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】

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。
技术介绍
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Lfta>>LS|，其中是设备的特征尺寸)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(Lfta<<LS|)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Q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/ r d的函数，将所供功率转换成有用功的效率 (nw)、设备处的辐射和欧姆损耗的效率(n d)、源处的辐射和欧姆损耗的效率(n s)、以及人 体内部的消散的效率(nh)；在图⑷中，选择rw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nw。具体实施例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 量化这种机制，即，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_ 有限数量无线能量交换，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，t) ^ ai(t) &(10+ (0&(10，其中&200 = 分别是源1和设备2的本征模式，那么可 以用场振幅 (t)和a2 (t)来满足“耦合模式理论”= -i{cox -O丨 + ikua、+ ikna2 dt= -i(o)2 - /T2 )a2 + ik22a2 + ik2丨o(1) dt其中，Ou分别是本征频率，r\2是由于对象的固有(吸收、辐射等)损耗造成的共振宽度，k12,21是耦合系数，kn,22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1的方法提供了对具有相似复合本征频率(艮口， r 2 << Ik12,21|且^ 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，rlj2&im{kllj22} << |k12,21|)并且限制为弱耦合(即，|k12,21| << lj2)0 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= 2且q = r2)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0= /(2r)的共振模式，并且具有远 比两个对象的特征尺寸k和1^2长的用于在大距离D上的强耦合速率|k12,21|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 Q。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， 因为在自由空间中元2 乂/一。因此，可以看到它们不能支持无限Q的状态。然而，可以发 现十分长寿的(所谓的“高Q”)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实 现。作为用于明本文档来自技高网...

【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模式，所述第一模式具有共振频率ω↓［１］、共振波长λ↓［１］、固有损耗速率Γ↓［１］、第一品质因数Ｑ↓［１］＝ω↓［１］／（２Γ↓［１］）和特征尺寸Ｌ↓［１］，在以距离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模式，所述第二模式具有共振频率ω↓［２］、共振波长λ↓［２］、固有损耗速率Γ↓［２］、第二品质因数Ｑ↓［２］＝ω↓［２］／（２Γ↓［２］）和特征尺寸Ｌ↓［２］，以及在所述第一共振器结构和所述第二共振器结构之间传递能量，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，所述距离Ｄ小于所述共振波长λ↓［１］和λ↓［２］中的任一个，以及其中，所述共振器结构被设计为具有Ｑ↓［１］＞１００和Ｑ↓［２］＞１００。

【技术特征摘要】
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【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]