CN105706195A - 包含箔型发射器和接收器线圈的无线电力传输系统 - Google Patents

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Abstract

无线电力传输系统包括具有多个匝的至少一个箔型发射器/接收器线圈。该多个匝至少包括具有第一弧形角的最外匝，该第一弧形角具有面向多个匝中的与最外匝紧邻的匝的凹形的内表面。多个匝中的该紧邻的匝可同样具有第二弧形角，该第二弧形角具有面向多个匝中的最内匝的凹形内表面。第一弧形角可具有不均匀的曲率半径，和/或当以横截面观察线圈时多个匝中的最内匝可具有作为第一弧形角的镜像的弧形角。

Description

包含箔型发射器和接收器线圈的无线电力传输系统
技术领域
本发明涉及电力传输系统，并且更特别地涉及无线电力传输系统和操作该无线电力传输系统的方法。
背景技术
响应于电池供电的手持电子设备的扩大普及和可用性，无线电力传输系统已经受到的关注增多。通过将电力从位于设备外部的发射器绕组(“初级绕组”)传输给设备内的接收器绕组(“次级绕组”)，一些无线电力传输系统使用近场电磁耦合(例如，互感)来对电子设备充电。无线连接可以提供优于常规硬线连接的若干优点，包括在发射器和接收器电路之间的高度电气隔离。然而，电力传输效率相对降低的水平往往将感应电力传输系统限于利基应用(nicheapplication)。在Baarman等人题为“InductiveCoilAssembly(感应线圈组件)”的美国专利号No.7,411,479中公开了提高电力传输效率的一个尝试。
如本领域的技术人员将理解的，因为在电力传输系统内的谐振回路(resonanttank)电路可能以相对高的频率工作，所以绕组导体的趋肤效应应当最小化；否则，涡流损耗可能高地无法接受，并且电力传输效率可能低得无法接受。已开发各种技术以减少在高频应用中的涡流损耗。这些技术可包括使用由单独绝缘且编织或交织在一起的薄导线股组成的利兹线，以及减小厚度的铜箔。除了提高电力传输效率，初级和次级绕组的构造和布置同样应该足以符合国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)，以便限制人体暴露于时变EMF下。
发明内容
根据本发明实施例的无线电力传输系统包括至少一个箔型发射器/接收器线圈，将该至少一个箔型发射器/接收器线圈配置成当被激励以传导支持感应电力传输的交变电流时减少在其中的涡流损耗。根据本发明这些实施例中的一些实施例，无线电力传输系统可包括在其中具有多个匝的箔型发射器线圈。该多个匝至少包括具有第一弧形转角的最外匝，该第一弧形转角具有面向多个匝中与最外匝紧邻的匝的凹形的内表面。多个匝中的该紧邻的匝可同样具有第二弧形转角，该第二弧形转角具有面向多个匝中的最内匝的凹形的内表面。在本发明的一些实施例中，第二弧形转角的长度大于第一弧形转角的长度。在本发明的其它实施例中，第一弧形转角比第二弧形转角更尖锐。在本发明的更进一步实施例中，第一弧形转角具有不均匀的曲率半径，和/或当以横截面观察线圈时多个匝中的最内匝具有作为第一弧形转角的镜像的弧形转角。多个匝中的中间匝可同样具有带有平坦的内表面和外表面的矩形截面。类似地，多个匝中的紧接最内匝的匝可具有作为第二弧形转角的镜像的弧形转角。
根据本发明的更进一步实施例，无线电力传输系统可包括具有N个匝的箔型线圈，其中N是大于一的奇数。这些N个匝包括具有至少部分凹形的内表面的最外匝和具有至少部分凹形的外表面的最内匝，该至少部分凹形的外表面可以是最外匝的至少部分凹形的内表面的镜像。根据本发明的更进一步实施例，当以横截面观察时最外匝的第一和第二相对边缘(例如顶边缘和底边缘)可具有不等同形状。例如，第一边缘可以是弧形的，而第二边缘可以是平坦的。同样可具有铁氧体屏蔽罩，其相邻最外匝的第二边缘延伸。多个匝中的中间匝可同样具有平坦的内表面和外表面。在本发明的一些进一步实施例中，N是大于三的奇数，并且当以横截面观察时最外匝和紧接最外匝的匝具有不等同的凹形形状。可替代地，当以横截面观察时N个匝中的最外匝和紧接最外匝的匝可具有等同的凹形形状。
根据本发明的更进一步实施例，无线电力传输系统可包括具有N个匝的箔型发射器线圈，其中N是大于一的奇数；以及箔型接收器线圈，其感应地耦合到箔型发射器线圈。N个匝包括具有至少部分凹形的内表面的最外匝和具有至少部分凹形的外表面的最内匝。这些发射器和接收器线圈可具有等同的尺寸。
根据本发明的更进一步实施例的无线电力传输系统可包括具有多个匝的箔型发射器线圈，该多个匝包括具有外表面的最外匝，当激励发射器线圈以传导在其中的交变电流时该外表面基本上平行于紧邻外表面延伸的磁通线。在本发明的这些实施例的一些实施例中，用于感应电力传输的无线发射器可包括具有最内匝和最外匝的箔型线圈。最外匝可具有至少部分弯曲的外表面，当激励发射器线圈以传导在其中的交变电流时该外表面基本上平行于紧邻弯曲的外表面延伸的磁通线。
附图说明
图1A是根据本发明实施例的五匝箔型发射器/接收器线圈的截面图。
图1B是图1A的五匝箔型发射器/接收器线圈的左侧部分的截面图，其具有与流过线圈的励磁电流相关联的磁通线的图。
图2A是根据本发明附加实施例的五匝箔型发射器/接收器线圈的截面图，该五匝箔型发射器/接收器线圈包括具有不等同形状的第一和第二相对边缘的匝。
图2B是与铁氧体屏蔽罩相邻的图2A的五匝箔型发射器/接收器线圈的左侧部分的截面图，其具有与流过线圈的励磁电流相关联并且在该罩处终止的磁通线的图。
图3A示出根据本发明实施例的多个五匝箔型发射器/接收器线圈的截面图，其突出现有技术和本发明实施例之间的对比。
