多相无线电场功率传送系统、发送器和接收器的制作方法

多相无线电场功率传送系统、发送器和接收器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年7月17日提交的美国临时申请号62/875,043的权益，其全部内容通过引用并入本文
技术领域
3.本公开总体上涉及无线功率传送，尤其涉及无线电场功率传送系统及其发送器和接收器。


背景技术：

4.已知多种无线功率传送系统。典型的无线功率传送系统包括电连接到无线功率发送器的电源和电连接到负载的无线功率接收器。在磁感应系统中，该发送器具有电感器，该电感器将电能从该电源传送到该接收器的电感器。由于该发送器和接收器的电感器之间的磁场的耦合，功率传送得以发生。这些磁感应系统的范围是有限的，并且该发送器和接收器的电感器必须处于最佳对准状态，以实现有效的功率传送。还存在谐振磁系统，其中由于该发送器和接收器的电感器之间的磁场的耦合得以传送功率。然而，在谐振磁系统中，使用至少一个电容器谐振该电感器。谐振磁系统中的功率传送的范围比磁感应系统中的功率传送范围大，并且校正了对准问题。虽然电磁能量是在磁感应系统和谐振磁系统中产生的，但是大部分功率传送是经由该磁场发生的。经由电感应或谐振电感应传送的功率很少(如果有的话)。
5.在电感应系统中，该发送器和接收器具有电容电极。由于该发送器和接收器的电容电极之间的电场的耦合，功率传送得以发生。类似于谐振磁系统，存在谐振电系统，其中使用至少一个电感器谐振该发送器和接收器的电容电极。与电感应系统相比，谐振电系统具有更大的功率传送的范围，并且校正了对准问题。虽然电磁能量是在电感应系统和谐振电系统中产生的，但大部分功率传送是经由该电场发生的。经由磁感应或谐振磁感应传送的能量很少(如果有的话)。
6.尽管无线功率传送技术是已知的，但仍需要改进。因此，本公开的目的是提供一种新颖的无线电场功率传送系统、用于该系统的发送器和接收器以及无线发送功率的方法。


技术实现要素：

7.应了解，提供本公开内容是为了以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下文实施例的详细说明中进一步描述。该发明内容不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
8.因此，在一个方面，提供了一种发送器，包括：多相射频(rf)转换器，被配置为输出多个正弦rf功率信号；以及多相谐振器，被配置为接收该多个正弦rf功率信号，并在多个相位处以谐振频率谐振多个电感器和电容电极，以经由谐振电场耦合来传送功率。
9.在一个或多个实施例中，该电容电极是多重旋转对称的。在一个或多个实施例中，该多重旋转对称的轴围绕该电容电极的曲率的中心垂直于该电容电极的主面。
10.在一个或多个实施例中，该多相rf转换器包括多相rf逆变器，该多相rf逆变器包括多个晶体管，每个晶体管电连接到该多相发送谐振器的电感器。
11.在一个或多个实施例中，该发送器还包括电连接到该多相rf转换器的电源，其中rf电源被配置为输出直流电(dc)功率信号。
12.在一个或多个实施例中，该多相发送谐振器是平衡的。
13.在一个或多个实施例中，该多相发送谐振器包括三个电感器和三个电容电极。
14.另一方面，提供一种接收器，包括：多相谐振器，其包括多个电感器和电容电极，被配置为以谐振频率谐振，以经由谐振电场耦合提取功率，并输出多个正弦射频(rf)功率信号，其中该多个电感器和电容电极在多个相位处谐振；以及多相整流器，被配置为接收该多个正弦rf功率信号并输出直流电(dc)功率信号。
15.在一个或多个实施例中，该电容电极是多重旋转对称的。在一个或多个实施例中，该多重旋转对称的轴围绕该电容电极的曲率的中心垂直于该电容电极的主面。
16.在一个或多个实施例中，该多相整流器包括多对二极管，每对二极管电连接到该多相接收谐振器的电感器。
17.在一个或多个实施例中，该接收器还包括负载，该负载被配置为接收由该多相整流器输出的该dc功率信号。
18.在一个或多个实施例中，该多相接收谐振器是平衡的。
19.在一个或多个实施例中，该多相接收谐振器包括三个电感器和三个电容电极。
20.另一方面，提供了一种系统，包括：发送器，包括：多相射频(rf)转换器，被配置为输出多个正弦rf功率信号；以及多相发送谐振器，被配置为接收该多个正弦rf功率信号，并在多个相位处以谐振频率谐振多个发送电感器和发送电容电极，以经由谐振电场耦合来传送功率；以及接收器，包括：多相接收谐振器，包括多个接收电感器和接收电容电极，被配置为以该谐振频率谐振，以经由谐振电场耦合来提取功率并输出该多个正弦rf功率信号，其中该多个接收电感器和接收电容电极在多个相位处谐振；以及多相整流器，被配置为接收该多个正弦rf功率信号并输出直流电(dc)功率信号。
21.在一个或多个实施例中，该发送电容电极是多重旋转对称的。在一个或多个实施例中，该多重旋转对称的轴围绕该电容电极的曲率的中心垂直于该电容电极的主面。
22.在一个或多个实施例中，该接收电容电极是多重旋转对称的。在一个或多个实施例中，该多重旋转对称的轴围绕该电容电极的曲率的中心垂直于该电容电极的主面。
23.在一个或多个实施例中，该多相rf转换器包括多相rf逆变器，该多相rf逆变器包括多个晶体管，每个晶体管电连接到该多相发送谐振器的电感器。
24.在一个或多个实施例中，该发送器还包括电连接到该多相rf转换器的电源，其中该电源被配置为输出直流电(dc)功率信号。
25.在一个或多个实施例中，该多相发送谐振器是平衡的。
26.在一个或多个实施例中，该多相发送谐振器包括三个发送电感器和三个发送电容电极。
27.在一个或多个实施例中，该多相整流器包括多对二极管，每对二极管电连接到该多相接收谐振器的电感器。
28.在一个或多个实施例中，该接收器还包括负载，该负载被配置为接收由该多相整
流器输出的dc功率信号。
29.在一个或多个实施例中，该多相接收谐振器是平衡的。
30.在一个或多个实施例中，该多相接收谐振器包括三个接收电感器和三个接收电容电极。
31.另一方面，提供了一种经由电场耦合来无线传送功率的方法，该方法包括：在所描述的任一发送器的多相射频(rf)转换器处，将输入功率信号转换为多个正弦rf功率信号；在该发送器的多相谐振器处接收该多个正弦rf功率信号；谐振该发送器的多相谐振器的发送电感器和电容电极对，以生成电场；以及由所述任一接收器的多相rf谐振器来提取功率，该接收器的多相rf谐振器位于所生成的电场内。
32.在一个或多个实施例中，该方法还包括：将接收的正弦rf功率信号输出给该接收器的多相整流器；以及将接收的正弦rf功率信号整流为整流信号。
33.在一个或多个实施例中，该整流信号是直流电(dc)功率信号。
34.在一个或多个实施例中，该输入功率信号是dc功率信号。
35.在一个或多个实施例中，谐振该发送电感器和电容电极对包括以该发送器的多相谐振器的谐振频率来谐振该对。
36.在一个或多个实施例中，谐振该发送电感器和电容电极对包括在(i-1)*360/n处谐振第i个发送电感器和电容电极对，其中n是正弦rf功率信号的数量。
37.在所述实施例中，示例性谐振频率包括13.56mhz和27.12mhz。
38.在所述实施例中，该电场耦合可为强耦合(或紧耦合)或松耦合。松耦合表示该发送器和接收器的电极被空气隔开，即发送器和接收器之间存在空气芯。
39.如本领域技术人员所知，所述实施例的各种元件可以多种方式进行组合。
附图说明
40.现将参照附图对实施例进行更全面的描述，其中：
41.图1是无线功率传送系统的框图；
42.图2是无线谐振电场功率传送系统的示意性布局；
43.图3是根据本公开的一个方面的无线功率传送系统的框图；
44.图4是图3的无线功率传送系统的示意性布局；
45.图5a是根据本公开的一个方面的无线功率传送系统的示意性布局；
46.图5b是图5a的无线功率传送系统的多相整流器输出的负载电压的图形；
47.图6是图5a的无线功率传送系统的发送电容电极的平面图；
48.图7是图5a的无线功率传送系统的发送电容电极的另一实施例的平面图；
49.图8是图7的发送电容电极的另一平面图；
50.图9是图5a的无线功率传送系统的发送电容电极和接收电容电极的另一实施例的平面图；
51.图10是图5a的无线功率传送系统的射频(rf)效率与图9的发送电容电极和接收电容电极之间的图形；
52.图11是图5a的无线功率传送系统的发送电容电极的另一实施例的平面图；
53.图12是根据本公开的一个方面的无线功率传送系统的透视图；
54.图13是图12的无线功率传送系统的发送和接收电容电极从0度到120度旋转的电流的总和与电流的幅度之比的百分比的图形；
55.图14是图12的无线功率传送系统的每个接收段上的电流信号的相位与角度位置的函数的图形；
