CN106961162B - 一种具有较大对准空间的无线电能传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，第一电磁部和第二电磁部均包括磁芯和设置在磁芯上的线圈，所述磁芯包括磁芯外环、磁芯中心柱体和将磁芯外环与磁芯中心柱体连接的座体，所述磁芯中心柱体呈圆柱状，同一磁芯上的磁芯外环的轴线和磁芯中心柱体的轴线重合；所述第一电磁部上的磁芯中心柱体的直径小于第二电磁部上的磁芯中心柱体的直径，所述第一电磁部上的磁芯外环的内圆半径与第一电磁部上的磁芯中心柱体的半径之和大于或等于第二电磁部上的磁芯外环的内圆半径与第二电磁部上的磁芯中心柱体的半径之和。本发明能够使智能设备充电过程中接收线圈不需要精确对准发射线圈中心，增强了用户体验感，提高了能量传输效率。

Description

一种具有较大对准空间的无线电能传输装置
【技术领域】
本发明涉及无线供电设备的技术领域，特别是一种具有较大对准空间的无线电能传输装置的技术领域。
【背景技术】
现有的电子设备基本通过有线进行电力传输，应用不方便，随着无线供电技术的成熟，无线供电方式越来越受到人们的青睐，无线供电主要优点是灵活、便捷、可移动、非接触等，无线供电是未来电能传输的发展方向。但在电磁感应式能量的耦合传送过程中，电磁能的传输和利用效率问题一直困扰无线供电的发展和应用。要最大程度地增强发射线圈和接收线圈之间磁场耦合，提高能量的传输效率，就必须使发射线圈的磁通尽量的穿过接收线圈，同样接收线圈的磁通也尽量穿过发射线圈，现有的无线供电设备不仅对发射线圈和接收线圈的形状有严格的要求，更要求发射线圈和接收线圈要尽量地靠近并实现中心对准，保证发射线圈和接收线圈的最佳耦合，否则磁能的传输效率大大降低，甚至不能实现有效传送，对准的精度要求是毫米数量级的，这种技术的限制减弱了无线供电的便捷性，增加了使用难度，用户体验大打折扣。
智能设备上应用无线充电装置时，由于接收线圈一般被嵌入在智能手机的背部壳体内，当手机背部朝向发射线圈平面放置时，手机已经遮挡了发射线圈的位置标记，使用者很难将手机背部的接收线圈和被遮挡住的发射线圈中心对准，需要调整多次，使用很不方便。同时，部分产品发射线圈和接收线圈中心没有设计磁芯，加之发射线圈平面的保护性面板和手机背部壳体厚度，增加了两线圈之间的距离，降低了耦合，漏磁增加，使电磁耦合的效率大大降低。
【发明内容】
为了解决上述技术中的问题，本发明提出一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，能够使供电过程中接收线圈中心不需要精确对准发射线圈中心，只要相对的两个线圈中心轴偏离不超过一定的范围就可实现最佳耦合，并能保线圈的耦合是稳定的，提高了能量传输效率。
本发明提出了一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，包括电磁场传递电能的无线发射电磁部和无线接收电磁部，第一电磁部是所述无线发射电磁部和无线接收电磁部中任一个，第二电磁部是所述无线发射电磁部和无线接收电磁部中除第一电磁部之外的另一个，所述第一电磁部和第二电磁部均包括磁芯和设置在磁芯上的线圈；所述磁芯包括磁芯外环、磁芯中心柱体和将磁芯外环和磁芯中心柱体连接的座体；所述磁芯中心柱体呈圆柱状，所述磁芯外环呈圆环状，同一磁芯上的磁芯外环的轴线和磁芯中心柱体的轴线重合；所述第一电磁部上的磁芯中心柱体的直径小于第二电磁部上的磁芯中心柱体的直径，所述第一电磁部上的磁芯外环的内圆半径与第一电磁部上的磁芯中心柱体的半径之和大于或等于第二电磁部上的磁芯外环的内圆半径与第二电磁部上的磁芯中心柱体的半径之和；所述第二电磁部上的磁芯外环的外圆半径大于第一电磁部上的磁芯外环的内圆半径。
作为优选，所述第二电磁部上的磁芯外环的外圆半径与第一电磁部上的磁芯外环的内圆半径之差大于或等于第一电磁部上磁芯外环的内外半径之差。
作为优选，所述座体呈圆盘状，所述座体固设在磁芯外环和磁芯中心柱体一端，所述座体的轴线与磁芯外环及磁芯中心柱体的轴线重合。
作为优选，所述线圈设置在磁芯外环和磁芯中心柱体之间。
作为优选，所述磁芯外环呈闭合的圆环状。
作为优选，所述磁芯外环呈侧部设置有缺口的圆环状。
作为优选，所述磁芯外环的上表面和磁芯中心柱体的上表面位于同一水平面内。
本发明的有益效果：本发明通过设计无线发射电磁部和无线接收电磁部的磁芯特殊的结构尺寸，能够降低无线发射电磁部和无线接收电磁部对准的要求，能够使无线发射和无线接收两个电磁部在电磁感应耦合的过程中接收电磁部不需要精确对准发射电磁部中心，只要相对的两个线圈中心轴偏离不超过一定的范围就可实现最佳耦合，并能保线圈的耦合是稳定的，提高了能量传输效率。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明是第一电磁部的立体图；
图2是本发明是第二电磁部的立体图；
