專利名稱：電力發(fā)送設(shè)備、電力接收設(shè)備及電力傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以非接觸方式傳輸電力的電力發(fā)送設(shè)備、電力接收設(shè)備及電力傳輸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
PTL I披露了一種配置為通過(guò)電容性耦合傳輸電力的系統(tǒng)。PTL I中描述的電力傳輸系統(tǒng)包括電力發(fā)送設(shè)備，包括高頻高壓發(fā)生器，以及定義了發(fā)生器有源/無(wú)源電極對(duì)的耦合的發(fā)生電極；電力接收設(shè)備，包括高頻高壓負(fù)載，和以及定義了負(fù)載側(cè)有源/無(wú)源對(duì)的電動(dòng)電極。 施加到發(fā)生電極之中無(wú)源電極的電壓低于施加到有源電極的電壓，并且施加到電動(dòng)電極之中無(wú)源電極的電壓低于施加到有源電極的電壓。該系統(tǒng)中使用的高頻電壓的頻率范圍在IOkHz到IOMHz之間，電壓范圍在100V到IOkV之間。當(dāng)高頻電壓的頻率在該范圍內(nèi)時(shí)，由于周圍介質(zhì)中的波長(zhǎng)(lambda)相對(duì)于設(shè)備尺寸D來(lái)說(shuō)足夠大，或者D << (lambda)，所以該設(shè)備不以電磁波的形式輻射能量，并在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生靜電場(chǎng)。圖I示出了 PTL I的電力傳輸系統(tǒng)的基本配置。電力發(fā)送設(shè)備包括高頻高壓發(fā)生器I、無(wú)源電極2和有源電極3。電力接收設(shè)備包括高頻高壓負(fù)載5、無(wú)源電極7和有源電極
6。電力發(fā)送設(shè)備的有源電極3和電力接收設(shè)備的有源電極6放置成彼此鄰近并被高電場(chǎng)區(qū)域4包圍。電力發(fā)送設(shè)備和電力接收設(shè)備通過(guò)發(fā)生電極和電動(dòng)電極以及周圍電介質(zhì)而電容性耦合。引用列表專利文獻(xiàn)[PTL I]國(guó)際專利申請(qǐng)No. 2009-531009的國(guó)家公開

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題在配置成通過(guò)電容性耦合將電力從電力發(fā)送設(shè)備發(fā)送到電力接收設(shè)備的電力傳輸系統(tǒng)中，例如PTL I披露的系統(tǒng)，需要高頻高壓來(lái)增加電力傳輸效率。因此，在電力發(fā)送設(shè)備側(cè)設(shè)置升壓電路，在電力接收設(shè)備側(cè)設(shè)置降壓電路。通常，繞線變壓器用作升壓電路和降壓電路，電極的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致等效電容器并聯(lián)連接到繞線變壓器的次級(jí)繞組。在該結(jié)構(gòu)配置中，由諧振電容器的電容和繞線變壓器次級(jí)側(cè)的泄漏漏磁電感形成的電路產(chǎn)生諧振并用作升壓電路。但是，繞線變壓器具有足夠大的尺寸以提供需要的電感，因此難以減少其高度。可以說(shuō)，繞線變壓器與其它一般電子組件相比具有非常大的尺寸。另外，在繞線變壓器與其它電路之間可能產(chǎn)生不期望的耦合。特別地，在諧振泄漏繞線變壓器的情況下，存在大量的泄漏磁通量。這些因素導(dǎo)致繞線變壓器的布置受限并增大了整個(gè)設(shè)備的尺寸。
進(jìn)一步，當(dāng)沒(méi)有有效屏蔽繞線變壓器時(shí)，其線圈性能(Q因子)受到附近導(dǎo)電材料的強(qiáng)烈影響。因此本發(fā)明的目的是提供小尺寸、輕量化的電力發(fā)送設(shè)備、電力接收設(shè)備以及電力傳輸系統(tǒng)，從而能夠避免使用繞線變壓器導(dǎo)致的上述問(wèn)題。解決問(wèn)題的技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的電力發(fā)送設(shè)備配置為包括電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極；電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極；以及連接在電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極與電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極之間的高頻高壓發(fā)生電路。高頻高壓發(fā)生電路包括具有LC諧振電路的升壓電路，該LC諧振電路的電感器由壓電器件形成。