合并来自谐振磁电力系统中的多个谐振磁接收器的电力的制作方法
【专利摘要】本发明公开涉及合并来自谐振磁电力系统中的多个谐振磁接收器的电力。描述了无线供电的本地计算环境的各种实施例。描述了用于在计算环境中利用无线近场磁谐振（NFMR）电力发送的系统与方法。小型无线电力单元可以用于代替以往的电池。
【专利说明】合并来自谐振磁电力系统中的多个谐振磁接收器的电力
【技术领域】
[0001]所述实施例总体上涉及在便携式计算环境中利用无线电力传输。
【背景技术】
[0002]能量或电力可以利用多种已知的辐射，或者说远场，和非辐射，或者说近场，技术无线地传送。例如，利用低方向性天线，诸如用在无线电与蜂窝通信系统和家用计算机网络中的那些天线，的辐射无线信息传送可以被认为是无线能量传送。但是，这种类型的辐射传送是非常低效的，因为所提供或辐射的电力中只有很小一部分，即，在接收器的方向中并且与接收器叠加的那部分，被获取。绝大部分电力都在所有其它方向辐射开了并且丢失在自由空间中。这种低效的电力传送对于数据传输是可以接受的，但是对于为了工作，诸如为了给电子设备供电或充电，而传送有用数量的电能量是不切实用的。
[0003]提高一些辐射能量传送方案的传送效率的一种途径是使用定向天线来局限辐射能量并且优先将其朝向接收器指弓I。但是，在移动发送器和/或接收器的情况下，这些定向辐射方案可能需要不间断的视线及有可能复杂的跟踪与操纵机制。此外，当正在发送中等数量到大量的电力时，这种方案会对横跨射束或与射束交叉的物体或人带来危险。一种已知的非辐射，或者说近场，无线能量传送方案，不(有意地)辐射电力，而是使用通过主线圈的振荡电流，来生成在附近的接收或次线圈中感应出电流的振荡磁近场，这种方案常被称为感应或传统感应。传统感应方案已经论证了中等数量到大量电力的发送，但是只在非常短的距离上，而且在主电源单元和次接收器单元之间具有非常小的偏差容限。变电器和接近充电器(proximity charger)是利用这种已知的短距离、近场能量传送方案的设备的例子。
[0004]众所周知，可用的电力可以从电源无线传送到位于被称为近场的距离内的接收器。近场意味着在比传送中所涉及的两个目标大几倍的距离内(对于大部分应用是大约一米左右)，相对大量的电力(至少是大约几瓦)可以在无线源设备与接收器之间以可以接受的效率被传送。以这种方式，可以实现经适合于有限应用的距离无线传送可用电量的切实可行的办法。一般来说，每个电池供电的设备，诸如无线电子设备，都需要自己的充电器和电源，这通常是交流电流(AC)电源插座。当许多设备需要充电时，这种有线配置变得很笨拙。
[0005]所需要的是在无线供电的本地计算环境中在外围设备之间进行高效且用户友好的交互的方法、系统与装置。
[0006]以下来自2007 年 4 月 27 日可以在线获得的 Annals of Physics323 (2008) 34-48、由 Aristeidis Karalis 等人所著的 “Efficient Wireless non-radiative mid-rangeenergy transfer，，。
[0007]1.介绍
[0008]在电磁学早期,在开发出电线网格(electrical-wire grid)之前,朝着无需任何载体介质(例如，无线地)经长距离运输能量的方案开发(最显著的是由Nikola Tesla[l])投入了极大的兴趣与努力。这些努力看起来已经有了一些成功。全方位天线(非常适于信息传送)的辐射模式不适合这种能量传送，因为大量的能量都浪费到自由空间中去了。利用激光或高度定向天线的定向辐射模式可以有效地用于能量传送，即使对于长距离也可以(传送距离LTEANS》LDEV，其中Ldev是设备的特征尺寸)，但是在移动目标的情况下需要存在不可间断的视线和复杂的跟踪系统。近年来自治电子产品(例如，膝上型电脑、手机、家用机器人，这些一般全都依赖化学能量存储)的快速发展证明重拾对这个问题的调研是正确的。如今，我们面对与Tesla不同的挑战:由于现有的电线网格几乎在每个地方都携带能量，甚至中等距离的(Lteans~几*LDEV)无线能量传送对于许多应用也将是相当有用的。存在几种目前使用的方案，这些方案依赖于非辐射模式(磁感应)，但是它们受限于非常近距离(LtkansKLdev)或者非常低电力(~mW)的能量传送[2-6]。