磁去耦的成紧密间隔阵列的多个共振线圈制造技术

描述了以无线方式供电的本地计算环境的各种实施例。提供了一种系统和方法，用于在计算环境中利用无线近场磁共振（NFMR）功率传输。小形状因子的无线功率单元可以用于替代传统电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】磁去耦的成紧密间隔阵列的多个共振线圈
所描述的实施例总体上涉及在便携式计算环境中利用无线功率传输。
技术介绍
能量或功率可以使用各种已知的辐射的或远场的、以及非辐射的或近场的技术以无线方式传递。例如，使用低方向性天线(诸如在无线电和蜂窝通信系统以及家庭计算机网络中使用的那些)的辐射无线信息传递可以被认为是无线能量传递。然而，这种类型的辐射传递是非常无效率的，原因在于只有极小部分的供给或辐射功率，也就是朝着接收器方向以及与其重叠的那部分被拾取。绝大部分的功率在所有其他方向上辐射并损失在自由空间中。这样无效率的功率传递对于数据传输可能是可以接受的，但对于诸如为电气设备供电或充电的出于作功目的而传递有用电能值而言是不实用的。一些辐射能量传递方案改进传递效率的一种方式是使用定向天线来限制并有倾向性地朝着接收器定向辐射能量。然而，在移动发送器和/或接收器情况下，这些定向辐射方案可能需要不间断的视线以及潜在复杂的跟踪和转向机制。此外，当适度至很高的功率值正被传输时，这样的方案可能对与波束交叉或相交的对象或人带来危害。已知的非辐射的或近场的无线能量传递方案经常被称为感应或传统感应，其并不(有意地)辐射功率，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级线圈中感应电流的振荡磁近场。传统的感应方案已经演示了适度至很大功率值的传输，然而其只在非常短的距离上，并且在主电源单元与次级接收器单元之间具有非常小的偏差容限。变压器和近距离充电器是利用该已知的短程近场能量传递方案的设备的示例。众所周知，可用功率可以以无线方式从功率源传递到位于被称为近场的距离内的接收器。近场是指在几倍于所述传递中涉及的双方对象的距离的距离(对于大部分应用大约为I米左右)内，可以在无线源设备与接收器之间以可接受的效率传递相对大的功率值(至少在若干瓦的等级)。这样，在适合于有限的应用的距离上无线传递可用功率值的现实的且实际的方法可以被实现。通常，每个诸如无线电子设备的电池供电设备需要其自身的充电器和功率源，其通常是交流(AC)插座。当很多设备需要充电时，这样的有线配置变得笨拙。所需要的是用于在以无线方式供电的本地计算环境中的外围设备之间的有效并且用户友好的交互的方法、系统和装置。以下是源自《物理年鉴》第323卷(2008)第34-48页的、Aristeidis Karalis等人的 “Wireless non-radiative mid-range energy transfer，，，从 2007 年 4 月 27 日起在网络上可获得。1.简介在早期的电磁学中，在部署电网之前，认真的兴趣和努力被投入(最著名的是由尼古拉特斯拉(Nikola Tesla) [I])到不使用任何承载介质(例如以无线方式)通过长距离传送能量的方案开发中。这些努力似乎收效甚微。全向天线(其很好地工作用于信息传递)的辐射模式并不适于这样的能量传递，原因在于绝大部分的能量被浪费到自由空间中。使用激光器或者高度定向天线的定向辐射模式可以有效地用于能量传递，甚至用于长距离(传递距离LTKANS》LDEV，其中Ldev是设备的特征尺寸)，但是在移动对象的情况下需要存在不间断的视线和复杂的跟踪系统。近年来自主电子设备(例如笔记本计算机、蜂窝电话、家用机器人，通常其全部依赖于化学能量存储)的快速发展给出了重新研究这一问题的合理理由。现如今，我们相比特斯拉面临着不同的挑战:由于现有的电网几乎到处承载能量，对于许多应用来说，即便是中等范围(Ltkans约等于几倍的Ldev)的无线能量传递也是非常有用的。存在几种当前使用的方案，其依赖于非辐射模式(磁感应)，但被限制在非常接近的范围(Lteans?Ldev)或非常低功率(~mW)的能量传递[2-6]。