CN103918047B - 用于感应电能传输系统的发射器 - Google Patents

Abstract

一种感应电能传输发射器，包括用于容纳要被供能的设备的壳体。壳体具有一个或多个侧壁，和用于在壳体内产生交变磁场的一个或多个线圈。一个或多个线圈的密度随着离一个或多个侧壁的端部的距离而变化。也公开了一种感应电能发射器，包括一个或多个透磁层，其中，一个或多个透磁层的组合厚度或磁导率变化。

Description

用于感应电能传输系统的发射器

技术领域

本发明是感应电能传输（inductive power transfer，IPT）系统的领域。更具体地，本发明涉及用于这种系统的具有新颖配置的电能发射器。

背景技术

IPT系统是已建立的技术（例如，电动牙刷的无线充电）和正发展的技术（例如，在‘充电垫’上的手持设备的无线充电）的已知领域。典型地，原边产生来自一个发射线圈或多个发射线圈的随着时间变化的磁场。这种磁场在合适的接收线圈中感应交流电，然后可以用于对电池充电、或者对设备或其他的负载供电。在一些情况下，对于与电容器连接的发射线圈或接收线圈可以产生谐振电路，由此可以在相应的谐振频率下增加功率吞吐量和效率。

在IPT系统设计中要克服的基本问题是保证有效的电能传输。改善性能的一种方法曾经需要发射线圈和接收线圈精确对准，诸如在对使用专用的充电底座的电动牙刷充电的情况下。然而，对精确对准的需求会破坏一些IPT系统的主要目标之一，即利用最少的用户参与，简单的设备充电和供电。

另一种类型的IPT系统是充电（或供电）垫。典型地，这些系统提供被配置成产生磁场的表面，使得当合适的设备被布置在表面上时，通过设备内的合适的接收线圈布置来产生电能。存在已知的各种发射线圈配置。在一个实例中，单个线圈被布置在表面之下且与表面共面。线圈可以是小的，且因而接收线圈仍必须相当好地对准以实现电能传送。可替选地，线圈可以是大的，覆盖表面的整个区域。在这种情况下，一个或多个接收器可以被布置在表面的任何地方。就设备充电或供电而言这会允许更加自由（即，用户只需将设备设定在底座上的任意位置）。然而，通过这种配置产生的磁场不均匀，并且朝向线圈的中心会特定弱。因此，接收线圈根据他们在表面上的位置不同得到不同量的电能。

第三种类型的IPT系统是充电或（供电）壳体。典型地，这些系统提供一种盒子，该盒子具有合并在盒子的壁和或底座中的发射线圈。线圈在盒子内产生磁场，使得当设备位于盒子内时，通过设备内适合的接收线圈布置来产生电能。线圈可以是线圈阵列、或者大线圈、或者二者组合。然而，会出现与充电垫的相同的缺点。即，整个体积内场不均匀，朝向中心特别弱。因而，为了即使设备位于壳的中心也能保证充足的电能传输，原边上的电能必须较高，这导致损耗增加和效率降低。

在所有以上情况中，已知由高磁导率的材料（诸如，铁氧体）组成的层/核可以被包括在发射器或接收器中，以改善磁场中电能的传输。

本发明的一个目标是提供产生具有改善的电能传输特性的磁场的发射器，或者至少向公众提供一种有用的选择。

发明内容

根据一个示例性实施例，提供了一种感应电能传输发射器，包括：壳体，用于容纳要供能的壳体，具有一个或多个侧壁；一个或多个线圈，用于在壳体内产生交变的磁场，一个或多个线圈的密度随着离一个或多个侧壁的端部的距离而变化；以及驱动电路，用于驱动一个或多个线圈。

根据另一个示例性实施例，提供了一种感应电能发射器，包括：一个或多个线圈；用于产生交变的磁场；驱动电路，用于驱动一个或多个线圈；以及一个或多个透磁层，与一个或多个线圈相关联，其中，一个或多个透磁层的组合厚度变化。

