CN103814420A - 无线功率发送设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及无线功率发送设备及其方法。提供了一种无线功率发送设备，包括：第一谐振线圈、第一磁体和第二谐振线圈，其中第一谐振线圈利用AC能量供电，以生成磁场，第一磁体改变由第一谐振线圈生成的磁场的形式，第二谐振线圈与被第一磁体改变的磁场耦合，以接收AC能量，并且第一磁体部署在第一谐振线圈与第二谐振线圈之间。

Description

无线功率发送设备及其方法

对相关申请的交叉引用

本申请基于并要求于2011年9月14提交的在前日本专利申请号2011-201007的优先权权益，该申请的全部内容在此引入作为参考。

技术领域

一种实施例涉及无线功率发送设备及其方法。

背景技术

报告了把用于无线功率发送的线圈结合到设备中的技术。根据这个报告，磁体部署在功率发送线圈附近，具体地说，在功率发送线圈与部署导体组件的地点之间。当从功率发送线圈看时，功率接收线圈部署在与磁体不同的一侧。磁体这样部署，由此改变了磁力线的形式并且减少了作用在部署导体组件的地点上的磁力线。由此，涡流被抑制在用于部署的地点发生。涡流的发生造成能量的损失，因此，通过抑制涡流的发生，可以提高发送效率。即，能量可以有效地从功率发送线圈发送到功率接收线圈。

但是，利用上述配置，如果功率接收线圈和功率发送线圈方向改变，其结果是这些线圈不彼此面对，则虽然保持了抑制涡流发生的效果，但是从功率发送线圈到功率接收线圈的发送效率降低的问题出现了。

附图说明

图1是说明根据第一实施例的无线功率发送设备配置的图；

图2是说明线圈绕组轴与磁场如何变化的说明图；

图3是绘出根据第二实施例的无线功率发送设备配置的图；

图4是绘出根据第三实施例的无线功率发送设备配置的图；

图5是绘出根据第四实施例的无线功率发送设备配置的图；

图6是绘出根据第四实施例的无线功率发送设备另一种配置的图；

图7是说明频率之间的关系的说明图；

图8是绘出如何部署第一磁体的例子的图；

图9是绘出如何部署第一磁体的另一个例子的图；

图10是绘出如何部署第一磁体的再一个例子的图；

图11是绘出如何部署第一磁体的再一个例子的图；

图12是绘出第一磁体形状的例子的图；以及

图13是绘出第一磁体形状的另一个例子的图。

具体实施方式

根据一实施例，提供了一种无线功率发送设备，包括：第一谐振线圈、第一磁体和第二谐振线圈。

第一谐振线圈利用AC能量供电，以生成磁场。

第一磁体改变由第一谐振线圈生成的磁场的形式。

第二谐振线圈与被第一磁体改变的磁场耦合，以接收AC能量。

第一磁体部署在第一谐振线圈和第二谐振线圈之间。

在下文中，将参考附图描述实施例。

（第一实施例）

图1说明了根据第一实施例的无线功率发送设备。

作为大的组件，该无线功率发送设备包括功率发送外壳102和功率接收外壳108。功率发送外壳102和功率接收外壳108每个都可以解耦合并耦合到一起。但是，把功率发送外壳102和功率接收外壳108集成到单个单元中也不会造成任何不便。

作为内置的组件，功率发送外壳102具有以预定发送频率谐振的第一谐振线圈101。第一谐振线圈101从未说明的高频发生电路接收具有高频的交流电流（AC）能量供应，例如电力（能量），并且把该AC能量的一部分通过磁耦合发送到第二谐振线圈104。

在这里，第一谐振线圈101通过以线圈形式缠绕导体来配置。在这里，导体可以由单根电线或者一束多根电线或者通过把多根绝缘电线捆到一起形成的绞合线配置。

另外，线圈的形状可以通过以平面形式以及三维地缠绕来获得。还有，绕组模式可以涉及采用任意的外部形状，诸如圆形、椭圆形、矩形和六边形。

除第一谐振线圈101之外，功率发送外壳102还可以具有无线功率发送所需的任意内置组件，诸如电子电路和电池。

功率接收外壳108包括基部107和与基部107垂直的侧部105。

侧部105采取朝着第一谐振线圈101的绕组轴103延伸的形状。如在图2(A)中所说明的，线圈的绕组轴是与线圈面垂直并且通过线圈中心的轴。

侧部105具有作为内置组件的第二谐振线圈104。

第二谐振线圈104的绕组轴的方向与第一谐振线圈101的绕组轴的方向不同，其中这些方向彼此垂直。第二谐振线圈104以与第一谐振线圈101相同的方式配置。第二谐振线圈104通过与第一谐振线圈101的磁耦合接收AC能量，并且把AC能量发送到位于后级（rearstage）的未说明的设备。蓄电池用作位于后级的设备，在这种情况下，蓄电池利用AC能量的功率充电。

