CN102598168A - 通量集中器和制作磁通量集中器的方法 - Google Patents

通量集中器和制作磁通量集中器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种通量集中器和用于制造通量集中器的方法。该方法可包括：使粉末状软磁材料、粘结剂、溶剂、内部润滑剂相结合；将这些材料混合以生成混合物，将溶剂从混合物中蒸发，将混合物模制以形成通量集中器，并且将通量集中器固化。该通量集中器可被层压并且打断成多个片块，这使得通量集中器更为柔性。将通量集中器打断不会显著地影响磁性能。由于粘结剂的渗透性与空气的渗透性非常相似，在片段之间加入极小的空气间隙与加入更多粘结剂相比不会有显著的不同。

Description

通量集中器和制作磁通量集中器的方法
技术领域
本发明总体上涉及磁通量集中器和制造磁通量集中器的方法。
背景技术
磁通量集中器(有时被称为通量引导件、通量聚焦器、通量增强器、通量分流器、通量控制器、通量反射器以及其它名称)一般已公知并且已在感应加热和感应电能传输这些应用中使用。通量集中器增强了在某些区域中的磁场，并且能协助增加电能传输或热传输中的效率。在没有集中器的情况下，磁场很有可能扩散，并且与任何导电的周围事物相交叉。在某些情况下，磁通量防护罩可以是一种磁通量集中器。
有时将软磁材料(即，在施加外部磁场时被磁化的材料)用于制造通量集中器中。软磁材料具有随机布置的磁畴。通过施加外部磁场可暂时布置磁畴。
用在制造通量集中器的最普通软磁材料之一是铁素体。铁素体通量集中器是致密结构，其通常通过将氧化铁与一种或多种金属(诸如镍、锌或锰等)的氧化物或碳酸盐混合制成。由于金属氧化物(包括一些不含铁的金属氧化物)的众多组合物，因此“铁素体”的种类是极其多样的。通常，它们被压制，然后于高温下在窑中烧结并且机加工成适用于线圈的几何形状。铁素体一般具有很高的磁导率(通常超过μr＝2000)和低饱和通量密度(通常在3000至4000高斯之间)。铁素体通量集中器的主要缺陷在于当被制造呈薄横截面时它们时常是脆的且趋于歪斜(warp)。铁素体也通常具有低饱和通量密度并且因此容易变为饱和，并且由此比空气在其它磁场面前不再更显著地可对磁场进行渗透，这在一些应用中可能是不期望的。铁素体通量集中器有时被制作得更厚来对脆性及低饱和通量密度进行补偿。铁素体通量集中器可被机加工得更薄，可是硬度会使其变得困难。然而，机加工薄部件将不能解决饱和问题或体积的可制造性。而且，机加工部件可使得批量生产昂贵并且困难。
有时被用在制造通量集中器的另一种软磁材料是磁电介质材料(MDM)。这些材料由软磁材料和电介质材料制成，其充当了颗粒的粘结剂和电绝缘体。MDM通量集中器以两种形式出现：可成形的和固体的。可成形的MDM为油灰状并被期望被模制成配合线圈的几何形状。通过用后续热处理压制金属粉末和粘合剂来生产固体的MDM。MDM通量集中器的特性是除了其他以外而基于粘结剂的百分比进行变化的。通常，粘结剂越少则渗透性越高。然而，在传统的布置中，更少的粘结剂转化成了更多的金属相互(metal on metal)接触，并且因此在通量集中器的使用期间形成了更多的涡电流(eddy currents)。尽管MDM通量集中器可以制造成具有薄的轮廓，由于变化的粘结剂百分比的竞争效应(competing effects)，因此难以制造出具有所有期望的磁和热特性的MDM通量集中器。
诸如手机、mp3播放机和PDA等消费电子器件正趋向于细长的轮廓。同时，对能够接受无线电能的便携装置的需求在不断地增长。适合于与无线充电系统一同使用的电流通量集中器一般太厚，并且因此会明显地增加消费装置的轮廓。相应地，期望一种可制造出具有期望的磁和热特性的、适合于与无线电能传输系统一同使用的薄的通量集中器的方法。
发明内容
本发明提供了通量集中器和用于制造通量集中器的方法。在一个实施方式中，该方法包括下列步骤：1)使粉末状软磁材料、粘结剂、溶剂以及一种或多种润滑剂相结合；2)至少将粉末状软磁材料、粘结剂和溶剂以充足的时间进行混合，以便溶解溶剂中的粘结剂来生成混合物；3)使溶剂从混合物中蒸发；4)将混合物模制以形成通量集中器；并且5)将通量集中器固化(cure)。使用适宜类型和数量的材料，所产生的磁通量集中器可被制造成具有适于与无线电能传输系统一同使用的磁和热特性。另外，所产生的磁通量集中器可被可靠地制造成具有与无线电能传输系统相适宜的尺寸。例如，在一个实施方式中，可将磁通量集中器制造成具有大于或等于约500mT的饱和磁感应强度，并且具有约25比1的最小的宽度对厚度尺寸比、或者最小的高度对厚度尺寸比。由于颗粒或聚结物的大小被保持在特定范围内，这些结果(至少部分地)是可实现的。在一些实施方式中，在模制之前，可筛选混合物来控制待被模制的颗粒或聚结物的大小。在一个实施方式中，粉末状软磁材料被聚结并被筛选为在约75微米和430微米之间。在可替换实施方式中，粉末状软磁材料颗粒的大小是天然地在75微米和430微米之间，所以无需形成聚合物并且没有必要进行筛选。
