CN101645349B - 能量传输系统 - Google Patents

Abstract

一种能量传输系统，包括电源端装置、第一、第二能量传输装置及装置端装置。第一能量传输装置包括第一耦合电路及第一共振器。第二能量传输装置包括第二耦合电路及第二共振器，第二共振器具有扁平线螺旋管(Flat-wire Solenoid)结构。第一耦合电路接收电源端装置提供的电能，第一耦合电路上的电能依序地经由第一共振器及第二共振器耦合至第二耦合电路。第一及第二共振器之间进行非辐射能量转移(Non-radiative Energy Transfer)。装置端装置与第二耦合电路形成回路，以接收第二耦合电路上的电能，并据以提供驱动电能驱动电子装置。

Description

能量传输系统

技术领域

本发明涉及一种能量传输系统，且特别涉及一种应用扁平线螺旋管(Flat-wire Solenoid)结构的共振器的能量传输系统。

背景技术

传统上，多种无线传输技术已广泛地被应用在通信领域中。目前的无线传输技术大部分使用于在信号的接收与发送上，故多半只能达成低功率的信号传输。

由于使用无线传输技术的电子产品越来越多，通过无线传输方式来达到更高功率的传输技术的开发越来越受到重视。美国专利公开号2007/0222542已公开了一种可无线地进行能量传输的无线功率传输(Wireless PowerTransfer，WPT)的无线非辐射能量转移器，来将一个共振器的电能，以共振的方式传递至另一个共振器。

然而，此种转移器经由非辐射能量转移(Non-radiative Energy Transfer)来传输能量，如此，必须要使用到共振频率较低的共振器才能达到一定的传输效率。然而这样的共振器的体积庞大且成本高昂，难以应用于一般的电子产品中。因此，如何设计出体积小且仍具有较低的共振频率的能量转移系统乃业界不断致力的方向之一。

发明内容

本发明涉及一种能量传输系统，其使用扁平线螺旋管(Flat-wire Solenoid)结构的共振器，相较于传统能量传输系统，本发明提出的能量传输系统具有体积较小、共振频率较低及能量转换效率较高的优点。

根据本发明提出一种能量传输系统，用以驱动电子装置，能量传输系统包括电源端装置、第一、第二能量传输装置及装置端装置。电源端装置用以提供第一外部电能。第一能量传输装置包括第一耦合电路及第一共振器。第一耦合电路与电源端装置形成回路，以接收第一外部电能。第一耦合电路上的第一外部电能耦合至第一共振器，使第一共振器具有第一内部电能。第二能量传输装置包括第二共振器及第二耦合电路。第二共振器具有扁平线螺旋管(Flat-wire Solenoid)结构，第二共振器与第一共振器具有实质上相同的共振频率，第一及第二共振器之间进行非辐射能量转移(Non-radiative EnergyTransfer)，使第二共振器具有第二内部电能。第二共振器上的第二内部电能耦合至第二耦合电路，使第二耦合电路具有第二外部电能。装置端装置与第二耦合电路形成回路，以接收第二外部电能，并据以提供驱动电能驱动电子装置。

根据本发明提出一种能量传输系统，用以驱动电子装置，能量传输系统包括电源端装置、第一、第二能量传输装置及装置端装置。电源端装置用以提供第一外部电能。第一能量传输装置包括第一耦合电路及第一共振器。第一耦合电路与电源端装置形成回路，以接收第一外部电能。第一共振器，具有扁平线螺旋管结构，第一耦合电路上的第一外部电能耦合至第一共振器，使第一共振器具有第一内部电能。第二能量传输装置包括第二共振器及第二耦合电路。第二共振器与第一共振器具有实质上相同的共振频率，第一及第二共振器之间进行非辐射能量转移，使第二共振器具有第二内部电能。第二共振器上的第二内部电能耦合至第二耦合电路，使第二耦合电路具有第二外部电能。装置端装置与第二耦合电路形成回路，以接收第二外部电能，并据以提供驱动电能驱动电子装置。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1是绘示依照本发明实施例的能量传输系统的方块图。

图2是绘示图1的共振器Rs2的结构图。

图3A及图3B是绘示图1的共振器Rs2的结构图。

【主要元件符号说明】

10：能量传输系统

12：电源端装置

14、16：能量传输装置

14a、16a：耦合电路

Rs1、Rs2、Rs2′：共振器

18：装置端装置

20：电子装置

Ed1、Ed2：端点

具体实施方式

本实施例的能量传输系统应用扁平线螺旋管(Flat-wire Solenoid)结构的共振器。

请参照图1，其绘示依照本发明实施例的能量传输系统的方块图。能量传输系统10用以驱动电子装置20。电子装置20优选地为手持式电子装置。举例来说，电子装置20为移动电话。能量传输系统10包括电源端装置12、能量传输装置14、16及装置端装置18。

