專利名稱：用于非接觸式電力傳送的系統的制作方法
技術領域：
本發明的實施例大體上涉及非接觸式電カ傳送系統并且更具體地涉及用于部件(其中這些部件中的至少ー個正在旋轉)之間的非接觸式電カ傳送的系統。
背景技術：
通常采用機械滑環來在機器的可旋轉部件之間傳送電力。滑環是安裝在機器的可旋轉部件上的金屬環，金屬環通過靜觸點的導電刷與機器的靜止部件電接觸。滑環的尺寸和材料是專用的，并且滑環的定期維護是必需的以確保當發生機械損傷時機器不中斷操作。旋轉變壓器備選地在一些應用中使用以提供可旋轉部件之間的非接觸式電カ傳送。旋轉變壓器包括兩個旋轉感應線圈并且根據感應耦合原理工作以從ー個線圈傳送電力到另ー個。以50Hz或60Hz的エ頻操作的旋轉變壓器是龐大的并且笨重的。減小旋轉變壓器的尺寸的ー個方式是以高頻操作變壓器并且使諧振槽路(resonance tank circuit)率禹合于變壓器的一次和二次繞組。然而，當減小旋轉變壓器的尺寸時，旋轉變壓器的效率對于變壓器的一次和二次繞組之間間隙的改變或機器中的負荷變化變得更敏感。也就是說，兩個線圈之間的空隙的任何改變減少磁場耦合并且弓I起旋轉變壓器效率降低。因此，存在需要改進的系統和方法來解決前面提到的問題。
發明內容
在本發明的一個實施例中，提供用于非接觸式電カ傳送的系統。該系統包括機械耦合于第一部件并且電耦合于電源的第一線圈，其中該第一線圈配置成產生磁場。該系統進ー步包括機械耦合于第二部件并且配置成經由該磁場從第一線圈接收電カ的第二線圈。第一和第二部件中的至少ー個包括可旋轉部件。該系統還包括設置在該第一線圈和該第二線圈之間并且配置作為自諧振線圈(其具有駐波電流分布)的場聚焦元件以將磁場聚焦到該第二線圈上并且增強該第一線圈和該第二線圈之間的耦合。在本發明的另ー個實施例中，渦輪機包括配置成從發電機傳送電力到葉片漿距馬達的非接觸式電カ傳送系統。該渦輪機包括耦合于該渦輪機的發電機的第一線圈。該第一線圈配置成產生磁場。該渦輪機進ー步包括耦合于該渦輪機的葉片槳距馬達的第二線圈。該第二線圈配置成經由該磁場從該第一線圈接收電力。該渦輪機還包括設置在該第一線圈和該第二線圈之間并且包括至少ー個諧振器(其配置將磁場聚焦到該第二線圈上并且形成駐波電流分布)的場聚焦元件。在本發明的再另ー個實施例中，計算機斷層攝影機器包括配置成從電源傳送電力到X射線管的非接觸式電カ傳送系統。該計算機斷層攝影機器包括耦合于高壓變壓器的第 一線圈。該第一線圈配置成產生磁場。該計算機斷層攝影機器進ー步包括耦合于該X射線管的第二線圈。該第二線圈配置成經由該磁場從該第一線圈接收電力。該計算機斷層攝影機器還包括設置在該第一線圈和該第二線圈之間并且包括至少ー個諧振器(其配置將磁場聚焦到該第二線圈上并且形成駐波電流分布)的場聚焦元件。
當下列詳細說明參照附圖(其中所有圖中相似的符號代表相似的部件)閱讀吋，本發明的這些和其他特征、方面和優勢將變得更好理解，其中圖I是根據本發明的實施例用于可旋轉部件的非接觸式電カ傳送系統的圖示；圖2是根據本發明的實施例的場聚焦元件的圖示，該場聚焦元件包括用于在圖I的非接觸式電カ傳送系統中使用的多個瑞士卷(Swiss Roll)形諧振器的陣列。圖3是根據本發明的實施例配置成形成用于在圖2中的實施例中使用的場聚焦元件的至少ー個諧振器的截面圖的圖示。 圖4是根據本發明的實施例的包括圖I的非接觸式電カ傳送系統的渦輪機的圖
