CN102906831A

CN102906831A - 改进的接收器线圈

Info

Publication number: CN102906831A
Application number: CN201180026470XA
Authority: CN
Inventors: E.瓦芬施米特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2013-01-30
Also published as: EP2577693A1; JP2013533607A; US20130069445A1; WO2011148291A1

Abstract

本发明涉及一种使用在接收装置中的平面接收器线圈，用于感应地接收来自传送装置的功率，所述接收器线圈旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。

Description

改进的接收器线圈

技术领域

本发明涉及一种电感性功率传送系统，更特别地，涉及在这种系统中的改进的接收器线圈。

背景技术

一般地，感应功率传送系统频繁用在许多应用中。它们允许在没有有线连接的情况下向装置提供动力或对电池（或电容器）进行充电。其在诸如盥洗室和医院中的专用房间等其中没有电插头和接插件的环境中或者在电插头和接插件并不实用的环境中特别有利。

在感应耦合的帮助下，实现感应功率传送系统，其功率可以从例如公用电网或从电池中提取。其优选地被实现为具有软开关性能的谐振半桥或全桥变换器。传送装置包括至少一个传送器线圈（以下也称为传送器线圈）。移动装置包括与所述传送器线圈耦合的接收线圈（以下也简称为接收器线圈），例如，移动装置放置在所述传送装置的表面上。提供给所述传送装置的初级线圈的电流生成交变磁场。此交变磁场在该移动装置的次级线圈中感生了电压。该电压经过整流接着被供给至负载或移动装置的电池。

在现有的简单系统中，接收器线圈相对于传送器线圈的横向位移导致耦合系数发生变化，并因此导致功率传递的不需要的变化。因此，在这种系统中，接收器线圈不能自由地定位，其应放置在预先确定的位置处。

为了避免在传送器线圈的不同位置处的功率传送的这种不需要的变化的解决方案，即，为了支持自由地定位接收器线圈的功能，是要设计传送器线圈，以使得其可以生成在位置方面的均匀（homogeneous）电磁场。

做为例子，提出了在外边缘处附加有额外的匝线的具有线性分布的传送器线圈的“混合”结构。基于所了解的，具有相等匝线距离的匝线分布（“线性分布”）的传送器线圈在传送器线圈的中心处具有耦合峰，而如果传送器的外边缘和接收器线圈匹配，具有匝线的传送器线圈只在外边缘处具有最大的耦合。该解决方案给出了比具有相等匝线分布的线圈更好的耦合的横向均匀性，但是，其仍然具有不同的最小值和最大值。

引进了稍微更好的方法，用来设计传送器线圈的匝线分布。这是具有指数i的绕组匝线的径向位置r 的分布函数：

其中，N=匝线的数量。参数k是经验值。当k = 1时，匝线是线性分布的。当k < 1时，匝线就相对于线圈的外侧更密集。然而，此方法产生了一个结构，该结构具有对生成均匀的磁场所必需的特点，需要其以获得对横向位移上的位置的更不严重的依赖，即获得自由中毒功能。

发明内容

虽然，利用特别设计的传送器线圈，其可以生产很均匀的电磁场，并获得自由中毒功能，但其仅部分地解决了自由中毒问题。在一些其他情况中，例如，如果传送装置没有包括以上所提及的关于传送器线圈的绕组匝线分布的特别布置，则传送装置不能再生成均匀的电磁场，以及因此，接收装置不能放置在传送器线圈的任何位置上。

因此，本发明的目的是为自由放置移动装置找出解决方案，无论所生成的电磁场是均匀的还是非均匀的。

为此目的，提出了一种使用在接收装置中的平面接收器线圈，其用于感应地接收来自传送装置的功率。所述接收器线圈旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的所述绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。

利用这种改进的接收线圈，包括所述改进的接收线圈的接收装置可以均匀地接收功率，无论所生成的电磁场是均匀的还是非均匀的。结果，只要接收线圈大于传送器线圈，且覆盖传送器线圈，则接收线圈就可以自由地放置在传送器线圈上。

