈還能夠進一步被設計為，其能夠通過100kHz至500kHz，特別是200kHz至400kHz的交流電流/交流電壓頻率而工作。

在工作頻率為100kHz至500kHz之間的情況下，該初級磁芯隙和/或次級磁芯隙能夠在有利的模式下實施，盡管磁通密度有所減少。例如，該設計的磁通密度處於0.05T的範圍內。

根據一個進一步的有利實施例，該初級磁芯專門含有導磁的材料或專門導磁的材料；這與現有技術是不同的，在現有技術中，初級磁芯通過由非導磁的材料制成的填充部件而被分割和打斷。

根據本發明可以意識到，在從現有技術中所知曉的裝置的情況下，次級磁芯容量的很大一部分實際上保持不被使用，為了初級側與次級側之間的磁性電流，根據沿著移動方向的非磁性填充分割區的尺寸。初級側與次級側之間的磁耦合以及能量傳遞容量作為整體以不利的方式因此而下降。

進一步意識到，初級磁芯中的自感的最小化(在現有技術中被認為是重要的)能夠被放棄，從而有利於初級側與次級磁芯之間更大的磁耦合，從而能夠以電磁感應的方式傳遞明顯更大的電功率。由於接下來的根據本發明的初級磁芯專門分別包含導磁的材料或專門導磁的材料，因為非磁性填充材料被完全放棄，初級側與次級側之間的磁路的磁通量所穿透的橫截表面以及磁耦合和可傳遞的功率相比於現有技術都為至少兩倍。

因此，沒有必要使初級磁芯分別由同質或集成的導磁主體組成，但是其還能夠由多個(特別是2、3、4、5、6、7、8、9、10個)分割區組成，在各種情況下，例如，分割區由一種或多種導磁的材料制成，例如，各分割區以初級磁芯的縱向延伸的方向被連線，並且被設計為互相直接接觸。例如，初級磁芯可以包含多個鐵氧體分割區，例如，鐵氧體分割區的長度為20mm。

不必多說，當次級磁芯專門地包含導磁的材料或專門導磁的材料時，也是有利的。另外，次級磁芯能夠也分別由同質或集成的導磁主體組成，或者能夠由多個分割區組成。在此方面，上述的初級磁芯的較佳的實施例能夠類似地也用於次級磁芯的情況。

根據本發明的一個進一步的有利的實施例，次級磁芯在移動路徑方向上的縱向延伸能夠相對於現有技術有所減少，同時卻又能夠從第一系統傳遞至少相同的電功率到第二系統。由此，第二系統的移動質量以有利的方式有所減少，其作為整體，提升了移動裝置的動態特性。因此，次級磁芯在移動路徑方向上的縱向延伸能夠小於或等於80mm，特別地，能夠小於或等於40mm，較佳地，能夠小於或等於20mm。

但是，根據本發明，次級磁芯在移動路徑方向上的縱向延伸總是比對應的初級磁芯的縱向延伸要小，該初級磁芯如上所述至少沿著該次級磁芯的移動路徑的整體長度而延伸。

根據本發明的一個進一步的有利實施例，該初級磁芯能夠至少沿著一長度而延伸，該長度為該次級磁芯的移動路徑加上至少該次級磁芯沿著該次級磁芯的移動路徑方向的縱向延伸的整體長度。因此，確保了相同的磁耦合並因此沿著次級磁芯的移動路徑的整體長度達到了相同的能量傳遞效率。有利地，初級磁芯至少很長並且相對於次級磁芯的移動路徑而被設計為，在各種情況下，初級磁芯以次級磁芯在次級磁芯的移動路徑的兩端的縱向延伸的尺寸的至少一半而突出，較佳以次級磁芯在次級磁芯的移動路徑的兩端的縱向延伸的尺寸的全部而突出。

為了實現次級磁芯沿著移動路徑相對於初級磁芯的可移動性，初級磁芯和次級磁芯被設計為位於互相相對的位置從而通過氣隙互相被分隔開。因此，以有利的方式，氣隙特別地沿著移動路徑的整體長度較佳為小於或等於1mm，小於或等於0.5mm，小於或等於0.2mm，小於或等於0.15mm或特別佳地為小於或等於0.1mm。特別地，當氣隙沿著移動路徑的整體長度保持恆定時，是有利的。