/Jn ο圖5是根據本發明的實施例的包括圖I的非接觸式電カ傳送系統的計算機斷層攝影機器的圖示。
具體實施例方式本發明的實施例包括非接觸式電カ傳送系統；渦輪機，其包括配置成從發電機傳送電力到葉片槳距馬達的非接觸式電カ傳輸系統；和計算機斷層攝影機器，其包括配置成從電源傳送電力到X射線管的非接觸式電カ傳送系統。非接觸式電カ傳送系統包括耦合于第一部件并且耦合于電源的第一線圈和耦合于第二部件的第二線圈。該第一和第二部件中的至少ー個包括可旋轉部件。該第一線圈配置成產生磁場，并且該第二線圈配置成經由該磁場從該第一線圈接收電力。非接觸式電カ傳送系統還包括設置在該第一線圈和該第二線圈之間并且配置作為自諧振線圈(其具有駐波電流分布)的場聚焦元件以將該磁場聚焦到該第二線圈上并且增強該第一線圈和該第二線圈之間的耦合。如本文使用的，術語“一”不表示數量的限制，而是表示存在引用的項目的至少ー個。圖I是根據本發明的實施例在第一部件(未示出)和第二部件18之間的非接觸式電カ傳送系統10的圖示。在示范性實施例中，該第一部件包括靜止部件，并且該第二部件包括可旋轉部件。該非接觸式電カ傳送系統10包括電耦合于第一線圈14并且配置成傳送電カ到該第一線圈14的電源12。該第一線圈14耦合于該第一部件并且配置成產生磁場。該磁場被聚焦到第二線圈16上，該第二線圈16耦合于可旋轉部件18并且配置成經由該磁場從該第一線圈14接收電力。在一個實施例中，可旋轉部件18配置成沿著旋轉軸線20關于固定部件旋轉。可旋轉部件18可包括一個可旋轉軸或多個可旋轉軸。該磁場通過設置在該第一線圈14和該第二線圈16之間的場聚焦元件22聚焦到該第二線圈16上。該場聚焦元件22包括自諧振線圈，其具有增強該第一線圈14和該第二線圈16之間的耦合的駐波電流分布。在示范性實施例中，該場聚焦元件22可包括固定的或可旋轉的場聚焦元件。電源12可包括，例如單相AC發電機、三相AC發電機或DC發電機(與電力轉換電子組合以將電カ轉換成更高頻率)。當第一線圈14在場聚焦元件22的諧振頻率被激勵，在場聚焦元件22內在場聚焦元件22的兩個開ロ端24、26之間產生駐波電流分布。駐波電流分布導致場聚焦元件22周圍非均勻的磁場分布。這樣的非均勻的電流分布可配置成在期望的方向上聚焦磁場，例如在第二線圈16的方向上。當在諧振頻率操作吋，對場聚焦元件22的甚至小的激勵產生沿著場聚焦元件22的長度28的大幅度的電流分布。非均勻分布的大的電流幅度導致在第二線圈16的方向上的放大和聚焦的磁場，其引起更高的電カ傳送效率。在一個實施例中，場聚焦元件11包括至少ー個諧振器。在更特定的實施例中，至少ー個諧振器包括配置成沿著旋轉軸線聚焦磁場的軸對稱結構。圖2是根據本發明的一個實施例的場聚焦元件22的圖示，該場聚焦元件22包括用于在圖I的非接觸式電カ傳送系統10中使用的采用陣列設置的多個諧振器30。在該陣列的一個實施例中，諧振器30的每個配置作為具有駐波電流分布的自諧振線圈。在更特定的實施例中，個體諧振器或諧振器組可分別設計成在特定相位被激勵，該特定相位在ー個實施例中可以是對于每個諧振器是相同的或在其他實施例中可以對于諧振器或諧振器組之間是不同的。可意識到，當在不同的相位激勵諧振器或諧振器組時，場聚焦可在期望的方 向上增強。當使用多個諧振器時，陣列的總場通過來自個體諧振器的場的矢量相加而確定。當個體諧振器30或諧振器組的參數變化時，這樣的變化可選擇成塑造陣列32的總的場圖。