本发明还提出了一种接收装置，所述接收装置包括所提出的平面接收器线圈，所述平面接收器线圈用于感应地接收来自传送装置的功率。

根据本发明的实施例，提出了一种确定接收器线圈的绕组匝线分布的算法。

通过使用所提出的接收装置，所述接收装置可以接收几乎相同量的通量，即可以在传送器线圈上的任何位置上接收均匀的功率，无论由所述功率传送装置所生成的电磁场是均匀的（均等的）或非均匀的（不均等的），只要传送器线圈小于接收器线圈且被所述接收器线圈所覆盖。

以下将给出本发明的详细的说明以及其他方面。

附图说明

现在参考以下所描述的实施例以及与附图一起考虑来解释本发明的特定方面，其中，相同的部分或子步骤将以相同的方式进行指示：

图1A、1B和1C描绘了根据本发明的实施例的接收器线圈的一些实例；

图2描绘了电流和磁场的相互依赖性；

图3描绘了离散的且间隔相等的电流匝线的电流分布；

图4描绘了绕组中的电流密度的分布；

图5A、5B描绘了在不同电流和匝线分布中所得的磁场；

图6使用具有不同拟合参数k_{w (现有技术)}的已知的拟合函数方程（1）描绘了磁场；

图7示出了根据本发明的实施例的线圈的匝线分布；

图8描绘了不同算法所得的磁场；

图9A-9C：描绘了具有分布匝线（distributed turns）和间隔相等匝线的线圈的电阻、感应性和品质因数的比较；

图10A-10C描绘了具有分布匝线的线圈的电阻、感应性和品质因数的变化，其中，所述分布匝线与间隔相等匝线相关作为拟合参数的函数；

图11描绘了具有做为参数的最小相对匝线宽度w_min的匝线分布；

图12根据关于间隔相等匝线作为拟合参数的函数的修正分布函数，描述了具有分布匝线的线圈的电阻、感应性和品质因数的变化；

图13根据修正分布函数描绘了分布匝线的磁场；

图14I和图14II描绘了具有不同接收器布局的耦合均匀性的模拟；

图15描述了使用垂直距离作为参数的径向位移移的绞合线（litz wire）线圈的耦合系数；

图16A示出了包括根据本发明的实施例来设计的接收器线圈和三个传送器线圈的系统的实例；

图16B示出了从所述三个传送器线圈中的每个到所述接收器线圈的耦合电感。

具体实施方式

本发明通过创造性地应用感应地耦合的线圈的可逆律（law of reversibility），解决了接收均匀功率的问题，即传送器线圈和接收器线圈的在它们的功能上可以互换，同时保持相同的耦合系数。为了解决从非均匀磁场接收均匀通量的问题，本发明创造性地应用了传送器线圈的已知设计，所述传送器线圈能够生成用于设计接收线圈的均匀磁场，以便解决在传送器线圈的任何位置上接收均匀功率的问题。

结果，提出了包括由绕组匝线组成的接收器线圈的接收装置，所述绕组匝线在线圈的外部分处比在线圈的内部分处的绕组更密集。

图1A到1C描绘了绕组匝线分布的一些实例。应该理解的是，虽然为了简化附图，绕组匝线被绘制成中心在相同位置处的圆圈，但是绕组匝线还可以是且优选地是螺旋形匝线。

绕组匝线在线圈的外部分处比在线圈的内部分处的绕组更密集，意味着在外部分处的两个相邻匝线的距离比在内部分处的两个相邻的匝线的距离更短。在本发明的上下文中，两个相邻匝线的距离意味着沿着两个圆形匝线的径向方向的距离，其等同于两个匝线的半径的差。为了形成完整的接收器线圈，匝线可以串联（例如单螺旋形绞合线形成九个匝线）或并联地电连接（图中未示出）。

所述外部分和所述内部分可以是固定的两部分。两个部分的边界可以根据距离变化的规则确定。例如，在图1A中，接收器线圈11由从外到内被称为N1、N2…..N9的九个绕组匝线组成。沿着径向方向的两个相邻匝线的距离被称为D12、...、D67、...、D89（不是所有的距离都在图1A中示出）。附图标记中的阿拉伯字数指的是匝线的编号，例如，匝线N1和N2之间的距离是D12。根据该实例，外侧五个匝线 N1~N5 均等地分布，因此，距离D12、D23、D34和D45是相等的。在内侧的四个匝线N6~N9也均等地分布，即距离D67、 D78和D89也是相等的。但是距离D12、D23、D34和D45小于距离D67、D78和 D89。在这个实例中，由五个外侧匝线N1~N5形成的区域被视为接收器线圈的外部分101；而由四个内侧匝线形成的区域则被视为内部分102。

