合并來自諧振磁電力系統(tǒng)中的多個(gè)諧振磁接收器的電力的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開涉及合并來自諧振磁電力系統(tǒng)中的多個(gè)諧振磁接收器的電力。描述了無線供電的本地計(jì)算環(huán)境的各種實(shí)施例。描述了用于在計(jì)算環(huán)境中利用無線近場磁諧振（NFMR）電力發(fā)送的系統(tǒng)與方法。小型無線電力單元可以用于代替以往的電池。
【專利說明】合并來自諧振磁電力系統(tǒng)中的多個(gè)諧振磁接收器的電力
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]所述實(shí)施例總體上涉及在便攜式計(jì)算環(huán)境中利用無線電力傳輸。
【背景技術(shù)】
[0002]能量或電力可以利用多種已知的輻射，或者說遠(yuǎn)場，和非輻射，或者說近場，技術(shù)無線地傳送。例如，利用低方向性天線，諸如用在無線電與蜂窩通信系統(tǒng)和家用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的那些天線，的輻射無線信息傳送可以被認(rèn)為是無線能量傳送。但是，這種類型的輻射傳送是非常低效的，因?yàn)樗峁┗蜉椛涞碾娏χ兄挥泻苄∫徊糠?，即，在接收器的方向中并且與接收器疊加的那部分，被獲取。絕大部分電力都在所有其它方向輻射開了并且丟失在自由空間中。這種低效的電力傳送對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸是可以接受的，但是對(duì)于為了工作，諸如為了給電子設(shè)備供電或充電，而傳送有用數(shù)量的電能量是不切實(shí)用的。
[0003]提高一些輻射能量傳送方案的傳送效率的一種途徑是使用定向天線來局限輻射能量并且優(yōu)先將其朝向接收器指弓I。但是，在移動(dòng)發(fā)送器和/或接收器的情況下，這些定向輻射方案可能需要不間斷的視線及有可能復(fù)雜的跟蹤與操縱機(jī)制。此外，當(dāng)正在發(fā)送中等數(shù)量到大量的電力時(shí)，這種方案會(huì)對(duì)橫跨射束或與射束交叉的物體或人帶來危險(xiǎn)。一種已知的非輻射，或者說近場，無線能量傳送方案，不(有意地)輻射電力，而是使用通過主線圈的振蕩電流，來生成在附近的接收或次線圈中感應(yīng)出電流的振蕩磁近場，這種方案常被稱為感應(yīng)或傳統(tǒng)感應(yīng)。傳統(tǒng)感應(yīng)方案已經(jīng)論證了中等數(shù)量到大量電力的發(fā)送，但是只在非常短的距離上，而且在主電源單元和次接收器單元之間具有非常小的偏差容限。變電器和接近充電器(proximity charger)是利用這種已知的短距離、近場能量傳送方案的設(shè)備的例子。
[0004]眾所周知，可用的電力可以從電源無線傳送到位于被稱為近場的距離內(nèi)的接收器。近場意味著在比傳送中所涉及的兩個(gè)目標(biāo)大幾倍的距離內(nèi)(對(duì)于大部分應(yīng)用是大約一米左右)，相對(duì)大量的電力(至少是大約幾瓦)可以在無線源設(shè)備與接收器之間以可以接受的效率被傳送。以這種方式，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)適合于有限應(yīng)用的距離無線傳送可用電量的切實(shí)可行的辦法。一般來說，每個(gè)電池供電的設(shè)備，諸如無線電子設(shè)備，都需要自己的充電器和電源，這通常是交流電流(AC)電源插座。當(dāng)許多設(shè)備需要充電時(shí)，這種有線配置變得很笨拙。
[0005]所需要的是在無線供電的本地計(jì)算環(huán)境中在外圍設(shè)備之間進(jìn)行高效且用戶友好的交互的方法、系統(tǒng)與裝置。
[0006]以下來自2007 年 4 月 27 日可以在線獲得的 Annals of Physics323 (2008) 34-48、由 Aristeidis Karalis 等人所著的 “Efficient Wireless non-radiative mid-rangeenergy transfer，，。
