CN105706334B - 无线电力发射装置、无线电力接收装置及线圈结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线电力发射装置，其包括：碗形发射装置主体；以及发射线圈单元，用于给接收装置无线地发射电力。所述发射线圈单元可以包括：多环路线圈单元，在所述发射装置主体的底部中缠绕；以及螺旋线圈单元，围绕所述发射装置主体的侧壁缠绕，并且缠绕成在朝上部的方向上线圈环路半径增加，其中，所述发射装置主体被配置为使得，用于从所述无线电力发射装置接收无线电力的接收装置的全部或一部分位于由所述发射装置主体限定的内部区域中，并且在该内部区域中从所述无线电力发射装置接收无线电力。

Description

无线电力发射装置、无线电力接收装置及线圈结构
技术领域
本发明总体涉及一种无线电力发射装置、无线电力接收装置及线圈结构。更具体地，本发明涉及能够有效地基于非辐射近场磁耦合将电力从无线电力发射装置无线地发射给一个或多个无线电力接收装置的无线充电技术。
背景技术
一般来说，基于近场磁耦合的无线电力传输技术是用于将电力从电源无线地传输给电子装置的技术。当有电力施加给电源中的发射线圈时，在该发射线圈周围的特定空间中会形成非辐射时变磁场。然后，当接收线圈位于所形成的磁场内时，通过时变磁场诱导出电压和电流给接收线圈，从而可以无线地传输电力。
作为无线电力传输技术的一个实例，诸如智能电话、平板电脑等电子装置的电池可以通过简单地将该装置方在可以以高频产生时变磁场的无线充电板上来进行充电。与使用充电适配器的常规有线充电环境相比，此类无线电力传输技术可以提供高的便携性、便捷性、稳定性。除了电子装置的无线充电以外，预期无线电力传输技术会取代在各个领域中的现有的有线电力传输，包括电动汽车、诸如蓝牙耳机和3D智能眼镜的各种可穿戴装置、家用电器、地下设施、建筑、便携式医疗装置、机器人、休闲装置等。
一般来说，使用非辐射时变磁场的无线电力收发器系统包括：具有发射线圈和AC电源的无线电力发射装置以及具有接收线圈的无线电力接收装置，该无线电力接收装置使用从无线电力发射装置无线供应的电力给电池单元供电或者实时地给各种电气装置供电。
同时，在此类无线电力收发器系统中，在发射线圈与接收线圈之间的磁耦合强度会随着环境变数变化，诸如发射线圈及其接收线圈的结构、发射线圈和接收线圈的几何布置和位置等。当在发射线圈与接收线圈之间的磁耦合强度被这些环境变数改变时，用于在无线电力收发器中发射和接收电力的最优条件也会改变。例如，取决于关于发射线圈的接收线圈的位置和布置，可能会出现死区，即该两个线圈之间的互感会变为零，并且，因为在发射线圈与接收线圈之间的互感变为零的区域中不会产生感应电流，无法进行无线电力传输。因此，在无线电力发射工艺中将死区最小化是非常重要的。
同时，三维无线电力传输技术是一种不论接收线圈的位置和布置如何都能稳定地传输电力的技术，尽管接收器任意地位于具有x、y和z轴的三维空间中，通过减少与死区对应的区域来实现这种无线电力传输。此类三维无线电力传输技术的研发领域主要包括：人体可移植装置，诸如胶囊内窥镜、心脏起搏器等；使用可充电电池的智能手机；无线耳机和可穿戴电子装置，诸如智能手表和智能眼镜；以及可穿戴医护装置。
图1是示出根据常规技术的三维接收线圈的实例的视图。图1中所示实例已经在以下文献中被公开：用于胃部检查的自驱动可转向胶囊内窥镜的无线供电(“Wirelesspowering for a self-propelled and steerable endoscopic capsule for stomachinspection”，(Biosensors and Bioelectronics,vol.25,pp.845-851,2009)，作者R.Carta；G.Tortora；J.Thone；B.Lenaerts；P.Valdastri；A.Menciassi；P.Dario和R.Puers)。
图1中所示三维接收线圈101的缺陷在于接收电路复杂，这是因为无线电力传输系统在实施时每个接收线圈都要包含整流器电路。
图2是示出根据常规技术的阵列形式的发射线圈的实例的视图。在图2中所示的实例已被以下文献公开：用于给位置变化的生物医疗植入物无线供电的新型垫式系统(“Anovel mat-based system for position-varying wireless power transfer tobiomedical implants”(IEEE Transactions on Magnetics,vol.49,no.8,pp.4774-4779,2013年8月)，作者Q.Xu；H.Wang；Z.Gao；Z.-H.Mao；J.He和M.Sun)。
图2所示的阵列式发射线圈201能够在电力发射板上进行电力发射，但是当接收器偏离发射线圈时就会难以使用。
近来，使用大于若干MHz频率的高频交流信号的高效系统被提出以解决基于近场磁耦合的无线电力传输技术的有关问题。通过使用高于若干MHz的频率范围，以及通过降低在该频率下变得电谐振的线圈的电阻损耗应用高品质因数的自谐振线圈，该高效系统可以高效地在相隔几米的距离上传输电力。
同时，为了使用若干MHz频率范围来实施高效无线电力传输系统，重要的是设计出在发射效率上低损耗的线圈。但是，在高于若干MHz的频率范围上进行无线电力传输期间，会导致由于涡流而使电流集中在导线外层的集肤效应(skin effect)。另外，当导线之间的间隔减小并且导线匝数增加以增强磁场强度时，由相邻导线产生的磁场所导致的邻近效应(proximity effect)会导致电流分布局限在导线的某个区域内。
发明内容
技术问题
因此，本发明致力于解决上述问题。本发明的一个目标在于通过改良的第一线圈单元和第二线圈单元的结构最小化死区，提供一种能够有效进行无线电力发射的无线电力发射装置以及一种能够有效进行无线电力接收的无线电力接收装置。另外，本发明的另一个目的是提供一种无线电力收发器系统，即使发射线圈和接收线圈在几何上不对准仍可以进行无线充电并且可以同时给多个接收装置进行无线电力发射。
本发明的另外一个目的是提供一种增强磁场强度并降低线圈损耗电阻来在无线电力传输提升传输效率的绕线方法，以及一种应用此类绕线方法的线圈结构。
本发明要解决的技术问题不限于上述提及的问题，通过以下描述本领域技术人员也可以理解能够解决的其他问题。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明一个方面，提供一种无线电力发射装置。该无线电力发射装置可以包括碗形发射装置主体以及用于给接收装置无线地发射电力的发射线圈单元。该发射线圈单元包括：多环路线圈单元，诸如类螺纹线圈，缠绕在所述发射装置主体底部；以及螺旋线圈单元，缠绕在所述发射装置主体的侧壁上并且缠绕成在朝向上部的方向上线圈环路的半径逐渐增加，其中，该发射装置主体被配置成使得用于从该无线电力发射装置接收无线电力的接收装置的全部或一部分位于该发射装置主体的内部区域中并从该无线电力发射装置接收无线电力。
该螺旋线圈单元可以从该多环路线圈单元的末端延伸出。该螺旋线圈可以相对于底表面处于从5度到90度角的梯度范围内。
该螺旋线圈可以具有与该碗形发射装置主体的表面对应的任何形状。根据与该接收装置的接收线圈单元交联磁通量密度变得最大或最小的环境条件，当接收线圈单元的布置与该发射线圈单元平行或与该发射线圈单元垂直时，该发射线圈可以进行基于接收磁场强度的控制。
该无线电力发射装置可以另外包括源线圈单元，用于通过从交流源接收交流信号来将电力传输给该发射线圈。该无线电力发射装置可以另外包括一个或多个匹配单元，用于根据接收装置的阻抗、数目或位置控制在该发射线圈中的阻抗匹配。该匹配单元可以包括通过从交流源接收电力给该发射线圈单元传输电力的发射线圈以及与该发射线圈分离的源线圈单元。
该多环路线圈单元和该螺旋线圈单元中的至少一个的末端可以以串联或并联方式连接至一个或多个电容器。该多环路线圈和该螺旋线圈中的至少一个可以缠绕成圆形线圈、多边形线圈和椭圆形线圈中的任何一个的形式。
对于构成该多环路线圈单元和该螺旋线圈单元的多个导线，可以基于导线半径、该线圈单元总宽度和线圈匝数来确定在导线之间的间隔。该多环路线圈单元和该螺旋线圈单元中的至少一个可以缠绕成在环路之间的间隔是均匀的。
该发射线圈单元可以同时给具有不同负载特性的多个接收装置发射电力。
为达成上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种无线电力发射装置。该无线电力发射装置可以包括碗形发射装置主体以及用于给接收装置无线地发射电力的发射线圈单元。该发射线圈单元包括：多环路线圈单元，诸如类螺纹线圈，缠绕在所述发射装置主体的底部；以及螺旋线圈单元，缠绕在所述发射装置主体的侧壁上并缠绕成在朝向上部的方向上线圈环路的半径逐渐增加，其中，该多环路线圈单元可以从第一交流源接收电力，并且该螺旋线圈单元可以从第二交流源接收电力。可以获得由该接收装置接收的电力的感测数据。该无线电力发射单元可以进一步包括控制单元，用于基于该感测数据来控制该第一交流源和该第二交流源的输出电力。
在该多环路线圈单元和该螺旋线圈单元中，该控制单元可以进行控制来将较多电力供应给将较多电力供应给该接收装置的线圈单元，或者进行控制来将较少电力供应给将较少电力供应给该接收装置的线圈单元。
该控制单元可以控制该第一交流源和该第二交流源以供应预定电力，并且可以基于该控制从该接收装置接收该电学感测数据。
为了达成上述目的，根据本发明的另一个方面，提供一种无线电力发射装置。
该无线电力发射装置可以包括：碗形主体；多环路线圈单元，用于从该碗形主体的底表面生成非辐射交流磁场以供应无线电力；以及用于供应无线电力的螺旋线圈单元。与该多环路线圈单元和该螺旋线圈单元分离布置的情况相比，该无线电力发射装置可以生成非辐射交流磁场来供应无线电力给更宽的空间区域，其中，接收装置可以在任何方向布置。
