CN106712227B - 无线充电发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线充电发射装置。无线充电发射装置包括发射线圈、控制电路及外壳。发射线圈呈立体螺旋状，使得一定区域内均有磁场分布并且磁场分布均匀。立体螺旋线圈接入带电容的控制电路，形成LC振荡电路，根据电磁共振原理实现无线充电。通过本发明，可以使待充电设备任意姿态放置均能实现无线充电，并且可以满足多个待充电设备同时充电的需求，充电效率高。

Description

无线充电发射装置

技术领域

本发明涉及无线充电领域，特别是一种无线充电发射装置。

背景技术

随着智能产品的普及，手机、平板电脑、媒体播放器、移动电视等不同的移动设备的适配器的接口一般不同，因此，为了给不同移动设备充电，人们需要携带很多不同的适配器，使用不方便。

为此，目前已有移动设备采用无线充电技术，因为无线充电技术无需采用接口与电源连接，因此不存在接口不同需要采用不同的适配器的问题。如此，在汽车、咖啡店、图书馆、餐馆、火车、飞机、办公室中提供无线充电，将满足人们所需的便利性。

现有的无线充电设备一般采用平面线圈，这主要是因为平面线圈容易成型、方便安装。平面线圈置于平台或者塑料壳体内，如办公桌、咖啡厅、床头柜内部、类似充电宝的无线充电发射端模组或产品内，把接收端模组或产品平放在充电区域内的平台上，就能实现无线充电的目的。

然而，一般需要求接收端模组或产品的接收线圈与平面线圈正对，如此，充电效率最高。假若接收线圈与平面线圈发生偏离，充电效率将降低，甚至无法充电。如此，将降低无线充电的便利性。

因此，已有人提出采用多个平面线圈组成立体线圈，多个平面线圈的朝向不同。如此，多个平面线圈可以构成立体磁场，接收端模组或产品的接收线圈处于充电装置附近的任意位置或朝向都有一个平面线圈的磁场与其耦合，通过判断并驱动对应的平面线圈工作即可实现充电。然而，如此，需要采用多个控制电路板来控制对应的多个平面线圈，导致控制电路变复杂，成本增加，内部磁场分布不均匀，容纳空间中的某些位置充电效率低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种无线充电设备。

根据本发明的实施方式的无线充电发射装置，包括发射线圈，所述发射线圈为立体螺旋线圈，所述立体螺旋线圈包括至少两根导线盘绕成倒置的锥筒轮廓，所述至少两根导线盘绕成具有用于容纳待充电设备的容纳空间；所述至少两根导线沿同一中心轴盘绕。

上述无线充电发射装置的立体螺旋线圈采用至少两根导线盘绕而成，可以在立体螺旋线圈围成的内部空间形成立体磁场，因此待充电设备处于容纳空间任意位置或朝向都有磁力线穿过，可高效充电。并且立体螺旋线圈盘绕均匀，因此充电发射装置内部磁场分布均匀。

在某些实施方式中，所述立体螺旋线圈包括底端和顶端，所述至少两根导线从底端开始向顶端盘绕，所述底端盘绕成平面，所述顶端设有开口。

在某些实施方式中，所述立体螺旋线圈呈碗状、半球壳状或方台壳状。

在某些实施方式中，所述至少两根导线形状及结构基本相同。

在某些实施方式中，所述至少两根导线采用漆包线。

在某些实施方式中，所述导线为两根，所述两根导线沿同一中心轴绕线且绕线相互交叉。

在某些实施方式中，所述两个导线包括位于所述底端的第一连接端及第二连接端及位于所述顶端的第一馈电端及第二馈电端，所述第一连接端与所述第二连接端用于与电容连接；所述第一馈电端及第二馈电端用于与控制电路连接。

在某些实施方式中，所述两根导线包括第一导线和第二导线，所述第一导线设有第一连接端和第一馈电端，所述第二导线设有第二连接端和第二馈电端，所述第一连接端与第二连接端通过电容相连，所述第一馈电端和第二馈电端与控制电路相连。

在某些实施方式中，所述立体螺旋线圈频率为6.78MHz，电感为4.5±10％μH，电阻小于2.5Ω。

在某些实施方式中，所述无线充电发射装置还包括有包裹所述立体螺旋线圈的外壳，所述外壳呈碗状或方槽状。

在某些实施方式中，所述外壳包括顶端与底端，所述外壳底端封闭，所述顶端形成开口。

本发明的附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施方式的立体线圈的结构示意图。

图2是根据本发明的一个实施方式的无线充电设备的示意图。

图3是根据本发明的一个实施方式的外壳示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1及图2，本发明实施方式的无线充电发射装置100，包括发射线圈10。发射线圈10为立体螺旋线圈10，立体螺旋线圈10包括至少两根导线11，至少两根导线11沿同一中心轴盘旋绕成倒置的锥筒轮廓使得立体螺旋线圈10围绕而成形成中空的容纳空间，容纳空间可收容待充电设备。