提供變化的不同方式包括，例如幾何構型(線形、圓形、矩形、球形，等)、諧振器30之間的相對位移距離、個體諧振器30的激勵幅度、個體諧振器30的激勵相位和個體諧振器30的模式。在一個設置中，來自陣列32中的諧振器30的場在期望的方向上構建性地干擾(相加)以實現磁場聚焦，并且在剰余的空間中破壞性地干擾(互相抵消)。在圖示的實施例中，個體諧振器采用圓形設置，其中一個較大的諧振器在中心并且較小的諧振器環繞該較大的諧振器。在再另ー個實施例中，第一組諧振器配置成ー個特定的諧振頻率并且第二組諧振器配置成另ー個諧振頻率以便電力同時傳送通過該第一組諧振器并且數據傳送通過該第ニ組諧振器。在另ー個實施例中，對于雙向電カ傳送，第一組諧振器配置成ー個特定的諧振頻率并且第二組諧振器配置成另ー個諧振頻率以便電カ經由第一組諧振器在ー個方向上傳送通過該第一組諧振器并且經由該第二組在相反的方向上傳送電力。在另ー個實施例中，單個諧振器被激勵而其他諧振器電磁耦合于該激勵的諧振器以形成無源陣列。這樣的無源陣列產生拉長的磁場聚焦束，其使得能夠高效地傳送電力多達幾米的距離。在另ー個實施例中，諧振器30沒有ー個被特定地激勵。然而，當諧振器被集體放置在磁場附近吋，陣列32將聚焦該磁場。這樣的無源結構的空間設置可設計成引起有效的負磁導率。如果需要的話，諧振器或諧振器陣列可以嵌入具有高介電常數(介電電容率)的材料或具有高磁導率的磁性材料或具有高介電電容率以及高磁導率的磁性介電介質中以用較小尺寸的諧振器實現較低的諧振頻率。高磁導率的材料增強諧振器的自感，并且高介電常數的材料增強諧振器的自電容來減小諧振頻率。在另ー個實施例中，高磁導率的材料還配置成増加一次線圈、場聚焦元件和二次線圈之間的耦合。一個示例材料包括鈦酸鍶鋇。圖3是圖2的陣列32的一個諧振器30的截面圖。在圖3的實施例中，諧振器30包括配置成沿著旋轉軸線聚焦磁場的軸對稱結構。這樣的諧振器可包括，例如瑞士卷形結構、螺旋結構或盤旋結構。這樣的諧振器可配置成在從大約IOOkHz直到大約IOOMHz的頻率操作并且用于在非接觸式電カ傳送系統10中提供拉長的磁場聚焦強度。預計這樣的諧振器的效率不受第一線圈和第二線圈的相對位置的偏離的影響，只要第一線圈和第二線圈的中心點之間的偏移小于第一線圈或場聚焦元件的直徑即可。圖4是根據本發明的實施例的渦輪機44的圖示，該渦輪機44包括配置成從發電機48傳送電力到葉片槳距馬達46的圖I的非接觸式電カ傳送系統10。在一個實施例中，該渦輪機44包括風カ渦輪機。在另ー個實施例中，該渦輪機44包括海洋流體動カ能渦輪機。該發電機48電稱合于第一線圈50并且配置成向該第一線圈50提供輸入電力。在一個實施例中，該發電機48電耦合于高頻轉換器52，其將低頻輸入電カ54轉換成饋送給該第ー線圈50的高頻輸入電カ56。該第一線圈50從該高頻輸入電カ產生磁場。該磁場被聚焦到耦合于渦輪機44的葉片槳距馬達 46的第二線圈58上。該第二線圈58通過該磁場從該第一線圈50接收電力。該磁場由設置在該第一線圈50和該第二線圈58之間的場聚焦元件60聚焦到該第二線圈58上，該場聚焦元件60包括配置成當激勵時將該磁場聚焦到該第二線圈58上并且形成駐波電流分布的至少ー個諧振器。在一個實施例中，該場聚焦元件60包括旋轉場聚焦元件。在圖4的實施例中，在第二線圈58和葉片槳距馬達46之間提供循環換流器62。該循環換流器62從第二線圈58接收高頻電カ56并且將從第二線圈58接收的高頻電カ56轉換成較低頻的電カ54，其被進ー步傳送到葉片槳距馬達46。