為了能夠使氣隙沿著移動路徑的整體長度時刻保持高精度的恆定，根據本發明的一個進一步的有利實施例，能量傳遞裝置具有導引裝置，其用於沿著移動路徑相對於初級磁芯導引次級磁芯。例如，因此次級磁芯能夠被直接設置在移動裝置的可移動的第二系統上，並且能夠分別被該第二系統或移動裝置的導引系統所運載。另外，但是，次級磁芯也可能具有單獨的導引裝置，例如線性導引，通過該導引裝置，所述次級磁芯沿著移動路徑相對於初級磁芯而被導引，從而能夠被移動。

根據本發明的一個進一步的有利實施例，初級磁芯和次級磁芯形成為E型磁芯，其被設計為位於互相相對的位置，其包含E形的橫截面，該橫截面以正確的角度穿過次級磁芯的移動路徑。較佳地，初級線圈或次級線圈分別纏繞E型磁芯的各自的中橫樑。不必多說，但是，初級磁芯或次級磁芯的其它橫截面輪廓各自可能為例如所謂的U型磁芯、C型磁芯、ER型磁芯或EFD型磁芯等。

磁耦合以及能量或功率傳遞效率各自也能提高，當初級或次級磁芯的E型磁芯的中橫樑的尺寸沿著E型磁芯的基底為E型磁芯的兩側的橫樑的對應尺寸的至少1.5倍，較佳為至少2倍大。因為通過此，磁通量所穿透的橫截面有所提升，因此反過來通過此，初級側與次級側之間的磁耦合有所上升。

特別較佳地，初級磁芯和/或次級磁芯包含鐵磁材料(ferromagnetic material)，特別地是鐵，或亞鐵磁材料，特別是鐵氧體，例如N87。

初級線圈和/或次級線圈能夠被設計為，其具有至少5個繞組，特別地為至少7個繞組，較佳為10個繞組。特別地，銅線可以用於繞組，例如具有2mm橫截面的銅線。

因此，本發明的一個進一步的方面提供了根據本發明的能量傳遞裝置的操作方法，其中，初級線圈通過最高為50A的渦電流而工作。進一步地，在本方法中，初級線圈通過100kHz至500kHz，特別是200kHz至500kHz的交流電流/交流電壓頻率而工作。特別地在該高頻率(例如以幾kHz開始)的情況下，初級磁芯和次級磁芯有利地由鐵氧體組成。

本發明的一個進一步的方面涉及移動裝置，特別地，涉及線性移動裝置，其包含至少一個根據本發明的裝置，該裝置用於電能從移動裝置的靜止的第一系統到第二系統中的非接觸式的電感式的傳遞，該第二系統能夠通過此裝置移動。

例如，移動裝置可以是一維或多維或單軸向或多軸向的、偶爾線性導引的移動裝置，例如XY移動台或XYZ移動台。在多維或多軸向移動裝置的各自情況下，較佳提供用於每個軸的根據本發明的能量傳遞裝置，從而將軸級之間的電能(例如從靜止實驗室系統)傳遞到軸級，軸級互相相對移動。為了向位於最上端Y軸級上的用電設備提供電能，例如在XY十字台的情況下，根據本發明的第一能量傳遞裝置將X軸系統之間的電能傳遞到X軸移動系統，該X軸系統相對於實驗室系統是靜止的。X軸移動系統反過來對應於靜止的Y軸系統，通過根據本發明的第二能量傳遞裝置可以將電能傳遞到Y軸移動系統。從而，可以在X軸移動系統中或靜止的Y軸系統中進行能量傳遞，該能量通過電感器從第一能量傳遞裝置的次級側/次級線圈傳遞到第二能量傳遞裝置的初級側/初級線圈，例如以電纜的方式。

1‧‧‧能量傳遞裝置

10‧‧‧初級磁芯

20‧‧‧次級磁芯

30‧‧‧氣隙

11、13、21、23‧‧‧側橫樑

12、22‧‧‧中橫樑

12a、22a‧‧‧第一中橫樑部件

12b、22b‧‧‧第二中橫樑部件

14、24‧‧‧基底

30a‧‧‧初級磁芯隙

30b‧‧‧次級磁芯隙

100‧‧‧初級線圈

200‧‧‧次級線圈

L‧‧‧長度

X‧‧‧移動路徑

L10、L20‧‧‧縱向延伸

B11、B12、B13、B21、B22、B23‧‧‧延伸(寬度)