56.图15是图12的无线功率传送系统的射频(rf)效率与角度旋转的函数的图形；
57.图16是图12的无线功率传送系统的每个发送电容电极处存在的阻抗的实部与角度旋转的函数的图形；
58.图17是图12的无线功率传送系统的每个发送电容电极处存在的阻抗的虚部与角度旋转的函数的图形；
59.图18是图12的无线功率传送系统和另一无线功率传送系统的rf效率与发送谐振器和接收谐振器之间的纵向间隔的函数的图形；
60.图19是图5a的无线功率传送系统的发送电容电极的另一实施例的平面图；
61.图20是图19的发送电容电极的其他实施例的平面图；
62.图21是根据本公开的一个方面的无线功率传送系统的透视图；
63.图22a至图22e是图4的无线功率传送系统的电容电极的其他实施例的平面图；
64.图23a至图23i是图5的无线功率传送系统的电容电极的其他实施例的平面图；
65.图24a是图5的无线功率传送系统的电容电极的另一实施例的侧视图；
66.图24b是图24a的电容电极的透视图；
67.图25a是形成发送电容电极和接收电容电极的图24a的电容电极的侧视图；
68.图25b是形成发送电容电极和接收电容电极的另一实施例的图24a的电容电极的侧视图；
69.图26是图5的无线功率传送系统的电容电极的另一实施例的透视图；
70.图27是图5的无线功率传送系统的电容电极的另一实施例的透视图；
71.图28a是根据本公开的一个方面的无线功率传送系统的侧视图；
72.图28b是图28a的无线功率传送系统的平面图；
73.图28c是图28a的无线功率传送系统的另一平面图；
74.图29a是图29a的无线功率传送系统的射频(rf)效率与角度旋转的函数的图形；和
75.图29b是图29a的无线功率传送系统的接收的整流电压与角度旋转的函数的图形。
具体实施方式
76.结合附图阅读时，可更好地理解前述发明内容以及特定实施例的以下详细说明。可以理解，在整个说明书和附图中，相同的附图标记用于指代相同的元件。如在此所使用的，以单数形式列举并且前面有单词“一”或“一个”的元件或特征应该被理解为不一定排除是多个元件或特征。此外，对“一个示例”或“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除同样结合了该一个示例或一个实施例的所列举元件或特征的附加示例或实施例的存在。此外，除非明确指出相反的情况，否则“包括”、“具有”或“包含”具有特定属性的一个元件或特征或者多个元件或特征的示例或实施例还可以包括不具有该特定属性的附加元件或特征。此外，应当理解，术语“包括”、“具有”和“包含”表示“包括但不限于”，并且术语“包括”、“具有”和“包含”具有等同的含义。
77.如本文所用，术语“和/或”可包括一个或多个相关联的列举出的元件或特征的任何和所有组合。
78.应理解，当元件或特征被称为“位于”、“附着于”、“连接到”、“耦合到”、“接触”等另一个元件或特征时，该元件或特征可以直接位于、附着于、连接到、耦合到或接触另一个元件或特征，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件或特征被称为例如“直接位于”、“直接附着于”、“直接连接到”、“直接耦合到”或“直接接触”另一个元件或特征时，不存在中间元件或特征。
79.应理解，本文可使用空间相关术语，如“下方”、“下面”、“下部”、“上方”、“上面”、“上部”、“前部”、“后部”等，以便于描述图中所示的元件或特征与另一元件或特征的关系。然而，除了图中所示的方向之外，该空间相对术语可以包括使用或操作中的不同方向。
80.本文提及的“示例”是指结合示例描述的一个或多个特征、结构、元件、组件、特性和/或操作步骤包括在根据本公开的主题的至少一个实施例和/或实现中。因此，贯穿本公开的短语“示例”、“另一示例”和类似语言可以但不一定指同一示例。
81.此外，表现任何一个示例的特性的主题可以但不一定包括表现任何其他示例的特性的主题。
82.本文提及的“被配置”表示实际配置的状态，其将元件或特征与在该短语“被配置为”前的元件或特征的物理特性联系起来。
83.除非另有说明，术语“第一”、“第二”等在本文中仅用作标签，并不旨在对这些术语所指的物品强加顺序、位置或等级要求。此外，提及“第二”件物品并不要求或排除编号较小的物品(例如，“第一”件物品)和/或编号较大的物品(例如“第三”件物品)的存在。
84.如本文所用，术语“近似”、“基本上”、“大致”、“大约”等表示接近所述量的量，其仍能执行所需功能或实现所需结果。例如，术语“近似”和“大约”可以指在工程公差范围内的量，其是本领域技术人员容易理解的，例如在小于所述量的10％、5％、1％、0.1％或0.01％的范围内。
85.图1示出了无线功率传送系统，其通常由参考数字100标识。该无线功率传送系统100包括发送器110和接收器120，该发送器110包括电连接到发送元件114的电源112，该接收器120包括电连接到负载122的接收元件124。功率从该电源112传送到该发送元件114。该功率经由谐振或非谐振电场耦合或磁场耦合从该发送元件114传送到该接收元件124。该功率从该接收元件124传送到该负载122。
86.在一个示例实施例中，该无线功率传送系统可采用谐振电场无线功率传送系统的形式。图2示出了通常由附图标记200标识的谐振电场无线功率传送系统，例如2012年9月7日提交的polu等的美国专利号9,653,948中所描述的系统，其相关部分通过引用并入本文。
87.该谐振电场无线功率传送系统200包括发送器210，该发送器210包括电连接到发送谐振器214的电源212。该发送谐振器214包括一对横向隔开的细长的发送电容电极216，每个电容电极经由高质量因数(q)发送电感器218电连接到该电源212。该系统200还包括接收器220，该接收器220包括电连接到负载222的接收谐振器224。该接收谐振器224被调谐到该发送谐振器214的谐振频率。该接收谐振器224包括一对横向隔开的细长的接收电容电极226，每个电容电极经由高q接收电感器228电连接到该负载222。
88.在该实施例中，该电感器218和228为铁氧体磁芯电感器。然而，本领域技术人员将
理解，其他芯也是可以的。
89.在该实施例中，每个发送电容电极216和接收电容电极226包括由导电材料制成的细长的元件。该发送电容电极216是共面的。该接收电容电极226是共面的。在该实施例中，该发送电容电极216和该接收电容电极226在平行平面中。在该实施例中，该发送电容电极216和该接收电容电极226呈大致矩形平板的形式。
90.虽然该发送电容电极216和接收电容电极226被描述为横向间隔的细长的电极，但本领域技术人员应理解，其他配置也是可行的，包括但不限于同心、共面、圆形、椭圆形、盘形等的电极。在2015年9月4日提交的nyberg等的美国专利号9,979,206中描述了其他合适的电极配置，其相关部分通过引用并入本文。
91.尽管图2中的该电感器218和228显示分别与该电源212和该负载222串联连接，但本领域技术人员应理解，该电感器218和228可分别与该电源212和该负载222并联连接。
92.在操作过程中，功率经由该高q发送电感器218从该电源212传送到该发送电容电极216。具体来说，经由该高q发送电感器218从该电源212传送到该发送电容电极216的该功率信号激发该发送谐振器214，从而使得该发送谐振器生成电场。当调谐到与该发送器210相同的谐振频率的接收器220被放置在该谐振电场内时，该接收谐振器224经由谐振电场耦合从该发送谐振器214提取功率。然后所提取的功率从该接收谐振器224传送到该负载222。由于该功率传送是高度谐振的，所以该发送电容电极216和接收电容电极226不需要分别像非谐振电场功率传送系统的情况那样靠得很近或高度对准。尽管该发送谐振器214可以生成磁场，但是经由磁场耦合发送的功率很少(如果有的话)。
93.现在参考图3，图3是根据本公开的一个方面的无线功率传送系统的框图，通常由附图标记300标识。该无线功率传送系统300包括发送器302和接收器304。如下所述，该发送器302被配置为经由谐振电场耦合将功率传送到该接收器304。如下所述，该接收器304被配置为经由谐振电场耦合从该发送器302提取功率。
