CN105074850A - 电磁感应线圈 - Google Patents

Abstract

一种一次电磁感应线圈(5)，其将电力供给到通过磁场谐振进行非接触供电的一对一次和二次谐振线圈(6、7)中的一次谐振线圈(6)，该一次电磁感应线圈包括线圈主体(51)和楔部(W)，楔部(W)安装线圈主体(51)的端部，以使端部与其它部分分离。能够通过调节楔部(W)的位置以调节线圈主体(51)的匝数来实现阻抗匹配。

Description

电磁感应线圈

技术领域

本发明涉及一种电磁感应线圈。特别地，本发明涉及在谐振型非接触式供电中使用的电磁感应线圈。

背景技术

近年来，已经关注了不使用电源线和电力传输电缆的无线供电，作为将电力供给到安装在混合动力汽车或电动汽车上的蓄电池的供电系统。作为无线供电的一种技术，已知谐振型技术。

例如，作为谐振型的供电系统，提出了图15所示的供给系统(参见专利文献1)。如图15所示，供电系统100包括一次线圈单元102和二次线圈单元103。一次线圈单元102安装在具有AC(交流电)电源101的电源设施的地等，以在无接触的情况下从AC电源101供电。二次线圈单元103安装在车辆上，以在无接触的情况下从一次线圈单元102受电。

一次线圈单元102包括一次(电源侧)电磁感应线圈104、一次谐振线圈105和一次电容器C1。一次电磁感应线圈104连接到AC电源101。通过电磁感应从一次谐振线圈104向一次谐振线圈105供给电力。一次电容器C1连接到一次谐振线圈105，以调节谐振频率。

二次线圈单元103包括二次(受电侧)谐振线圈106、二次电磁感应线圈107和二次电容器C2。二次谐振线圈106与一次谐振线圈105进行磁场谐振。通过电磁感应从二次谐振线圈106向二次电磁感应线圈107供电，并且二次电磁感应线圈107连接到负载108。二次电容器C2连接到二次谐振线圈106，以调节谐振频率。

根据上述供电系统100，当将来自AC电源101的电力供给到一次电磁感应线圈104时，通过电磁感应将电力输送到一次谐振线圈105。结果，在一次谐振线圈105与二次谐振线圈106之间引起磁场谐振。因此，进行从一次谐振线圈105到二次谐振线圈106的电力的无线传输。另外，通过电磁感应将输送到二次谐振线圈106的电力输送到二次电磁感应线圈107。电力供给到连接于二次电磁感应线圈107的负载108。

然而，当将供电系统100安装在电源设施或车辆上时，发生谐振线圈105与106之间的距离(在下文中简称为“线圈间距离，，)的变化以及谐振线圈105和106的位置偏离。距离变化和位置偏离的发生引起阻抗失配。因此，电力被反射，导致传输效率低下。

现在将参考图16和17对其进行更详细的描述。在供电系统100中，进行阻抗调节，使得当线圈间距离是200mm时传输效率最佳。图16是表示在经受阻抗调节的供电系统100中将线圈间距离设定成等于100mm、200mm、300mm和400mm的各个情况下的谐振线圈105与106之间的S参数S21的频率特性的图表。在供电系统100中，进行阻抗调节，使得当线圈间距离是200mm时传输效率最佳。图17是表示在经受阻抗调节的供电系统100中谐振线圈105和106之间的传输效率与线圈间距离的函数关系的图表。

在传统的供电系统100中，如果线圈间距离变得大于200mm，则谐振线圈105与106之间的耦合相应地变弱，并且S参数S21变低，导致传输效率低下，如图17所示。如果线圈间距离变得小于200mm，则谐振线圈105与106之间的耦合相应地变得太强，并且带来双谐振特性，如图16所示。结果，传输频率(AC电源101的频率)的S参数S21变低，并且传输效率低下。

作为针对上述线圈间距离和位置偏离的对策，通常考虑在一次线圈单元102或二次线圈单元103中(或者在一些情况下，在一次线圈单元102和二次线圈单元103二者中)设置匹配电路，以进行阻抗匹配。可变电容器设置在匹配电路中。能够通过改变电容来执行阻抗匹配。

