CN117461237A - 一种增加电磁场分布均匀性的无线电力发射器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线电力发射器(501)，所述发射器用于增加在垂直于平坦的平面(401a)的方向上生成的电磁场(503)分布的均匀性，并用于从所述生成的电磁场(503)为至少一个电子设备(507)供电。所述无线电力发射器(501)包括：发射线圈(400)，所述发射线圈(400)包括用于生成所述电磁场(503)的至少一个匝绕组(401b)。所述发射线圈(400)的至少一个匝绕组沿着彼此电连接的多个第一线性区段(405a、405b、405c、405d)和多个第二线性区段(406a、406b、406c、406d)延伸。所述第一线性区段(405a、405b、405c、405d)被布置成围绕所述发射线圈(400)的所述平坦的平面(401a)，并且所述第二线性区段(406a、406b、406c、406d)用于成角度地延伸到所述平坦的平面(401a)。
Description
技术领域
本发明涉及无线电力传输领域。具体地，本发明涉及一种用于增加已生成的电磁场分布均匀性的无线电力发射器和一种用于制造此类发射器的方法。本发明尤其涉及一种无线电力传输设备及其制造方法。
背景技术
对电池供电的设备进行充电的现有无线电力传输系统的主要工程挑战是一个或多个目标设备的定位自由度的降低。如果此类型技术使得其对发射器设备和接收器设备之间的水平不对准或角度不对准变得高度敏感，会导致接收器设备未正确充电，或在一些位置甚至根本未充电，并且在最坏的情况下，当接收器设备放置在呈现出与发射器的高耦合因子的区域中时，接收器设备实际上可能会被损坏。
鉴于个人电子设备的数量不断增加，具有能够同时支持若干接收器设备的发射器设备将是有益的，而不用管它们在空间中的相对位置和它们的具体电力需求如何。接收器设备的电力需求可以根据电池的充电状态而不同。
发明内容
本发明提供了一种用于经受非常大耦合因子变化的无线电力传输系统的方案，如在系统中，发射器用于向位于靠近(接触)和远离发射器的接收器提供同步无线电力。
所述方案确保发射器设备在足够高的电流电平下工作，以向位于较远的接收器提供可用电力，同时不会损坏位于非常近的接收器。
上述和其它目标通过独立权利要求的特征实现。另外的实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。
本发明中呈现的方案引入了用于接触和距离(中程)无线充电的基本上平坦的发射线圈的几何形状：导电材料的匝数，其中，每个匝具有四个顶点；其中，单匝的至少四个顶点相对于主线圈平面以某一高度移位。
当接收器直接位于发射器设备外壳顶部上时，移位线圈顶点会降低关键区域的互感。降低互感的这些最大峰可以减少接收器中感应电压的变化，以及接收器中的最大部件应力，避免接收器可能损坏，同时允许发射器以恒定电流电平工作，这是一对一或一对多无线电力传输系统中的必要特征。还公开了此线圈几何形状的示例性实现方式。
由于由线圈几何形状和添加的电容元件或由于其自身的寄生电容制成的谐振器电路具有与无线电源系统的操作频率非常类似的谐振频率，因此在任何操作状态下都确保了有效的无线电力传输。此外，本文呈现的方案允许在发射器侧上使用作为恒定电流源操作的功率放大器，事实上，这有助于同时将电力传输到若干接收器设备。在发射器侧上使用电流源是期望的，因为当不存在接收器设备时，即在无载操作期间，其功耗较低。功耗取决于发射器谐振器和相关联的电路的电阻特性。
为了详细描述本发明，将使用以下术语和符号。
在本发明中，描述了无线电力传输(wireless power transfer，WPT)系统，尤其是一对一WPT系统、一对多WPT系统、多对一WPT系统和多对多WPT系统。
一对一WPT系统是由单个发射器和单个接收器设备构成的无线电力传输系统。一对多WPT系统是由单个发射器和多个接收器设备构成的无线电力传输系统。多对一WPT系统是由多个发射器和单个接收器设备构成的无线电力传输系统。多对多WPT系统是由多个发射器和多个接收器设备构成的无线电力传输系统。
无线电力传输是指在不使用电线作为物理链路的情况下传输电能。此技术使用能够生成时变电磁场的发射器设备，所述时变电磁场基于电磁感应原理通过一个或多个接收器设备引起循环电场。所述一个或多个接收器设备能够直接从此循环电场供电，或它们将其转换为适当的电力电平，以供应到连接到它们的电负载或电池。
在无线电力传输系统的上下文中，可以应用不同的技术，例如多频WPT系统、分时WPT系统、多线圈和空分WPT系统、可重新配置的WPT系统、具有均匀充电区域和空间高互感峰避免的WPT发射器。
多频WPT系统具有调谐发射器谐振器或接收器谐振器或两者的操作频率的能力，从而实现电力传输到调谐以在不同于另一接收器设备的特定频率下谐振的具体接收器设备。
分时WPT系统可以在发射器侧处以恒定的操作频率工作，但控制发射器侧处激励的幅值和相位，以改善向具有某一位置或充电条件的某一接收器设备的无线电力传输。
多个线圈和空分WPT系统实现多个发射器谐振器，所述谐振器彼此足够分开地位于空间中，以便创建到不同接收器谐振器的一对一WPT系统。多个谐振器也可以在接收器设备上实现，并根据与发射器设备的更好的电磁耦合条件选择性地激活。
可重新配置的WPT系统具有重新配置能力，如调整中间谐振器的相对位置，用于在发射器和接收器设备之间提供阻抗匹配。例如，每当接收器设备已经改变了其空间位置，即已经改变了其与发射器的电磁耦合时，可以在发射器设备或接收器设备中实现具有重新配置能力的匹配网络。
具有均匀充电区域的WPT发射器应用具有生成均匀无线充电区域能力的绕组结构及其组合。这可以通过在不同的匝中具有不同绕组参数的发射线圈来实现，例如，匝之间的间隔或导体的宽度可以从线圈的一个匝到下一个匝不同。
具有空间高互感峰避免的WPT系统防止用户将接收器设备定位在高互感区域附近。防止可以通过对有效充电区域的视觉建议和不支持在此类区域以外的区域上操作来实现。