本实施方式中，无线充电发射装置100还包括与立体螺旋线圈10连接的控制电路20，控制电路20包括有电容C。工作时，立体螺旋线圈10与电容C连接，从而形成LC振荡电路，根据电磁共振原理实现无线充电。

如此，立体螺旋线圈10上电后形成的磁场包括自底端中心向上向外发散的磁力线，磁力线绕立体螺旋线圈10后回至底端中心，也即是说，立体螺旋线圈10形成立体磁场。待充电设备的接收线圈处于立体螺旋线圈10内部时任意位置或朝向都有部分磁力线的穿过，因此可以高效充电。并且立体螺旋线圈10由导线11盘绕而成，因此无线充电发射装置100内部磁场分布均匀。

在本实施方式中，立体螺旋线圈10包括底端和顶端，至少两根导线11从底端开始向上盘绕，底端盘绕呈平面，顶端设有开口。

具体的，导线11在盘绕过程中径向尺寸逐渐增大，使得立体螺旋线圈10的四个侧面形成梯度。底端盘绕呈平面状，顶端设有开口。如此，待充电设备可以放置于容纳空间中，并且以任意姿态置于容纳空间中时，均有磁力线穿过，提高充电效率。

在本实施方式中，立体螺旋线圈10呈碗状、半球壳状或方台状。

如此，既能够形成容纳待充电设备的容纳空间，又能满足径向尺寸自顶端至底端逐渐变小使得立体螺旋线圈10盘绕成倒置锥筒状，从而满足充电需求。

本实施方式中，导线11的数目为两根(如图1)或更多，并相互缠绕。相互缠绕可以提高立体螺旋线圈10的稳定度，并提高立体螺旋线圈10的紧凑度。

导线11的形状及结构可以基本相同。如此，可以制造相同导线11，然后通过错位缠绕即可形成立体螺旋线圈10。因此，可以提高生产效率。错位缠绕是指导线盘升的起点在底端错开。优选的，多根导线11可以等距离错位缠绕，如此，使得导线11在轴向的分布更加均匀，因此可以提高磁场的均匀程度。

导线11可采用漆包线，如此，如此在相互缠绕时彼此绝缘，避免导线11之间短路影响磁场的方向及大小。

可以理解，导线11并不限于本实施方式，导线11的形状及结构也可以根据需求而不同，不限于彼此相同。

需说明的是，锥筒是指截面尺寸从一端到另一端发生变化的中空筒状或者类似的变形，例如碗状、半球壳状、方台壳状(如图1所示)，但并不限于图示的具体形状。

优选的，如图1所示，在某些实施方式中，发射线圈10包括两根导线11，两根导线分别缠绕形成第一立体螺旋线圈的第一导线10a和缠绕成第二立体螺旋线圈的第二导线10b，第一立体螺旋线圈10a和第二立体螺旋线圈10b沿同一中心轴绕线且绕线相互交叉；发射线圈10具有顶端和底端，顶端的尺寸大于底端的尺寸，且从立体螺旋线圈10顶端到底端尺寸逐渐变小。

在这样的实施方式中，第一立体螺旋线圈10a与所述第二立体螺旋线圈10b在所述底端分别设有第一连接端3及第二连接端4，第一连接端3与第二连接端4通过电容连接；第一立体螺旋线圈10a与所述第二立体螺旋线圈10b在顶端分别设有第一馈电端1及第二馈电端2，所述第一馈电端1及第二馈电端2与控制电路20连接。

具体的，第一立体螺旋线圈10a包括第一馈电端1和第一连接端3，第二立体螺旋线圈10b包括第二馈电端2和第二连接端4，其中，第一连接端3和第二连接端4之间串联一个电容C1，第一馈电端1与第二馈电端2并联接入控制电路20，形成两组并联的LC振荡电路，其中电容C1可以降低控制电路20的温度，并提高充电效率。

在本实施方式中，为了与待充电设备匹配，提高充电效率，需根据待充电设备形状及谐振频率等来确定立体螺旋线圈10的具体形状及结构，或者说，通过调节立体螺旋线圈10半径大小、圈数、线径来获得立体螺旋线圈10所需具有的电感、电阻、磁场强度及磁场方向。例如，在如图1所示的实施方式中，导线11的数目为两根，线径1.6mm，立体螺旋线圈10呈方台状，底端直径100mm，高度50mm，缠绕圈数为6圈，如此构成无线充电设备立体螺旋线圈10基本形状。然后，通过软件仿真来调整形状及结构，以获得所需立体螺旋线圈10的相关电性能参数。本实施方式中，立体螺旋线圈10所需的频率、电感及电阻需满足相关的校准及效率要求，例如，谐振频率为6.78MHZ，立体螺旋线圈10满足电感为4.5±10％μH，电阻小于2.5Ω。

