CN104395974B - 用在无线电力传输系统中的透磁核体 - Google Patents

Abstract

一种用在无线电力传输系统中的透磁核体。核体包括基部，基部具有从基部延伸出的第一部分和第二部分。所述第一部分比所述第二部分从所述基部延伸得更远，以在接收核体距离发射核体的整个相对位移范围上保持有效的磁通链。用在无线电力传输系统中的发射器和/或接收器可以包括透磁核体和绕组。

Description

用在无线电力传输系统中的透磁核体

技术领域

本发明属于无线电力传输系统领域。本发明更具体地涉及结合到无线电力传输系统中的发射器和接收器中的透磁核体。

背景技术

无线电力传输系统是既存技术和正开发技术中的公知领域。典型地，初级侧(或发射器)从一个发射线圈或多个发射线圈生成时变磁场。此磁场在次级侧(或接收器)的合适接收线圈中感应出交变电流，然后可以用来为电池充电或者为诸如便携式设备之类的负载供电。

无线电力传输系统中必须克服的基本问题是：在保持足够的电力传输量的同时，确保电力能够在足够的位移(即，在初级侧和次级侧之间)上进行传输。

已知的是，将透磁元件引入到发射线圈或者接收线圈中可以改善系统的性能。透磁元件增强发射器或接收器的电感。这意味着要达到与没有透磁元件的发射器或接收器相同的电感值，需要更少的线圈匝数。由于线圈导线的电阻的原因，具有更少的线圈匝数带来损耗的减小。透磁元件还可以配置成对可从发射器引导到接收器的磁场进行“塑形”。通过引导磁场，可以增加发射器和接收器之间的耦合因数，因而改善系统的性能。

对于无线电力传输系统而言，透磁元件可以采用在绕组层之下的平面板的形式。在其它应用中，透磁元件可以是核体，发射线圈或接收线圈的绕组缠绕该核体。

本发明的目的是提供一种用在发射器或接收器中的透磁核体，其改善发射器和接收器之间的可容许位移，或者至少为公众提供一种有用的选择。

发明内容

依据一个示例性实施例，提供了一种用在无线电力传输系统中的透磁核体，其包括基部，所述基部具有从所述基部延伸出的第一部分和第二部分，其中，所述第一部分比所述第二部分从所述基部延伸得更远，以在接收核体距离发射核体的整个相对位移范围上保持有效的磁通链。

依据另一示例性实施例，提供了一种用在无线电力传输系统中的透磁核体，包括基部，所述基部具有从所述基部延伸出的第一部分和第二部分，以及具有至少一个开口，所述至少一个开口允许从所述基部的一侧接入到所述第一部分和所述第二部分之间所提供的空间，其中，所述第一部分比所述第二部分从所述基部延伸得更远，以在接收核体距离发射核体的整个相对位移范围上保持有效的磁通链，并且所述至少一个开口延伸到所述基部的边缘。

依据再一示例性实施例，提供了一种用在无线电力传输系统中的发射器或接收器，包括绕组和透磁核体，所述透磁核体具有基部，所述基部具有从所述基部延伸出的第一部分和第二部分，其中，所述第一部分比所述第二部分从所述基部延伸得更远，以在接收核体距离发射核体的整个相对位移范围上保持有效的磁通链，以及其中，所述绕组在所述第一部分和所述第二部分之间的空间中至少部分地包围所述第一部分。

依据另一示例性实施例，提供了一种用在无线电力传输系统中的发射器和接收器，其中，所述发射器和所述接收器都包括绕组和透磁核体，并且发射核体具有基部，所述基部具有从所述基部延伸出的第一部分和第二部分，其中，所述第一部分比所述第二部分从所述基部延伸得更远，使得发射核体的第一部分比发射器的第二部分更接近于接收核体。

公认的是，在不同的管辖范围内，术语“包括”可以被赋予排他性的含义或者包括性的含义的属性。针对本说明书的目的，除非另外注明，否则所述术语意图具有包括性的含义——即，其将意味着对直接提及使用的所列部件的囊括，并且可能还包括其它未明示的部件或元件。

在本说明书中提及的任何现有技术并不构成对这样的现有技术形成部分的一般公知常识的承认。

附图说明

结合到说明书中并构成说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并且与上面给出的本发明的一般描述和下面给出的实施例的详细描述一起用来解释本发明的原理。