[0009]与所有以上方案相反，我们调查了使用寿命长的振荡谐振电磁模式，其具有局部化的慢渐逝场方向图，对于有效无线非辐射中等距离能量传送的可行性。所提出的方法是基于众所周知的谐振耦合原理(两个相同频率的谐振对象趋于耦合而与另一个不谐振环境对象弱交互的事实)而且，特别地，谐振渐逝耦合(其中耦合机制是通过两个对象的非辐射近场叠加来中转(mediate)的)。这种众所周知的物理现象很平常地导致能量可以在极端近场中对象之间有效耦合的结果(例如，在光学波导或空腔耦合器中或者在谐振感应变电器中)。但是，这种物理现象如何在中等范围的距离上执行还远不明晰，而且就我们所知，文献中还没有证明对于比传送中所涉及的两个对象的最大维度大几倍的距离进行有效能量传送的著作。在所给出的论文中，我们的具体理论与数值分析显示这种有效的中等范围无线能量交换实际上是可以实现的，能量只遭受适度传送与耗散到其它不谐振的对象中，与所有固有损失率相比，假定交换系统仔细地设计成运行在“强耦合”的体制(regime)下。“强耦合”的物理性质也是已知的，但是是在非常不同的领域中，例如光-物质交互的那些领域中[7]。在这个有利的运行体制下，我们量化地解决以下问题:这种方案直到什么距离是有效的而且它对外部扰动多敏感？近场的全向但固定(非有损)本质使这种机制适于移动无线接收器。因此，会有大量可能的应用，包括例如把(连接到有线电网的)电源放到厂房的天花板上，同时设备(机器人、车辆、计算机等)在房间内自由地漫游。其它可能的应用包括电动发动机客车、RFID，可能还有纳米机器人。
[0010]2.耦合范围与耦合率
[0011]所提出的无线能量传送方案的范围与比率是检查的第一个主题，而无需为了在工作中使用而考虑能量从系统的排放。用于建模这种谐振能量交换的一种适当的分析框架是众所周知的耦合模式理论(CMT) [8]。在这个图中，两个谐振对象I和2的系统的场近似地是F (r, t) ^ B1 (t) F1 (r) +a2 (t) F2 (r)，其中F1:2 (r)是I和2单独的本征模式，而且随后场幅it B1 (t)和a2(t)可以对最低阶示为[8]满足:
【权利要求】
1.一种布置成向设备至少提供从磁场无线接收的最小电量的无线电力单元，其中所述磁场是由具有谐振频率ωτ的近场磁谐振(NFMR)发送器单元提供的，输送到所述设备的最小电量独立于便携式电力单元相对于所述磁场的空间朝向，所述无线电力单元包括: 第一谐振器结构，所述第一谐振器结构具有谐振频率W1和特征尺寸L1 ； 第二谐振器结构，所述第二谐振器结构具有谐振频率ω2和特征尺寸L2，其中所述第一和第二谐振器结构磁去耦合，使得所述第一和第二谐振器结构之间的有效磁耦合系数K eff大约为零；及 电力合并电路，耦合到磁去耦合的所述第一和第二谐振器结构，所述电力合并电路布置成: 负载匹配所述第一和第二谐振器结构与所述设备， 负载平衡来自所述第一和第二谐振器结构的电力，及 将所述第一和第二谐振器结构之间的有效磁耦合系数维持在大约为零，而不考虑所述无线电力单元相对于所述NFMR磁场的空间朝向，使得所述设备从所述无线电力单元无线接收至少最小电量，而不考虑至少两个NFMR电力接收器相对于所述NFMR磁场的朝向。
2.如权利要求1所述的无线电力单元，其中所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构在所述无线电力单元中相对于彼此的位置是固定的，使得所述第一和第二谐振器结构之间的有效磁耦合系数K @大约为零，而不考虑所述便携式电力单元相对于由所述无线发送器单元提供的磁场的空间朝向。
3.如权利要求1所述的无线电力单元，其中，当所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构中的至少一个相对于所述NFMR发送器单元处于调谐状态时，无线发送器单元与所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构之间的非辐射电力传送通过所述第一谐振器结构和所述第二谐振器结构之间的磁谐振耦合来中转。
4.如权利要求3所述的无线电力单元，其中，当第一谐振频率Q1和无线发送器谐振频率《“皮不超过3db的带宽隔开时，所述第一谐振器结构处于调谐状态。
5.如权利要求4所述的无线电力单元，其中，当第二谐振频率ω2和无线发送器谐振频率《“皮不超过3db的带宽隔开时，所述第二谐振器结构处于调谐状态。