在下文中，更详细地描述无线电力传输系统。
如今，电池供电的电子设备的数量迅速增加，因为它们提供了移动自由度和便携性。这些设备应持续地再充电，以确保其功能。它们的充电频率可以通过使用大电池而降低，但这些会影响电子设备的总体成本，以及它们的重量和尺寸。
电池供电的电子设备的充电通常借助于壁式充电器和连接到待充电设备的输入端口的专用电缆来完成，以在电源和耗电设备之间建立电气连接。该充电机制的一些缺点总结为：a)由于电池充电所需的连接循环/断开连接循环，该输入端口处的连接器易受机械故障的影响；b)每个电池供电的设备都配有专用电缆和壁式充电器。这两个部件有时仅与每个设备一起工作，并且在设备之间不可互换。这增加了设备的成本和由非功能性壁式充电器和电缆生成的电子废物；c)由于与电池供电的电子设备的输入端口周围所需的外壳相关联的较高成本，防水设备的生产变得更具挑战性；和d)电缆的使用根据充电电缆的长度限制用户的移动性。
为了避免这些缺点，近年来，已经提出了用于无线电力传输(wireless powertransmission，WPT)在不使用充电电缆的情况下对电子设备的电池再充电的若干方法。
商业无线电力传输系统主要由两个组织驱动，即无线电力联盟和航空燃料联盟。无线电力联盟创建了Qi标准，使用基站的磁感应对消费电子设备进行无线充电，通常是薄垫状物体，包含一个或多个发射器电感器和装配有接收电感器的目标设备。Qi系统要求发射器设备和接收器设备靠近，通常在几毫米到几厘米内。
在航空燃料联盟原则下工作的无线电力传输系统使用发射器电感器和接收器电感器之间的谐振电感耦合，从而为连接到接收器设备的电池充电。谐振耦合允许电力在更远的距离上传输。整个系统的效率是谐振器质量因子及其电感元件之间的耦合因子的函数。
根据第一方面，本发明涉及一种无线电力发射器，所述发射器用于增加在垂直于平坦的平面的方向上生成的电磁场分布的均匀性，并用于从所述生成的电磁场为至少一个电子设备供电，所述无线电力发射器包括：发射线圈，所述发射线圈包括用于生成所述电磁场的至少一个匝绕组，其中，所述发射线圈的至少一个匝绕组沿着彼此电连接的多个第一线性区段和多个第二线性区段延伸，其中，所述第一线性区段被布置成围绕所述发射线圈的所述平坦的平面，所述第二线性区段用于成角度地延伸到所述平坦的平面。
通过此类无线电力发射器可以实现以下优点。第一线性区段的基本上平面的形状允许此类发射线圈用于基本上平面的发射器设备，其中设备的总高度被限制。此外，第二线性区段的角度延伸增加了已生成的电磁场分布的均匀性，尤其是在垂直于平坦的平面的方向上。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，第一线性区段与两两相邻的第二线性区段交替布置。
这两个相邻的第二线性区段形成线圈的相应角。通过弯曲这些角，可以实现已生成的电磁场分布的增加的均匀性的优点。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述发射线圈的所述至少一个匝绕组形成多边形几何图形，所述多边形几何图形的角向所述平坦的平面成角度地弯曲。
术语“成角度地弯曲”是指角从平坦的平面以一定角度延伸。
线圈的角的弯曲改变了接收线圈的互感。这提供了当位于太靠近发射器时，将发送的电力限制在期望和安全的水平的优点。当支持具有高互感的区域处的电力传输时，其允许在接收器模块上使用较小的额定部件，而不是使用大额定部件。其将最大互感降低到发射线圈上方的直接表面处观察到的最小互感的分数。因此，可以实现发射线圈上方的直接表面之外的互感的更快衰减。角的弯曲允许线圈的最大尺寸仍足够大，以便对远离发射线圈的接收器设备具有足够大的互感。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述多边形几何图形的所述角在正角或负角下弯曲到平坦的平面。
线圈的角的弯曲提供了上述优点，无论角是在正角还是负角下弯曲。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述多边形几何图形的所述角以相同的高度或相同的深度弯曲到所述平坦的平面。
这提供了电磁场均匀场分布的优点。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述多边形几何图形的所述角根据预先确定的坡度形状远离所述平坦的平面弯曲。
坡度形状可以是例如台阶形状、S-形状或任何其它几何形状。如上所述，这提供了当位于太靠近发射器时，将发送的电力限制在期望和安全的水平的优点。
通过移位线圈的顶点，当接收器直接位于发射器设备外壳顶部上时，关键区域的互感降低。降低互感的这些最大峰可以减少接收器中感应电压的变化，以及接收器中的最大部件应力，避免接收器可能损坏，同时允许发射器以恒定电流电平工作。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述发射线圈的至少一个第二匝绕组完全沿着所述平坦的平面延伸，而不从所述平坦的平面位移。
这提供了弯曲深度不限制内匝绕组数的最小尺寸的优点，从而增加了对接收线圈的互感。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述发射线圈的所述至少一个第二匝绕组是相对于所述发射线圈的所述至少一个匝绕组的内匝绕组。
当第二匝绕组是内线圈时，(第一)匝绕组可以是外线圈。通过弯曲外线圈，可以实现已生成的电磁场的增加的均匀性的优点。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述发射线圈的所述至少一个匝绕组的所述匝绕组相对于彼此具有不同的间隔和/或不同的导体宽度。