不论在外部分中还是内部分中的距离是相等的还是不相等的，只要外部分处的相邻的匝线的距离小于在外部分处的相邻的匝线的距离，就满足“在外部分处的匝线比在内部分处的匝线更密集”的要求。在外部分处的匝线和在内部分处的匝线可以具有改变规则的不同的距离。例如，在图1B中，外部分匝线N1~N5都集中在线圈的外围处，匝线 N1~N5 距离是零或几乎是零，它们彼此非常靠近。在内部分的两个相邻匝线的距离从外到内逐渐地增加。许多其它改变规则是可能的。例如，在外部分处的匝线具有相同的距离，而在内部分处的则不同，反之亦然。

所述外部分和所述内部分也可以是相对的概念。如图1C中的另一个实例，在线圈的整个区域处的两个相邻的匝线的距离从外到内逐渐地增加，换句话说，绕组匝线从接收器线圈的中心到接收器线圈的外边缘逐渐地更密集。例如，D89大于D78，D78 大于D67，等等，在这种情况下，内部分和外部分不存在明确的边界。相对于更靠近线圈的中心的匝线，任何匝线都可被称为在外部分；同时，相对于离线圈的中心更远的匝线，此匝线还可以被称为在内部分。例如，相比于匝线N1~N4，匝线N5可以被视为在内部分处；而相比于匝线N6~N9，其也可以被视为在外部分。

绕组匝线可以由绞合线制成；或者，如果在印刷电路板中，则其可以由导电匝线制成。

本发明还提出了在接收装置中使用平面接收器线圈，用于感应地接收来自传送装置的功率，所述接收器线圈旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。

本发明还提出了感应功率传送系统，所述系统包括接收装置和传送装置。所述接收装置包括旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合的平面接收器线圈，所述平面接收器线圈用于感应地接收来自所述传送装置的功率，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集；以及所述传送器线圈比所述接收器线圈小。

以下导出了用于设计接收线圈的算法，在所述线圈的外部分处的绕组匝线比在所述线圈的内部分处的绕组匝线更密集。根据感应地耦合的线圈的可逆率，申请人知道：如果传送器线圈可以生成均匀的功率，当其用做接收器线圈时，则其可以接收均匀的功率，而无论接收器线圈沿着传送器线圈的径向方向被放置在何处。为了容易地示例算法和测量数据，该算法被解释仿佛所述接收器线圈就是传送器线圈。

解决反向场问题

寻找生成理想磁场的电流匝线分布的任务与解决反向磁场问题的任务有关。原则上可以存在无穷数量的解决方案。但是，利用适当限制，则可以寻找到一个特殊的解决方案。做为限制，线圈的匝线被放置在一个层中，而线圈则是圆形或螺旋形的，且具有有限的外半径。

在第一步骤中，计算线圈中的电流密度的分布，此电流密度分布应可以生成磁场，所述磁场的垂直分量在该线圈上面的特定高度处在线圈区域的上方是恒定的。

然后，在第二步骤中，计算各匝线中具有恒定电流的匝线分布，所述匝线分布最大程度地减小所计算的电流密度的分布。

电流分布

以离散的方法计算适当的电流分布。线圈的绕组宽度w被划分为Nturn个间隔相等的电流匝线，所述电路匝线在径向位置 r_J（i）具有自己单独的电流值J（i），其中，i是电流匝线的指数。

在所述线圈上方、垂直距离z处，定义了许多径向位置r_H(j)，其中，磁场H（j）将被指定。j表示磁场位置的指数。为了可以唯一地解决这个问题，磁场点的数量应选择与电流匝线的数量相等。各电流匝线都有助于在每个磁场位置处的磁场，如图2所示例的。在良好的近似中，所涉及的材料的性能可以被认为是线性的。在这种情况下，磁场对于电流匝线的中的一个的依赖是线性的。其可以用常数表达，如图2所指出的。该常数取决于几何性质和所涉及的材料。对于一些布置，其可以进行分析地计算它。