该多环路线圈单元被布置在该碗形主体的底部表面中，并且该螺旋线圈单元沿着该碗形主体的侧壁缠绕并且可以缠绕成朝向上部的方向线圈环路半径逐渐增加。
为了达成上述目的，根据本发明的另外一个方面，提供一种无线电力接收装置。该无线电力接收装置可以包括碗形接收装置主体以及用于从无线电力发射装置接收电力的接收线圈单元。该接收线圈单元可以包括：多环路线圈单元，缠绕在所述接收装置主体的底表面上；以及螺旋线圈单元，所述螺旋线圈单元围绕所述接收装置主体的侧壁缠绕并且缠绕成在朝向上部的方向上线圈环路半径逐渐增加。
该螺旋线圈单元可以从该多环路线圈单元的末端延伸出。该接收线圈单元可以另外包括一个或多个匹配单元，用于根据该接收装置的负载来控制在该接收线圈单元中的阻抗匹配。该匹配单元可以包括：用于从发射线圈单元接收电力的接收线圈；以及阻抗匹配电路，该阻抗匹配电路形成该接收装置负载的并联谐振电路。
为了达成上述目的，根据本发明另外一个方面，提供一种线圈结构。该线圈结构包括用于发射或接收无线电力的线圈单元，多个环路导线以相等间隔布置。相邻导线的中心之间的距离可以基于在导线中的集肤效应和在相邻导线之间的邻近效应来确定。
该线圈单元是多环路线圈和螺旋线圈中的至少一种，并且具有圆形横截面的单根导线以间隔相等的多匝缠绕，匝数等于在预定区段中的多根导线的数目。
在相邻导线各自中心之间的距离p＝(W–2r0)/(N–1)，其中，p表示在相邻导线各自中心之间的距离，r0表示导线半径，W表示该线圈单元的总宽度，N表示导线根数。
该导线半径与该线圈单元总宽度之比可以处于0.0018至0.25的范围之内。在相邻导线各自中心之间的距离可以根据导线根数N基于单位长度的最小电阻来确定。
具有圆形截面的导线的半径、该线圈单元的总宽度以及导线根数可以满足“r0/W＝αNβ+γ”。这里，α＝0.6534，β＝-1.397和γ＝0.001815。
为了达成上述目的，根据本发明另外一个方面，提供一种无线电力接收装置。该无线电力接收装置可以包括盒形接收装置主体以及用于无线电力发射装置接收电力的接收线圈单元。该接收线圈可以包括：多环路线圈单元，以矩形缠绕在所述接收装置主体的底部上；以及螺旋线圈单元，围绕所述接收装置主体的侧壁缠绕，并缠绕成在朝向上部的方向上线圈环路半径逐渐增加。
上述实施例仅仅是本发明优选实施例的一部分，本领域技术人员可以基于以下对本发明的详细描述理解包含本发明技术特征的各种实施例。
有益效果
根据本发明的实施例，即使在发射线圈和接收线圈位置不对准的情况下也能进行无线充电，并且可以提供一种能够同时给多个接收装置发射电力的无线电力收发器系统。
另外，根据本发明的实施例，可以提供一种无线电力发射装置，其中，基于水平线圈单元和垂直线圈单元的结构改善，死区得以最小化；并提供一种无线电力接收装置，其结构能够与该无线电力发射装置有效交互配合。
另外，根据本发明一个实施例，可以提供一种导线缠绕方法以增强磁场强度并降低线圈损耗电阻来提升传输效率。
附图说明
以下附图作为详细描述的一部分被包含以帮助理解本发明，提供本发明的实施例并结合详细描述描述本发明的技术思想。
图1是根据常规技术的三维接收线圈的实例的视图；
图2是根据常规技术的阵列形式的发射线圈的实例的视图；
图3是根据本发明实施例的用于描述无线电力收发器系统的电路配置的实例的视图；
图4是根据本发明实施例的线圈结构的实例的透视图；
图5是用于描述图4所示线圈结构的示例性视图；
图6是应用了图4和图5所示无线电力发射线圈结构的碗形发射器的机械形状(mechanical form)的实例的视图；
图7是示出图6所示圆形碗形发射器的截面的实例的视图；
图8和图9是示出根据本发明实施例的线圈单元的形状的各个实施例的视图，并示出在三维无线电力发射线圈中以各种方式控制螺旋线圈单元的梯度的实施例；
图10a、图10b和图10c是示出将在常规发射线圈中的磁场强度与根据本发明实施例的三维无线电力发射线圈的磁场强度进行比较的模拟结果的视图；
图11a和图11b是示出将在常规发射线圈中的磁场强度与根据本发明实施例的三维无线电力发射线圈的磁场强度进行比较的模拟结果的另一实例的视图；
图12是根据本发明实施例制造的三维无线电力发射线圈的实例的视图；
图13和图14是应用到根据本发明实施例的无线电力发射线圈结构的碗形发射器的机械形状的另一实例的视图；
图15是根据本发明另一实施例的实施多个接收器和能够包含和储存该多个接收器的发射器的实例的透视图；
图16图示图15中所示的发射器的截面，并且具体地图示左侧储存空间的截面；
图17a和图17b是图示根据本发明实施例的形成接收线圈的组件的实例的视图；
图18和图19是示出根据本发明实施例的接收线圈的各种其他实施例的视图；
图20a和图20b是根据本发明实施例的发射线圈与接收线圈之间的互感的测量结果的实例的视图；
图21是示出根据本发明实施例的无线电力收发器系统的电路配置的另一实例；
图22是基于根据本发明实施例的无线电力收发器系统的电路配置的用于小型听觉辅助设备的无线充电系统的形状的实例的视图；
图23所示为根据本发明实施例的无线电力收发器系统的电路配置的另一实例；
图24所示为根据本发明另一实施例的三维无线电力发射线圈结构的实例的透视图；
图25是根据本发明另一实施例的无线电力传输系统的方块图；
图26是用于解释当有电流施加给导线时产生集肤效应的截面图；
图27是用于说明当两根或两根以上导线彼此接近时的邻近效应的截面图；
图28是根据本发明实施例的具有圆形截面的多根导线以相同间隔布置的线圈单元结构的截面图；
图29至图32所示为线圈单元或导线结构，其可以具有图28所示的截面结构；
图33a和图33b是用于说明在圆形导线结构和无限长直线导线结构中的产生的磁场示例性视图；
图34是表示在圆形环路的内部和外部的D变化和在无限长直线导线中D变化所产生的|Hz|的曲线的曲线图；
图35是表示在圆形环路中的D变化和在无限长直线导线中D变化所产生的|Hz|的曲线的曲线图；
图36是比较当线圈单元的相邻导线各自中心之间的距离是均匀和不均匀时的损耗电阻的曲线图；
图37表示根据线圈单元的匝数N，用于最小化损耗电阻的导线半径与线圈单元总宽度之比；
图38是表示当p与2r0之比即p/2r0变化时，单位长度损耗电阻随线圈单元匝数N变化的曲线图，其中，p表示相邻导线各自中心之间的距离，2r0表示导线直径；
图39是图示根据匝数N的用于最小化损耗电阻的p/2r0值；
图40是最优(最小)单位长度损耗电阻随匝数N变化的曲线图；以及
图41是最小单位长度损耗电阻随匝数N变化的曲线图。
具体实施方式
本发明可以以各种方式改变，并且可以具有各种实施例，下文将参考附图详细描述特定实施例。对于可能使本发明模糊的熟知结构和配置的描述，下文将予以省略。
下文中将参照附图详细描述本发明实施例。参照附图的以下描述意图描述本发明示例性实施例而不是描述本发明的单独实施例。以下描述包含具体细节以期提供对于本发明的完整理解。但是，本领域技术人员应理解，也可以在不存在此类具体细节的情况下实施本发明。
图3是用于描述根据本发明实施例所述的无线电力收发器系统的原理的电路配置的实例的视图。
参看图3，根据本发明实施例所述的无线电力收发器系统的等效电路300包括：发射器侧谐振线圈(下文中称为“发射器”310)，其被供以交流源信号VS 314；以及接收器侧谐振线圈(下文中称为“接收器”320)，并且这几个效电路300可以根据在发射器310与接收器320之间的互感M12使用磁耦合来传输电力。
发射器310包括自身电感(self-inductance)L1 311、电阻器R1 312和电容器C1313来进行谐振。接收器320包括自身电感L2 321、电阻器R2 322以及电容器C2 323来进行谐振。
图3中的电路图示出串联电路，其中，发射器310的电容器C1 313串联连接至电感器L1 311和电阻器R1 312，但该电路不限于此实例。根据另一实施例，发射器310的电容器C1313可以并联连接至电感器L1 311和电阻器R1312。相似地，虽然示出了接收器320的电容器C2 323并联连接至电感器L2 321和电阻器R2 322的串联电路，但是该电路不限于此实例。根据另一实施例，电容器C2 323可以串联连接至电感器L2 321和电阻器R2 322。
优选地，根据本发明实施例所述的无线电力收发器系统的等效电路300另外包括在发射器310和接收器320中的阻抗匹配单元，即Tx阻抗匹配单元315和Rx阻抗匹配单元324，以便使该发射线圈通过电磁感应或磁耦合发射最大电力给接收线圈。
对于最大功率传输，Tx阻抗匹配单元315用于使得从该阻抗匹配单元向Tx线圈看去的阻抗中不包含电抗，即假想的从该阻抗匹配单元向Tx线圈看去的阻抗为零。另外，该匹配单元最小化或消除通过发射器阻抗匹配发射的源信号的反射(reflection)。Rx阻抗匹配单元324满足阻抗Zrx与从Rx线圈向负载ZL 325看去的阻抗之间的共轭匹配的条件。在这种情况下，阻抗ZL 325意味着负载，诸如整流器电路、DC-DC转换器、电池、电阻器、电装置等。
在本发明的优选实施例中，图3所示的用于接收和发射无线电力的接收器320和发射器310可以分别对应于小装置和具有将最大电力发射给这些小装置的支架的装置。例如，接收器320可以是：小型医疗装置，诸如助听器；便携式数据通信装置，诸如智能电话；具有可充电电池的全部可穿戴电子装置以及与上述装置有关的各种外围装置。发射器310可以是支持构件或存储构件，能够以最大发射效率将无线电力供应给接收器320。在本发明中提出的新式线圈结构可以用于发射器310的Tx线圈和接收器320的Rx线圈中的至少一个。
