无线非辐射能量传递制造技术

一种电磁能量传递设备包括用于从外部电源接收能量的第一共振器结构。该第一共振器结构具有第一品质因数。第二共振器结构被设置在远离第一共振器结构的位置，向外部负载供应有用工作功率。第二共振器结构具有第二品质因数。两个共振器之间的距离可以大于每个共振器的特征尺寸。在第一共振器结构和第二共振器结构之间的非辐射能量传递是通过它们的共振场渐消迹线的耦合进行的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无线非辐射能量传递优先权信息本申请要求2005年7月12日提交的临时申请No.60/698442的 优先权，将其全部并入本文中作为参考。
本申请涉及振荡共振电磁模式的领域，尤其涉及用于无线非辐射 能量传递的具有局部缓慢渐逝场图样的振荡共振电磁模式。技术背景在电磁学的早期，部署电线输电网络之前，人们投入大量的热情 和努力研究开发不需要任何载体媒介来无线长距离传送能量的方案。 这些努力看起来取得很少成就。全向天线的辐射模式对于信息传递来 说十分有效，但是不适合这种能量传递，这是因为绝大多数能量浪费 在自由空间中。使用激光器和强方向性天线的定向辐射模式可以被高 效率地用于即使长距离(传递距离L传递》L设备，其中L设备是设备的 特征尺寸)的能量传递，但是在移动对象的情况下需要存在不可中断 的视线和复杂的跟踪系统。近年来自主电子设备的快速发展(例如，手提电脑、蜂窝电话、 家用自动机，它们通常都依靠化学能量存储)提供了重新研究这个课 题的需要。今天，已有的电线网络几乎在任何地方运载能量，即使中 距离的无线非辐射能量传递也是十分有用的。当前用于某些重要应用 的一个方案依靠电磁感应，但是这种方案限制于很近距离(L顿<<L 设备)的能量传递。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种电磁能量传递设备。该电磁 能量传递设备包括用于从外部电源接收能量的第一共振器结构。第一共振器结构具有第一品质因数(Q-factor)。第二共振器结构位于远离第一共振器结构的位置，向外部负载供应可用的工作功率。该第二共 振器结构具有第二品质因数。这两个共振器之间的距离可以大于每个共振器的特征尺寸。通过耦合第一共振器结构和第二共振器结构的共 振场渐逝迹线(tail),实现第一共振器结构和第二共振器结构之间的 非辐射能量传递。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种电磁能量传递方法。该方 法包括提供用于从外部电源接收能量的第一共振器结构。第一共振器 结构具有第一品质因数。该方法还包括第二共振器结构，其位于远离第一共振器结构的位置，向外部负载供应可用的工作功率。该第二共 振器结构具有第二品质因数。这两个共振器之间的距离可以大于每个共振器的特征尺寸。另外，该方法包括通过耦合第一共振器结构和第 二共振器结构的共振场渐逝迹线在第一共振器结构和第二共振器结 构之间传递非辐射能量。附图说明图1示出了说明本专利技术一个示例性实施例的示意图； 图2A是与电场一起的半径为r的高指标(index)圆盘腔的数值FDTD结果；图2B是针对两个共振圆盘腔之间的中距离耦合的数值FDTD结果最初，所有能量在一个腔中(左面)， 一定时间之后，两个腔被相等地激励(右面)。图3是示出了两个电容性负载的导线环的示意图；图4A和4B是针对由于从外部对象的散射而导致共振盘腔的辐射g降低的数值FDTD结果；图5是针对在存在外部对象的情况下两个共振盘腔之间的中距离耦合的数值FDTD结果；图6A和6B示出了作为耦合-到-k/rd的函数，将所供功率转换成有用功的效率(7w)、设备处的辐射和欧姆损耗的效率d)、源处的辐射和欧姆损耗的效率(;/s)、以及人体内部的消散的效率(7h);在 图(a)中，选择^以最小化设备中存储的能量，在图(b)中，选择 rw以最大化对于每个k/rd的效率i 。具体实施方式相比于现有的方案，本专利技术提供了使用具有局部缓慢渐逝场图样 的长寿的振荡共振电磁模式进行无线非辐射能量传递的可行性。这种 技术的基础是两个同频率的共振对象趋向于耦合，而与其他非共振环 境对象微弱地相互作用。本专利技术的目的是使用具体例子来量化这种机 帝U， BP,定量地解决以下问题在什么样的距离范围内这种方案是有 效率的，以及这种方案对于外部扰动的敏感性如何。详细的理论和数 值分析表明实际上可以获得中距离(L传递《有限数量XL设备)无线能 量交换，而只有很少的能量传递和消散到其他非共振对象中。近场的全向但稳定(无损耗)特性使得这种机制适合于移动无线接收机。从而可以具有多种可能的应用形式，例如包括将与有线电网连接的源放置在工厂房间的天花板上，而诸如自动机、车辆、计算 机等的设备在房间内自由移动。其他可能的应用包括电引擎公共汽车、RFID、以及甚至有可能是纳米机器人。该创新的无线能量传递方案的距离范围(range)和速率(rate) 是首要的考察主题，而还未考虑从该系统导出能量用于工作。用于建 模共振对象之间能量交换的适当分析框架是称为耦合模式理论 (coupled-mode theory)的弱耦合方法。图1是示出本专利技术一般描述 的示意图。本专利技术使用源和设备进行能量传递。源1和设备2都是共 振器结构，并且彼此分开距离D。在这种布置中，源1和设备2的系 统的电磁场近似为F(r,0-,(0巧(r) + a2(r)F2(r)， 其中 Fu(r)-[EJr) Hr)]分别是源1和设备2的本征模式，那么可以用 场振幅,(/)和2(0来满足耦合模式理论<formula>formula see original document page 8</formula> (l)其中，气2分别是本征频率，1;2是由于对象的固有(吸收、辐射 等)损耗造成的共振宽度，^.21是耦合系数，122建模由于另一个对 象的存在造成的每个对象的复合频率的偏移。