CN103427503A - 低频透射式电力传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线电力传输，特指一种能够透过金属介质无线传输电力的低频透射式电力传输装置。手机无线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
本发明涉及无线电力传输，特指一种能够透过金属介质无线传输电力的低频透射式电力传输装置。
背景技术
无线电力传输是当今热门推广的实用技术之一，手机和电动汽车的无线充电为其应用的重点领域。以手机无线充电为例，如今已有多家公司的手机产品采用了无线充电技术，其工作原理为：安置于无线充电适配器中的电力发送线圈与安置于手机背壳中的电力接收线圈平行对齐状态下，电力接收线圈通过电磁感应获取电力发送线圈传送的交流磁场能量，并将生成的交流电力转换为直流电力后对手机或其它电子设备无线充电。由于无线充电具有安全性高(没有电气接触带来的诸多弊端)和使用方便(随意地把手机放在无线充电适配器上便能自动充电)的特点，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，并且呈现为较大面积的平板线圈(例如，Qi标准中用于发送电力的A1型线圈的面积达到1500mm2)。此外，交流磁场能量的频率规定为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部件(即感应充电适配器的面板和手机的背壳)就不能使用导电的金属材料来制作。原因在于有着较大面积的电力发送线圈和相对较高工作频率的交流磁场，会在金属部件中产生严重的电涡流，从而带来极大的能量消耗并导致产生高温。例如，有着类似大面积扁平励磁线圈和交流磁场频率为50KHz左右的电磁炉，所放置的平底锅(利用电涡流)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(如苹果公司生产的iPhone手机)则采用金属材料作为手机背壳，因此，按照Qi标准生产的无线感应充电产品将无法对这类手机实施无线充电。
金属材料在交流磁场中除了因电涡流消耗一部分能量外，部分能量则能够穿透一定厚度的金属材料，根据该特性，将交流磁场用于金属材料的检测早已获得应用。例如，一种称为低频透射式涡流检测传感器的产品。其利用较低频率的交流磁场能量，通过穿透金属材料的方式自动检测生产线上的金属板材厚度或产品外表缺陷，并且根据有关厂商的这类检测产品的规格书介绍，检测金属板材的厚度可高达100mm以上。其工作原理是在被检测金属板材的两面，分别安置磁场激励线圈和信号接收线圈；当低频(音频)电压加到磁场激励线圈的两端后，磁场激励线圈便会产生交流磁场，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，还与金属板材的其它因素有关)。
电涡流在金属板中的穿透深度由下列函数式表示：
Figure BSA0000094991990000021
(cm)，其中h＝电涡流穿透深度(cm)；ρ＝导体电阻率(Ω·cm)；μr＝导体相对磁导率；f＝交流磁场频率(Hz)；k＝常数(5030)。根据该函数式计算结果的图表(注：未图示)显示，在选定金属材料(即电阻率ρ和相对磁导率μr为固定参数值)的情况下，交流磁场频率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，而交流磁场频率f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流磁场信号，但其设计以收集微弱的检测信号为目的，其中的磁场激励线圈/信号接收线圈的结构配置(即线圈尺寸大小)、安置方式(即磁场激励线圈/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(如数瓦级别或以上功耗的电子设备)工作或给专用电池(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介质传输上述描述的驱动电力的无线电力传输装置，并有效克服Qi标准的无线充电产品无法对金属背壳手机实施无线充电的难题。
透过金属材料以无线方式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流磁场能量(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)便能够大幅减少面积A，因而有效减少电涡流形成面积。
2、选择适合的激励交流磁场频率，增加交流磁场能量透过特定金属材料的能力。例如，选择具有穿透50mm以上厚度的预选定金属板材的交流磁场频率(如2000Hz)，当该交流磁场能量穿透通常只有0.5mm壁厚的手机金属背壳时，其中大部分磁场能量便得以保留并传送到预定的电力接收线圈。
3、选择具有较高电阻率和相对磁导率低的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，既能有效减少电涡流密度，还能进一步降低被手机背壳傍路损失(即磁路短路)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电磁谐振电路，并谐振于电力发送线圈输出的交流磁场频率，提高交流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直流电能转换为预定频率的交流磁能，并经由预定发送端口向外输出；隔离器，所述隔离器由预选定金属或金属合金材料构成，并被定形为预定形状；接收器，所述接收器被配置为在使用状态下由预定接收端口隔离于所述隔离器与所述发送端口对接，以磁场耦合和电磁谐振方式接收所述交流磁能，继而将所述交流磁能转换为直流电能。
这样一来，本发明的电力传输装置便能够通过设置适合的交流磁场频率，和选择有利于减少电涡流损耗的金属或金属合金材料来实现无线电力传输，并结合电磁谐振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数据通讯。
这样一来，本发明的电力传输装置除了能够透过金属介质以无线方式传输电力外，还能同时实现数据通讯，满足电力传输过程中的智能控制需要。
本发明的第三个方面是在上述第一个方面所述的电力传输装置中，其中所述预定频率为20KHz以下中的任意频率。
这样一来，本发明的电力传输装置便可根据被穿透金属介质的属性(如金属材料的电阻率、相对磁导率和材料厚度等参数)，和电力传输功率大小的需要来选择适合的交流磁场频率。
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，其中所述发送端口包含至少一个磁能发送磁芯，其中所述磁能发送磁芯的两端磁路末端嵌入所述发送端口中。
这样一来，本发明的电力传输装置中的传送器便能够将交流磁能以高磁通密度的方式向外输出，并因此减少金属隔离器上的电涡流形成面积。
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，其中所述接收端口包含至少一个磁能接收磁芯，其中所述磁能接收磁芯的两端磁路末端嵌入所述接收端口中。
这样一来，本发明的电力传输装置中的接收器便能够以高磁通密度的方式接收由传送器传送的交流磁能，并因此减少金属隔离器上的电涡流形成面积。
本发明的第六个方面是在上述第四个方面和第五个方面所述的电力传输装置中，其中所述隔离器间隔于所述发送端口和所述接收端口部位的壁厚，小于所述磁能发送磁芯和所述磁能接收磁芯的两端磁路末端之间的距离。
这样一来，本发明的电力传输装置便能够保证更多的交流磁能顺利地透过金属隔离器传输，并减少磁能发送磁芯的两端磁路末端间的自耦合漏磁损耗。
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，其中所述隔离器与所述传送器或/和所述接收器在物理形态上组合为一体，并构成所述传送器或/和所述接收器的整体外壳或部分外壳中的至少一个。
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，将隔离器与传送器或/和接收器进行多种组合。