图1示出了依据本发明一个实施例的透磁核体；

图2示出了图1的透磁核体的分解图；

图3示出了图1的透磁核体的俯视图；

图4示出了图1的透磁核体的截面图；

图5示出了发射器-接收器对的截面图；

图6示出了透磁核体的截面图；

图7示出了透磁核体和绕线筒的分解图；

图8a示出了依据本发明一个实施例的发射器的截面图；

图8b示出了具有“罐状核体(pot core)”类型的核体的发射器的截面图；

图9a至9c示出了穿过具有不同的核体组合的发射器-接收器对的截面图；

图10a至10i示出了针对一系列相对位移的穿过图9a的发射器-接收器对的截面图；

图11a至11i示出了针对一系列相对位移的穿过图9b的发射器-接收器对的截面图；

图12示出了依据本发明一个实施例的连接器；以及

图13a至13c示出了具有不同类型开口的透磁核体。

具体实施方式

图1示出了透磁核体1。这样的核体可以适配于结合到用在无线电力传输系统中的发射器或接收器中。核体包括基部2，第一部分3和第二部分4从该基部2延伸。基部将第一部分连接至第二部分。重要地，第一部分比第二部分从基部延伸得更远。正是第一部分和第二部分之间的这个长度差确保了针对发射核体和接收核体之间的位移范围保持有效的磁通链。这将在后面部分中更详细地论述。在一个实施例中，第一部分可以比第二部分从基部延伸得远至少20％。

在图1的核体1中，基部是圆形平面盘2。第一部分是从盘的中心垂直延伸的柱体3，第二部分是从盘的周缘延伸的圆柱体4。柱体和圆柱体是同心的。柱体比圆柱体从盘延伸得更远。本描述的其余部分将提及且将更详细地描述柱体(为第一部分)、圆柱体(为第二部分)和盘。然而，本领域技术人员将意识到存在不偏离本发明的很多其它可能的几何形状。例如：

·基部可以是除了圆形之外的另一形状；

·第一部分可以不是圆形的；

·第二部分可以不是完整的圆柱体，即，仅部分地包围第一部分；或者

·第二部分可以是从基部的中心延伸的柱体，而第一部分是从盘的周缘延伸的圆柱体。

核体1由透磁材料制成。这可以包括铁氧体或另一合适的材料。核体可以形成为单个片件，或者如图2的分解图所示的由独立的片件构成。在图2中，柱体3、圆柱体4和盘2是三个独立的片件。在另一实施例中，柱体和盘可以形成为单个片件，而圆柱体形成为另一个片件。在装配时，以某种方式(例如，粘合)将这些片件固定在一起，或者它们可以通过一些其它方式保持在邻近位置。本领域技术人员将意识到，将核体形成为单个片件将改善核体的电感值。相反地，使核体由独立的片件形成可以使制造简化。此外，使各片件之间具有分隔(甚至是那些片件直接邻接)可以防止在核体中发生磁饱和。可能的是，组成的片件(即，柱体、圆柱体和盘)本身可以由独立的片件构成。例如，柱体可以分段成“一堆”较短的柱体(未示出)。这也可以防止磁饱和的发生。

柱体3和盘2可以包括通道5。在图2所示的核体中，此通道由位于盘中心的孔洞6构成，孔洞6与贯穿柱体长度(即，柱体是中空的)的孔7对准。如将在后面论述的，这样的通道可以容许通信系统或类似的系统从核体的一侧穿过到达另一侧。在另一实施例中，可以不存在通道(即，在盘中可以不存在中心孔洞，并且柱体可以是实心的)。尽管这可能妨碍通信系统，但却可以允许柱体更窄，同时具有与其的中空对照物相同的截面积。将意识到，这样的通道可能会占据空间，而该空间要不然则可以是以透磁材料填充的。这显著地减小了柱体的电感值，从而可能不得不以某种方式来弥补——例如，通过使柱体更长或更宽。