在大多数情况下，所示的式l的方法提供了对具有相似复合本征 频率(即，h-2| h2,21|ir>r2)的对象的共振现象的良好描述， 它们的共振被合理地很好定义(即，r，,2&im^,^《l^l)并且限制 为弱耦合(即，|^2,|<<%2)。巧合的是，这些要求还允许优化能量传 递操作。式1还示出了在严格共振(w,^且r^r》下能量交换几 乎是完美的，并且当耦合时间远小于所有的损耗时间时损耗 最小。因此，本专利技术需要对于低固有损耗速率1;2具有高2= /(20的 共振模式，并且具有远比两个对象的特征尺寸A和z2长的用于在大距 离D上的强耦合速率|^，21|的渐逝迹线，其中D是两个对象之间的最 近距离。这是一个没有被广泛研究的工作领域(regime),因为人们 通常更喜欢利用短迹线来最小化与附近设备的干扰。诸如电介质波导的几乎无限延伸的对象可以支持导引模式，导引 模式的渐逝迹线当被调谐到接近于截止时在远离对象的方向上缓慢 地指数衰减，并且可以具有几乎无限的2。为了实现本专利技术的能量传 递方案，这样的几何结构可能适合于某些应用，但通常有限的对象， 即在拓扑上处处被空气包围的对象更合适。不幸的是，有限延伸的对象不能支持在空气中所有方向上指数衰 减的电磁状态，因为在自由空间中？2= 2/c2。因此，可以看到它 们不能支持无限2的状态。然而，可以发现十分长寿的(所谓的高 e)状态，它们的迹线显示出在它们振荡(辐射)之前在足够长的 距离上从共振对象开始的所需的类似指数的衰减。发生这种场活动变 化的界面称为辐射焦散面(radiation caustic),并且对于基于近场 而不是远/辐射场的无线能量传递方案来说，耦合的对象之间的距离 必须使得一个对象在另一个对象的辐射焦散面内。本专利技术具有一般性，满足上述要求的任何类型的共振结构都可以 用于本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传递能量的方法，包括：　　　　提供用于从外部电源接收能量的第一共振器结构，所述第一共振器结构具有第一共振频率ω↓［１］、第一品质因数Ｑ↓［１］和特征尺寸Ｌ↓［１］，以及，　　　　在以最近距离Ｄ远离所述第一共振器结构的位置提供第二共振器结构，所述第二共振器结构具有第二共振频率ω↓［２］、第二品质因数Ｑ↓［２］和特征尺寸Ｌ↓［２］，　　　　其中，两个所述频率ω↓［１］和ω↓［２］接近，以在两个共振宽度Γ↓［１］和Γ↓［２］的较窄一个中，　　　　在所述第一共振器结构和所述第二共振器结构之间非辐射地传递能量，通过它们的共振场渐消迹线的耦合进行所述能量传递，所述第一共振器和所述第二共振器之间的能量传递速率表示为ｋ，　　　　其中，非辐射装置Ｄ小于共振波长λ↓［１］和λ↓［２］中的任一个，其中，ｃ是在周围媒介中辐射的传播速度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-7-12 60/698,4421、一种传递能量的方法，包括提供用于从外部电源接收能量的第一共振器结构，所述第一共振器结构具有第一共振频率ω1、第一品质因数Q1和特征尺寸L1，以及，在以最近距离D远离所述第一共振器结构的位置提供第二共振器结构，所述第二共振器结构具有第二共振频率ω2、第二品质因数Q2和特征尺寸L2，其中，两个所述频率ω1和ω2接近，以在两个共振宽度Γ1和Γ2的较窄一个中，在所述第一共振器结构和所述第二共振器结构之间非辐射地传递能量，通过它们的共振场渐消迹线的耦合进行所述能量传递，所述第一共振器和所述第二共振器之间的能量传递速率表示为k，其中，非辐射装置D小于共振波长λ1和λ2中的任一个，其中，c是在周围媒介中辐射的传播速度。2、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有QP100， Q2>100， k/7(r,r2)〉0.2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2〉1、 2、 3、 5的所述共振器。3、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有Q户200， Q2>200， k/V( r2)〉0.2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2>1、 2、 3、 5的所述共振器。4、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有Q户500， Q2>500， k/批吓2)X),2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2>1、 2、 3、 5的所述共振器。5、 根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括具有 (^>1000， Q2>1000， k/V(lVr2)X).2、 0.5、 1、 2、 5和D/L2〉1、 2、 3、5的所述共振器。6、 一种能量传递设备，包括用于从外部电源接收能量的第一共振器结构，所述第一共振器结 构具有第一共振频率^、第一品质因数(^和特征尺寸L,，以及，在以最近距离D远离所述第一共振器结构的位置设置的第二共 振器结构，所述第二共振器结构具有第二共振频率^、第二品质因数 Q2和特征尺寸L2，其中，两个所述频率A和^接近，以在两个共振宽度r,和r,的较 窄一个中，其中，在所述第一共振器结构和所述第二共振器结构之间的非辐 射能量传递是通过它们的共振场...

【专利技术属性】
技术研发人员：JD琼诺保罗斯，A卡拉里斯，M索拉亚契奇，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：US[美国]