CN104868569B - 用于无线充电的电磁组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线充电的电磁组件，包括用于发射能量的第一部件和用于接收能量的第二部件，其中第一部件包括第一螺线管和第一磁屏蔽装置，第二部件包括第二螺线管和第二磁屏蔽装置；第一磁屏蔽装置至少包覆第一螺线管的端部，其上具有至少一个开口；第二磁屏蔽装置至少包覆第二螺线管的端部，其上具有至少一个开口；在第一部件向第二部件传输能量时，它们被布置为使第一磁芯的与第二磁芯的中心轴线间的夹角在±15°之间，并使第一磁屏蔽装置与第二磁屏蔽装置的开口彼此相对。本发明通过使用螺线管和其上具有开口的磁屏蔽装置，实现了无线充电的较高的能量耦合度，且不受电子产品的金属外壳影响也不增加电子产品的厚度。

Description

用于无线充电的电磁组件

技术领域

本发明涉及无线充电技术，尤其涉及一种用于无线充电的电磁组件。

背景技术

电子产品尤其是智能终端如3G和4G手机、平板电脑、轻薄型电脑的快速发展对大容量电池的要求迅速提高。一方面，智能终端的运算处理能力以及高清晰度显示技术的发展需要更多的电力支持；另一方面，智能终端的轻薄化发展限制了在有限空间内能够容纳的电池体积。而且，由于现阶段电池能量密度无法有显著提升，电池的续航时间和电量快速消耗成为终端用户体验的瓶颈。因此，有必要开发各种便利的充电装置和方法。

一些充电装置是有线充电，即需要将通用电源通过线缆和适配器连接到移动电子产品的接触端子。然而，由于接触端子往往暴露在外，在潮湿的环境中会产生表面腐蚀从而影响正常的充电过程。另外，由于有线充电的用户体验不够方便，人们更倾向于无需充电线缆和充电接触端子的无线充电方式。

常规的无线充电方法有多种，包含使用电磁感应(或称电感耦合)和磁共振的方法。在这两种方法的已知示例中，使用的皆是平面式的初级线圈和次级线圈。这些线圈可以呈椭圆或圆形。这些次级平面线圈必须平行设置于电子产品的表面才能够与同样平行设置于充电板的表面的初级线圈实现电磁感应，其要求是两个表面相对、接近且初级线圈与次级线圈对准。图1、2示出了基于电磁感应的无线充电的结构和原理，如图1所示，电子产品1上设置有平面线圈20，作为接收线圈；充电板2上设置有平面线圈10，作为发射线圈。工作时，将电子产品1靠近充电板2，以使平面线圈20靠近平面线圈10，平面线圈10通电，通过电磁感应，在平面线圈20中激励产生电流对电子产品1充电。

如上述的初级线圈10被设置在充电板2的表面，并为了保护和电绝缘，其上采用了非金属材料外壳覆盖。如上述的次级线圈20被设置在电子产品1的表面，其上也采用了非金属材料外壳覆盖用以保护和电绝缘。然而，这种常规线圈的问题是，在电子产品的外壳由于美观等因素须为金属材质时，无法使用无线充电，这是因为电磁场会被金属屏蔽。而且显然地，将线圈元件覆盖在产品外壳之上是无法令人接受的，因为这直接破坏了产品设计的外观美感。其次，在追求超薄厚度的电子产品中，在原有产品厚度上额外增加感应线圈的厚度也是不期望的。

另外，在电磁感应的情形，使用这种常规线圈要求电子产品和充电板必须以表面相互贴近的方式才能进行电力传输。否则初级和次级线圈的耦合系数会减小，无线充电效率会大为降低。简而言之，就是无线充电的空间自由度不够。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于无线充电的电磁组件，解决现有技术的无线充电的空间自由度不够的问题。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种用于无线充电的电磁组件，包括用于发射能量的第一部件和用于接收能量的第二部件，其特征在于，所述第一部件包括第一螺线管和第一磁屏蔽装置，所述第二部件包括第二螺线管和第二磁屏蔽装置；所述第一磁屏蔽装置至少包覆所述第一螺线管的端部，其上具有至少一个开口；所述第二磁屏蔽装置至少包覆所述第二螺线管的端部，其上具有至少一个开口。