根據(jù)本發(fā)明的電力接收設(shè)備配置為包括電力接收設(shè)備側(cè)有源電極；電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極；以及連接在電力接收設(shè)備側(cè)有源電極與電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極之間的負(fù)載電路。負(fù)載電路包括具有LC諧振電路的降壓電路，該LC諧振電路的電感器由壓電器件 形成。根據(jù)本發(fā)明的電力傳輸系統(tǒng)配置為使得電力發(fā)送設(shè)備和電力接收設(shè)備通過(guò)發(fā)生電極和電動(dòng)電極以及周圍電介質(zhì)而電容性耦合。發(fā)明的有益效果根據(jù)本發(fā)明，整個(gè)設(shè)備尺寸減小，并防止磁通量的泄漏。此外，傳輸效率得到了提聞。


圖I示出了 PTL I中描述的電力傳輸系統(tǒng)的基本配置。圖2A是根據(jù)第一實(shí)施例的去耦電力發(fā)送設(shè)備101的電路圖；圖2B是壓電諧振器21的等效電路；以及圖2C是在高頻電壓發(fā)生器11產(chǎn)生的電壓的頻率是在從諧振頻率fr到反諧振頻率fa的范圍內(nèi)頻率的情況下，根據(jù)第一實(shí)施例的電力發(fā)送設(shè)備101的等效電路。圖3是示出壓電諧振器21的阻抗和相位的頻率特性的曲線圖。圖4A是根據(jù)第二實(shí)施例的去耦電力接收設(shè)備201的電路圖；圖4B是壓電諧振器22的等效電路；以及圖4C是在通過(guò)電容器C2的電容性耦合接收的電壓的頻率在圖3所示的從諧振頻率fr到反諧振頻率fa的范圍內(nèi)的情況下，根據(jù)第二實(shí)施例的電力接收設(shè)備201的等效電路。圖5是根據(jù)第三實(shí)施例的電力傳輸系統(tǒng)301的電路圖。耦合系數(shù)k以及兩個(gè)電容Cl和C2表示在電極系統(tǒng)之間得到的靜電耦合。圖6示出了具有縱向開路端表示的電力傳輸系統(tǒng)301的示例性配置。圖7是根據(jù)第三實(shí)施例的電力傳輸系統(tǒng)301的示意性截面圖。圖8A是根據(jù)第四實(shí)施例的電力發(fā)送設(shè)備102的電路圖；圖SB是壓電諧振器21的等效電路；以及圖8C是在高頻電壓發(fā)生器11產(chǎn)生的電壓的頻率在從諧振頻率fr到反諧振頻率fa的范圍內(nèi)的情況下，根據(jù)第四實(shí)施例的電力發(fā)送設(shè)備102的等效電路。圖9A是根據(jù)第五實(shí)施例的電力接收設(shè)備202的電路圖；圖98是壓電諧振器22的等效電路；以及圖9C是在通過(guò)電容器C2的電容性耦合接收的電壓的頻率在圖3所示的從諧振頻率fr到反諧振頻率fa的范圍內(nèi)的情況下，根據(jù)第五實(shí)施例的電力接收設(shè)備202的等效電路。圖10是根據(jù)第六實(shí)施例的電力傳輸系統(tǒng)302的電路圖。圖IlA是根據(jù)第七實(shí)施例的電力傳輸系統(tǒng)303的電路圖，圖IlB是其等效電路。
具體實(shí)施例方式[第一實(shí)施例]將參照?qǐng)D2A到2C以及圖3描述根據(jù)第一實(shí)施例的電力發(fā)送設(shè)備。圖2A是根據(jù)第一實(shí)施例的去耦電力發(fā)送設(shè)備101的電路圖。電力發(fā)送設(shè)備101包括高頻電壓發(fā)生器11、壓電諧振器21。等效電容器Cl表示當(dāng)不存在接收設(shè)備時(shí)在兩個(gè)發(fā)生電極之間獲得的電容。壓電諧振器21和電容器Cl串聯(lián)連接到高頻電壓發(fā)生器11。 圖2B是壓電諧振器21的等效電路。圖3是示出壓電諧振器21的阻抗和相位的頻率特性的曲線圖。在圖3中，對(duì)數(shù)刻度用來(lái)表示用于阻抗軸(縱軸)，線性刻度用于用來(lái)表示頻率軸(橫軸)。壓電諧振器21由用電容器Co和串聯(lián)電路形成的并聯(lián)電路表示，串聯(lián)電路由和電感器LI與電容器Cl I形成串聯(lián)電路表示。電容器Cl I表示與機(jī)械彈簧或橡膠的彈性力對(duì)應(yīng)的等效柔量。電感器LI表示與機(jī)械慣性力(質(zhì)量或力矩)對(duì)應(yīng)的等效電感。電容器Co對(duì)應(yīng)于電極之間的電容(并聯(lián)等效電容)。壓電諧振器21由形成在壓電基板表面上的一對(duì)電極形成。壓電基板已作了極化經(jīng)過(guò)了還原處理。因此，在壓電諧振器21中，產(chǎn)生其諧振頻率fr基于電感器LI和電容器Cll產(chǎn)生的具有諧振頻率fr的串聯(lián)諧振，以及產(chǎn)生其反諧振頻率fa主要基于電容器Co和電感器LI的并聯(lián)諧振。反諧振頻率fa高于諧振頻率fr。在諧振頻率fr和反諧振頻率fa之間的頻率范圍內(nèi)，電感器LI的電感變成壓電諧振器21的阻抗的主導(dǎo)分量。換句話說(shuō)，參照?qǐng)D3，在諧振頻率fr與反諧振頻率fa之間的頻率范圍內(nèi)，壓電諧振器21具有電感性阻抗，對(duì)于該阻抗，相位為正，并且壓電諧振器21等效地作為電感器工作。