用于通过近场内电偶极子之间的远程纵向耦合来传输、分配和管理电能的方法和设备.pdf

根据本发明的装置由连接至能量源的一个或多个发生器设备(2)以及一个或多个(可以移动的)负载(3)构成。每个负载都通过存在强且快速变化的电场的有限空间区域(4)作为媒介而供电，并且这是无需导线或电接触或使用接地即可实现的。强场被局部地建立在位于发生器表面上的某些子电极(5)以及位于负载侧并相对设置的一个电极(6)或多个子电极之间。发生器侧的有源子电极(5)通过开关(7)，例如通过设置在负载(3)上的永磁体(8)启动的磁性开关而被选择。在负载侧，所用的无源电极(9)可以被认为是主要连接至周围的绝缘介质。本发明特定的目标在于给低功率或中等功率的固定或移动的电子设备远距离提供电能。

权利要求书1.  在一定距离内传输电能的方法，包括以下步骤： 提供发生器设备，包括第一对电极(5，10)，一个电极(5)是有源电极而 另一个电极(10)是无源电极，所述第一对电极被连接至高压高频电能的发 生器(11)的端子，有源电极被分段为多个子电极，其中所述发生器的一个 端子通过开关装置连接到所述有源电极，并且所述发生器的另一个端子连 接到所述无源电极而其间没有开关装置，并且所述开关装置被布置成选择 性地控制哪一个或哪一些所述有源电极的子电极连接到所述发生器的所 述一个端子； 提供至少一个用作负载的设备，该负载设备包括第二对电极，一个电 极是有源电极而另一个电极是无源电极，所述第二对电极被连接至最终负 载； 将至少一个负载设备的有源电极设置在发生器设备的至少一个子电 极附近；以及 通过启动开关装置以将所述至少一个子电极连接至发生器的所述一 个端子而将电能传输至所述至少一个负载设备，同时其他的子电极未被连 接至发生器，因此建立起位于所述至少一个子电极附近的强电场区域，该 区域位于所述至少一个负载设备附近，由此所述强电场区域在所述至少一 个负载设备的有源电极中感应电荷，由此将电能传输到负载设备， 其中所述子电极通过开关装置以这样的方式被开关：根据发生器和负 载的相互位置以及负载的要求对指定时刻激活的子电极的数量和位置进 行优化。 2.  如权利要求1所述的方法，其中信息根据相同的方法并使用附加 的集成在发生器设备和负载设备内的调制和解调装置单向或双向传输。 3.  如权利要求1所述的方法，其中根据通信协议将电能输送到至少 一个负载设备，通信协议使每一个负载设备自身都能够触发能量传输，该 协议通过设备实现，该设备使用了设置在发生器设备的每一个有源子电极 处和/或设置在负载设备处的检测装置、控制装置和开关装置。 4.  如权利要求1所述的方法，其中所述通信协议包括在所述发生器 设备和负载设备之间的能量传输不再需要或者不能再被准确地完成时的 保护型或应急型模式。 5.  用于在一定距离内通过至少两个振动的电偶极子之间的近场纵向 耦合来传输电能的系统，一个电偶极子被指定为提供能量的发生器设备， 而另一个电偶极子被指定为接收能量的负载设备，所述系统包括： 至少一个发生器设备，所述发生器设备设有第一对电极，一个电极是 有源电极而另一个电极是无源电极，所述第一对电极被连接至高压高频电 能的发生器的端子，有源电极被分段为多个子电极，其中所述发生器的一 个端子通过开关装置连接到所述有源电极，并且所述发生器的另一个端子 连接到所述无源电极而其间没有开关装置，并且所述开关装置被布置成选 择性地控制哪一个或哪一些所述有源电极的子电极连接到所述发生器的 所述一个端子； 至少一个负载设备，包括第二对电极，一个电极是有源电极而另一个 电极是无源电极，所述第二对电极被连接至负载；以及 控制装置，用于选择性地启动开关装置以将所述至少一个子电极连接 至发生器的所述一个端子，同时其他的子电极未被连接至发生器，因此被 启动的所述至少一个子电极构成了电偶极子的一端而另一端则由发生器 设备的无源电极构成，以及 所述负载设备的有源电极构成电偶极子的一端而另一端则由负载设 备的无源电极构成， 其中所述子电极通过开关装置以这样的方式被开关：根据发生器和负 载的相互位置以及负载的要求对指定时刻激活的子电极的数量和位置进 行优化。 6.  如权利要求5所述的系统，其中所述发生器设备和所述负载设备 中的至少一个的无源电极由至主接地或接地的连接代替。 7.  如权利要求6所述的系统，其中高压高频发生器由与至少一个升 压变压器关联的电子设备构成。 8.  如权利要求6所述的系统，其中高压高频发生器(11)由与谐振 型的感应变压器或压电变压器关联的电子设备构成。 