图3B示出与相应铁氧体屏蔽罩相邻的多个五匝箔型发射器/接收器线圈的截面图，其突出现有技术和本发明实施例之间的对比。
图4是示出在七种类型的箔形(具有和不具有铁氧体屏蔽罩)之间的涡流损耗比较的表。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的优选实施例。然而本发明可以体现为许多不同形式，并且不应当解释为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例以使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域的技术人员全面传达本发明的范围。相同的参考标号在全文中指代相同的元件。
应该理解的是，虽然术语第一、第二、第三等在这里可用于描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应该受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层和/或区段与另一个区域、层或区段区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以被称为第二元件、部件、区域、层或区段，而不脱离本发明的教导。
在此所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并非旨在限制本发明。如在此所用，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指明。应当进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”、“具有”及其变体指定所述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。与此相反，当在本说明书中使用时术语“由……组成”指定了所述的特征、步骤、操作、元件和/或部件，并且排除附加的特征、步骤、操作、元件和/或部件。
除非另有定义，在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有如本发明所属技术领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如在常用字典中定义的那些的术语应当解释为具有与在相关领域的上下文中它们的含义一致的含义，并且将不会以理想化或过于正式的意义来解释，除非在此明确这样定义。
现在参考图1A-图1B，根据本发明实施例的箔型发射器/接收器线圈10的一个示例示为包括多个匝10a-10e，其至少包括至少具有第一弧形转角12e的最外匝10e，该第一弧形转角12e具有面向多个匝中的紧邻的匝10d的凹形的内表面。多个匝中的该紧邻的匝10d至少具有第二弧形转角12d，该第二弧形转角12d具有面向多个匝中的最内匝10a的凹形的内表面。多个匝可包括N个匝，其中N是大于一的奇数。如由图1A所示，第二弧形转角12d的长度大于第一弧形转角12e的长度，并且伴随地，第一弧形转角12e比第二弧形转角12d更尖锐。如由图1A进一步所示，第一弧形转角12e可具有不均匀的曲率半径。此外，多个匝中的最内匝10a可具有作为第一弧形转角12e的镜像的弧形转角12a。图1A同样示出，多个匝中的中间匝10c具有带有平坦的内表面和外表面的矩形形状的(例如，平坦的)截面。此外，如图所示，多个匝中的紧接最内匝的匝10b可具有作为第二弧形转角12d的镜像的弧形转角12b。
现在参考图1B，提供图1A的五匝箔型发射器/接收器线圈的左侧部分的截面图，其具有与流过线圈10的可变励磁电流(例如，AC电流)相关联的磁通线的图。如图所示，与最内匝10a和最外匝10e紧邻的磁通线以紧密平行于弧形转角12a和12e而延伸的方式来弯曲，这实现了降低的涡流损耗，因为磁通线没有进行如在具有平坦的最内匝和最外匝的常规箔型线圈中的“切割”箔匝的操作。
现在参考图2A-2B，根据本发明实施例的箔型发射器/接收器线圈10'的另一个示例示为包括多个匝10a'-10e'，其类似于图1A-1B的匝10a-10e，但包括一侧弧形端与一侧平坦端，该一侧平坦端可紧邻如由图2B所示的铁氧体屏蔽罩14放置。该铁氧体屏蔽罩14进行终止与流过线圈的可变励磁电流相关联的磁通线的操作。由在图3A(无屏蔽罩14)和图3B(有铁氧体(Fe304)屏蔽罩14)的示例(3)至(7)中的本发明附加实施例进一步突出图1A-1B和图2A-2B的这些线圈10和10'中的许多新颖方面，其示出在最外和最内线圈中相对于具有平坦匝的常规线圈(示例(1))和仅具有凸形匝的线圈(示例(2))的不同程度和形状的曲率。
对于由60KHz(正弦波形)20安培电流励磁的5匝铜线圈，通过图4示出对于图3A-3B的七个(7)示例的涡流损耗。线圈的尺寸包括21.2cm的内直径，在具有1mm×10mm的截面的每个匝之间具有8mm的间距。如图所示，图1A-1B和图4(示例5，无铁氧体屏蔽罩)的线圈的实施例提供56.791瓦特的最低涡流损耗，而示例1和2的线圈构造演示最差的涡流损耗。另外，当需要将铁氧体屏蔽罩用于特定应用(诸如需要与周围环境相对高度的磁隔离的特定应用)时，图2A-2B和图4(示例7)的线圈的实施例提供63.009瓦特的最低涡流损耗。在所示的示例中，铁氧体屏蔽罩可例如具有60cm的直径与8mm的厚度，可与线圈间隔4mm，并且可具有1000的磁导率。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型优选实施例，并且尽管采用了特定术语，但是它们仅以一般和描述性的意义使用，而不是为了限制的目的，本发明的范围在以下权利要求中阐述。