然而，在传输频率的频率处于KHz区域的情况下，需要具有大电容的电容器。不可避免地使用薄膜电容器或陶瓷电容器。然而，存在难以使薄膜电容器或陶瓷电容器可变的问题。

引用列表

专利文献

专利文献1：JP2009-501510A

发明内容

技术问题

因此，本发明的目的是提供一种电磁感应线圈，该电磁感应线圈在能够进行阻抗调节并且维持高效率的供电系统中使用，而不依赖可变电容器。

解决问题的方案

为了实现以上目的，根据第一方面，一种线圈，该线圈用作通过磁场谐振进行非接触供电的一对谐振线圈、将电力供给到所述一对谐振线圈的电源侧的电磁感应线圈或从所述一对谐振线圈的受电侧接受电力的电磁感应线圈之中的至少一种线圈。该线圈具有线圈主体和配置成调节线圈主体的匝数的调节机构。

优选地，根据第二方面，所述调节机构由安装所述线圈主体的端部并且将所述端部与其它部分分离的安装部构成。

优选地，根据第三方面，所述安装部具有随着位置接近所述线圈主体的所述端部而变高的倾斜面，并且所述线圈主体的所述端部安装在所述倾斜面上。

优选地，根据第四方面，所述调节机构由通过绕回所述线圈主体的一部分而设置的卷回部构成。

优选地，根据第五方面，所述卷回部设置在所述线圈主体的所述端部上。

发明的有益效果

根据第一方面的本发明，能够通过利用调节机构调节线圈主体的匝数来调节阻抗。结果，能够在不依赖可变电容器的情况下进行阻抗调节。因此，能够高效率地进行非接触供电。

根据第二方面的本发明，能够简单地通过移动楔部而调节阻抗。

根据第三方面的本发明，线圈主体的端部能够与其它部分稍微分离。结果，没有负载施加在线圈主体上。

根据第四方面的本发明，能够简单地通过调节卷回部的长度而调节阻抗。

根据第五方面的本发明，能够容易地设置卷回部。

附图说明

图1是图示出第一实施例中的包含根据本发明的电磁感应线圈的供电系统的图；

图2是图示出第一实施例中的供电系统的变形例的图；

图3是图示出第一实施例中的供电系统的变形例的图；

图4是图示出第一实施例中的供电系统的变形例的图；

图5是图示出第一实施例中的供电系统的变形例的图；

图6是图示出第一实施例中的供电系统的变形例的图；

图7是图示出第二实施例中的包含根据本发明的电磁感应线圈的供电系统的图；

图8是图示出通过关于传统物品和具有卷回部(turnbackportion)的本发明物品实际测量传输效率与线圈间距离的函数关系而得到的结果的图；

图9是图示出通过关于传统物品和具有卷回部的本发明物品实际测量电力损耗率与线圈间距离的函数关系而得到的结果的图；

图10是图示出第二实施例中的供电系统的变形例的图；

图11是图示出第二实施例中的供电系统的变形例的图；

图12是图示出第二实施例中的供电系统的变形例的图；

图13是图示出第二实施例中的供电系统的变形例的图；

图14是图示出第二实施例中的供电系统的变形例的图；

图15是图示出传统的供电系统的实例的图；

图16是表示在供电系统中将线圈间距离设定成等于100mm、200mm、300mm和400mm的各个情况下的谐振线圈之间的S参数S21的频率特性的图表，该供电系统经受阻抗调节以使得当线圈间距离是200mm时传输效率最佳，以及

图17是表示在供电系统中谐振线圈之间的传输效率与线圈间距离的函数关系的图，该供电系统经受阻抗调节以使得当线圈间距离是200mm时传输效率最佳。

参考标记列表

5一次电磁感应线圈(线圈，电磁感应线圈)

6一次谐振线圈(线圈，谐振线圈)

7二次谐振线圈(线圈，谐振线圈)

9二次电磁感应线圈(线圈，电磁感应线圈)

51线圈主体

91线圈主体

W楔部(调节机构，安装部)

W1倾斜面

T卷回部(调节机构)