94.该发送器302包括电源306、多相rf转换器308和多相发送谐振器310。该电源306电连接到该多相rf转换器308。该电源306被配置为生成直流电(dc)功率信号。该电源306被配置为向该多相rf转换器308输出该dc功率信号。该多相rf转换器308电连接到该电源306。该多相rf转换器308电连接到该多相发送谐振器310。该多相rf转换器308被配置为将该dc功率信号转换为n个正弦rf功率信号，其中n是大于2的正整数。在该实施例中，该多相rf转换器308是多相rf逆变器。该正弦rf功率信号彼此异相偏移(shift)。每个正弦rf功率信号与连续的正弦rf功率信号的相位相差360/n度。该相位被分布，使得当第一信号处于0度时，第二信号处于360/n度，第三信号处于2*360/n度，第i个信号处于(i-1)*360/n度。从该多相rf转换器308输出该n个正弦rf功率信号到该多相发送谐振器310。如下所述，该多相发送谐振器310被配置为生成电场，并经由谐振电场耦合来传送功率。虽然也可以生成磁场，但是经由谐振或非谐振磁场耦合被传送的能量很少(如果有的话)。如下所述，该多相发送谐振器310包括n个电极/电感器对。
95.该接收器304包括多相接收谐振器312、多相整流器314和负载316。如下所述，该多相接收谐振器312被配置为经由谐振电场耦合从该多相发送谐振器310提取功率。虽然也可能存在磁场，但是经由谐振或非谐振磁场耦合提取的功率很少(如果有的话)。该多相接收谐振器312电连接到该整流器314。如下所述，该多相接收谐振器312包括多个电容电极/电
感器对。该多相接收谐振器312包括n个电极/电感器对。该多相接收谐振器312被配置为向该多相整流器314输出多个正弦rf功率信号。该多相接收谐振器312被配置为向该多相整流器314输出n个正弦rf功率信号。该正弦rf功率信号彼此异相偏移。每个正弦rf功率信号与其他正弦rf功率信号的相位相差360/n度。该相位被分布，使得当第一信号处于0度时，第二信号处于360/n度，第三信号处于2*360/n度，第i个信号处于(i-1)*360/n度。该多相整流器314被配置为将接收的n个正弦rf功率信号转换为dc功率信号。该多相整流器314电连接到该负载316。该多相整流器314向该负载316输出该dc功率信号。该负载316电连接到该多相整流器314。该负载316从该多相整流器314接收该dc功率信号。
96.现在参考图4，图4显示了该无线功率传送系统300的电路图。如前所述，该无线功率传送系统300包括该发送器302和该接收器304。该发送器302包括该电源306、该多相rf转换器308和该多相发送谐振器310。
97.如前所述，该电源306被配置为生成dc功率信号。该电源306被配置为向该多相rf转换器308输出该dc功率信号。
98.该多相rf转换器308被配置为将该dc功率信号转换为n个正弦rf功率信号。该多相rf转换器308包括n对开关402和控制器(未示出)。该对开关402为并联设置。每对开关402输出正弦rf功率信号。每个正弦rf功率信号与其他正弦rf功率信号的相位相差360/n度。该相位被分布，使得当第一信号处于0度时，第二信号处于360/n度，第三信号处于2*360/n度，第i信号处于(i-1)*360/n度。从该多相rf转换器308输出该n个正弦rf功率信号到该多相发送谐振器310。
99.在该实施例中，该开关402为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。在另一个实施例中，该开关402为宽带隙设备(wbd)。在一个实施例中，该wbd是egan场效应晶体管(fet)。该控制器被配置为控制该开关402的切换。在该实施例中，该控制器是数字信号处理器(dsp)。该dsp被配置为向该开关402发送门信号。该门信号被相移，使得该多相rf转换器308用作具有对应的输出电压的多相电压源。具体地，该第i个门信号在(i-1)*360/n相位处。
100.如前所述，该多相发送谐振器310被配置为生成电场，并经由谐振电场耦合传送功率，如下所述。虽然也可以生成磁场，但是经由谐振或非谐振磁场耦合传送的功率很少(如果有的话)。该多相发送谐振器310包括n个发送电感器404和n个发送电容电极406。每个发送电感器404电连接到发送电容电极406。每个发送电感器404电连接在该多相rf转换器308的一对开关402之间。具体来说，第一发送电感器404电连接到第一发送电容电极406。该第一发送电感器404电连接在该多相rf转换器308的第一对开关402之间。类似地，第i个发送电感器404电连接到第i个发送电容电极406。第i个发送电感器404电连接在该多相rf转换器308的第i对开关402之间。第i个发送电容电极406和电感器404对被配置为在(i-1)*360/n度的相位处以该多相发送谐振器310的谐振频率谐振，以生成电场。
101.该接收器304包括该多相接收谐振器312、该多相整流器314和该负载316。该多相接收谐振器312被配置为经由谐振电场耦合从生成的电场提取功率。虽然也可以存在磁场，但是经由谐振或非谐振磁场耦合提取的功率很少(如果有的话)。该多相接收谐振器312包括n个接收电容电极410和n个接收电感器412。每个接收电感器412电连接到接收电容电极410。每个接收电感器412电连接在该多相整流器314的一对二极管414之间。具体来说，第一
接收电容电极410电连接到第一接收电感器412。该第一接收电感器412电连接在该多相整流器314的第一对二极管414之间。类似地，第i个接收电容电极410电连接到第i个接收电感器412。第i个接收电感器412电连接在该多相整流器314的第i对二极管414之间。第i个接收电容电极410和电感器412对被配置为在(i-1)*360/n度的相位处以该多相发送谐振器310的谐振频率谐振，以经由谐振电场耦合从电场提取功率。如前所述，该多相整流器314被配置为将来自接收的多相谐振器312的n个正弦rf功率信号转换成dc功率信号。该多相整流器314包括n对二极管414。该对二极管414为并联设置。每对二极管414接收正弦rf功率信号。每个正弦rf功率信号与其他正弦rf功率信号的相位相差360/n度。该相位被分布，使得当第一信号处于0度时，第二信号处于360/n度，第三信号处于2*360/n度，第i个信号处于(i-1)*360/n度。该n个正弦rf功率信号被整流成dc功率信号，该dc功率信号被输出到该负载316。
102.如图4所示，第i个发送电容电极406的对地电容表示为电容c
gti
。第i个接收电容电极410的对地电容表示为c
gri
。第i个发送电容电极406和相邻发送电容电极406的电容表示为c
mti(i+1)
。第i个发送电容电极406和第j个发送电容电极406的电容表示为c
mtij
(未示出)。第i个接收电容电极410和相邻接收电容电极410的电容表示为c
mri(i+1)
。第i个接收电容电极410和第j个接收电容电极410的电容表示为c
mrij
(未示出)。第i个发送电容电极406和相邻的第i个接收电容电极410的电容表示为c
mtrii
。类似地，第i个接收电容电极410和相邻的第i个发送电容电极406的电容表示为c
mtrii
。第i个发送电容电极406和第j个接收电容电极410的电容表示为c
mtrij
(未示出)。类似地，第j个接收电容电极410和第i个发送电容电极406的电容表示为c
mtrji
(未示出)。该发送电感器404的电感表示为l
ti
。该接收电感器412的电感表示为l
ri
。术语i是介于1和n之间的整数，包括1和n，其中i+1至多等于n。当i等于n时，i+1被理解为1，因为标记是周期性的。术语j是介于1和n之间的整数，包括1和n。
103.如上所述，该多相接收谐振器312具有n对接收电容电极410和电感器412。每对接收电容电极410和电感器412携载n个正弦rf功率信号中的一个到该多相整流器314，然后到该负载316。当所有n对接收电容电极410和电感器412携载具有相同振幅和频率但在连续分支之间相位相差360/n度的电流，从而使得所有对接收电容电极410和电感器412上的电流的总和为零时，该无线功率传送系统300是平衡的。如果所有对接收电容电极410和电感器412上的电流的总和不为零，则必须存在附加接地返回路径。由于在该多相发送谐振器310和接收谐振器312之间各自都没有附加物理连接，除了该电容c
mtrji
之外，这个非零总和电流表现为穿过环境返回的电流。该系统400的性能取决于该返回路径的阻抗。在该实施例中，性能包括效率、功率传递、电磁干扰(emi)和发热中的一个或多个。该返回路径的阻抗取决于该系统的周围环境中的任何物体的几何形状和电属性。此外，不平衡的系统可能会出现共模或接地返回电流。因此，不平衡的系统的鲁棒性会更差，因为不平衡的系统比平衡的系统更容易受到该系统的周围环境中的任何物体的阻抗的影响。