根据另一个示例性实施例，提供了一种感应电能发射器，包括：一个或多个线圈，用于产生交变的磁场；驱动电路，用于驱动一个或多个线圈；以及一个或多个透磁层，与一个或多个线圈关联，其中，一个或多个透磁层的磁导率变化。

公认的是，术语“包括”在不同的审查权限范围下可以归结为排他的或包括的意思。针对本说明书的目的，并且除非另有说明，这些术语旨在具有包括的含义，即这些术语将用于包括直接引用的所列出的部件，而且还包括其他的未指定的部件或元件。

本说明书中参考的任何现有技术不构成承认这些现有技术形成公知常识的一部分。

附图说明

被并入并构成说明书的一部分的附图，与上面给出的本发明的一般描述一起说明本发明的实施例，以及以下给出的示例性实施例的详细描述用来解释本发明的原理。

图1示出根据本发明的第一方面的一个实施例的发射器的图；

图2示出根据本发明的另一个实施例的发射器的图；

图3示出图1中所示的发射器的截面图；

图4示出比较由两种不同的发射器产生的磁场线的示意图；

图5示出根据本发明的第二方面的发射器的截面图；

图6示出比较由两种不同的发射器产生的磁场线的示意图；

图7示出根据本发明的第三方面的发射器的截面图；

图8示出比较由两个不同的发射器产生的磁场线的示意图；以及

图9示出根据本发明的第三方面的另一个实施例的发射器的截面图。

具体实施方式

线圈布置

参见图1，示出根据本发明的一个实施例的IPT系统的发射器1。发射器采用具有侧壁3和底座部分4的充电壳体2的形式。发射器包括线圈5，其在壳体内部产生随着时间变化的磁场。布置在壳体内部的设备6包括接收线圈7，其与随时间变化的磁场感应耦合并且产生可以用于给设备充电或供电的电流。线圈用壳体的侧壁来包围，并且围绕壳体的周缘缠绕，与底座部分共面，如图1中的虚线所示。

发射器1与合适的电源8连接，并且驱动电路（未示出）被配置成驱动线圈使得其产生磁场。驱动电路被配置成使得线圈5产生适合特定应用的随着时间变化的磁场。这种驱动电路对于本领域的技术人员是已知的，而本发明在这个方面不受限制。

能接收反应传输的电能的设备在本领域周知，而本发明不局限于任何特定的类型。在优选的实施例中，设备包括与底座部分共面的接收线圈，由于这会最大化电能传输，其中磁场的通量与底座部分垂直。

图1中所示的壳体2的形状采用矩形棱柱的形式；然而，本发明在这个方面受限制。本领域的技术人员将理解如何使本发明应用于限定壳体的各种三维体积。通过示例的方式，图2示出发射器9，其壳体是具有单个连续侧壁10的圆柱形形式。在这个实例中，线圈11通常是圆形，并且围绕壳体的周缘缠绕，如图2中的虚线所示。

在本发明的优选实施例中，壳体包括底座部分4。如随后将所述的，底座部分中包括透磁层（诸如铁氧体层）可以显著地改善电能传输。然而，壳体2并非必须包括底座部分。本领域的技术人员将理解本发明如何能够适用于不包括底座部分的充电壳体。

参见图3，示出图1中所示的发射器1的垂直截面。这个图示出侧壁3、底座部分4、线圈5和设备6。壳体可以非必须地包括适合的外层12（例如，塑料外壳），其包围给发射器更多吸引和流线型外观的发射器的内部功能。线圈被布置使得线圈的密度（每单位高度环的数目）通常随着高度而增加。这导致更多的环朝向侧壁的顶部‘集中’。图3中所示的环的数目较少，由于这最好地用于说明本发明的原理。实际上，环的数目在任何方面都不受限制，并且本领域的技术人员将理解在一些应用中环的数目可以是几百甚至几千个。

可替选地，在本发明的另一个实施例中，线圈可以被配置成使得密度以一些其他的方式随着高度变化。例如，与本发明相符的是线圈的密度最初随着高度增大、然后又朝向侧壁的顶部减小。