与所有上述方案相反，我们研究使用具有局域慢渐逝场模式的长寿命振荡共振电磁模用于有效的无线非辐射中程能量传递的可行性。提出的方法是基于著名的共振耦合原理(两个相同频率的共振对象趋于耦合，而与其他去共振环境对象较弱地互相作用的事实)，特别是共振渐逝耦合(其中耦合机制通过两个对象的非辐射近场的重叠而介导)。所述著名的物理现象简单地导致如下结果，即能量可以在处于极度近场中(例如，在光学波导或腔体耦合器中以及在共振感应变压器中)的对象之间有效耦合。然而，该相同的物理现象在中程距离如何表现还远不清楚，而且就我们的知识而言，文献中没有工作演示针对传递所涉及的两个对象中的最大维度的几倍的距离的有效能量传递。在本文中，我们详细的理论和数值分析表明只要仔细设计交换系统以相较于所有的本征损耗速率在“强耦合”状态下操作，这种有效的中程无线能量交换实际上是可以实现的，而仅经受进入其他去共振对象中的适度能量传递和损耗。“强耦合”的物理现象也是公知的，但却是在诸如那些光与物质相互作用[7]的非常不同的领域中。在该有利的操作状态中，我们量化地解决了以下问题:这样的方案在上至多远的距离是有效的，以及其对外部扰动有多敏感。近场的全向但平稳(非损耗)的本质使得该机制 适于移动无线接收器。因此，其可以具有各种可能的应用，包括例如在工厂房间的天花板上放置源(其连接到有线电力网络)，而设备(机器人、汽车、计算机或类似的)在房间内自由漫步。其他可能的应用包括电动引擎巴士、RFID，甚至可能是纳米机器人。2.耦合范围和速率所提出的无线能量传递方案的范围和速率是考查的第一主题，而尚不考虑从系统中汲取能量并应用到工作中。用于建模该共振能量交换的合适的分析框架是著名的耦合模式理论(CMT) [8]。在该图景中，两个共振对象I和2的系统的场由F(r，t)~B1 (t)^(^+a^OF^r)来近似，其中Fu2 (r)是I和2单独的本征模，于是场幅度⑴和a2(t)被示出[8]为至最低阶满足:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小形状因子便携式功率单元，布置为从由具有共振频率ωT的近场磁共振（NFMR）发送器单元提供的磁场无线地接收至少小量功率而不依赖于所述便携式功率单元相对于所述磁场的空间取向，所述便携式功率单元包括：第一共振器结构，所述第一共振器结构具有共振频率ω1和特征尺寸L1；以及第二共振器结构，所述第二共振器结构具有共振频率ω2和特征尺寸L2，其中所述第一共振器结构和所述第二共振器结构在所述便携式功率单元内相对于彼此位置固定，使得第一和第二共振器结构之间的有效磁耦合系数κeff大约为0，而与所述便携式功率单元相对于由所述无线发送器单元提供的磁场的空间取向无关，其中当所述第一共振器结构和所述第二共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，所述无线发送器单元与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功率传递通过所述第一共振器结构与所述第二共振器结构之间的磁共振耦合来介导。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.31 US 61/491,8441.一种小形状因子便携式功率单元，布置为从由具有共振频率ωτ的近场磁共振(NFMR)发送器单元提供的磁场无线地接收至少小量功率而不依赖于所述便携式功率单元相对于所述磁场的空间取向，所述便携式功率单元包括: 第一共振器结构，所述第一共振器结构具有共振频率Q1和特征尺寸L1 ;以及第二共振器结构，所述第二共振器结构具有共振频率ω2和特征尺寸L2，其中所述第一共振器结构和所述第二共振器结构在所述便携式功率单元内相对于彼此位置固定，使得第一和第二共振器结构之间的有效磁耦合系数K eff大约为0，而与所述便携式功率单元相对于由所述无线发送器单元提供的磁场的空间取向无关，其中当所述第一共振器结构和所述第二共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，所述无线发送器单元与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功率传递通过所述第一共振器结构与所述第二共振器结构之间的磁共振耦合来介导。