进一步地，所述第一螺线管包括第一磁芯和卷绕在所述第一磁芯上的第一线圈，所述第二螺线管包括第二磁芯和卷绕在所述第二磁芯上的第二线圈；所述第一磁屏蔽装置至少包覆所述第一磁芯未被所述第一线圈卷绕的部分，所述第二磁屏蔽装置至少包覆所述第二磁芯未被所述第二线圈卷绕的部分。

进一步地，所述第一磁芯和所述第二磁芯皆为长条形。

进一步地，所述第一磁芯和所述第二磁芯皆为柱状磁芯。

进一步地，所述第一磁屏蔽装置还至少包覆所述第一线圈接近所述第一磁芯的两个端部的部分，所述第二磁屏蔽装置还至少包覆所述第二线圈接近所述第二磁芯的两个端部的部分。

进一步地，所述第一磁屏蔽装置的内表面到所述第一磁芯的外表面之间的距离不大于5毫米；其中所述第二磁屏蔽装置的内表面到所述第二磁芯的外表面之间的距离不大于5毫米。

进一步地，所述第一磁芯和所述第二磁芯的横截面为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形或多边形。

进一步地，在所述第一部件向所述第二部件传输能量时，所述第一部件和所述第二部件被布置为使所述第一螺线管的中心轴线与所述第二螺线管的中心轴线间的夹角在±15°之间，并使所述第一磁屏蔽装置的所述开口与所述第二磁屏蔽装置的所述开口彼此相对，较佳地为一一对应地彼此相对。

进一步地，在所述第一部件向所述第二部件传输能量时，所述第一部件和所述第二部件被布置为使所述第一磁芯的中心轴线与所述第二磁芯的中心轴线间的夹角在±15°之间，并使所述第一磁屏蔽装置的所述开口与所述第二磁屏蔽装置的所述开口彼此相对，较佳地为一一对应地彼此相对。

进一步地，所述第一部件向所述第二部件传输能量的方式为电磁感应或磁共振。

进一步地，所述第一部件和所述第二部件是可互换的。

本发明的用于无线充电的电磁组件能够克服常规电磁线圈无法应用在带有金属外壳的薄型电子产品上、或是能应用在非金属外壳的薄型电子产品上但又不理想地增加了产品的厚度、亦或是带来空间自由度的不足的缺陷。应用了本发明的用于无线充电的电磁组件的无线充电装置由于采用了带有部分屏蔽的柱状磁芯的螺线管，使得能量接收和发射装置可以比其他类似装置更加高效率地进行无线充电和传输能量。该装置可安置于薄型电子产品例如平板电脑和充电板的边侧，从而不会增加这些薄型电子产品厚度。并且由于本发明使用的螺线管具有较小的宽度，将其安装在边侧能够允许电子产品的主体使用金属外壳，并且基本不会影响电子产品外观。另外，还实现了无论薄型电子产品处于何种绕磁芯轴向的旋转角度，均可从充电板高效率地获取电力，这得益于带有部分屏蔽的用于发射能量的柱状磁芯的螺线管和用于接收能量的柱状磁芯的螺线管始终能保持较高的耦合度，从而增加了无线充电的空间自由度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术的基于电磁感应的无线充电的装置的示意图。

图2是基于电磁感应的无线充电的原理示意图

图3显示了在一个较佳的实施例中，本发明的用于无线充电的电磁组件的结构示意图。

图4是图3所示的电磁组件中的一个磁屏蔽装置的一种结构的示意图。

图5是图3所示的电磁组件中的一个部件的一种组装方式的示意图。

图6是图3所示的电磁组件中的一个磁屏蔽装置的第二种结构的示意图。

图7是图3所示的电磁组件中的一个磁屏蔽装置的第三种结构的示意图。

图8是图3所示的电磁组件中的一个磁屏蔽装置的第四种结构的示意图。

图9是图3所示的电磁组件中的一个磁屏蔽装置的第五种结构的示意图

图10显示了图4所示的磁屏蔽装置及螺线管的部分横截面的示意图。

图11显示了未套设磁屏蔽装置的图3所示的电磁组件的两个部件之间的磁场。

图12显示了套设了磁屏蔽装置的图3所示的电磁组件的两个部件之间的磁场。

图13是应用了本发明的用于无线充电的电磁组件的无线充电的装置的示意图。

具体实施方式

如图3所示，在本发明的一个较佳的实施例中，本发明的用于无线充电的电磁组件包括用于发射能量的第一部件100和用于接收能量的第二部件200，其中，第一部件100用于安装在诸如充电板的充电装置上，第二部件200用于安装在电子产品上。