为了获得系数中的一个，对于一个任意电流值，在一个位置处的磁场必须根据匝线中一个的电流来计算：

（2）。

没有磁芯或额外金属片材且在空气中的环形线圈的系数可以根据环路（loop）来计算（参见以下无核环路的磁场部分）。对于圆形板芯电感器，磁场可以根据IEEE PELS学报的集成电力电子（Integrated Power Electronics）的特刊“Design method and material technologies for passives in printed circuit board embedded circuits”（第20卷，第3期，2005年5月，第576页，其通过引用合并于此）中所呈现的算法来计算。

一般情况下，可以通过使用有限元法（FEM）模拟来计算系数。

电流值可合并到矢量

，磁场的值可以合并到矢量，以及系数可以合并到矩阵A，那么，其是：

（3）。

如果给出了磁场的值并且电流分布是未知的，则此方程可以反演（inverted）成：

（4）。

因此，所述未知的电流分布可以根据反演的系数矩阵乘以所需要的磁场值的矢量来计算。

做为一个示例性的实施例，这里所使用的是没有磁芯的空气中的圆形线圈。为了示出过程，绕组的宽度被划分为N_I=10个电流匝线。

图3描绘了离散的且间隔相等的电流匝线的电流分布。在水平轴中，匝线的位置由r/Rout 表示，r/Rout是径向位置r按线圈的外半径Rout 衡量（scale），在左垂直轴中，匝线电流按绕组中的总电流衡量，其由

表示，并且右垂直轴表示磁场H/Ho。匝线之间得到的电流分布由离散的点31来示出。该图也示出了位置，在该位置处，磁场由离散的点32来指定。为了避免计算中的不稳定性，磁场不被指定，直到确切地在线圈的边缘处，但仅仅到外半径的90%。

匝线分布

该最优的电流分布必须由匝线的分布来近似，其中，各匝线包括相同的电流。为了这个目的，假设在第一个近似中，各匝线的匝线宽度尽可能地宽，且电流在匝线中均匀地分布。图4示出了所期望的结果。水平轴表示径向位置r/Rout。垂直轴表示电流密度J/Jo。曲线41示出具有具有不同的每匝线的电流的间隔相等的匝线的电流密度。曲线42对应于分布匝线，即匝线不均匀地分布。如果电流密度在各宽度上方总和，则总的每匝线的电流就是恒定的。清楚地看到两个曲线尽可能相互匹配。获得此分布的算法将在以下的部分详细地描述：根据电路密度分布来计算匝线分布。

得到的磁场

在图5A和5B中对得到的磁场进行比较。在所述两个图中，直线51是示例性的1 A/m的指定磁场，曲线52示出了在“可变电流密度”的情况下的得到的磁场，其中，具有Nj = 10 个电流匝线。在线圈的外部分处可以看到由限制性的离散所造成的小波纹。然而，在所指定的点处（相比于图3），曲线确切地匹配1 A/m的指定值，这就证明了所述算法。曲线53对应于“可变匝线宽度”的情况。图5A是针对N_w = 10个匝线的结构的情况（类似于图4）计算的。这里，对于电流分布来说，所述波纹更高，因为在线圈的内侧处的匝线密度更低。然而此效果可以在最终的应用中达到平衡，因为相对的线圈具有特定的区域。如果匝线的数量提高到例如N_w = 50个匝线，如图5B所示出的，则所述波纹就几乎消失，且所述磁场就几乎理想地在所述结构的宽度上是恒定的。

在本发明的上下文中，术语“可变的电流密度”应指的是间隔相等的匝线，各所述匝线中有可变的电流，其与传导盘的情况有关，其中，在所述盘中的电流流量依赖于位置，而只有具有用来解决这个问题的有限电流跟踪的数值方法给出了“均匀匝线分布”的效果。

在本发明的上下文中，术语“可变的匝线宽度”与匝线分布有关，其首先通过由反转矩阵计算最优的电流分布、然后从中获得匝线分布来进行计算。此方法给出更好的结果但是其需要更大的努力。

术语“近似的匝线宽度”涉及的是从方程中的一个获得的匝线分布（例如，在应用的描述中的方程1、方程5或方程7），其直接地生成近似的匝线分布。此方法更容易操作，但是结果可能不那么最优，如以下图中所示出的。