圖5是根據本發明的實施例的包括圖I的非接觸式電カ傳送系統10的計算機斷層攝影機器70的圖示。該計算機斷層攝影機器70包括電耦合于高頻逆變器72的電源(未示出)，該高頻逆變器72配置成將來自該電源的低頻輸入電カ轉換成高頻輸入電力。該高頻逆變器72電耦合于高壓變壓器74。在一個實施例中，該高壓變壓器74包括升壓變壓器。該高壓變壓器74將低壓輸入電力轉換成高壓輸入電カ78。該高壓輸入電力78提供給電耦合于該高壓變壓器74的第一線圈80。該第一線圈80基于接收的高頻、高壓輸入電カ78產生磁場。該磁場朝耦合于X射線管84的第二線圈82聚焦。該第二線圈82經由磁場從該第一線圈80接收輸入電カ78。該磁場由設置在該第一線圈80和該第二線圈82之間的場聚焦元件86聚焦到該第二線圈82上，該場聚焦元件86包括配置成當激勵時將該磁場聚焦到該第二線圈82上并且形成駐波電流分布的至少ー個諧振器。在一個實施例中，該場聚焦元件86包括旋轉場聚焦元件。此外，該第二線圈82電耦合于整流器88，其將來自該第二線圈82的AC電カ轉換成要在X射線管84中使用的DC電力。上文描述的非接觸式電カ傳送系統的各種實施例包括電源、第一線圈、場聚焦元件和第二線圈并且使電力能夠經由非接觸式介質從該第一線圈傳送到該第二線圈。例如，非接觸式電カ傳送系統使靜止部件和旋轉部件之間能夠高效地非接觸式電カ傳送。非接觸式電カ傳送系統還在第一線圈和第二線圈之間的空隙的任何偏離的情況下維持效率。這向非接觸式電カ傳送系統提供最小維護和更高的操作范圍。當然，要理解，不是必定根據任意特定實施例實現上文描述的所有這樣的目的或優勢。從而，例如本領域內技術人員將認識到，本文描述的系統和技術可采用實現或優化本文教導的ー個優勢或一組優勢的方式來體現或實施，而不必實現如可在本文中教導或啟示的其他目的或優勢。
此外，技術人員將認識到來自不同實施例的各種特征的互換性。例如，關于ー個實施例的循環換流器可以改成與關于本發明另一實施例描述的高壓變壓器一起使用以提供非接觸式電カ傳送系統。相似地，描述的各種特征以及每個特征的其他已知的等同物可以由本領域內技術人員混合和匹配以根據本公開的原理構建另外的系統和技木。 盡管本文僅圖示和描述本發明的某些特征，本領域內技術人員將想到許多修改和改變。因此，要理解附上的權利要求意在涵蓋所有這樣的修改和改變，它們落入本發明的真正精神內部件列表10 非接觸式電カ傳送系統 12 電源14 第一線圈16 第二線圈18 可旋轉部件20 旋轉軸線22 場聚焦元件24 場聚焦元件的開ロ端26 場聚焦元件的開ロ端 28 場聚焦元件的長度30 多個諧振器32 陣列44 渦輪機46 槳距馬達48 發電機50 第一線圈52 高頻轉換器54 低頻電カ56 高頻電カ58 第二線圈60 場聚焦元件62 循環換流器70 計算機斷層攝影機器 72 高頻逆變器74 聞壓變壓器78 聞壓輸入電カ80 第一線圈82 第二線圈84 X射線管86 場聚焦元件88 整流器
權利要求
1.一種用于非接觸式電カ傳送的系統(10)，其包括 機械耦合于第一部件并且電耦合于電源(12)的第一線圈(14)，其中所述第一線圈(14)配置成產生磁場； 機械耦合于第二部件(18)并且配置成經由所述磁場從所述第一線圈(14)接收電カ的第二線圈(16)， 其中所述第一和第二部件(18)中的至少ー個包括可旋轉部件；和 場聚焦元件(22)，設置在所述第一線圈(14)和所述第二線圈(16)之間并且配置成為具有駐波電流分布的自諧振線圈以用于將所述磁場聚焦到所述第二線圈(16)上并且增強所述第一線圈(14)和所述第二線圈(16)之間的耦合。