如图所示，第一部件100包括第一螺线管和第一磁屏蔽装置，其中的第一螺线管由第一磁芯110和其上卷绕的第一线圈111构成，第一磁屏蔽装置为套设在第一螺线管的两个端部上以至少包覆第一螺线管的两个端部的部分121、122；第二部件200包括第二螺线管和第二磁屏蔽装置，其中的第二螺线管由第二磁芯210和其上卷绕的第二线圈211构成，第二磁屏蔽装置为套设在第二螺线管的两个端部上以至少包覆第二螺线管的两个端部的部分221、222。

本实施例中，第一磁芯110和第二磁芯210为长条形，具体地为柱状磁芯，其横截面可以为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形或其他多边形或曲变形(即至少其部分的边为曲线的平面图形)。可以采用任何市售的磁芯作为第一磁芯110和第二磁芯210，或者定制。较佳地，在第一磁芯110被设计为具有工字型的纵截面，即如图5所示地，第一磁芯110的中部110c的侧表面比其两个端部110a、110b的侧表面更接近其中轴线。第二磁芯210的结构与第一磁芯110相同，在此不赘述。第一线圈111卷绕在第一磁芯110的侧表面上，本例中其不卷绕到接近第一磁芯110的两个端面的表面部分(即第一磁芯110的两个端部110a、110b)，而仅卷绕在第一磁芯110的中部110c上。即如图所示地，第一磁芯110的两个端部110a、110b是暴露在第一线圈111之外的。同样地，第二线圈211卷绕在第二磁芯210的侧表面上，通常不卷绕到接近第二磁芯210的两个端面的表面部分(即第二磁芯210的两个端部)。需要说明的是，本发明的用于无线充电的电磁组件中的第一磁芯110和第二磁芯210并不需要完全相同，由此第一螺线管和第二螺线管不需要完全相同。另外，还可以使用没有磁芯的第一、第二螺线管形成第一、第二部件。

第一磁屏蔽装置的两个部分121、122和第二磁屏蔽装置的两个部分221、222由磁屏蔽材料制作。常见的磁屏蔽材料有铁磁材料，如纯铁、硅钢、坡莫合金(铁镍合金)等，它们适用于低频的工作场景，例如工作频率一般在直流到30kHz范围内。其高的磁导率可引导磁力线通过磁屏蔽材料本身并在附近空间降低磁通密度而达到屏蔽目的。而在高频(工作频率在1kHz以上范围内)情况下，由于磁性损耗(磁滞和涡流)高，铁磁材料会引起高损耗，所以可用金属良导体制作屏蔽材料，也可以使用软磁材料或铁氧体材料。较佳地，可以采用这些材料的组合形成多层屏蔽以加强屏蔽效果，也可以采用金属良导体材料的网状、梳状结构或孔洞阵列以加强屏蔽效果。

本实施例中，第一磁屏蔽装置的两个部分121、122和第二磁屏蔽装置的两个部分221、222的结构相同，以下以第一磁屏蔽装置的两个部分121、122为例说明。参见图4，两个部分121、122用于分别套设在第一螺线管的两个端部以包覆这两个端部，因此较佳地具有与第一螺线管的两个端部匹配的形状。例如本实施例中，第一螺线管的两个端部为第一磁芯110的两个端部，两个部分121、122的内表面的形状应该与第一磁芯110的两个端部的外表面的形状匹配，由此当第一磁芯110的两个端部套设在两个部分121、122之中时，两个部分121、122的内表面到第一磁芯110的两个端部的外表面之间为等间距或近似等间距的。另外，两个部分121、122还可以包覆部分的第一线圈111，具体地为包覆第一线圈111的靠近第一磁芯110的端面的部分。两个部分121、122除了具有用于让第一螺线管进入的开口1210、1220(参见图5)，其上还设置有开口1211、1221，用于作为磁场耦合的窗口。较佳地，开口1211、1221分别地正对第一磁芯110的两个端部110a、110b。图中示出的开口1211、1221为矩形，但其也可以采用其他的形状。