根据本发明实施例所述的发射器或接收器的线圈结构包括：多环路线圈，诸如导线在二维平面中平坦缠绕的螺纹线圈(spiral coil)；和从形成平面多环路的平面起以三维形式缠绕导线的螺旋线圈(helical coil)。基于此结构，在三维无线电力发射中，可以最小化发射线圈与接收线圈之间不产生感应电流的死区。
该平面多环路线圈可以是线圈在二维平面中以类螺纹形式缠绕的线圈单元，例如在x、y和z空间中的x-y轴平面中。该平面多环路线圈可以以各种形式来实施，包括每个环路线圈的平面形式为圆形的圆形螺纹线圈、每个环路线圈的平面形式为多边形的多边形螺纹线圈以及每个环路线圈的平面形式为椭圆形的椭圆形螺纹线圈等。
螺旋环路具有螺旋线圈的形式，即从实施平面多环路线圈的平面起在垂直方向上例如在x、y和z空间中的z轴上缠绕的线圈。这几个螺旋线圈环路可以以各种形式实施，包括每个环路线圈的平面形式为圆形的圆形螺纹线圈、每个环路线圈的平面形式为多边形的多边形螺纹线圈以及每个环路线圈的平面形式为椭圆形的椭圆形螺纹线圈等。
实施方式
下文中将详细描述根据本发明实施例所述的线圈结构的各种实施例。
图4是示出根据本发明实施例的线圈结构的实例的透视图，图5是用于描述图4所示线圈结构的示例性视图。具体地，这些视图示出在无线电力发射中最小化死区的三维无线电力发射线圈的结构的实例。
图4和图5中所示的根据本发明实施例所述的发射线圈400可以包括：螺纹线圈单元401，其形成为在二维平面例如地面上的圆形螺纹线圈；以及具有类圆锥形的螺旋线圈单元402，其中，从形成螺纹线圈单元的平面起线圈在垂直方向上缠绕但是线圈环路的半径有规则地增加。
在此情况下，形成发射线圈400的螺纹线圈单元401和螺旋线圈单元402可以使用单根导线来在若干MHz的频段中使用。例如，该螺旋线圈单元402可以通过将螺纹线圈单元401的最外层环路的末端加以延伸来形成。螺纹线圈单元401和螺旋线圈单元402具有半径相同的导线，并且可以实施成多匝结构。
优选地，当实施此类多匝结构时，在各匝之间的间隔可以相等以具有最低电阻。用于确定最低电阻所需各匝之间间隔的技术将会在下文中参考图24至图41来详细描述。
如图5所示，由螺纹线圈单元401和螺旋线圈单元402的结构形式在线圈内部区域A中产生磁场H。图6是图示应用了图4和图5所示无线电力发射线圈结构的碗形发射器的机械形状的实例的视图。
参见图6，根据本发明实施例所述的发射器500呈现为圆形碗形发射器，其中，在图4和图5中所示的发射线圈在该碗形发射器的底表面和侧壁中缠绕和安装。
图7是图示图6所示的圆形碗形发射器的截面的实例的视图。
参见图7，根据本发明实施例所述的发射器的主体600包括：第一壳体601，形成该碗形的内部；以及第二壳体602，连结至该第一壳体并形成该碗形的外侧。在此情况下，在实施例中，在第一壳体601的下部中形成突起，而在第二壳体602的下部中形成供突起插入的沟槽，从而突起可以插入到沟槽中使得第一壳体601可以紧固到第二壳体602。
将要缠绕发射线圈的第一沟槽603形成在连结的第一壳体601与第二壳体602之间。螺纹线圈单元604平坦地在第一壳体601的底表面缠绕。具体地，在第一沟槽603的区域内。螺旋线圈单元605从螺纹线圈单元604延伸并且以螺旋形式沿着第一壳体601的侧面的外周面来缠绕。例如，螺纹线圈单元604的最外侧线圈的末端可以与螺旋线圈605的最底层线圈的末端连接。
同时，缠绕线圈的第二沟槽606可以形成在第二壳体602的下部中，并且此沟槽可以用作供将要缠绕的发射器的源线圈的缠绕的空间，下文将详细描述。
例如，第二壳体602在其某部分与第一壳体601分离以形成第一沟槽603，并且发射线圈紧固至第一壳体601，并且该第二壳体的内表面可以用于粘合屏蔽材料。
当使用图6和图7中所示的碗形发射器时，接收器可以置于发射器中，从而可充电电池的储存和接收器的充电可以同时进行。例如，该接收器实施为助听器，该碗形发射器可以实施为用于该助听器的储存盒。在此情况下，通过在该助听器储存盒中存放一个或多个助听器，助听器的充电和助听器的储存可以同时进行。另外，可穿戴电子装置或便携式医护装置也可以用作接收器而不是助听器。
当接收器位于该发射线圈内时，磁场与在该接收器内的接收线圈交联，可以产生感应电流。因此，由于根据本发明实施例所述的发射线圈的设计假设了一种与接收线圈交联磁通量密度是最大值或最小值的环境，当该接收线圈与该发射线圈平行或垂直时的磁场强度被计算出，提出一种根据所计算的磁场强度控制磁场的发射线圈的结构。
例如，设计者通过控制发射线圈的形状和匝数或导线之间的间隔、类圆锥螺旋线圈的倾斜角等来实施所要的磁场图案。
以下方程式1和2表示根据本发明实施例的在发射线圈中的磁场强度，曾参考图5对其进行过描述。
[方程式1]
[方程式2]
以上方程式1和2表示当电流I在发射线圈的第i环路中流动时，在z方向中产生的磁场强度Hz,i，以及在ρ方向中产生的磁场强度Hρ,i。Di表示第i环路在z方向上的高度，D表示Rx线圈的中心在z方向上的高度，ri表示形成第i环路的环路的半径。此处，Ki和Ei分别是第一类型的完全椭圆积分和第二类型的完全椭圆积分，它们分别通过以下方程式3和方程式4来计算。
[方程式3]
[方程式4]
在以上方程式3和4中，mi通过以下方程式5来获得。
[方程式5]
因此，从具有N匝的发射线圈中产生的在z方向的总磁场Hz和在ρ方向中的总磁场Hρ可以分别表示为以下方程式6和方程式7。
[方程式6]
[方程式7]
接下来，图8和图9是示出根据本发明实施例所述的线圈单元的形状的各个实施例的视图，并示出在发射线圈中以各种方式控制螺旋线圈单元的梯度的实施例。
参见图8，根据本发明另一实施例所述的发射线圈700包括螺纹线圈单元701和螺旋线圈单元702。当螺纹线圈单元701的外径是固定的并且螺旋线圈单元702的长度D被维持为恒定时，从底部起的螺旋线圈的梯度θ可以被控制在5°至90°的范围内。在螺旋线圈单元702的长度被维持为不变的情况下改变梯度，螺旋线圈单元702的高度被改变为H1、H2,…,Hn。
同时，当螺旋线圈单元802的高度DH固定不变时，图9所示的根据本发明另一实施例所述的发射线圈800以各种方式将梯度θ调整在5°至90°的范围内。因此，螺纹线圈单元801的半径rmax可以根据螺旋线圈单元802的梯度来调整。
图10a、图10b和图10c为示出将常规发射线圈中的磁场强度与在根据本发明实施例的碗形发射线圈的磁场强度进行比较的模拟结果的视图。
图10a所示为根据本发明实施例所述的碗形发射线圈的磁场强度，图10b所示为仅存在常规螺旋线圈的磁场强度，图10c所示为仅存在常规螺纹线圈的磁场强度。在每幅图中，左侧表示在线圈结构的方向Hz中的磁场强度，右侧表示在线圈结构的方向Hρ中的磁场强度。
而且，在图10a、图10b和图10c中的白色区域901是用于支持该发射线圈的支持构件，并且表示碗形发射器的截面，可以具备接收器的储存功能，如图6和图7所示。
具体地，在图10a中的左图表示当接收线圈在水平方向离开底部5mm(D＝5mm)时磁场强度模拟结果，右图表示当接收线圈在垂直方向离开底部8mm(D＝8mm)时磁场强度模拟结果。
由图10a、图10b和图10c所示出的来自发射线圈的磁场的模拟结果表示了当应用0.64mm导线和1A电流时的磁场强度。在图10a所用的线圈中，根据本发明实施例，线圈高度为9.1mm，在螺纹线圈各个导线之间的间隔为1.5mm，在类圆锥形螺旋回路的各个导线之间的间隔为2.14mm。在图10b中的螺旋线圈和在图10c中的螺纹线圈为7匝线圈，在线圈各匝之间的间隔为1.5mm，螺旋线圈和螺纹线圈的最大直径分别为29mm和17mm。
根据在图10a、图10b和图10c中所示的磁场强度，在根据本发明实施例所述的无线电力发射线圈所产生的磁场区域、从常规螺旋线圈所产生的磁场区域和从螺纹线圈所产生的磁场区域中，红色区域表示磁场在正(+)方向为强的区域，蓝色区域表示磁场在负(-)方向为强的区域。
在比较图10a与图10b和图10c时，由螺纹线圈和锥形螺旋线圈连结所形成的碗形线圈结构所产生的在图10a左侧所示出的磁场Hz所在的区域，比图10b所示的仅由螺旋线圈单元产生的磁场的区域与图10c所示的仅由螺纹单元产生的磁场的区域之和还要宽。换言之，当仅使用螺纹线圈时，在该螺纹线圈最外层附近处磁场强度Hz极低。在此情况下，如图10b中左图所示，通过使用由锥形螺旋线圈所产生的磁场Hz，可以在布置接收器的表面上获得恒定或均匀的磁场Hz。
另外，由该线圈结构产生的在图10a右侧所示出的磁场Hρ所形成的区域，比图10b所示出的仅由螺旋线圈单元所产生的磁场的区域与图10c示出的仅有螺纹线圈单元所产生的磁场的区域之和还要宽。因此，通过该螺纹线圈与锥形螺旋线圈的组合，该碗形线圈的结构可以产生协同效应。
图11a和图11b是示出将在诸如螺纹线圈和螺旋线圈之类的常规发射线圈中的磁场强度与根据本发明实施例所述的碗形发射线圈中的磁场强度进行比较的另一模拟结果的视图。
图11a和图11b中示出的碗形发射线圈的曲线图表示的是在以下线圈中的在z方向中的磁场强度和在方向ρ中的磁场强度的比较结果：包含螺旋线圈的第一发射线圈1001；包含螺纹线圈的第二发射线圈1002；包含圆柱形螺旋线圈单元和螺纹线圈单元的第三发射线圈1003；以及包含锥形螺旋线圈单元和根据本发明实施例的控制磁场强度的螺纹线圈单元的第四发射线圈1004。此处，实线表示模拟(sim)结果，在实线上的多个点表示针对每种线圈结构的计算结果。
对于每种线圈，图11a图示了在离支持构件底部5mm处的高度D1s处的在z方向中的磁场强度Hz的比较结果，图11b图示了在离支持构件底部8mm处的高度D2s处的在ρ方向中的磁场强度Hρ的比较结果。在此情况下，通过考虑可实施为由本发明提出的接收器的小型装置，例如，通过考虑在耳中助听器的大小，可以确定D1s和D2s。
具体地，下文将描述在每种线圈中的磁场强度的比较结果。