104.该无线功率传送系统300在其输入和输出处呈现阻抗。当从该电源306向该负载316传送功率时，在该无线功率传送系统300的输入和输出处呈现的阻抗必须被平衡，使得从该多相rf转换器308输出的所有正弦rf功率信号在进入该多相发送谐振器310和离开该多相接收谐振器312时遇到基本相同的阻抗。如果该无线功率传送系统300不平衡，则在该无线功率传送期间，能量将会损失，因为从该电源306输出的能量作为热量散发或沉入地下。平衡的无线功率传送系统300消除了该无线功率传送系统300内的共模噪声。在被提供
该无线功率传送系统400的平衡的多相rf转换器308和平衡的负载316的情况下，当满足某些要求时，该无线功率传送系统400将会平衡。具体来说，为了平衡该无线功率传送系统400，必须满足以下条件：
105.l
t1
＝l
t2
＝
…
＝l
tn
106.c
gt1
＝c
gt2
＝
…
＝c
gtn
107.c
mt12
＝c
mt23
＝
…
＝c
mt(n-1)n
＝c
mtn1
108.c
mt1(1+i)
＝c
mt2(2+i)
＝
…
＝c
mtni
109.l
r1
＝l
r2
＝
…
＝l
rn
110.c
gr1
＝c
gr2
＝
…
＝c
grn
111.c
mr12
＝c
mr23
＝
…
＝c
mr(n-1)n
＝c
mrn1
112.c
mr1(1+i)
＝c
mr2(2+i)
＝
…
＝c
mrni
113.c
mtr11
＝c
mtr22
＝
…
＝c
mtrnn
114.c
mtr1(1+i)
＝c
mtr2(2+i)
＝
…
＝c
mtrni
115.c
mtr(1+i)1
＝c
mtr(2+i)2
＝
…
＝c
mtrin
116.如果该电容电极404和416具有相同的维度和配置，且该电感器404和412具有相同的维度和配置，则这些条件得到了满足。
117.操作期间，该电源306向该多相rf转换器308输出dc功率信号。该多相rf转换器308将该dc功率信号转换成n个正弦rf功率信号。该控制器向该开关402发送门信号，使得该多相rf转换器308的每对开关402向该多相发送谐振器310的发送电感器404和电容电极406对输出该正弦rf功率信号中的一个。每个发送电感器404和电容电极406对以该多相发送谐振器301的谐振频率谐振，以生成电场。具体来说，第i对发送电感器404和电容电极406在(i-1)*360/n度的相位处以该谐振频率谐振，以生成电场。当该多相接收谐振器312在由该多相发送谐振器310生成的电场内时，该电场通过谐振电场耦合激发该多相接收谐振器312。然后，该多相接收谐振器314从该多相发送谐振器310无线提取功率。该多相接收谐振器312将接收的正弦rf功率信号输出到该多相整流器314。该多相整流器314将该正弦rf功率信号整流成dc功率信号。然后该dc功率信号被施加给该负载316。
118.与该无线功率传送系统200相比，该无线功率传送系统300中的更多相位增加了该多相rf转换器308的最大输出功率(对于给定的开关402和输入到该多相rf转换器308中的电压)，因为每个相位需要专用的一对开关402来处理有限量的电流和电压。该多相rf转换器308的最大输出功率与相位数成线性比例。对于该发送电容电极406具有固定面积的发送多相谐振器310，增加发送电容电极406的数量减少了每个发送电容电极406的面积。因为每个发送电容电极406的输入电容取决于相应的发送电容电极406的面积，所以增加发送电容电极406的数量会减少每个发送电容电极406的输入电容。该输入电容被定义为从相应的发送电容电极406中看到的电容，或者必须由该发送电感器404补偿以在该谐振频率实现谐振的电容；因此，附加相位需要每个发送电容电极406具备附加电感。对于每个附加相位，该多相rf转换器308需要至少一个附加金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或宽带隙设备(wbd)开关402，每个多相发送谐振器310需要至少一个附加发送电感器404，并且该多相整流器314需要至少一个附加二极管414。
119.该无线功率传送系统300可用于但不限于在具有横向或旋转运动的系统中传送功
率。该无线功率传送系统300还可以用于为各种旋转系统传送功率，例如通过旋转接头。旋转接头被定义为包括两个或多个接合部件的设备，其中至少一个部件旋转。该无线功率传送系统300在贯穿360度的旋转中保持高效的功率传送。
120.虽然已对无线功率传送系统300进行了总体描述，但本领域技术人员应理解，特定实施例是可能的。图5a示出了通常由附图标记500标识的无线功率传递系统的电路图。该无线功率传送系统500是该无线功率系统300的实施例，其中整数n等于3。该无线功率传送系统300包括发送器502和接收器504。如前所述，该发送器502被配置为经由谐振电场耦合将功率传送到该接收器504。如前所述，该接收器504被配置为经由谐振电场耦合从该发送器502提取功率。
121.该发送器502包括电源506、多相rf转换器508和多相发送谐振器512。该电源506电连接到该多相rf转换器508。该电源506被配置为生成dc功率信号。该电源506被配置为向该多相rf转换器508输出该dc功率信号。该多相rf转换器508电连接到该电源506。该多相rf转换器508电连接到该多相发送谐振器512。该多相rf转换器508被配置为将该dc功率信号转换为三(3)个正弦rf功率信号。该正弦rf功率信号彼此异相偏移。每个正弦rf功率信号与连续的正弦rf功率信号的相位相差360/3度。该相位被分布，使得当第一信号为0度时，第二信号为120度，第三信号为240度。该三个正弦rf功率信号从该多相rf转换器508输出到该多相发送谐振器512。
122.在该实施例中，该多相rf转换器508为三相rf逆变器。该多相rf转换器508包括三对开关510和控制器(未示出)。多对的开关510为并联设置。每对开关510输出正弦rf功率信号。每个正弦rf功率信号被移相120度。该三个正弦rf功率信号从该多相rf转换器508输出到该多相发送谐振器512。
123.在该实施例中，该开关510为mosfet。在另一个实施例中，该开关510是wbd。在一个实施例中，wbd是egan场效应晶体管(fet)。该控制器被配置为向该开关510发送门信号，以控制该开关510的切换。在该实施例中，该控制器是dsp。该dsp被配置为向该开关402发送门信号。该门信号被相移，使得该多相rf转换器308用作具有对应的输出电压的多相电压源。例如，在三相系统中，该门信号将进行120度相移(360度/3)，使得该三相转换器的输出电压用作三相电压源。
124.在该实施例中，该多相发送谐振器512为三相发送谐振器。该多相发送谐振器512被配置为生成电场，并经由谐振电场耦合传送功率。虽然也可以生成磁场，但是经由谐振或非谐振磁场耦合传送的功率很少(如果有的话)。该多相发送谐振器512包括三个发送电感器514和三个发送电容电极516。每个发送电感器514电连接到发送电容电极516。每个发送电感器514电连接在该多相rf转换器508的一对开关510之间。在该实施例中，每个发送电感器514直接电连接到相应的发送电容电极516。该第一发送电感器514电连接在该多相rf转换器508的第一对开关510之间。该第一对电连接的发送电感器514和电容电极516被配置为在0度的相位处以该多相发送谐振器512的谐振频率谐振，以生成电场。该第二对电连接的发送电感器514和电容电极516被配置为在120度的相位处以该多相发送谐振器512的谐振频率谐振，以生成电场。该第三对电连接的发送电感器514和电容电极516被配置为在240度的相位处以该多相发送谐振器512的谐振频率谐振，以生成电场。
125.该接收器504包括多相接收谐振器520、多相整流器526和负载530。该多相接收谐
振器520被配置为经由谐振电场耦合提取来自该多相发送谐振器512的功率。虽然也可以存在磁场，但是经由谐振或非谐振磁场耦合提取的功率很少(如果有的话)。该多相接收谐振器520电连接到该多相整流器526。
126.在该实施例中，该多相接收谐振器520为三相接收谐振器。该多相接收谐振器520被配置为向该多相整流器526输出三个正弦rf功率信号。该正弦rf功率信号彼此异相偏移。每个正弦rf功率信号被移相120度。该相位被分布，使得当第一信号为0度时，第二信号为120度，第三信号为240度。该多相接收谐振器520包括三个接收电容电极522和三个接收电感器524。每个接收电感器524电连接到接收电容电极522。在该实施例中，每个接收电感器524直接电连接到相应的接收电容电极522。每个接收电感器524电连接在该多相整流器526的一对二极管528之间。该第一接收电容电极522和电感器524对被配置为在0度的相位处以该多相发送谐振器512的谐振频率谐振，以经由谐振电场耦合从电场提取功率。第二接收电容电极522和电感器524对被配置成在120度的相位下以多相发送谐振器512的谐振频率谐振，以经由谐振电场耦合从电场提取功率。第三接收电容电极522和电感器524对被配置成在240度的相位下以多相发送谐振器512的谐振频率谐振，以经由谐振电场耦合从电场提取功率。