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透过金属介质实现无线充电的工作原理示意图。
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，其既可以是传送器10的外壳部件，也可以是接收器20的外壳部件。
在发送器10中，变换器14将直流电源16(即由未图示的内置电池或外部电源适配器提供的直流电力)转换为频率低于20KHz内的预定频率(如3KHz)的交流电力，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的频率上。经电磁转换，在第一磁芯11中便会产生3KHz频率的交流磁场，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流磁能，并因3KHz的交流磁场频率具有较深的金属穿透能力，以及隔离器30由具有较高电阻率和低磁导率的304不锈钢构成，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，传送器10中的第一端口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，并分别与传送器10中的第一端口11a和第二端口11b构成磁耦合对接状态，即由第一磁芯11和第二磁芯21共同构成间隔于隔离30的闭合导磁回路。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，并由于隔离器30的低磁导率特性，第一端口11a和第二端口11b之间的自耦合漏磁会很少，使得大部分磁通量能够顺利耦合至第二磁芯21中。
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，大部分的交流磁能将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中产生相应的交流电力。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输出的交流磁场频率(即3KHz)，进一步提高了交流磁场能量的传输效率。因此，整流器24能够接收更多的交流电力，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将调制后的交流磁能耦合传输到接收器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传送器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的加/卸载变化来向传送器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的加/卸载变化，使得传送器10输出功率同步波动。这样一来，第一通讯器15便能够依据传送器10输出功率的波动变化产生对应的解调数据，以负载反馈方式实现数据的反向通讯。
虽然本实施例中列举了交流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，给未图示的通讯线圈施加包含数据信息的电压信号，未图示的霍尔传感器便能透过隔离器30感应接收未图示的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以串联谐振的方式为例子。除此之外，也可以选择将第一线圈12和第一电容13并联的谐振电路连接方式。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以并联谐振的方式为例子，除此之外，也可以在第二线圈22和第二电容23之间串联未图示的贮能电容，共同构成串并联谐振的方式。
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相互耦合为例子。除此之外，也可以采用其它任意结构形状的磁芯相互耦合的方式。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相互耦合为例子。除此之外，也可以采用多个磁芯(即磁芯阵列)分别相互耦合对接的方式。
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，也可以选择其它低磁导率的金属(如铜、铝)或低磁导率合金(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还可以选择由较高磁导率的金属(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输出的磁通量傍路较少，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，以此来减少其对第一磁芯11输出磁通量的磁路短路损耗。
虽然本实施例中列举了隔离器30为独立结构的形式存在为例子，在实际应用中，隔离器30可以与传送器10或/和接收器20组合为一体，即隔离器30既可以是传送器10的外壳部件或部分外壳部件，也可以作为接收器20的外壳部件或部分外壳部件。
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子，除此之外，也可根据需要让第一磁芯11或/和第二磁芯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，虽以手机无线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，无线传送所需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，其内置各种传感器，利用传送器10便能够向未图示的金属容器中的电子设备提供无线电力支持，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具中，传送器10便能无线方式透过全金属的锁体传送所需的电力和开锁密码，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(如手机无线充电适配器)，也可以是手持式结构(如便携式开锁器)。
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合理诉求。

Claims (7)

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直流电能转换为预定频率的交流磁能，并经由预定发送端口向外输出；
隔离器，所述隔离器由预选定金属或金属合金材料构成，并被定形为预定形状；
接收器，所述接收器被配置为在使用状态下由预定接收端口隔离于所述隔离器与所述发送端口对接，以磁场耦合和电磁谐振方式接收所述交流磁能，继而将所述交流磁能转换为直流电能。
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数据通讯。
3.根据权利要求1所述的电力传输装置，其中所述预定频率为20KHz以下中的任意频率。
4.根据权利要求1和权利要求2所述的电力传输装置，其中所述发送端口包含至少一个磁能发送磁芯，其中所述磁能发送磁芯的两端磁路末端嵌入所述发送端口中。
5.根据权利要求1和权利要求2所述的电力传输装置，其中所述接收端口包含至少一个磁能接收磁芯，其中所述磁能接收磁芯的两端磁路末端嵌入所述接收端口中。
6.根据权利要求4和权利要求5所述的电力传输装置，其中所述隔离器间隔于所述发送端口和所述接收端口部位的壁厚，小于所述磁能发送磁芯和所述磁能接收磁芯的两端磁路末端之间的距离。
7.根据权利要求1和权利要求2所述的电力传输装置，其中所述隔离器与所述传送器或/和所述接收器在物理形态上组合为一体，并构成所述传送器或/和所述接收器的整体外壳或部分外壳中的至少一个。
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Application publication date: 20131204