用于通過(guò)近場(chǎng)內(nèi)電偶極子之間的遠(yuǎn)程縱向耦合來(lái)傳輸、分配和管理電能的方法和設(shè)備的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于通過(guò)近場(chǎng)內(nèi)電偶極子之間的遠(yuǎn)程縱向耦合來(lái)傳輸、分配和管理電能的方法和設(shè)備
[0001]本申請(qǐng)為國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/FR2008/051501，國(guó)家申請(qǐng)?zhí)枮?00880103151.2、國(guó)際申請(qǐng)日為2008年8月14日、發(fā)明名稱(chēng)為“用于通過(guò)近場(chǎng)內(nèi)電偶極子之間的遠(yuǎn)程縱向耦合來(lái)傳輸、分配和管理電能的方法和設(shè)備”的專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【背景技術(shù)】
[0002]引言
[0003]電磁波是眾所周知的電磁場(chǎng)的表現(xiàn)形式。在近場(chǎng)環(huán)境中(也就是在材料主體附近)，存在與純電場(chǎng)或純磁場(chǎng)有關(guān)的不同性質(zhì)的各種現(xiàn)象。這些基本場(chǎng)不伴有波輻射并且能夠持久地圍繞在置于真空內(nèi)的主體周?chē)粫?huì)發(fā)生明顯的能量損失。這些場(chǎng)通常與所謂的靜電或靜磁狀態(tài)有關(guān)，而且存在多種應(yīng)用，其中這些場(chǎng)被用于通過(guò)準(zhǔn)接觸以動(dòng)態(tài)方式傳輸能量。對(duì)于磁場(chǎng)，可能會(huì)涉及到多種旋轉(zhuǎn)式工業(yè)機(jī)械用于將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或相反。對(duì)于電場(chǎng)，應(yīng)用比較少，但是值得關(guān)注地有電荷驅(qū)動(dòng)設(shè)備例如靜電噴涂工藝或衛(wèi)星的離子推進(jìn)單元，并且最重要的是存在于我們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境中的所有電路板內(nèi)的電容器。發(fā)明人的主要工作是將靜電設(shè)備的場(chǎng)應(yīng)用擴(kuò)大、發(fā)展并提升為更加通用的電偶極子的動(dòng)態(tài)場(chǎng)，電偶極子振動(dòng)得足夠慢以使得雖然不會(huì)明顯地輻射波但是彼此之間仍然動(dòng)態(tài)耦合。
[0004]概述
[0005]長(zhǎng)期以來(lái)，常規(guī)應(yīng)用中非常短的距離和特別低的頻率(數(shù)量級(jí)為幾厘米和幾十Hz的)使得能夠用通用的術(shù)語(yǔ)“準(zhǔn)靜態(tài)”來(lái)描述這樣的狀態(tài)。如今近場(chǎng)被越來(lái)越多地用在數(shù)量級(jí)為米的距離和MHz范圍內(nèi)的頻率上，因此再提到準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)就變得比較復(fù)雜。可能可以稱(chēng)為無(wú)輻射的動(dòng)態(tài)狀態(tài)，但是在下文中，我們還是建議繼續(xù)使用過(guò)去用過(guò)的基于專(zhuān)有名詞的術(shù)語(yǔ)“電磁感應(yīng)”和“感應(yīng)”(而不是使用術(shù)語(yǔ)“靜電感應(yīng)”，該術(shù)語(yǔ)在動(dòng)態(tài)狀態(tài)下可能會(huì)造成歧義)。
[0006]電磁感應(yīng)系統(tǒng)和感應(yīng)系統(tǒng)的特征在于以下事實(shí):發(fā)揮作用的絕大部分能量仍然局部地存儲(chǔ)在這些設(shè)備附近并且不會(huì)傳播。