在工作时，第一磁屏蔽装置的两个部分121、122和第二磁屏蔽装置的两个部分221、222上的开口应该一一对应地彼此相对，较佳地，彼此相对的两个开口应该具有相同的形状和大小。这是在组装第一部件100和第二部件200时需要注意的。

图5给出了一种组装第一部件100的方式：先将部分121固定在电子产品上，一般固定在产品外壳内部一个侧边的一个端部处；然后将卷绕有第一线圈111的第一磁芯110的一个端部110a从部分121的开口1210插入部分121内；然后将部分122套设在第一磁芯110的端部110b上。其他组装的方式也是明显的，只要最终两个部分121、122被套设在第一磁芯110的两个端部110a、110b上，且两个部分121、122中的至少一个被固定在电子产品上即可。

第一、第二磁屏蔽装置并不需要为两个部分，其还可以是由一个部分构成的，如图6-9所示出的第一磁屏蔽装置的四种其他结构。在这些结构中，第一磁屏蔽装置220、320、420、520包覆了整个第一螺线管。其中，第一磁屏蔽装置220为中空的圆柱形，其上开设有两个开口2211、2221，用于作为磁场耦合的窗口。较佳地，开口2211、2221分别地正对第一磁芯110的两个端部110a、110b。第一磁屏蔽装置320为中空的方柱形，其上开设有两个开口3211、3221，用于作为磁场耦合的窗口。较佳地，开口3211、3221分别地正对第一磁芯110的两个端部110a、110b。第一磁屏蔽装置420为中空的方柱形，其上开设有一个长条形的开口4201，用于作为磁场耦合的窗口。较佳地，开口4201包括分别地正对第一磁芯110的两个端部110a、110b的开口部分。第一磁屏蔽装置520为中空的方柱形，其上开设有两个开口5211、5221，用于作为磁场耦合的窗口。较佳地，开口5211、5221分别地具有正对第一磁芯110的两个端部110a、110b的部分，且还分别地具有正对第一磁芯110的两个端面的部分。

无论第一、第二磁屏蔽装置采用怎样的结构，如前所述地，其内表面较佳地具有与第一螺线管的两个端部匹配的形状。更优选地，如图10所示，第一磁屏蔽装置的一个部分121的内表面到第一磁芯110的外表面(或第一线圈111的外表面，如果其也同时包覆至少部分的第一线圈111)之间的距离h不大于5mm。

如上设计的第一、第二磁屏蔽装置对于第一部件100和第二部件200之间的能量传输效力是关键的。如图11所示，未套设第一、第二磁屏蔽装置的第一、第二螺线管之间的磁场弥散在整个空间内；而如图12所示，套设第一、第二磁屏蔽装置的第一、第二螺线管之间的磁场则被限制在部分的空间内了。即，本发明所使用的磁屏蔽装置能够有效降低无线充电装置对外界的电磁干扰，使得磁通密度更多地集中于发射能量的第一部件100和接收能量的第二部件200之间，由此提高无线充电和无线供电的效率。如图12所示，在这种情况下，仅有少量磁通密度穿过磁屏蔽装置到达外部空间。而图11的情况下，会有更多的磁通密度穿过临近的电子设备极其组件，这样会造成含有导电体的组件例如电池和电路板的涡流发热，也会在电路板，集成电路原件上产生噪声电流环路，因而产生电磁干扰问题。因此可以说，如果没有采用上述的磁屏蔽装置，由于如上所述的涡流发热和电磁干扰，仅依靠螺线管对的设计其实是不能够实现在电子产品中无线充电的实际应用的。