此配置允许进一步增加已生成的电磁场分布的均匀性，从而避免在发射线圈和接收线圈之间具有空间互感峰。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述无线电力发射器包括：平面载体基板，所述平面载体基板沿着所述平坦的平面延伸，所述平面载体基板承载所述发射线圈的所述至少一个匝绕组的所述多个第一线性区段；以及多个载体基板延伸部，所述载体基板延伸部承载所述发射线圈的所述至少一个匝绕组的所述多个第二线性区段。
这提供了发射线圈可以灵活设计的优点。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述平面载体基板包括多个角，在所述多个角处，所述载体基板延伸部电气和机械连接到所述平面载体基板。
这提供了优点，即通过使用用于平面载体基板和载体基板延伸部两者的传统印刷电路板技术，可以容易地实现此类无线电力发射器。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述载体基板延伸部由弯曲到所述平坦的平面的所述平面载体基板的所述多个角形成。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述载体基板延伸部由刚性载体基板形成，所述刚性载体基板通过相应的柔性载体基板连接到所述平面载体基板。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述载体基板延伸部由连接到所述平面载体基板的柔性载体基板形成。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述载体基板延伸部由所述刚性载体基板形成，所述刚性载体基板通过相应的连接模块连接到所述平面载体基板。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述相应的连接模块包括以下中的至少一个：第三基板，所述第三基板具有导电线路；导电元件阵列；排针；公排针和母排针的组合，所述组合用于将所述平面载体基板上的所述第一线性区段与所述载体基板延伸部上的所述第二线性区段电连接。
在无线电力发射器的示例性实现方式中，所述发射线圈的所述匝绕组是角度的，其中，所述匝绕组的角是有角度的或圆形的。
根据第二方面，本发明涉及一种用于制造无线电力发射器的方法，其中，所述发射器用于增加在垂直于平坦的平面的方向上生成的电磁场(503)分布的均匀性，并用于从所述生成的电磁场为至少一个电子设备供电，所述方法包括：提供沿着平坦的平面延伸的平面载体基板，所述载体基板具有多个角；提供向下延伸到所述平坦的平面的多个载体基板延伸部，所述载体基板延伸部在所述平面载体基板的相应角处电气和机械连接到所述平面载体基板；以及形成发射线圈，所述发射线圈包括至少一个匝绕组，所述至少一个匝绕组延伸在所述平面载体基板和所述载体基板延伸部上。
本发明中描述的技术提供了以下优点：
线圈的角的弯曲改变了接收线圈的互感。当位于太靠近发射器时，这将发送的电力限制在期望和安全的水平；当支持具有高互感的区域处的电力传输时，允许在接收器模块上使用较小的额定部件，而不是使用大额定部件；将最大互感降低到发射线圈上方的近表面处观察到的最小互感的分数；具有在发射线圈上方的直接表面之外的互感的更快衰减。线圈的角的弯曲可以应用于其它操作原理，如电感电力传输，而不仅是磁谐振无线电力传输。其允许线圈的最大尺寸仍足够大，以便对远离发射线圈的接收器设备具有足够大的互感。
为实现角的弯曲而进行的机械变换可以应用于任何线圈几何形状，而不仅是矩形；并且可以与其它磁场均匀化方法结合，如具有可变绕组参数的线圈，如导体材料的不同宽度或间距，或介于线圈的匝之间。
发射线圈的基本上平面的特征允许此类发射线圈用于基本上平面的发射器设备，其中设备的总高度被限制。
通过使用传统的印刷电路板技术，制造方法易于实现。
本发明中描述的技术允许设计使用单个发射线圈和待使用的单个功率放大器的发射器设备。此类极简化配置增强了WPT系统的整体效率。由单个功率放大器拓扑供应的单个发射线圈拓扑降低了系统复杂度。此类设备的适用性与发射器的工作原理以及发射器的设定激励电平无关，这意味着只要发射器和接收器的谐振频率接近，其将允许与具有不同输出功率特性的接收器设备互操作性。
所述设备独立于制造方法；因此，可以使用许多线圈制造方法。
附图说明
本发明的其它实施例将结合以下附图进行描述，在附图中：
图1示出了无线电力传输系统的示意图；
图2中的(a)和图2中的(b)示出了一对多无线电力传输系统的电路图；
图3示出了根据本发明的完全在平坦的平面上延伸的无线电力发射器301和部分在平坦的平面上延伸的无线电力发射器400；
图4示出了根据本发明的无线电力发射器400；
图5示出了示出根据本发明的无线电力传输系统500的示意图；
图6示出了示出图5所示的无线电力传输系统500的另一种实现方式的示意图；
图7中的(a)、图中的7(b)和图7中的(c)示出了示出图4所示的无线电力发射器400的线圈的示例性实现方式的示意图；
图8(a)、图8(b)、图8(c)和图8(d)示出了示出图4所示的无线电力发射器400的线圈的进一步示例性实现方式的示意图；
图9(a)、图9(b)、图9(c)和图9(d)示出了示出图4所示的无线电力发射器400的线圈的性能的性能图；
图10示出了示出图4所示的无线电力发射器400的线圈的另一种示例性实现方式的示意图；
图11示出了示出图4所示的无线电力发射器400的线圈的进一步示例性实现方式的示意图；
图12示出了示出图4所示的无线电力发射器400的线圈的进一步示例性实现方式的示意图；
图13示出了示出根据本发明的用于制造无线电力发射器的方法的示意图。
具体实施方式
在以下详细说明中，对附图进行了参考，所述附图形成详细说明的一部分，且在附图中通过说明方式示出了可以实践本发明的具体方面。应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其它方面并且可以做出结构或逻辑改变。因此以下详细说明不应当被理解为限制性的意义，并且本发明的范围由所附权利要求书限定。