拟合函数

要想反转矩阵和求解方程，系统需要一些努力。此外，所述方法对几何细节更敏感，并趋向于给出振荡的结果。为了使计算匝线分布容易，提出了拟合函数。

如已经提及的，Casanova 等人在“Transmitting Coil Achieving Uniform Magnetic Field Distribution for Planar Wireless Power Transfer System”（IEEE无线电和无线研讨会2009 的公报，2009年1月18-22日，第530页，论文 #TU4B-5）中公开了一种方法，其通过引用合并于此。图6使用根据Casanova 等人所提出的具有各种拟合参数k_W的方程（1）的该拟合函数来示出磁场。

直线61是示例性的1 A/m的指定磁场。

曲线62示出了对于可变电流密度情况中的得到的磁场。

曲线63示出了对于可变匝线宽度情况中的得到的磁场。

曲线64表示具有根据具有不同拟合参数k_w的方程（1）的匝线宽度的得到的磁场。它们没有一个很好地匹配。还有，磁场在边缘处过高或者其就快速地变弱。对于所有的参数来说，其具有专用最大值。

结论是，此函数不能合理地匹配到匝线分布，所述匝线分布通过解决反向磁场问题来进行计算。

图7示出了匝线分布。水平轴代表匝线数量 i/N。垂直轴代表匝线位置r/Rout。点通过解决反向磁场的问题进行计算。根据此曲线的形状，假定了更好的方程：

其中，r（i）是具有指数i的匝线的匝线位置。N是匝线的数量。参数_W是可以调节以便将所述曲线拟合到最优化匝线分布的拟合参数。图7示出了具有不同参数_W的此函数，对于小的_W，匝线就集中在外边缘处。对于很高值的 _W，分布变得线性。对于负的_w ，匝线集中在线圈的中心处（没有在图中示出）。

对于典型的情况，如图7所示出的，拟合参数应选择为近似 _W = 0.2 ，以便匹配最优匝线分布。

图8中描绘了具有根据方程5的匝线分布的线圈的得到的磁场。

曲线81描绘了由电流分布（可变的电流密度）得到的磁场。

曲线82描绘了由分布匝线（可变的匝线宽度）得到的磁场。

都被称为为曲线83的剩下的曲线描绘了根据方程5的匝线分布的磁场，曲线83是由导致不同匝线分布的拟合参数_W所区分。图8中的拟合参数从 _W = 0.05 的最低值到 _W = 10 的最大值中选择（线性分布）。如可以看到的是，其_W值是0.2的一个曲线83涉及得到非常均匀的磁场分布的几乎最优的参数。只有紧靠r > 0.8 Rout的边缘，曲线82才提供稍微更好的结果。

结论是，根据具有 _W = 0.2 的拟合参数的方程（5）的拟合函数提供了均匀磁场的足够好的结果。

最优化的品质因数的拟合函数的修正

如果在印刷电路板（PCB）技术中实现具有分布匝线的线圈，则轨迹（匝线）的宽度就常常被修改从而可以使用铜层的最大的量。然而，因为最优分布匝线集中在外边缘处，所以这些轨迹（匝线）比平均宽度显著地更细。因此，具有最优化匝线分布的线圈如同带有相同数量匝线、具有匝线的相等分布的参考线圈一样具有显著较高的电阻。然而，在外边缘处匝线的集中相比于参考线圈，增加了电感。对应用重要的是电感L对其电阻R的比率，所述比率被表达为品质因数Q：

其中f是工作频率。为了明白是电阻R的增加还是电感L的增加更主导，所述电阻、所述电感和所述品质因数Q针对变化数量的匝线N的示例性结构，来进行计算。对于具有根据具有拟合参数 =0.2（曲线91、93和95）的方程（5）的匝线分布的装置，所述结果示出在图9A-C中。

图9A-C的水平轴代表匝线的数量N。

图9A 的垂直轴代表电阻R/N（mOhm）。

图9B 的垂直轴代表感应性L/N（uH）。

图9C 的垂直轴代表品质因数Q。

其他参数列在图9A-C中。曲线92、94和96示出了参考装置的值，所述参考装置具有相等的匝线分布和相等的尺寸。电阻R和感应性L按每平方N²匝线数量来衡量。理想地，结果应独立于N²。针对间隔相等的参考线圈，这可以很好地假设，如图中所示出的。对于具有根据方程（5）的分布匝线的线圈，可以看到对这些换算值（scaled value）的微小的依赖性，但是对于更高的N，其则接近于极限值。“高”匝线数量N = 50的数值将被取作用于进一步调查的值。所述图表还示出，相比于具有相等匝线分布的参考线圈，对于具有分布匝线的线圈，电阻增加至大约10倍。相比于具有相等匝线分布的参考线圈，对于具有分布匝线的线圈，电感增加了大约3倍。