[0007]盡管這樣的設(shè)備至少在個(gè)體粒子的水平上必須是機(jī)電的或磁力的(也就是說(shuō)，它們將電磁學(xué)定律與機(jī)械定律相結(jié)合而發(fā)揮作用)，但是該特征在宏觀水平上可能會(huì)局部地不明顯，允許當(dāng)前在近場(chǎng)狀態(tài)和電磁波的近場(chǎng)狀態(tài)之間普遍存在混淆。由此，在電磁感應(yīng)變壓器的環(huán)境中，當(dāng)縱向設(shè)置的兩個(gè)線圈之間的距離變得顯而易見(jiàn)時(shí)，眾多技術(shù)人員就確信波在兩個(gè)遠(yuǎn)程的偶極子之間傳播。相對(duì)比較容易地可以證明除了波長(zhǎng)經(jīng)常大于系統(tǒng)總尺寸的事實(shí)之外，表示電磁能流量的坡印亭矢量(Poynting vector)在兩個(gè)偶極子的軸線上為零。這一無(wú)法否認(rèn)的事實(shí)在解釋時(shí)會(huì)引發(fā)重大問(wèn)題，就此導(dǎo)致了對(duì)于用來(lái)描述在緊鄰區(qū)域內(nèi)的這種相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型的質(zhì)疑。
[0008]盡管通過(guò)電磁感應(yīng)利用耦合的磁偶極子實(shí)現(xiàn)短距離上的能量傳輸已經(jīng)有很長(zhǎng)的時(shí)間，但是直到最近本發(fā)明人才提出了利用兩個(gè)電偶極子之間的近場(chǎng)縱向耦合的設(shè)備。這樣的設(shè)備能夠在感應(yīng)方面被視為電磁感應(yīng)變壓器的等效設(shè)備。
[0009]作為一個(gè)實(shí)踐因素，為了這樣的電磁感應(yīng)設(shè)備或者感應(yīng)設(shè)備是無(wú)輻射的，它們的總尺寸與所使用的信號(hào)的波長(zhǎng)相比通常必須是比較小的。為了降低輻射，較大的系統(tǒng)也可以被設(shè)想為使用多個(gè)反相區(qū)域。
[0010]由此，在IMHz下基于兩個(gè)線圈操作的設(shè)備即可被認(rèn)為是電磁感應(yīng)設(shè)備，只要線圈之間的距離明顯地小于150m即可。
[0011]應(yīng)該注意的是目前在很多設(shè)備被描述為輻射設(shè)備而它們其實(shí)是感應(yīng)設(shè)備時(shí)存在有很大的混淆。特別是絕大多數(shù)當(dāng)前的射頻識(shí)別(RFID)設(shè)備都是電磁感應(yīng)設(shè)備。
[0012]本發(fā)明的框架
[0013]本發(fā)明常用范圍方面的更多細(xì)節(jié)在由相同發(fā)明人提交的專(zhuān)利FR2875649，F(xiàn)R2875939，F(xiàn)R2876495 和 PCT/FR2006/000614 中進(jìn)行了介紹。
[0014]更具體地，本發(fā)明適用于通過(guò)兩個(gè)振動(dòng)的電偶極子之間的整體感應(yīng)或局部感應(yīng)傳輸電能，每個(gè)電偶極子都包括一對(duì)電極，其中一個(gè)電極是有源電極而另一個(gè)是無(wú)源電極，兩個(gè)有源電極被設(shè)置為彼此相對(duì)。無(wú)源電極的尺寸大于有源電極的尺寸，和/或無(wú)源電極被設(shè)置為間隔一定距離，以使有源電極附近區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)比無(wú)源電極處的電場(chǎng)要強(qiáng)得多。在發(fā)生器側(cè)，電極對(duì)由連接在兩個(gè)電極之間的高壓、高頻發(fā)生器供電。在負(fù)載側(cè)，負(fù)載被連接在兩個(gè)電極之間。
[0015]為了防止電磁波的有效輻射，盡管發(fā)生器的頻率相對(duì)較高，但是有源電極的尺寸與所述的波長(zhǎng)相比是比較小的。通常，電極可以被選擇為其尺寸是所用波長(zhǎng)的十分之一(以使輻射功率是近場(chǎng)功率的1/1000)。但是，在可以容許較大的波輻射度的某些應(yīng)用中使用較大的電極(例如λ/8或者甚至是λ/4)也是可行的(這時(shí)可以想到將長(zhǎng)度為λ/2的電極用作天線)。此外，在涉及對(duì)避免波輻射的需求有所增加的應(yīng)用中，可以證明使用小于λ/10的電極才是合乎需要的。
