CN103346623A

CN103346623A - 低频透射式电力传输装置

Info

Publication number: CN103346623A
Application number: CN2013102938638A
Authority: CN
Inventors: 曾超宁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明涉及电力传输，特指一种能透过金属，以电磁感应传输具备驱动预选定电子设备工作，或给预选定电池充电的驱动电力的电力传输装置。手机无线感应充电是当今热门的应用技术之一，但传统的无线充电产品由于其电力发射线圈投射输出的交变磁场面积大且频率高，导致其无法对金属背壳手机无线感应充电。因此，本发明的目的在于提供一种低频透射式电力传输装置，它不但能够满足对金属背壳手机的无线感应充电要求，还可广泛适用于需要透过金属装置，或金属部件以无线感应方式传送驱动电力的其它应用项目。

Description

低频透射式电力传输装置

技术领域

本发明涉及电力传输，特指一种能够透过金属，以电磁感应传输具备驱动预定电子设备工作，或给预定电池充电的驱动电力的电力传输装置。

背景技术

电力的无线感应传输是当今热门推广的应用技术之一，如手机无线感应充电。其工作原理为：安置于感应充电座中的电力发送线圈与手机背壳中的电力接收线圈平行对齐，电力接收线圈通过电磁感应获取电力发送线圈传送的交变磁场能量，并将感应生成的交流电力转换为直流电力，以对手机或其它电子设备无线感应充电。充电过程既安全(没有电气接触带来的诸多弊端)，而且操作方便(将手机随手放在充电座上便能充电)，日益受到广大使用者的欢迎。

然而，按照无线充电联盟(Wireless Power Consortium)制订的无线充电标准(注：Qi标准)，电力发送线圈和电力接收线圈的尺寸和形状都有规定格式，且为大面积的平板线圈(如其中发送电力的A1型线圈的面积达到1500mm²)。此外，交变磁场能量的频率也规定在110KHz～205KHz之间。这样一来，作为电力发送线圈和电力接收线圈之间的隔离材料(即感应充电座面板和手机背壳)就不能使用导电的金属或金属合金材料。因有着较大面积的电力发送线圈和相对较高工作频率的交变磁场，会在金属导体中产生严重的电涡流损耗(如交变磁场频率为50KHz左右的电磁炉，激励平底锅感应电涡流生成的热量足以用来烹饪各种食物)。

就目前而言，许多高档手机(如iPhone手机)已采用金属材料作为手机背壳，按照Qi标准生产的无线感应充电产品，则无法对这类手机实施感应充电。

其实，利用交变磁场穿透金属材料在检测技术领域早已获得应用。例如，一种称为低频透射式涡流检测传感器，就是利用较低频率的交变磁场穿透金属材料检测生产线金属板材的厚度。根据产品厂商的规格书介绍，所检测的金属板材厚度可达100mm。其工作原理是在被检测金属板材的两面，分别安置激励线圈和信号接收线圈；当低频(音频)电压加到激励线圈的两端后，激励线圈便会产生交变磁场，并在金属板中产生电涡流，这个涡流损耗了部分磁场能量，使得贯穿信号接收线圈的磁力线减少，从而使信号接收线圈产生的感应电势减少。金属板材的厚度越大，涡流损耗的磁场能量也越大，感应电势就越小。信号接收线圈感应电势的大小就间接反映了金属板材厚度的大小(注：金属板材中产生的电涡流的大小，还与金属板材的通讯电阻率有关)。

电涡流在金属板中的穿透深度由下列函数式表示：

(cm)，其中h＝电涡流穿透深度(cm)；ρ＝导体通讯电阻率(Ω·cm)；μ_r＝导体相对磁导率；f＝交变磁场频率(Hz)；k＝常数(5030)。该函数式表明，在选定金属材料(即通讯电阻率ρ和相对磁导率μ_r为固定参数值)的情况下，交变磁场频率f在音频范围内随着频率的增大，电涡流的穿透深度h将大幅度变小(注：f值在音频范围外增大时，h值的变化则相对平缓)。