参见图11a和图11b，第一发射线圈1001表现出在中心处的低磁场强度(Hz,Hρ)，随着远离中心，表现出较高的磁场强度(Hz,Hρ)。这是由于形成第一发射线圈1001的螺旋线圈的磁场的特性导致的。
相反地，在第二发射线圈1002的情况中，在中心处在z方向中的磁场强度Hz高，随着远离中心，磁场强度急剧下降。在中心处和在边界处在ρ方向中的磁场强度Hρ低，但是在中间点在ρ方向中的磁场强度Hρ具有最大值，该中间点离中心大约10mm。这是由于形成第二发射线圈1002的螺纹线圈的磁场的特性。
第三发射线圈1003和第四发射线圈1004表现出在z方向的磁场强度上与包含螺纹线圈的第二发射线圈1002相似的特性，并且表现出在ρ方向的磁场强度上与包含螺旋线圈的第一发射线圈1001相似的特性。
另外，因为第四发射线圈1004具有与第三发射线圈1003相同的线圈结构，该两个发射线圈的图案或磁场强度相似。但是，在第四发射线圈1004的情况中，可以调整线圈匝数、导线间隔和螺旋线圈梯度来控制磁场强度，因此与第三发射线圈1003相比，磁场强度增加。
因此，当使用根据本发明实施例所述的碗形发射线圈时，可以在磁场区域中形成相对均匀的磁场，并且可以将死区最小化，从而不论接收线圈的位置和阵列如何，都可以有效地给一个或多个接收器充电。即，可以实现发射器和接收器的自由放置并给多个接收器充电。图12是示出一实例的视图，其中，三维无线电力发射线圈是根据本发明实施例制造的，而发射线圈是根据参照图10a、图10b和图10c提及的发射线圈的配置条件所制造。
如参照图10a、图10b和图10c所描述，在图12中所示的发射线圈1101使用铜线、导线直径为0.64mm，总高度为9.1mm，在底部上的螺纹线圈回路的导线之间的间隔为1.5mm，在侧面的螺旋线圈回路的导线之间的间隔为2.14mm，并且螺纹线圈回路和螺旋线圈回路具有7匝。发射线圈1101连接至集总常数电容器以在6.78MHz处谐振，线圈电感L为6.40μH，电阻R为1.039Ω。在6.78MHz处的发射线圈的品质因数(ω×L/R)为262.4。ω是角频率，ω＝2πf。
同时，参照图4至图11描述的发射线圈和发射器是便于描述而提供的实施例，但是具体规格(例如，匝数、线圈大小、碗大小等)不限于上述描述。发射线圈和发射器可以以各种形式和大小来实施。另外，在本发明的一个实施例中，描述了助听器和助听器的存放。但是，不限于该实例，接收器和发射器可以用于各种用途，例如，可穿戴电子装置、智能电话、便携型医护装置，以及这些装置的存放。
同时，在图4至图7以及图12所示的发射线圈中，螺纹线圈单元和锥形螺旋线圈单元实施为圆形形式，发射器实施为具有圆形碗形状。但是，根据本发明其他实施例，螺纹线圈单元的回路和锥形螺旋线圈单元的回路可以以各种形式实施，例如，除了圆形形式以外，多边形或椭圆形形式。
鉴于此，图13和图14图示应用了根据本发明实施例的无线电力发射线圈的结构的碗形发射器的机械形状的另一实例。
根据本发明其他实施例，发射器1200的水平区段1201可以形成为如图13所示的矩形，发射器1300的水平区段1301可以形成为如图14所示的六边形。在图13和图14所示的发射器中，螺纹线圈单元1202或1302和锥形螺旋线圈单元1202或1302可以在下部缠绕(在图中即上部，因为图示的发射器是从下往上看的)，并且可以沿着侧面的外周面来缠绕。发射器的水平区段可以实施为各种形式，包括多边形形式、椭圆形形式等。
图15是示出根据本发明另一实施例的实施多个接收器能够包含和存放该多个接收器的发射器的实例的透视图。
如图15所示，本发明的另一实施例将发射器1220实施为助听器壳，并且与接收器对应的助听器可以存放在该发射器中并在该发射器中充电。在发射器内部是分别用于包含左助听器和右助听器的存储空间1221和1222，以及用于覆盖储存空间1221和1222的盖1223被布置以利于安全保存。上述线圈结构可以现状在与发射器1220的存储空间1221和1222分别对应的内部中。
图16所示为图15中所示的发射器1220的截面，并且具体地图示了左存储空间1221的横截面。
如图16所示，螺纹线圈单元1227安装在左储存空间1221的内底部，螺旋线圈单元1225安装在内部的侧壁中。螺纹线圈单元1227和锥形螺旋线圈单元1225可以是矩形形式以对应于矩形储存空间1221。即，螺纹线圈单元1227和锥形螺旋线圈单元1225可以分别是矩形螺纹线圈和矩形锥形螺旋线圈。
当实施图15和图16中所示的助听器壳时，可以在将助听器存放到壳中的同时自动地给助听器充电。在此情形下，该助听器壳可以被实施为通过高速充电功能尽可能快地给电池充电，并且可以用过安装具有比助听器电池容量更大容量的电池来给助听器多次充电。
同时，可以在板型支持构件中缠绕根据本发明实施例所述的接收器中所包含的接收线圈。下文中，将参考图17至图19来描述接收线圈的各种实施例。
图17a和图17b是用于根据本发明实施例所述的形成接收线圈的组件的实例的视图。
图17a所示的接收器线圈1400为安装在接收器上的线圈。当形成支持构件的宽表面被定义为第一平面而与第一平面相对的侧面被定义为第二平面时，接收线圈1400可以包括：第一水平线圈单元1401，其水平地缠绕以与支持构件的第一平面对准；垂直线圈单元1402，其沿该支持构件的侧壁垂直地缠绕；以及第二水平线圈单元1403，其水平地缠绕以与第二平面对准。在此情况下，第一水平线圈单元1401和第二水平线圈单元1403使用螺纹线圈，垂直线圈单元1402使用螺旋线圈。
该螺纹线圈和该螺旋线圈使用单根导线以使用比若干Hz更高的频率，并且可以实施为多匝结构。例如，整个接收线圈的大小设计为长宽高分别为10.5mm、6.5mm和2.46mm的长方体；形成第一水平线圈单元1401和第二水平线圈单元1403的螺纹线圈被实施为八匝；形成垂直线圈单元1402的螺旋线圈被实施为七匝；这几个线圈彼此串联连接。另外，优选地，当在每个线圈单元中使用多匝结构时，可以使线圈各匝之间的间隔相等以实现最低电阻。
另外，在接收线圈内部，可以使用适用于接收线圈形状的具有磁性片特性(sheetof magnetic characteristic)的结构来汇聚磁通量。例如，如图17a所示，具有长方体形铁氧体(ferrite)的支持构件1404可以通过堆叠导磁率为100的多个铁氧体片来形成矩形板型结构来实施。
图17b所示为根据图17a所示配置生成的接收线圈的实例。所制造的接收线圈1405根据图17a所示线圈配置来制造。所制造的接收线圈1405根据图17a所提及的线圈说明而制造。具体地，其具有长宽高分别为10.5mm、6.5mm和2.46mm的长方体结构，螺纹线圈具有八匝，螺旋线圈具有七匝，这几个线圈彼此串联连接，使用了直径为0.25mm的铜线。而且，连接了集总常数电容器以使得接收线圈1405在6.78MHz处谐振。所制造的接收器谐振线圈1405的电感和电阻分别为3.09μH和3.4Ω。因此，在6.78MHz处的该接收线圈的品质因数为38.7。
同时，除了图15所示的矩形形式以外，根据本发明实施例所述的接收线圈可以实施为各种形式。
图18和图19为示出根据本发明实施例所述的接收线圈的各种其他实施例。
参见图18和图19，图示了具有圆形形式的接收线圈1500和具有六边形形式的接收线圈1600。
如图18和图19所示，接收线圈1500或1600可以通过堆叠第一螺纹线圈单元1501或1601、螺旋线圈单元1502或1602以及第二螺纹线圈单元1503或1603来形成，根据接收线圈的形式，这些单元的每一种具有圆形形式或六边形形式。
另外，尽管在图18和图19中未示出，可以进一步包含圆形或六边形板型支持构件例如铁氧体片来支持该接收线圈。
所提出的接收线圈结构可以应用于所提出的发射线圈结构，但是也可以应用在具有其他形式的发射线圈结构中。例如，可以应用到平板型螺纹结构、盒型线圈结构等。
图20a和图20b所示为根据本发明实施例的测量发射线圈与接收线圈之间的互感的测量结果的实例。具体地，示出的是随接收线圈阵列变化的发射线圈和接收线圈之间的互感的测量结果。
图20a是当接收线圈被布置为与发射线圈平行时测量互感的测量结果，图20b所示为当接收线圈被布置为与发射线圈垂直时测量互感的测量结果。在此情况下，所用的发射线圈和所用的接收线圈为上文参考图12、图17a和图17b描述的根据实施例所述的发射线圈和接收线圈，并且这些线圈的位置被确定为与在图10a、图10b和图10c中所示模拟所用接收线圈布置相同。也就是说，在平行布置中，接收线圈被布置为距离支持构件底部5mm，在垂直布置中，接收线圈被布置为距离支持构件底部8mm。
如图20a所示，在平行布置中，发射线圈与接收线圈之间的互感在中心处约为350nH，并且随着靠近边界而降低。如图20b所示，在垂直布置中，发射线圈与接收线圈之间的互感在中心处约为2.25nH，并且随着靠近边界而增加，最大值为178.5nH。另外，当在垂直布置中接收线圈沿着x轴移动时，互感增加。然而，当接收线圈沿着y轴移动时，不论是z方向磁场还是ρ方向磁场都没有与接收线圈交联，因此互感可以变为约为零。
同时，通过发射线圈与接收线圈的电阻和互感，无线电力收发器系统的理论最大效率ηmax可以通过以下方程式8来计算。
[方程式8]
ω为角频率，M为在接收线圈与发射线圈之间的互感，R1和R2分别为发射线圈和接收线圈的电阻。参见方程式8，当发射线圈与接收线圈彼此平行布置时，该无线电力收发器系统在发射线圈中心处具有80.11％的最大效率ηmax，当发射线圈与接收线圈彼此垂直布置时，该无线电力收发器系统在ρ＝3cm处具有最大效率61.3％。这是发射器/接收器谐振线圈的理论最大效率，可以通过适宜的阻抗匹配来获得此最大效率。