[0016]在此情況下，能量傳輸由于發(fā)生器側(cè)的有源電極的電勢(shì)改變而產(chǎn)生，這種電勢(shì)改變通過(guò)整體感應(yīng)或局部感應(yīng)引發(fā)負(fù)載側(cè)有源電極處對(duì)應(yīng)的電勢(shì)改變?！熬植俊备袘?yīng)在由發(fā)生器側(cè)的有源電極產(chǎn)生的電場(chǎng)線中只有一部分終止于負(fù)載側(cè)的有源電極時(shí)發(fā)生。
[0017]盡管可以使用術(shù)語(yǔ)“電容性耦合”來(lái)描述有源電極的相互作用，但是這種耦合要比在完全為感應(yīng)電容器的情況下獲得的耦合常見(jiàn)得多。在本發(fā)明中，根據(jù)有源和無(wú)源電極的具體結(jié)構(gòu)(以及這些不同電極之間的距離)，將會(huì)有多種互相作用。帶電導(dǎo)體之間的這么多種互相作用使用電容系數(shù)矩陣進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，并且通常不能簡(jiǎn)化為常規(guī)電路理論范圍內(nèi)的表達(dá)。但是，可以通過(guò)使用新的概念例如絕緣導(dǎo)體的固有電容以及開(kāi)路的固有電容而給出其比抽象的矩陣更具表現(xiàn)力的表達(dá)。主要的困難來(lái)自于以下事實(shí):在這樣的電路中，盡管電荷是守恒的，但是物理電流卻不再守恒。它在導(dǎo)體/絕緣材料轉(zhuǎn)換處被稱(chēng)為Maxwell位移電流的位移電流所代替，其準(zhǔn)確性質(zhì)和建模都很難進(jìn)行處理。但是，在實(shí)踐中隔離其中實(shí)現(xiàn)了物理電流守恒的支路，即可獲得流道型的表達(dá)以及正常應(yīng)用電路理論的支路，后者通過(guò)源型/漏型方式終止在每一側(cè)，當(dāng)它們對(duì)應(yīng)于絕緣導(dǎo)體時(shí)可以被簡(jiǎn)單地表示。
[0018]請(qǐng)讀者原諒我們無(wú)法在本文中說(shuō)出更多的內(nèi)容，因?yàn)閷?duì)應(yīng)的理論仍然在研宄當(dāng)中。我們?cè)诒疚闹械哪繕?biāo)是讓讀者為電路做好準(zhǔn)備，否則他將發(fā)現(xiàn)生疏或錯(cuò)誤之處。
[0019]因此，根據(jù)發(fā)明人的理解，由普通電路和常規(guī)的完全為感應(yīng)電容器完整表示的任何較早的設(shè)備專(zhuān)利都不能被認(rèn)為是關(guān)于本發(fā)明真正相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明處于局部感應(yīng)的領(lǐng)域內(nèi)并且在常規(guī)電路理論的框架之外。
[0020]要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0021]近場(chǎng)設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)(在某些應(yīng)用中這是決定性的)是它們能夠在一定的距離內(nèi)以很好的效率傳輸能量，缺點(diǎn)在于它們的范圍相對(duì)有限。實(shí)際上，我們已經(jīng)說(shuō)過(guò)這些設(shè)備被勢(shì)能?chē)@，因?yàn)?考慮到所使用的大波長(zhǎng))不可能形成沿一個(gè)特定方向的能量聚集，因此結(jié)果是能量分布在所有方向上，隨距離而非?？焖俚叵陆?。在每一個(gè)周期內(nèi)，可以傳輸至遠(yuǎn)程負(fù)載(其通常僅覆蓋一小部分存在能量的空間)的能量部分通常都是非常小的。
