本申請是以下申請的分案申請：申請日：2012年7月28日；申請號：2012103843984；發明名稱：“用于電能傳輸系統的介電材料”。

背景技術：

本發明總的涉及電能傳輸系統，特別涉及基于諧振的非接觸電能傳輸系統。

在某些需要瞬時或持續的能量傳輸，但是互連導線不方便的應用中需要非接觸電能傳輸。一種非接觸電能傳輸方法是電磁感應方法，該電磁感應方法基于以下原理工作：第一變壓器線圈產生主磁場，臨近第一變壓器線圈的第二變壓器線圈產生相應的電壓。第二變壓器線圈接收的磁場的減少是兩個線圈之間的距離的平方的函數，因此對于大于幾毫米的距離，第一和第二線圈之間的耦合是微弱的。

另一種非接觸電能傳輸方法試圖通過諧振感應耦合提高感應電能傳輸的效率。發射器和接收器元件以相同的頻率諧振，最大感應發生在諧振頻率處。然而，這樣的諧振感應對負載和間隙變化敏感。

需要一種有效的非接觸電能傳輸系統，其可以用比目前可接受的距離分隔更長距離的線圈進行工作并且當經受偏移或負載變化時有效。此外，還需要適應性和有效的材料，其具有高介電特性和低介電損耗角正切(losstangent)，能以所需的頻率范圍用于電能傳輸系統。

發明簡述

簡要地，在一個實施方案中，提供了一種電能傳輸系統。該電能傳輸系統包括場聚焦元件，該場聚焦元件包含介電材料。該介電材料包括含有(mg1-xsrx)ytio(2+y)的氧化物材料，其中x可以在值0和1之間變化，使得0≤x≤1，而y可以是0、1或2。

在一個實施方案中，提供一種電能傳輸系統。該電能傳輸系統包括連接到電源的第一線圈和連接到負載的第二線圈；和包括介電材料且設置在第一線圈和第二線圈之間的場聚焦元件。該介電材料包括含有(mg1-xsrx)ytio(2+y)的氧化物材料，其中x可以在值0和1之間變化，使得0≤x≤1，而y可以是0、1或2。

附圖說明

當參考附圖閱讀以下詳述時，本發明的這些和其他特征、方面和優點將變得更易于理解，其中在整個附圖中類似的字符代表類似的部件，其中：

圖1示出了根據本發明的一個實施方案的示例性非接觸電能傳輸系統；

圖2示出了根據本發明的多個實施方案的場聚焦元件的多個示例性結構；和

圖3示出了根據本發明的一個實施方案的嵌入材料的多個示例性結構。

附圖標記

10-示例性系統

12-第一線圈

14-電源

16-第二線圈

18-場聚焦元件

20-負載

22，24-場聚焦元件的開口端

50-單環線圈

52-開口環結構

54-螺旋結構

56-瑞士卷結構

58-螺旋線圈

發明詳述

本發明的實施方案包括電能傳輸系統和可用于電能傳輸系統的介電材料。

在下面的說明書和隨后的權利要求中，除非上下文清楚地另外指明，否則單數形式“一”和“該”包括復數個對象。

非接觸電能傳輸系統一般特征在于第一和第二線圈之間的短距離電能傳輸。例如，感應電能傳輸系統的一個實施方案采用第一線圈和第二線圈來在電流隔離的兩個電路之間傳輸電能。當連接到電源時，在第一線圈周圍建立磁場。從第一線圈傳輸到第二線圈的電量與連接第二線圈的第一磁場的水平成比例。電力變壓器采用高導磁性磁芯來連接第一和第二線圈之間的磁場，并且因而獲得近似至少大約98％的效率。然而，當非接觸電能傳輸配置這樣的系統時，兩個線圈之間的空氣間隙降低了磁場耦合。這樣降低的耦合影響了非接觸電能傳輸系統的效率。

本文公開的某些實施方案提供了一種加強的非接觸電能傳輸系統，該電能傳輸系統對負載變化的敏感性降低，在線圈偏移時具有有效的電能傳輸，并具有提高電能傳輸效率的場聚焦結構。