[0007]1.介紹
[0008]在電磁學(xué)早期,在開發(fā)出電線網(wǎng)格(electrical-wire grid)之前,朝著無需任何載體介質(zhì)(例如，無線地)經(jīng)長距離運(yùn)輸能量的方案開發(fā)(最顯著的是由Nikola Tesla[l])投入了極大的興趣與努力。這些努力看起來已經(jīng)有了一些成功。全方位天線(非常適于信息傳送)的輻射模式不適合這種能量傳送，因?yàn)榇罅康哪芰慷祭速M(fèi)到自由空間中去了。利用激光或高度定向天線的定向輻射模式可以有效地用于能量傳送，即使對(duì)于長距離也可以(傳送距離LTEANS》LDEV，其中Ldev是設(shè)備的特征尺寸)，但是在移動(dòng)目標(biāo)的情況下需要存在不可間斷的視線和復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)。近年來自治電子產(chǎn)品(例如，膝上型電腦、手機(jī)、家用機(jī)器人，這些一般全都依賴化學(xué)能量存儲(chǔ))的快速發(fā)展證明重拾對(duì)這個(gè)問題的調(diào)研是正確的。如今，我們面對(duì)與Tesla不同的挑戰(zhàn):由于現(xiàn)有的電線網(wǎng)格幾乎在每個(gè)地方都攜帶能量，甚至中等距離的(Lteans~幾*LDEV)無線能量傳送對(duì)于許多應(yīng)用也將是相當(dāng)有用的。存在幾種目前使用的方案，這些方案依賴于非輻射模式(磁感應(yīng))，但是它們受限于非常近距離(LtkansKLdev)或者非常低電力(~mW)的能量傳送[2-6]。[0009]與所有以上方案相反，我們調(diào)查了使用壽命長的振蕩諧振電磁模式，其具有局部化的慢漸逝場方向圖，對(duì)于有效無線非輻射中等距離能量傳送的可行性。所提出的方法是基于眾所周知的諧振耦合原理(兩個(gè)相同頻率的諧振對(duì)象趨于耦合而與另一個(gè)不諧振環(huán)境對(duì)象弱交互的事實(shí))而且，特別地，諧振漸逝耦合(其中耦合機(jī)制是通過兩個(gè)對(duì)象的非輻射近場疊加來中轉(zhuǎn)(mediate)的)。這種眾所周知的物理現(xiàn)象很平常地導(dǎo)致能量可以在極端近場中對(duì)象之間有效耦合的結(jié)果(例如，在光學(xué)波導(dǎo)或空腔耦合器中或者在諧振感應(yīng)變電器中)。但是，這種物理現(xiàn)象如何在中等范圍的距離上執(zhí)行還遠(yuǎn)不明晰，而且就我們所知，文獻(xiàn)中還沒有證明對(duì)于比傳送中所涉及的兩個(gè)對(duì)象的最大維度大幾倍的距離進(jìn)行有效能量傳送的著作。在所給出的論文中，我們的具體理論與數(shù)值分析顯示這種有效的中等范圍無線能量交換實(shí)際上是可以實(shí)現(xiàn)的，能量只遭受適度傳送與耗散到其它不諧振的對(duì)象中，與所有固有損失率相比，假定交換系統(tǒng)仔細(xì)地設(shè)計(jì)成運(yùn)行在“強(qiáng)耦合”的體制(regime)下?！皬?qiáng)耦合”的物理性質(zhì)也是已知的，但是是在非常不同的領(lǐng)域中，例如光-物質(zhì)交互的那些領(lǐng)域中[7]。在這個(gè)有利的運(yùn)行體制下，我們量化地解決以下問題:這種方案直到什么距離是有效的而且它對(duì)外部擾動(dòng)多敏感？近場的全向但固定(非有損)本質(zhì)使這種機(jī)制適于移動(dòng)無線接收器。因此，會(huì)有大量可能的應(yīng)用，包括例如把(連接到有線電網(wǎng)的)電源放到廠房的天花板上，同時(shí)設(shè)備(機(jī)器人、車輛、計(jì)算機(jī)等)在房間內(nèi)自由地漫游。其它可能的應(yīng)用包括電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)客車、RFID，可能還有納米機(jī)器人。
[0010]2.耦合范圍與耦合率
