[发明专利]用于改进在感应能量和/或数据传递系统中的屏蔽件以便提高能量传递效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于通过屏蔽件来无线传输能量和/或数据的磁感应系统。更特别是，本发明涉及一种用于机械改进屏蔽件的方法，以便提高从磁场发射器至磁场接收器的磁通流，从而增加系统的能量传递效率。

背景技术

使用磁感应来穿过屏蔽件无线传输能量和数据信号的系统为本领域已知。参考图1，这样的感应能量和数据传输系统通常包括位于屏蔽件12的一侧的磁场发射器10以及位于屏蔽件12的相对侧的磁场接收器14。磁场发射器10通常包括发射器线圈16，该发射器线圈16环绕发射器芯18缠绕，磁场接收器14通常包括接收器线圈20，该接收器线圈20环绕接收器芯22缠绕。发射器10与信号发生器24连接，该信号发生器24在驱动时产生随时间变化的电流，该电流流过发射器线圈16。流过发射器线圈16的电流产生随时间变化的磁场，该磁场在理论上穿过屏蔽件12流向接收器14。在接收器14处，随时间变化的磁场流过接收器芯22，并引起流过接收器线圈20的电流，该电流再可以用于向与接收器线圈连接的装置26供能。

尽管感应数据传递系统很好地用于由多种材料制造的屏蔽件，但是感应能量传递系统通常只有在屏蔽件由具有相对较低磁导率的材料来制造的情况下才能令人满意地工作。这样的原因能够参考图2和3来解释，该图2和3是图1的感应能量传递系统的视图，分别表示了当屏蔽件12由具有大约10的相对磁导率的材料和由具有大约100的相对磁导率的材料来制造时由发射器10产生的磁场线所沿着的通路。如图2中所示，当屏蔽件12的相对磁导率为大约10时，由发射器10产生的磁场线的主要部分流过屏蔽件和进入接收器芯22。如图3中所示，另一方面，当屏蔽件12的相对磁导率为大约100时，相对较少量的磁场线流过屏蔽件和进入接收器芯22。相反，由发射器10产生的大部分磁场线在到达接收器芯22之前“短路”通过屏蔽件12和返回发射器芯18。

感应能量传递系统的能量传递效率与流过接收器芯的、由发射器产生的磁通量直接成比例。在接收器芯中的磁通量又与经过接收器芯的横截面的磁场线的数目成比例。因此，比较图2和图3，人们能够看见，当屏蔽件12的相对磁导率为大约10时在接收器芯22中的磁通量明显大于当屏蔽件的相对磁导率为大约100时在接收器芯22中的磁通量。因此，当屏蔽件12由具有相对较低磁导率的材料来制造时，感应能量传递系统的能量传递效率将更大。

不过，当屏蔽件的磁导率降低时能量传递效率并不继续增加。图4是图1的感应能量传递系统的视图，表示了当屏蔽件12由相对磁导率为大约1的材料来制造时由发射器10产生的磁场线所沿着的通路。比较图2和4，人们能够看见，当屏蔽件12由相对磁导率为大约1的材料来制造时，由发射器10产生的磁通中的更小比例耦合至接收器芯22中（与当屏蔽件由相对磁导率为大约10的材料来制造时相比）。因此，屏蔽件包括大约1的相对磁导率的系统的能量传递效率比屏蔽件包括大约10的相对磁导率的系统的能量传递效率低。

不过，在很多用途中（其中，无线感应能量传递系统将很有利），屏蔽件由具有相对较高磁导率的材料来制造。例如，在海底油气生产行业中，电动力装置（例如传感器、发射器和促动器）有时定位在生产设备部件内部，例如井口壳体、采油树流动管线和阀促动器，以便监测和控制流体流过该部件。尽管用于这些电动力装置的动力可以由内部电池或外部电源来提供，但是电池在经过一段时间后失去电荷，外部电源需要穿过部件钻孔以便适应穿过连接器，且当必须保证部件的压力完整性时，这些孔是不希望的。

因此，用于向定位在海底烃生产设备部件内部的装置供能的无线感应能量传递系统将很有利。不过，用于制造这些部件的很多普通材料（例如4130、X65、Super Duplex和1010钢）具有接近1000的相对磁导率。因此，对于使用这些部件的感应能量传递系统，能量传递效率将可能只是很小的百分数。因此，感应能量传递系统用于这些部件将并不实际。

在当前使用无线感应能量传递系统的其它用途中，能量传递效率也不理想，因为屏蔽件由非常低磁导率的材料来制造。例如，已经发展了使用无线感应能量传递系统的无绳充电站，以便使得多个便携式装置重新充电，例如移动电话、个人媒体播放器和照像机。不过，这些装置通常包括由非常低磁导率的材料（例如塑料）制造的壳体。因此，充电站的能量传递效率相对较低。因此，需要相对较长时间来使得装置完全充电，且充电效率明显降低。

发明内容