對(duì)于低于諧振頻率fr或高于反諧振頻率fa的頻率來(lái)說(shuō)，壓電諧振器21具有電容性阻抗，對(duì)于該阻抗，相位為負(fù)，并且壓電諧振器21等效地作為電容器工作。圖2C是在高頻電壓發(fā)生器11產(chǎn)生的電壓頻率是在從諧振頻率fr到反諧振頻率fa的范圍內(nèi)頻率的情況下，根據(jù)第一實(shí)施例的電力發(fā)送設(shè)備101的等效電路。由電容器Cl和電感器LI形成的LC諧振電路的諧振頻率設(shè)置成高頻電壓發(fā)生器11產(chǎn)生的高頻電壓的頻率。結(jié)果，圖2C所示的電流作為升壓電路工作。根據(jù)第一實(shí)施例的電力發(fā)送設(shè)備，與由磁心和繞組形成的圖2C所示電感器LI的情形相比，可以減小設(shè)備尺寸并減少磁通量的泄漏。相比于線圈，包括壓電諧振器的壓電器件具有高品質(zhì)因數(shù)。因此，當(dāng)壓電器件用作電感器時(shí)，可以提高傳輸效率。[第二實(shí)施例]圖4A是根據(jù)第二實(shí)施例的去耦電力接收設(shè)備201的電路圖。電力接收設(shè)備201包括壓電諧振器22和負(fù)載RL。等效電容器C2表示當(dāng)不存在電力發(fā)送設(shè)備時(shí)在兩個(gè)電動(dòng)電極之間獲得的電容。壓電諧振器22和負(fù)載RL串聯(lián)連接到電容器C2。圖4B是壓電諧振器22的等效電路。如圖所示，壓電諧振器22用由電容器Co和串聯(lián)電路形成的并聯(lián)電路表示，該串聯(lián)電路由和電感器L2與電容器C21形成的串聯(lián)電路表示。該等效電路類似于第一實(shí)施例中的圖2B所示的電路，并具有與圖3所示電路類似的頻率特性。圖4C是在通過(guò)涉及過(guò)包含電容器C2的電容性耦合而接收的電壓的頻率是在圖3所示的從諧振頻率fr到反諧振頻率fa的范圍內(nèi)頻率的情況下，根據(jù)第二實(shí)施例的電力接收設(shè)備201的等效電路。由電感器L2和電容器C2形成的LC諧振電路的諧振頻率設(shè)置成等于通過(guò)電容性耦合接收的電壓的頻率。在耦合到電力發(fā)送設(shè)備時(shí)，圖4C所示的電路作為降壓電路工作。根據(jù)第二實(shí)施例的電力接收設(shè)備，與圖4C所示電感器L2由磁心和繞組形成的情形相比，可以減小設(shè)備尺寸并減少磁通量的泄漏。[第三實(shí)施例]所有的電極通過(guò)電介質(zhì)(包括空氣和真空)相互作用。用包括10個(gè)不同電容系數(shù)的4x4矩陣來(lái)完整描述4個(gè)電極(一個(gè)發(fā)生器，一個(gè)負(fù)載)情況下的準(zhǔn)靜態(tài)情形(可以忽略遠(yuǎn)場(chǎng)輻射)。在系統(tǒng)的兩端口呈現(xiàn)表示情況下，通過(guò)兩個(gè)耦合的等效電容器Cl和C2，以及互電容CM或等效耦合系數(shù)k，在典型經(jīng)典電路框架中完整描述了電力傳輸。這些值可 以從初始原始矩陣的10個(gè)獨(dú)立的普通通用系數(shù)得到這些值，并在下文中作為稱為兩端口三系數(shù)耦合模型引用。在有些實(shí)際情況中，行為受到許多系數(shù)中一些特定系數(shù)的支配，例如有源電極以及無(wú)源電極之間的耦合系數(shù)。圖5是根據(jù)第三實(shí)施例的電力傳輸系統(tǒng)301的電路圖。電力傳輸系統(tǒng)301由第一實(shí)施例中描述的電力發(fā)送設(shè)備101和第二實(shí)施例中描述的電力接收設(shè)備201形成。根據(jù)兩量端口模型的能量傳輸，電力發(fā)送設(shè)備101的電容器Cl耦合到電力接收設(shè)備201的電容器C2以進(jìn)行的能量傳送，其中通過(guò)電場(chǎng)從電力發(fā)送設(shè)備101向電力接收設(shè)備201發(fā)送電力。這里，互電容CM和耦合系數(shù)k具有下述關(guān)系。k = CM/SQRT(C1*C2)圖6示出了具有縱向開路端表示的電力傳輸系統(tǒng)301的示例性配置。電力發(fā)送設(shè)備101包括高頻電壓發(fā)生器11、壓電諧振器21、電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極2以及電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極3。電力接收設(shè)備201包括壓電諧振器22、負(fù)載RL、電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極7以及電力接收設(shè)備側(cè)有源電極6。電力發(fā)送設(shè)備101的有源電極3和電力接收設(shè)備201的有源電極6放置成彼此鄰近并被高電場(chǎng)區(qū)域4包圍，電力發(fā)送設(shè)備和電力接收設(shè)備通過(guò)發(fā)生電極和電動(dòng)電極以及周圍電介質(zhì)而電容性耦合。