具体实施方式

第一实施例

在下文中，将参考图1描述第一实施例中的包含根据本发明的电磁感应线圈的供电系统。如图1所示，供电系统1包括一次线圈单元3和二次线圈单元4。一次线圈单元3安装在具有AC电源2的电源设施的地等，以在无接触的情况下从AC电源2供电。二次线圈单元4安装在车辆上，以在无接触的情况下从一次线圈单元3受电。

一次线圈单元3包括一次电磁感应线圈5、一次谐振线圈6和一次电容器C1。一次电磁感应线圈5连接到AC电源2。通过电磁感应从一次电磁感应线圈5向一次谐振线圈6供给电力。一次电容器C1连接到一次谐振线圈6，以调节谐振频率。一次电磁感应线圈5对应于权利要求中的电磁感应线圈和线圈。一次谐振线圈6对应于权利要求中的一对谐振线圈中所包括的供电侧线圈。

二次线圈单元4包括二次谐振线圈7、二次电磁感应线圈9和二次电容器C2。二次谐振线圈7与一次谐振线圈6进行磁场谐振。二次电磁感应线圈9用作电磁感应线圈，通过电磁感应从二次谐振线圈7向该电磁感应线圈供电，并且该电磁感应线圈连接到负载8。二次电容器C2连接到二次谐振线圈7，以调节谐振频率。二次电磁感应线圈9对应于权利要求中的电磁感应线圈。二次谐振线圈7对应于权利要求中的一对谐振线圈中所包括的受电侧线圈。

一次电磁感应线圈5、一次谐振线圈6、二次谐振线圈7和二次电磁感应线圈9中的每个线圈都以卷绕状缠绕在未示出保持部件诸如基板这样上并且形成。一次电磁感应线圈5和一次谐振线圈6在同一轴线上安置成互相分离。一次电磁感应线圈5和一次谐振线圈6安置成轴向沿着一次线圈单元3与二次线圈单元4互相对置的方向，即，沿着竖直方向。

二次谐振线圈7和二次电磁感应线圈9也在同一轴上安置成互相分离，并且安置成轴向沿着竖直方向的。因此，当一次线圈单元3与二次线圈单元4互相对置时，一次电磁感应线圈5、一次谐振线圈6、二次谐振线圈7和二次电磁感应线圈9安置在同一轴上。

根据上述供电系统1，当将来自AC电源2的电力供给到一次电磁感应线圈5时，以与传统系统相同的方式通过电磁感应将电力输送到一次谐振线圈6。结果，在一次谐振线圈6与二次谐振线圈7之间引起磁场谐振。因此，进行从一次谐振线圈6到二次谐振线圈7的电力的无线传输。另外，通过电磁感应将输送到二次谐振线圈7的电力输送到二次电磁感应线圈9。电力供给到连接于二次电磁感应线圈9的负载8。

现在将描述作为本发明的特征的一次电磁感应线圈5的实例。一次电磁感应线圈5包括线圈主体51和充当用于调节线圈主体的匝数的调节机构的楔部W，该楔部W安装线圈主体51的第一端部(在该实施例中，外侧的端部)，并且使该第一端部与其它部分分离。调节机构由安装部构成。线圈主体51包括具有挠曲性的线材。如上所述，线圈主体51安置在未示出的保持部件诸如基板上。具有挠曲性的线材以圆形卷绕形式缠绕。

楔部W安装在线圈主体51所安置的平板上。楔部W设置成大致箱形。楔部W设置成沿着线圈主体51的缠绕方向Y1的细长状。楔部W设置成沿着缠绕方向Y1弯曲。倾斜面W1设置在楔部W上。随着位置接近线圈主体51的第一端部，倾斜面W1变高。线状容纳槽W2设置在倾斜面W1上，以容纳线圈主体51的第一端部。线圈主体51的第一端部容纳在线状容纳槽W2中。

线圈主体51的第一端部，即，安装在楔部W上的部分，在高度方向上与其它部分分离。因此，线圈主体51的安装在楔部W上的该部分并不有助于展现为线圈的功能。如果楔部W向与线圈主体51的第一端部分开的一侧移动，则楔部W在图1中顺时针移动。结果，安装在楔部W上的线圈主体51的端部的长度增大，并且能够减少线圈主体51的匝数。