2.根据权利要求1所述的便携式功率单元，其中当所述第一共振频率Q1与所述无线发送器的共振频率ωτ分隔开不超过3db的带宽时，所述第一共振器结构处于调谐状态。3.根据权利要求2所述的便携式功率单元，其中当所述第二共振频率ω2与所述无线发送器的共振频率ωτ分隔开不超过3db的带宽时，所述第二共振器结构处于调谐状态。4.根据权利要求3所述的便携式功率单元，其中所述第一共振器结构包括: 第一共振线圈，所述第一共振线圈包括: 第一中央核心区，以及 周向缠绕圆柱形的中央核心区的连续导电材料的第一多个环路。5.根据权利要求4所述的便携式功率单元，其中所述第二共振器结构包括: 第二共振线圈，所述第二共振线圈包括: 第二中央核心区，以及 周向缠绕圆柱形的中央核心区的连续导电材料的第二多个环路，其中在所述第一共振线圈中感应的第一 EMF不在所述第二共振线圈中感应总体EMF。6.根据权利要求5所述的便携式功率单元，其中所述第一共振线圈的长度与所述特征尺寸L1 一致。7.根据权利要求6所述的便携式功率单元，其中所述第二共振线圈的长度与所述特征尺寸L2 —致。8.根据权利要求3所述的便携式功率单元，其中所述第一共振线圈的纵轴垂直于所述第二共振线圈的纵轴。9.根据权利要求8所述的便携式功率单元，其中在第一布置中，所述第一共振线圈的第一端邻近所述第二共振线圈的纵轴的中点并与之共平面。10.根据权利要求9所述的便携式功率单元，其中在所述第一布置中，还包括: 第三共振线圈，包括第三中央核心区，以及周向缠绕圆柱形的中央核心区的连续导电材料的第三多个环路，其中所述第三共振线圈的第一端邻近所述第二共振线圈的纵轴的中点并与之共平面，并且还与所述第一共振线圈共平面，其中所述第三共振线圈的纵轴与所述第一共振线圈的纵轴对准并垂直于所述第二共振线圈的纵轴。11.根据权利要求9所述的便携式功率单元，其中所述第一布置是“T”结构。12.根据权利要求10所述的便携式功率单元，其中所述第三共振线圈与所述第一共振结构和所述第二共振结构形成十字结构。13.根据权利要求8所述的便携式功率单元，其中在第二布置中，所述第一共振线圈的纵轴垂直于所述第二共振线圈的纵轴，所述第一和第二共振线圈的纵轴的中点彼此对准且隔开至少距离r。14.根据权利要求1所述的功率单元，其中所述便携式功率单元被并入到可移动计算机外围设备中。15.根据权利要求14所述的功率单元，其中所述计算机外围设备是计算机鼠标。16.一种功率单元，布置为从磁场向设备无线地提供可用功率而不依赖于该功率单元的空间取向，所述功率单元包括: 至少两个磁去耦合的共振功率接收器，其每个布置为从所述磁场接收功率，其中所述至少两个磁去耦合的共振功率接收器相对于彼此以一方式布置以维持大约为O的有效磁耦合系数K rff，而与无线功率单元相对于从其接收功率的磁场的空间取向无关。17.根据权利要求16所述的功率单元，其中所述设备从所述无线功率单元接收基本恒定的有效功率，而与所述至少两个共振功率接收器的取向无关。18.根据权利要求17所述的功率单元，进一步包括: 第一共振线圈，包括: 第一中央核心区，以及 周向缠绕圆柱形的中央核心区的连续导电材料的第一多个环路；以及 第二共振线圈，包括: 第二中央核心区；以及 周向缠绕圆柱形的中央核心区的连续导电材料的第二多个环路，其中在所述第一共振线圈中感应的第一 EMF不在所述第二共振线圈中感应总体EMF。19.根据权利要求18所述的功率单元，其中所述第一共振线圈的纵轴垂直于所述第二共振线圈的纵轴。20.根据权利要求19所述的功率单元，其中所述第一共振线圈的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈礼铨，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：
国别省市：