基部107部署成与功率发送外壳102相对（即，处于面对面的关系），并且具有作为内置组件的第一磁体106。第一磁体106部署在第一谐振线圈101与第二谐振线圈104之间。第一磁体106相对于第一谐振线圈101的一个边缘面部署成面对面的关系。第一磁体106相对于第二谐振线圈104的外部表面部署成面对面。第一磁体106用来增强第一和第二谐振线圈之间的磁耦合效率。随后将对其进行更深入的描述。

在这里，在与轴垂直地缠绕线圈的情况下，通过线圈边缘部分、与轴垂直并且与包含线圈的线圈内部区域一致的面被称为线圈的边缘面。

第一磁体106是具有相对磁导率μr大于“1”的属性的材料。第一磁体106可以是柔性磁性片并且也可以是铁氧体。可以使用任意磁性材料。

在这里，第一谐振线圈101和第二谐振线圈104以预定的频率谐振。在这里，谐振频率定义为在以下公式中从线圈的电感L和线圈的电容C计算出的频率。

fr=1/2π√(LC)

因而，第一磁体106部署在第一谐振线圈101和第二谐振线圈104之间，由此使得即使在第一谐振线圈101和第二谐振线圈104对应的边缘面没有相对于彼此部署成面对面的关系的情况下，也能增加发送效率。

具体而言，第一磁体106改变由第一谐振线圈101生成的磁力线的形式。第一磁体106部署在第一谐振线圈101和第二谐振线圈104之间并且因此使得能够在第一谐振线圈101的发送方向改变磁力线的形式。磁力线的形式被改变，由此使得有可能增加与第二谐振线圈104磁耦合的第一谐振线圈101的磁力线的数目，其结果是可以保持高发送效率。如果第一磁体106不存在，如图2(B)中所绘出的，则只有来自第一谐振线圈101的少量磁力线与第二谐振线圈104磁耦合，导致发送效率的降低。通过对比，在部署第一磁体106的情况下，磁力线的形式改变，并且如图2(C)中所说明的，更大量的磁力线可以与第二谐振线圈104磁耦合。由此，可以增加发送效率。

在这里，第一磁体106的中心部署成偏移到第一谐振线圈101的绕组轴。因此，减少了被第一磁体106阻挡的第一谐振线圈101的磁力线数量，由此使得无线功率以高效率发送。

即，磁力线是相对于第一谐振线圈101的绕组轴分布的。

第一磁体106的中心部署成偏移到绕组轴，由此磁力线与第一磁体106的磁耦合量减少。利用磁耦合量的这种减少，减少可在第一磁体106中发生的损耗是可行的。

在这里，如果磁体采取方形或矩形，则第一磁体106的中心代表其对角线的交点。作为替代，如果采取任意形状，则这意味着磁体的质心。另外，术语“偏移”意味着第一谐振线圈101的绕组轴不与第一磁体106的中心重合。

如上所述，根据本实施例，即使当第一谐振线圈101与第二谐振线圈104不处于面对面的关系时，第一磁体106也部署在第一谐振线圈101和第二谐振线圈104之间，由此可以增加无线功率发送的发送效率。

（第二实施例）

图3绘出了根据第二实施例的无线功率发送设备。

侧部305具有作为内置组件的第二磁体309。第二磁体309部署成与第二谐振线圈304的一个边缘面处于面对面的关系。即，第二磁体309与第二谐振线圈304的绕组轴304垂直定位。其它组件与第一实施例中具有相同标号的那些相同，其中重新分配了诸如301、302、303、306、307和308的附图标记。

提供了第二磁体309，当从第二谐振线圈304看时，它用于减少作用在第二磁体309背侧上的磁力线。利用磁力线减少，另一个组件可以内置在该部分中，即，在与第二磁体309的第二谐振线圈304相对的侧面上。例如，可以部署诸如电子电路、电池和显示器的组件。即，通过减少作用在另一个组件上的磁力线，涡流被抑制产生，由此使得恶化的发送效率得以改善。

如以上所讨论的，根据第二实施例，第二磁体309以面向第二谐振线圈304的方式定位，因此，即使从第二谐振线圈304看时另一个组件部署在第二磁体309的背侧时，也可以保持高发送效率。