圖7是根據(jù)第三實(shí)施例的電力傳輸系統(tǒng)301的示意性截面圖。在該示例中，電力發(fā)送設(shè)備201的無(wú)源電極2在一定某種程度上面對(duì)電力接收設(shè)備201的無(wú)源電極7。電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極3和以絕緣狀態(tài)包圍有源電極3的電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極2形成在電力發(fā)送設(shè)備101的箱體上表面附近。此外，在有源電極3與無(wú)源電極2之間施加高的高頻電壓的高頻高壓發(fā)生電路I設(shè)置在電力發(fā)送設(shè)備101的箱體內(nèi)。高頻高壓發(fā)生電路I是由高頻電壓發(fā)生器11和壓電諧振器21形成的電路。電力發(fā)送設(shè)備101的箱體是例如由ABS樹脂制成的單片塑性體，形成為將有源電極3和無(wú)源電極2集成在其中，其中箱體的外表面具有絕緣結(jié)構(gòu)。電力接收設(shè)備側(cè)有源電極6和以絕緣狀態(tài)包圍有源電極6的電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極7設(shè)置在電力接收設(shè)備201的箱體下表面附近。此外，在針對(duì)有源電極6與無(wú)源電極7之間感應(yīng)的電力的負(fù)載電路5設(shè)置在電力接收設(shè)備201的箱體內(nèi)。負(fù)載電路5是由壓電諧振器22、繞線變壓器T2和負(fù)載RL形成的電路。電力接收設(shè)備201的箱體是例如由ABS樹脂制成的單片塑性體，形成為將有源電極6和無(wú)源電極7集成在其中，其中箱體的外表面具有絕緣結(jié)構(gòu)。電力發(fā)送設(shè)備101的有源電極3形成為類似圓形。無(wú)源電極2設(shè)置有針對(duì)有源電極3的圓形開口。換句話說(shuō)，無(wú)源電極2布置成以絕緣狀態(tài)包圍有源電極3。同樣，在電力接收設(shè)備201中，有源電極6形成為類似圓形，并且無(wú)源電極7設(shè)置有針對(duì)有源電極6的圓形開口。無(wú)源電極7布置成以絕緣狀態(tài)包圍有源電極6。[第四實(shí)施例]當(dāng)高頻電壓發(fā)生器11產(chǎn)生的電壓較低并且在電力發(fā)送設(shè)備與電力接收設(shè)備之間存在強(qiáng)稱合時(shí)，可能存在這樣的情況，其中由于在第一實(shí)施例中描述的電力發(fā)送設(shè)備101 的諧振，通過(guò)升高電壓不能獲得足夠電力傳輸所要求的高電壓。在這種情況下，繞線變壓器 Tl可以設(shè)置在電力發(fā)送設(shè)備的壓電諧振器之前的級(jí)中，從而增大施加到壓電諧振器21上的電壓，如下面的第四實(shí)施例所述。將參照?qǐng)D8A到SC描述根據(jù)第四實(shí)施例的電力發(fā)送設(shè)備。圖8A是根據(jù)第四實(shí)施例的電力發(fā)送設(shè)備102的電路圖。電力發(fā)送設(shè)備102包括高頻電壓發(fā)生器11、繞線變壓器Tl、壓電諧振器21以及等效電容器Cl。高頻電壓發(fā)生器11連接到繞線變壓器Tl的初級(jí)側(cè)，由壓電諧振器21和電容器Cl形成的串聯(lián)電路連接到繞線變壓器Tl的次級(jí)側(cè)。圖SB是壓電諧振器21的等效電路。壓電諧振器21由電容器Co和串聯(lián)電路形成的并聯(lián)電路表示，該串聯(lián)電路由電感器LI與電容器Cll形成。電容器Cll表示與機(jī)械彈簧或橡膠的彈性力對(duì)應(yīng)的等效柔量。電感器LI表示與機(jī)械慣性力(質(zhì)量或力矩)對(duì)應(yīng)的等效電感。電容器Co對(duì)應(yīng)于電極之間的電容(并聯(lián)等效電容)。壓電諧振器21由形成在壓電基板表面上的一對(duì)電極形成。壓電基板經(jīng)過(guò)了還原處理。因此，在壓電諧振器21中，產(chǎn)生其諧振頻率fr基于電感器LI和電容器Cll的串聯(lián)諧振，并且產(chǎn)生其反諧振頻率fa主要基于電容器Co和電感器LI的并聯(lián)諧振。反諧振頻率fa高于諧振頻率fr。在諧振頻率fr和反諧振頻率fa之間的頻率范圍內(nèi)，電感器LI的電感變成壓電諧振器21的阻抗的主導(dǎo)分量。換句話說(shuō)，參照?qǐng)D3,在諧振頻率fr與反諧振頻率fa之間的頻率范圍內(nèi)，壓電諧振器21具有電感性阻抗，針對(duì)該阻抗的，相位在諧振頻率fr與反諧振頻率fa之間的頻率范圍內(nèi)為正，并且壓電諧振器21該阻抗等效地作為電感器工作。對(duì)于低于諧振頻率fr或高于反諧振頻率fa的頻率來(lái)說(shuō)，壓電諧振器21具有電容性阻抗，針對(duì)該阻抗的，相位為負(fù)，并且壓電諧振器21等效地作為電容器工作。