[0011]所提出的無線能量傳送方案的范圍與比率是檢查的第一個(gè)主題，而無需為了在工作中使用而考慮能量從系統(tǒng)的排放。用于建模這種諧振能量交換的一種適當(dāng)?shù)姆治隹蚣苁潜娝苤鸟詈夏Ｊ嚼碚?CMT) [8]。在這個(gè)圖中，兩個(gè)諧振對(duì)象I和2的系統(tǒng)的場近似地是F (r, t) ^ B1 (t) F1 (r) +a2 (t) F2 (r)，其中F1:2 (r)是I和2單獨(dú)的本征模式，而且隨后場幅it B1 (t)和a2(t)可以對(duì)最低階示為[8]滿足:
【權(quán)利要求】
1.一種布置成向設(shè)備至少提供從磁場無線接收的最小電量的無線電力單元，其中所述磁場是由具有諧振頻率ωτ的近場磁諧振(NFMR)發(fā)送器單元提供的，輸送到所述設(shè)備的最小電量獨(dú)立于便攜式電力單元相對(duì)于所述磁場的空間朝向，所述無線電力單元包括: 第一諧振器結(jié)構(gòu)，所述第一諧振器結(jié)構(gòu)具有諧振頻率W1和特征尺寸L1 ； 第二諧振器結(jié)構(gòu)，所述第二諧振器結(jié)構(gòu)具有諧振頻率ω2和特征尺寸L2，其中所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)磁去耦合，使得所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)之間的有效磁耦合系數(shù)K eff大約為零；及 電力合并電路，耦合到磁去耦合的所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)，所述電力合并電路布置成: 負(fù)載匹配所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)與所述設(shè)備， 負(fù)載平衡來自所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)的電力，及 將所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)之間的有效磁耦合系數(shù)維持在大約為零，而不考慮所述無線電力單元相對(duì)于所述NFMR磁場的空間朝向，使得所述設(shè)備從所述無線電力單元無線接收至少最小電量，而不考慮至少兩個(gè)NFMR電力接收器相對(duì)于所述NFMR磁場的朝向。
2.如權(quán)利要求1所述的無線電力單元，其中所述第一諧振器結(jié)構(gòu)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)在所述無線電力單元中相對(duì)于彼此的位置是固定的，使得所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)之間的有效磁耦合系數(shù)K @大約為零，而不考慮所述便攜式電力單元相對(duì)于由所述無線發(fā)送器單元提供的磁場的空間朝向。
3.如權(quán)利要求1所述的無線電力單元，其中，當(dāng)所述第一諧振器結(jié)構(gòu)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)相對(duì)于所述NFMR發(fā)送器單元處于調(diào)諧狀態(tài)時(shí)，無線發(fā)送器單元與所述第一諧振器結(jié)構(gòu)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)之間的非輻射電力傳送通過所述第一諧振器結(jié)構(gòu)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)之間的磁諧振耦合來中轉(zhuǎn)。