应理解，与所描述的方法有关的注释对于与用于执行方法对应的设备或系统也同样适用，反之亦然。例如，如果描述了具体的方法步骤，则对应的设备可以包括用于执行所描述的方法步骤的单元，即使此类单元未在图中详细阐述或说明。此外，应理解，除非另外明确说明，否则本文中描述的各种示例性方面的特征可以相互组合。
本发明中描述的技术可用于无线电力传输系统，尤其是在具有单个发射器电路和多个接收器设备的系统中。为了示出所公开的方案的有用性，图1示出了2-线圈WPT系统的基本模型，并用于获得两个基本性能度量的表达，即无线电力链路效率ηLink和根据接收器电路的负载和到发射器的耦合条件递送到接收器电路的电力。
实际上，每个线圈都由其期望的特性、其自感以及一些可分组为电阻部件和电容部件的不期望的部件组成。为简单起见，本模型中不考虑发射器线圈和接收线圈的寄生电容。电感LTx和LRX的集总寄生电阻分别为RTx和RRx，用于模拟其绕组中的损耗。发射器线圈和接收线圈以任意距离DTx-RX分开，互感度为MTx-RX，这由它们的几何形状、相对位置和取向决定。
Rx电路的输入阻抗在此图中表示为Zload，其可以由实部和虚部构成。例如，Zload可以表示直接连接到接收器谐振器的负载，或其可能由接收器设备中的电力转换链的后续部分引起，例如来自整流器电路和DC-DC转换器。
当考虑到发射器谐振器和接收器谐振器之间的无线电力传输发生在发射器的近场时，不存在包括辐射效应。因此，系统中的所有损耗都是由于发射线圈和接收线圈RTX和RRX的寄生电阻而发生的。以此方式，由发射器电路(Tx电路)供应的电力被递送到受线圈互感影响的接收器电路(Rx电路)，并在线圈的等效串联电阻中作为热量耗散。
(1)中所示的接收线圈上的效率可以定义为递送给负载阻抗Zload的电力(表示为Pload)和接收线圈电阻RRX中耗散的总电力之间的比率，即：
其中，iRx是流过负载接收线圈的峰电流，并且Re{Zload}是负载阻抗的实部Zload。将分数的两侧乘以项ωLRx，其中ω表示操作频率，导致根据接收线圈的质量因子将结果表示为如(4)所示：
以及接收器电路的负载质量因子：
根据图1，发射器ZTX看到的阻抗可以使用基尔霍夫定律计算，包括互感的影响，人们可以将此阻抗计算为：
其中，iTx是流过发射器电路的峰电流。然后从图1和(5)可以观察到，发射器电路ZTX看到的输入阻抗是RTx和LTx的串联组合，以及来自Rx线圈的反射阻抗在(5)中定义。Tx线圈效率是递送到反射阻抗/>实部的电力，传输到Rx线圈的电力，除以RTx和中耗散的总电力，即：
当反射阻抗的实部最大化时，即的虚部等于零时，获得最大Tx线圈效率，这表明Rx线圈处于谐振状态。在谐振Rx线圈的情况下，此反射电阻的表达式可以证明为：
使用公式(2)和(3)，并将Tx线圈质量因子定义为：
(7)中给出的对发射器的反射电阻可以根据以下那些质量因子重写：
其中QRx-L定义为：
考虑到反射阻抗并假设串联谐振Rx电路，所得Tx线圈效率可以从(6)和(9)重写为：
最后，图1所示的无线电力传输链路的总效率为：
从(12)中，人们可以立即观察到，每当相关联的线圈之间的耦合因子和质量因子增加时，链路效率就会增加。递送到整个接收器电路的电力可以根据链路效率计算为：
PLoad＝ηLinkPTx (13)
发射器侧的电力PTx取决于电路类型。一般而言，发射器电路存在四种类型，电压源和串联谐振Tx、电压源和并联谐振Tx、电流源和串联谐振Tx、以及电流源和并联谐振Tx。从峰值为VS的正弦电压源和发射器侧处的串联谐振电路，即，1/(CTXω)＝ωLTX递送给接收器电路的电力为：
对于具有幅值IS和串联谐振Tx的电流源，递送给接收器的电力可通过以下方式找到：
从其中我们可以立即观察到，如果激励发射器电路的电流源保持在恒定电平，并且接收器设备更接近发射器，即增加了其耦合因子，递送给接收器的电力也增加了。
图2示出了一对多WPT系统。图2中的(a)示出了发射器电路被电流源激励，并通过互感耦合到三个独立的接收器电路M11′、M12′和M13′，每个接收器电路都加载了某一负载，表示为RL1、RL2、RL3。图2中的(b)示出了图2中的(a)中WPT系统的简化版本，其中接收器电路已经反射回发射器。此一对多系统与具有某一幅值IS的电流源一起工作，其值足够大，以降低的互感度为接收器提供可用的无线电力。然而，对于位于靠近具有增加的互感的接收器来说，此电流电平可能太高，并且甚至会对接收器造成损坏。这可以通过在接收器侧上应用紧急关闭来解决，以防互感上升超过某一阈值，但是，这将限制其中发射器可以支持接收器的空间体积。
在一对一系统中，这不是问题，因为如果接收器太靠近，则发射器可以降低电流电平，以不损坏Rx。在一对多系统中，对于具有增加的互感的接收器设备来说，发射器不能将电流电平降低到安全值，因为其将使接收器设备具有降低的互感，具有非常降低的互感或甚至没有任何无线电力递送。此问题要求在接收器侧上使用高额定部件，所述部件可能很难安装在基本上平面的接收器设备中，例如，一些消费电子设备，如智能手机和可穿戴设备。
本发明中呈现的方案适用于如智能手机的无线电力接收器设备、如智能手表的可穿戴设备、健身带、虚拟现实耳机和手动控制器、包耳式耳机、平板电脑、便携式计算机、智能眼镜、游戏控制器、如鼠标或键盘的桌面配件，电池组、遥控器、手持终端、电子移动设备、便携式游戏控制台、便携式音乐播放器、遥控钥匙、用于允许接收器高度自由度的无线电力传输系统的无人机。
图3示出了根据本发明的完全在平坦的平面上延伸的无线电力发射器301和部分在平坦的平面上延伸的无线电力发射器400。如从图3可以看出，无线电力发射器301的线圈延伸到区域上，并且根据本发明的无线电力发射器400的线圈延伸到体积中。
图4示出了根据本发明的三维发射线圈400，其具有主线圈平面401a。线圈具有某一数量的匝401b，在此图的情况下是三个，但匝数可能不同。