控制电路20接入市电，经整流部分将220v的市电转换为直流电，而后将直流电流再转换为6.78MHz的高频交流电。

根据公式：

其中，L为立体螺旋线圈10的电感；μ₀＝4π·10^-7为真空磁导率；μ_s＝1为立体螺旋线圈10内部的磁导率；N为立体螺旋线圈10缠绕圈数；S为立体螺旋线圈10横截面积；l为立体螺旋线圈10的长度；k为系数，取决于立体螺旋线圈10半径与立体螺旋线圈10长度的比值。

由公式(1)可知，改变立体螺旋线圈10缠绕圈数对电感数值影响最大。因此，立体螺旋线圈10电感通过调节缠绕圈数来确定。若电感小于4.5μH，则增加立体螺旋线圈10缠绕圈数，例如缠绕圈数由6圈增加至7圈或8圈；若电感大于4.5μH，则减少所述立体螺旋线圈10缠绕圈数，例如缠绕圈数由6圈减少至5圈或4圈，最终使得立体螺旋线圈10电感值为4.5±10％μH。

如此，可获得满足条件的立体螺旋线圈10电感值。

根据公式：

其中，R为立体螺旋线圈10电阻；ρ为电阻率；l为电阻长度，即立体螺旋线圈10的长度；s为电阻横截面积。

由公式(2)可知，在立体螺旋线圈10长度不变的情况下，立体螺旋线圈10的电阻与立体螺旋线圈10的线径反相关。因此立体螺旋线圈10的电阻通过调节立体螺旋线圈10的线径来确定，若电阻大于2.5Ω，则增大立体螺旋线圈10德尔线径，以减小电阻，例如将线圈线径有1.6mm增大至2mm或2.5mm，最终使立体螺旋线圈10的电阻低于2.5Ω。

如此，可获得满足条件的立体螺旋线圈10的电阻值。

立体螺旋线圈10的电感、电阻、缠绕圈数及线径确定后不再调节。

充电的理想状态为使待充电设备处于立体螺旋线圈10磁场最强的区域，因此确定立体螺旋线圈10电感和电阻后，根据待充电设备的形状调节立体螺旋线圈10半径，使待充电设备处于立体螺旋线圈10磁场最强的区域。

根据公式：

其中，B为待充电设备磁场强度；μ₀＝4π·10^-7为真空磁导率；I为立体螺旋线圈10的电流；N为立体螺旋线圈10的缠绕圈数；R为立体螺旋线圈10的半径。

根据公式(3)可知，若将待充电设备等效为空间中一点，当该点处于立体螺旋线圈10内时，在立体螺旋线圈10的电流及缠绕圈数一定的情况下，该点磁场强度与立体螺旋线圈10的半径R反相关，即立体螺旋线圈10的半径越小，该点磁场强度越大；反之亦反。

如此，当待充电设备为智能手表等体积较小、充电时可置于容纳空间内的产品时，减小立体螺旋线圈10的半径，增大待充电设备磁场强度，使得磁场强度最强的区域处于待充电设备内，提高充电效率。

根据公式：

其中，B为待充电设备磁场强度；μ₀＝4π·10^-7为真空磁导率；I为立体螺旋线圈10的电流；R为立体螺旋线圈10的半径；x为空间一点到立体螺旋线圈10的平面的垂直距离。

根据公式(4)可知，若将待充电设备等效为空间中一点，当该点远离立体螺旋线圈10时，在立体螺旋线圈10的电流一定的情况下，该点磁场强度与立体螺旋线圈10的半径R正相关，即立体螺旋线圈10的半径越大，该点磁场强度越强；反之亦反。

如此，当待充电设备为体积较大且充电时待充电设备线圈远离立体螺旋线圈10的产品时，增大立体螺旋线圈10的半径，以增大待充电设备磁场强度，使得磁场强度最强的区域处于待充电设备内，提高充电效率。

在本实施方式中，立体螺旋线圈10的垂直方向间距根据待充电设备放置方式调节。

如此，使得立体螺旋线圈10的磁场方向的分量尽可能垂直穿过待充电设备线圈，从而提高充电效率。

在本实施方式中，待充电设备包括与立体螺旋线圈10频率相同的待充电设备线圈。

如此，待充电设备线圈处于同频率的立体螺旋线圈10的磁场辐射内时，产生电磁共振，立体螺旋线圈10发射电磁波，待充电设备线圈接收电磁波并将电磁波转化为电能，实现无线电能传输。

在本实施方式中，控制电路20与立体螺旋线圈10相连，控制电路20可以是PCBA(Assembly of Printed Circle Board，电子装联印刷电路板)。