圖1示出了根據本發明實施方案的非接觸電能傳輸系統10的實例，其包括連接到電源14且構造成產生磁場(未示出)的第一線圈12。第二線圈16構造成接收來自第一線圈12的電能。本文使用的術語“第一線圈”也可以稱為“第一線圈”，而術語“第二線圈”也可以稱為“第二線圈”。第一和第二線圈可以由任意具有良好導電性的材料例如銅制成。場聚焦元件18設置在第一線圈12和第二線圈16之間以聚焦來自電源14的磁場。在另一個實施方案中，場聚焦元件可以用來聚焦電場和/或電磁場。術語“磁場聚焦元件”和“場聚焦元件”可交換地使用。在一個實施方案中，磁場聚焦元件18構造成自諧振線圈并在通過第一線圈激勵時具有駐波電流分布。在另一個實施方案中，磁場聚焦元件包括作為有源陣或無源陣運行的多個諧振器，每個諧振器構造成具有駐波電流分布的自諧振線圈。在另一個實施方案中，磁場聚焦元件包括多個這樣的諧振器組，每個這樣的諧振器組在特定相位被激勵。可以理解成，當通過不同相位激勵諧振器組時，可以在期望的方向增強場聚焦。

磁場聚焦元件18還構造成將磁場聚焦到第二線圈16上，增強第一線圈12和第二線圈16之間的耦合。在一個實施方案中，通過在場聚焦元件18中產生駐波電流分布而在磁場聚焦元件18的周圍產生不均勻的磁場分布。在圖示的實施方案中，作為一個實例，場聚焦元件18放置得更接近第一線圈12。在某些系統中將場聚焦元件18放置得更接近第二線圈16可能是有益的。負載20連接到第二線圈16以利用來自電源14傳輸的電能。在某些實施方案中，非接觸電能傳輸系統10還可以構造成同時將電能從第二線圈傳輸至第一線圈，這樣該系統能夠雙向傳輸電能。可能的負載的非限制性實例包括燈泡、電池、計算機、傳感器或任何需要電能運行的設備。

非接觸電能傳輸系統10可以用于將電能從電源14傳輸到負載20。在一個實施方案中，電源14包括單相ac發電機或三相ac發電機結合電能轉化電子器件以將ac電能轉化為更高頻率。當以磁場聚焦元件18的諧振頻率激勵第一線圈12時，在場聚焦元件的兩個開放端(22，24)之間的磁場聚焦元件18中產生了駐波電流分布。該駐波電流分布導致了磁場聚焦元件18周圍的不均勻磁場分布。這種不均勻的電流分布構造成將磁場聚焦在任何期望的方向，例如，在這個實例中沿第二線圈16的方向。當在諧振頻率運行時，甚至對磁場聚焦元件18的小的激勵也會沿磁場聚焦元件的長度25產生大幅的電流分布。這個不均勻分布的大電流幅度導致在第二線圈16的方向產生放大的和聚焦的磁場，這使得電能傳輸更高效。

圖2示出了根據本發明的多個實施方案的場聚焦元件的結構的多個實例。在一個實施方案中，場聚焦元件包括單環線圈50。在另一個實施方案中，場聚焦元件包括多個線匝，例如開口環結構52、螺旋結構54、瑞士卷(swiss-roll)結構56或螺旋線圈58。用于特定應用的結構的選擇由場聚焦元件的尺寸和自諧振頻率來決定。例如，在低功率應用中(例如，小于約1瓦特)，最高約1000mhz的諧振頻率是可行的。在高功率應用(例如，從約100瓦特到約500千瓦)中，大約幾百khz的諧振頻率是可行的。

在本發明的電能傳輸系統的一個實施方案中，場聚焦元件18的諧振器可以由例如介電諧振腔形式的介電材料制成。用于場聚焦元件的介電材料期望具有高介電常數(介電常數，ε)和低損耗角正切。高介電常數有助于獲得給定較小尺寸的諧振器的低諧振頻率，而低損耗角正切期望將介電損耗保持在可接受的限度內。

在一個實施方案中，場聚焦元件18包括自諧振線圈，該自諧振線圈在諧振頻率激勵時將磁場聚焦。諧振器是任何形狀的自諧振線圈，它的自諧振頻率取決于自身固有電容和自感。線圈的自諧振頻率取決于線圈幾何參數。例如，就螺旋諧振器線圈來說，諧振頻率使得螺旋的整個長度是電磁激勵的半波長或多個半波長。結果，由于空間限制，設計這些低頻的諧振器是個挑戰。使諧振器的尺寸小型化的方法之一是將諧振器嵌入到高介電常數介質中。