圖SC是在高頻電壓發(fā)生器11產(chǎn)生的電壓頻率是在從諧振頻率fr到反諧振頻率fa的范圍內(nèi)頻率的情況下，根據(jù)第四實(shí)施例的電力發(fā)送設(shè)備102的等效電路。由電容器Cl和電感器LI形成的LC諧振電路(精確地講，由電容器Cl的電容以及繞線變壓器Tl的次級(jí)側(cè)泄漏電感和電感器LI的電感的組合電感而形成的LC諧振電路)的諧振頻率設(shè)置成高頻電壓發(fā)生器11所產(chǎn)生的高頻電壓的頻率。結(jié)果，繞線變壓器Tl和LC諧振電路作為升壓電路工作。繞線變壓器Tl的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的匝數(shù)可以適當(dāng)設(shè)置，以便實(shí)現(xiàn)向電容器Cl輸出預(yù)定高電壓所要求的升壓比。例如，高頻電壓發(fā)生器11產(chǎn)生5到12V的高頻電壓，該電壓通過(guò)繞線變壓器Tl升高到50到240V。根據(jù)第四實(shí)施例的電力發(fā)送設(shè)備，與圖SC所示電感器LI由磁心和繞組形成的情形相比，可以減小設(shè)備尺寸并減少磁通量的泄漏。此外，與圖8C所示等效電路中的電感器LI由繞線變壓器的次級(jí)側(cè)泄漏電感形成的情形相比，可以減小繞線變壓器的尺寸。包括壓電諧振器的壓電器件相比于線圈具有高品質(zhì)因數(shù)。因此，當(dāng)壓電器件用作電感器時(shí)，可以提高傳輸效率。繞線變壓器Tl優(yōu)選地是閉合磁路繞線變壓器，例如磁心設(shè)置在繞組外邊并產(chǎn)生很少的非期望磁場(chǎng)泄漏的殼式變壓器，以防止不期望的磁通量的泄漏。此外，繞線變壓器Tl的耦合系數(shù)優(yōu)選地為高。進(jìn)一步，當(dāng)高頻電壓發(fā)生器11產(chǎn)生的高頻電壓足夠高時(shí)，可以省略繞線變壓器 Tl。[第五實(shí)施例]當(dāng)電力發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生的電壓較低并且在電力接收設(shè)備與電力發(fā)送設(shè)備之間存在強(qiáng)耦合時(shí)，可能存在這樣的情況，其中由于在第二實(shí)施例中描述的電力接收設(shè)備201的諧振，通過(guò)電壓下降不能實(shí)現(xiàn)足夠電力傳輸。在這種情況下，繞線變壓器T2可以設(shè)置在電力接收設(shè)備的壓電諧振器之后的級(jí)中，從而利用適當(dāng)?shù)慕祲罕全@得預(yù)定電壓，如下面的第五實(shí)施例所述。圖9A是根據(jù)第五實(shí)施例的電力接收設(shè)備202的電路圖。電力接收設(shè)備202包括等效電容器C2、壓電諧振器22、繞線變壓器T2以及負(fù)載RL。由壓電諧振器22和電容器C2形成的串聯(lián)電路連接到繞線變壓器T2的初級(jí)側(cè)，負(fù)載RL連接到繞線變壓器T2的次級(jí)側(cè)。圖9B是壓電諧振器22的等效電路。如圖所示，壓電諧振器22由電容器Co和串聯(lián)電路形成的并聯(lián)電路表示，該串聯(lián)電路由電感器L2與電容器C21形成。該等效電路類似于第一實(shí)施例中的圖2B所示的電路，并具有與圖3所示電路類似的頻率特性。圖9C是在通過(guò)電容器C2的電容性耦合接收的電壓頻率是在圖3所示的從諧振頻率fr到反諧振頻率fa的范圍內(nèi)頻率的情況下，根據(jù)第五實(shí)施例的電力接收設(shè)備202的等效電路。由電感器L2和電容器C2形成的LC諧振電路的諧振頻率(精確地講的，由繞線變壓器T2的初級(jí)側(cè)漏磁泄漏電感和電感器L2的電感形成的組合電感與電容器C2的電容形成的LC諧振電路)的諧振頻率設(shè)置成通過(guò)C2的電容性耦合接收的高頻電壓的頻率。結(jié)果，繞線變壓器T2和LC諧振電路作為降壓電路工作。繞線變壓器T2的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的匝數(shù)可以適當(dāng)設(shè)置，以便實(shí)現(xiàn)向負(fù)載RL輸出預(yù)定電壓所要求的降壓比。例如，在電容器C2中感應(yīng)100V到3kV的高頻電壓，并且繞線變壓器T2將該電壓下降到5到24V。根據(jù)第五實(shí)施例的電力接收設(shè)備，與圖9C所示電感器L2由磁心和繞組形成的情形相比，可以減小設(shè)備尺寸并減少磁通量的泄漏。此外，與圖9C所示等效電路中的電感器L2由繞線變壓器的初級(jí)側(cè)泄漏電感形成的情形相比，可以減小繞線變壓器的尺寸。繞線變壓器T2優(yōu)選地是閉合磁路繞線變壓器，例如磁心設(shè)置在繞組外邊并產(chǎn)生很少的非期望磁場(chǎng)的外磁變壓器，以防止不期望的磁通量泄漏。[第六實(shí)施例]圖10是根據(jù)第六實(shí)施例的電力傳輸系統(tǒng)302的電路圖。電力傳輸系統(tǒng)302由第四實(shí)施例中描述的電力發(fā)送設(shè)備102和第五實(shí)施例中描述的電力接收設(shè)備202形成。電力發(fā)送設(shè)備的電容器Cl、電力接收設(shè)備的電容器C2以及系數(shù)k是通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)的耦合的兩