同时，在上述实施例中，解释了根据图4和图5所示结构实施发射线圈以及根据图17a和图17b所示结构实施接收线圈的实例。然而，根据本发明另一实施例，实施图4和图5所示线圈结构可以实施为接收线圈，实施图17a和图17b所示线圈结构可以实施为发射线圈。例如，根据另一实施例，接收器的至少一部分被形成为具有碗形，而接收线圈被实施为包含螺纹线圈单元和螺旋线圈单元。也就是说，根据本发明提出的改善的线圈结构例如具有螺纹线圈单元和锥形螺旋线圈单元的线圈结构可以应用于发射线圈和接收线圈中的至少一个。
图21所示为根据本发明实施例所述的无线电力收发器系统的电路配置的另一实例，并具体展示了用于执行阻抗匹配以最大化无线电力收发器系统效率的电路图。
参见图21，根据本发明另一实施例所述的无线电力收发器系统包含发射器1800a和接收器1800b。
发射器1800a包含用于Tx阻抗匹配的源线圈1801以及发射器谐振线圈1802。具有电感LS和损耗电阻RS的源线圈1801与具有特性阻抗Z0的交流源连接。集总电容器CS连接至该源线圈。在此情况中，根据电路条件，可以不使用电容器CS。Tx阻抗匹配可以通过控制源线圈的阻抗和源线圈1801与Tx谐振线圈1802之间的互感MS来进行。由于Tx谐振线圈固定，可以改变源线圈的匝数和大小来使Tx阻抗匹配获得的适当的互感。
发射器谐振线圈1802包括电感为L1的发射器谐振线圈、连接至发射器谐振线圈的电容器C1以及损耗电阻器R1。源线圈1801和发射器谐振线圈1802可以通过控制互阻抗MS来进行发射器输入阻抗匹配。但是，不限于所示匹配电路，可以使用各种匹配电路。例如，发射器谐振线圈单元可以直接连接至电容器而不是使用源线圈。在此情况下，这几个电容器可以被配置成与交流源串联、并联、串并联或并串联。
当生产图21所示的源线圈时，该源线圈可以是半径为11mm且导线间隔为2mm的螺纹线圈，并且该螺纹线圈可以具有两匝。另外，该源线圈可以位于该发射线圈的底表面上。例如，通过使用如图6所示的在发射器底表面下方的内部中布置的第二沟槽H2来缠绕该源线圈，该源线圈可以位于该发射线圈的下部中。该源线圈的示例性电感为150nH，MS＝364nH。
同时，接收器1800b的接收端包含接收器谐振线圈1803和接收器阻抗匹配电路1804。接收器谐振线圈1803具有电感L2和损耗电阻R2。
接收器阻抗匹配电路1804使用电容器C2和CP来进行Rx阻抗匹配，并且如图所示接收器谐振线圈1803可以串联或并联连接至接收器阻抗匹配电路1804的电容器C2和CP。如果如上所述这些连接为串联和并联，当对多个装置充电时，可以将较多电力供应给阻抗较低的负载。
在此情况下，尽管在图21中没有示出，在源线圈1801与接收器谐振线圈1803之间可以存在互阻抗，并且当该互感没有较大程度地影响系统性能时，可以将其忽略。但是，当源线圈1801很接近接收器谐振线圈1803或当同时给多个接收器充电时，必须要考虑精准的阻抗匹配。
接收器1800b的接收端即接收器谐振线圈1803以及接收器阻抗匹配电路1804的电容器C2和CP与接收信号处理电路连接，该电路包含整流器电路1805、充电器电路1806(该充电器电路是LTC4070)、锂离子电池1807、DC-DC转换器电路1808以及负载1809。此处，该DC-DC转换器电路1808使用作为LDO电路的LD6806，并且该负载1809可以是助听器。因为用于给负载锂离子电池1807充电的电流仅限于20mA以防止电池过电流，该负载阻抗具有几百欧姆的阻抗值，并且与现有的以高电流充电的智能电话的电池相比，此阻抗值较高。因此，该并联谐振电路的实施意图在于防止当使用该串联谐振电路时可能会发生的无线充电系统的效率的降低。
因此，优选地，接收器阻抗匹配电路1804应用并联谐振电路，其中，接收器谐振线圈、电容器和负载彼此并联连接，例如在电容器C2与接收线圈1803并联连接，C2≠0的情况中，以及在电容器CP串联连接，CP＝0的情况中。
但是，不限于如图21所示的并联谐振电路，可以使用根据实施方法的串联-并联、并联或串联电容器中的任一种的匹配电路。而且，与发射器1800a类似，可以通过布置连接至接收器谐振线圈和整流器电路的负载线圈来进行匹配。
接收器1800b的接收信号处理电路可以包括接收电路，该接收电路包含用于将在接收器谐振线圈1803中的感应的电压转换成直流的半波整流器电路1805、用于检测的红光LED1805c、用于给锂离子电池充电的电池充电IC1806以及锂离子电池1807。
锂离子电池1807在正常状态下具有4.2V电压，但是与负载1809对应的助听器在1.4V电压下操作。因此，为了使用用于该助听器的电池电压，可以使用线性稳压器来降压。例如，在接收电路中所用的LDO 1808为NXP Semiconductors的LD6806，并且施加到该助听器上的电压的测量值可以是1.417V。
为了减小该接收信号处理电路的大小，整流器电路1805被配置为仅使用单个二极管1805a的半波整流器电路，而不是全波整流器电路。在此情况中，例如，二极管1805a是松下公司的DB27316，其阈值电压为0.55V，并且该二极管可以实施为低电流整流二极管。平流电容器1805b与二极管1805a并联连接以对整流电压进行平流，通过与一般RF电容器并联连接以具有116μF，可以最小化纹波电压。
另外，用于检测充电的红色LED1805c被连接以表示充电状态。在充电状态中，整流器电路1805的输出电压与充电器IC 1806的输入电压之间的电压差可以固定为LED 1805c的阈值电压。例如，对于锂离子电池1807的低电流充电，充电器IC 1806可以使用LinearTechnology Corporation的LTC4070。在此情况下，IC 1806可以具有最小450nA至最大50mA的操作电流来充电。
如上所述，包含如图21所示电路的无线电力收发器系统可以实施为用于小型助听器的无线充电系统。
图22所示为基于根据本发明实施例所述的无线电力收发器系统的电路配置的用于小型助听器的无线充电系统的形状的实例的视图。
图22所示包括用于小型助听器2200a的无线充电系统的形状，其通过体现(reflecting)如上所述对图21的描述中的发射器电路图2100a来制造，以及接收线圈和接收电路2200b的形状，其通过体现接收器2100b的电路图来制造，接收器2100b被制造以连接到如上所述的对图21描述中提及的接收器谐振线圈。
参见图22，与接收器对应的助听器为Dae-han助听器公司的耳内式助听器，并且长度和宽度分别为18mm和15mm。锂离子电池为囊袋型电池，其电池单元的宽度、长度和高度分别为10mm、10mm和4.09mm。图22还示出所制造的接收线圈和接收电路形状，接收线圈和接收电路的组合的高度为4mm。该接收电路在0.4mm FR4PCB电路板上制造，并且其大小适宜于与该接收线圈一起嵌入到该助听器中。
包含图21和图22所示电路配置的无线电力收发器系统用于给小型锂离子电池充电，其用于小型助听器，但是也可以应用于各种可穿戴医护装置和各种便携式信息通信装置，诸如可穿戴信息通信装置、智能电话等。
图23是示出根据本发明实施例所述的无线电力收发器系统的电路配置的另一实例。具体地，图23所示的电路图为表示与将电力从发射器发射到多个接收器(例如第一接收器和第二接收器)的实例对应的等效电路。
如图23所示，发射器2301可以根据分别与第一接收器2302的互感M12和与第二接收器2303的互感M13基于磁耦合来发射无线电力。图23所示的发射器2301的发射线圈可以具有根据本发明所述的如图4和图5所示的线圈结构。例如，机械方面，图23所示实例可以是多个接收器置于碗形发射器2301中的状态。例如，图23所示发射器2301的参数可以使用在图21描述中的发射器的参数，第一接收器2302或第二接收器2303的参数可以使用在图21描述中接收器的参数。
尽管未在图23中示出，发射器的输出为交流信号VS。发射器2301包括自身电感L1、电阻器R1和电容器C1来进行谐振。第一接收器2302包括自身电感L2、电阻器R2和电容器C2来进行谐振。另外，第二接收器2303可以包括自身电感L3、电阻器R3和电容器C3来进行谐振。
图23所示的电路图所示为一串联电路，其中，发射器2301的电容器C1串联连接至电感器L1和电阻器R1，但是本电路不限于此实例。根据另一实施例，发射器2301的电容器C1可以并联连接至电感器L1和电阻器R1。另外，图21所示的电路图所示为一串联电路，其中，接收器2302的电容器C2并联连接至电感器L2和电阻器R2，但是本电路不限于此实例。根据另一实施例，电容器C2可以串联连接至电感器L2和电阻器R2。相似地，图23所示的电路图所示为一串联电路，其中，接收器2303的电容器C3并联连接至电感器L3和电阻器R3，但是本电路不限于此实例。根据另一实施例，电容器C3可以串联连接至电感器L3和电阻器R3。
优选地，为了实现发射线圈通过磁耦合给第一接收线圈和第二接收线圈发射最大电力，发射器2301可以包括用于与第一接收器2302进行阻抗匹配的阻抗匹配单元例如Tx阻抗匹配单元，并且第二接收器2302可以包括用于在负载阻抗(ZL)与向第一接收器的Rx线圈看去的阻抗之间进行阻抗匹配的Rx阻抗匹配单元。相似地，第二接收器2303可以包括用于在负载阻抗(ZL3)与向第二接收器的Rx线圈看去的阻抗之间进行阻抗匹配的Rx阻抗匹配单元。
为了实现最大电力传输，该发射器阻抗匹配单元用于使得从该阻抗匹配单元向该Tx线圈看去的阻抗中不含电抗，也就是说，从该阻抗匹配单元向该Tx线圈看去的假想阻抗为零。第一接收器2302的阻抗匹配单元和第二接收器2303的阻抗匹配单元满足关于共轭匹配的条件。在此情况下，阻抗ZL2或阻抗ZL3可以表示负载，诸如整流器电路、DC-DC转换器、电池、电阻器、电装置等。