9.  如权利要求5所述的系统，其中负载设备直接在高压下操作或者 由与常规的低压负载关联的降压设备构成。 10.  如权利要求7或8所述的系统，其中负载设备的无源电极的功能 由低压负载的金属屏蔽或者由低压负载的低阻抗电路承担。 11.  如权利要求5所述的系统，其中在高压高频发生器和与其关联的 电极之间的连接，以及包括在负载设备中的HVHF负载和与其关联的电极 (4，9)之间的连接是利用导线实现的，并且导线，电极和开关装置由少量的 沉积或包含在绝缘材料内的导电材料构成。 12.  如权利要求5所述的系统，其中发生器侧的子电极的尺寸足够小 并且它们的数量、它们的形状及它们的配置被调节用于确保在每一时刻都 很好地覆盖负载侧的一个或多个有源电极。 13.  如权利要求5所述的系统，其中开关装置、用于在一定距离内检 测负载的存在的辅助装置和开关装置和辅助装置的所述控制装置被靠近 子电极设置，在发生器被设置在每一个子电极处时开关装置被设置在发生 器的上游。 14.  如权利要求13所述的系统，其中集成到开关内构成开关装置的 一部分或者位于开关装置附近的电子装置通过所述开关的端子之间存在 的电势差进行供电。 15.  如权利要求13所述的系统，其中控制开关装置的控制装置部分 或全部整合到专用集成电路内，并且利用与允许传输能量的连接相同的连 接与电子通信装置关联。 16.  如权利要求5所述的系统，进一步包括辅助电路，集成到所述控 制装置内，以使所述子电极在所述至少一个发生器设备和负载设备之间的 能量传输不再需要或者不能再被准确地完成时能够采用保护或应急模式。

说明书用于通过近场内电偶极子之间的远程纵向耦合来传输、分配和管理电能的方法和设备
本申请为国际申请号为PCT/FR2008/051501，国家申请号为 200880103151.2、国际申请日为2008年8月14日、发明名称为“用于通 过近场内电偶极子之间的远程纵向耦合来传输、分配和管理电能的方法和 设备”的专利申请的分案申请。
背景技术
引言
电磁波是众所周知的电磁场的表现形式。在近场环境中(也就是在材料 主体附近)，存在与纯电场或纯磁场有关的不同性质的各种现象。这些基本 场不伴有波辐射并且能够持久地围绕在置于真空内的主体周围而不会发 生明显的能量损失。这些场通常与所谓的静电或静磁状态有关，而且存在 多种应用，其中这些场被用于通过准接触以动态方式传输能量。对于磁场， 可能会涉及到多种旋转式工业机械用于将电能转化为机械能或相反。对于 电场，应用比较少，但是值得关注地有电荷驱动设备例如静电喷涂工艺或 卫星的离子推进单元，并且最重要的是存在于我们日常生活环境中的所有 电路板内的电容器。发明人的主要工作是将静电设备的场应用扩大、发展 并提升为更加通用的电偶极子的动态场，电偶极子振动得足够慢以使得虽 然不会明显地辐射波但是彼此之间仍然动态耦合。
概述
长期以来，常规应用中非常短的距离和特别低的频率(数量级为几厘米 和几十Hz的)使得能够用通用的术语“准静态”来描述这样的状态。如今 近场被越来越多地用在数量级为米的距离和MHz范围内的频率上，因此 再提到准静态状态就变得比较复杂。可能可以称为无辐射的动态状态，但 是在下文中，我们还是建议继续使用过去用过的基于专有名词的术语“电 磁感应”和“感应”(而不是使用术语“静电感应”，该术语在动态状态下 可能会造成歧义)。
电磁感应系统和感应系统的特征在于以下事实：发挥作用的绝大部分 能量仍然局部地存储在这些设备附近并且不会传播。
尽管这样的设备至少在个体粒子的水平上必须是机电的或磁力的(也 就是说，它们将电磁学定律与机械定律相结合而发挥作用)，但是该特征在 宏观水平上可能会局部地不明显，允许当前在近场状态和电磁波的近场状 态之间普遍存在混淆。由此，在电磁感应变压器的环境中，当纵向设置的 两个线圈之间的距离变得显而易见时，众多技术人员就确信波在两个远程 的偶极子之间传播。相对比较容易地可以证明除了波长经常大于系统总尺 寸的事实之外，表示电磁能流量的坡印亭矢量(Poynting vector)在两个偶极 子的轴线上为零。这一无法否认的事实在解释时会引发重大问题，就此导 致了对于用来描述在紧邻区域内的这种相互作用的标准模型的质疑。
尽管通过电磁感应利用耦合的磁偶极子实现短距离上的能量传输已 经有很长的时间，但是直到最近本发明人才提出了利用两个电偶极子之间 的近场纵向耦合的设备。这样的设备能够在感应方面被视为电磁感应变压 器的等效设备。