端P表示。[第七實(shí)施例]圖IlA是根據(jù)第七實(shí)施例的電力傳輸系統(tǒng)303的電路圖，圖IlB是其等效電路。電力傳輸系統(tǒng)303由電力發(fā)送設(shè)備103和電力接收設(shè)備203形成。電力發(fā)送設(shè)備103由高頻電壓發(fā)生器11、壓電變壓器31和耦合電容器Cl形成。電力接收設(shè)備203由耦合電容器C2、壓電變壓器32和負(fù)載RL形成。 在壓電變壓器31中，初級(jí)側(cè)電極Ell和E12以及次級(jí)側(cè)電極E20形成在形狀類似長(zhǎng)方體的壓電陶瓷基板上。壓電基板的初級(jí)側(cè)在從電極Ell到電極E12的方向上極化。陶瓷基板的次級(jí)側(cè)在從電極Ell和E12到電極E20的方向上極化。當(dāng)在初級(jí)側(cè)電極Ell和E12之間施加高頻電壓時(shí)，能量由于初級(jí)側(cè)反壓電效應(yīng)而轉(zhuǎn)換成彈性能量，并且彈性能量由于次級(jí)側(cè)壓電效應(yīng)而轉(zhuǎn)換成電能。如圖IlB所示，壓電變壓器31的等效電路包括理想變壓器T11、電容器C10，C11和C12以及電感器L11。電容器ClO和C12對(duì)應(yīng)于雜散電容，并且電容器Cll和電感器Lll是機(jī)電參數(shù)。壓電變壓器31的諧振頻率主要由電容器Cll和電感器Lll所形成的諧振電路的諧振確定。由于通過(guò)彈性振蕩實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，可以使用由彈性波傳播速度和壓電陶瓷基板的尺寸而確定的特性諧振頻率附近的頻率。換句話說(shuō)，高頻電壓發(fā)生器11所產(chǎn)生的高頻電壓的頻率設(shè)置在壓電變壓器31的諧振頻率附近。壓電變壓器32具有與壓電變壓器31基本相同的配置。但是，初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的關(guān)系是相反的。也就是說(shuō)，能量從通常在次級(jí)側(cè)的電極E20輸入到壓電變壓器32，并且能量從通常在初級(jí)側(cè)的電極Ell和E12輸出。如圖IIB所示，壓電變壓器32的等效電路包括理想變壓器T21、電容器C20，C21和C22以及電感器L21。電容器C20和C22對(duì)應(yīng)于雜散電容，并且電容器C21和電感器L21是機(jī)電參數(shù)。壓電變壓器32的諧振頻率主要由電容器C21和電感器L21所形成的諧振電路的諧振確定。當(dāng)電容器C2中感應(yīng)的電壓施加到電極E20時(shí)，能量由于次級(jí)側(cè)反壓電效應(yīng)而轉(zhuǎn)換成彈性能量，并且該彈性能量由于初級(jí)側(cè)壓電效應(yīng)而轉(zhuǎn)換成電能。高頻電壓發(fā)生器11所產(chǎn)生的高頻電壓的頻率設(shè)置成壓電變壓器32的諧振頻率。例如，高頻電壓發(fā)生器11產(chǎn)生5到12V的高頻電壓，而壓電變壓器31將該電壓升壓到100V到3kV。壓電變壓器32將電容器C2中感應(yīng)的100V到3kV的電壓下降到5到12V，并將下降的電壓輸出到負(fù)載RL。通過(guò)這種方式，與使用升壓繞線變壓器的情形相比，利用壓電變壓器作為升壓電路，可以減小電力發(fā)送設(shè)備的尺寸并防止磁通量的泄漏。另外，與使用降壓繞線式變壓器的情形相比，通過(guò)常利用壓電變壓器(其通常用作升壓變壓器)作為電力接收設(shè)備中的降壓變壓器，可以減小電力接收設(shè)備的尺寸并防止磁通量的泄漏。[第八實(shí)施例]壓電材料的非常高的內(nèi)部Q因數(shù)(相比于常規(guī)線圈)意味著滿足兩個(gè)經(jīng)調(diào)諧電路之間的非常尖銳的頻率調(diào)諧的條件。當(dāng)在初級(jí)電極上除了振蕩電壓之外還施加連續(xù)電壓時(shí)，該電壓在材料內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)拉力應(yīng)力，從而允許諧振頻率輕微變化。因此，可以進(jìn)行調(diào)諧，而僅對(duì)Q因數(shù)產(chǎn)生很小的影響。這種調(diào)諧技術(shù)可以用于使器件適應(yīng)在電力發(fā)送設(shè)備與電力接收設(shè)備之間的多種耦合情況。在其它實(shí)施例中，可以使用機(jī)械或純電氣裝置，例如可調(diào)電容器或電感器。[其它實(shí)施例]雖然在上述實(shí)施例中已經(jīng)示出了負(fù)載RL是AC負(fù)載的示例，本發(fā)明可以通過(guò)提供整流和平滑電路而應(yīng)用于DC負(fù)載的情形。