线圈5连续且与驱动电路（未示出）串联连接。在本发明的一个实施例中，线圈包括重复地缠绕以形成一系列环的单段导线。在本发明的一个实施例中，单段导线包括不同规格的多截面导线。多截面导线可以采用合适的方式（例如，焊接）连接在一起，使得该段导线从最大的直径渐变至最窄的直径。因而，如果根据图3中所示的线圈配置来缠绕导线，则导线的较窄截面对应于具有较高密度的环。由于导线较窄，所以其比导线具有一致的规格占据更少的空间。导线可以是任何合适的载流线，包括李兹线（Litzwire）。李兹线是有利的，因为其大大地减少由趋肤效应引起的功耗和在IPT系统中以高频操作时导体中的邻近效应。在本发明的另一个实施例中，存在不止一个线圈。每个线圈能够以串联、并联或其他合适的配置连接。总之，线圈的净密度（为每单位高度环的数目）仍可以根据本发明变化。

本发明的优点可以在图4a和图4b中看出，示出根据本发明的一个实施例的发射器1的垂直截面。图4a和图4b说明由具有均匀密度的线圈布置、与根据本发明的线圈布置分别产生的磁场之间的比较。将观察出，对于图4a中的前者情况，磁通量朝向壳体13的壁集中，存在朝向中心14具有较低的磁通量的区域。因此，为了保证给予被布置在这个中心区域中的接收器充足的电能传输，必须增加经由发射器的功率流。这导致供电的低效使用。另外，相比于布置在壳体中心的接收器，被布置成较靠近壳体侧壁的接收器遭受较强的磁场。这需要接收器根据它们在壳体内的精确位置来调节其功率流。其也增加设备中的寄生发热。图4b表示根据本发明的线圈布置的磁场。如将被观察的，可变的线圈密度导致穿过壳体的更加均匀的磁场。有效地，额外的绕组使得磁场进一步地延伸至壳体内。这有助于解决上述的由非均匀场引起的问题。特别地，经由发射器的功率流能够被降低，同时仍保证给予接收器的充足电能传输，而与其在壳体内部的位置无关。发射器中功率流的减少将低效最小化，并且减少寄生发热。本领域的技术人员将理解图4b中所示的场是定性的以便表示本发明的原理。在实践中，为实现期望的场特性所需要的精确的线圈布置依赖于很多变量，诸如尺寸和额定功率。将理解的是，线圈布置的设计将需要被调整成适合特定的应用。

再次返回图3，在充电壳体的侧壁3和底座部分4中也示出铁氧体层15。本领域的技术人员将理解包括透磁层如何可以改善电能传输的性能。特别地，底座部分中的透磁层‘强迫’磁场线分布更靠近中心。这帮助提供更均匀的场，并且改善穿过整个底座部分区域的电能传输。

这种充电壳体并非必须是自立式装置，且其可以被合并在已存在的结构中。通过示例的方式，根据本发明可以构造书桌抽屉，且因而用户仅需要将他们的电子设备布置在抽屉中，电子设备就可以被充电或供电。

透磁层——可变的厚度

参见图5，示出根据本发明的另一个方面的发射器1的横截面。在这种情况下，发射器是与如上所述的充电壳体2相似的充电壳体。壳体包括侧壁3和线圈5，线圈5围绕壳体的周缘缠绕，它们都被安装在合适的外层12内。底座部分4中包括的是主透磁层16。如之前所述，包括透磁层可以通过本质上‘重塑’磁场来改善电能传输。除了这种主透磁层之外，还有邻近于主透磁层而定位的附加透磁层17。