作为一个实践因素，为了这样的电磁感应设备或者感应设备是无辐射 的，它们的总尺寸与所使用的信号的波长相比通常必须是比较小的。为了 降低辐射，较大的系统也可以被设想为使用多个反相区域。
由此，在1MHz下基于两个线圈操作的设备即可被认为是电磁感应设 备，只要线圈之间的距离明显地小于150m即可。
应该注意的是目前在很多设备被描述为辐射设备而它们其实是感应 设备时存在有很大的混淆。特别是绝大多数当前的射频识别(RFID)设备都 是电磁感应设备。
本发明的框架
本发明常用范围方面的更多细节在由相同发明人提交的专利 FR2875649，FR2875939，FR2876495和PCT/FR2006/000614中进行了介绍。
更具体地，本发明适用于通过两个振动的电偶极子之间的整体感应或 局部感应传输电能，每个电偶极子都包括一对电极，其中一个电极是有源 电极而另一个是无源电极，两个有源电极被设置为彼此相对。无源电极的 尺寸大于有源电极的尺寸，和/或无源电极被设置为间隔一定距离，以使有 源电极附近区域内的电场比无源电极处的电场要强得多。在发生器侧，电 极对由连接在两个电极之间的高压、高频发生器供电。在负载侧，负载被 连接在两个电极之间。
为了防止电磁波的有效辐射，尽管发生器的频率相对较高，但是有源 电极的尺寸与所述的波长相比是比较小的。通常，电极可以被选择为其尺 寸是所用波长的十分之一(以使辐射功率是近场功率的1/1000)。但是，在 可以容许较大的波辐射度的某些应用中使用较大的电极(例如λ/8或者甚至 是λ/4)也是可行的(这时可以想到将长度为λ/2的电极用作天线)。此外，在 涉及对避免波辐射的需求有所增加的应用中，可以证明使用小于λ/10的电 极才是合乎需要的。
在此情况下，能量传输由于发生器侧的有源电极的电势改变而产生， 这种电势改变通过整体感应或局部感应引发负载侧有源电极处对应的电 势改变。“局部”感应在由发生器侧的有源电极产生的电场线中只有一部 分终止于负载侧的有源电极时发生。
尽管可以使用术语“电容性耦合”来描述有源电极的相互作用，但是 这种耦合要比在完全为感应电容器的情况下获得的耦合常见得多。在本发 明中，根据有源和无源电极的具体结构(以及这些不同电极之间的距离)， 将会有多种互相作用。带电导体之间的这么多种互相作用使用电容系数矩 阵进行数学描述，并且通常不能简化为常规电路理论范围内的表达。但是， 可以通过使用新的概念例如绝缘导体的固有电容以及开路的固有电容而 给出其比抽象的矩阵更具表现力的表达。主要的困难来自于以下事实：在 这样的电路中，尽管电荷是守恒的，但是物理电流却不再守恒。它在导体 /绝缘材料转换处被称为Maxwell位移电流的位移电流所代替，其准确性质 和建模都很难进行处理。但是，在实践中隔离其中实现了物理电流守恒的 支路，即可获得流道型的表达以及正常应用电路理论的支路，后者通过源 型/漏型方式终止在每一侧，当它们对应于绝缘导体时可以被简单地表示。
请读者原谅我们无法在本文中说出更多的内容，因为对应的理论仍然 在研究当中。我们在本文中的目标是让读者为电路做好准备，否则他将发 现生疏或错误之处。
因此，根据发明人的理解，由普通电路和常规的完全为感应电容器完 整表示的任何较早的设备专利都不能被认为是关于本发明真正相关的现 有技术，本发明处于局部感应的领域内并且在常规电路理论的框架之外。
要解决的技术问题
近场设备的主要优点(在某些应用中这是决定性的)是它们能够在一定 的距离内以很好的效率传输能量，缺点在于它们的范围相对有限。实际上， 我们已经说过这些设备被势能围绕，因为(考虑到所使用的大波长)不可能 形成沿一个特定方向的能量聚集，因此结果是能量分布在所有方向上，随 距离而非常快速地下降。在每一个周期内，可以传输至远程负载(其通常仅 覆盖一小部分存在能量的空间)的能量部分通常都是非常小的。
为了让这样的设备可以提供良好的效率，必须要使得被存储但是未在 每一个周期内被用掉的能量能够进行有效地再循环。用电子工程师的语言 来说，这就意味着这种系统必须有通常远远大于有效功率的无功功率。实 际上，在四极耦合的常规情况下，由发生器形成的场强会随距离而非常快 速地下降，局部存储的能量(其与场强的平方成正比)由此随距离而极其快 速地下降。在每一个周期内，如果负载变远或者与发生器的场强存在的空 间相比只占据了非常小的体积，那么为了给远程负载传输指定量的能量， 就必须在每一个周期内将比由负载实际消耗的能量多得多的能量存储在 该空间中。如果负载移动离开的距离甚至数倍于发生器的尺寸，那么用于 传输相同有功功率的无功功率很快就会变得难以控制或者会在生成无功 功率的元件内造成相当大的损耗。根据L/D(其中L是偶极子之间的距离而 D是发生器的等效直径)测量的这种系统的相对范围在实践中被限制为几 个单位，这取决于期望达到的效率以及电路“品质”和所用技术。