另一方面，如果楔部W朝着线圈主体51的第一端部移动，则楔部W在图1中逆时针移动。结果，安装在楔部W上的线圈主体51的端部的长度减小，并且能够增加线圈主体51的匝数。

在一些情况下，例如，由于一次线圈单元3和二次线圈单元4的安装环境，线圈间距离D是大的。在这种情况下，在上述供电系统1中，楔部W在图1中顺时针移动，以减少线圈主体51的匝数。结果，能够通过减少线圈主体51的匝数，即，电感L和互感M，来实现阻抗匹配。另一方面，在线圈间距离D小的情况下，通过使楔部W在图1中逆时针移动来增加线圈主体51的匝数。

结果，能够通过增加线圈主体51的匝数，即，电感L和互感M，而实现阻抗匹配，以消除双谐振特性。结果，能够高效率地进行阻抗调节和进行非接触供电，而不依赖可变电容器。此外，能够简单地通过移动楔部W而调节阻抗。

根据上述供电系统1，随着位置接近线圈主体51的第一端部而变高的倾斜面W1设置在楔部W上，并且线圈主体51的第一端部安装在倾斜面W1上。结果，线圈主体51的端部能够与其它部分轻微分离，并且因此，没有负载施加到线圈主体51上。

在上述第一实施例中，楔部W设置在以卷绕状缠绕的一次电磁感应线圈5中。然而，能够设置楔部W的线圈的形状不限于此。线圈的形状可以是其它公知的形状。例如，如图2所示，可以想到将楔部W设置在以螺旋状缠绕的一次电磁感应线圈5中。以与第一实施例相同的方式将楔部W安装在保持一次电磁感应线圈5的线圈主体51的保持部件(未示出)诸如绕线筒上。在图2中，一次谐振线圈6、二次谐振线圈7和二次电磁感应线圈9也以螺旋状缠绕并且形成。在这种情况下，也能够实现与第一实施例的效果相似的效果。

在上述第一实施例和图2所示的变形例中，仅将线圈主体51的第一端部安装在楔部W上。然而，本发明不限于此。可以仅将线圈主体51的第二端部安装在楔部W上。可以将线圈主体51的两端部都安装在楔部W上。

在上述第一实施例和图2所示的变形例中，仅将楔部W设置在一次电磁感应线圈5中。然而，本发明不限于此。例如，可以仅将楔部W设置在二次电磁感应线圈9中。可以将楔部W设置在一次电磁感应线圈5和二次电磁感应线圈9二者中。

在上述第一实施例和图2所示的变形例中，一次电磁感应线圈5、一次谐振线圈6、二次谐振线圈7和二次电磁感应线圈9每一者都被设置成轴线在竖直方向上。然而，线圈的安置不限于此。例如，可以想到如图3所示地安置线圈。

如图3所示，一次电磁感应线圈5和一次谐振线圈6以螺旋状围绕平板状一次芯10缠绕。结果，一次电磁感应线圈5和一次谐振线圈6安置在同一轴线上。二次谐振线圈7和二次电磁感应线圈9也以螺旋状围绕平板状二次芯11缠绕。结果，二次谐振线圈7和二次电磁感应线圈9安置在同一轴线上。

一次芯10和二次芯11并排安置以互相平行。因此，一次电磁感应线圈5、一次谐振线圈6、二次谐振线圈7和二次电磁感应线圈9每一者的轴线都安置在水平方向上。水平方向是和一次线圈单元3与二次线圈单元4互相对置的方向垂直的方向。

以与第一实施例相同的方式，上述一次电磁感应线圈5包括线圈主体51和楔部W。楔部W安装在作为保持部件的一次芯10上。楔部W设置成沿着线圈主体51的缠绕方向的细长状。楔部W以沿着线圈主体51的缠绕方向的细长形式设置。楔部W沿着缠绕方向以直线形式设置。倾斜面W1设置在楔部W上。随着位置接近线圈主体51的第一端部，倾斜面W1变高。线状容纳槽W2设置在倾斜面W1上，以容纳线圈主体51的端部。线圈主体51的端部容纳在线状容纳槽W2中。