盘2可以包括开口8，所述开口8允许从盘的一侧接入柱体3和圆柱体4之间的空间。可以提供这样的开口以允许绕组的导线进入和退出核体1的“内部”。在图2中，针对导线的每个端部存在两个开口8。开口可以是穿过盘的孔洞，或者它们可以是延伸至盘2的边缘的“截去部”8(如图2中所示)。在盘与圆柱体4形成在一起的情况下，截去部可以一直延伸到圆柱体的边缘(有效地产生经过圆柱体的槽)。如将在后面更详细地论述的，这样的截去部可以优选是孔洞，这是因为它们消除了否则会围绕开口的干扰磁通路径。

图3示出了核体1在与盘2平行的平面上的截面图。它示出了盘、以及柱体3和圆柱体4的截面。也示出了前面论述的通道5和开口8。该截面示出了圆柱体和中空柱体的厚度可以相同。磁场必须穿过圆柱体和柱体(经由盘)。关键的考虑将是相对的截面积，这是因为磁通可能受到特定部件的总截面积的限制。在如图3中所示的核体1中，柱体3的截面积最小，因此它可能会限制能够在没有核体过热的情况下产生的磁通量。牢记此，本领域技术人员将意识到将需要怎样来配置核体尺寸。图3还示出了在此特定实施例中核体具有一般圆形的截面。在核体需要旋转对称的情况下这可能是适合的。

图4示出了核体1在与盘2垂直的平面上的截面图。它示出了盘、圆柱体4和柱体3。它还示出了通道5是如何穿过盘和柱体的。它有助于确定在边界内由核限定的三个体积：

·在柱体和圆柱体之间提供的体积(“体积A”)；

·围绕比圆柱体距离盘更远的第一部分的体积(“体积B”)；以及

·如果圆柱体从盘延伸与柱体相同的距离则会由圆柱体占据的体积(“体积C”)。

如后面将更详细地描述的，这三个体积中的每个可以用来容纳绕组。

已经描述了核体的基本几何形状，现在应该考虑在发射器或接收器的背景下的核体，将示出核体的基本几何形状的益处。

图5示出了发射器9和接收器10的截面图。发射器和接收器一般是相同的几何形状，二者包括透磁核体1(如上所述)、绕组11、12和电路13、14。

在发射器9的情况下，电路13将是发射器电路，该发射器电路适配于连接到合适的电源15并且输出交变电流到绕组11中，绕组11进而将产生磁场。本领域技术人员将意识到，对于这样的发射器电路而言存在许多方案，因此本发明在此方面不受限制。

类似地，在接收器10中，电路14将是接收器电路，该接收器电路适配于从绕组12接收电力并且输出电力，所述电力随后可以用来为负载供电或者为电池16充电。本领域技术人员将意识到，对于这样的接收器电路而言存在许多方案，因此本发明在此方面不受限制。

发射器9和接收器10包括核体1、1’和绕组11、12，核体1、1’包括柱体3、3’、基部2、2’和圆柱体4、4’。绕组包括一段导线，其缠绕成一串环。绕组被配置为占据核体内的体积A、体积B和体积C。如将容易意识到的，环的数目将与导线的规格、核体的相对尺寸和发射器或接收器的电力需求有关。优选地，将存在偶数个层，因为这简化了缠绕工艺。图6示出了一个可能的缠绕方案。缠绕开始于层1，然而顺着数字所指示的次序进行。

在一个实施例中，如图7中所示，绕组(未示出)可以缠绕在绕线筒17上，然后绕线筒17可以插入到核体1中。这样的绕线筒可以包括分隔部18以将绕线筒分隔成与核体内部的体积相对应的区域。绕线筒可以包括槽19以允许导线在各区域之间移动。

当交变电流供应到绕组时，产生磁场。将意识到，透磁核体不仅增加了发射器(或接收器)的电感，而且还对场进行“导向”。图8a示出了穿过具有核体1和绕组11的发射器9的截面，以及当不存在接收器时由发射器产生的场20。用于比较，图8b示出了穿过具有核体22和绕组23的发射器21的截面，核体22和绕组23占据相同的体积，但是其中柱体和圆柱体延伸相同的距离。这种核体22的类型有时称为“罐状核体(pot core)”。

如将看到的，当对图8a和图8b中的场20、24进行比较时，本发明的核体1的场20更远离核体。相反地，罐状核体22的场24保持相对接近于核体。(将意识到，实际上，场是无限延伸的，因此出于图示目的，图8a和图8b中的场线表示场的可以用于电力传输的部分，并且表示场的比较形状。)此差异的原因包括：