在本实施方式中，控制电路20包括有电容C，电容值根据立体螺旋线圈10的频率及电感确定。

具体的，在获得满足条件的立体螺旋线圈10后，匹配满足条件的电容，使得LC振荡电路满足要求。

根据公式：

其中，f为谐振频率；L为立体螺旋线圈10的电感；C为电容值。

根据公式(5)可知，谐振频率和立体螺旋线圈10的电感均为已知，通过计算即可得到电容值。如此，满足条件的立体螺旋线圈10与满足条件的电容连接，得到满足条件的LC振荡电路。

如图3所示，在本实施方式中，无线充电设备还包括包裹立体螺旋线圈10的外壳30，外壳30形状与立体螺旋线圈10形态相匹配，呈碗装或方槽状。

具体的，外壳30包裹立体螺旋线圈10，配合立体螺旋线圈形成满足充电需求的形态，依立体螺旋螺旋线圈10的缠绕形态设计外形，例如外壳30呈碗状或方槽状。如此，形成容纳空间，并且通常一端开口一端封闭。一方面，方便承装待充电设备，另一方面，外壳30可以起到对立体螺旋线圈10的保护作用。

本实施方式中，外壳30在底端或顶端形成开口。

如此，外壳30在底端或顶端形成的开口配合立体螺旋线圈10围绕而成的容纳空间可以使得待充电设备放置于其中。

优选的，容纳空间可以承载多个待充电设备。

由于导线11呈立体螺旋状，容纳空间内各个方向均有磁场分布，因此，在容纳空间足够大的情况下，容纳空间可同时承载多个待充电设备并满足充电需求。

优选的，待充电设备可以任意姿态放置于容纳空间中。

容纳空间内各个方向均有磁场分布，因此，待充电设备可以以任意角度、位置放置，均可满足充电需求。

本发明实施方式的无线充电设备，至少一个立体螺旋线圈10由导线11缠绕呈空间螺旋结构，外壳30包裹立体螺旋线圈10，并与立体螺旋线圈10形状匹配，可以呈方台状或半球状，由此形成容纳空间。容纳空间某一区域内均有磁场分布并且磁场分布均匀，在磁场辐射区域中无论待充电设备处于何种角度，都会有磁场垂直穿过待充电设备线圈，使得待充电设备可以任意姿态放置于容纳空间中均可满足充电需求。容纳空间可同时满足多个待充电设备同时充电。立体螺旋线圈10接入带电容的控制电路20，形成LC振荡电路。相同频率的待充电设备线圈及立体螺旋线圈10在立体螺旋线圈10磁场辐射区域内，产生电磁共振，立体螺旋线圈10发射电磁波，待充电设备接收电磁波并将电磁波转化为电能，实现无线充电。多根导线11仅需一块控制电路20控制，控制简单。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种无线充电发射装置，其特征在于，包括发射线圈和控制电路，所述发射线圈为立体螺旋线圈，所述立体螺旋线圈包括至少两根导线盘绕成倒置的锥筒轮廓，所述导线在盘绕过程中径向尺寸逐渐增大，使得所述立体螺旋线圈的四个侧面形成梯度，所述至少两根导线盘绕成具有用于容纳待充电设备的容纳空间；所述至少两根导线沿同一中心轴盘绕且绕线相互交叉，所述控制电路包括电容，所述立体螺旋线圈与所述电容连接，从而形成LC振荡电路。

2.根据权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述立体螺旋线圈包括底端和顶端，所述至少两根导线从所述底端开始向所述顶端盘绕，所述底端盘绕成平面，所述顶端设有开口。

3.根据权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述立体螺旋线圈呈碗状、半球壳状或方台壳状。

4.根据权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述至少两根导线形状及结构基本相同。

5.根据权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述至少两根导线采用漆包线。

6.根据权利要求2所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述导线为两根，所述两根导线沿同一中心轴绕线且绕线相互交叉。

7.根据权利要求6所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述两根导线包括位于所述底端的第一连接端及第二连接端及位于所述顶端的第一馈电端及第二馈电端，所述第一连接端与所述第二连接端用于与所述电容连接；所述第一馈电端及所述第二馈电端用于与所述控制电路连接。

8.根据权利要求7所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述两根导线包括第一导线和第二导线，所述第一导线设有所述第一连接端和所述第一馈电端，所述第二导线设有所述第二连接端和所述第二馈电端，所述第一连接端与所述第二连接端通过所述电容相连，所述第一馈电端和所述第二馈电端与所述控制电路相连。

9.根据权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述立体螺旋线圈频率为6.78MHz，电感为4.5±10％μH，电阻小于2.5Ω。

10.根据权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述无线充电发射装置还包括有包裹所述立体螺旋线圈的外壳，所述外壳呈碗状、半球壳状或方台壳状。

11.根据权利要求10所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述外壳包括顶端与底端，所述外壳底端封闭，所述顶端形成开口。

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