127.在该实施例中，该多相整流器526为三相整流器。该多相整流器526被配置为将接收的三个正弦rf功率信号转换成dc功率信号。该多相整流器526电连接到该负载530。该多相整流器526向该负载530输出该dc功率信号。该多相整流器526包括三对二极管528。该对二极管528为并联设置。每对二极管528接收正弦rf功率信号。每个正弦rf功率信号被移相120度。该三个正弦rf功率信号被整流成dc功率信号，该dc功率信号被输出到该负载530。
128.该负载530电连接到该多相整流器526。该负载530从该多相整流器526接收该dc功率信号。
129.如图5所示，第i个发送电容电极516的对地电容表示为电容c
gti
。第i个接收电容电极522的对地电容表示为c
gri
。第i个发送电容电极516和相邻发送电容电极516的电容表示为c
mti(i+1)
。第i个发送电容电极516和第j个发送电容电极516的电容表示为c
mtij
(未示出)。第i个接收电容电极522和相邻接收电容电极522的电容表示为c
mri(i+1)
。第i个接收电容电极522和第j个接收电容电极522的电容表示为c
mrij
(未示出)。第i个发送电容电极516和相邻的第i个接收电容电极522的电容表示为c
mtrii
。类似地，第i个接收电容电极522和相邻的第i个发送电容电极516的电容表示为c
mtrii
。第i个发送电容电极516和相邻的第j个接收电容电极522的电容表示为c
mtrij
(未示出)。类似地，第j个接收电容电极522和第i个发送电容电极516的电容表示为c
mtrji
(未示出)。该发送电感器510的电感表示为l
ti
。该接收电感器524的电感表示为l
ri
。术语i是介于1和3之间整数，包括1和3，其中i+1至多等于3。术语j是介于1和3之间的整数，包括1和3。
130.如前所述，参考该无线功率传送系统400具有该无线功率传送系统500的平衡的多相rf转换器508和平衡的负载530，当满足特定要求时，该无线功率传送系统500将达到平衡。具体来说，为了平衡该无线功率传送系统500，必须满足以下条件：
131.l
t1
＝l
t2
＝l
t3
132.c
gt1
＝c
gt2
＝c
gt3
133.c
mt12
＝c
mt23
＝c
mt31
134.l
r1
＝l
r2
＝l
r3
135.c
gr1
＝c
gr2
＝c
gr3
136.c
mr12
＝c
mr23
＝c
mr31
137.c
mtr11
＝c
mtr22
＝c
mtr33
138.c
mtr12
＝c
mtr21
＝c
mtr23
＝c
mtr32
＝c
mtr31
＝c
mtr13
139.如果该电容电极516和522具有相同的维度和配置，且该电感器510和524具有相同的维度和配置，则这些条件得以满足。
140.进行了模拟，以确定该多相整流器526与传统的单相整流器相比的性能。图5b是该无线功率传送系统500的多相整流器526输出的负载电压与单相整流器输出的负载电压的比较的图形。如图5b所示，该多相整流器526输出的负载电压比该单相整流器输出的负载电压呈现更少的纹波。
141.如图6所示，在该无线功率传送系统500的该实施例中，该多相发送谐振器512的发送电容电极516包括三个大致细长的平板。这些板是共面的。这些板大致是矩形的。这些板横向隔开。这些板包括第一板602、第二板604和第三板606。该第一板602与该第二板604间隔开，并且大致平行于该第二板604。该第二板604与该第一板602和该第三板606间隔开，并且大致平行于该第一板602和该第三板606。该第三板606与该第二板604间隔开，并且大致平行于该第二板604。该第一板602和第三板606分别具有相同的形状和尺寸。该第一板602、第二板604和第三板606分别具有相同的长度。
142.在该实施例中，该第一板602和该第三板606经由集总电容器608电连接。该集总电容器608补偿该第一板602和该第三板606之间的微弱电容。
143.如前所述，相邻板之间的互电容表示为电容cmt，每个板的对地电容表示为电容cg。该第二板604的宽度分别大于该第一板602和该第三板606的宽度。该第二板604宽度更大，以便该第二板604分别保持与该第一板602和第三板606相同的对地电容cg。虽然已描述了该发送电容电极516，但所属领域的技术人员将了解，该接收电容电极522可进行类似的配置。
144.虽然已将该发送电容电极516描述为具有特定配置，但本领域技术人员应理解，其他配置也是可行的。图7和图8显示该发送电容电极516的另一实施例，其通常被附图标记700标识。在该实施例中，该发送电容电极700包括n(三)行电极702、704和706，该多相发送谐振器512的每个相位有一行电极。每行电极702、704和706包括3*m+1(四)个板，其中m是正整数。在该实施例中，m是1。这些板大致是细长的平板。在该实施例中，该板是共面的。这些板横向隔开。每行电极702、704和706中的板包括第一板710、第二板712、第三板714和第四板716。该第一板710和第四板716是相同的。该第一板710和该第四板716大致是矩形的。该第二板712和该第三板714是相同的。该第二板712和该第三板714大致是矩形的。该第二板712和该第三板714的长度是该第一板710和该第四板716的两倍。
145.该第一板710与该第二板712间隔开，并与该第二板712大致平行。该第二板712与该第一板710和该第三板714间隔开，并且大致平行于该第一板710和该第三板714。该第三板714与该第二板712和第四板716间隔开，并且大致平行于该第二板712和第四板716。该第四板716与该第三板714间隔开，并且大致平行于该第三板714。该第一板710、第二板712、第三板714和第四板716分别具有相同的高度。该第二板712和该第三板714的长度是该第一板
710和第四板716的两倍。
146.如图7和图8所示，该第一行电极702中的第一板710、第二板712和第三板714分别经由平面外迹线电连接到该第三行电极702中的第二板712、第三板714和第四板716。该第一行电极702的第二板712、第三板714和第四板716分别经由面内迹线电连接到该第二行电极704的第一板710、第二板712和第三板714。该第二行电极704的第二板712、第三板714和第四板716分别经由面内迹线电连接到该第三行电极706的第一板710、第二板712和第三板714。
147.图7和图8所示的发送电容电极700的配置确保该多相发送谐振器512近似平衡。
148.虽然已对发送电容电极700进行了描述，但本领域技术人员将理解，该接收电容电极522可进行类似配置。
149.虽然已分离地对图6至图8中描述和显示的该发送电容电极516的实施例进行了描述，但本领域技术人员应理解，可将其组合在一起。现在参考图9，该接收电容电极522的另一实施例的平面图显示通常由附图标记1100标识。该接收电容电极1100包括第一板602、第二板604和第三板606。在此实施例中，该发送电容电极516通常由附图标记1110标识。该发送电容电极1110包含多行电极702、704和706，其具有第一板710、第二板712、第三板714和第四板716。
150.进行了模拟，以确定该无线功率传送系统300的性能，其中该接收电容电极1100包括该第一板602、第二板604和第三板606，该发送电容电极1110包括具有该第一板710、第二板712、第三板714和第四板716的多行电极702、704和706。在该模拟中，该接收电容电极1100沿着该发送电容电极1110的水平跨度从0mm的起始位置移动到300mm的最终位置。图10是以13.56mhz的谐振频率的rf效率与该接收电容电极1100沿着该发送电容电极1110的水平跨度的移动的函数的图形。该rf效率被定义为分别在该多相发送谐振器512和接收谐振器520之间的无线功率传送的效率。如图10所示，该rf效率保持在90％以上的水平。
151.虽然示例性发送和接收电容电极已被描述为矩形或正方形，但本领域技术人员应理解，其他配置也是可行的。在另一实施例中，该发送电容电极406包括n个相同的平面发送段。该发送段围绕平面内的中心点等距隔开。该发送段在围绕垂直于从该中心点延伸的平面的轴旋转360/n度时是对称的。该发送段互相分隔开。在该实施例中，该n个发送电容电极形成发送电容器。在使用期间，该发送电容器以该rf转换器308的工作频率谐振该n个发送电感器404的电抗。每个发送电感器404与该对应的发送段的输入电容谐振。