包括附加透磁层17的结果是增加透磁层朝向充电壳体2的中心的有效厚度。在图5中所示的本发明的实施例中，这有助于通过进一步地强迫朝向充电壳体的中心的磁场来改善电能传输，产生更均匀的磁场。这由如图6a和6b所示的磁场线的比较来说明。将观察出，对于图6a中的前者情况，磁通量朝向壳体18的壁集中，其中存在朝向中心19具有较少磁通量的区域。这会产生与如之前结合图4a所述的相同的问题。图6b示出根据本发明的透磁层布置的磁场。如将观察出，透磁层的厚度朝向壳体2的中心20增加产生更均匀的磁场。发生这种情况的机制在于包括附加透磁层增加透磁层的高度，这为朝向壳体中心穿过的场线产生经由空气的较短的磁路。实际上，磁场被‘吸引’至中心。等效地，较厚的透磁层提供具有较长的磁阻降低节段的磁路；因此，磁场将被强迫朝向这个区域。较均匀的磁场帮助解决由非均匀场引起的问题，如之前结合图4a和图4b所述。

再次参见图5，可以看出，通过包括补充块17来实现透磁层的有效厚度。本领域的技术人员将理解的是，补充块的相对尺寸依赖于特定发射器的规格和尺寸。此外，本领域的技术人员将理解的是，在一些应用中，可以适合于将尺寸减小的一系列（即，三个或更多个）补充块层叠在彼此的顶部上，形成‘台阶金字塔’型配置，其中，有效厚度按离散台阶的顺序变化。

在本发明的可替选的实施例中，最初透磁层可以按可变的厚度来制造。在这种情况下，厚度的变化可以是离散的（如采用‘台阶金字塔’配置）或连续的。本领域的技术人员将理解的是，针对实现透磁层的可变厚度也存在其他可能的方案，并且本发明在这个方面不受限制。

在本发明的另一个实施例中，透磁层的厚度可以采用一些其他的方式来变化，并非必须朝向透磁层的中心增大。例如，在一些应用中，朝向特定发射器的边沿具有较厚的透磁层会是有利的。

在本发明的优选实施例中，透磁层是铁氧体材料。然而，本领域的技术人员将理解的是，其他适合的材料可以用于相同或相似的效果。

尽管本发明已经描述了关于充电壳体的底座部分，但是本发明不局限于这种应用。本领域的技术人员将理解的是，在对于发射器中包括透磁层是有利的任何情况下，根据本发明的透磁层的厚度变化是可能的并且确实值得。通过示例的方式，包括与表面共面的大线圈的充电表面可以从包括厚度朝向表面的中心增大的透磁层中获益。这会帮助解决与朝向这种充电表面的中心磁场较弱（和电能传输效率较低）相关的问题。

透磁层——可变的磁导率

参见图7，示出根据本发明的另一个方面的发射器1的截面。在这种情况下，发射器是与之前所述的充电壳体相似的充电壳体2。壳体包括侧壁3和围绕壳体的周缘缠绕的线圈5，它们都被安装在合适的外层12中。被包括在底座部分4中的是透磁层20。如之前所述，包括透磁层可以通过本质上‘重塑’磁场来改善电能传输。

如通过图7中的相应曲线图所示，透磁层20的磁导率在充电壳体2的宽度内变化，磁导率在朝向充电壳体的中心通常最大。在图7中所示的本发明的实施例中，这有助于通过进一步强迫磁场朝向充电壳体的中心来改善电能传输，产生更均匀的磁场。这通过图8a和图8b中所示的磁场线的比较来说明。将观察出，图8a中的前者情况，磁通量朝向壳体21的壁集中，其中存在朝向中心22具有较低的磁通量的区域。这会产生如之前结合图4a所述的相同的问题。图8b示出根据本发明的透磁层布置的磁场。如将观察出，透磁层的磁导率朝向壳体的中心增加使得磁场更均匀。发生这种情况的机制在于透磁层朝向中心增加的磁导率，使得磁路具有磁阻降低的节段，因此，磁场将被强迫朝向这个区域。更均匀的磁场帮助解决由非均匀场引起的问题，如之前结合图4a和图4b所述。

再次参见图7，看出透磁层20具有恒定的厚度，但是磁导率以连续的方式变化。在本发明的一个实施例中，透磁层最初能够以这种其磁导率属性连续变化来制造。在另一个实施例中，透磁层最初能够以其磁导率属性离散变化来制造。