图13显示了应用了本发明的用于无线充电的电磁组件的无线充电的装置，其中第二部件200安装在电子产品1的一个侧边上，第一部件100安装在充电装置上。由此，第一部件100和第二部件200不会为电子产品1的金属材质的外壳干扰，可以进行正常的电磁感应从而能够进行无线充电。

在进行无线充电时，第一部件100到第二部件200的能量耦合效率部分地取决于电感耦合的大小，电感耦合系数越大，效率越高。因此，第一部件100到第二部件200的布置方式能直接影响电感耦合效果。当第一部件100到第二部件200相距较远时，两者间的电感耦合较弱，无线充电的效率较低。反之，当第一部件100到第二部件200相距较近时，效率更高。当第一部件100到第二部件200接近平行时，电感耦合较强，效率较高。因此，将第一部件100和第二部件200布置为：使得第一螺线管和第二螺线管彼此平行或接近平行地并列放置，例如，两者的中心轴线间夹角在±15°之间；即，使得第一磁芯110的中心轴线与第二磁芯210的中心轴线间的夹角在±15°之间；并使得第一磁屏蔽装置的开口1211、1221与第二磁屏蔽装置的两个开口一一对应地彼此相对，如图12所示的那样。

这样，第一部件100的第一线圈111中的变化电场产生围绕周边的变化磁场，通过在第一线圈111与第二线圈211之间的电感耦合，在第二线圈211中产生感应电压和电流，然后可以进一步将第二线圈211获得的能量转化为对电子产品1的供电或对与其电连接的电池的充电。

另外，需要说明的是第一部件100和第二部件200是可互换的，即虽然在本实施例给出的应用中第一部件100用以发射能量，而第二部件200用以接收能量，但在其他应用中，可以使第一部件100用于接收能量，可以使第二部件200用于发射能量。例如，电子产品1上安装的第二部件200用于发射能量，来对其他的电子产品充电(通过该产品上安装的本发明的电磁组件的第二部件)。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于无线充电的电磁组件，包括用于发射能量的第一部件和用于接收能量的第二部件，其特征在于，所述第一部件包括第一螺线管和第一磁屏蔽装置，所述第二部件包括第二螺线管和第二磁屏蔽装置；所述第一磁屏蔽装置至少包覆所述第一螺线管的端部，其上具有至少一个开口；所述第二磁屏蔽装置至少包覆所述第二螺线管的端部，其上具有至少一个开口；

所述第一螺线管包括第一磁芯和卷绕在所述第一磁芯上的第一线圈，所述第二螺线管包括第二磁芯和卷绕在所述第二磁芯上的第二线圈；所述第一磁屏蔽装置至少包覆所述第一磁芯未被所述第一线圈卷绕的部分，所述第二磁屏蔽装置至少包覆所述第二磁芯未被所述第二线圈卷绕的部分；

所述第一磁芯和所述第二磁芯皆为长条形的柱状磁芯；

所述第一磁屏蔽装置还至少包覆所述第一线圈接近所述第一磁芯的两个端部的部分，所述第二磁屏蔽装置还至少包覆所述第二线圈接近所述第二磁芯的两个端部的部分；

其中所述第一磁屏蔽装置的内表面到所述第一磁芯的外表面之间的距离不大于5毫米；其中所述第二磁屏蔽装置的内表面到所述第二磁芯的外表面之间的距离不大于5毫米；

其中所述第一磁芯和所述第二磁芯的横截面为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形或多边形；

其中在所述第一部件向所述第二部件传输能量时，所述第一部件和所述第二部件被布置为使所述第一螺线管的中心轴线与所述第二螺线管的中心轴线间的夹角在±15°之间，并使所述第一磁屏蔽装置的所述开口与所述第二磁屏蔽装置的所述开口彼此相对；

或者，其中在所述第一部件向所述第二部件传输能量时，所述第一部件和所述第二部件被布置为使所述第一磁芯的中心轴线与所述第二磁芯的中心轴线间的夹角在±15°之间，并使所述第一磁屏蔽装置的所述开口与所述第二磁屏蔽装置的所述开口彼此相对；

其中所述第一部件向所述第二部件传输能量的方式为电磁感应或磁共振；

其中所述第一部件和所述第二部件是可互换的。