152.该接收电容电极410包括n个相同的平面接收段。该接收段围绕平面内的中心点等距隔开。该接收段在围绕垂直于从中心点延伸的平面的轴旋转360/n度时是对称的。该接收段互相分隔开。在该实施例中，该n个接收电容电极形成接收电容器。
153.在使用期间，该多相发送谐振器310与该多相接收谐振器312对准，使得该发送段和接收段的主表面彼此面对，每个谐振器310和312的中心点位于彼此的正横向。该接收段可以围绕垂直于穿过该接收电容器的中心点的该接收段的平面的轴旋转角度θ。当该发送段与该接收段旋转对准时，每个接收段与对应的发送段紧密耦合。因此，每个接收段在对应的发送段的相位处被驱动。在此位置，θ被设置为0。由于该发送段和接收段的旋转对称，θ＝p*360/n(其中p为任意整数)的位置与θ＝0的位置无法区分，因此互相无法区分。
154.虽然已将该发送电容电极516描述为具有特定配置，但本领域技术人员应理解，其
他配置也是可行的。图11示出了该发送电容电极516的另一实施例，其通常由附图标记1400标识。在该实施例中，该发送电容电极1400包含三个段1402。在该实施例中，该段1402是板。该段1402是共面的。该段1402的尺寸相同。该段1402间隔开，使其大致围绕其圆周形成圆。每个段1402跨越该圆的近似120度。该段1402围绕平面内的中心点等间距隔开。该段1402具有围绕该段1402的曲率的中心垂直于该段1402的主面的三重旋转对称的轴。虽然已描述了该发送电容电极1400，但所属领域的技术人员将了解，该接收电容电极522可进行类似的配置。
155.虽然已描述了该无线功率传送系统500，但本领域技术人员应理解，其他配置也是可行的。图12示出了通常由附图标记1500标识的部分无线功率传递系统。该无线功率传送1500包括发送器和接收器。除非另有说明，该发送器与前述发送器502相同。除非另有说明，否则该接收器与先前描述的接收器504相同。
156.在该实施例中，该多相发送谐振器512包括发送电容电极1502。该发送电容电极1502包括三个发送段1504。在该实施例中，该发送段1504是板。该发送段1504是共面的。该发送段1504尺寸相同。该发送段1504被间隔开，使其大致围绕其圆周形成圆。每个发送段1504跨越该圆的近似120度。该发送段1504围绕平面内的中心点等间距隔开。该发送段1504具有围绕该发送段1504的曲率的中心垂直于该发送段1504的主面的三重旋转对称的轴。每个发送段1504与电感器514配对，确保该多相发送谐振器512被配置为以该多相发送谐振器512的谐振频率谐振。该多相发送谐振器512的电感器514是相同的。由于该发送段1504的对称定位，该多相发送谐振器512是平衡的。
157.在该实施例中，每个发送段1504的外半径为150mm，内半径为30mm，厚度为0.1mm。每个发送段1504与相邻发送段1504之间有10mm的间隙。
158.在该实施例中，该多相接收谐振器520包括接收电容电极1510。该接收电容电极1510包括三个接收段1512。在该实施例中，该接收段1512是板。该接收段1512是共面。该接收段1512尺寸相同。该接收段1512被间隔开，使其大致围绕其圆周形成圆。每个接收段1512跨越该圆的近似120度。该接收段1512围绕平面内的中心点等间距隔开。该接收段1512具有围绕该接收段1512的曲率的中心垂直于该接收段1512的主面的三重旋转对称的轴。每个接收段1512与电感器524配对，确保该多相接收谐振器520被配置为以该谐振频率谐振。由于该接收段1512的对称定位，该多相接收谐振器520是平衡的。由于该多相发送谐振器512和接收谐振器512和520都是平衡的，所以该无线功率传送系统1500是平衡的。
159.在该实施例中，每个接收段1512的外半径为150mm，内半径为30mm，厚度为0.1mm。每个接收段1512与相邻的接收段1512之间有10mm的间隙。
160.在该实施例中，该发送和接收电感器514和524分别具有电感9.98μh和质量因数(q)225。该发送电容电极1502和接收电容电极1510具有相同的几何形状，并且彼此相距50mm。该发送电容电极1502和接收电容电极1510具有三重旋转对称的公共轴。
161.该无线功率传送系统1500可在旋转结构中实施。旋转结构可以采用滑环、直升机(helicopter)、转椅等形式。当该无线功率传送系统1500在旋转结构中实施时，该发送电容电极1502和该接收电容电极1510旋转360度。由于该电极1502和1510的三重旋转对称，建立该无线功率传送系统1500的泄漏电流对于从0到120度的所有角度位置θ都可忽略不计，这表明该无线功率传送系统1500是平衡的。
162.确定该无线功率传送系统1500的性能，并建立该无线功率传送系统1500的泄漏电流对于0至120度的所有角度位置θ都可忽略不计。图13是分别对于发送电容电极1502和接收电容电极1510从0度到120度的旋转，每个段1504和1512上的电流的总和与每个段1504和1512上的电流的幅度的总和之比的百分比图。每个段1504和1512上的电流的总和被定义为共模电流。图13中的比率通过下面公式得出：
[0163][0164]
其中i1、i2和i3分别是各自的发送电容电极1502和接收电容电极1510的第一、第二和第三段1504和1512上的电流。
[0165]
在整个120
°
旋转中，每个段1504和1512上的电流的总和小于该电流的均方根(rms)的0.05％。小于该电流的rms的0.05％的电流之和对应于66db的共模抑制比(cmrr)。因此，泄漏电流可忽略不计，且该无线功率传送系统1500在旋转下保持平衡。
[0166]
图14是每个接收段1512上的电流信号的相位与角度位置θ(旋转角度)的函数的图形。每个接收段1512上的电流的相位在360度的旋转中从180度到-180度(或等效地从0度到360度)几乎线性地降低。该相位以120度的周期按照正弦曲线的形式远离线性，反映了该接收电容电极510的结构。在下面的等式1a、1b和1c中提供了图14的图形中每条线的数值模型：
[0167]
phase 1＝-θ+offset+a*sin(3*θ+ψ)+0
ꢀꢀꢀ
(等式1a)
[0168]
phase 2＝-θ+offset+a*sin(3*(θ+ψ)+120
ꢀꢀꢀ
(等式1b)
[0169]
phase 3＝-θ+offset+a*sin(3*θ+ψ)+240
ꢀꢀꢀ
(等式1c)
[0170]
其中a是正弦振荡的振幅，ψ是相位常数。
[0171]
下面的表1中提供了等式1a、1b和1c的建模参数。
[0172][0173]
表1
[0174]
如等式1a、1b和1c所述，对于任何旋转角度，两个相邻的发送电容电极1502或接收电容电极1510之间的相位差为120度，从而在该多相接收谐振器512相对于该多相发送谐振器520旋转时能够进行连续的无线功率传送。120
°
的恒定相位分离确保该无线功率传送系统1500是平衡的。因此，如通过模拟建立的，对于从0到120度的所有角度位置θ，该无线功率传送系统1500的泄漏电流可忽略不计。
[0175]
执行了进一步的模拟，以建立在旋转结构中实施时的该无线功率传送系统1500的rf效率和输入阻抗。通过这些模拟，发现该rf效率在该无线功率传送系统1500的发送电容电极1502和接收电容电极1504的旋转期间几乎保持恒定，且因此提供了可预测的性能。然而，该输入阻抗在该无线功率传送系统1500的发送电容电极1502和接收电容电极1504的旋转期间显著变化。通常，在该无线功率传送系统1500的发送电容电极1502和接收电容电极
1504的旋转期间，该无线功率传送系统1500的包括rf效率和输入阻抗在内的属性围绕该属性的平均值以旋转的频率的n倍进行振荡。这些属性可以通过下面等式2中提供的形式计算出近似的数值：
[0176][0177]
g(θ)是作为旋转角度θ(单位：度)的特定属性的函数，是该属性的平均值，amp是振荡的振幅，被定义为任一极值与平均值之差，n是相位数，ξ是相位常数。
[0178]
该无线功率传送系统1500的rf效率、阻抗的实部和阻抗的虚部通过使用以下等式2中表2中的建模参数进行数值描述。该无线功率传送系统1500的阻抗的实部和虚部是该无线功率传送系统1500的输入阻抗的分量。
[0179][0180]
表2
[0181]
图15为在13.56mhz谐振频率下的该无线功率传送系统1500的rf效率与120度之上的角度旋转的函数的图形。该rf效率被定义为分别在该多相发送谐振器512和接收谐振器520之间的无线功率传送的效率。图15中示出的该rf效率由等式2以及表2的建模参数来表示。与该振幅相比，偏移参数较大；因此，该无线功率传送系统1500在120度之上的旋转中将rf效率保持在94.5％以上。