在图3所示的变形例中，楔部W还设置在二次电磁感应线圈9中，以安装线圈主体91的第一端部，并且将该第一端部与其它部分分离。同样在图3所示的变形例中，能够通过以与第一实施例相同的方式移动楔部W并且改变各个线圈主体51和91的匝数来实现阻抗匹配。

在图3所示的变形例中，楔部W设置在一次电磁感应线圈5和二次电磁感应线圈9二者中。然而，本发明不限于此。可以仅将楔部W设置在一次电磁感应线圈5中。可选择地，可以仅将楔部W设置在二次电磁感应线圈9中。

在上述第一实施例及其变形例中，一次电磁感应线圈5和二次电磁感应线圈9每一者都安装在楔部W上。然而，本发明不限于此。例如，如图4所示，谐振线圈6和7可以分别包括线圈主体61和71及楔部W。在图4所示的实例中，谐振线圈6和7形成为卷绕状。然而，如图5所示，楔部W可以设置在螺旋谐振线圈6和7中。如图6所示，楔部W可以设置轴线安置在水平方向上的谐振线圈6和7中。

结果，认为谐振线圈6和7的谐振频率不仅由于线圈间距离D的变化而偏离，而且由于谐振线圈6和7、电容器C1和C2、铁氧体和线圈绕线筒的制造上的变化而偏离。然而，变得能够通过调节楔部W的位置来修正谐振频率，以调节谐振线圈6和7的电感。结果，能够进行阻抗调节。

在上述第一实施例及其变形例中的楔部W中，设置了倾斜面W1和线状容纳槽W2。然而，本发明不限于此。可以不设置倾斜面W1和线状容纳槽W2。

第二实施例

现在将参考图7描述第二实施例中的包含根据本发明的电磁感应线圈的供电系统1。第二实施例与第一实施例的不同之处在于调节机构的构造。其它部分与图1所示的第一实施例的部分相似。因此，将省略其它部分的详细描述。在第一实施例中，设置楔部W作为调节机构。在第二实施例中，通过绕回(windingback)线圈主体51的第一端部而设置的卷回部T变为调节机构。

在卷回部T中，从互相相邻的、沿着缠绕方向的部分和沿着绕回方向的部分所产生的磁通量互相抵消。因此，卷回部并不有助于展现为线圈的功能。因此，如果将卷回部T制造得大，则能够减少线圈主体51的匝数。另一方面，如果将卷回部T制造得小，则能够增加线圈主体51的匝数。

在一些情况下，例如，由于一次线圈单元3和二次线圈单元4的安装环境，线圈间距离D是大的。在这种情况下，在上述供电系统1中，将卷回部T制造得大，以减少线圈主体51的匝数。结果，能够通过减少线圈主体51的匝数，即，电感L和互感M，来实现阻抗匹配。另一方面，在线圈间距离D小的情况下，通过将卷回部T制造得小来增加线圈主体51的匝数。结果，能够通过增加线圈主体51的匝数，即，电感L和互感M，而实现阻抗匹配，以消除双谐振特性。结果，能够高效率地进行阻抗调节和进行非接触供电，而不依赖可变电容器。此外，能够简单地通过调节卷回部T的长度来调节阻抗。

根据上述供电系统1，能够通过将卷回部T设置在线圈主体51的端部中而容易地设置卷回部T。

在卷回部T中，从互相相邻的、沿着缠绕方向的部分和沿着绕回方向的部分所产生的磁通量互相抵消，如上所述。因此，能够利用等于楔部W的安装长度的一半的长度实现相同的效果。

本发明人实际测量了：关于传统物品即不具有卷回部T的传统供电系统和本发明物品即具有卷回部T的根据本发明的供电系统1，传输效率与线圈间距离的函数关系。在图8中示出结果。对于本发明物品，通过调节卷回部T的长度，标绘(plot)出最高传输效率。

如图8所示，仅当线圈间距离D处于180mm至210mm的范围时，能够在传统物品中保持至少90％的传输效率。另一方面，在本发明物品中，能够在180mm至250mm的线圈间距离的宽范围内保持至少90％的传输效率。