这种设备遇到的第二个困难是所用频率很高，并且在想要建立大型设 备时，这会造成由有源电极的自由表面发出的电磁辐射。
本发明的比较优势
本发明提出了一种与在振动的电偶极子之间的纵向耦合结构内的能 量的无线传输相关的简单装置，其将强场区域限制在负载的紧邻区域内， 由此降低由强无功功率和附加的波辐射造成的损耗。
为了克服大的无功功率水平的问题(这对于电磁感应系统特别关键，对 于这种系统，无功功率的增加会快速地转化为大电流和大的焦耳损失)，在 专利US6803744B1中提出将激活表面(也就是产生强场的表面)分为根据 负载的位置或需求而随意激活的多个小线圈覆盖的区域。
本发明介绍了一种局部(或整体)感应的环境中的方法和设备，其使用 至少在发生器侧被分为多个子电极的有源电极和子电极的选择性开关，以 激活与负载侧的电极(或子电极)有效相互作用的那些子电极。
在具有被分段的激活表面的电磁感应系统以及具有被分段的一个或 多个有源电极和选择性开关的局部感应系统之间有几处明显的不同。具有 被分段的一个或多个有源电极的局部感应系统提供了很多优点：
-强电场的形成不再是与有效强度相关的必要条件并且所需的昂贵的 导电金属的数量要少得多。
-激活表面仅使用非常少量的导电材料即可以低成本覆盖。
-可以更好地控制强场所在的区域形状，并且可选地简单使用弱导电 的导线或材料即可替换该区域形状。
-尽管间隔一定距离的磁场传输和开关要困难得多，但是场发生器仍 然可以远离一个或多个有源电极。
-开关操作可以只在其自身的单极上进行(没有磁单极子)，这就使得 可以只使用单条导线就将发生器连接至整组的子电极。
根据本发明的方法类似于用于通过高压线传输电能的常用方法，但是 其不同之处在于使用了高得多的频率、在分配的最终阶段没有导线以及只 向位置非常接近负载的区域施加强场。
与专利DE 10304584A1相比-其中负载(可以是多个)完全位于发生器 结构的内部-本发明的不同之处在于以下事实：通过使用无源电极，并且通 过限制存在电场的区域，发生器和负载位于外部并彼此远离。
与专利CA 2526245A1相比-基于双重的常规电容性耦合(在任意时刻 都涉及使用至少两对电极)-通过两个电偶极子之间的纵向耦合，根据本发 明的方法使得能够使用单对电极，这极大地简化了开关操作的控制。
与我们自己的专利相比，本发明的不同之处在于使用的装置允许对强 电场所在区域进行限制、控制和扩展，由此获得效率的提高。
发明内容
序言
本发明提出了一种方法和一种设备，用于根据一种准纵向模式通过局 部感应在一定距离内传输、分配和管理电能，这种模式还可以被称为：“两 个或多个偶极子之间的近场纵向电耦合”。
考虑了两种类型的双极(或者可选地是多极)设备，分别被称为发生器 和负载。给定的双极(或多极)通过强电场以相对高的频率在近场内耦合。
对于“高频”应该理解为频率比通常用于传输电能的那些频率高得多。 设备的主要特征在于以下事实：它们被优先以纵向方式耦合并且它们只会 辐射出非常少的电磁能量。值得关注地是在围绕介质中的波长明显地大于 发生器设备的尺寸时的情况。强电场由所考虑介质内的击穿场强限制并在 电极之间的距离变得相当大时导致非常高的电压。
由此，获得的电压和频率是要被传输的功率、设备的尺寸以及将设备 分隔开的距离的函数。
以下我们将使用简洁的术语HVHF(高压高频)来描述与这种设备直接 相连的发生器和负载。使用常规的电子技术转化为其他类型的电压或频 率、升高或降低也仍然是可行的。
根据本发明的每一种设备都是由至少一个HVHF发生器或相同类型 的负载构成的，它们的每一个末端都被连接至至少一个变化尺寸和形状的 电极。一方面，装置由与其连接的发生器和电极构成，另一方面，由与其 连接的负载和电极构成，每一种情况都构成振动的电偶极子。在本发明的 范围内优选的结构对应于偶极子被纵向设置也就是设置在同一轴线上的 情况。但是，在紧耦合(close coupling)的某些情况下，偶极子在它们之 间具有非常大的角度，有可能大于直角。
在负载侧或发生器侧的其中一个无源电极可以可选地由接地代替。