同时，在上述根据本发明实施例所述的线圈结构中，例如，在图4和图5所示的线圈结构中，该螺纹线圈单元和该锥形螺旋线圈单元用单根导线配置。也就是说，上述发射线圈单元用单根导线实施。但是，在根据本发明另一实施例所述的线圈结构中，该螺纹线圈单元和该锥形螺旋线圈单元分别用不同导线来配置。也就是说，该发射线圈单元由多根导线形成。下文中，将描述根据此实施例所述的线圈结构。
图24是示出根据本发明另一实施例所述的三维无线电力发射线圈结构的实例的透视图。
如图24所示的根据本发明另一实施例所述的发射线圈可以包括：螺纹线圈单元401’，其形成为在二维平面例如地面上的圆形螺纹线圈；以及螺旋线圈单元402’，其具有类锥形的形状，其中，线圈从形成螺纹线圈单元的平面起在垂直方向上缠绕，而线圈环路的半径稳定增加。
在此情况下，形成发射线圈400的螺纹线圈单元401’和锥形螺旋线圈单元402’使用物理上分开的导线来实施。也就是说，与图4所示使用单根导线的发射线圈单元不同，图24所示发射线圈单元具有螺纹线圈单元401’和锥形螺旋线圈单元402’在物理上分开的结构。
如上所提及，螺纹线圈单元401’和锥形螺旋线圈单元402’可以实施成各种形式，包括多边形、椭圆形等，也包括图22所示圆形。
当使用此无线电力发射线圈结构时，可以通过将交流源分别连接至螺纹线圈单元401’和锥形螺旋线圈单元402’来根据实际情况基于有效控制来实施有效发射器。
图25是图示根据本发明另一实施例所述的无线电力发射系统的配置的方块图。
如图25所示，发射器2500可以包括第一发射器单元2510、第二发射器单元2520、控制单元2530以及发射器通信单元2540。第一发射器单元2510可以包括第一发射线圈2513、第一阻抗匹配单元2512和第一交流源2511。此处，第一发射线圈2513可以是图24所示的螺纹线圈单元401’。第二发射器单元2520可以包括第二发射线圈2523、第二阻抗匹配单元2522和第二交流源2521。此处，第二发射线圈2523可以是图24所示的锥形螺旋线圈单元402’。即，与第一发射线圈2513对应的螺纹线圈单元401’和与第二发射线圈2523对应的螺旋线圈单元402’物理上彼此分开，并分别被供应以来自第一交流源2511和第二交流源2521的电力。
发射器通信单元2540使得能够通过与接收器2550和2560中的至少一个通信来发送数据给接收器2550和2560中的至少一个以及从接收器2550和2560中的至少一个接收数据。发射器2500与接收器2550或2560之间的通信可以使用能够用无线电力发射信号来发射和接收数据的带内通信，或者可以使用用与无线电力发射频率不同的频率的其他通信方法。
控制单元2530可以通过发射器通信单元2540获得无线电力的感测数据，该感测数据从接收器2550或2560发射给发射器2540。基于所获得的感测数据，控制单元2530控制输出电力和第一交流源2511和第二交流源2521的操作，并且可以控制第一阻抗匹配单元2512和第二阻抗匹配单元2522。换言之，第一交流源2511的信号和第二交流源2521的信号具有相同的相位，但是输出功率可以由于控制单元2530的控制而不同。因此，在第一发射线圈2513中产生的磁场强度可以不同于在第二发射线圈2523中产生的磁场强度。
更具体地，控制单元2530通过分别控制第一交流源2511和第二交流源2521给第一发射线圈2513和第二发射线圈2523施加预定恒定电力。因此，电力被无线地发射给接收器2500。接收器2550或2560可以通过感测所接收电力的强度来将感测数据发射给发射器。控制单元2530可以基于从接收器2550或2560接收的感测数据来控制第一交流源2511和第二交流源2521的电力。例如，控制单元2530检测能够给接收器2550或2560发射更多电力的发射器单元，并且可以控制相关交流源来允许所检测到的发射器单元发射更多电力。
例如，如果与来自螺旋线圈单元402’(其是2520)的电力相比，接收器2550或2560从螺纹线圈单元401’(其是2510)接收更多的电力，控制单元2530可以控制第一交流源2511和第二交流源2521使螺纹线圈单元401’比螺旋线圈单元402’供应更多的电力。在另一实例中，如果接收器2550或2560从螺旋线圈单元402’(其是2520)接收大多数电力，并且几乎不从螺纹线圈单元401’接收任何电力，控制单元2530可以控制第一交流源2511和第二交流源2521仅给锥形螺旋线圈单元402’供应电力而不是给螺纹线圈单元401’供应电力。
如上所述，根据在无线电力发射区域中的接收器2550或2560的位置或状态，控制单元2530可以将较多电力供应给能够给接收器2550或2560提供较多电力的发射器单元，或者可以减少对于几乎不发射电力的发射器单元的电力供应。因此，根据此实施例，无线电力传输效率大大增加，可以实现有效的无线电力传输。
同时，当存在多个接收器(例如，当存在2550和2560时)，控制单元2530通过分别控制第一交流源2511和第二交流源2521来施加预定的恒定电力给第一发射线圈2513和第二发射线圈2523。然后，该控制单元可以通过基于关于电压、电流、功率的感测数据以及从接收器2550和2560接收的数据控制第一交流源2511和第二交流源2521的输出来控制在第一发射线圈2513和第二发射线圈2523中产生的磁场强度。
同时，控制单元2530可以控制分别在第一发射器单元2510和第二发射器单元2520中布置的第一阻抗匹配单元2512和第二阻抗匹配单元2522。为了实现此类控制，接收器2550或2560感测在整流器电路之前的节点或在整流器电路之后的节点处测量的电压和电流中的至少一者，并将该数据传输给发射器2500。基于接收到的感测数据，控制单元2530控制第一阻抗匹配单元2512和第二阻抗匹配单元2522来实现最优发射器阻抗匹配。同时，如以上对于本发明实施例的描述，可以使用单根金属导线或多根金属导线来设计频段大于若干MHz的线圈。然而，如果在该线圈单元中的导线匝数增加以增强在无线电力传输中的磁场强度，随着频率变高，导线集肤效应也增加。另外，随着形成该线圈的导线匝数增加，在相导线之间的邻近效应也急剧增加，因此会导致损耗阻抗增加。
本发明通过考虑由于形成线圈单元的导线匝数增加所导致的导线之间的邻近效应和集肤效应，提出一种能够通过最小化损耗阻抗来最大化磁场强度的线圈结构。
下文中，参看图26，将描述在金属导线中的集肤效应。参见图27，将描述在两根相邻导线中流动时可能发生的集肤效应和邻近效应。
图26是用于解释当电流施加给导线时发生的集肤效应的截面图。
如图26所示，当电流I0施加给半径为r0的单根金属导线2000时，由于涡流而使电流集中在导线外层中的集肤效应。当检查在图26中所示的导线的截面2000中所示的电流密度时，在导线中心处的电流密度几乎为零，并随着越来越接近导线表面，电流密度增加。图26所示为表示此现象的模拟结果，并且表面区域2001表示为电流密度增加。参见图26，可以确认电流集中在边界地带。
方程式9表示在单位长度的导线中的电阻Rskin。
[方程式9]
在方程式9中，RDC＝1/(π(r0)2σ),δ＝1/(πfμ0σ)1/2(r0/δ＞1)；r0表示导线半径，σ表示导线电导率。另外，f表示工作频率，μ0表示导线导磁率，δ表示集肤深度。
图27所示为用于解释当两根或两根以上导线彼此接近时的邻近效应的截面图。
参见图27，在第一导线2110和第二导线2120内在有相同电流I0在相同方向流动。第一导线和第二导线具有相同大小。导线半径为r0，在导线2110和2120上标记的H表示在相邻导线中产生并施加给对面导线的磁场。
在导线2110和2120中分别产生的磁场H防止在与对面导线相邻的区域2111和2121中的电流流动，因此，电流密度近乎为零。此现象被称为邻近效应。具体地，在用于无线电力传输的线圈和需要增强磁场强度的线圈结构中，如果增加线圈匝数来增强磁场强度，磁场强度增加到一定程度。然而，当匝数过度增加时，由于形成该线圈的导线之间的间隔以及导线半径，电阻可以急剧增加。
考虑到集肤效应和邻近效应，在单位长度的并联导线中的损耗电阻Rohmic可以表示为以下方程式10。
[方程式10]
Rohmic＝Rskin+Rprox＝Rskin(1+Gp)(Ω/m)
如在方程式10中所示，在单位长度平行导线中的损耗电阻Rohmic为由集肤效应导致的单位长度导线中的电阻Rskin与由邻近效应导致的单位长度导线中的电阻Rprox之和。此处，由邻近效应导致的单位长度导线中的电阻Rprox为Rskin与近距离因数Gp之乘积。因此，在单位长度平行导线中的损耗电阻Rohmic可以表示为Rskin与(1+Gp)之乘积，单位为Ω/m。
近距离因数Gp可以通过以下方程式11来计算。
[方程式11]
如方程式11所示，近距离因数Gp可以通过x、δ和H来确定。此处，δ表示集肤深度，x表示2r0/δ，并且δ和x为确定的值。H表示由近旁导线中的电流I0所产生的磁场，并且根据线圈匝数或导线之间的间隔，H可以不同。
因此，当获得根据线圈匝数或导线之间的间隔所产生的磁场H时，可以获得近距离因数，并且基于此近距离因数，可以计算出单位长度损耗电阻Rohmic。换言之，该近距离因数可以通过根据线圈匝数或导线之间的间隔所产生的磁场效应来确定，并且可以通过将Rohmic乘以线圈总长度来获得螺纹线圈结构或螺旋线圈结构的总电阻。如上所述，由于集肤效应和邻近效应，在设计若干MHz的高频段导线时使用单根金属导线缠绕的线圈结构时，近距离因数变大并且损耗电阻急剧增加，因此，效率大大降低。也就是说，当具有相同电流的金属导线缠绕成多匝时，磁场会增加，但是电阻也会急剧增加。因此，通过参考方程式8，由于电阻的增加率高于由磁场增强带来的互感增加率，传输效率大大降低。
因此，在用于无线电力传输的线圈结构中，本发明公开一种将具有相同半径的多根导线在预定区域在一定误差范围内以相同间隔布置的结构。此处，通过考虑在导线之间的集肤效应和邻近效应，在两根导线之间的间隔被确定为能够最小化损耗电阻并最大化线圈Q因数的最优间隔。