制造通量集中器的方法可包括加入外部润滑剂和内部润滑剂。在既包括外部润滑剂又包括内部润滑剂的实施方式中，当混合物填充模具时，外部润滑剂趋于敷膜于(bloom to)聚结混合物的外表面，并且润滑了混合物的流动。外部润滑剂在混合物压缩期间也会有帮助。内部润滑剂趋于润滑各软磁颗粒，其由于在模制工艺期间施加压力而降低了颗粒之间(particle-to-particle)的接触，从而导致在通量集中器的使用期间形成了较少的涡电流。制造工艺可用来有成本效率地批量生产含有少量粘结剂并且展示出合适的磁和热特性的通量集中器。而且，使用该方法可以可靠地实现薄的通量集中器轮廓。在可替换实施方式中，可使用单一的润滑剂。
在一个实施方式中，通量集中器的原材料包括了按重量计百分比范围在0.001-2.0的外部润滑剂、按重量计百分比范围在0.005-3.0的内部润滑剂、按重量计百分比范围在0.5-3.0的粘结剂、以及软磁材料的剩余部分。在使用溶剂的实施方式中，溶剂的量取决于所选择的粘结剂和溶剂。在当前实施方式中，使用了粘结剂10-20倍之间的溶剂。在一个实施方式中，在制造期间，可生成多个由润滑剂、软磁颗粒和粘结剂颗粒组成的聚结物。在加入溶剂的实施方式中，基本上所有的溶剂能在制造期间被蒸发。该制造方法生产出具有700微米和700微米以下聚结物的混合物。在压实(compaction)工艺期间可将混合物筛选成更窄的颗粒大小范围以有助于材料的均匀性。在当前实施方式中，筛选的行为将聚结物的大小分离至在约75微米和430微米之间。在一个实施方式中，通量集中器具有下列磁、热和物理特性：大于自由空间渗透性15倍的渗透性、大于30mT的饱和度、小于1S/m的电导率以及小于1mm的厚度。这样的通量集中器可使用本发明用于制造通量集中器的方法来制造。在可替换实施方式中，可制造出通量集中器以实现不同的磁、热和物理特性，其取决于应用。
通量集中器可被层压(laminated)并且打断成多个片块(piece)，这使得通量集中器更为柔性。将通量集中器打断不会显著地影响磁性能。由于粘结剂的渗透性非常类似于空气的渗透性，在片段(fraction)之间加入极小的空气间隙与加入更多粘结剂相比不会有显著的不同。
参考实施方式和附图说明可以更完整地理解并认识到本发明的这些以及其它特征。
附图说明
图1为图示了制造通量集中器方法的一个实施方式的流程图。
图2为图示了制造通量集中器方法的另一个实施方式的流程图。
图3为用于压缩模制根据本发明实施方式的通量集中器的示范性压制的图示说明。
图4为在通量集中器一个实施方式内的嵌入线圈的俯视图和侧横截面视图。
图5为包括了嵌入磁体的通量集中器的实施方式的俯视图。
图6为具有嵌入在通量集中器内的磁体、以及将该磁体和通量集中器分离的绝缘体的实施方式的俯视图。
图7为具有嵌入磁体的层压的通量集中器的侧横截面视图。
图8为层压的柔性通量集中器的透视图。
图9为双层压的通量集中器的分解视图和侧组合视图。
图10为示出了用于生成柔性通量集中器的方法的代表性视图。
图11为示出了使用滚筒用来生成柔性通量集中器的方法的代表性视图。
图12为示出了使用滚筒用来生成柔性通量集中器的方法的代表性视图。
图13图示了两个代表性视图，它们示出了用于两种不同的通量集中器的断点。
图14和图15为示出了通过刻痕和层压用来生成柔性通量集中器的方法的代表性视图。
图16为示出了通过用模板(pattern)来模制集中器以生成柔性通量集中器的方法的代表性视图。
图17示出了具有不规则模板的通量集中器的代表性透视图，其考虑到通量集中器的多种区域中的多种柔性水平。
图18A示出了嵌入在压缩模制出的磁通量集中器中的迹线(trace)的透视图。
图18B示出了迹线的透视图。
图18C示出了嵌入在压缩模制出的磁通量集中器中的迹线的俯视图，该磁通量集中器被连接至模压线圈(stamped coil)，该模压线圈被安装在压缩模制的磁通量集中器的表面上。
图18D示出了图18C的截面视图。
图19示出了迹线的可替换实施方式的透视图。
图20示出了嵌入在压缩模制出的磁通量集中器中的迹线的可替换实施方式。
图21示出了无线电能模块一个实施方式的俯视图。
图22示出了图21的无线电能模块的仰视图。
图23示出了具有线圈阵列的无线电能模块的实施方式的俯视图。
图24示出了具有多层线圈阵列的无线电能模块的另一个实施方式的俯视图。
图25示出了具有共同模制的迹线的通量集中器的实施方式的透视图。
具体实施方式
图1中图示了用于制造根据本发明实施方式的通量集中器的方法的流程图，并且在总体上被标示为100。方法100一般包括这些步骤：1)使软磁粉末、粘结剂、溶剂、润滑剂(例如，外部的和/或内部的润滑剂)相结合102；2)至少使软磁粉末、粘结剂、溶剂、润滑剂混合104充足的时间来溶解粘结剂中的粘结剂以生成混合物；3)例如通过加热和/或对该混合物应用真空而使溶剂蒸发106；4)模制该混合物以形成通量集中器；以及5)在足以固化所述粘结剂的温度中固化110通量集中器。尽管材料都是被结合的，但是不需要刚好在混合之前或同时发生结合。例如，在溶剂被蒸发之前的任何时候，润滑剂(多种润滑剂)可与其它材料相结合。在具有超过一种润滑剂的实施方式中，可在混合之前或之后加入一些润滑剂。在一些实施方式中，例如通过筛选，可以在将混合物注入模具型腔之前控制混合物的颗粒大小。控制混合物的颗粒大小可包括控制混合物中聚结物的大小。