6.如权利要求5所述的无线电力单元，其中所述第一谐振器结构包括: 第一谐振线圈，所述第一谐振线圈包括: 第一中央芯区；及 第一多个沿圆周环绕圆柱形中央芯区的连续导电材料的回路。
7.如权利要求6所述的无线电力单元，其中所述第二谐振器结构包括: 第二谐振线圈，所述第二谐振线圈包括: 第二中央芯区；及 第二多个沿圆周环绕圆柱形中央芯区的连续导电材料的回路，其中所述第一谐振线圈中所感应的第一 EMF没有感应出所述第二谐振线圈中的全部EMF。
8.如权利要求6所述的无线电力单元，其中所述第一谐振线圈的长度与所述特征尺寸L1相应。
9.如权利 要求6所述的无线电力单元，其中所述第二谐振线圈的长度与所述特征尺寸L2相应。
10.如权利要求9所述的无线电力单元，其中所述第一谐振线圈的纵轴与所述第二谐振线圈的纵轴垂直。
11.如权利要求10所述的无线电力单元，其中在第一种布置中，所述第一谐振线圈的第一末端靠近所述第二谐振线圈的纵轴的中点并且与其共面。
12.如权利要求1所述的无线电力单元，其中所述电力合并单元包括: 阻抗匹配网络，连接到所述第一和第二谐振器结构，所述阻抗匹配网络布置成匹配接收器阻抗与负载阻抗； 整流电路，布置成从所述阻抗匹配网络接收AC信号并且把所述AC信号转换成DC信号；及 OR电路，布置成在所述第一和第二谐振器结构与所述设备之间提供负载平衡功能。
13.如权利要求12所述的无线电力单元，其中所述第一和第二谐振器结构每个都被建模为具有电感值L1的电感器和串联电阻器Rs。
14.如权利要求13所述的无线电力单元，其中所述阻抗匹配电路包括: 电容网络,包括: 第一电容器，具有第一电容值Cl '及 与第一电容器并联的第二电容器，具有第二电容值C2，其中，当所述第一和第二谐振器结构利用NFMR发送器调谐时，接收器电感器与所述电容网络谐振以匹配所述设备的负载电阻与所述接收器的负载电阻。
15.如权利要求14所述的无线电力单元，其中所述整流电路包括进一步包括多个二极管的全桥整流器电路。
16.如权利要求15所述的无线电力单元，其中所述OR电路包括至少一个二极管。
17.如权利要求16所述的无线电力单元，其中所述第一和第二谐振器结构的第一个和第二个通过所述OR电路彼此电连接。
18.如权利要求17所述的无线电力单元，其中所述OR电路包括: 存储元件；及 负载平衡切换电路，具有连接到所述存储元件的第一节点和连接到所述设备的第二节点，其中所述存储元件的第一节点连接到所述整流电路的输出节点，而且所述负载平衡切换电路的第一节点和所述存储元件的第二节点连接到地，其中所述负载平衡切换电路用于确保所述第一和第二谐振器结构之间适当的负载平衡，由此向所述设备提供一致的电力。
19.一种布置成独立于外围设备相对于NFMR电力发送器的朝向而从所述NFMR电力发送器无线接收电力的外围设备，所述外围设备包括: 无线电力接收单元，包括: 至少两个磁去耦合的近场磁谐振(NFMR)电力接收器，每个都布置成从NFMR磁场接收电力； 电力合并电路，耦合到所述至少两个磁去耦合的NFMR电力接收器，所述电力合并电路布置成: 负载匹配所述至少两个NFMR电力接收器与所述设备， 负载平衡来自所述至少两个NFMR电力接收器的电力，及 将所述至少两个磁去耦合的NFMR电力接收器之间的有效磁耦合系数维持在大约为零，而不考虑所述无线电力单元相对于所述NFMR磁场的空间朝向，使得所述设备从所述无线电力单元无线接收基本上恒定的电力，而不考虑所述至少两个NFMR电力接收器相对于所述NFMR磁场的朝向。
20.如权利要求19所述的外围设备，其中所述电力合并单元包括: 阻抗匹配网络，连接到所述至少两个NFMR电力接收器，所述阻抗匹配网络布置成匹配接收器阻抗与负载阻抗； 整流电路，布置成从所述阻抗匹配网络接收AC信号并且把所述AC信号转换成DC信号；及 OR电路，布置成在所述至少两个磁去耦合的NFMR电力接收器与所述设备之间提供负载平衡功能。
21.如权利要求20所述的外围设备，其中所述至少两个NFMR电力接收器每个都被建模为具有电感值L1的电感器和串联电阻器Rs。
22.如权利要求21所述的外围设备，其中所述阻抗匹配电路包括: 电容网络,包括: 第一电容器，具有第一电容值Cl '及 与所述第一电容器并联的第二电容器，具有第二电容值C2，其中当所述至少两个NFMR接收器与NFMR发送器处于谐振模式下时，所述接收器电感器与所述电容网络谐振以匹配所述设备的负载电阻与所述接收器的负载电阻。