繞線變壓器T2應(yīng)用在第四實(shí)施例中，繞線變壓器T2應(yīng)用在的電力發(fā)送設(shè)備102和電力接收設(shè)備202兩者中，壓電變壓器應(yīng)用在第五實(shí)施例中，壓電變壓器應(yīng)用的在電力發(fā)送設(shè)備103和電力接收設(shè)備203兩者中。但是，通過(guò)在電力發(fā)送設(shè)備和電力接收設(shè)備的之一中提供繞線變壓器，可以在其它器件另一設(shè)備中提供壓電諧振器或壓電變壓器。進(jìn)一步，壓電變壓器可以與電壓轉(zhuǎn)換電路組合。例如，在電力發(fā)送設(shè)備中，當(dāng)僅通 過(guò)壓電變壓器不能獲得足夠的升壓比時(shí)，或者當(dāng)僅通過(guò)繞線變壓器不能獲得足夠的升壓比時(shí)，壓電變壓器可以配置為由經(jīng)過(guò)繞線變壓器升壓的電壓驅(qū)動(dòng)。類似地，在電力接收設(shè)備中，當(dāng)僅通過(guò)壓電變壓器不能獲得足夠的降壓比時(shí)，或者當(dāng)僅通過(guò)繞線變壓器不能獲得足夠的降壓比時(shí)，繞線變壓器可以配置為進(jìn)一步將經(jīng)過(guò)壓電變壓器降壓的電壓下降。通過(guò)這種組合，可以在高阻抗容性耦合部與低阻抗高頻電壓發(fā)生電路之間或者在高阻抗容性耦合部與低阻抗負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。[附圖標(biāo)記列表]C1，C2 電容器C10，Cll，C12 電容器C20，C21，C22 電容器Co電容器E11，E12初級(jí)側(cè)電極E20次級(jí)側(cè)電極LI電感器Lll電感器L2電感器L21電感器RL 負(fù)載Tl繞線變壓器Tll理想變壓器T2繞線變壓器T21理想變壓器I聞?lì)l聞壓發(fā)生電路2電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極3電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極5負(fù)載電路6電力接收設(shè)備側(cè)有源電極7電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極
11高頻電壓發(fā)生器21，22壓電諧振器
31,32壓電變壓器101，102，103電力發(fā)送設(shè)備201，加2，2O3電力接收設(shè)備301，302，303電力傳輸系統(tǒng)
權(quán)利要求
1.一種電力發(fā)送設(shè)備，包括 電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極； 電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極；以及 連接在電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極與電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極之間的高頻高壓發(fā)生電路， 其中聞?lì)l聞壓發(fā)生電路包括具有LC諧振電路的升壓電路，和 其中LC諧振電路的電感器由壓電器件形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電力發(fā)送設(shè)備，其中LC諧振電路的電容器與在電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極與電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極之間產(chǎn)生的電容對(duì)應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的電力發(fā)送設(shè)備，其中高頻高壓發(fā)生電路產(chǎn)生的電壓的頻率是如下頻率對(duì)于該頻率，壓電器件為電感性。
4.根據(jù)權(quán)利要求I到3中任一項(xiàng)所述的電力發(fā)送設(shè)備，其中壓電器件是壓電諧振器或壓電變壓器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I到4中任一項(xiàng)所述的電力發(fā)送設(shè)備，其中升壓電路包括電壓轉(zhuǎn)換電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求I到5中任一項(xiàng)所述的電力發(fā)送設(shè)備，還包括對(duì)壓電器件的諧振頻率進(jìn)行調(diào)諧的調(diào)諧裝置。