因此，相比于具有相等匝线分布的参考线圈，所述品质因数减小1/3。

图10A-C示出了不同拟合参数的该效果，其根据“大”数量的匝线N = 50来计算。如所预期的，对于较小值的，电阻的增加和因此品质因数的减小较强烈，其中，所述匝线甚至更集中在外边缘处，并因此甚至更细。相反地，针对拟合参数 > 0.5的情况，所述品质因数不再显著降低，并比90%的参考线圈更好。然而，具有那些拟合参数的设计导致在线圈中心处形成了具有更高值的非均匀磁场分布（与图8相比较）。

为了避免所述匝线变得太细，引入了最小匝线宽度。为了找到独立于特定结构的参数，最小匝线宽度就涉及到了具有相等匝线分布和相同几何尺寸的参考结构的匝线宽度。

用于匝线分布的修正过的算法将考虑该最小匝线宽度参数w_min，且没有匝线应当比此值还小。为了获得满足此标准的匝线分布，匝线首先要尽可能从外边缘到内侧尽可能接近地分布。通常，这些匝线位置偏离最优分布。一旦可能将匝线放置在最优的位置上，且不违反宽度条件，则所述匝线就放置在那里。因此，在线圈的内侧，匝线处在与最优分布的位置相同的位置上。图11示出了根据此过程的具有不同数值的参数w_min的分布。根据此图，此算法的解析表达变得明显。在外边缘处，分布是线性的，且只依赖于最小匝线宽度w_min。在内部分处，分布仍然根据方程（5）来计算。最终的曲线是取两个数值中的最小值。因此，该方程对于修正过的分布导致：

（7）。

关于电阻、电感和品质因数的最小匝线宽度的引入效果示出在图12A-C中。特别对于的小数值，其中，所述匝线集中在外边缘处，可以看到更大的最小匝线宽度的显著改进。

水平轴代表拟合参数的增量。

相比于具有相等匝线分布 R/Req的参考线圈，图12A 的垂直轴代表电阻。

相比于具有相等匝线分布L/Leq 的参考线圈，图12B 的垂直轴代表感应性。

相比于具有相等匝线分布Q/Qeq的参考线圈，图12C 的垂直轴代表品质因数。

使用在最优拟合参数 = 0.21处的最小匝线宽度w_min=0.2, 品质因数从30%的参考值提高到70%参考值。w_min=0.5的最小宽度甚至将品质因数提高到了参考值的90%。

对磁场的效果示出在图13中。

水平轴表示径向位置r/Rout。

垂直轴表示磁场H。

如在图中能看到的，在线圈的中心部分中的磁场几乎不受到修正匝线分布的影响。

曲线131描绘了具有可变电流密度的线圈的得到的磁场。

曲线132描绘了具有可变匝线宽度的线圈的得到的磁场。

曲线133描绘了具有根据方程7来分布的匝线宽度的线圈的得到的磁场。曲线133在轨迹w_min的最小宽度方面不同。增加最小匝线宽度导致在线圈的外边缘处的磁场的不那么陡峭的“边缘”。如可以看到的，最小匝线宽度w_min=0.5导致在外边缘处的并不期望的退化的宽区域。然而，在最小匝线宽度w_min=0.2处的磁场几乎不示出与最优分布的磁场的差别。

结论是，相比于具有相等匝线分布的参考线圈，最小匝线宽度w_min=0.2可以将平面PCB线圈的品质因数从参考线圈的30%提高到参考线圈的70%，且对于磁场的均匀性仍然给出好的结果。

示例性实施例和测量

基于这些考虑，制造了传送器和接收器线圈。

所述接收器线圈具有八个匝线且直径为10cm。它们的位置使用修正后的分布拟合函数（7）来计算。得到的几何尺寸列在表1中。传送器线圈更小。其具有4.4 cm的直径，如果若干传送器线圈布置在六边形阵列中，则接收器总是完全覆盖一个传送器线圈。传送器线圈还具有不相等地间隔的匝线，其进一步提高了耦合均匀性。