电源端装置12用以提供外部电能Pex1。举例来说，电源端装置12包括电源供应电路12a，其例如为交流电流源，用以根据直流电源转换得到交流电能Pac。电源端装置12更例如包括阻抗匹配电路12b，用以接收交流电能Pac，并对应地提供外部电能Pex1。

能量传输装置14包括耦合电路14a及共振器Rs1。耦合电路14a耦接至电源端装置12并与其形成回路，以接收外部电能Pex1。耦合电路14a上的外部电能Pex1耦合至共振器Rs1，使共振器Rs1具有内部电能Pin1。

能量传输装置16包括耦合电路16a及共振器Rs2，其中共振器Rs2具有一扁平线螺旋管结构，如图2所示。具有扁平线螺旋管结构的共振器Rs2的导线为带状导线。共振器Rs1与Rs2的近场(Non-radiative Field)相互耦合，使得共振器Rs1与Rs2之间进行非辐射能量转移(Non-radiative EnergyTransfer)。如此，使得共振器Rs2具有内部电能Pin2。优选地，共振器Rs2与共振器Rs1具有实质上相同的共振频率，使得共振器Rs1与Rs2间的能量耦合具有较佳的效率。

共振器Rs2上的电能还耦合至耦合电路16a，使得耦合电路16a具有外部电能Pex2。装置端装置18与耦合电路16a形成回路，以接收并提供驱动电能Pd驱动电子装置20。举例来说，装置端装置18包括阻抗匹配电路18a，用以接收外部电能Pex2并输出。装置端装置18还包括整流电路18b，用以对外部电能Pex2进行整流，以提供直流的驱动电能Pd驱动电子装置20。

本实施例的共振器Rs2具有扁平线螺旋管结构，其导线为带状导线。相较于传统共振器(具有圆形导线螺旋管结构)的圆形导线，带状导线具有较大的截面积。如此，在体积相同的条件下，具有扁平线螺旋管结构的共振器中各线圈相互感应产生的等效电容值高于传统共振器的等效电容值。再者，根据一般共振器通式：

$f_o=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\×\frac{1}{\sqrt{L\×C}}$

可知，共振器的共振频率f_o-随着共振器的等效电容值L与等效电感值C的提升而降低。如此可知，在体积相同的条件下，具有扁平线螺旋管结构的共振器具有较低的共振频率。

另外，由于具有扁平线螺旋管结构的共振器Rs1及Rs2具有较低的共振频率f_o，电源供应电路12a及整流电路18b执行的直流电能与交流电能间的转换操作具有较佳的能量转换效率。

综合以上可知，本实施例的能量传输系统应用具有扁平线螺旋管结构的共振器来进行共振器与共振器间的非辐射能量转移。如此，相较于应用传统共振器的能量传输系统，本实施例的能量传输系统具有体积较小、共振频率较低及能量转换效率较高的优点。

在本实施例中，虽以共振器Rs2具有如图2所示的扁平线螺旋管结构的情形为例作说明，然而，共振器Rs2并不局限于具有如图2所示的结构。举例来说，共振器Rs2的结构亦可如图3A及3B所示。在图3A及3B中，共振器Rs2′的导线具有端点Ed1及Ed2，端点Ed1与Ed2皆往扁平线螺旋管结构的共振器Rs2’的轴心方向折入。

在本实施例中，虽仅以能量传输装置16中的共振器Rs2为具有扁平线螺旋管结构的共振器的情形为例作说明，然而，本实施例的能量传输系统10并不局限于此。举例来说，亦可是共振器Rs1为据以扁平线螺旋管结构的共振器，而共振器Rs2具有传统的共振器结构，或共振器Rs1与Rs2同为具有扁平线螺旋管结构的共振器。

模拟结果

假设传统圆形螺旋管共振器的导线截面积的直径为1.4毫米(Millimeter，mm)，本实施例的扁平线螺旋管结构的共振器(其例如具有图2所示的结构)的带状导线的线宽为3mm，而传统圆形螺旋管共振器与扁平线螺旋管结构的共振器的线圈外径均为3.5公分(Centimeter，cm)，线圈高度均为2cm。

根据前述条件进行模拟，得到传统圆形螺旋管共振器的共振频率为32.8百万赫兹(Mega Hertz，MHz)，本实施的扁平线螺旋管结构的共振器的共振频率为20MHz。根据此模拟结果可知，在体积相同的情况下，本实施例的扁平线螺旋管结构的共振器具有共振频率较低及电源装置所执行的直流与交流间的能量转换效率较高的优点。

如果相同的模拟条件(即是带状导线的线宽为3mm，线圈外径为3.5cm，线圈高度均为2cm)应用在如图3所述的扁平线螺旋管结构的共振器上，则模拟得到的共振频率为15MHz。如此，可将扁平线螺旋管结构的共振器的导线的两端点向扁平线螺旋管结构的共振器的轴心折入，可更进一步地降低扁平线螺旋管结构的共振器的共振频率。