在本发明的范围内，在发生器和特定负载之间实施的耦合的特征在于 以下事实：连接内主要地只包含两个电极，每侧一个电极。这些电极(称为 “有源电极”)优选地被直接面对面设置(彼此相对)，也就是说它们优选地 将表面设置为局部彼此平行并且被设置为彼此间隔相对较短的距离。其他 的电极(称为“无源电极”)，并且也可以是地面，则处于场较弱的环境中。 这种不对称性是通过调节不同电极的尺寸或者通过调节其定位也就是它 们各自的间距而获得的。在各种应用中是大尺寸设备或导体的屏蔽部分并 且更常见的是地面或发生器侧的主接地以及负载侧的副接地来扮演无源 电极的角色。
在包含紧耦合的结构中，也就是说，当研究中的两个偶极子彼此非常 靠近时，可以认为两个有源电极之间的耦合是有效地占据支配地位并且因 此它们在完全的感应状态下操作，两个另外远离并且是接地的电极随即就 可以被认为是只与周围的绝缘介质耦合。在这样的情况下，偶极子可以具 有任意的相对朝向，只要无源电极彼此之间保持足够的距离即可。彼此之 间相当远离的两个对称偶极子的极端情况是本发明的另一种可行结构。在 这样的情况下偶极子可以被设置在同一轴线上或构成小角度的轴线上。在 这两个示例中间，人们可以实现各种各样的不能被简化为通常的完全由感 应电容器构成的简单装置的结构。获得这些结构的同时保持优选为纵向的 总体结构，并且一方面改变电极的尺寸和形状，而另一方面改变它们之间 相应的距离。
本发明提供了一种如权利要求1所述的在一定距离内传输电能的方 法，以及一种如权利要求5所述的用于在一定距离内传输电能的设备。
在本发明的范围内，电极被分段并选择性地开关，但是通常上述的主 要原理值得关注地适用于：对于给定的发生器-负载连接，在给定的时刻， 耦合基本上是利用两个优选为纵向结构的有源电极形成的。
除了其他情况以外，本发明设想得是在强不对称情况下的应用，其中 由大尺寸发生器(物理尺寸)为多个小负载供电，负载可以是移动的并且被 设置成相对于发生器间隔与它们自身的尺寸相比相对较大的距离。
根据本发明的方法包括选择性地通过开关系统向将要覆盖的空间内 确定的局部区域以高频施加非常高的电压。根据纵向的无辐射模式在一定 距离内通过强电场传输能量。根据本发明的方法的理想情况是将存在电能 的区域限制为只是由消耗能量的负载占据的区域。
在这方面，本发明涉及无线模式的能量分布。
关于生成要施加的HVHF电压，通常该方法包括以下的连续步骤：将 低压直流或低频电能转化为低压和高频的电能，并随后明显地升高电压。
附图说明
通过阅读完全为了解释目的而给出的本发明某些优选实施例的以下 说明并结合附图可以更好地理解本发明的特征和优点，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的方法的一个实施例，
图2示出了图1中实施例的一种变形，
图3示出了图2中实施例的一种变形
图4示意性地示出了根据本发明的系统的一个实施例，
图5示意性地示出了在图4的系统中的发生器设备内使用的HVHF发 生器的结构，
图6示意性地示出了在图4的系统中的发生器设备内使用的HVHF发 生器的结构，
图7示出了分段电极可以采用的一种具体形式。
具体实施方式
现在将介绍根据本发明的方法的一个优选实施例。根据该实施例，所 述方法包括以下步骤：
步骤1：电能以低压直流或交流电流的形式来自外部电源。
步骤2：该电流，可能在经过整流之后，被利用适当的技术转化为高 频交流电流。
步骤3：随后，该交流电流的电压被利用例如升压变压器设备这样的 装置明显地升高。
步骤4：高压发生器的端子之一被接地或连接至相当大的电子接地， 另一端子的高压通过检测和开关装置选择性地加至一组或多组子电极(其 对应于分段的有源电极)。
步骤5：在设备可供使用时，与这些子电极组直接相对地设有至少一 个电极，所述至少一个电极可以构成与负载侧其他的开关装置相连的一个 组的一部分，连接至以高压和高频操作的设备的端子。负载的另一端子被 连接至相当大的金属接地。
步骤6：在该设备内，利用适当的装置例如变压器将电压降低。
步骤7：随后，通过特定的电子装置对低压进行整流和调制。
步骤8：将低压电能加至最终负载。
开关装置与被设置在发生器侧或负载侧或者在每一侧都设置一部分 的检测和控制装置相连，。
子电极被通过这些装置以这样的方式开关：根据发生器和负载的相互 位置以及负载的要求对指定时刻激活的子电极的数量和位置进行优化。例 如，如果在传输期间负载和发生器设备之间的距离增大，那么附近的被激 活的子电极的数量即可被增加以增大发生器侧有源电极的有效尺寸。