本质上可使用任何软磁材料来制造通量集中器。在当前实施方式中，使用了铁粉末，因为它在用于与感应电能传输系统连接的频带中具有期望的磁特性。两种适合的铁粉末的实例为Ancorsteel 1000C和羰基(carbonyl)铁粉末。当被绝缘或与粘结剂一同使用时，Ancorsteel 1000C和羰基铁粉末在50kHz至500kHz频带中都具有相对高的渗透性、相对高的饱和度以及相对低的磁损耗。Ancorsteel 1000C可从Hoeganaes公司获得，并且羰基铁粉末可从BASF公司获得。软磁材料的颗粒大小可取决于应用而变化。在使用羰基铁粉末的实施方式中，羰基铁粉末的颗粒范围通常从0.5微米到500微米。在使用Ancorsteel1000C的实施方式中，Ancorsteel 1000C的颗粒范围通常从75微米到430微米。由于成本原因或者为了实现通量集中器的某些期望的性能，可在不同实施方式中使用其它类型的铁粉末或者不同类型铁粉末的结合物。
在可替换实施方式中，可使用其它的软磁材料，诸如软磁合金、绝缘金属颗粒或粉末状铁素体。可使用的软磁合金的具体实例包括了铁镍钼磁粉(Moly Permalloy Powder)、透磁合金(Permalloy)以及铝硅铁粉(Sendust)。使用软磁合金可在没有降低通量集中器性能的情况下能够使用较高的粘结剂百分比。绝缘金属的一个实例为被磷酸盐(phosphate)涂覆的铁。绝缘可降低涡电流和腐蚀。可适当地修改固化工艺来避免无意地消除绝缘，在固化期间绝缘可能会受到所用温度的侵害。
颗粒分布可基于具体应用进行定制。在当前实施方式中，使用了单一类型的软磁材料和粘结剂，但是在可替换实施方式中，可使用双模态或其它定制的颗粒分布。例如，铁素体粉末和羰基铁粉末的结合可被用来制造具有用于特定应用的期望特性的通量集中器。在可替换实施方式中，其它的粉末状材料的融合物可能是合适的，例如高渗透性的软磁粉末的结合物。
本质上可使用能将软磁材料粘结在一起以形成通量集中器的任何粘结剂来制造通量集中器。粘结剂是用于将混合物中的材料粘结在一起的材料。适合于在本发明中使用的粘结剂的实例包括热固聚合物、热塑性聚合物、硅酮聚合物(silicone polymers)、无机材料(诸如铝、二氧化硅或硅酸盐)、或者能将软磁材料粘结在一起以形成通量集中器的任何其它粘结剂。热固聚合物的实例包括环氧化物(有时被称为环氧树脂)、酚醛塑料(Bakelite)和福米卡塑料贴面(Formica)。环氧化物为在当前实施方式中使用的粘结剂。环氧化物形成自环氧树脂与聚胺的反应。当前的实施方式使用了潜在的固化环氧树脂。当两个单体结合时，它在室温下为固体，但是直到被加热才会固化成交联的树脂。如在当前实施方式中，树脂和触媒可在混合之前同时与其它材料预结合或结合。
溶剂可作为载体使用来分散在软磁粉末内的粘结剂。在当前实施方式中，丙酮被用作溶剂以便溶解环氧树脂粘结剂。在可替换实施方式中，可使用不同的溶剂来分散粘结剂。在当前实施方式中，一旦将粘结剂溶解在溶剂中并且在工艺中进行混合，该溶剂就被蒸发。
将小百分比的粘结剂与粉末状软磁材料进行混合，可致使聚结物形成在混合物中。精细粉末流动不佳，并且当被注入模具型腔中时，精细颗粒趋于阻挡(trap)空气。聚结物相对于精细粉末可具有更好的填充和流动特性。取决于混合物的组成，聚结物的大小可处于期望的范围内，例如在75微米与430微米之间。取决于混合物的组成，可有益于筛选混合物以去除更小的聚结物和/或更小的颗粒，并且进一步改善填充和流动特性。例如，可使用筛选来获取大小在75微米与430微米之间的聚结物。另外，某些聚结物能给所产生的通量集中器提供某些磁、热和机械性能。
在使用外部润滑剂的实施方式中，外部润滑剂可在聚结的颗粒之间提供润滑，这使得混合物流动得更快并且填充模制型腔更具均匀性。当溶剂蒸发时，外部润滑剂敷膜于聚结物的外表面并提供润滑，因而增加了混合物的流动且将它转换成自由流动粉末。
可选择与一些或全部的软磁材料、粘结剂及溶剂具有有限兼容性的外部润滑剂。在一个实施方式中，在混合之前或混合期间，外部润滑剂可与软磁材料、粘结剂和溶剂相结合。在可替换实施方式中，在混合之后、但在模制步骤之前，可加入外部润滑剂。在混合步骤之前，聚二甲基硅氧烷可作为外部润滑剂使用，并且可与其它材料相结合。在可替换实施方式中，可使用不同的外部润滑剂，例如矿物油或植物油。
在使用内部润滑剂的实施方式中，该内部润滑剂可降低在已完成的通量集中器中的软磁颗粒到颗粒之间的电导率，并且可在模制操作期间在金属或铁素体颗粒之间提供润滑。即，内部润滑剂可降低在通量集中器中形成的涡电流。合适的内部润滑剂的实例包括金属皂(诸如硬脂酸锌)和粉末状蜡。内部润滑剂不会敷膜于聚结物的外侧。作为代替，内部润滑剂渗透了聚结物并且到达软磁粉末颗粒的中间，这减少了会导致附加电损耗的颗粒碰撞的机率。
在制造工艺期间所使用的润滑剂，内部润滑剂和外部润滑剂二者都可使用较少的粘结剂，同时提供了相似或改善的磁和热特性。
可将这些材料在常规的混合器中进行混合，并且本质上可使用能充分彻底且以充足时间混合来溶解溶剂中粘结剂的任何混合技术。整个混合工艺过程中，可以按照不同次序且在不同时间加入材料。
可以使用多种蒸发技术以便蒸发溶剂。在当前实施方式中，混合器包括套管(jacket)，其中可传送热水或蒸汽来加热该混合器中的材料。当前实施方式的混合器也包括有用来在混合器内获得真空的泵。当溶剂蒸发时，混合物变干而成为粉末，其中可有粘结剂颗粒和软磁材料颗粒的聚结物。