此图像示出了方形线圈，但线圈几何形状可能不同。由于线圈的几何形状，每个匝有四个顶点，对于此图中所示的匝数，最外匝有402a顶点-402d顶点，中间匝有403a顶点-403d顶点，并且最内匝有404a顶点-404d顶点。本发明线圈的主要特性是，包括单匝的至少四个顶点相对于主线圈平面401a以某一负或正高度移位。此图像示出了每个匝的所有顶点是如何移位的。移位此线圈的匝的顶点具有与线圈400的主平面401a相同高度的匝的左侧区段405a-405d。
图4例示了具有四个边的发射线圈400的顶点位移。具有更多边的发射线圈，例如五个，将具有带五个顶点的匝，并且六角形发射线圈400的匝将具有六个顶点。类似的陈述可以说是对于具有更多数量的边的发射线圈，例如N。在此类情况下，包括单匝的至少N个顶点相对于主线圈平面401a以某一负高度移位。
图4中描绘了匝顶点相对于主线圈平面401a在负方向上的位移。注意，位移也可以在相对于主平面401a的正方向上进行。
图5示出了实现所公开的线圈几何形状的无线电力传输系统500。系统包括无线电力发射器设备501和至少一个无线电力接收器设备504。无线电力发射器设备包括电源502、所公开几何形状的至少一个线圈400，所述至少一个线圈与外部电容结合形成谐振电路，如图1所例示的。无线电力发射器设备被操作以产生闭合电路以供电子流过，并生成从发射器设备发出的电磁场503；其中，无线电力发射器设备501被操作以通过在接收线圈或线圈阵列505处提供已产生的电磁场来无线地给一个或多个电气或电子设备504供电或充电，以通过使用电力转换模块506将接收到的电磁场转换为的电能，并将转换后的电力提供给负载507。
无线电力发射器501增加了已生成的电磁场503在垂直于图4所示的平坦的平面401a的方向上分布的均匀性。无线电力发射器501可以用于从已生成的电磁场503为至少一个电子设备507供电。
此类无线电力发射器501包括发射线圈400，例如，如图4、图10、图11或图12所示。发射线圈400包括用于生成电磁场503的至少一个匝绕组401b。
如图4所示，发射线圈400的至少一个匝绕组沿着彼此电连接的多个第一线性区段405a、405b、405c、405d和多个第二线性区段406a、406b、406c、406d延伸。
第一线性区段405a、405b、405c、405d被布置成围绕发射线圈400的平坦的平面401a，如从图4可以看到的。第二线性区段406a、406b、406c、406d用于成角度地延伸到平坦的平面401a，如也可以从图4中看到的。
第一线性区段405a、405b、405c、405d可以与两两相邻的第二线性区段406a、406b、406c、406d交替布置，如图4所示。
发射线圈400的至少一个匝绕组可以形成多边形几何图形，所述多边形几何图形的角向平坦的平面401a成角度地弯曲，如图4所示。
多边形几何图形的角可以在正角或负角下弯曲到平坦的平面401a。图4示出了负角。
多边形几何图形的角可以以相同高度902或相同深度901弯曲到平坦的平面401a，如图9(a)、图9(b)、图9(c)和图9(d)中示例性所示。
多边形几何图形的角根据预先确定的坡度形状远离平坦的平面401a弯曲。
如图11中示例性所示，发射线圈400的至少一个第二匝绕组可以完全沿着平坦的平面401a延伸，而不从平坦的平面401a位移。
发射线圈400的至少一个第二匝绕组可以是相对于发射线圈400的至少一个匝绕组的内匝绕组。
发射线圈400的至少一个匝绕组401b的匝绕组可以相对于彼此具有不同的间隔和/或不同的导体宽度，如图12所示。
无线电力发射器501可以包括：平面载体基板701，例如，如图7所示，沿着平坦的平面401a延伸。如图4所示，平面载体基板701可以承载发射线圈400的至少一个匝绕组的多个第一线性区段405a、405b、405c、405d。无线电力发射器501可以包括：多个载体基板延伸部702，如图7所示。载体基板延伸部承载发射线圈的至少一个匝绕组的多个第二线性区段406a、406b、406c、406d。
平面载体基板701可以包括多个角，在所述多个角处，载体基板延伸部702电气和机械连接到平面载体基板701，例如，如图7所示。
载体基板延伸部702可以由弯曲到平坦的平面401a的平面载体基板701的多个角形成，例如，如图7中的(a)所示。
可选地，载体基板延伸部702可以由刚性载体基板形成，所述刚性载体基板通过相应的柔性载体基板连接到平面载体基板701，例如，如图7中的(b)所示。
可选地，载体基板延伸部702可以由连接到平面载体基板701的柔性载体基板形成，例如，如图7中的(c)所示。
可选地，载体基板延伸部702可以由刚性载体基板形成，所述刚性载体基板通过相应的连接模块连接到平面载体基板701，例如，如图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)所示。
这些相应的连接模块可以包括以下中的至少一个：具有导电线路的第三基板；导电元件阵列；排针；公排针和母排针的组合；所述组合用于将平面载体基板701上的第一线性区段405a、405b、405c、405d与载体基板延伸部702上的第二线性区段406a、406b、406c、406d电连接。
发射线圈400的匝绕组401b可以是角度的。匝绕组401b的角可以是有角度的或圆形的。
图6示出了图5的无线电力传输系统的另一种可能的实现方式。无线电源包括发射器设备501的AC电源502e。此电源可以连接到DC-DC转换器502d的输出，以便从DC电源(例如发射器设备中的电池)提取其功能所需的电力。在一些其它实现方式中，发射器设备还可以具有从AC-DC转换器502a提取其功能所需的电力的可能性，例如将线路的AC电力转换成DC电力的电路。发射器设备还可以包括阻抗变换电路502g，所述阻抗变换电路能够将DC-AC转换器502e的输出阻抗从一个值变化为另一个值。此类变换单元用于阻抗匹配，以便将最佳电力传输到接收设备。