下文将描述此类线圈单元结构。当设计具有均匀间隔的各种形式的线圈时，例如，当设计螺纹线圈、螺旋线圈等时，需要导出根据线圈匝数、导线半径、导线之间的间隔等来获得最小损耗电阻的关系式。
图28是根据本发明实施例所述的以相同间隔布置的具有圆形截面的多根平行导线的线圈单元的截面图。
参见图28，具有相同半径r0的N根导线均匀布置，相邻导线各自中心之间的间隔为距离P。此结构可以应用于多匝缠绕的螺纹线圈、多匝缠绕的螺旋线圈、多根直导线彼此平行布置的结构等。对于诸如螺纹线圈和螺旋线圈的多环路线圈应用，假设多环路线圈的最内层环路的半径远远大于线圈中的金属导线的厚度。
图29至图32所示的线圈单元或导线结构可以具有图28所示截面结构。图28所示的截面结构可以图示在29中所示的螺纹线圈的A1至B1的截面中，图30中所示的螺旋线圈的A2至B2的截面中以及在图31中所示的直导线布置中的从A3至B3的截面中。在图29所示的圆形螺纹线圈的情况中，单根导线以多匝缠绕在平面上，但是包含A1至B1的预定区域AR可以被看作是如图28所示的多根导线以相同间隔布置。此处，在螺纹线圈中的匝数对应于在预定区域中的导线根数，并且螺纹线圈相邻环路各自中心之间的距离可以对应于在预定区域AR中的相邻导线各自中心之间的距离。
相似地，在图30所示的螺旋线圈的情况中，单根导线以多匝绕垂直方向缠绕，但是包含A2至B2的预定区域AR2可以看作是多根导线以相同间隔布置。此处，该螺旋线圈的匝数对应于在预定区域中的导线根数，并且在该螺旋线圈的相邻环路各自中心之间的距离可以对应于在预定区域AR2中的相邻导线各自中心之间的距离。
除了图29至图31所示的结构以外，具有与图28所示截面相同或相似截面的任何结构可以使用在本发明中提及的导线缠绕方法或导线布置方法。
例如，图32为图示在图28中所示结构应用于矩形螺纹线圈单元的实例的平面图。
如图32所示，在矩形螺纹线圈的情况中，单根导线在平面中缠绕形成矩形回路，但是包含A4至B4的预定区域AR4可以被看作是多根导线以相同间隔布置。此处，该矩形螺纹线圈的匝数对应于在预定区域AR4中的导线根数，并且在该矩形螺纹线圈的相邻矩形环路各自中心之间的距离对应于在预定区域AR4中的相邻导线各自中心之间的距离。
在参考图28的描述中，假设所图示的截面结构为导线缠绕成多匝的线圈单元的截面结构，诸如螺纹线圈或螺旋线圈。
参见图28，P可以表示在相邻导线各自中心之间的间隔。例如，P可以是从第一导线的中心到与第一导线相邻的第二导线的中心的距离。在本发明的实施例中，图28所示的线圈单元的相邻导线之间的间隔在预定误差范围内是均匀的。也就是说，在线圈单元中的相邻导线之间的p是均匀的。
r0表示导线半径。N表示在对应区域中布置的导线根数。例如，在诸如螺纹线圈或螺旋线圈的线圈单元中，N可以表示线圈的匝数。W表示该线圈单元的总宽度。在螺旋线圈的情况中，W可以是所缠绕的导线的高度(见图30中的AR2)。在螺纹线圈的情况中，W是总线圈宽度(见图29中的AR)，其为从最外层环路到最内层环路的长度。
每根导线中电流相同。在此情况中，导线中最低电阻的方程式如下。
[方程式12]
在方程式12中，r0表示导线半径，W表示线圈单元总宽度，N表示导线匝数(直导线布置中的导线根数)。当r0、W和N通过作为r0、W和N关系式的方程式12确定时，作为相邻导线各自中心之间的距离p可以通过以下方程式13来确定。
[方程式13]
p＝(W-2r0)/(N-1)
通过使用方程式12和方程式13，可以通过各种方式来实施能够降低线圈损耗阻抗并最大化线圈品质因数的线圈单元。例如，当变量W和N为预设值时，可以基于方程式12和方程式13来实施具有最优半径r0来实现最小电阻的线圈。另外，另外，当W和r0为预设值时，可以确定匝数N来实现最小电阻。在此情况下，也可以确定在相邻导线各自中心之间的距离p。
如方程式12和方程式13所示的用于获得在导线中的最小电阻的关系式可以应用于多根导线彼此以相同间隔并联布置或多根导线以相同间隔在预定区域中布置的任何情况。
如上所述，为了计算包含具有相同电流的多根导线的结构中的损耗电阻，需要计算由相邻导线产生并影响目标导线的磁场H。因此，本发明通过检查了在导线在水平方向或垂直方向以多匝缠绕的线圈结构(诸如螺纹线圈或螺旋线圈)中产生的磁场是否与在多根直导线彼此平行布置的结构中产生的磁场相同，验证了方程式12和方程式13可以普遍使用。
图33a和图33b是用于解释在圆形截面的导线结构和无限长直导线中的磁场产生的示例性图。图33a所示为在螺纹线圈或螺旋线圈中包含的圆形环路的磁场产生，且图33b所示为在无限长直导线中的磁场产生。图33a和图33b中所示的rD表示距导线中心的距离，Hz和Hρ为在位置rD产生的在z方向中的磁场和在ρ方向中的磁场。r1表示从圆形环路中心到导线中心的距离。
首先，为了确定方程式12和方程式13是否可以适用于在水平方向中包含多个环路的螺纹线圈，检查在图33a中所示的内环路的位置rD中的磁场Hz的强度|Hz|、在外环路的位置rD中的|Hz|以及在图33b中所示的无限长直导线的位置rD中的|Hz|是否相似。此外，为了检查磁场是否会因为r1的变化而不同，将r1为2cm的情况与r1为20cm的情况进行了比较。在比较中，磁场强度|Hz|通过在每个半径中的最大值|Hz|来归一化。
图34所示为在圆形环路的内部和外部和在无限长直导线中随着rD变化产生的|Hz|的曲线。
如图34所示，已确认，在圆形环路内部中产生的在位置rD中的|Hz|、在圆形环路外部中产生的在位置rD中的|Hz|以及在无限长直导线中产生的在位置rD中的|Hz|接近相等。另外，当r1为2cm时产生的在位置rD中的|Hz|与r1为20cm时产生的产生的在位置rD中的|Hz|接近相等。因此，上述关系式，即方程式12和方程式13，可以适用于螺纹线圈结构，也可以适用于无限长直导线结构。
同时，为了确定方程式12和方程式12是否可适用于多根导线在垂直方向缠绕的螺旋线圈结构，检查在图33a中所示的圆形环路中的Hρ绝对值|Hρ|是否与在图33b中所示的无限长直导线的位置D中的|Hρ|相似。此外，为了检查随着r1变化磁场是否有所不同，将r1为5cm的情况与r1为50cm的情况进行了比较。图35所示为表示在圆形环路和在无限长直导线中随着D变化产生的|Hρ|的曲线图。在比较中，磁场强度|Hρ|通过在每个半径中的最大值|Hz|来归一化。
如图35所示，已确认，在圆形环路中产生的在位置rD中的|Hρ|与在无限长直导线中产生的在位置rD中的|Hρ|接近相等。另外，当r1为5cm时产生的在位置D的|Hρ|与r1为50cm时产生的在位置D中的|Hρ|接近相等。因此，上述关系式，即方程式12和方程式13，可以适用于螺旋线圈结构，也可以适用于无限长直导线结构。
因此，如果图29至图31所示的螺纹线、螺旋线圈和多根无限长直导线中的预定区域的截面与在图28中所示结构相同，方程式12和方程式13可以普遍使用。
同时，如上所述，在导线以多匝缠绕诸如螺纹线圈、螺旋线圈或多根导线彼此平行布置的结构中的线圈单元结构中，本发明提出一种相邻导线各自中心之间距离为均匀的结构。下文中，将描述支持当相邻导线各自中心之间的距离为均匀的时在导线中产生的损耗电阻具有最低值的假设的基础。
图36所示为当线圈单元的相邻导线各自中心之间的距离为均匀和不均匀时的损耗电阻比较的曲线图，并示出当导线匝数N为3时的情况以及N为4时的情况。
图36所示模拟实例表示了当导线半径r0为0.5mm、线圈单元总宽度固定且每根导线长度为1m时，损耗电阻随频率变化而变化。位于线圈单元两端的导线是固定的，并且，基于在相邻导线各自中心之间的距离其他导线移动Δp，p＝2mm。当Δp为零时，意味着在相邻导线各自中心之间的距离为均匀，也就是说，导线布置在相等间隔的布置中。
如图36所示，随着频率增高且Δp增加，损耗电阻增加。也就是说，当线圈单元的导线以相同间隔布置时，损耗电阻具有最低值，并且随着导线越来越接近某个导线，损耗电阻增加。因此，当在线圈单元中的相邻导线中心之间的距离为均匀时，在无线电力传输期间可以最有效地产生磁场。
同时，如上所述，本发明实施例提出一种具有相同半径的多根导线以相同间隔布置的结构。另外，本发明实施例提出一种通过方程式12和13在包含上述结构的线圈单元中的变量之间的关系，用于最小化由于导线之间集肤效应和邻近效应导致的损耗电阻。
图37所示为用于根据线圈单元匝数N最小化损耗电阻的导线半径与线圈单元总宽度之比。
如图37所示，在线圈单元匝数N等于或大于2以及等于或小于1000的范围内，导线半径r0与线圈单元总宽度W之比r0/W确定为以下方程式14。
[方程式14]
0.001857≤r0/W≤0.249923
如方程式14所示，导线半径与线圈单元总宽度之比等于或大于0.001857并且等于或小于0.249923。当考虑到实际实施中的容限时，在线圈单元匝数N等于或大于2且等于或小于1000的范围中，r0/W可以确定为0.0018至0.25。
图38所示为针对各个匝数根据p/2r0的每单元长度的损耗电阻的曲线图。
在图38所示的测量中，模拟条件为在相邻导线各自中心之间的距离p为2mm，且r0大于0.2mm且小于1mm。即，p/2r0具有大于1且小于5的值。
如图38所示，排除了匝数为2和3的情况，从p/2r0为1的点开始，损耗电阻急剧下降，当p/2r0处于1.3至1.9的范围中时，损耗电阻具有最低值，并且之后，损耗电阻增加。
图39所示为根据匝数N的用于最小损耗电阻的p/2r0值。如图39所示，实现最小电阻的p/2r0在N为2和3时仅具有接近于1的值，并且当N等于或大于4时处于1.2987到1.8182的范围内。