（第三实施例）

图4说明了根据第三实施例的无线功率发送设备。根据功率接收外壳408相对于功率发送外壳402定位的位置，该无线功率发送设备具有在图4(A)中绘出的第一发送状态和在图4(B)中绘出的第二发送状态。

在图4(A)中绘出的第一发送状态，功率接收外壳408定位成使得基部407中的第一磁体406部署成与第一谐振线圈401的一个边缘面处于面对面的关系。

在图4(B)中绘出的第二发送状态，功率接收外壳408定位成使得侧部405中的第二磁体409部署成与第一谐振线圈401的一个边缘面、与插入其间的第一谐振线圈404处于面对面的关系。

根据第三实施例，即使当功率接收外壳408位于图4(A)和4(B)的位置时，也可以同时保持高发送效率。

如已经描述过的，作为其效果，磁体对于改变磁力线的形式是有效的。另一方面，另一个效果是线圈的谐振频率改变。具体而言，磁体具有增大线圈的电感L的效果。当两个线圈中一个的电感上升时，一个线圈的谐振频率变化，并且在一个线圈与另一个线圈之间发生谐振频率的偏差，这导致造成发送效率恶化的问题。既然如此，第三实施例的特征在于，通过最小化这些布局之间第一谐振线圈的谐振频率的变化，在图4(A)和4(B)的布局中都获得了高发送效率。

面向第一谐振线圈401的第一磁体406起作用，使得增大图4(A)中第一谐振线圈401的电感L，而面向第一谐振线圈401的第二磁体409在图4(B)中类似地起作用。即，在第一发送状态和第二发送状态，磁体以部署成与第一谐振线圈401处于面对面关系的方式存在。因此，第一谐振线圈401的谐振频率的变化可以在这两个发送状态之间最小化。

如以上所讨论的，根据第三实施例，第一和第二磁体部署成最小化第一和第二发送状态之间第一谐振线圈401的谐振频率的变化，并且由此可以在两个发送状态中同时实现高发送效率。

（第四实施例）

图5说明了根据第四实施例的无线功率发送设备。功率接收外壳具有使外壳本身能够被分成第一外壳605和第二外壳608的配置。

第一外壳605包括中继谐振线圈604和第一磁体603。

第二外壳608包括功率接收天线606、第二磁体607和电路板609。

当第一外壳605和第二外壳608耦合到一起时，功率接收外壳从处于这种耦合状态的功率发送外壳602接收功率发送。具体而言，功率经中继谐振线圈604从第一谐振线圈601发送到功率接收天线606。另外，在被分成第一外壳605和第二外壳608时，如图6中所绘出的，功率发送外壳602执行直接到第二外壳608的无线功率发送。

如图7中所说明的，第一谐振线圈601具有第一谐振频率f1和第一频率带宽Δf1。具有第四频率范围内第四频率f4的AC能量的功率从第一谐振线圈601发送。

中继谐振线圈604具有第三谐振频率f3和第三频率带宽Δf3。

功率接收天线606具有第二谐振频率f2和第二频率带宽Δf2。

第四频率f4是频率带宽Δf1内的频率，但第四频率范围不覆盖第一谐振频率f1至第二谐振频率f2的所有频率范围。

因而，功率接收天线606的谐振频率f2设置成比功率发送频率f4高。高谐振频率的含义是谐振可以利用小电感L和小电容C获得。因此，功率接收天线606尺寸可以减小。即，功率接收天线606可以利用少量绕组构建。

就像在图5中，当第二外壳608和第一外壳605耦合到一起时，功率发送经与减小尺寸的功率接收天线606耦合的中继谐振线圈604从功率发送外壳602接收。即，功率发送是通过把中继谐振线圈604和第一谐振线圈601耦合到一起来执行的，并且进一步通过把中继谐振线圈604和功率接收天线606耦合到一起来执行。通过这个过程，有可能从第一谐振线圈601到功率接收天线606进行无线功率发送。中继谐振线圈604位于离功率接收天线606近距离的地方，因此，即使它们的谐振频率彼此不同，功率也可以在中继谐振线圈604与功率接收天线606之间发送。即，功率发送距离短，在这种情况下，即使当功率发送侧线圈的谐振频率与功率接收侧线圈的谐振频率不同时，也可以保持高发送效率。