·具有更短的圆柱体提供了可以由额外的绕组占据的体积(体积C)，并且更多的绕组增加了场的大小；以及

·具有更短的圆柱体意味着场线倾向于绕过体积C中的绕组，这引起场线更远离核体。

尽管这示出了由发射器9产生的场可以如何通过本发明的核体1来“改善”，但是通过观察在发射器与接收器对之间建立的场，可以更好地理解针对发射核体和接收核体之间的相对位移范围核体保持有效的磁通链的方式。

图9a至9c示出了穿过发射器与接收器对的截面，以及针对一系列核体类型所产生的场的比较。为了比较起见，每个发射器和接收器以相同的间隔对准(即，它们的圆柱体是共线的)。将意识到，实际上，场是无限延伸的，因此出于图示目的，图9a至图9c中的场线表示场的可以用于电力传输的部分，并且表示场的比较形状。

图9a示出了发射器9和接收器10，二者都包括本发明的核体1、1’(还如图5中所示)。如可以看出的，场线从发射器柱体3连结到接收器柱体3’，经过接收器盘2’，然后从接收器圆柱体4’连结到发射器圆柱体4。这是因为此路径相比于从发射器柱体3至发射器圆柱体4的路径(如由虚线所示的)具有更低的磁阻(因而被首选)。用于比较，图9b示出了发射器21和接收器10，其中发射器包括规则的罐状核体22，而接收器10包括本发明的核体1’。在此情形下，尽管它们的间隔与图9a的发射器和接收器之间的间隔相同，但是不存在从发射器柱体25至接收器柱体3’、接收器盘2’、接收器圆柱体4’并回到发射器圆柱体26的磁通链。这是因为直接从发射器柱体25至发射器圆柱体26的路径相比于经由接收器的路径(如由虚线所示)而言具有更低的磁阻(因而被首选)。再者，正如图8a和图8b的解释，本发明的核体1提供了可以由额外的绕组占据的体积(体积C)，并且更多的绕组增加了场的强度和大小。这展示了对于更大的间隔而言本发明的核体是如何保持磁通链的。

图9c示出了发射器9和接收器27，其中发射器9包括本发明的核体1，而接收器27包括规则的罐状核体22’。正如图9a，场线从发射器柱体3连结到接收器柱体25’，经过接收器核体22’，然后从接收器圆柱体26’连结到发射器圆柱体4。然而，由于更长的接收器圆柱体(与图9a和图9b的接收器圆柱体4’相比)的原因，场线可以在不穿过接收器核体22’的块的情况下直接从接收器柱体25’行进至接收器圆柱体26’。此行为由两个场线28展示。因此，在接收器中具有罐状核体可能不如本发明的核体一样有效。

图10a至图10i和图11a至图11i示出了两个发射器与接收器对在一系列相对位移上的一系列场。图10a至图10i对应于图9a的发射器9与接收器10对，而图11a至图11i对应于图9b的发射器21与接收器10对。如将通过对两组图进行比较所看出的，本发明的核体使得能够针对接收核体和发射核体之间的更大的相对位移范围保持有效的磁通链。

相对位移可以包括横向位移(即，与盘平行的平面上的位移)、纵长位移(即，垂直于与盘平行的平面的位移)或者这二者的组合。

有效的磁通链可以视为发射器和接收器之间的足够用于传输电力的磁通链。什么被视为“足够”，将取决于特定应用，包括：

·负载的电力需求；以及

·可容许的能量损失量(即，所需要的效率级别)。

因此，如果图中所示的场线表示场的可以用于电力传输的部分的上限，则穿过接收器的场指示存在有效的磁通链。例如，图10a和图11a示出了有效的磁通链，而图10i和图11i没有。本领域技术人员将意识到，在图10a至图10i和图11a至图11i上使用的单数场线不表达实际场的复杂性，图中所使用的场线仅仅作为说明而绘制。

相对位移范围是发射核体和接收核体之间仍然存在足够电力传输的相对位移范围。相对位移范围的下界将是0——也就是说，发射核体和接收核体在它们之间没有间隔的情况下相互对准的情况。然而，相对位移范围的上限取决于特定发射器与接收器对的特性。特别地，上限可以取决于下列互相关联的因素中的至少一些：