低频透射式涡流检测传感器虽然能够穿透金属板材传送交变磁场信号，但其设计以收集微弱的检测信号为目的，其中的激励线圈/信号接收线圈的结构配置(即线圈尺寸大小)、安置方式(即激励线圈/信号接收线圈间隔于被检测金属板材的安置距离)，和电路配置(即仅用于放大和处理检测信号)，均不适用于传输具备驱动特定电子设备(如数瓦级别功耗的电子设备)工作或给电池(如手机电池)充电的驱动电力。

发明内容

因此，本发明根据上述要求，目的在于提供一种能够穿透金属并传输上述描述的驱动电力的装置，以克服Qi标准的无线感应充电产品无法对金属背壳手机充电的难题。

透过金属材料以无线感应传输所述驱动电力可以采取以下多项措施：

1、减少电力发送线圈的外径，同时使用高磁导率和高磁感度磁芯增强和聚集交变磁场能量(即增大单位面积的磁通密度)。根据圆面积公式A＝πr²得知，减少电力发送线圈的外径d(d＝2r)便能够大幅减少电涡流形成的面积A，因而有效减少电涡流损耗。

2、选择适合的激励交变磁场频率，增加交变磁场能量透过金属材料的能力。例如，选择具有穿透50mm以上厚度的预选定金属板材的交变磁场频率(如1000Hz)，当该交变磁场能量穿透通常只有0.5mm壁厚的手机金属背壳时，其中的大部分磁场能量便能够传送到电力接收线圈。

3、选择具有较高通讯电阻率和非(低)导磁金属或金属合金材料作为手机背壳材料，例如，奥氏体304不锈钢合金和钛合金，既有效减少电涡流密度，还能降低被手机背壳傍路损失的磁通能量。

4、电力发送线圈和电力接收线圈与被穿透的金属介质层面紧贴接触，减少空气间隙形成的空气磁阻。

5、以谐振方式传输电力，电力接收线圈与贮能电容器构成谐振电路，并谐振于电力发送线圈输出的交变磁场频率，提高交变磁场能量的传输效率。

本发明的第一个方面在于提供一种低频透射式电力传输装置，包括：传送器，所述传送器被配置为将预定频率的交流电力，经由至少一个高导磁磁芯的两个发送端口以交变磁能的方式向外输出；隔离器，所述隔离器由预定金属或金属合金材料构成，并设计成预定形状；接收器，所述接收器被配置为在使用状态下，由预先设置的至少一个高导磁磁芯的两个接收端口，间隔至少一个所述隔离器与所述发送端口分别耦合对接，以构成闭合的导磁回路，并谐振于所述预定频率接收所述交变磁能，继而将所述交变磁能感应生成的交变电力，转换为足以驱动预定电子设备工作或供预定电池充电的直流电力。

这样一来，本发明的电力传输装置便能够通过减少电涡流形成的面积，和以高磁通密度的能量传输方式来减少电涡流损耗，并结合谐振传输措施进一步提高电力传输效率。

本发明的第二个方面是在上述第一个方面所述的电力传输装置中，进一步包括通讯器，所述通讯器被配置用于所述传送器和所述接收器之间建立数据通讯。

这样一来，本发明的电力传输装置除了能够无线感应传输电力外，还能同时实现数据通讯，满足充电过程的智能化管理需要。

本发明的第三个方面是在上述第二个方面所述的电力传输装置中，其中所述数据通讯包括对所述交流电力的调制通讯、负载反馈通讯、红外线通讯、射频通讯、电磁感应通讯和近场通讯中的至少一种。

这样一来，本发明的电力传输装置便可根据应用项目的需要，选择不同类型的数据通讯模式。

本发明的第四个方面是在上述第一个方面和第二个方面所述的电力传输装置中，其中所述预定频率为10KHz以下频率中的任意频率。

这样一来，本发明的电力传输装置便能够根据手机金属背壳的材料属性(如磁导率和通讯电阻率)，和结构形状(如金属背壳的厚度)，以及电力传输功率的需求选择适合的交变磁场频率。