并且，如图6中所绘出的，在通过只采用第二外壳608执行利用功率发送外壳602的无线功率发送时，功率接收天线606位于离第一谐振线圈601近距离的地方，由此可以保持高发送效率。第二外壳608既没有中继谐振线圈也没有第一磁体作为内置组件，因此尺寸和重量都可以减小。如果必要的功能单元，诸如I/O接口、电子电路、电池和存储器，在第二外壳608中内置，则只有第二外壳608可以便携式配置并且可以容易地携带。

如上所述，第四实施例具有把功率接收外壳分成第一外壳605和第二外壳608并且使得功率只被第二外壳608接收的配置。结果，功率接收外壳的尺寸和重量都可以减小。

（修改后的例子）

图8绘出了第一修改后的例子。

第一磁体806特征在于它被内置在基部807的中心。在许多情况下，功率接收外壳808部署成使得基部807的中心位置在功率发送外壳的中心轴上。但是，视情况而定，功率接收外壳808以从这个中心轴向后、向前、向左和向右偏离的方式部署。在以这种方式偏离的情况下，需要增强第一磁体的效果。

既然如此，如图8中所说明的，第一磁体806内置在基部807的中心部分中。利用这个办法，即使当功率接收外壳808部署成离功率发送外壳的中心轴有偏离时，也可以获得第一磁体806的效果。结果，以高效率获得无线功率发送是可行的。

图9是说明第二修改后的例子的平面图。第一磁体906部署成与第一谐振线圈901的边缘面相对（平行）并且与构成第一谐振线圈901的边缘面的绕组电线的一部分处于面对面的关系。在进行无线功率发送的情况下，电流流到第一谐振线圈901。在这个时候，第一磁体906的效果通过增大这个电流与第一磁体906之间的耦合得以增强。随着第一磁体906的效果变大，可以使用更小的磁体。应当指出，在这第二修改后的例子中，第一谐振线圈以平面形状缠绕。

然后，就像在这个修改后的例子中，第一磁体906部署在面向第一谐振线圈901的绕组电线的部分中，由此使得有可能增加流到第一谐振线圈901的电流与第一谐振线圈901之间的耦合量。因此，无线功率发送设备可以通过减小尺寸并且轻重量的磁体来实现。

图10是绘出第三修改后的例子的平面图。

第一磁体1006部署成与第一谐振线圈1001的边缘面相对（平行），与第一谐振线圈1001绕组的开始及其结束之间的中间点处于面对面的关系。流到第一谐振线圈1001的电流的分布在绕组的开始与结束之间的所述中间点具有最大电流幅值。第一磁体1006部署成相对于这个最大电流部分处于面对面的关系，由此磁体的效果可以最大值获得。

结果，由于磁体效果造成的谐振频率的变化数量可以增加，并且由此第一磁体1006的面积、尺寸、重量和成本可以减小。

图11是说明第四修改的例子的平面图。

第一磁体1016不部署在面向第一谐振线圈1011绕组的开始及其结束之间的中间点的部分。如上所述，最大电流流到这个中间点。即，这是对整个无线功率发送数量呈现大比率的部分。在这种情况下，第一磁体1016部署成避开这个部分，即，使得面向与这个部分不同的部分。

因此，由于磁体造成的损失减小，从而可以获得高效率的无线功率发送。

（其它修改后的例子）

第一磁体的磁导率可以设置成大于第二磁体的磁导率。在这种情况下，由于第一磁体的大效果，因此第一磁体的面积可以减小。

另外，第一磁体的磁导率可以设置成与第二磁体的磁导率相同。在这种情况下，第一谐振线圈的谐振频率可以设置成在两种发送状态下恒定（见图4）。还有，相同磁体的使用使组件类型的个数减少并且导致成本降低。

并且，第一磁体的磁导率可以比第二磁体的磁导率小。在这种情况下，第一磁体需要增加面积以及厚度。因此，第一磁体重量增加，这使得功率接收外壳难以达到预想。

另外，如图12中所绘出的，第一磁体1026可以包括一个或多个孔1026a。这些孔方便磁力线通过第一磁体1026的发送，由此使得发送效率得以提高。

此外，如图13中所说明的，第一磁体1036可以配置为包括多个磁体块1036a。这种配置方便磁力线通过第一磁体1036的发送，由此可以提高发送效率。

并且，金属板可以用作第一磁体的替代。在使用金属板的情况下，寄生电容在金属板与第一谐振线圈之间发生。因此，第一谐振线圈的谐振频率变化。与磁体相比，成本可以减小。

应当指出，在以上进行的讨论中，虽然是在把功率从功率发送外壳发送到功率接收外壳的情况下解释的，但是该配置可以同样应用到反过来功率接收外壳发送功率而功率发送外壳接收功率的情况。