4.如權(quán)利要求3所述的無線電力單元，其中，當(dāng)?shù)谝恢C振頻率Q1和無線發(fā)送器諧振頻率《“皮不超過3db的帶寬隔開時(shí)，所述第一諧振器結(jié)構(gòu)處于調(diào)諧狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求4所述的無線電力單元，其中，當(dāng)?shù)诙C振頻率ω2和無線發(fā)送器諧振頻率《“皮不超過3db的帶寬隔開時(shí)，所述第二諧振器結(jié)構(gòu)處于調(diào)諧狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的無線電力單元，其中所述第一諧振器結(jié)構(gòu)包括: 第一諧振線圈，所述第一諧振線圈包括: 第一中央芯區(qū)；及 第一多個(gè)沿圓周環(huán)繞圓柱形中央芯區(qū)的連續(xù)導(dǎo)電材料的回路。
7.如權(quán)利要求6所述的無線電力單元，其中所述第二諧振器結(jié)構(gòu)包括: 第二諧振線圈，所述第二諧振線圈包括: 第二中央芯區(qū)；及 第二多個(gè)沿圓周環(huán)繞圓柱形中央芯區(qū)的連續(xù)導(dǎo)電材料的回路，其中所述第一諧振線圈中所感應(yīng)的第一 EMF沒有感應(yīng)出所述第二諧振線圈中的全部EMF。
8.如權(quán)利要求6所述的無線電力單元，其中所述第一諧振線圈的長度與所述特征尺寸L1相應(yīng)。
9.如權(quán)利 要求6所述的無線電力單元，其中所述第二諧振線圈的長度與所述特征尺寸L2相應(yīng)。
10.如權(quán)利要求9所述的無線電力單元，其中所述第一諧振線圈的縱軸與所述第二諧振線圈的縱軸垂直。
11.如權(quán)利要求10所述的無線電力單元，其中在第一種布置中，所述第一諧振線圈的第一末端靠近所述第二諧振線圈的縱軸的中點(diǎn)并且與其共面。
12.如權(quán)利要求1所述的無線電力單元，其中所述電力合并單元包括: 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，連接到所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)布置成匹配接收器阻抗與負(fù)載阻抗； 整流電路，布置成從所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)接收AC信號(hào)并且把所述AC信號(hào)轉(zhuǎn)換成DC信號(hào)；及 OR電路，布置成在所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)與所述設(shè)備之間提供負(fù)載平衡功能。
13.如權(quán)利要求12所述的無線電力單元，其中所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)每個(gè)都被建模為具有電感值L1的電感器和串聯(lián)電阻器Rs。
14.如權(quán)利要求13所述的無線電力單元，其中所述阻抗匹配電路包括: 電容網(wǎng)絡(luò),包括: 第一電容器，具有第一電容值Cl '及 與第一電容器并聯(lián)的第二電容器，具有第二電容值C2，其中，當(dāng)所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)利用NFMR發(fā)送器調(diào)諧時(shí)，接收器電感器與所述電容網(wǎng)絡(luò)諧振以匹配所述設(shè)備的負(fù)載電阻與所述接收器的負(fù)載電阻。
15.如權(quán)利要求14所述的無線電力單元，其中所述整流電路包括進(jìn)一步包括多個(gè)二極管的全橋整流器電路。
16.如權(quán)利要求15所述的無線電力單元，其中所述OR電路包括至少一個(gè)二極管。
17.如權(quán)利要求16所述的無線電力單元，其中所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)的第一個(gè)和第二個(gè)通過所述OR電路彼此電連接。