2.如權利要求I所述的系統(10)，其中所述場聚焦元件(22)包括至少ー個諧振器(30)。
3.如權利要求2所述的系統(10)，其中所述至少一個諧振器(20)包括配置成沿著旋轉軸線(20)聚焦所述磁場的軸對稱結構。
4.如權利要求I所述的系統(10)，其中所述第一和第二部件(18)中的至少另ー個包括靜止部件，并且其中所述可旋轉部件配置成沿著旋轉軸線(20)關于靜止部件旋轉。
5.ー種包括配置成從發電機(48)傳送電力到葉片槳距馬達(46)的非接觸式電カ傳送系統(10)的渦輪機(44)，其包括 耦合于所述渦輪機(44)的發電機(48)的第一線圈(50)，其中所述第一線圈(50)配置成產生磁場； 耦合于所述渦輪機(44)的葉片槳距馬達(46)并且配置成經由所述磁場從所述第一線圈(50)接收電カ的第二線圈(58);和 設置在所述第一線圈(50)和所述第二線圈(58)之間并且包括配置成將磁場聚焦到所述第二線圈(58)上并且形成駐波電流分布的至少ー個諧振器的場聚焦元件(60)。
6.如權利要求5所述的渦輪機(44)，其中所述渦輪機(44)包括風カ渦輪機并且其中所述場聚焦元件(60)包括可旋轉場聚焦元件。
7.如權利要求5所述的渦輪機(44)，其中所述至少一個諧振器包括多個諧振器，其中所述諧振器中的至少ー個配置成在與至少另ー個諧振器不同的相位激勵。
8.ー種包括配置成從電源傳送電力到X射線管(84)的非接觸式電カ傳送系統(10)的計算機斷層攝影機器(70)，其包括 耦合于高壓變壓器(74)的第一線圈(80)，其中所述第一線圈(80)配置成產生磁場； 耦合于所述X射線管(84)的第二線圈(82)，其中所述第二線圈(82)配置成經由所述磁場從所述第一線圈(80)接收電カ；和 設置在所述第一線圈(80)和所述第二線圈(82)之間并且包括配置成將磁場聚焦到所述第二線圈(82)上并且形成駐波電流分布的至少ー個諧振器的場聚焦元件(86)。
9.如權利要求8所述的計算機斷層攝影機器(70)，其中所述場聚焦元件(86)包括可旋轉場聚焦元件。
10.如權利要求8所述的計算機斷層攝影機器(70)，其中所述至少一個諧振器包括多個諧振器，其中所述多個諧振器中的至少ー個能夠在與所述多個諧振器中的至少另ー個諧振器不同的相位激勵。
全文摘要
本發明涉及用于非接觸式電力傳送的系統。系統(10)包括機械耦合于第一部件并且電耦合于電源(12)的第一線圈(14)。該系統(10)進一步包括機械耦合于第二部件(18)并且配置成經由磁場從該第一線圈(14)接收電力的第二線圈(16)。該第一和第二部件中的至少一個包括可旋轉部件。該系統(10)還包括設置在該第一線圈(14)和該第二線圈(16)之間并且配置作為自諧振線圈(其具有駐波電流分布)的場聚焦元件(22)以將該磁場聚焦到該第二線圈(16)上并且增強該第一線圈(14)和該第二線圈(16)之間的耦合。
文檔編號H02J17/00GK102664467SQ20111034499
公開日2012年9月12日 申請日期2011年10月28日 優先權日2010年10月28日
發明者A·K·博霍里, S·M·N·哈特, S·拉馬錢德拉帕尼克 申請人:通用電氣公司