[0022]為了讓這樣的設(shè)備可以提供良好的效率，必須要使得被存儲(chǔ)但是未在每一個(gè)周期內(nèi)被用掉的能量能夠進(jìn)行有效地再循環(huán)。用電子工程師的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，這就意味著這種系統(tǒng)必須有通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有效功率的無(wú)功功率。實(shí)際上，在四極耦合的常規(guī)情況下，由發(fā)生器形成的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)隨距離而非?？焖俚叵陆?，局部存儲(chǔ)的能量(其與場(chǎng)強(qiáng)的平方成正比)由此隨距離而極其快速地下降。在每一個(gè)周期內(nèi)，如果負(fù)載變遠(yuǎn)或者與發(fā)生器的場(chǎng)強(qiáng)存在的空間相比只占據(jù)了非常小的體積，那么為了給遠(yuǎn)程負(fù)載傳輸指定量的能量，就必須在每一個(gè)周期內(nèi)將比由負(fù)載實(shí)際消耗的能量多得多的能量存儲(chǔ)在該空間中。如果負(fù)載移動(dòng)離開(kāi)的距離甚至數(shù)倍于發(fā)生器的尺寸，那么用于傳輸相同有功功率的無(wú)功功率很快就會(huì)變得難以控制或者會(huì)在生成無(wú)功功率的元件內(nèi)造成相當(dāng)大的損耗。根據(jù)L/D(其中L是偶極子之間的距離而D是發(fā)生器的等效直徑)測(cè)量的這種系統(tǒng)的相對(duì)范圍在實(shí)踐中被限制為幾個(gè)單位，這取決于期望達(dá)到的效率以及電路“品質(zhì)”和所用技術(shù)。
[0023]這種設(shè)備遇到的第二個(gè)困難是所用頻率很高，并且在想要建立大型設(shè)備時(shí)，這會(huì)造成由有源電極的自由表面發(fā)出的電磁輻射。
[0024]本發(fā)明的比較優(yōu)勢(shì)
[0025]本發(fā)明提出了一種與在振動(dòng)的電偶極子之間的縱向耦合結(jié)構(gòu)內(nèi)的能量的無(wú)線傳輸相關(guān)的簡(jiǎn)單裝置，其將強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域限制在負(fù)載的緊鄰區(qū)域內(nèi)，由此降低由強(qiáng)無(wú)功功率和附加的波輻射造成的損耗。
[0026]為了克服大的無(wú)功功率水平的問(wèn)題(這對(duì)于電磁感應(yīng)系統(tǒng)特別關(guān)鍵，對(duì)于這種系統(tǒng)，無(wú)功功率的增加會(huì)快速地轉(zhuǎn)化為大電流和大的焦耳損失)，在專(zhuān)利US6803744B1中提出將激活表面(也就是產(chǎn)生強(qiáng)場(chǎng)的表面)分為根據(jù)負(fù)載的位置或需求而隨意激活的多個(gè)小線圈覆蓋的區(qū)域。
[0027]本發(fā)明介紹了一種局部(或整體)感應(yīng)的環(huán)境中的方法和設(shè)備，其使用至少在發(fā)生器側(cè)被分為多個(gè)子電極的有源電極和子電極的選擇性開(kāi)關(guān)，以激活與負(fù)載側(cè)的電極(或子電極)有效相互作用的那些子電極。
[0028]在具有被分段的激活表面的電磁感應(yīng)系統(tǒng)以及具有被分段的一個(gè)或多個(gè)有源電極和選擇性開(kāi)關(guān)的局部感應(yīng)系統(tǒng)之間有幾處明顯的不同。具有被分段的一個(gè)或多個(gè)有源電極的局部感應(yīng)系統(tǒng)提供了很多優(yōu)點(diǎn):
[0029]-強(qiáng)電場(chǎng)的形成不再是與有效強(qiáng)度相關(guān)的必要條件并且所需的昂貴的導(dǎo)電金屬的數(shù)量要少得多。
[0030]-激活表面僅使用非常少量的導(dǎo)電材料即可以低成本覆蓋。
[0031]-可以更好地控制強(qiáng)場(chǎng)所在的區(qū)域形狀，并且可選地簡(jiǎn)單使用弱導(dǎo)電的導(dǎo)線或材料即可替換該區(qū)域形狀。
[0032]-盡管間隔一定距離的磁場(chǎng)傳輸和開(kāi)關(guān)要困難得多，但是場(chǎng)發(fā)生器仍然可以遠(yuǎn)離