·核体的体积；

·核体的电感；

·核体中的绕组的数目；

·绕组的尺寸；

·供应到发射器绕组的电流；

·接收器中所使用的核体的类型；

·核体的各部分的相对几何形状；

·发射器的绕组和接收器的绕组之间的相对角度。

本领域技术人员将意识到发射器与接收器对将在考虑这些因素的情况下进行设计，并且根据特定情况的优先级可以对它们赋予不同的权重。例如，在发射器必须配合在一定体积内部的情况下，这将决定核体的体积。于是，核体的各部分的厚度(因此，核体的电感)将需要针对能够配合在核体内部以确保存在高达可容许上限的足够电力传输的绕组数来进行平衡。在另一示例中，发射器与接收器对可以设计成确保大的上限，该大的上限将要求具有更大数目的绕组的更大的核体。这两个示例展示了相对位移范围的上限依赖于这些因素和发射器与接收器对的所需操作特性。

不过，图10a至图10i和图11a至图11i展示了，对于固定体积的核体，本发明的核体是一种改进，并且提供了更大的相对位移范围。

例如，对于特定的纵长位移，标准的核体和本发明的核体二者都保持有效的磁通链。这由图10a和图11a示出。对于更长的纵长位移，标准的核体可能不再保持有效的磁通链，而本发明的核体将保持。此差异通过图11d和图10d的比较示出。然后，对于再更长的纵长位移(相对位移范围的上限)，本发明的核体可能不再保持有效的磁通链。此阈限存在于图10d和图10g之间的某处。

因而，已经示出了柱体比圆柱体从盘延伸得更远而使得能够针对接收核体和发射核体之间的相对位移范围保持有效的磁通链，其中相比于柱体未延伸得更远的类似的核体而言，该范围将更大。

另外的益处来源于核体的几何形状，在于核体用作屏蔽体，这使得在核体和绕组“后面”(处于非发射侧或非接收侧)的磁通量最小化。这在图8a中通过发射器之下的缺少的场来示出。这样的屏蔽体具有两个主要益处：

·它使相邻于核体和绕组的金属组件中产生的涡电流所造成的损耗最小化；以及

·它保护电子组件免受泄露的磁场所造成的干扰。

这样的发射器或接收器可以结合到如图12中所示出的连接器29中。这样的连接器可以包括合适的电缆30，电缆30将连接器的端部连接到另外的电子组件(未示出)。连接器可以容置用于控制发射器9或接收器10的电路13、14的全部或部分。连接器可以包括罐体31以将核体1和绕组11装入。罐体确保了核体和绕组受到保护，并且罐体还用来排走热量。

如先前提及的，发射器和接收器可以适配于容纳通信系统，所述通信系统可以用来从发射器至接收器进行通信，且反之亦然。本领域技术人员将意识到，存在适合于建立这样的数据链路的许多通信系统，诸如：光学系统、无线电系统、近场通信(NFC)系统、以及依赖于对施加到绕组的信号进行调制的系统。对于依赖于视线(光学)或天线的那些系统，将通信系统设置在核体和绕组的后面或许是不切实践的。特别地，核体可能阻挡视线连接或者它可能屏蔽由天线产生的场。此外，一些系统可能依赖于天线之间的紧密靠近(例如，NFC)。因此，借助于核体中的提供接入核体的非发射侧或非接收侧的通道，通信系统或通信系统的部分可以位于核体的发射侧或接收侧上。用于控制通信系统的电路可以结合到用于发射器和接收器的电路中。

转到图5，核体1、1’中穿过盘2、2’和柱体3、3’的通道5提供了针对天线32、32’的接入。天线位于核体的发射侧和接收侧上，而通信系统的其余部分处于核体的另一侧上的某位置。发射器天线32适配于连接至发射器电路13，接收器天线32’适配于连接至接收器电路14。