图40所示为根据匝数N的最优(最小)每单元长度损耗电阻的曲线图，图41所示为根据匝数N的用于最低每单元长度损耗电阻的p/2r0的值。参见图39至图40，当N为2，最优每单位长度损耗电阻为0.1743Ω/m，并且之后稳定增加。因此，当N为20时，值变为0.4152Ω/m。参见图39和图41，当匝数N为2时，实现最低电阻的p/2r0接近于1，但是，p/2r0从N为4的点急剧增加。从N为15的点起，p/2r0具有近乎恒定值，约为1.8。
以上描述仅仅是对本发明技术精神的说明，本发明所属领域普通技术人员可以在不偏离本发明本质特性的范围内做出修改和变化。因此，所公开的本发明实施例不是为了限制本发明技术精神，而是为了说明本发明技术精神，本发明技术精神范围不受这些实施例限制。本发明保护范围应当基于权利要求来理解，在与权利要求等同范围内的全部技术精神应当被理解为落入本发明的权利范围内。

Claims (31)

1.一种无线电力发射装置，包括：
碗形发射装置主体；以及
发射线圈单元，用于给接收装置无线地发射电力，
其中，所述发射线圈单元包括：
多环路线圈单元，在所述发射装置主体的底部中缠绕；以及
螺旋线圈单元，围绕所述发射装置主体的侧壁缠绕，并且缠绕成在朝向上部的方向上线圈环路的半径增加，
其中，所述发射装置主体被配置为使得，用于从所述无线电力发射装置接收无线电力的接收装置的全部或一部分位于由所述发射装置主体限定的内部区域中，并且所述接收装置在该内部区域中从所述无线电力发射装置接收无线电力。
2.根据权利要求1所述的无线电力发射装置，其中，所述螺旋线圈单元从所述多环路线圈单元的末端延伸。
3.根据权利要求1所述的无线电力发射装置，其中，所述螺旋线圈相对于所述发射装置主体的所述底部的梯度处于5度至90度角的范围内。
4.根据权利要求1所述的无线电力发射装置，其中，所述螺旋线圈单元具有与发射装置主体的表面对应的任意形状。
5.根据权利要求1所述的无线电力发射装置，其中，根据与所述接收装置的接收线圈单元交联的磁通量密度变为最大或最小的环境条件，基于当接收线圈单元的布置与所述发射线圈单元平行或与所述发射线圈单元垂直时的接收磁场强度，所述发射线圈单元进行控制。
6.根据权利要求1所述的无线电力发射装置，进一步包括源线圈单元，所述源线圈单元通过由电源供应电力，来给所述发射线圈单元发射电力。
7.根据权利要求6所述的无线电力发射装置，进一步包含一个或多个匹配单元，所述一个或多个匹配单元用于根据所述接收装置的负载来控制所述发射线圈单元中的阻抗匹配。
8.根据权利要求7所述的无线电力发射装置，其中，所述匹配单元包括发射线圈和与所述发射线圈分离的源线圈单元，所述发射线圈用于通过由电源供应电力来给所述发射线圈单元发射电力。
9.根据权利要求1所述的无线电力发射装置，其中，所述多环路线圈单元和所述螺旋线圈单元中的至少一个的末端串联或并联连接至一个或多个电容器。
10.根据权利要求1所述的无线电力发射装置，其中，所述多环路线圈单元和所述螺旋线圈单元中的至少一个缠绕成圆形线圈、多边形线圈和椭圆形线圈中的任意一种的形式。
11.根据权利要求1所述的无线电力发射装置，其中，对于形成所述多环路线圈和所述螺旋线圈单元的多根导线，基于导线半径、所述线圈单元总宽度以及线圈的匝数来确定在所述导线之间的间隔。
12.根据权利要求1所述的无线电力发射装置，其中，所述多环路线圈单元和所述螺旋线圈单元被缠绕成环路之间的间隔均匀。
13.根据权利要求1所述的无线电力发射装置，其中，所述发射线圈单元能够同时给多个具有不同负载特性的接收装置发射电力。
14.根据权利要求1所述的无线电力发射装置，其中，所述发射线圈单元包括用于Tx阻抗匹配的源线圈和发射器谐振线圈。
15.一种无线电力发射装置，包括：
碗形发射装置主体；以及
发射线圈单元，用于给接收装置无线地发射电力，
其中，所述发射线圈单元包括：
多环路线圈单元，在所述发射装置主体底部中缠绕；以及
螺旋线圈单元，围绕所述发射装置主体的侧壁缠绕，并且缠绕成在朝向上部的方向上线圈环路的半径增加，
其中，所述多环路线圈单元由第一交流源供应电力，所述螺旋线圈单元由第二交流源供应电力，
其中，所述发射装置主体被配置为使得，所述接收装置的全部或一部分位于由所述发射装置主体限定的内部区域中，并且所述接收装置在该内部区域中从所述无线电力发射装置接收无线电力，还包括控制单元，所述控制单元用于获得由所述接收装置接收的电力感测数据，并且用于基于该感测数据控制所述第一交流源和所述第二交流源的输出电力。
16.根据权利要求15所述的无线电力发射装置，其中，在所述多环路线圈单元和所述螺旋线圈单元中，所述控制单元进行控制以将较多电力供应给为所述接收装置供应较多电力的线圈单元，或者进行控制以将较少电力供应给为所述接收装置供应较少电力的线圈单元。
17.根据权利要求15所述的无线电力发射装置，其中，所述控制单元控制所述第一交流源和所述第二交流源以供应预定电力，并且基于该控制从所述接收装置接收所述感测数据。
18.一种无线电力发射装置，包括：
碗形主体；
多环路线圈单元，用于从所述碗形主体的底表面产生用于供应无线电力的磁场；以及
螺旋线圈单元，用于从所述碗形主体的侧壁供应无线电力，
其中，所述无线电力发射装置产生磁场，与所述多环路线圈单元和所述螺旋线圈单元分离布置的情况相比，该磁场用于供应用来覆盖更宽空间区域无线电力，
其中，接收装置能够以任意方向布置，
其中，所述碗形主体被配置为使得，所述接收装置的全部或一部分位于由所述碗形主体限定的内部区域中，并且所述接收装置在该内部区域中从所述无线电力发射装置接收无线电力。
19.根据权利要求18所述的无线电力发射装置，其中，所述多环路线圈单元布置在所述碗形主体的底表面中，并且
所述螺旋线圈单元沿着所述碗形主体的侧壁缠绕，并缠绕成在朝向上部的方向上线圈环路的半径增加。
20.一种无线电力接收装置，包括：
碗形接收装置主体；以及
接收线圈单元，用于接收由无线电力发射装置供应的电力，
其中，所述接收线圈单元包括：
多环路线圈单元，在所述接收装置主体的底表面中缠绕；以及
螺旋线圈单元，围绕所述接收装置主体的侧壁缠绕并且缠绕成在朝向上部的方向上线圈环路的半径增加，
其中，所述接收装置主体被配置为使得，用于向所述无线电力接收装置发射无线电力的所述无线电力发射装置的全部或一部分位于由所述接收装置主体限定的内部区域中，并且所述无线电力发射装置在该内部区域中向所述无线电力接收装置发射无线电力。
21.根据权利要求20所述的无线电力接收装置，其中，所述螺旋线圈单元从所述多环路线圈单元的末端延伸。
22.根据权利要求20所述的无线电力接收装置，其中，所述接收线圈单元还包括一个或多个匹配单元，用于根据所述接收装置的负载控制所述接收线圈单元中的阻抗匹配，
其中，所述匹配单元包括用于从发射线圈单元接收电力的接收线圈以及形成所述接收装置的负载的并联谐振电路的阻抗匹配电路。
23.一种线圈结构，包括用于发射无线电力的线圈单元，
其中，所述线圈单元为多环路线圈单元和螺旋线圈单元中的至少一个，
其中，所述多环路线圈单元在所述线圈结构底部中缠绕；以及
所述螺旋线圈单元围绕所述线圈结构的侧壁缠绕，并且缠绕成在朝向上部的方向上线圈环路的半径增加，
其中，在所述线圈单元中，多个环路以相等间隔布置，并且
基于在所述多环路线圈单元的导线中的集肤效应和在相邻导线之间的邻近效应来确定相邻导线的中心之间的距离，
其中，所述线圈结构被配置为使得，无线电力接收装置的全部或一部分位于由所述线圈结构限定的内部区域中，并且所述无线电力接收装置在该内部区域中从所述线圈结构接收无线电力。
24.根据权利要求23所述的线圈结构，其中，具有圆形截面的单根导线以相同间隔缠绕成多匝，匝数等于在预定区段中多根导线的根数。
25.根据权利要求23所述的线圈结构，其中，在相邻导线的中心之间的距离通过以下方程式来确定，
<方程式>
p＝(W–2r0)/(N–1)
其中，p表示在相邻导线的中心之间的距离，r0表示导线半径，W表示线圈单元总宽度，N表示导线根数。
26.根据权利要求23所述的线圈结构，其中，导线半径与线圈单元总宽度之比在0.0018至0.25的范围内。
27.根据权利要求23所述的线圈结构，其中，根据导线根数N，基于每单位长度最小电阻来确定相邻导线的中心之间的距离。
28.根据权利要求23所述的线圈结构，其中，具有圆形截面的导线的半径、线圈单元的总宽度以及导线根数满足以下方程式的条件，
<方程式>
r0/W＝αNβ+γ
其中，r0表示导线半径，W表示线圈单元总宽度，N表示导线根数，α＝0.6534，β＝-1.397并且γ＝0.001815。
29.一种无线电力收发器系统，包括：
无线电力发射装置；以及
无线电力接收装置，
其中，所述无线电力发射装置包括：
碗形发射装置主体；以及
发射线圈单元，用于给接收装置无线地发射电力，
其中，所述发射线圈单元包括：
多环路线圈单元，在所述发射装置主体底部中缠绕；以及
螺旋线圈单元，围绕所述发射装置主体的侧壁缠绕，并且缠绕成在朝向上部的方向上线圈环路的半径增加，
其中，所述发射装置主体被配置为使得，用于从所述无线电力发射装置接收无线电力的所述接收装置的全部或一部分位于由所述发射装置主体限定的内部区域中，并且所述接收装置在该内部区域中从所述无线电力发射装置接收无线电力。
30.根据权利要求29所述的无线电力收发器系统，其中，所述无线电力接收装置包括：
盒型接收装置主体；以及
接收线圈单元，用于接收由无线电力发射装置供应的电力，
其中，所述接收线圈单元包括：
多环路线圈单元，在所述接收装置主体的底部中缠绕成矩形。
31.根据权利要求29所述的无线电力收发器系统，其中，所述无线电力接收装置包括：
碗形接收装置主体；以及
接收线圈单元，用于接收由无线电力发射装置供应的电力，
其中，所述接收线圈单元包括：
第一水平线圈单元，水平地缠绕以与支持构件的第一平面对准；以及
第二水平线圈单元，水平地缠绕以与第二平面对准。
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