综上所述，虽然本发明已以一优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1.一种能量传输系统，用以驱动一电子装置，该能量传输系统包括：

一电源端装置，用以提供一第一外部电能；

一第一能量传输装置，包括：

一第一耦合电路，与该电源端装置形成回路，以接收该第一外部电能；及

一第一共振器，该第一耦合电路上的该第一外部电能耦合至该第一共振器，使该第一共振器具有一第一内部电能；

一第二能量传输装置，包括：

一第二共振器，具有一扁平线螺旋管结构，该第二共振器与该第一共振器具有实质上相同的共振频率，该第一及该第二共振器之间进行非辐射能量转移，使该第二共振器具有一第二内部电能；及

一第二耦合电路，该第二共振器上的该第二内部电能耦合至该第二耦合电路，使该第二耦合电路具有一第二外部电能；以及

一装置端装置，与该第二耦合电路形成回路，以接收该第二外部电能，并据以提供一驱动电能驱动该电子装置。

2.如权利要求1所述的能量传输系统，其中该扁平线螺旋管的导线具有一带状表面，该带状表面的法线与该扁平线螺旋管的轴心延伸线彼此实质上互为平行。

3.如权利要求2所述的能量传输系统，其中该扁平线螺旋管的导线具有一第一端及一第二端，且该第一端及该第二端皆往该轴心方向折入。

4.如权利要求1所述的能量传输系统，其中该第一共振器具有一扁平线螺旋管结构，该第一共振器的扁平线螺旋管的导线具有一带状表面，该带状表面的法线与该第一共振器的扁平线螺旋管的轴心延伸线彼此实质上互为平行。

5.如权利要求4所述的能量传输系统，其中该第一共振器的扁平线螺旋管的导线具有一第一端及一第二端，且该第一端及该第二端皆往该轴心方向折入。

6.如权利要求1所述的能量传输系统，其中该电源端装置包括：

一电源供应电路，用以提供该第一外部电能；及

一阻抗匹配电路，用以接收该电源供应电路提供的该第一外部电能，并输出该第一外部电能至该第一耦合电路。

7.如权利要求1所述的能量传输系统，其中该装置端装置包括：

一阻抗匹配电路，用以接收该第二耦合电路提供的该第二外部电能，并输出该第二外部电能；

一整流电路，用以对该第二外部电能进行整流，以提供该驱动电能驱动该电子装置。

8.一种能量传输系统，用以驱动一电子装置，该能量传输系统包括：

一电源端装置，用以提供一第一外部电能；

一第一能量传输装置，包括：

一第一耦合电路，与该电源端装置形成回路，以接收该第一外部电能；及

一第一共振器，具有一扁平线螺旋管结构，该第一耦合电路上的该第一外部电能耦合至该第一共振器，使该第一共振器具有一第一内部电能；

一第二能量传输装置，包括：

一第二共振器，与该第一共振器具有实质上相同的共振频率，该第一及该第二共振器之间进行非辐射能量转移，使该第二共振器具有一第二内部电能；及

一第二耦合电路，该第二共振器上的该第二内部电能耦合至该第二耦合电路，使该第二耦合电路具有一第二外部电能；以及

一装置端装置，与该第二耦合电路形成回路，以接收该第二外部电能，并据以提供一驱动电能驱动该电子装置。

9.如权利要求8所述的能量传输系统，其中该扁平线螺旋管的导线具有一带状表面，该带状表面的法线与该扁平线螺旋管的轴心延伸线彼此实质上互为平行。

10.如权利要求9所述的能量传输系统，其中该扁平线螺旋管的导线具有一第一端及一第二端，且该第一端及该第二端皆往该轴心方向折入。

11.如权利要求8所述的能量传输系统，其中该第二共振器具有一扁平线螺旋管结构，该第二共振器的扁平线螺旋管的导线具有一带状表面，该带状表面的法线与该第二共振器的扁平线螺旋管的轴心延伸线彼此实质上互为平行。

12.如权利要求11所述的能量传输系统，其中该第二共振器的扁平线螺旋管的导线具有一第一端及一第二端，且该第一端及该第二端皆往该轴心方向折入。

13.如权利要求8所述的能量传输系统，其中该电源端装置包括：

一电源供应电路，用以提供该第一外部电能；及

一阻抗匹配电路，用以接收该电源供应电路提供的该第一外部电能，并输出该第一外部电能至该第一耦合电路。

14.如权利要求8所述的能量传输系统，其中该装置端装置包括：

一阻抗匹配电路，用以接收该第二耦合电路提供的该第二外部电能，并输出该第二外部电能；

一整流电路，用以对该第二外部电能进行整流，以提供该驱动电能驱动该电子装置。

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