应当指出，以上讨论的实施例可以用于除无线功率发送之外的其它应用。例如，无线通信可以通过调制用于发送的高频率来执行。在这种情况下，使用用于无线通信的硬件作为发送/接收硬件可能就足够了。

虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅仅是作为例子给出的，而不是要限定本发明的范围。实际上，这里所述的新颖实施例可以体现为多种其它形式；此外，在不背离本发明精神的情况下，可以对这里所述实施例的形式进行各种省略、替换与改变。所附权利要求及其等价物要覆盖属于本发明范围与精神的此类形式或修改。

Claims (16)

1.一种无线功率发送设备，包括：

第一谐振线圈，利用AC能量供电，以生成磁场；

第一磁体，改变由第一谐振线圈生成的磁场的形式；以及

第二谐振线圈，与被第一磁体改变的磁场耦合，以接收AC能量，

其中第一磁体部署在第一谐振线圈与第二谐振线圈之间。

2.如权利要求1所述的设备，还包括部署成与第二谐振线圈的一个边缘面相对的第二磁体。

3.如权利要求2所述的设备，还包括：

功率发送外壳，包括第一谐振线圈；以及

功率接收外壳，包括第二谐振线圈、第一磁体和第二磁体，其中第一磁体部署成与第二谐振线圈的外表面相对，

其中，在第一发送状态，功率接收外壳定位成使第一磁体部署成与第一谐振线圈的一个边缘面相对；以及，在第二发送状态，功率接收外壳定位成使第二谐振线圈的另一个边缘面部署成与所述第一谐振线圈的一个边缘面相对。

4.如权利要求1所述的设备，还包括：

功率发送外壳，包括第一谐振线圈；

第一外壳，包括第二谐振线圈和第一磁体；以及

第二外壳，包括功率接收天线和部署成与功率接收天线相对的第二磁体，

其中第一外壳和第二外壳可以彼此耦合或者解耦合，

在耦合状态，第一外壳和第二外壳的耦合体相对于功率发送外壳定位，使得第一磁体部署成与第一谐振线圈的一个边缘面相对，并且功率接收天线与第二谐振线圈的一个边缘面相对，以便与由第二谐振线圈生成的磁场耦合，以接收AC能量，以及

在解耦合状态，第二外壳相对于功率发送外壳定位，使得第二磁体经功率接收天线与所述第一谐振线圈的一个边缘面相对，并且功率接收天线与由第一谐振线圈生成的磁场耦合，以接收AC能量。

5.如权利要求1所述的设备，其中第一磁体部署成与第一谐振线圈的一个边缘面相对，以及

第一磁体的中心相对于所述第一谐振线圈的一个边缘面的中心偏移。

6.如权利要求1所述的设备，还包括：

功率发送外壳，包括第一谐振线圈；以及

功率接收外壳，包括基部和与基部垂直的侧部，所述基部包含第一磁体并且所述侧部包括第二谐振线圈，

其中第一磁体部署在基部的中心。

7.如权利要求1所述的设备，其中第一磁体部署成与形成第一谐振线圈的一个边缘面的绕组电线的一部分相对。

8.如权利要求1所述的设备，其中第一磁体部署成与第一谐振线圈的一个边缘面相对并且与第一谐振线圈的绕组开始及其结束之间的中间点相对。

9.如权利要求1所述的设备，其中第一磁体部署成与第一谐振线圈的一个边缘面相对并且与和第一谐振线圈的绕组开始及其结束之间的中间点不同的一个点相对。

10.如权利要求2所述的设备，其中第一谐振线圈的磁导率大于第二磁体的磁导率。

11.如权利要求3所述的设备，其中第一谐振线圈的磁导率与第二磁体的磁导率相同。

12.如权利要求2所述的设备，其中第一谐振线圈的磁导率小于第二磁体的磁导率。

13.如权利要求1所述的设备，其中第一磁体包括一个或多个孔。

14.如权利要求1所述的设备，其中第一磁体是由多个磁体块形成的。

15.如权利要求1所述的设备，其中金属板用作第一磁体的替代。

16.一种无线功率发送方法，包括：

向第一谐振线圈提供AC能量，以生成磁场；以及

通过第一磁体改变磁场的形式，由此耦合磁场与第二谐振线圈，

其中第二谐振线圈部署在与第一谐振线圈方向不同的方向上；并且其中第一磁体部署在第一谐振线圈与第二谐振线圈之间。

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