本发明的第五个方面是在上述第一个方面和第二个方面所述的电力传输装置中，其中所述发送端口间距和所述接收端口间距，均大于所述隔离器中间隔于所述发送端口与所述接收端口之间隔离部件的壁厚。

这样一来，本发明的电力传输装置中的电力发送线圈，便能够将更多的交变磁场能量耦合传送到电力接收线圈，并减少发送端口和接收端口间的自耦合漏磁损耗。

本发明的第六个方面是在上述第五个方面所述的电力传输装置中，其中所述隔离部件因所述交变磁能产生的反向磁通量，与傍路于所述发送端口间的磁通量之和远小于所述发送端口输出的磁通量。

这样一来，本发明的电力传输装置便能够根据手机金属背壳的磁导率、通讯电阻率和壁厚等参数来选择交变磁场能量输出功率的大小，以保证将足够的电力传送到被充电手机。

本发明的第七个方面是在上述第一个方面和第二个方面所述的电力传输装置中，其中所述传送器的外形结构包括手持式结构和固定安置式结构。

这样一来，本发明的电力传输装置便能够根据应用项目的需要，配置不同外形结构的传送器。例如，固定安置式结构的传送器适用于手机感应充电座，而手持式结构的传送器适合作为电子锁的便携式开锁器。

本发明的第八个方面是在上述第一个方面和第二个方面所述的电力传输装置中，其中所述隔离器可作为传送器或/和所述接收器的整体外壳或部分外壳。

这样一来，本发明的电力传输装置中的传送器或/和接收器便能够依据不同的应用项目的需要，配置不同结构类形的隔离器。例如，隔离器既可以以部分外壳的形式存在(如手机背壳)，也可以以整体外壳的形式作为其它电子设备的壳体(如电子锁壳体)。

附图说明

以下参考附图进行详细描述，使本发明的上述目的、特征和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是作为说明本发明实施例的电力感应传输原理及相关电路配置的示意图。

具体实施方式

以下，参考附图并详细描述本发明的优选实施例。应当理解详细描述和指示发明的优选实施例，仅打算用于示例性的目的而并不意味着对本发明的范围进行限制。同时，为避免模糊本发明的主题，省略了对本技术领域公知的结构或处理的详细描述。

如图1所示的实施例的低频透射式电力传输装置100，分别由传送器10、接收器20和隔离器30共同组成；其中传送器10包含如图所示的第一磁芯11、第一线圈12、第一电容13、变换器14、第一通讯器15和直流电源16；其中接收器20包含如图所示的第二磁芯21、第二线圈22、第二电容23、整流器24、第二通讯器25、通讯电阻26和电池27；其中隔离器30由奥氏体304不锈钢构成，并设计成薄壁结构形状。

在发送器10中，变换器14将直流电源16(即由电池或电源适配器构成的直流电源)转换为频率低于10KHz的预定频率(如3KHz)的交变电力，并经由第一电容13耦合至第一线圈12，其中第一线圈12与第一电容13构成串联谐振电路，共同谐振在3KHz的频率。根据电磁感应原理，在第一磁芯11中产生相同频率的交变磁场，其中第一磁芯11由高磁感应强度和高磁导率的磁芯(如矽钢片磁芯、玻莫合金磁芯、非晶磁芯、超微晶磁芯和铁氧体磁芯中的任何一种具有高导磁特性的磁芯)构成，并采用小横截面积的芯体结构。因此，第一磁芯11中的第一端口11a和第二端口11b能够向外输出高磁通密度的交变磁场能量，并因3KHz的交变磁场频率具有较深的金属穿透能力，以及隔离器30具有较高的电阻率，在隔离器30上因电涡流生成的反向磁通量将远小于第一磁芯11输出的磁通量。