粉末可被直接注入用来模制的型腔中，或被筛选以控制颗粒及/或聚结物的大小。在一个实施方式中，粉末被处理直到足够量的溶剂被蒸发从而使得粉末变干并且可被筛选。在可替换实施方式中，筛选步骤被略过，并且较少的精炼粉末可注入模具中。
图2中图示了用于制造通量集中器方法的另一个实施方式的流程图，并且总体上被标示为200。该方法包括这些步骤：1)将软磁粉末加至混合器202；2)将粘结剂添加至混合器204；3)将溶剂加至混合器206；4)将外部润滑剂加至混合器208；5)将内部润滑剂加至混合器210；6)将这些材料混合直到溶剂溶解了粘结剂212；7)使溶剂蒸发214；8)筛选混合物216以控制颗粒大小216；9)压缩模制以形成通量集中器218；10)使通量集中器弹出220；以及11)固化通量集中器222。在用于制作通量集中器方法的该实施方式和图1实施方式之间的一个区别在于：混合物被筛选以控制颗粒大小。筛选可以是能去除太大和/或太小的颗粒的一个或两个阶段工艺。
混合物可被筛选以去除大于阈值、小于阈值或两者皆有的颗粒或聚结物。窄的颗粒分布通常将会更稳定且更可靠地填充模具。在一个实施方式中，在指定阈值之下的粉末状颗粒和聚结物被去除。去除精细颗粒致使在填充模具时更好地增加了均匀性。通过较小的颗粒可以更容易地阻挡空气，所以将它们从混合物中去除可对模具填充操作有益。
在一个实施方式中，如有需要，可通过40目美国标准筛(430微米)去除大颗粒和聚结物，并且通过200目美国标准筛(75微米)去除精细颗粒。聚结物可被磨碎或者压碎大并被加至混合物，较小颗粒可循环回到未来批量中。在可替换实施方式中，可使用不同大小的目或者其它筛选装置来获得混合物中不同大小的颗粒。
各种不同的技术可被用于模制混合物以形成通量集中器。在当前实施方式中，混合物可被压缩模制。图3中图示了用于压缩模制的示范性的压机300。通过可互换的模具可模制出简单或复杂的形状，可互换的模具可以连同模具型腔302一起使用。在当前实施方式中呈粉末为形式的混合物被注入压缩模具304的型腔302中。在使用外部润滑剂的实施方式中，外部润滑剂协助确保聚结物流动并填充压缩模具。总体而言，粉末是按照体积进行度量进入模具的，并且通过重力填充。通常，压机300被保持在室温下，但是在可替换实施方式中，可加热模具。在执行压缩时，上模306被带向下并压制粉末来形成固体零件。在当前实施方式中，压力变化可从每平方英寸约10吨至每平方英寸50吨。在可替换实施方式中，取决于应用而可以增加或者减少压力。
在压缩期间，压力施加于聚结物、以及聚结物内的软磁材料颗粒。在使用内部润滑剂的实施方式中，当软磁材料的各颗粒被压缩时，内部润滑剂帮助它们移动。这可以帮助生产具有增强的密度和压缩性、在已完成零件中减小的变形和感应应力的零件。所产生的通量集中器可以比那些使用现有技术生产的通量集中器提供更好的性能特性。
尽管使用了压缩模制来实施当前的方法，但是可以使用压缩模制的替换物。例如，挤压技术(诸如柱塞挤压)、冲压或Ragan技术公司。高剪切压制是可用于替代压缩模制的技术的所有实例。
一旦压缩模制结束，通量集中器可从模具中弹出。在弹出之前或之后，可固化通量集中器或者应用其它的后处理工艺。许多后处理对于完成通量集中器可能是合适的。在当前实施方式中，将约350华氏摄氏度的温度应用于通量集中器以便固化粘结剂。在可替换实施方式中，零件可通过加热的模具被部分地固化，接着从模具弹出之后得到最终固化。可能会有其它的后处理，诸如热激活、低温固化、烘干、湿固化、UV固化、辐射固化或树脂浸渍。如果合适的话，树脂浸渍是一种用溶解在溶剂中的粘结剂树脂来浸涂或涂镀通量集中器的工艺。通量集中器的多孔部分它们用粘结剂树脂来填充。溶剂被蒸发，留下树脂从而给予通量集中器附加的强度。取决于粘结剂树脂，可将加热工艺用于固化粘结剂。树脂浸渍可以有利于增加通量集中器的强度或者减少随着时间发生的金属腐蚀量。
如图4中所示，在压缩模制期间，线圈402可被嵌入通量集中器400中以便减少z-高度(与堆叠在通量集中器的顶部上的线圈相比)并且增加通量集中器的总体强度。为了嵌入与表面齐平的线圈，可将线圈置于模具型腔的底部中，然后可将软磁材料混合物置入带有线圈的型腔中。在压缩模制之后，所产生的通量集中器包括了暴露的且与通量集中器表面齐平的嵌入线圈。嵌入线圈402与通量集中器的顶面齐平，这允许感应耦合发生在该暴露侧面上。即，线圈能被使用作为感应电能传输系统中的初级线圈或次级线圈，其中通量可以从该侧面上的嵌入线圈传输出、或者传输至该侧面上的嵌入线圈，这取决于是否线圈被用作初级线圈或次级线圈。通量集中器的较薄截面不旨在感应耦合，而是旨在集中场(field)以增强感应耦合。
在当前实施方式中，嵌入线圈是两层模压线圈。模压线圈是从金属板片剪下的线圈。通过使多次模压的线圈与中间电介质一起分层可以生成多层模压线圈。可使用通路(via)或另一类型的连接来将多个层连接在一起。尽管在所图示的实施方式中模压线圈为两层，在可替换实施方式中，模压线圈可包括附加的层或更少的层。在可替换实施方式中，嵌入线圈可以是线绕式线圈而不是模压线圈，并且线圈可以是单层或超过两层。
如图4中所示，线圈引线404可以伸出被压缩模制的通量集中器之外。在可替换实施方式中，线圈引线可连接至被模压的迹线，该被模压的迹线嵌入在被压缩模制的通量集中器内。图18A-18D中示出了嵌入被压缩模制的通量集中器1800内被模压的迹线1802的一种示范性构造。图18A-B示出了被压缩模制的通量集中器1800的透视图，该通量集中器1800包括有嵌入铜的迹线1802。如图18C所示，迹线包括用于连接至线圈1809的衬垫1804。