本發明的進一步的細節以及具體的示例性的裝置的實施例將在下文中通過所附附圖來說明。

圖1是根據本發明的能量傳遞裝置的實施性實施例的立體概略視圖。

圖2是根據圖1的能量傳遞裝置的橫截面圖。

圖1和圖2示出了根據本發明的能量傳遞裝置1的可能的示例性實施例，該能量傳遞裝置1通過電感以免接觸或無線的方式從移動裝置(未在此示出)的第一(較佳靜止)系統傳遞到移動裝置的第二系統中，該第二系統由此而移動。接下來的示例性實施例展示了線性導引的能量傳遞裝置1，其具體地將電能從靜止系統傳遞到線性導引裝置的移動系統中。

如圖1和圖2所示，能量傳遞裝置1由靜止部和移動部組成，它們被稱為：初級磁芯10，其相對於線性導引裝置的第一系統是靜止的；以及次級磁芯20，其能夠移動並且被設置到線性導引裝置的第二系統。具體地，接下來的示例性實施例中的次級磁芯20能夠沿著移動路徑X平行於線性導引裝置的第二系統而移動。特別地，其能夠被直接設置在線性導引裝置的第二系統上，例如移動台(未在此示出)，從而其沿著移動軸被線性導引裝置的移動台所運載。

但是，次級磁芯20可能能夠通過獨立的導引裝置(未在此示出)的方式相對於初級磁芯10沿著其縱向軸移動。出於此目的，特別地，次級磁芯的獨立導引裝置能夠具有自己的驅動裝置。次級磁芯20還可以能夠相對於初級磁芯10而移動，並不是必須平行於線性導引裝置的移動路徑。原則上，因此，次級磁芯20的移動路徑能夠相對於方向和/或位置分別脫離自移動裝置或線性導引裝置的移動路徑。但是，次級磁芯20的移動路徑X經常實質上對應於初級磁芯10的縱向軸的方向。但是，次級磁芯20的移動路徑X較佳地各自平行於移動裝置或線性導引裝置的移動路徑而前進。

初級線圈100(未在圖1中示出)纏繞在初級磁芯10上，並且次級線圈200纏繞在次級磁芯20上。初級線圈100以及次級線圈200通過纏繞在初級磁芯10或次級磁芯20上從而被牢固地連接到各自的磁芯。也就是說，初級線圈100或次級線圈200各自不相對於各自的磁芯而移動。

如圖1和圖2進一步所示的，接下來的示例性實施例中的初級磁芯10和次級磁芯20在各種情況下採用所謂的E型磁芯，其具有次級磁芯20的移動路徑X的正確角度的E形橫截面。在各種情況下，初級磁芯10和次級磁芯20的E形輪廓各自具有基底14、24，中橫樑12、22，以及側橫樑11、13；21、23。如圖1和圖2所示，在各種情況下，初級磁芯10和次級磁芯20被設置為通過E輪廓的開放側而互相面對(也就是說，兩個E型磁芯的基底14、24互相背對)，從而初級磁芯10和次級磁芯20各自對應的側橫樑11、21或13、21以及中橫樑12、22位於互相相對的位置從而互相契合。

如圖2所示，在各種情況下，初級線圈100和次級線圈200各自纏繞初級磁芯10或次級磁芯20的中橫樑12、22，從而兩個線圈的繞組在各種情況下進入側橫樑11、13；21、23和中橫樑12、22之間的凹陷，並且在各種情況下分別「折返」在初級磁芯10或次級磁芯20的端部上的面對側上(進入中橫樑的相反側各自的其它縱向凹陷中)。

初級線圈100和次級線圈200的繞組較佳地由銅線組成，例如直徑為接近2mm的銅線。初級線圈100和次級線圈200較佳地被設計為它們能夠通過最高為50A的電流而工作。初級線圈100和/或次級線圈200較佳地具有至少5個繞組，特別地為至少7個繞組，較佳地為10個繞組，從而能夠產生顯著強的磁場。