在使用状态下，第一端口11a和第二端口11b与隔离器30紧贴接触，以减少空气间隙造成的空气磁阻。同时，接收器20中的第二磁芯21的第三端口21a和第四端口21b也与隔离器30的另一面紧贴，并分别与第一端口11a和第二端口11b构成磁耦合对接状态。此外，由于第一端口11a与第二端口11b之间的距离d1(注：第三端口21a与第四端口21b之间的距离也等于d1)，远大于隔离器30中间隔于第一端口11a与第三端口21a之间的壁厚d2，使大部分磁通量能够顺利耦合至第二磁芯21。

综合上述措施，隔离器30傍路损失的磁通量与隔离器30因电涡流生成的反向磁通量之和远小于第一磁芯11输出的总磁通量(注：非导磁的隔离器30傍路损失的磁通量很少)，大部分的交变磁场能量将能够传送至由高导磁材料构成的第二磁芯21中，并在第二线圈22中产生相应的交变电力。又因第二线圈22与第二电容23共同构成谐振电路，并谐振于第一磁芯11输出的交变磁场频率(即3KHz)，进一步提高了交变磁场能量的传输效率。因此，整流器24能够接收更多的交变电力，并转换为直流电力后对电池27充电。

虽然本实施例中列举了将接收器20输出的直流电力向电池27充电为例子。除此之外，也可以将接收器20输出的直流电力，用于向其它未图示的电子电路或电子设备提供电力支持。

在电力传输的过程中，第一通讯器15输出的数据信号，能够对变换器14产生的交流电力进行调制，并经由第一磁芯11将调制后的交变磁场能量耦合传输到接收器20，继而由接收器20中的第二通讯器25进行数据解调。另外，接收器20还能够将通讯数据反向传输到发送器10中，即在接收器20预先获得传送器10输出的电力支持下，第二通讯器25通过控制通讯电阻26的通断变化来向传送器10传输数据。其原理为：第二通讯器25按照预定通讯协议控制呈现为较大负载特性的通讯电阻26的通断变化，使得传送器10输出功率同步发生变化。这样一来，第一通讯器15便能够依据传送器10输出功率的变化产生对应的解调数据，即以负载反馈的方法实现数据通讯。

虽然本实施例中列举了交变电力的调制通讯和负载反馈通讯为例子。除此之外，也可以根据应用项目的需要，选择其它的数据通讯模式。例如，在接收器20中的预定位置，安置未图示的霍尔传感器，同时在传送器10中的预定位置，安置未图示的通讯线圈，给通讯线圈施加包含数据信息的电压信号，霍尔传感器便能透过隔离器30感应接收通讯线圈发送的电磁信号，实现电磁感应通讯。进一步地，还可以根据应用项目的需要，选择其它如红外线通讯、射频通讯和近场通讯中的任何一种数据通讯模式。

虽然本实施例中列举了传送器10中的第一线圈12与第一电容13以串联谐振电路的电气连接方式为例子。除此之外，也可以选择将第一线圈12和第一电容13以并联谐振电路的电气连接方式。再有，虽然本实施例中列举了接收器20中的第二线圈22与第二电容23以并联谐振电路的电气连接方式为例子，除此之外，也可以在第二线圈22和第二电容23之间串联接入未图示的贮能电容，以构成串并联谐振的电气连接方式。

虽然本实施例中列举了以U形结构的第一磁芯11和第二磁芯21为例子。除此之外，也可以采用其它任意结构形状的磁芯来替代第一磁芯11和第二磁芯21。再有，虽然本实施例中列举了由单一的第一磁芯11与单一的第二磁芯21间接耦合对接传送交变磁场能量为例子。除此之外，也可以采用多磁芯(即磁芯阵列)分别耦合对接传送交变磁场能量的方式。

虽然本实施例中的隔离器30以奥氏体304不锈钢合金为例子。除此之外，也可以选择其它非导磁金属(如铜、铝)或非导磁合金(如不含铁、镍元素的钛合金)作为隔离器30使用。进一步地，隔离器30还可以选择由导磁金属(如铁、镍和其合金)材料制成，其使用条件必须满足其对第一磁芯11输出的磁通量傍路小，换言之，可将隔离器30中隔离于第一磁芯11和第二磁芯21之间部位的壁厚制成更薄(即采用更小的横截面积减少傍路磁通损失)。