7.一種電力接收設(shè)備，包括 電力接收設(shè)備側(cè)有源電極； 電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極；以及 連接在電力接收設(shè)備側(cè)有源電極與電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極之間的負(fù)載電路； 其中負(fù)載電路包括具有LC諧振電路的降壓電路，和 其中LC諧振電路的電感器由壓電器件形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電力接收設(shè)備，其中LC諧振電路的電容器與在電力接收設(shè)備側(cè)有源電極與電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極之間產(chǎn)生的電容對(duì)應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的電力接收設(shè)備，其中輸入到負(fù)載電路的電壓的頻率是如下頻率對(duì)于該頻率,壓電器件為電感性。
10.根據(jù)權(quán)利要求7到9中任一項(xiàng)所述的電力接收設(shè)備，其中壓電器件是壓電諧振器或壓電變壓器。
11.根據(jù)權(quán)利要求7到10中任一項(xiàng)所述的電力接收設(shè)備，其中降壓電路包括電壓轉(zhuǎn)換電路。
12.一種電力傳輸系統(tǒng)，包括 電力發(fā)送設(shè)備，包括 電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極； 電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極；以及 連接在電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極與電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極之間的高頻高壓發(fā)生電路；以及 電力接收設(shè)備，包括 電力接收設(shè)備側(cè)有源電極；電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極；以及 連接在電力接收設(shè)備側(cè)有源電極與電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極之間的負(fù)載電路； 其中電力發(fā)送設(shè)備是根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的電力發(fā)送設(shè)備。
13.一種電力傳輸系統(tǒng)，包括 電力發(fā)送設(shè)備，包括 電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極； 電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極；以及 連接在電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極與電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極之間的高頻高壓發(fā)生電路；以及 電力接收設(shè)備，包括 電力接收設(shè)備側(cè)有源電極； 電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極；以及 連接在電力接收設(shè)備側(cè)有源電極與電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極之間的負(fù)載電路； 其中電力接收設(shè)備是根據(jù)權(quán)利要求7-11中任一項(xiàng)所述的電力接收設(shè)備。
全文摘要
電力傳輸系統(tǒng)(301)包括電力發(fā)送設(shè)備(101)和電力接收設(shè)備(201)。電力發(fā)送設(shè)備(101)包括高頻電壓發(fā)生器(11)、壓電諧振器(21)、電力發(fā)送設(shè)備側(cè)無(wú)源電極(2)以及電力發(fā)送設(shè)備側(cè)有源電極(3)。電力接收設(shè)備(201)包括壓電諧振器(22)、負(fù)載RL、電力接收設(shè)備側(cè)無(wú)源電極(7)以及電力接收設(shè)備側(cè)有源電極(6)。電力發(fā)送設(shè)備(101)的有源電極(3)和電力接收設(shè)備(201)的有源電極(6)彼此鄰近，其中電力發(fā)送設(shè)備和電力接收設(shè)備通過(guò)電極組以及周圍電介質(zhì)而電容性耦合。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102893493SQ201180004930
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者市川敬一, 亨利·邦達(dá)爾 申請(qǐng)人:株式會(huì)社村田制作所