Claims (27)

1.一种无线电力传输系统，包括：
箔型发射器线圈，其具有至少包括最外匝的多个匝，所述最外匝至少具有第一弧形转角，所述第一弧形转角具有面向所述多个匝中与该最外匝紧邻的匝的外表面的凹形的内表面。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个匝中的所述紧邻的匝至少具有第二弧形转角，所述第二弧形转角具有面向所述多个匝中的最内匝的外表面的凹形的内表面。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二弧形转角的长度大于所述第一弧形转角的长度。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一弧形转角比所述第二弧形转角更尖锐。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一弧形转角具有不均匀的曲率半径。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个匝中的最内匝具有作为所述第一弧形转角的镜像的弧形转角。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述多个匝中的中间匝具有平坦的内表面和外表面，所述内表面和外表面分别面向所述多个匝中的所述最内匝和所述最外匝。
8.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个匝中的紧接最内匝的匝具有作为所述第二弧形转角的镜像的弧形转角。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个匝中的中间匝具有相对于所述多个匝中的所有其它的匝的截面的独特形状的截面。
10.一种无线电力传输系统，包括：
具有N个匝的箔型线圈，其中N是大于一的奇数，所述N个匝包括具有至少部分凹形的内表面的最外匝和具有至少部分凹形的外表面的最内匝，所述至少部分凹形的外表面面向所述最外匝的所述至少部分凹形的内表面。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述最内匝的所述外表面是所述最外匝的所述至少部分凹形的内表面的镜像。
12.根据权利要求10所述的系统，其中当以横截面观察时所述最外匝的第一和第二相对边缘具有不等同的形状。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述第一边缘是弧形的，而所述第二边缘是平坦的。
14.根据权利要求13所述的系统，进一步包括邻进所述最外匝的所述第二边缘延伸的铁氧体屏蔽罩。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述多个匝中的中间匝具有平坦的内表面和外表面。
16.根据权利要求10所述的系统，其中N是大于三的奇数；以及其中当以横截面观察时所述N个匝的所述最外匝和紧接最外匝的匝具有等同的形状。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述N个匝的所述最外匝的内表面与最内匝的外表面是彼此的镜像。
18.根据权利要求10所述的系统，其中N是大于三的奇数；以及其中当以横截面观察时所述最外匝和紧接最外匝的匝具有不等同的形状。
19.一种无线电力传输系统，包括：
具有N个匝的箔型发射器线圈，其中N是大于一的奇数，所述N个匝包括具有至少部分凹形的内表面的最外匝和具有至少部分凹形的外表面的最内匝；以及
箔型接收器线圈，其感应地耦合到所述箔型发射器线圈。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述发射器和接收器线圈具有等同的尺寸。
21.一种无线电力传输系统，包括：
具有多个匝的箔型发射器线圈，所述多个匝包括具有外表面的最外匝，当激励所述发射器线圈以传导在其中的交变电流时，所述外表面基本上平行于紧邻所述外表面延伸的磁通线。
22.一种用于感应电力传输的发射器，包括：
具有最内匝和最外匝的箔型线圈，所述最外匝具有至少部分弯曲的外表面，当激励所述发射器线圈以传导在其中的交变电流时，所述外表面基本上平行于紧邻所述弯曲的外表面延伸的磁通线。
23.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个匝彼此共面。
24.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个匝中的每个匝至少部分地与紧接最内匝的匝和紧接最外匝的匝中的至少一个重叠。
25.根据权利要求10所述的系统，其中所述N个匝彼此共面。
26.根据权利要求1所述的系统，其中所述N个匝中的每个匝至少部分地与紧接最内匝的匝和紧接最外匝的匝中的至少一个重叠。
27.一种无线电力传输系统，包括：
发射器线圈，其具有至少包括最外匝的多个重叠箔匝，所述最外匝至少具有第一弧形转角，所述第一弧形转角具有面向所述多个匝中与该最外匝紧邻的匝的凹形的内表面。
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