发生器侧的子电极有利地被设有电路(可选地为电子电路)，使得在子 电极和负载之间可能存在的能量传输不再需要或者不能被准确地完成时 子电极能够采用保护或应急模式。
可以有多种变形而并不背离该方法的范围，例如：
步骤2和3-涉及产生高频电流并升高至高压-可以颠倒顺序，也就 是说，可以在增大信号频率之前升高电压。
可选地，在变压器被用于每一个激活子电极的情况下，开关操作在升 高电压之前实施，在电子模块与每一个激活子电极相连的情况下，开关操 作也可以可选地在生成高频电流之前实施。还可以将用于开关操作的上述 方案以任何方式进行组合。
用相同的方式，负载侧可行的开关操作(在分段的电极位于负载侧的情 况下)可选地在降低电压或整流或这些可能操作的任意组合之后实施。
在可变朝向的负载设有分段的有源电极的情况下，没有激活的子电极 被可选地接地以实现增大了尺寸的无源电极。
驱动激活子电极的检测和开关装置的控制或者是局部进行的(例如通 过使用发生器侧的磁力开关以及位于相对设备上的磁铁)，或者是远程地使 用专用电路，例如与能够对存在和/或激活的负载进行定位的位置检测器相 连的微控制器。
通信协议可选地用于负载、一个或多个发生器以及可选地外界环境之 间的能量和/或数据的交换。它们或者通过将用于传输能量的电子连接以单 向或双向的方式布置，或者通过任意其他现有的通信技术来实施。
图1示意性地示出了该方法的一种可行的实施方式，各个步骤用位于 附图顶部的圈内数字表示。提供低压直流电流的外部电能来源1给在高频 下的高压发生器11供电，发生器11由直流到交流的转换器13(其输出所 需的高频信号)和升压变压器14构成。在该变形中设有两组开关的子电极， 一组电极5位于发生器侧，而另一组电极6位于负载侧与开关装置7相连。 在负载侧，通过子电极6接收的电能被加至设备12，设备12由降压变压 器15、整流器16和最终负载18构成。应该注意的是设备12的部件可以 根据目标应用(值得关注地是作为最终负载18电子特性的函数)而改变。
为了简单起见，在图1中没有示出开关装置7的检测和控制装置。根 据图1中的示例，在HVHF侧进行开关操作，也就是说：在发生器侧是在 升压变压器14之后进行，而在负载侧是在降压变压器15之前进行。
图2示出了类似的可行实施方式，其中额外示出了辅助的调制和控制 装置，调制装置用于在传输的能量上叠加所需的调制信号。所使用的调制 是双向振幅调制，通过调制器19在发生器2一侧实施以实现对加至变压 器14的信号振幅的调制，而在负载侧则通过负载调制器20实现。设备上 的调制信号的检测在变压器处实现，这些信号在通过逻辑单元21进行处 理之前可选地可以被放大和整形，逻辑单元21也控制与外部的数据交换。
图3示意性地示出了这样一种情况：其中参照图2介绍的主要功能被 整合并入发生器侧的专用集成电路22和负载侧的专用集成电路23内。还 示出了整合功能的可能性，这对于将市场上已有的现有产品以适配器设备 24的形式转化(为能够根据本发明参与能量和/或数据传输的设备)是必须 的，适配器设备24包括位于负载侧的除了最终低压负载18以外的所有元 件。
要注意的是，在以上三种表现形式中，发生器侧的主要电子电路以及 负载侧的辅助电子电路暗含地扮演了无源电极的角色。
实施方法的设备
现在将介绍根据本发明的设备的某些优选实施例。
通用结构
根据本发明的整套装置由(通常固定地)连接至电能来源1的多个发生 器设备2中的一个，以及一组可以移动的负载3构成。每个负载都被通过 有限的空间区域(参见图4)供电而无需使用导线或电接触或接地，在该区 域内存在强且可以快速变化的电场4。强场被局部地建立在位于发生器表 面上的某些子电极5以及位于相对的负载6一侧的一个电极或多个子电极 之间。发生器子电极被通过与开关7相连的检测和控制装置选择性地激活。 开关例如是磁性的并由位于负载8上的永磁体激活。
设备值得关注的特征在于分别在负载侧和发生器侧使用了无源电极 9，10。这些电极优选地是比有源电极更大的尺寸和/或充分地远离后者以使 它们被主要地连接至周围的绝缘介质。在实践中，这种情况在它们自身的 电容量仅略微不同于它们单独位于真空内的电容量时实现。这些电容量由 耦合矩阵内对应于它们编号的对角元素Cii表示，耦合矩阵由下式确定：
Qi＝Cij.Vj，
发生器
根据本发明的发生器设备由一个或多个HVHF发生器11构成，一方 面被连接至大的无源电极或地面10，而另一方面通过导线网络和一组开关 7被连接至一组或多组较小的有源子电极5。
负载