在一個實施方案中，場聚焦元件18的諧振器或諧振器陣列被嵌入到了具有高介電常數的材料或是具有高磁導率的磁性材料或具有高介電常數和高磁導率的磁-介電介質中，以獲得具有較小尺寸的諧振器的較低諧振頻率。高磁導率材料提高了諧振器的自感，而高介電常數材料提高了諧振器的自身固有電容，以降低諧振頻率。在另一個實施方案中，高磁導率材料還構造成增加第一線圈和場聚焦元件之間以及場聚焦元件與第二線圈之間的耦合。

當諧振器被嵌入到介電介質中時，線圈匝之間的匝間電容增大，這反過來有助于降低諧振器的諧振頻率。具有高介電常數，則諧振器的尺寸可能大程度減小。高介電常數的另一個優點是將電場限制在諧振器中，這樣隨著輻射損失變小提高了電能傳輸的效率。但是具有高介電常數的材料選擇的一個設計標準是該材料在工作頻率的損耗角正切。低介電損耗角正切確保了最大的耦合效率。如果損耗角正切高，在諧振器中熱量形式的損耗可能高。

在功率水平高時熱損耗的問題是重要的。對于低功率水平，高損耗角正切值是可以接受的。在功率水平超過1kw的應用中期望高介電常數和非常低的損耗角正切的介電材料。高介電常數有助于在幾百khz的頻率獲得小型化的諧振器而低損耗角正切有助于降低電介質中的損耗。

通過高介電常數和低損耗角正切材料能得到的電能傳輸系統具有包括電動車輛充電器、向旋轉負載傳輸電能、采礦車輛的非接觸充電的應用，其中該電能傳輸水平大約是幾kw。具有高介電常數和高損耗介電材料的電能傳輸系統可以用于像海底連接器的應用中，其中電能水平是幾毫瓦。

具有不同形狀的高介電常數材料可以充當諧振器的嵌入材料。例如，高介電常數的圓形介電盤可以充當某些頻率諧振器的嵌入材料。在這種情況下諧振頻率由諧振器的幾何構造和嵌入材料決定。圖3給出了可以用作場聚焦元件的不同形狀的非限制實例。

高介電常數材料也可以用作金屬表面上的薄膜或厚膜涂層以產生類似瑞士卷結構56的場聚焦結構。瑞士卷的不同層之間的高介電常數增加了結構的電容，并因此顯著地降低了頻率。

在高介電常數材料中嵌入諧振器材料通常涉及一些諧振器和嵌入材料在一起的加工。例如，形成緊湊的金屬和陶瓷層組合包括許多工藝挑戰。不同的金屬和陶瓷的熔點、燒結點或軟化點的不同可能會阻礙諧振器期望特性的實現。熱膨脹差異和不同的燒結性能可能會在緊湊的結構中引起裂縫或間隙。

在有其他材料存在時材料的特性可以發生改變。例如，如果金屬諧振器材料和陶瓷介電材料要加工在一起用于形成諧振器結構，加工條件可能不得不被設計成保留諧振器材料的金屬性能不被過度氧化的同時，同時加工陶瓷介電材料以提供場聚焦元件結構所需的物理強度。通常，在高溫下燒結陶瓷材料以產生結構的物理強度。然而，在高溫下燒結陶瓷材料會增加陶瓷材料的粒徑，因此很可能降低陶瓷材料的介電特性。

所以，有益的是考慮可以在一起加工的諧振器材料和高介電常數材料。此外，期望低溫加工方法來加工嵌入到高介電常數介電材料中的諧振器材料。

在一個實施方案中，一種材料的組合可以用于嵌入諧振器。例如，具有高介電常數的兩種或更多種材料的混合物或具有高磁導率的兩種或更多種材料可以用作嵌入材料。在另一個實施方案中，兩種或更多種材料的混合物，每種具有高介電常數或高磁導率，可以用作嵌入材料。在一個實施方案中，介電材料包括具有有益的介電特性的氧化物材料和有助于該氧化物材料的燒結性能的第二氧化物材料。