参见图9，示出根据本发明的发射器1的另一个实施例，该发射器1包括在底座部分4中被布置成彼此相邻的数段透磁层23。在这种情况下，每段的磁导率可以具有不同的幅值，形成在相应的曲线图中所示的磁导率变化。在根据本发明的一个实施例的壳体的情况下，这样的段可以由同心环的透磁材料组成。

在本发明的另一个实施例中，透磁层的磁导率可以以一些其他的方式来变化，并非必须朝向透磁层的中心增加。例如，在一些应用中，可能有利的是具有朝向特定发射器的边沿磁导率较高的透磁层。

在本发明的优选实施例中，透磁层是铁氧体层。然而，本领域的技术人员将理解的是，其他适合的材料可以用于相同或相似的效果。

尽管本发明描述了关于充电壳体的底座部分，但是本发明不局限于这个应用。本领域的技术人员将理解的是，在发射器中包括透磁层是有利的任何情况下，根据本发明的透磁层的磁导率变化是可能的并且确实值得。通过示例的方式，包括与表面共面的大线圈的充电表面可以从包括磁导率朝向表面的中心增加的透磁层中受益。这会帮助解决与朝向这种充电表面的中心磁场较弱（和电能传输效率较低）相关的问题。

组合

已经描述了根据本发明的发射器的三个单独的方面，即，可变线圈密度；透磁层的可变厚度；以及透磁层的可变磁导率。本领域的技术人员将理解的是，这三个方面的任何一个可以采用以任意数量的方式组合。例如，对于某些充电壳体，值得是朝向壳体的顶部具有增加的线圈密度，并且包括磁导率朝向底座部分的中心增加的透磁层的底座部分。在另一个实例中，充电表面可以包括透磁层，其中，层的厚度和磁导率朝向充电表面递增。

因而提供了一种用于IPT系统的发射器布置，使得产生更加均匀的磁场。由于场更加均匀，所以改善了发射器和接收器之间的耦合质量，并且需要更少的电能来供电或充电设备，产生更有效的IPT系统。另外，由于对设备供电所需的电流减少，所以由于在靠近发射器或在发射器上布置的设备中的寄生发热而引起的损耗更少。

尽管已经通过本发明的实施例的描述说明了本发明，并且尽管已经详细地描述的实施例，但是本申请的目的并非局限于或以任何方式局限在所附权利要求的范围到这样的细节。另外的优点和修改将容易地呈现于本领域技术人员。因此，本发明在其更为宽广的方面不限于特定细节、代表性的装置和方法、以及所示和描述的说明性实例。因此，在不脱离本申请的一般发明理念的精神或范围的情况下可以脱离这些细节。

Claims (8)

1.一种感应电能传输发射器，包括：

a.壳体，用于容纳要被供能的设备，所述壳体具有一个或多个侧壁；

b.一个或多个线圈，用所述一个或多个侧壁来包围以及用于在所述壳体内产生交变的磁场，所述一个或多个线圈中的被通电部分的密度随着离所述一个或多个侧壁的端部的距离而变化；以及

c.驱动电路，用于驱动所述一个或多个线圈。

2.如权利要求1所述的感应电能传输发射器，其中，所述一个或多个线圈被缠绕以对应于所述壳体的周缘。

3.如权利要求2所述的感应电能传输发射器，其中，所述被通电部分的密度在所述一个或多个侧壁的一半处更高。

4.如权利要求2所述的感应电能传输发射器，其中，所述壳体包括底座部分，所述一个或多个侧壁从所述底座部分起延伸。

5.如权利要求4所述的感应电能传输发射器，其中，所述被通电部分的密度随着离所述底座部分的距离而增加。

6.如权利要求5所述的感应电能传输发射器，其中，所述底座部分包括透磁层。

7.如权利要求6所述的感应电能传输发射器，其中，所述一个或多个线圈由规格减小的导线制成。

8.如权利要求7所述的感应电能传输发射器，其中，所述一个或多个线圈由李兹线制成。