根据本发明的设备的负载类型由一个或多个HVHF负载12构成，一 方面被连接至有源电极6，而另一方面被连接至优选为较大尺寸的无源电 极9。负载可选地包含有源子电极组。例如，根据本发明的具体应用，一 组由负载侧的有源电极构成的子电极被围绕车轮(例如自行车车轮)设置。
HVHF发生器
根据本发明的HVHF发生器11或者利用感应或压电类型的升压变压 器14与在低压下产生高频的电子电路13相连而由低压获得，或者可以用 任意其他的易于同时产生强电场和高频的技术获得。有利地，它们包括谐 振电路和/或能量回收设备以使未使用的能量部分不会在每一个周期中被 完全浪费。可选地，发生器使用谐振感应变压器以通过一个部件即可实现 升压和能量回收设备。有利地，发生器的接地或地线作为无源电极。
HVHF负载
负载结构通常是双极的，但是在同时使用多于两个电极时，它们也可 以构成更加复杂的多极结构。
根据本发明的某些应用，负载由电阻型的高阻抗介质或可选地由具有 高损耗角的直接使用场能例如用于产生热或光的绝缘介质构成。在这样的 情况下，可以认为电极是虚拟的并由这些部件的外表面构成，电场线通过 这些表面进出。
可选地，负载由连接至一个或多个现有设备的适配器24构成以使其 与根据本发明提出的技术相适应。适配器设备由至少一个有源电极6以及 可选的无源电极9构成，它还可以根据现有设备的电子特性包括可选为谐 振的降压变压器15以及电子整流和调制模块16。在某些情况下，有利的 是低阻抗电路和/或最终负载的金属屏蔽部分用来用作无源电极。
分配
能量的分配优选地在HVHF发生器11的高压端以及发生器侧的一组 和多组激活子电极5之间通过开关7的网络进行。该实施例使得能够使用 单根导线将HVHF电能携带至构成分段的有源电极的所有子电极组。而 且，该导线可以非常细(参见下文)。
根据本发明的设备的其他实施例，通过位于能量源1以及与设置在发 生器5的每一个有源电极处的升压变压器14相连的直流/交流转换电路13 之间的开关网络来实现能量分配。
另一种可能性是使用开关模式电路以通过单个适配的供电电路13将 低压直流电流转化为高频并随后通过开关网络将该高频分配至与发生器5 的每一个有源电极相连的一组升压变压器14。
导线
携带HVHF电压的连接导线不需要是良好的电导体，可选地它们非常 细或者由少量的沉积或包含在其他(可选为挠性的)绝缘材料内的导电材料 代替，例如薄片、条、带等。
电极
有源子电极5可以可选地采用与导线相同的布置，也就是说，它们可 以利用少量的导电材料实现，可选地包含或沉积在挠性绝缘表面上。
子电极和电极可以具有任意形状，但是，对于有源电极来说避免锐缘 是适当的，锐缘很容易通过电离造成损失并且会通过电晕效应导致周围的 绝缘材料退化。
在某些应用中，能够在发生器表面上的任意位置建立起所需强度的电 场可能是很有用的。在这样的情况下，表面可以设有例如被三角形、矩形、 六边形或采取能够以镶嵌方式覆盖整个表面的任意其他形状的理想子电 极。具有任意合适形状的子电极以及任意的表面区域都可以在需要例如改 善某些区域内的控制效果的特定情况下使用。
子电极和电极各自的尺寸和形状的选择是完全不受限制的，但是，在 发生器侧优选地使用尽可能小的子电极以能够在负载侧的有源电极(或有 源子电极)紧邻的局部区域内形成所需强度的场，同时限制强场发散到未被 占据的区域内。如果发生器侧的子电极尺寸对于负载侧的有源电极的尺寸 是可比较的或者稍大，那么即可实现对负载的足量供电同时在某一时刻激 活发生器侧的单个子电极，这使得发生器侧的开关更为简单。
如果发生器侧的子电极尺寸远远小于负载侧的有源电极尺寸，那么通 常必须要在某一时刻激活发生器侧的多个子电极，目的是为了确保对负载 的足量供电。而且，在发生器侧的子电极尺寸与负载侧的有源电极尺寸相 同或者比负载侧的电极(或子电极)略小的某些情况下，如果负载侧的电极 被设置为面对这些子电极之间的边界，那么可以在某一时刻激活发生器侧 的两个或多个子电极。
如果发生器侧的子电极尺寸远远大于负载侧的有源电极尺寸，那么建 立的强场区域将大于所需要的，从而包含了能量浪费。但是，该浪费的能 量在对于确保负载的足量供电有严格要求的某些应用中是可以接受的。
当两侧都有分段的电极时，子电极的形状和尺寸适合于每一种单独的 情况。
开关
开关7可以根据选择的分配模式(高压或低压)、所用的功率级和使用 的触发装置变化而采用各种不同的技术制成。可选地，它们可以被集成有 控制电路。它们可选地可以是机电式、磁力式、电磁式、光学式、声学式 或者可以包括在一定距离内触发的任意其他技术。可选地，它们利用其端 子上的电势差来给自身供电而不需要另外的电缆。通过使用这样的自供电 开关7，能够获得这样的结构：其中单根导线即可从HVHF发生器延伸到 整组子电极5。