所述无线电力发射器501可以能够通过使用所述处理控制单元502b来调整无线电力传输，例如，通过操作它来改变改变激励的幅值(或相位)的DC-AC转换器502e的输出的特性。虽然这是一种可能性，但以前已经讨论过使用恒定电流源工作的益处。然而，注意，当发射器专门向单个接收器设备供电时，此类幅值控制可能是有用的。执行激励幅值的改变将改变从三维线圈发出的电磁场503的特性。这些可能的变化可以通过使用接收器检测单元502h来实现，所述接收器检测单元直接受到至少一个接收器504相对于发射器501的耦合条件的可能变化的影响。例如，当接收器设备从先前位置移动到新位置时，由于存在于接收线圈或线圈阵列505和发射线圈400之间的电磁耦合503，将存在反映在发射线圈上的变化，同样由(9)表示。在此图中，接收器检测单元可以用连接为反射计的双向耦合器实现，并且所述双向耦合器进而连接到RF检测器电路。接收器检测单元可以由其它电压/电流/阻抗/功率敏感电路组成，所述电路将直接受到(9)一个或多个接收器的变化耦合条件的影响。注意，即使当接收器设备400没有经历位置或取向的变化时，当接收器设备的负载变化存在时，(9)仍然可以受到影响。例如，这可能是附接到设备507的电池的充电状态的变化。
发射器设备502b的处理和控制单元的处理特性可能通过实施中央处理单元、微型计算机或微控制器来实现，所述中央处理单元、微型计算机或微控制器负责采样和处理来自接收器检测单元502h的模拟电压，以有效地操作DC-AC转换器502e或DC-DC转换器502d，所述DC-AC转换器502e或DC-DC转换器502d设置激励发射线圈的AC源的操作条件。
处理和控制单元502b也可能受到来自发射器设备501中可能的无线通信单元502f的信息的影响，所述无线通信单元能够通过电磁波与接收器设备504中的无线通信单元506c无线通信。两个无线通信单元可以通过两个不同的换能器交换信息，所述换能器兼容但不限于蓝牙、BLE、ZigBee、Wi-Fi、WLAN、线程、如2G/3G/4G/5G/LTE、NB-IoT、NFC、RFID、WirelessHART等蜂窝通信。在接收器设备504上，无线通信单元506c可以帮助通过可能存在于接收器设备504中的另一个数据处理和控制单元506d控制充电电路506。可能存在在506d内运行的脚本，所述脚本能够收集与一个或多个接收器的耦合条件相关的信息和如接收器设备中电池的电荷水平的其它信息。
接收器设备504可能具有单个线圈或线圈505的布置，所述线圈用作一个或多个电感-电容谐振器的一个或多个电感元件。在一些实现方式中，接收器设备504可以连接到AC-DC转换器506a，例如，如果待由具体应用供电的设备需要DC，例如，将交流电(alternatingcurrent，AC)转换为直流电(direct current，DC)的整流器，例如，向电子设备递送DC电力的情况。在一些其它实现方式中，可能存在用于将DC电力电平转换为另一个DC电力电平的电路506b，例如DC-DC转换器或用于调节递送给负载507的电力的充电电路，所述负载也可以是被供应给电子设备504的电池，或甚至是确保电子设备的输入处的某一电压电平的电压调节器。
发射器设备和接收器设备两者均可以包括用户接口502c和506e，以帮助设备的用户知道电力传输正在开始或发生以及任何其它可能的故障操作状态。
图7示出了线圈400的可能的实现方式。注意，为简单起见，在此图像中，线圈的匝是不可见的。线圈的调谐被视为是在载体基板上，所述载体基板可以是柔性的或柔性基板和刚性基板的组合。图7中的(a)示出了柔性载体基板，由于其柔性性质，线圈的角可以以直线向前的方式弯曲。
图7中的(b)示出了主刚性基板的组件，所述主刚性基板承载在线圈401a的主平原上发现的匝的区段到四个连接柔性基板，所述柔性基板允许改变匝的顶点的高度。每个柔性基板在一端电连接到主刚性基板，并且在另一端电连接到另一个刚性基板。注意，连接内和外刚性基板的柔性基板的数量将取决于线圈的边数，即五边形线圈将需要5个柔性基板，并且六角形线圈将需要6个。
图7中的(c)示出了线圈400的另一种可能的实现方式。在这种情况下，四个柔性基板电连接到主基板上发现的匝的区段，同时也在高度上移位。
为了使柔性基板保持其形状，它们可以粘附到包含发射线圈400的外壳上。
图7中的(b)和图7中的(c)的刚性基板和柔性基板上发现的匝区段之间所需的电连接可以通过焊接、通过压力确保电接触或通过用导电胶胶粘它们来实现。
图8(a)、图8(b)、图8(c)和图8(d)示出了线圈400的另一种可能的实现方式，其中避免了柔性基板的使用，从而提供了更多的机械稳定性。图8(a)示出了包含匝的一部分的线圈的主平面是用刚性基板实现的，在此图中表示为“上基板”。匝的其余区段由4个下基板实现。所有基板都由刚性材料制成。为了在上基板和四个下基板上的匝的区段之间进行电连接，本实施例采用连接模块。
图8(b)至图8(d)中给出了作为示例的连接模块的可能的实现方式。图8(b)示出了具有导电线路的第三基板可以如上文所解释的那样焊接、按压或胶合到上基板和下基板。图8(c)示出了导电元件阵列，例如排针，可以如上文所解释的那样焊接、按压或胶合到上基板和下基板上。图8(d)示出，也可以采用母排针和公排针的组合以执行必要的电气连接。注意，在图8(a)的下基板上找到的匝的所有顶点具有相同的高度，而图7中的(a)、图7中的(b)上的匝的顶点具有不同的高度。
图9(a)、图9(b)、图9(c)和图9(d)表明了所公开的线圈400所具有的有利效果。图9(a)示出了发射器设备501的发射线圈400和接收器设备504的接收线圈505。接收线圈505以短轴间隔平行于发射线圈主平面401a定位。图9(a)还示出了此线圈的两个设计变量。设计变量902表示401a的主平面和最外匝的顶点之间的高度差。设计变量901示出了在高度上已经移位的线圈边长的百分比相对于已经保留在主平面401a中的线圈边长的百分比。