本發明人發現材料的密度在材料的介電特性中扮演著重要的角色。不用使材料經受非常高的燒結溫度而獲得致密的介電材料有助于提高氧化物材料的介電特性。如果介電材料的微觀結構是致密的，該材料在材料本體中包括更少的氣孔。空氣通常具有比介電材料低的介電常數，因此當空氣存在于材料中時，預期會導致總體較低的介電常數。

對于陶瓷氧化物材料，另一種具有低熔點的氧化物材料可以用作致密化助劑。可以用作陶瓷氧化物化合物的致密化助劑的第二氧化物材料的非限制實例包括氧化銅(cuo)、五氧化二釩(v2o5)、氧化鋰(li2o3)和三氧化二鉍(bi2o3)。

在電能傳輸系統的一個實施方案中，介電材料以決體材料形式存在并是多晶，具有晶粒和晶界。在氧化物材料系統中提高晶界電導可以改善介電特性。

在電能傳輸系統的一個實施方案中，包含在場聚焦元件中的上述任何材料摻雜含鉍材料，例如氧化鉍。在另一個實施方案中，鉍在用于場聚焦元件的多晶材料的晶界中以金屬相存在。在相關實施方案中，摻雜氧化鉍并在介電材料的晶界中還原變成金屬鉍。在一個實施方案中，通過將bi2o3和tio2與煅燒過的氧化物材料混合來將氧化鉍引入晶界，然后將介電材料形成為可結合到場聚焦元件18的塊體形式并燒結。在一個實施方案中，小于約3摩爾％的bi2o3.3tio2存在于介電材料中。在一個實施方案中，bi2o3.3tio2以約0.01摩爾％到1摩爾％的范圍存在于介電材料中。在一個實施方案中，氧化物材料具有晶界中的金屬鉍相。發現該氧化物材料的介電常數通過在晶界中含有金屬鉍相而顯著增大。

例如但不限于氧化鈦(tio2)和多種鈦化合物的材料是顯示低損耗角正切值的實例。在一個實施方案中，介電材料作為塊體材料使用。本文使用的術語“塊體材料”表示具有三維結構的任何材料，該三維結構的所有邊都大于約1mm。在一個實施方案中，介電材料用作涂層。該涂層可以是薄膜形式或厚膜形式。本文使用的“薄膜”具有小于約100微米的厚度，而厚膜可以具有約100微米到約1毫米的厚度。

在一個實施方案中，期望采用在期望應用的某個頻率范圍其介電特性諸如介電常數和損耗角正切實質上穩定的介電材料。本文的術語“實質上穩定”的意思是數值的變化不會導致電能傳輸系統的性能變化超過約10％。因此，所需的頻率范圍的值和寬度可以根據使用場聚焦元件的應用來變化。在一個實施方案中，期望的頻率范圍是從約100hz到約100mhz。在一些實施方案中，期望的頻率范圍是從約1khz到約100khz。在另一個實施方案中，期望的頻率范圍是從約100khz到約1mhz。在另一實施方案中，期望的頻率范圍是從約1mhz到約5mhz。

具有低介電損耗角正切和高介電常數的材料當用作嵌入材料或諧振腔時，其相對于具有低介電常數和高損耗角正切的材料，可有效地作用于提高諧振器自身固有電容。因此，在諧振器的工作頻率處既具有高介電常數又具有低介電損耗角正切的材料期望用于場聚焦元件18。

期望用于電能傳輸系統的場聚焦元件18中的介電材料具有等于或大于約10的高介電常數和盡可能低的損耗角正切。在一個實施方案中，對于用于場聚焦元件的介電材料，等于或小于約0.1的損耗角正切是可接受的。在后面的一個實施方案中，對于介電材料，期望等于或小于約0.01的損耗角正切。

在一個實施方案中，提供具有式(mg1-xsrx)ytio(2+y)的材料系統用于例如上述電能傳輸系統的場聚焦元件18，其中0≤x≤1，且y＝0、1或2。為了簡單起見，這個材料系統自此稱為“氧化物材料”。本文使用的術語“大于零”是指故意加入預期的組分，而不是可作為雜質存在的偶然數量。酌情考慮常規測量和工藝變化，本文采用的范圍的端點包括所指數量之上和之下的偶然變化。在一個實施方案中，提供的電能傳輸系統包括作為介電材料的氧化物材料。