表1：绞合电线线圈的几何性质。

图14 I和II示出了这两个线圈（曲线B）的耦合模拟。图14II示出了两个线圈的径向位移的耦合系数。在图14I中，绕组布局是可视化的。此外，对具有恒定匝线分布的四个不同的传统接收器设计进行比较。在27mm处的垂直线标记了相关范围，其中，两个线圈完全重叠。清楚地，所选择的绕组设计在所有设计中具有的最均匀的耦合。

图15示出了在不同垂直距离z处的有关测量结果。在距离5mm处所测量的曲线可以与图14中的模拟相比较。清楚地，可以看到好的一致性。耦合系数是非常恒定的，直到27mm的位移，其标记了工作的相关范围。

传送器阵列

为了扩大工作范围，许多传送器单元（cell）可以布置为阵列。

优选地，以总是有至少一个传送器线圈被接收器线圈覆盖的方式布置它们。规则的六边形布置具有每面积最小数量的传送器线圈，以便对于给定的接收器的尺寸达到这种条件。因此，其是优选的。对于该布置，接收器线圈和传送器线圈的尺寸比应当是最大1:0.464。

为了允许传送器单元之间存在绝缘间隔，该比例对于示范产品应稍微减小。接收器线圈的直径被指定为10cm，且传送器线圈直径设计为4.4 cm。

图16A示出了三个传送器线圈 Txl、Tx2和Tx3的布置以及与该传送器线圈耦合的接收器线圈Rx。接收器线圈Rx 根据方程7来设计，然而，传送器线圈包括间隔相等的匝线分布。根据以上的解释，无论传送器线圈Txl、Tx2和 Tx3 是如何设计的（是相等的匝线分布或者不相等的匝线分布），接收器线圈都可以在由三个传送器线圈所限定的区域中自由地移动，即，只要其覆盖三个传送器线圈中的任一个而具有均匀功率接收，接收器线圈就可以任意定位。

如果接收器沿着图16A的布局中所示出的路径移动，图16B示出了从所述三个传送器线圈中的每一个到接收器线圈的耦合电感（做为对耦合系数的量度）。如果两个或三个传送器是激活的，则其还示出了叠加。如果总是只有一个传送器线圈被激活，且所述传送器线圈还必须完全地定位在接收器线圈下，则这就相当于将蓝色曲线切换成绿色曲线。那么，该图示出非常均匀的耦合可以在更大区域上方获得。通过增加更多的线圈，可以任意地延伸相关的工作区域。

应用

本发明可以用在许多不同的应用中。例如，想象具有接收器线圈的灯，所述接收器线圈需要来自配备有Tx线圈阵列的地板、墙壁或天花板的功率。制造具有Tx 线圈且Tx 线圈具有最优的匝线分布的这些大的区域也许是不可能的。那么，所述灯可以具有带着如根据本发明的特别的匝线分布的更精密的接收器，并且这允许所述灯在任意位置的非常均匀的光输出，而不需要专门的功率控制。

其他的应用实例是充电的垫子或区域、笔记本电脑、厨房和浴室电器中的接收器。

无核环路的磁场

对于中心在z轴上的单圆形环路，轴向磁场强度H_z是：

其中：

I=环路中的电流

a=环路的半径

r = 点的径向位置

z= 点的轴向位置。

K（k）是第一类的椭圆积分：

（9）。

E（k）是第二类的椭圆积分：

（10）

并且辅助函数k定义为：

（11）。

计算来自电流密度分布的匝线分布

为了将电流分布匹配到匝线分布，使用以下的算法：

首先，每匝线的电流I_turn是根据在相等匝线分布中的所有电流I_（）的总和来计算：

其中，N_i是电流匝线的数量，并且N_w是分布匝线的数量。为更进一步，参考图4。为了确定匝线w的宽度，电流密度乘以小x，并与x总计为宽度。如果所有的小电流的总和等于一个匝线I_turn所需要的电流，则就可以达到匝线w的必需宽度。然后，在宽度w上总计的相同的电流就流进分布匝线线圈的匝线中和间隔相等的结构的匝线（或部分匝线）中。如进一步近似的，得到的匝线可以假设为无限细，具有在平面匝线的中心中的位置。