可将终端1806模压以符合通量集中器的边缘。至其它通路部件的连接可以是接触式连接或者焊接。终端可以是直的以便考虑到Molex连接器。而且，直的终端可促使直接焊接到PCBA上。在模压铜周围/之下所模制的孔1808促使冲压出迹线。冲压出的位置1810在铜模压中。在模制之后，这个区域被冲压出以打断两个迹线之间的通路。
图18C提供了嵌入在被压缩模制的通量集中器内并连接至安装了线圈1809的表面的迹线构造的俯视图。图18D图示了减少的堆叠高度，由于没有经过线圈上方或下方的中心导线，因此可以通过嵌入迹线获得减少的堆叠高度。作为代替，在当前实施方式中，电流由所嵌入的铜迹线承载。当然，在多个可替换实施方式中，也可以用除铜以外的其它金属来承载电流。
因为中心导线所要求的迹线被嵌入在磁通量集中器中，嵌入被压缩模制的通量集中器中的被模压的铜迹线可以增加零件的强度、减少总体组件堆叠高度，并且可以通过允许多种终端类型来增加线圈-通量集中器组件的电连接。
图19图示了可嵌入在被压缩模制的通量集中器中的迹线1902的可替换实施方式。迹线1902的一部分包括锯齿状或城堡状的边缘1904，边缘1904协助将迹线紧固在被压缩模制的通量集中器中。可使用其它的紧固几何形状以便协助将迹线紧固在被压缩模制的通量集中器中。
图20图示了改变终端2006位置的可替换实施方式。可以调整终端之间的间隔以及它们的位置来配合应用。例如，可以模压终端来形成用于Molex连接器或者直接焊至PCBA的铲形物。至其它的通路部件的连接可以是接触式连接或者焊接。终端也可以符合通量集中器的边缘。
如图5中所示，磁体或磁性吸引器502可以共同模制、黏合或压制在通量集中器500中用于强度和磁性校准。可替换地，可将永久性磁体或磁性吸引器插入件(insert)插入后处理。后处理插入可包括将永久性磁体或磁性吸引器安装或粘合在适宜位置的摩擦。可以选择用于通量集中器的材料，用于磁体或磁性吸引器附近的增强性能。例如，具有较高饱和度的通量集中器适合于具有磁体的实施方式中，因为永久性磁体将会局部地降低通量集中器中的饱和度限制。
可将永久性磁体或磁性吸引器构造成使得它暴露在旨在用于磁性吸引的表面上。可替换地，可将永久性磁体或磁性吸引器埋在表面下方，但是仍能提供足够的磁性吸引用来校准无线电能传输系统中的远程装置。
如图5中所图示的，永久性磁体或磁性吸引器可以延伸穿过整个通量集中器。可替换地，永久性磁体或磁性吸引器可以部分地外部延伸至通量集中器或穿过通量集中器的一部分，这取决于对于给定应用所期望的磁性吸引力。
如图6中所示，通过通量集中器中的绝缘部分604可以抵消由永久性磁体引起的被降级的饱和度限制。在所图示的实施方式中，在永久性磁体602和通量集中器600之间的空气间隙，使得通常由永久性磁体所引起的直流场(DC field)的饱和度的影响被最小化。在可替换实施方式中，可使用绝缘体而不是空气。例如，绝缘体可以是迈拉薄膜(Mylar film)或者磁导包(flux guidewrap)，诸如非晶态箔或通量反射器。
如图7所示，可将一层增强材料706层压在通量集中器700的表面上。为了强度而使用合适的材料来共同模制、挤压或者层压通量集中器。例如，碳化纤维、玻璃纤维、石墨烯(graphene)、塑料或迈拉薄膜、非晶态磁性材料、凯夫拉尔(Kevlar)或者不同的合成物可共同模制、挤压或者层压在通量集中器上，或者与通量集中器一起共同模制、挤压或者层压。在另一个实施方式中，可将小段的钢导线切断成如小钢筋、如稳定器，但是对于生成穿过零件的基本上导电基体来说没有那么多。如上面所描述的，可以将可选的永久性磁体或磁性吸引器702并入层压的实施方式中。
如图9中所示，可将材料902、906层压在通量集中器904的两个表面上，以形成柔性的通量集中器900。在一些实施方式中，在通量集中器的两个侧面上的层压厚度是相同的，在其它的实施方式中，诸如图9中所示出的实施方式，层压可具有不同的厚度。图9中所示出的尺寸仅为示范。层压可包括在一个侧面或两个侧面上的粘合剂。例如，在图9中，一层膜为单侧面带且其它层的膜为双侧面带。双侧面带具有粘附至通量集中器的一个侧面、以及可粘附至待防护表面的另一个侧面。
层压的通量集中器可被分离或打断成多个片块，以便在集中器的不同片块之间形成空气间隙。通过将通量集中器分离成一同层压的多个片块所生成的空气间隙允许通量集中器变得更为柔性。另外，通量集中器中附加的空气间隙不会显著影响通量集中器的性能。例如，在一些实施方式中，由于其形成期间所包括的聚合物材料，在通量集中器中已经存在空气间隙。打断上面所描述的通量集中器一般将会增加空气间隙的量，但是不会采用这样的方式：其相对于打碎现有技术的铁素体防护罩显著地影响了通量集中器的性能。
可将通量集中器打断或分离成均匀或非均匀的片块。在一些实施方式中，将通量集中器分离成总体上均匀大小的部分，诸如图8中通量集中器800中所示出的总体上均匀大小的正方形。在另一个实施方式中，可将通量集中器分离成非均匀的片块。例如，在图13中通量集中器被打断成随机大小的片块，并且在图17中通量集中器被打断成不规则图案的不同大小的片块。
有许多种不同的技术用于打断或分离通量集中器。一些可能的技术包括：1)层压和冲压；2)层压和滚动；3)刻痕、层压和打断；以及4)模制、层压和打断。