23.如权利要求22所述的外围设备，其中所述整流电路包括进一步包括多个二极管的全桥整流器电路。
24.如权利要求23所述的外围设备，其中所述OR电路包括至少一个二极管。
25.如权利要求24所述的外围设备，其中所述外围设备包括至少三个NFMR电力接收器，布置成彼此垂直，使得当所述外围设备移动到三维空间体积中的任一位置时，都不会实质性损耗从NFMR电力发送器无线接收的电力。
26.一种布置成提供可用电力的小型无线电力单元，包括: 谐振电力线圈，布置成在所述谐振电力线圈配置成以NFMR发送器的谐振频率操作时，通过电力传送通道从耦合到电源的近场磁谐振(NFMR)发送器接收电力，其中所述小型无线电力单元的大小适合放在外围设备的电池仓内。
27.如权利要求26所述的小型无线电力单元，其中所述电池仓的大小适合容纳标准的AAA型号电池。
28.如权利要求27所述的小型无线电力单元，进一步包括: 谐振线圈，包括: 中央芯区，具有位于中央的纵轴，及 多个关于所述纵轴沿圆周环绕圆柱形中央芯区的连续导电材料的回路。
29.如权利要求28所述的小型无线电力单元，其中，当所述外围设备是键盘，在所述键盘的操作过程中所述键盘相对于所述NFMR发送器具有稳定的朝向时，所述电力单元以使所述电力单元的纵轴相对于所述NFMR发送器对准的方式放在所述键盘中，使得在所述多个回路中感应出最大磁通量。
30.如权利要求29所述的小型无线电力单元，其中，当所述外围设备相对于所述NFMR发送器自由移动时，所述电力单元包括至少一个与所述谐振电力线圈磁去耦合的第二谐振电力线圈。
31.如权利要求30所述的小型无线电力单元，其中所述第二谐振线圈放成与所述谐振电力线圈隔开至少距离t，使得所述谐振电力线圈与所述第二谐振电力线圈之间的有效磁耦合系数Krff大约为零。
32.如权利要求31所述的小型无线电力单元，其中，当所述第二磁谐振线圈与所述磁谐振线圈之间的距离小于距离t时，所述第二磁线圈与所述磁谐振线圈相对于彼此布置成使得所述谐振电力线圈与所述第二谐振电力线圈之间的有效磁耦合系数K eff保持大约为零。
33.如权利要求32所述的小型无线电力单元，其中所述谐振线圈与所述第二谐振线圈相对于彼此布置成T型布置。
34.如权利要求33所述的小型无线电力单元，其中所述电力单元进一步包括第三谐振线圈，所述第三谐振线圈相对于所述第一和第二谐振线圈布置成十字型布置。
35.如权利要求34所述的小型无线电力单元，其中所述外围设备包括: 用于封住所述谐振电力线圈的外罩。
36.如权利要求35所述的小型无线电力单元，其中，当所述外围设备是键盘时，所述电力单元以使所述电力单元的纵轴相对于所述NFMR发送器对准的方式放在所述键盘中，使得在所述多个回路中感应出最大磁通量，其中在所述键盘的操作过程中所述键盘相对于所述NFMR发送器具有稳定的朝向。
37.如权利要求36所述的小型无线电力单元，其中，当所述外围设备相对于所述NFMR发送器自由移动时，所述电力单元包括至少一个与所述谐振电力线圈磁去耦合的第二谐振电力线圈。`
38.如权利要求37所述的小型无线电力单元，其中所述第二谐振线圈放成与所述谐振电力线圈隔开至少距离t，使得所述谐振电力线圈与所述第二谐振电力线圈之间的有效磁耦合系数Krff大约为零。
39.如权利要求38所述的小型无线电力单元，其中当所述第二磁谐振线圈与所述磁谐振线圈之间的距离小于距离t时，所述第二磁线圈与所述磁谐振线圈相对于彼此布置成使得所述谐振电力线圈与所述第二谐振电力线圈之间的有效磁耦合系数K eff保持在大约为零。
40.如权利要求39所述的小型无线电力单元，其中所述谐振线圈与所述第二谐振线圈相对于彼此布置成T型布置。
41.如权利要求40所述的小型无线电力单元，其中所述电力单元进一步包括第三谐振线圈，所述第三谐振线圈相对于所述第一和第二谐振线圈布置成十字型布置。
【文档编号】H04B5/02GK103563213SQ201180071325
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2011年5月31日 优先权日:2011年5月31日
【发明者】陈礼铨, D·T·安姆 申请人:苹果公司