[0182]
图16是该无线功率传送系统1500的每个发送电容电极1502处呈现的阻抗的实部与120度之上的角度旋转的函数的图形。该输入阻抗包括每个发送电容电极1502处呈现的阻抗的实部和虚部。该阻抗变化的振幅是该偏移的44％。图16中所示的阻抗的实部由等式2以及表2的建模参数来表示。
[0183]
图17是该无线功率传送系统1500的每个发送电容电极1502处呈现的阻抗的虚部与120度之上的角度旋转的函数的图形。图17中所示的阻抗的虚部由等式2以及表2的建模参数来表示。
[0184]
变化的输入阻抗被加载到该rf转换器508中。对于恒定负载，该rf转换器508因此将输出变化量的功率，导致在该接收器504处接收到变化量的功率。
[0185]
图18为2018年5月22日发布的美国专利号9,979,206中所述的无线功率传送系统1500和无线功率传送系统70的在13.56mhz的谐振频率下的rf效率与发送谐振器和接收谐振器之间的纵向间隔的函数的图形，其相关部分通过引用并入本文。
[0186]
该无线功率传送系统70具有发送谐振器和接收谐振器，每个谐振器包括两个盘形电容电极，外部电容电极和内部电容电极。该外部电容电极的外半径r
out
为150mm，内半径r
in
为120mm。该内部电容电极的外半径r
out
为110mm，内半径r
in
为80mm。该发送谐振器和接收谐振器的电感器各自都具有电感7.37μh。该无线功率传送系统70和1500被调谐，以在发送谐振器和接收谐振器之间的纵向间隔为300mm时使得rf效率最大化。
[0187]
在图18中，该无线功率传送70被标识为“同心”，该无线功率传送系统1500被标识
为“三相”。如图18所示，该无线功率传送系统1500在纵向间隔超过近似50mm处具有较高的rf效率。该无线功率传送系统70在纵向间隔小于近似50mm处具有较高的rf效率。然而，在纵向间隔小于近似50mm处的这种较高的rf效率仅增加了近似10％。
[0188]
虽然已将该发送电容电极516描述为具有特定配置，但本领域技术人员应理解，其他配置也是可行的。图19示出了该发送电容电极516的另一实施例，其通常由附图标记2200标识。在该实施例中，该发送电容电极2200包含三个段2202。在该实施例中，该段2202是板。该段2202是共面的。该段2202的尺寸相同。该段2202被间隔开，使其大致围绕其圆周形成圆。每个段2202跨越该圆的近似120度。该段2202围绕平面内的中心点等间距隔开。
[0189]
在该实施例中，该段2202被对数螺线间隙隔开，由图19中的虚线表示，并由以下等式3描述：
[0190][0191]
在等式3中，r(β)是旋转角度β的螺旋的半径，a是内半径，b是外半径，φ是曲线扫过的角度。
[0192]
与该发送电容电极1400相比，该发送电容电极2200提供更恒定的输入阻抗，以减少输出功率的变化，并为该rf转换器508提供更有利的条件。
[0193]
虽然已对该发送电容电极2200进行了描述，但本领域技术人员将理解，该接收电容电极522可进行类似的配置。
[0194]
图20示出了针对曲线φ扫过的各种角度的值的发送电容电极2200的其他实施例。具体而言，使用了以下数值：a:φ＝30；b:φ＝60；c:φ＝120；d:φ＝180；以及e:φ＝360度。
[0195]
虽然已描述了该无线功率传送系统500，但本领域技术人员将理解，其他配置也是可行的。图21示出了部分无线功率传送系统，通常由附图标记2400标识。该无线功率传送2400包括发送器和接收器。除非另有说明，该发送器与前述发送器502相同。除非另有说明，该接收器与前述接收器504相同。
[0196]
在该实施例中，该多相发送谐振器512包括发送电容电极2402。该发送电容电极2402包括三个发送段2404。在该实施例中，该发送段2404是板。该发送段2404是共面的。该发送段2404尺寸相同。该发送段2404被间隔开，使其大致围绕其圆周形成圆。每个发送段2404跨越该圆的近似120度。该发送段2404围绕平面内的中心点等间距隔开。该发送段2404具有围绕该发送段2404的曲率的中心垂直于该发送段2404的主面的三重旋转对称的轴。每个发送段2404与电感器514配对，确保该多相发送谐振器512被配置为以该多相发送谐振器512的谐振频率谐振。该多相发送谐振器512的电感器514是相同的。由于该发送段2404的对称定位，该多相发送谐振器512是平衡的。
[0197]
在该实施例中，每个发送段2404的外半径b为150mm，内半径a为30mm，厚度为0.1mm。每个发送段2404与相邻发送段2404之间有10mm的间隙。
[0198]
在该实施例中，该多相发送谐振器512还包括发送无源电极2406。在2018年9月21日提交的美国专利申请号16/138,344中描述了该发送无源电极2406，其相关部分通过引用并入本文。在该实施例中，该发送无源电极2406包括平面盘。该发送无源电极2406与该发送电容电极2402平行。该发送无源电极2406的面积大于该发送电容电极2402的总面积。该发
送无源电极2406的中心与该发送电容电极2402的中心点对准。该发送无源电极2406与该发送电容电极2402相距50mm。
[0199]
在该实施例中，该多相接收谐振器520包括接收电容电极2410。该接收电容电极2410包括三个接收段2412。在该实施例中，该接收段2412是板。该接收段2412是共面。该接收段2412的尺寸相同。该接收段2412被间隔开，使其大致围绕其圆周形成圆。每个接收段2412跨越该圆的近似120度。该接收段2412围绕平面内的中心点等间距隔开。该接收段2412具有围绕该接收段2412的曲率的中心垂直于该接收段2412的主面的三重旋转对称的轴。每个接收段2412与电感器524配对，确保该多相接收谐振器520被配置为以谐振频率谐振。该多相接收谐振器520的电感器524是相同的。由于该发送段2404的对称定位，该多相接收谐振器520是平衡的。
[0200]
在该实施例中，每个接收段2412的外半径b为150mm，内半径a为30mm，厚度为0.1mm，φ曲线扫过的角度为120度。每个接收段2412与相邻的接收段2412之间有10mm的间隙。
[0201]
在该实施例中，该多相发送谐振器512还包括接收无源电极2414。在2018年9月21日提交的美国专利申请号16/138,344中描述了该接收无源电极2414，其相关部分通过引用并入本文。在该实施例中，该接收无源电极2414包括平面盘。该接收无源电极2414与该接收电容电极2412共面。该接收无源电极2414的面积大于该接收电容电极2412的总面积。该接收无源电极2414的中心与该接收电容电极2412的中心点对准。该接收无源电极2414与该接收电容电极2412相距50mm。
[0202]
该发送电容电极2402和接收电容电极2410彼此相距50mm。该发送电容电极1502和接收电容电极1510具有三重旋转对称的公共轴。由于该多相发送谐振器512和接收谐振器520都是平衡的，所以该无线功率传送系统1500也是平衡的。
[0203]
由于有源电极(即发送电容电极2402和接收电容电极2410)与该无源电极2406和2414之间的互电容提供了额外的电流返回路径，该无源电极2406和2414可减少耦合，然而，该无源电极2406和2414可提供益处。例如，该无源电极2406和2414可以增加电容，这降低了电感需求和反射阻抗，从而降低了该无源电极2406和2414处的电压。还可以降低环境敏感性和场释放。此外，相对于该有源电极，与该无源电极2406和2414相对的低场区域可适于安装电子器件。
[0204]
该无线功率传送系统2400的rf效率、阻抗的实部和阻抗的虚部通过使用以下等式2中的表3中的建模参数进行数值描述。该无线功率传送系统2400的阻抗的实部和虚部是该无线功率传送系统2400的输入阻抗的分量。
[0205][0206]
表3
[0207]
执行了模拟，以确定与该无线功率传送系统1500相比，该无线功率传送系统2400
的性能。在上面的表3和表4中提供了rf效率的建模参数、在各自的无线功率传送系统2400和1500的每个电容电极处呈现的阻抗的实部、以及在各自的无线功率传送系统2400和1500的每个电容电极处呈现的阻抗的虚部。
[0208]
该无线功率传送系统2400的阻抗的实部的振幅为平均值的36％。与该无线功率传送系统1500相比，这表示阻抗变化的显著减少。此外，如表2和表3中所示，该无线功率传送系统2400的每一个发送电容电极2302的阻抗的虚部的平均值和振幅远小于该无线功率传送系统1500的每一个发送电容电极1502的阻抗的虚部的振幅。这表明该rf转换器508看到更有利的阻抗。