层压和冲压包括将通量集中器层压，然后将力施加在有图案的模具1000上以冲压被层压的通量集中器900，并且将它打断成多个与有图案的模具相对应的片块。使用这种技术，可生成图8中柔性的通量集中器。该模具可包括形成规则重复的几何形状图案(诸如正方形、三角形、六角形等)的脊部。在一个实施方式中，脊部形成了网格状的图案，如图10中所示。在多个可替换实施方式中，该模具可包括不规则的图案、或者作为代替而包括无图案或随机图案。
层压和滚动包括将通量集中器层压并且使通量集中器11000运行通过滚筒系统1102，以将通量集中器打断成多个片块。如图11中所示，在总体上平行于滚筒轴的方向上第一次经过滚筒1102打断了通量集中器1100，这导致了具有总体上平行于滚筒1104的轴的裂痕(fracture)的通量集中器。在当前实施方式中，通量集中器1104从第一次经过滚筒的轴旋转90度，然后第二次运行通过滚筒1102。第二次经过时被赋予磁通量集中器上的裂口(break)占主导性地沿着平行于滚筒的轴的方向，这产生了通量集中器1106。图11和图12中所示出的裂口或裂痕仅是代表性的并且实际上不会完全平行于滚筒的轴。而且，裂口或裂痕线实际上发生在通量集中器本身中，绘制在层压上的这些线是将发生在通量集中器中裂口的代表。裂口的大小和形状可取决于滚筒系统而变化。如果使用光滑的滚筒系统，通量集中器1300可具有随机的裂口1310，如图13中所示。块的大小将至少取决于压力的量、滚筒的半径、滚筒的间隔以及通量集中器经过滚筒的速度。如果滚筒在其表面上具有凸起的图案，那么在滚动工艺期间磁通量集中器可赋予有规则几何形状的图案，例如生产一个如图8中所图示的通量集中器。可基于特定的应用来选择几何形状图案的大小和形状。
图14和图15中图示了刻痕、层压和打断的方法。该方法包括在将其层压前首先将通量集中器刻痕，将通量集中器层压，然后将通量集中器打断成多个片块。在图14和图15中示出了一种将通量集中器1400刻痕、层压和打断的方法，其中所刻痕的通量集中器包括有限定了正方形1402的刻痕1404。这些刻痕可包括它们交叉处的断点1406。在可替换实施方式中，通量集中器的整个表面可被刻痕而没有留下任何断点。而且，在当前实施方式中，通量集中器的一个侧面被刻痕，但在可替换实施方式中，通量集中器的其它侧面也可被刻痕。总体上，刻痕是足够深的以便使得当通量集中器被打断时裂口趋于依循刻痕线。尽管刻痕以总体上正方形状的图案示出，但是可将刻痕制作成不同的图案。在其它实施方式中，刻痕可由切穿整个通量集中器但留下了所连接材料区段的穿孔(perforation)来替代。层压工艺不随上面所描述的其它的实施方式而改变。在当前实施方式中，将被刻痕的通量集中器1401层压在一个具有层压1408的侧面上并且层压在具有层压1410的另一个侧面上。一旦被层压，柔性的通量集中器1500准备投入使用。在使用期间，如果将通量集中器折弯，它将趋于沿着被刻痕的图案打断，这使其有柔性。可替换地，用户可将通量集中器折弯以便沿着刻痕线将通量集中器打断成多个片块。
可将通量集中器模制成具有图案，以便促使将其打断成多个片块。图16中图示了该技术的代表性附图。模制压机(mold press)1602可包括模具中的脊部1604，脊部1604将刻痕或沟槽赋予到通量集中器中。模具1606也可包括将刻痕或沟槽赋予到通量集中器中的脊部1608。在一些实施方式中，诸如所图示的实施方式，可将通量集中器模制成在两个侧面上都有刻痕线，在可替换实施方式中，可将刻痕线模制在仅一个侧面上，例如通过删除脊部1604或脊部1608中的一个。在通量集中器被模制之后，可将其层压并打断成多个片块以使其有柔性。
在一些实施方式中，可将裂口设计成允许通量集中器以特定的方式成形。例如，在一些实施方式中，通量集中器的块可以是足够小，使得通量集中器能被弯曲成大约弧形的表面。在其它实施方式中，通量集中器可包括不同大小或形状的片块。例如，如图17中所示，通过将通量集中器1700的第一部段1702打断成片块，并且将通量集中器1700的第二部段1704打断成较小大小的片块，可将通量集中器制造成适应具体的几何形状。当将通量集中器粘合至要防护的不规则表面时，可使用任一种以上技术来制作符合弧形及其它各种形状的通量集中器。
以上构造可以帮助增加磁通量集中器的所期望的磁、热或机械性能。这些构造中的一个或多个可与通量集中器结合使用。
图21和图22图示了无线电能模块2100的一个实施方式。当前实施方式中的该无线电能模块一般包括线圈2114、通量集中器2112、无线电能半导体以及支撑部件2104、用于在部件和模块之间连接的衬垫2102、以及用于外部连接的衬垫2106。可将被嵌入的迹线2108用于电连接线圈、衬垫2102和衬垫2106。被嵌入的迹线的构造取决于无线电能模块的设计和功能而变化。在一个实施方式中，迹线将线圈和衬垫2002的引线互相连接，它们被连接至微控制器。被嵌入的迹线也将衬垫2002连接至位于外部的衬垫2106。无线电能模块也可包括构造环状物2109和校准元件2110。在当前实施方式中，线圈2114可以被模压，印刷电路板构造，或者是线绕式线圈。线圈可以与如图4中所示的磁通量集中器齐平，或与如图18A-D中所示的所安装的表面齐平。