為了能夠分別沿著移動裝置或線性導引裝置的整個移動路徑將能量傳遞到移動的第二系統，初級磁芯10至少沿著次級磁芯20的移動路徑X的整個長度L而延伸。但是初級磁芯較佳地至少沿著一長度而延伸，該長度為該移動路徑X的長度L加上次級磁芯20在移動路徑X方向上的縱向延伸L20。如圖1所示，初級磁芯10之縱向延伸因此總是較長的，其通常顯著地比次級磁芯20之縱向延伸L20更長。因此，初級線圈100也顯著地比次級線圈200長，或者相對地被加長，因為初級線圈100的繞組沿著初級磁芯10的整個長度延伸。

為了使能量傳遞裝置1的移動品質儘量小，次級磁芯20在移動路徑X方向上的縱向延伸L20小於或等於80mm，特別地，小於或等於40mm，特別佳地，小於或等於20mm。為了比較，在接下來的示例性實施例中，初級磁芯10或次級磁芯20的寬度(即，兩個磁芯以相對於移動路徑X的正確的角度/垂直於移動路徑X的延伸)各自為接近65m。

例如，初級磁芯10能夠專門地包含導磁的材料或專門導磁的材料；與現有技術不同，在現有技術中，初級磁芯通過由非磁性填充分割區而被打斷成區域。次級磁芯20能夠分別專門地由導磁的材料或專門導磁的材料組成。進一步地，初級磁芯10和/或次級磁芯20能夠整體地形成或者由多個分割區組成，該分割區直接互相接觸。

特別佳地，初級磁芯10和/或次級磁芯20包含鐵磁材料，特別地為鐵，或者亞鐵磁材料，特別地為鐵氧體，例如N87。

為了增加能量傳遞裝置1的初級側與次級側之間(即，初級磁芯10與次級磁芯20之間)的磁耦合，在接下來的根據示例性實施例的能量傳遞裝置1的情況下，E形初級磁芯10或次級磁芯20各自沿著E型磁芯的各自基底14、24的延伸(寬度)B12、B22為各自E型磁芯的兩側橫樑11、13；21、23的對應延伸(寬度)B11、B13；B21、B23的至少兩倍大。

由於次級磁芯20相對於初級磁芯10的可移動性，有必要提供兩個磁芯10、20之間的氣隙30。為了仍然使磁耦合保持顯著的大，在根據接下來的示例性實施例的能量傳遞裝置1的情況下，氣隙30沿著移動路徑X的整個長度L較佳為小於0.5mm，特別佳地為接近於0.1mm。為了持續保持此氣隙，次級磁芯20較佳地沿著移動路徑X被儘量穩固地導引。不必多說，初級磁芯10和次級磁芯20的相反側以相應平坦的方式形成，從而能夠持續使氣隙30沿著整體移動路徑X保持上述大小。

除了在能夠互相移動的部件初級磁芯10與次級磁芯20之間的氣隙30以外，根據示例性實施例，初級磁芯10具有初級磁芯隙30a。在示例性實施例中，次級磁芯20也具有次級磁芯隙30b。

根據示例性實施例，初級磁芯隙30a或次級磁芯隙30b在各種情況下各自形成在中橫樑12、22中。例如，初級磁芯10的中橫樑12被細分為第一中橫樑部件12a和第二中橫樑部件12b。兩個部件12a、12b通過合適的支撐材料的方式互相連接；初級磁芯隙30a也能夠不是進入初級磁芯10的各自橫樑12的整個橫截面，而是作為各自橫樑12的裂縫，該裂縫順著初級磁芯10的縱向延伸L10的方向，並且沿著整體的縱向延伸L10而形成。相同的情況也分別應用於次級磁芯隙30b或應用於次級磁芯20的中橫樑22的第一和第二中橫樑部件22a、22b。

整體的能量傳遞裝置1，特別是初級線圈100和/或次級線圈200，進一步地能夠通過100kHz至500kHz，特別是200kHz至450kHz的交流電流/交流電壓頻率而工作。

除了可移動部件之間氣隙30，根據示例性實施例，初級磁芯10或次級磁芯20各自的至少一個橫樑中的進一步的氣隙30a、30b具有小於0.2mm或小於0.1mm的小隙寬度。在各種情況下，初級磁芯隙30a或次級磁芯隙30b各自沿著整體的各自縱向延伸L10、L20形成。即使這個傳遞系統為開放式結構並且通過大於或等於100kHz的頻率而工作，相對於電磁相容性僅僅產生微小的干擾或不產生干擾。該裝置具有比得上靜態系統的能量密度並且傳遞例如千瓦範圍內的功率。