18.如權(quán)利要求17所述的無線電力單元，其中所述OR電路包括: 存儲(chǔ)元件；及 負(fù)載平衡切換電路，具有連接到所述存儲(chǔ)元件的第一節(jié)點(diǎn)和連接到所述設(shè)備的第二節(jié)點(diǎn)，其中所述存儲(chǔ)元件的第一節(jié)點(diǎn)連接到所述整流電路的輸出節(jié)點(diǎn)，而且所述負(fù)載平衡切換電路的第一節(jié)點(diǎn)和所述存儲(chǔ)元件的第二節(jié)點(diǎn)連接到地，其中所述負(fù)載平衡切換電路用于確保所述第一和第二諧振器結(jié)構(gòu)之間適當(dāng)?shù)呢?fù)載平衡，由此向所述設(shè)備提供一致的電力。
19.一種布置成獨(dú)立于外圍設(shè)備相對(duì)于NFMR電力發(fā)送器的朝向而從所述NFMR電力發(fā)送器無線接收電力的外圍設(shè)備，所述外圍設(shè)備包括: 無線電力接收單元，包括: 至少兩個(gè)磁去耦合的近場磁諧振(NFMR)電力接收器，每個(gè)都布置成從NFMR磁場接收電力； 電力合并電路，耦合到所述至少兩個(gè)磁去耦合的NFMR電力接收器，所述電力合并電路布置成: 負(fù)載匹配所述至少兩個(gè)NFMR電力接收器與所述設(shè)備， 負(fù)載平衡來自所述至少兩個(gè)NFMR電力接收器的電力，及 將所述至少兩個(gè)磁去耦合的NFMR電力接收器之間的有效磁耦合系數(shù)維持在大約為零，而不考慮所述無線電力單元相對(duì)于所述NFMR磁場的空間朝向，使得所述設(shè)備從所述無線電力單元無線接收基本上恒定的電力，而不考慮所述至少兩個(gè)NFMR電力接收器相對(duì)于所述NFMR磁場的朝向。
20.如權(quán)利要求19所述的外圍設(shè)備，其中所述電力合并單元包括: 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，連接到所述至少兩個(gè)NFMR電力接收器，所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)布置成匹配接收器阻抗與負(fù)載阻抗； 整流電路，布置成從所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)接收AC信號(hào)并且把所述AC信號(hào)轉(zhuǎn)換成DC信號(hào)；及 OR電路，布置成在所述至少兩個(gè)磁去耦合的NFMR電力接收器與所述設(shè)備之間提供負(fù)載平衡功能。
21.如權(quán)利要求20所述的外圍設(shè)備，其中所述至少兩個(gè)NFMR電力接收器每個(gè)都被建模為具有電感值L1的電感器和串聯(lián)電阻器Rs。
22.如權(quán)利要求21所述的外圍設(shè)備，其中所述阻抗匹配電路包括: 電容網(wǎng)絡(luò),包括: 第一電容器，具有第一電容值Cl '及 與所述第一電容器并聯(lián)的第二電容器，具有第二電容值C2，其中當(dāng)所述至少兩個(gè)NFMR接收器與NFMR發(fā)送器處于諧振模式下時(shí)，所述接收器電感器與所述電容網(wǎng)絡(luò)諧振以匹配所述設(shè)備的負(fù)載電阻與所述接收器的負(fù)載電阻。
23.如權(quán)利要求22所述的外圍設(shè)備，其中所述整流電路包括進(jìn)一步包括多個(gè)二極管的全橋整流器電路。
24.如權(quán)利要求23所述的外圍設(shè)備，其中所述OR電路包括至少一個(gè)二極管。
25.如權(quán)利要求24所述的外圍設(shè)備，其中所述外圍設(shè)備包括至少三個(gè)NFMR電力接收器，布置成彼此垂直，使得當(dāng)所述外圍設(shè)備移動(dòng)到三維空間體積中的任一位置時(shí)，都不會(huì)實(shí)質(zhì)性損耗從NFMR電力發(fā)送器無線接收的電力。
26.一種布置成提供可用電力的小型無線電力單元，包括: 諧振電力線圈，布置成在所述諧振電力線圈配置成以NFMR發(fā)送器的諧振頻率操作時(shí)，通過電力傳送通道從耦合到電源的近場磁諧振(NFMR)發(fā)送器接收電力，其中所述小型無線電力單元的大小適合放在外圍設(shè)備的電池倉內(nèi)。
27.如權(quán)利要求26所述的小型無線電力單元，其中所述電池倉的大小適合容納標(biāo)準(zhǔn)的AAA型號(hào)電池。