无线电能模块为制造者提供了简单的方案(package)来将无线电能整合进产品中。无线电能模块包括必须要传输或接收无限电能的全部部件和电路。
在当前实施方式中，无线电能半导体及支撑部件2104包括整流器和微控制器。整流器将从线圈接收的交流电(AC)电能转化成直流电(DC)。微控制器能执行多种不同的功能。例如，微控制器可能能够与感应电源交流、或者调节由无线电能模块所提供电能的量。
可使用构造环状物2109来手动地改变无线电能模块中线圈的特性。在一种构造中，每一个构造环状物包括高传导路径，并且通过打断环状物可以将附加的电阻加入通路。在名称为“产品监控装置、系统和方法(Product MonitoringDevices，Systems，and Methods)”、申请号为61/322,056的申请中更详细地讨论了该技术。
校准元件2110在当前的构造中是磁体。在可替换实施方式中，可以一起使用或去除不同的校准元件。该磁体与关联于初级线圈的磁体相配合，以便使线圈排成行并且提供有效的电能传输。
通过将任何待嵌入通量集中器中的部件放置于模具型腔中并压缩模制通量集中器以便嵌入那些部件，以此可制造无线电能模块2100。在图21-22中所示出的实施方式中，线圈2114、磁体2110、迹线2108、构造环状物2109、衬垫2102和衬垫2106全部被嵌入通量集中器中。在通量集中器形成之后，将无线电能半导体及支撑部件2104连接到衬垫2102上。在一些实施方式中，通量集中器可包括凹部，以便使得当无线电能半导体及支撑部件2104被连接时它们不会增加无线电能模块的高度。
图23图示了无线电能模块的可替换实施方式。该实施方式类似于与图21-22相关而进行描述的无线电能模块，除了替代单一线圈，在无线电能模块2312中包括了三个暴露的线圈2314。每个线圈可包括校准元件2310。在图23中，每个线圈2314被嵌入且与通量集中器的一个表面齐平，这提供了用于传输电能的暴露表面。在可替换实施方式中，线圈可被嵌入且与不同的表面齐平。正如图22中所图示的，使用嵌入在无线电能模块中的迹线可使连接贯穿无线电能模块。例如，迹线可在线圈和无线电能半导体及支撑部件之间提供电连接。
图24图示了一种在图23中所示出的无线电能模块的可替换实施方式。在该实施方式中，不是单层线圈阵列，而是多层线圈阵列组件2012被嵌入通量集中器中。多层线圈阵列组件2012包括被定位在多层阵列中的多个线圈2014、以及位于一个或多个线圈与通量集中器的表面之间的PCB或其它的非传导材料2016。在一些实施方式中，可包括校准元件2010。
通过将线圈2014定位在所期望的图案中并将它们紧固在合适位置，可以生成用于嵌入在通量集中器中的多层线圈阵列组件2012。可使用PCB或其它的非传导材料2016在模制期间保护通量集中器避免覆盖混合物。在制造期间，可将整个多层线圈阵列组件2012放置在模具型腔中，可将软磁粉末混合物倾倒在多层线圈阵列上并将其压缩模制，以便将整个阵列嵌入在通量集中器中。当通量集中器从模具中弹出时，多层线圈阵列中的一些线圈被暴露并且与通量集中器的表面齐平，其它线圈在通量集中器中被嵌入地更深并且未与通量集中器的表面齐平。然而，被嵌入在通量集中器中更深的线圈的相当一部分不是由与通量集中器表面齐平的线圈覆盖、就是由PCB或其它的非传导材料2016覆盖，PCB或非传导材料2016是多层线圈阵列组件的一部分。在一些实施方式中，诸如图24中所示出的一个，多层线圈阵列组件可从每一个线圈提供导线路径。这样，当被嵌入通量集中器中时，导线可借助于多层线圈阵列组件而选择路径至通量集中器的边缘。导线从该处或由嵌入的迹线、或由外部连接可被连接至位于无线电能模块上的各种无线电能半导体及支撑部件。
尽管在已整合了无线电能半导体及支撑部件的无线电能模块的上下文中描述了图23和图24中的线圈阵列，然而在可替换的非无线电能模块的实施方式中，可使用这些线圈构造作为具有被嵌入线圈阵列的通量集中器。例如，图4中所图示被嵌入、齐平的线圈可以由与图23和24相关而进行描述的单层线圈阵列或多层线圈阵列组件替代。
图25图示了具有被共同模制的迹线2502的通量集中器2500的实施方式。在当前实施方式中，迹线上的终端点在磁通量集中器表面的上方突出。终端点可以是压接连接、焊垫或任何其它合适的终端结构。通过将它们放置于并将它们附连到从通量集中器突出的适宜的终端点上，可以校准线圈阵列中的线圈。在可替换实施方式中，线圈阵列组件(类似于与图24有关而在上面进行描述的那个)和被嵌入的迹线可与通量集中器共同模制。可将来自线圈阵列组件的线圈连接至被嵌入通量集中器中的迹线，以便选择路径至无线电能半导体及支撑部件。
在包括有多层线圈阵列的实施方式中，来自多层线圈阵列的线圈和引线可使用在2010年8月25日提交的、名称为“无线供电系统和多层垫片组件(Wireless Power Supply System and Multi-layer Shim Assembly)”的美国临时专利No.____中所描述的多层垫片组件之一来进行校准和选择路径，通过引用将其并入本文中。
以上描述的是本发明的当前实施方式。在没有背离如所附权利要求中限定的本发明精神和更宽方面的情况下，可以做出各种替换和修改，这应当按照包括了等同原则的专利法各原则进行阐释。以单数形式来对元件提出权利要求的任何引用，例如使用定冠词“一(a、an)”、“该(the)”或“所述(said)”等不解释成将元件限定为单数。