先前已经提及的核体的另一方面是在盘中提供的、用以允许绕组进入到核体中的开口。图13a至图13c示出了在各种核体配置下的场。图13a示出了图1的核体1中的场。该场在径向地向内扩散到盘中之前，沿着圆柱体4行进，然而沿着柱体3，再回到圆柱体。在截去部8，场从截去部周围经过。通过使截去部延伸到盘的边缘33，场将不会倾斜为环绕开口。用于比较，图13b示出了类似的核体34，但是其中开口是孔洞35。这些孔洞产生了干扰磁通路径，从而场环绕孔洞。此场致使核体中产生热并且导致能量损耗。将注意到，图13a和图13b中的两个核体包括中心孔洞6、36。在此情况下，所述中心孔洞不引起干扰磁通路径，这是由于所述孔洞不在场的路径中。换言之，核体可以说成是包括开口，并且如果这些开口处于磁场的路径中，则开口应当延伸到边缘。

在图13a的核体1中，盘2和圆柱体4是独立的。如果它们形成在一起，则开口8就不再是截去部，而是另一孔洞(导致上面指出的问题)。因此，通过在圆柱体4中包括槽37，开口可以制成延伸到圆柱体的边缘，如图13C中所示。这样，开口不会提供干扰磁通路径。于是，圆柱体会被分段成两个半圆柱体。

虽然已经通过对本发明实施例的描述说明了本发明，并且虽然已经详细地描述了实施例，但是申请人的意图不是要将所附权利要求的范围限制为或以任何方式局限于这样的细节。对于本领域技术人员而言额外的优点和修改将是容易显现的。因此，本发明在其更广义的方面上不限于所示出和描述的具体细节、代表性的装置和方法、以及图示的示例。因此，在不偏离申请人的总发明构思的精神或范围的情况下可以根据这样的细节作出改变。

Claims (15)

1.一种透磁核体，用于包括在无线电力传输系统的无线电力发射器或无线电力接收器中的至少一种中，其中，所述无线电力发射器和所述无线电力接收器具有相对位移范围，所述透磁核体包括圆形的基部，所述基部具有从基部延伸出的第一部分和第二部分，所述第二部分至少部分地包围所述第一部分，其中，所述第一部分比所述第二部分从所述基部延伸得更远，以在所述无线电力接收器距离无线电力发射器的整个相对位移范围上保持有效的磁通链。

2.如权利要求1所述的透磁核体，其中，相对位移是横向位移和/或纵向位移。

3.如权利要求1所述的透磁核体，其中，所述第一部分比所述第二部分从所述基部延伸得远至少20％。

4.如权利要求1所述的透磁核体，其中，所述第二部分至少部分地包围所述第一部分。

5.如权利要求1所述的透磁核体，其中，所述基部包括至少一个开口，所述至少一个开口允许从所述基部的一侧接入到所述第一部分和所述第二部分之间所提供的空间。

6.如权利要求5所述的透磁核体，其中，所述至少一个开口延伸到所述基部的边缘。

7.如权利要求1所述的透磁核体，其中，所述基部是盘。

8.如权利要求7所述的透磁核体，其中，所述第一部分从所述盘的中心垂直延伸，所述第二部分在与所述第一部分相同的方向上从所述盘的边缘延伸。

9.如权利要求1所述的透磁核体，其中，所述第一部分和所述基部包括通道，所述通道容许通信系统从所述核体的一侧穿过到达所述核体的另一侧。

10.一种用在无线电力传输系统中的发射器或接收器，包括绕组和如前述权利要求中任意一项所述的透磁核体，其中，所述绕组在所述第一部分和所述第二部分之间的第一空间中至少部分地包围所述第一部分。

11.如权利要求10所述的发射器或接收器，其中，所述绕组至少部分地占据包围比所述第二部分延伸得更远的所述第一部分的第二空间。

12.如权利要求11所述的发射器或接收器，其中，所述绕组至少部分地占据如果所述第二部分从所述基部延伸与所述第一部分相同的距离则会由所述第二部分占据的第三空间。

13.如权利要求12所述的发射器或接收器，其中，在所述第一空间、所述第二空间和/或所述第三空间中的绕组包括多个绕组层。

14.一种用在无线电力传输系统中的发射器和接收器，其中，所述发射器和所述接收器都包括绕组和透磁核体，所述透磁核体是如权利要求1中所述的。

15.如权利要求14所述的发射器和接收器，其中，所述绕组布置成偶数个层。