图9(b)描绘了当接收线圈以某一高度在发射线圈上方扫描时，图9(a)的示例性线圈对之间的归一化互感的曲面图903。注意，当扫描角附近的区域时，当接收线圈与发射线圈非常好地对齐时，会形成互感的空间峰。此图还示出了沿着曲面图的对角线的虚线904，用于观察图9(c)、图9(d)中所示的归一化互感。
图9(c)示出了当接收器定位在图9(b)的对角线扫描904的顶部上时，图9(a)的示例性发射器和接收线圈对之间的归一化互感。此图上的若干图表表示对于增加的设计变量902可以实现的最大互感的降低。注意，虽然最大互感已经减小，但基值905已经保持，所述基值对应于当接收线圈处于发射线圈主平原401a的中心时观察到的值。图9(c)还示出，在发射线圈表面之外观察到互感衰减降低。如果当接收器设备非常靠近发射器设备时，系统打算仅在发射线圈的表面上良好耦合，则此类行为是期望的。
图9(d)示出了当接收器定位在图9(b)的对角线扫描904的顶部上时，图9(a)的示例性发射器和接收线圈对之间的归一化互感。此图上的若干图表表示对于增加的设计变量901可以实现的最大互感的降低。注意，虽然最大互感已经减小，但基值905已经保持，所述基值对应于当接收线圈处于发射线圈主平原401a的中心时观察到的值。
图4中描绘了匝顶点相对于主线圈平面401a在负方向上的位移。注意，位移也可以在相对于主平面401a的正方向上进行，如图10所例示的。此类机械变换也将表现出与图9(a)、图9(b)、图9(c)和图9(d)所示的相同的有利效果，但考虑到发射线圈如图10所示被倒置，并且接收器设备505被放置在发射线圈下面。
图11示出了可能存在的实现方式，其中至少最内匝具有其顶点在线圈400的相同主平面401a上，即，并非线圈的所有顶点都相对于主平面移位。
图12示出了在其它实现方式中，发射线圈400的绕组参数也可能变化，例如，具有不同的导体材料的宽度或间隔或线圈的每匝之间。此具体实现方式示出了在匝之间具有不同间隔的发射线圈400。很容易想象图11中的发射线圈具有不同的间隔，在此类情况下，至少最内匝也可以位于与发射线圈400相同的平坦的平面401a上。发射线圈的匝间具有不同的间隔的优点是在发射线圈的表面上产生更均匀的磁场。
图13示出了示出根据本发明的用于制造无线电力发射器的方法1300的示意图。
方法1300可以用于制造无线电力发射器501，用于增加在垂直于平坦的平面401a的方向上的已生成的电磁场503分布的均匀性，并用于从已生成的电磁场503为至少一个电子设备507供电。
方法1300包括：提供1301沿着平坦的平面401a延伸的平面载体基板701，载体基板701具有多个角。
方法1300包括：提供1302向下延伸到平坦的平面401a的多个载体基板延伸部702，载体基板延伸部702在平面载体基板701的相应角处电气和机械连接到平面载体基板701。
方法1300包括：形成1303发射线圈400，所述发射线圈400包括至少一个匝绕组，至少一个匝绕组延伸在平面载体基板701和载体基板延伸部702上。
本发明中呈现的方案适用于如智能手机的无线电力接收器设备、如智能手表的可穿戴设备、健身带、虚拟现实耳机和手动控制器、包耳式耳机、平板电脑、便携式计算机、智能眼镜、游戏控制器、如鼠标或键盘的桌面配件，电池组、遥控器、手持终端、电子移动设备、便携式游戏控制台、便携式音乐播放器、遥控钥匙、用于允许接收器高度自由度的无线电力传输系统的无人机。
尽管可能已经相对于若干实现方式中的仅一个实现方式公开了本发明的特定特征或方面，但此类特征或方面可以如所希望地和针对任何给定的或特定应用而言有利地与其它实现方式的一个或多个其它特征或方面相组合。此外，在一定程度上，术语“包括”、“有”、“具有”或这些术语的其它变体在详细说明或权利要求书中使用，此类术语旨在以类似于术语“包括”的方式是包含性的。此外，术语“示例性的”、“例如(for example)”和“例如(e.g)”仅表示为示例，而不是最好或最优的。可以使用术语“耦合”和“连接”以及衍生物。应当理解的是，这些术语可以用于指示两个元件彼此协作或交互，而不管它们是直接物理接触还是电接触，或它们彼此不直接接触。
虽然本文中已说明和描述具体方面，但本领域的普通技术人员应理解，多种替代和/或等效实现方式可以在不脱离本发明范围的情况下替代所示和描述的具体方面。本申请旨在覆盖本文所讨论的具体方面的任何变型或改编。
虽然以下权利要求书中的元件是利用对应的标签以特定顺序列举的，除非对权利要求书的阐述另有暗示用于实现部分或所有这些元件的特定顺序，否则这些元件不必限于以所述特定顺序来实现。
根据以上指导，许多替代方案、修改和变型对于本领域技术人员是显而易见的。当然，本领域技术人员容易认识到，除本文中所述的应用之外，本发明还存在许多应用。虽然已经参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多改变。因此，应当理解，只要是在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。
Claims (18)
1.一种无线电力发射器(501)，其特征在于，所述发射器用于增加在垂直于平坦的平面(401a)的方向上生成的电磁场(503)分布的均匀性，并用于从所述生成的电磁场(503)为至少一个电子设备(507)供电，所述无线电力发射器(501)包括：
发射线圈(400)，所述发射线圈(400)包括用于生成所述电磁场(503)的至少一个匝绕组(401b)；
其中，所述发射线圈(400)的至少一个匝绕组沿着彼此电连接的多个第一线性区段(405a、405b、405c、405d)和多个第二线性区段(406a、406b、406c、406d)延伸，
其中，所述第一线性区段(405a、405b、405c、405d)被布置成围绕所述发射线圈(400)的所述平坦的平面(401a)，所述第二线性区段(406a、406b、406c、406d)用于成角度地延伸到所述平坦的平面(401a)。