虽然本实施例中列举了接收器20与部分壳体形状的隔离器30整合的配置形式为例。除此之外，接收器20也可以安置在有整体外壳形状的金属壳中(隔离器30以整体外壳的结构形式存在)。进一步地，还可以根据需要设置另外一个未图示的隔离器用作传送器10的外壳或部分外壳，使得传送器10透过两个隔离器来向接收器20传送电力。

虽然本实施例列举了将第一磁芯11和第二磁芯21紧贴隔离器30的紧密耦合的电力传输方式为例，除此之外，也可根据需要使第一磁芯11或第二磁芯21与隔离器30保留少量空气间隙的电力传输方式。这将有利于传送器10与接收器20在传输电力的过程中，两者存在相对运动关系的应用项目中。

本发明的低频透射式电力传输装置，虽以手机感应充电为例描述其特征和用途。除此之外，本发明还能够广泛应用在其它需要透过金属装置或金属部件，传送上述描述的驱动电力和数据的各种应用项目中。例如，将接收器20安置在未图示的金属密闭容器中，并配置相关的传感器，利用传送器10便能够向金属容器中的电子设备提供电力支持，并读取相关检测数据(如金属容器的内部压力、温度、和液体中的pH值等)；又例如，将接收器20安置在未图示的由金属外壳构成的无源电子锁中，传送器10便能以电磁感应方式向无源电子锁提供电力支持和开锁数据，实现开锁控制。因此，传送器10的外形结构既可以为固定式结构(如制作为手机感应充电座)，也可以是手持式结构(如制作为无源电子锁的便携式开锁器)。

通过以上实施例，已对本发明的低频透射式电力传输装置作了详细的说明，但上述实施例的讨论，不应当被理解为对本发明的权利要求限制为任何特定的实施例。通过上述实施例的详细描述，本领域的技术人员对本发明的各种修改将变得更加清楚和更加容易，因此，应当理解在其中进行的许多修改和改变，并不会背离本发明的权利要求中所提出的更广泛的合法诉求。

Claims

1.低频透射式电力传输装置，包括：

传送器，所述传送器被配置为将预定频率的交流电力，经由至少一个高导磁磁芯的两个发送端口以交变磁能的方式向外输出；

隔离器，所述隔离器由预选定金属或金属合金材料构成，并设计成预定形状；

接收器，所述接收器被配置为在使用状态下，由预先设置的至少一个高导磁磁芯的两个接收端口，间隔至少一个所述隔离器与所述发送端口分别耦合对接，以构成闭合的导磁回路，并谐振于所述预定频率接收所述交变磁能，继而将所述交变磁能感应生成的交变电力，转换为足以驱动预定电子设备工作或供预定电池充电的直流电力。

2.根据权利要求1所述的电力传输装置，进一步包括通讯器，所述通讯器被配置用于所述传送器和所述接收器之间建立数据通讯。

3.根据权利要求2所述的电力传输装置，其中所述数据通讯包括对所述交流电力的调制通讯、负载反馈通讯、红外线通讯、射频通讯、电磁感应通讯和近场通讯中的至少一种。

4.根据权利要求1和权利要求2所述的电力传输装置，其中所述预定频率为10KHz以下频率中的任意频率。

5.根据权利要求1和权利要求2所述的电力传输装置，其中所述发送端口间距和所述接收端口间距，均大于所述隔离器中间隔于所述发送端口与所述接收端口之间隔离部件的壁厚。

6.根据权利要求5所述的电力传输装置，其中所述隔离部件因所述交变磁能产生的反向磁通量，与傍路于所述发送端口间的磁通量之和远小于所述发送端口输出的磁通量。

7.根据权利要求1和权利要求2所述的电力传输装置，其中所述传送器的外形结构包括手持式结构和固定安置式结构。

8.根据权利要求1和权利要求2所述的电力传输装置，其中所述隔离器可作为传送器或/和所述接收器的整体外壳或部分外壳。