[0209]
执行了进一步的模拟，以确定当改变曲线φ扫过的角度时，与该无线功率传送系统1500相比，该无线功率传送系统2400的性能。通常，增加曲线φ扫过的角度降低了平均rf效率(拟合参数)，同时增加了旋转下的效率变化的振幅(amp拟合参数)，降低了阻抗的实部的平均值和振幅，降低了阻抗的虚部的平均值和振幅，并且减少了该无线功率传送系统2400所需的电感。模拟确定了在120度和180度之间曲线φ扫过的角度产生了最佳的整体无线功率传送系统性能。
[0210]
尽管多相谐振器被描述为具有三个电容电极，但本领域技术人员将理解，更多电容电极是可能的。图22a至图22e分别示出了用于该多相发送谐振器310或接收谐振器312的电容电极的其他实施例。具体地，图22a示出了如前所述布置成圆形的三个电容电极；图22b示出了布置成圆形的四个电容电极；图22c示出了布置成圆形的五个电容电极；图22d示出了布置成圆形的六个电容电极；图22e示出了布置成圆形的十二个电容电极。
[0211]
此外，尽管已将该多相谐振器描述为具有特定形状和配置的电容电极，但本领域技术人员将理解，其他形状和配置也是可能的。图23a至图23i分别示出了用于该多相发送谐振器512或接收谐振器520的电容电极的其他实施例。具体而言，图23a示出了电容电极，其包括由通道隔开的三个相同尺寸的平盘的段。
[0212]
图23b和图23c示出了由平盘形成的电容电极，该平盘的内半径为a、外半径为b，具有将360/n度切分开的通道。在该实施例中，n是三。该通道沿着螺旋路径从该内半径a延伸到该外半径b。在该实施例中，该螺旋路径是对数的。图23b示出了具有以逆时针方式设置的螺旋路径的电容电极。图23c示出了具有以顺时针方式设置的螺旋路径的电容电极。
[0213]
图23d示出了与图11所示的前述电容电极1400相同的电容电极。
[0214]
图23e和图23f示出了由平盘形成的电容电极，该平盘的内半径为a、外半径为b，具有将360/n度切分开的通道。在该实施例中，n是三。该通道沿着螺旋路径从该内半径a延伸到该外半径b。在该实施例中，该螺旋路径是阿基米德(archimedean)的。在另一个实施例中，该螺旋是双曲线。
[0215]
图23g和图23h显示了由平盘形成的电容电极，该平盘的内半径为a、外半径为b，具有将360/n度切分开的通道。在该实施例中，n是三。该通道沿着由该电容电极形成的圆的直切线路径从该内半径a延伸到该外半径b。
[0216]
图23i示出了由彼此等距间隔的平面矩形板形成的电容电极，该电容电极布置成圆形，使得板与圆心对准，并从圆心向外延伸。
[0217]
虽然已将图23a至图23i的电容电极描述为具有三个电容电极，但本领域技术人员应理解，更多电容电极也是可能的。此外，本领域技术人员将理解，图23a至图23i中所示的
电容电极可用于该多相发送谐振器和接收谐振器中的两个或仅一个。
[0218]
虽然已将多相谐振器描述为具有特定形状和配置的电容电极，但本领域技术人员将理解，其他形状和配置也是可能的。图24a是该无线功率传送系统500的电容电极的另一实施例的侧视图，其通常由附图标记2800标识。图24b是该电容电极2800的透视图。每个电容电极2800是矩形平板2802。如图24a所示，板2802在垂直平面中彼此呈120度角设置。如图24b所示，该板2802在其周边形成三棱柱。
[0219]
该板2802可形成该多相发送谐振器510和该接收谐振器520中至少一个的一部分。图25a是形成该多相发送谐振器510的发送电容电极2902的板2802和形成该多相接收谐振器520的接收电容电极2904的板2802的侧视图。在该实施例中，在该发送电容电极2902的外围处形成的三棱柱包围在该接收电容电极2904的外围处形成的三棱柱。在该实施例中，在该电容电极2902和2904的外围形成的三棱镜具有相同的取向。图25b是该电容电极2902和2904的侧视图，使得由该接收电容电极2904形成的三棱柱相对于由该发送电容电极2902形成的三棱柱而倒置。
[0220]
虽然已将多相谐振器描述为具有特定形状和配置的电容电极，但本领域技术人员将理解，其他形状和配置也是可能的。图26是该无线功率传送系统500的电容电极的另一实施例的透视图，其通常由附图标记3000标识。在该实施例中，该电容电极3000包括形成中空管的三个段3002。每个段3002具有相同的维度。
[0221]
虽然已将多相谐振器描述为具有特定形状和配置的电容电极，但本领域技术人员将理解，其他形状和配置也是可能的。图27是该无线功率传送系统500的电容电极的另一实施例的透视图，其通常由附图标记3300标识。除非另有说明，该电容电极3300与前述段1402相同。在该实施例中，该电容电极3300包括形成该多相发送谐振器512的发送电容电极516的发送段3302和形成该多相接收谐振器520的接收电容电极522的接收段3304。该段3302和3304围绕轴3310设置，使得该轴穿过由该段3302和3304形成的圆的中心点。在该实施例中，该轴3310半径为30mm。该段3302和3304具有与该轴3310相距20mm的内部轴位移。该段3302和3304具有与该轴3310相距120mm的外部轴位移。在具有0度角度位置θ的该段3302和3304的无线功率传送系统500的模拟中，发现该无线功率传送系统500的rf效率为87％。
[0222]
构建了实验性无线功率传送系统4000，并且如图28a至图28c所示。如图28a所示，该无线功率传送系统4000包括发送器4010和接收器4020。除非另有说明，该发送器4010和接收器4020分别与所描述的发送器502和接收器504相同。该无线功率传送系统4000的组件(例如，电源和负载)在图28a到图28c中未示出。
[0223]
该发送器4010和接收器4020配置相同。因此，为了便于解释，将仅描述该发送器4010。如图1和2中清楚描述的。如图28a和图28b所示，该发送器4010包括三(3)个电容电极4002和相对于该接收器4020与该电容电极4002相对的无源电极4004。该发送器4010所需的电子器件位于与该电容电极4002相对的无源电极4004的一侧，因为该无源电极4004使得释放最小化。在该实施例中，该电子器件在印刷电路板(pcb)4006上。
[0224]
在该实验性无线功率传送系统4000中，该电极4002和4004由铝切割而成。该电容电极4002的外半径和内半径分别为100mm和20mm。该发送器4010和接收器4020之间的间隔距离均匀地为25mm。该发送器4010和无源电极4004之间的间隔距离均匀地为10mm。
[0225]
收集关于该系统400的实验数据，以确定系统性能。具体而言，rf效率和接收的整
流电压被确定为对于各种负载(例如50w、25w和12.5w)的旋转角度的函数。现在参考图29a和图29b，这些图描绘了这些实验的结果。
[0226]
图29a是该无线功率传送系统4000的rf效率与角度旋转的函数的图形。在不同负载(50w、25w和12.5w)下描述rf效率。随着负载的减少，在效率中可以观察到对旋转的敏感性更强。在12.5w时，由于二极管换向和逆变器硬开关造成的损耗增加，效率最小值出现在120的倍数处。穿过25mm的传输间隙将功率传送到50w负载处显示是可能的，在整个旋转期间，平均端到端效率为73％。
[0227]
图29b是该无线功率传送系统4000的整流电压(v
rect
)与角度旋转的函数的图形。具体而言，v
rect
是在该接收器4020处接收的未调节整流电压。类似于图29a，该整流电压被描绘为各种负载(50w、25w和12.5w)。平均而言，最大和最小的v
rect
之间的比值被发现近似为1.66。虽然已将该发送电容电极406描述为具有特定配置，但所属领域的技术人员将了解，其它配置也是可能的。在另一实施例中，该发送电容电极406是多重旋转对称的。该多重旋转对称的轴围绕该电容电极406的曲率的中心垂直于该电容电极406的主面。虽然已描述了该发送电容电极406，但所属领域的技术人员将了解，该接收电容电极410可进行类似的配置。
[0228]
虽然已描述了特定的无线功率传送系统，但本领域技术人员应理解，其他配置也是可行的。该无线功率传送系统可以进一步包括发送无源电极和接收无源电极中的至少一个。在2018年9月21日提交的美国专利申请号16/138,344中描述了该无源电极，其相关部分通过引用并入本文。
[0229]
尽管上文已描述了实施例，并在附图中显示了实施例，但本领域技术人员应理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下进行改变和修改，并且权利要求的范围应该被给予与说明书整体相一致的最广泛的解释。