本发明人实际测量了关于传统物品和本发明物品电力损耗率与线圈间距离D的函数关系。在图9中示出结果。对于本发明物品，通过调节卷回部T的长度，标绘出最低电力损耗率。如图9所示，在传统物品中，随着线圈间距离D远离200mm，电力损耗率变大。另一方面，在本发明物品中，在从180mm至250mm的线圈间距离的宽范围内，能够使电力损耗率等于0％。

在上述第二实施例中，卷回部T设置在以卷绕状缠绕的一次电磁感应线圈5中。然而，能够设置卷回部T的线圈的形状不限于此。线圈的形状可以是其它公知的形状。例如，如图10所示，还可以想到将卷回部T设置在以螺旋状缠绕的一次电磁感应线圈5中。由于一次谐振线圈6、二次谐振线圈7和二次电磁感应线圈9与图2中的相似，所以在图10中对其进行省略。

在上述第二实施例和图10所示的变形例中，一次电磁感应线圈5、一次谐振线圈6、二次谐振线圈7和二次电磁感应线圈9每一者都设置成具有在竖直方向上的轴线。然而，线圈的安置不限于此。例如，还可以想到将卷回部T设置在以螺旋状与一次谐振线圈6同轴地缠绕一次芯10并且轴向是沿着水平方向的一次电磁感应线圈5中，如图11所示。由于二次谐振线圈7和二次电磁感应线圈9与图3中的相似，所以在图11中对其进行省略。

在上述第二实施例中，卷回部T设置在线圈主体51的第一端上。然而，本发明不限于此。可以将卷回部T设置在线圈主体51的第二端上。可以将卷回部T设置在线圈主体51的两端上。卷回部T不限于端部。例如，还可以设想将卷回部T设置在线圈主体51的中央部。

在上述第二实施例中，仅将卷回部T设置在一次电磁感应线圈5中。然而，本发明不限于此。可以仅将卷回部T设置在二次电磁感应线圈9中。还可以设想将卷回部T设置在一次电磁感应线圈5和二次电磁感应线圈9二者中。

在上述第一和第二实施例中，各个线圈主体51和91具有多匝(至少两匝)。然而，各个线圈主体51和91可以具有一匝。

在上述第二实施例及其变形例中，卷回部T设置在一次电磁感应线圈5和二次电磁感应线圈9中。然而，本发明不限于此。例如，如图12所示，谐振线圈6和7可以分别包括线圈主体61和71及卷回部T。在图12所示的实例中，谐振线圈6和7形成为卷绕状。如图13所示，卷回部T可以设置在轴线安置在水平方向上的谐振线圈6和7中。如图14所示，卷回部T可以设置在螺旋谐振线圈6和7中。

认为谐振线圈6和7的谐振频率不仅由于线圈间距离D的变化而偏离，而且由于谐振线圈6和7、电容器C1和C2、铁氧体和线圈绕线筒的制造上的变化而偏离。然而，变得能够通过调节卷回部T的位置来修正谐振频率，以调节谐振线圈5和6的电感。结果，能够进行阻抗调节。

上述实施例仅仅是本发明的代表性实例。本发明不限于这些实施例。换句话说，能够在不背离本发明的精神的情况下以各种方式对实施例进行修改。

Claims (5)

1.一种线圈，该线圈用作通过磁场谐振进行非接触供电的一对谐振线圈、将电力供给到所述一对谐振线圈的电源侧的电磁感应线圈或从所述一对谐振线圈的受电侧接受电力的电磁感应线圈当中的至少一种线圈，该线圈包括：

线圈主体；和

调节机构，该调节机构被构造成调节所述线圈主体的匝数。

2.根据权利要求1所述的线圈，其中，所述调节机构由安装部构成，该安装部安装所述线圈主体的端部并且将所述端部与其它部分分离。

3.根据权利要求2所述的线圈，其中，所述安装部具有倾斜面，该倾斜面随着位置接近所述线圈主体的所述端部而变高，并且所述线圈主体的所述端部安装在所述倾斜面上。

4.根据权利要求1所述的线圈，其中，所述调节机构由卷回部构成，该卷回部是通过绕回所述线圈主体的一部分而设置的。

5.根据权利要求4所述的线圈，其中，所述卷回部设置在所述线圈主体的所述端部上。