2.根据权利要求1所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述第一线性区段(405a、405b、405c、405d)与两两相邻的第二线性区段(406a、406b、406c、406d)交替布置。
3.根据权利要求1和2所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述发射线圈(400)的所述至少一个匝绕组形成多边形几何图形，所述多边形几何图形的角向所述平坦的平面(401a)成角度地弯曲。
4.根据权利要求3所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述多边形几何图形的所述角在正角或负角下弯曲到平坦的平面(401a)。
5.根据权利要求3和4所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述多边形几何图形的所述角以相同的高度(902)或相同的深度(901)弯曲到所述平坦的平面(401a)。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述多边形几何图形的所述角根据预先确定的坡度形状远离所述平坦的平面(401a)弯曲。
7.根据上述权利要求中任一项所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述发射线圈(400)的至少一个第二匝绕组完全沿着所述平坦的平面(401a)延伸，而不从所述平坦的平面(401a)位移。
8.根据权利要求7所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述发射线圈(400)的所述至少一个第二匝绕组是相对于所述发射线圈(400)的所述至少一个匝绕组的内匝绕组。
9.根据上述权利要求中任一项所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述发射线圈(400)的所述至少一个匝绕组(401b)的所述匝绕组相对于彼此具有不同的间隔和/或不同的导体宽度。
10.根据上述权利要求中任一项所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，所述发射器包括：
平面载体基板(701)，所述平面载体基板(701)沿着所述平坦的平面(401a)延伸，所述平面载体基板(701)承载所述发射线圈(400)的所述至少一个匝绕组的所述多个第一线性区段(405a、405b、405c、405d)；
多个载体基板延伸部(702)，所述载体基板延伸部(702)承载所述发射线圈的所述至少一个匝绕组的所述多个第二线性区段(406a、406b、406c、406d)。
11.根据权利要求10所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述平面载体基板(701)包括多个角，在所述多个角处，所述载体基板延伸部(702)电气和机械连接到所述平面载体基板(701)。
12.根据权利要求11所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述载体基板延伸部(702)由弯曲到所述平坦的平面(401a)的所述平面载体基板(701)的所述多个角形成。
13.根据权利要求11所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述载体基板延伸部(702)由刚性载体基板形成，所述刚性载体基板通过相应的柔性载体基板连接到所述平面载体基板(701)。
14.根据权利要求11所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述载体基板延伸部(702)由连接到所述平面载体基板(701)的柔性载体基板形成。
15.根据权利要求11所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述载体基板延伸部(702)由所述刚性载体基板形成，所述刚性载体基板通过相应的连接模块连接到所述平面载体基板(701)。
16.根据权利要求15所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述相应的连接模块包括以下中的至少一个：
第三基板，所述第三基板具有导电线路；
导电元件阵列；
排针；
公排针和母排针的组合；
所述组合用于将所述平面载体基板(701)上的所述第一线性区段(405a、405b、405c、405d)与所述载体基板延伸部(702)上的所述第二线性区段(406a、406b、406c、406d)电连接。
17.根据上述权利要求中任一项所述的无线电力发射器(501)，其特征在于，
所述发射线圈(400)的所述匝绕组(401b)是角度的，
其中，所述匝绕组(401b)的角是有角度的或圆形的。
18.一种用于制造无线电力发射器(501)的方法(1300)，其特征在于，所述发射器用于增加在垂直于平坦的平面(401a)的方向上生成的电磁场(503)分布的均匀性，并用于从所述生成的电磁场(503)为至少一个电子设备(507)供电，所述方法(1300)包括：
提供(1301)沿着平坦的平面(401a)延伸的平面载体基板(701)，所述载体基板(701)具有多个角；
提供(1302)向下延伸到所述平坦的平面(401a)的多个载体基板延伸部(702)，所述载体基板延伸部(702)在所述平面载体基板(701)的相应角处电气和机械连接到所述平面载体基板(701)；
形成(1303)发射线圈(400)，所述发射线圈(400)包括至少一个匝绕组，所述至少一个匝绕组延伸在所述平面载体基板(701)和所述载体基板延伸部(702)上。
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