Claims (24)

1.其中要求了排他性所有权或权益的本发明的实施方式被限定如下：
1.一种通量集中器组件，其包括：
通量集中器，其具有厚度、顶面和底面；以及
线圈，其被嵌入在所述通量集中器中，其中所述线圈的一个侧面与所述通量集中器的所述顶面齐平而形成了暴露的侧面，并且所述线圈的另一个侧面被嵌入在所述被压缩模制的通量集中器的所述厚度内而形成了未暴露的侧面，其中所述线圈能够在所述暴露的侧面上感应耦合，并且不能够在所述未暴露的侧面上感应耦合。
2.如权利要求1所述的通量集中器组件，其中所述线圈选自包括了初级线圈和次级线圈的所述组，所述初级线圈用于传输无线电能，所述次级线圈用于接收无线电能。
3.如权利要求1所述的通量集中器组件，其中所述被压缩模制的通量集中器使电磁场集中以增加感应耦合。
4.如权利要求1所述的通量集中器组件，其中所述线圈是模压线圈和导线线圈中的至少一个。
5.如权利要求1所述的通量集中器组件，其还包括磁体或磁性吸引器，所述磁体或磁性吸引器能够为远程装置与无线电能传输系统的校准提供足够的磁性吸引。
6.如权利要求5所述的通量集中器组件，其中所述磁体或磁性吸引器被暴露于所述通量集中器表面上、或者被嵌入在所述通量集中器的所述表面的下方。
7.如权利要求1所述的通量集中器组件，其还包括了永久性磁体，其中所述通量集中器组件包括在所述磁体和所述通量集中器之间的绝缘体，用以使由所述永久性磁体引起的交流场饱和度的影响被最小化。
8.如权利要求1所述的通量集中器组件，其还包括被层压在所述通量集中器的所述顶面上的一层增强材料。
9.如权利要求1所述的通量集中器组件，其还包括被层压在所述通量集中器的所述底面上的一层材料，其中所述通量集中器能被打断成多个其间具有空气间隙的片块。
10.如权利要求9所述的通量集中器组件，其中所述空气间隙未显著地影响所述通量集中器的性能。
11.一种柔性的通量集中器组件，其包括：
通量集中器，其具有厚度和表面；
层压件，其被粘合性地紧固到所述通量集中器的所述表面的至少一部分上；
其中响应于将所述柔性通量集中器折弯：1)所述通量集中器能够被打断成多个其间具有空气间隙的片块；并且，2)所述层压件保持粘合性地紧固到所述通量集中器的所述表面的所述至少所述部分上。
12.如权利要求11所述的柔性通量集中器，其中所述层压件围绕所述通量集中器。
13.如权利要求11所述的柔性通量集中器，其中将所述通量集中器打断不会显著地影响所述通量集中器的性能。
14.如权利要求11所述的柔性通量集中器，其中所述通量集中器被刻痕以对所述通量集中器响应于折弯而打断的地方产生影响。
15.如权利要求11所述的柔性通量集中器组件，其包含：
线圈，其被嵌入在所述通量集中器中，其中所述线圈的一个侧面与所述通量集中器的所述表面齐平而形成了暴露的侧面，并且所述线圈的另一个侧面被嵌入在所述被压缩模制的通量集中器的所述厚度内而形成了未暴露的侧面，其中所述线圈能够在所述暴露的侧面上感应耦合，并且不能够在所述未暴露的侧面上感应耦合。
16.如权利要求11所述的柔性通量集中器组件，其还包括磁体或磁性吸引器，所述磁体或磁性吸引器能够为远程装置与无线电能传输系统的校准提供足够的磁性吸引。
17.一种通量集中器，其包括：
软磁材料，其被模制成具有宽度尺寸、厚度尺寸和高度尺寸的形状；
所述高度尺寸和所述宽度尺寸中的至少一个是所述厚度尺寸的25倍或者大于所述厚度尺寸的25倍；并且
其中所述通量集中器具有500mT或者更大的饱和度。
18.如权利要求17所述的通量集中器，所述通量集中器具有大于自由空间渗透性15倍的渗透性。
19.如权利要求17所述的通量集中器，所述通量集中器具有1S/m或者更小的电导率。
20.如权利要求17所述的通量集中器，所述厚度是1mm或者更小。
21.一种无线电能模块，其包括：
通量集中器，其具有厚度和表面；
第一线圈，其被嵌入在所述通量集中器中，所述第一线圈的一个侧面与所述通量集中器的所述表面齐平而形成了暴露的侧面，并且所述第一线圈的另一个侧面被嵌入在所述通量集中器的所述厚度内而形成了未暴露的侧面，其中所述第一线圈能够在所述暴露的侧面上感应耦合，并且不能够在所述未暴露的侧面上感应耦合；以及
无线电能电路表面，其被安装至所述通量集中器表面，其中所述线圈通过被嵌入在所述通量集中器中的迹线被电连接至所述无线电能电路，其中所述无线电能电路通过被嵌入在所述通量集中器中的迹线被电连接至无线电能模块输出端。
22.如权利要求21所述的无线电能模块，其包含了被嵌入在所述通量集中器中的第二线圈，所述第二线圈的一个侧面与所述通量集中器的所述表面齐平，并且所述第二线圈的另一个侧面被嵌入在所述通量集中器的所述厚度内，其中所述第二线圈能够在所述暴露的侧面上感应耦合，并且不能够在所述未暴露的侧面上感应耦合。
23.如权利要求21所述的无线电能模块，其中所述第一线圈和所述第二线圈是单层线圈阵列组件的部件。
24.如权利要求21所述的无线电能模块，其包含多层线圈阵列组件，其中所述第一线圈以及一个或多个附加线圈被定位以在无线电能模块中形成多层线圈阵列，所述多层线圈阵列组件包含了在所述一个或多个附加线圈和所述通量集中器的所述表面之间的非传导材料。
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