根据本发明的优选实施例，例如导线和电极，对于开关来说，在其被 置于高压时使用少量的导电材料是有利的。
开关7优选地被设置在每一个有源电极5紧邻的周边区域内并且或者 通过直接的机械动作(固体接触，压力，……)驱动，或者在一定的短距离 内直接通过由于靠近负载的动作而驱动，或者间接地通过电子装置驱动。 在使用电子装置的情况下，后者或者被集成到开关自身内部，或者被集成 到每一个电极处，或者被设置在发生器处，或者一部分分配在发生器和一 部分分配在负载内。
控制、检测和通信装置
在检测和控制装置没有被集成到开关自身内部的情况下，它们被以存 在于发生器和/或负载内的电子模块的形式分配。可选地，它们采取专用集 成电路22，23的形式。电子装置被可选地与软件装置以通信协议的形式相 关联。可选地，通信装置使用与能量传输相同的载体，并且用适当的调制 和解调装置19，20进行处理。
一些示例性实施例
图4示出了本发明的一个特别简单的实施例。HVHF发生器11一方 面被连接至大的无源电极10，而另一方面通过Reed型磁力开关7的网络 被连接至一组小电极也就是子电极5。磁性开关通过在短距离内的装有永 磁体或电磁铁8的负载3的存在而被启动，以下述方式设置：位于开关7 内的磁铁8被吸引或排斥以根据负载的存在或需求来打开或关闭接触。
根据图4中实施例的一种变形，开关7包括检测器(未示出)，用于检 测加在负载侧的调制(该调制用于生成存在于负载侧有源电极上的电荷的 变化)。开关7的触点仅在通过传感器检测到该调制时才保持闭合。该特征 使得在存在不是来自预期负载3的磁场时可以避免子电极的意外致动。即 使在开关7是由其他激励(固体接触，压力等)控制的情况下，也可以使用 相同类型的传感器以及负载侧的相同调制以防止子电极不合需要的致动。
图5示出了HVHF发生器11的一种可行的实施方式。在该实施方式 中，低压电流在被加至Tesla型的谐振式升压变压器14之前首先在第一步 中被转化为交流(可选地为正弦)电流。该变压器辅助绕组的低压端子被接 地，高压端子被连接至分配网络。
图6示出了负载的一种实施方式，形式为连接至现有负载的适配器。 适配器24由连接至谐振型降压变压器主绕组的高压端子的有源电极6、该 绕组被连接至电路辅助部分的低压端子构成。变压器的辅助部分被连接至 可选地包含调节元件16的整流电路。输出电压随后被加至最终负载。在 该实施例中，辅助部分和负载的低阻抗电路起到了无源电极的作用。
图7示出了一个实施例，其中绝缘材料的一个非常薄的(可以是挠性的) 表面被用作用于子电极组的载体。子电极通过沉积或通过电镀和/或蚀刻实 现。电子型开关例如由晶体管构成，晶体管是串联组装的，可选地一电路 相连，该电路检测负载的存在，例如检测由短距离内存在装有适当调制电 路的负载造成的调制存在。晶体管以及控制和检测电路是利用类似的绝缘 衬底上的沉积技术实现的。
在应急位置(也就是断开)时，电动控制该开关的电路可选地通过存在 于发生器和浮动电极之间的电势差供电，而无需辅助连线。
在本发明的一种变形中(未示出)，当必须覆盖更大的空间区域时-并 且为了限制波辐射-利用多个异相发生器或者通过在同一发生器两个端 子中的其中一个处交替地开关有源电极来提供同相或逆相扇区。
一些应用示例
本发明可以被用于多种应用场合，其中电极的尺寸和所使用的频率可 以根据应用有很大的不同。以下是一些用于说明而非加以限制的示例：
-用于从装有根据本发明的发生器设备的工作表面给家用电器供电的 系统(家用电器被装有根据本发明的负载设备)；
-用于从根据本发明的沿着道路安装(例如地下、里程标记处或者路侧 的路标处等)的发生器设备给机动车辆携带的一个/多个负载供电的系统；
-在主发生器设备和多个子负载设备之间传输电能和数据的系统(例 如安装在公交车站的发生器设备以及安装在公共汽车内的负载设备)；
-从安装在房屋墙壁等内的发生器设备为移动电话或其他移动设备 (MP3播放器，便携式计算机等)供电。
除了其他情况以外，本发明的目标是给低功率或中等功率的固定或移 动的电子设备远距离提供电能。
在长距离传输能量的情况下，必要的电压水平或电场强度是为了确保 输送风险超出现行标准中具体规定的限制(其不允许使用超过几十千伏的 电压)。但是，随着标准的发展，本发明的应用可以扩展到更加广泛的范围。