本文采用的符號(mg1-xsrx)ytio(2+y)是包括混合物和化合物的理論式，該混合物和化合物用該式來表示規定的比率，且并不意味著單個化合物以可通過標準表征技術確定的方式存在。簡言之，上式規定的材料實際上可作為多個相存在，總的來看，它具有由該式規定的總組成。

在介電材料的氧化物材料中，改變了鈦、鎂和鍶的水平并研究了它們對于良好的介電特性的影響。因此，在一個實施方案中，提供電能傳輸介電材料使得x，y＝0。因而，在這個實施方案中，介電材料包括二氧化鈦。在一個實施方案中，介電材料是tio2系統，而在其它買施方案中，介電材料可以包含提高介電性能或協助加工介電材料的其他介電化合物或其他附加材料。例如，具有約1重量％cuo的tio2相對于純的tio2提高了材料在較低頻率的介電常數，而不在損耗角正切值上做出讓步。含有約1摩爾％bi2o3.3tio2的tio2提高了介電常數并且顯著地降低了損耗角正切值。在一個實施方案中，tio2與第二氧化物材料2mgo.sio2相結合。在另一個實施方案中，介電材料連同tio2包含最多約70重量％的2mgo.sio2材料。

表1提供了基于tio2的介電材料的實驗加工細節和結果。在表中，“材料”欄是指陶瓷材料的不同組合；“條件”是用于當前實驗的陶瓷材料的加工條件。rt代表“室溫”。提供了在特定頻率下測量的介電常數(dc)和介質損耗角正切(dlt)，該特定頻率在“所處頻率”欄表示。“頻率范圍”欄表示陶瓷材料用于場聚焦元件特別有利的大概頻率范圍。

表1.

在一個買施方案中，提供介電材料的氧化物材料使得x＝0且y＝1。因此，在這個實施方案中，介電材料包含鈦酸鎂(mgtio3)。在一個實施方案中，介電材料是mgtio3系統。在一個實例中，當在約230-400khz的頻率范圍操作時，通過在約1400℃溫度下燒結3小時制備的mgtio3材料顯示出約15的介電常數和小于約0.01的介電損耗角正切。在約293khz的頻率處，mgtio3顯示出約15的介電常數和約2.00e^-04的損耗角正切值。

在一些實施方案中，介電材料可以包括提高介電性能或協助加工介電材料的其他介電化合物或其他附加材料。例如，隨mgtio3加入的某些材料可以提高mgtio3系統的介電特性。cuo、bi2o3.3tio2、五氧化二釩(v2o5)等是可以與mgtio3結合來使介電特性得到潛在的提升的附加材料的一些實例。

在一個實施方案中，提供介電材料的氧化物材料使得x＝1且y＝1。因此，在這個實施方案中，介電材料包含鈦酸鍶(srtio3)。在一個實施方案中，介電材料是srtio3系統。在一個實例中，當在約7-9.5mhz的頻率范圍操作時，通過在約1350℃溫度下燒結約6個小時制備的srtio3材料顯示出約50的介電常數和小于約0.001的介電損耗角正切。在約7.5mhz的頻率處，srtio3顯示出約46的介電常數和約3.00e^-06的損耗角正切值。

在一個實施方案中，0＜x＜1且y＝1，形成具有鈦酸鍶鎂(mgxsr(1-x)tio3)的鈦酸鹽系統。在另一個實施方案中，0≤x≤1且y＝2，形成具有鈦酸鍶鎂(mgxsr(1-x))2tio4的鈦鹽酸系統。

上面提供的實施例描述了包含在介電材料中的不同的氧化物材料，該介電材料可以用于上面提供的場聚焦元件18中。發現本文提供的不同的材料系統在一些頻率范圍，總的覆蓋了約230khz到約10mhz寬的頻率范圍內是有益的。雖然本文提供了一些特定的實施例，但是本領域技術人員可理解摻雜劑組合、水平、得到的特性和工作頻率范圍的變化。

雖然本文已經說明和描述了本發明的僅某些特征，但是本領域技術人員可以想到很多修改和變化。因此，可以理解附加的權利要求旨在覆蓋落入本發明的真正精神范圍內的所有這些修改和變化。