28.如權(quán)利要求27所述的小型無線電力單元，進(jìn)一步包括: 諧振線圈，包括: 中央芯區(qū)，具有位于中央的縱軸，及 多個(gè)關(guān)于所述縱軸沿圓周環(huán)繞圓柱形中央芯區(qū)的連續(xù)導(dǎo)電材料的回路。
29.如權(quán)利要求28所述的小型無線電力單元，其中，當(dāng)所述外圍設(shè)備是鍵盤，在所述鍵盤的操作過程中所述鍵盤相對(duì)于所述NFMR發(fā)送器具有穩(wěn)定的朝向時(shí)，所述電力單元以使所述電力單元的縱軸相對(duì)于所述NFMR發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)的方式放在所述鍵盤中，使得在所述多個(gè)回路中感應(yīng)出最大磁通量。
30.如權(quán)利要求29所述的小型無線電力單元，其中，當(dāng)所述外圍設(shè)備相對(duì)于所述NFMR發(fā)送器自由移動(dòng)時(shí)，所述電力單元包括至少一個(gè)與所述諧振電力線圈磁去耦合的第二諧振電力線圈。
31.如權(quán)利要求30所述的小型無線電力單元，其中所述第二諧振線圈放成與所述諧振電力線圈隔開至少距離t，使得所述諧振電力線圈與所述第二諧振電力線圈之間的有效磁耦合系數(shù)Krff大約為零。
32.如權(quán)利要求31所述的小型無線電力單元，其中，當(dāng)所述第二磁諧振線圈與所述磁諧振線圈之間的距離小于距離t時(shí)，所述第二磁線圈與所述磁諧振線圈相對(duì)于彼此布置成使得所述諧振電力線圈與所述第二諧振電力線圈之間的有效磁耦合系數(shù)K eff保持大約為零。
33.如權(quán)利要求32所述的小型無線電力單元，其中所述諧振線圈與所述第二諧振線圈相對(duì)于彼此布置成T型布置。
34.如權(quán)利要求33所述的小型無線電力單元，其中所述電力單元進(jìn)一步包括第三諧振線圈，所述第三諧振線圈相對(duì)于所述第一和第二諧振線圈布置成十字型布置。
35.如權(quán)利要求34所述的小型無線電力單元，其中所述外圍設(shè)備包括: 用于封住所述諧振電力線圈的外罩。
36.如權(quán)利要求35所述的小型無線電力單元，其中，當(dāng)所述外圍設(shè)備是鍵盤時(shí)，所述電力單元以使所述電力單元的縱軸相對(duì)于所述NFMR發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)的方式放在所述鍵盤中，使得在所述多個(gè)回路中感應(yīng)出最大磁通量，其中在所述鍵盤的操作過程中所述鍵盤相對(duì)于所述NFMR發(fā)送器具有穩(wěn)定的朝向。
37.如權(quán)利要求36所述的小型無線電力單元，其中，當(dāng)所述外圍設(shè)備相對(duì)于所述NFMR發(fā)送器自由移動(dòng)時(shí)，所述電力單元包括至少一個(gè)與所述諧振電力線圈磁去耦合的第二諧振電力線圈。`
38.如權(quán)利要求37所述的小型無線電力單元，其中所述第二諧振線圈放成與所述諧振電力線圈隔開至少距離t，使得所述諧振電力線圈與所述第二諧振電力線圈之間的有效磁耦合系數(shù)Krff大約為零。
39.如權(quán)利要求38所述的小型無線電力單元，其中當(dāng)所述第二磁諧振線圈與所述磁諧振線圈之間的距離小于距離t時(shí)，所述第二磁線圈與所述磁諧振線圈相對(duì)于彼此布置成使得所述諧振電力線圈與所述第二諧振電力線圈之間的有效磁耦合系數(shù)K eff保持在大約為零。
40.如權(quán)利要求39所述的小型無線電力單元，其中所述諧振線圈與所述第二諧振線圈相對(duì)于彼此布置成T型布置。
41.如權(quán)利要求40所述的小型無線電力單元，其中所述電力單元進(jìn)一步包括第三諧振線圈，所述第三諧振線圈相對(duì)于所述第一和第二諧振線圈布置成十字型布置。
【文檔編號(hào)】H04B5/02GK103563213SQ201180071325
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月31日
【發(fā)明者】陳禮銓, D·T·安姆 申請人:蘋果公司