总结算法的思想：将电流分布到具有可变宽度的匝线上，直到有一个匝线具有正确的电流量。

此算法的思想可以被制定，以使可以采用不小的x步长，但计算总和直至结构的边缘。此方法导致以下算法，如在MathCad中所实现的：

变量：

I_w=每匝线的电流

i = 具有可变电流的匝线的指数

j = 具有可变宽度的匝线的指数

I_{w_aux} = 剩余电流至属性的辅助变量

w_{w_aux} =计算的匝线的实际宽度的辅助变量。

虽然本发明已经结合一些实施例进行了描述，但是其并不旨在限定于本文所提出的特定形式。此外，虽然似乎可以结合特定实施例来描述特征，但是，本领域的技术人员将了解，可以根据本发明将所描述的实施例的各种特征结合起来。在权利要求中，术语“包括”不排除其他元件或步骤的出现。

此外，虽然单独的特征可以包括在不同的权利要求书中，但是这些可能可以最优地结合，包括在不同权利要求中并不暗指所特征的结合不是可行的和/或有利的。特征包含在一类权利要求中并不暗指限制该类别，而是指示该特征视情况也适用于其它权利要求类别。此外，权利要求书中的特征的顺序并不暗指任何特定的其中所述特征必须工作的顺序，且特别地，方法权利要求的单独步骤的顺序并不暗指所述步骤必须按照这样的顺序来执行。相反，步骤可以以任何适当的顺序来执行。此外，单数的提述并不排除多个，因此，提述“一”、“一个”、“第一”、“第二”等时并不排除多个。在权利要求中的附图标记仅提供为阐明实例，不应以任何方式理解为限定权利要求的范围。

Claims

1.一种使用在接收装置中用于感应地接收来自传送装置的功率的平面接收器线圈，所述接收器线圈旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。

2.根据权利要求1所述的接收器线圈，其中，在所述接收器线圈的外部分处的绕组匝线被相等地分布。

3.根据权利要求1所述的接收器线圈，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线集中在所述接收器线圈的外边缘处。

4.根据权利要求1所述的接收器线圈，其中，在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线被相等地分布。

5.根据权利要求1所述的接收器线圈，其中，绕组匝线从所述接收器线圈的中心到所述接收器线圈的外边缘逐渐地密集。

6.根据权利要求1所述的接收器线圈，其中，绕组匝线根据以下算法被分布：

Figure 201180026470X100001DEST_PATH_IMAGE001

其中，r（i）是具有指数I的匝线的匝线位置，

N是匝线的数量，

_w是拟合参数，其可以被调整以将曲线拟合到最优化的匝线分布，

R_out是所述线圈的外半径。

7.根据权利要求1所述的接收器线圈，其中，绕组匝线根据以下算法进行分布，

其中，r（i）是具有指数I的匝线的匝线位置，

N是匝线的数量，

i_w是拟合参数，其可以被调整以将曲线拟合到最优化的匝线分布，

R_out是所述线圈的外半径，

W_min是最小匝线宽度。

8.根据权利要求1至7的任一项所述的接收器线圈，其中，所述绕组匝线由绞合线制成。

9.根据权利要求1至8的任一项所述的接收器线圈，其中，所述绕组匝线由在印刷电路板中的导电匝线制成。

10.一种用于感应地接收来自传送装置的功率的接收装置，其包括旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合的平面接收器线圈，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。

11.一种系统，其包括传送装置和接收装置，其中：

- 所述接收装置包括旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合用于感应地接收来自所述传送装置的功率的平面接收器线圈，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集；

- 所述传送器线圈比所述接收器线圈小。

12.一种系统，其包括传送装置和接收装置，其中：

- 所述传送装置具有传送器线圈阵列；

所述接收装置包括旨在与所述传送线圈阵列中的至少一个传送器线圈耦合用于感应地接收来自所述传送装置的功率的平面接收器线圈，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集；

- 在所述阵列中的各传送器线圈比所述接收器线圈小。

13.在接收装置中的平面接收器线圈的用途，用于感应地接收来自传送装置的功率，所述接收器线圈旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。