图3是本发明实施例一中提出的第一电磁部中的磁芯的立体图；
图4是本发明施例一中提出的第二电磁部中的磁芯的立体图；
图5是本发明实施例二中提出的第一电磁部中的磁芯的立体图；
图6是本发明施例二中提出的第二电磁部中的磁芯的立体图；
图7是本发明实施例二中提出的第一电磁部中的磁芯的立体图；
图8是本发明施例二中提出的第二电磁部中的磁芯的立体图；
图9是本发明第一电磁部和第二电磁部上的磁芯的相对位置关系示意图。
图中：1-第一电磁部、2-第二电磁部、3-磁芯、31-磁芯外环、32-磁芯中心柱体、33-座体、4-线圈。
【具体实施方式】
实施例1，参阅图1和图2，本发明是一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，包括电磁场传递电能的无线发射电磁部和无线接收电磁部，第一电磁部1是所述无线发射电磁部和无线接收电磁部中任一个，第二电磁部2 是所述无线发射电磁部和无线接收电磁部中除第一电磁部1之外的另一个，所述第一电磁部1和第二电磁部2均包括磁芯3和设置在磁芯3上的线圈4，所述磁芯3包括磁芯外环31、磁芯中心柱体32和将磁芯外环31和磁芯中心柱体32连接的座体33，所述磁芯中心柱体32呈圆柱状，所述磁芯外环31呈圆环状，同一磁芯3上的磁芯外环31的轴线和磁芯中心柱体32的轴线重合，所述第一电磁部1上的磁芯中心柱体32的直径小于第二电磁部2上的磁芯中心柱体32的直径，所述第一电磁部1上的磁芯外环31的内圆半径与第一电磁部1上的磁芯中心柱体32的半径之和大于或等于第二电磁部2上的磁芯外环31的内圆半径与第二电磁部2上的磁芯中心柱体32的半径之和；所述第二电磁部2上的磁芯外环31的外圆半径大于第一电磁部1上的磁芯外环的内圆半径。所述第二电磁部2上的磁芯外环31的外圆半径与第一电磁部1上的磁芯外环的内圆半径之差大于或等于第一电磁部1上磁芯外环的内外半径之差。所述座体33呈圆盘状，所述座体33固设在磁芯外环31和磁芯中心柱体32 一端，所述座体33的轴线与磁芯外环31和磁芯中心柱体32的轴线重合。所述线圈4设置在磁芯外环31及磁芯中心柱体32之间。
实施例2，参阅图1-图4，本发明是一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，包括电磁场传递电能的无线发射电磁部和无线接收电磁部，第一电磁部1是所述无线发射电磁部和无线接收电磁部中任一个，第二电磁部2 是所述无线发射电磁部和无线接收电磁部中除第一电磁部1之外的另一个，所述第一电磁部1和第二电磁部2均包括磁芯3和设置在磁芯3上的线圈4，所述磁芯3包括磁芯外环31、磁芯中心柱体32和将磁芯外环31和磁芯中心柱体32连接的座体33，所述磁芯中心柱体32呈圆柱状，所述磁芯外环31呈圆环状，同一磁芯3上的磁芯外环31的轴线和磁芯中心柱体32的轴线重合，所述第一电磁部1上的磁芯中心柱体32的直径小于第二电磁部2上的磁芯中心柱体32的直径，所述第一电磁部1上的磁芯外环31的内圆半径与第一电磁部1上的磁芯中心柱体32的半径之和大于或等于第二电磁部2上的磁芯外环31的内圆半径与第二电磁部2上的磁芯中心柱体32的半径之和；所述第二电磁部2上的磁芯外环31的外圆半径大于第一电磁部1上的磁芯外环的内圆半径。所述第二电磁部2上的磁芯外环31的外圆半径与第一电磁部1上的磁芯外环的内圆半径之差大于或等于第一电磁部1上磁芯外环的内外半径之差。所述座体33呈圆盘状，所述座体33固设在磁芯外环31和磁芯中心柱体32 一端，所述座体33的轴线与磁芯外环31和磁芯中心柱体32的轴线重合。所述线圈4设置在磁芯外环31及磁芯中心柱体32之间。所述磁芯外环31呈闭合的圆环状。所述磁芯外环31的上表面和磁芯中心柱体32的上表面位于同一水平面内。
实施例3，参阅图1、图2和图5-图8，本发明一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，包括电磁场传递电能的无线发射电磁部和无线接收电磁部，第一电磁部1是所述无线发射电磁部和无线接收电磁部中任一个，第二电磁部2是所述无线发射电磁部和无线接收电磁部中除第一电磁部1之外的另一个，所述第一电磁部1和第二电磁部2均包括磁芯3和设置在磁芯3 上的线圈4，所述磁芯3包括磁芯外环31、磁芯中心柱体32和将磁芯外环31 和磁芯中心柱体32连接的座体33，所述磁芯中心柱体32呈圆柱状，所述磁芯外环31呈圆环状，同一磁芯3上的磁芯外环31的轴线和磁芯中心柱体32 的轴线重合，所述第一电磁部1上的磁芯中心柱体32的直径小于第二电磁部 2上的磁芯中心柱体32的直径，所述第一电磁部1上的磁芯外环31的内圆半径与第一电磁部1上的磁芯中心柱体32的半径之和大于或等于第二电磁部2 上的磁芯外环31的内圆半径与第二电磁部2上的磁芯中心柱体32的半径之和；所述第二电磁部2上的磁芯外环31的外圆半径大于第一电磁部1上的磁芯外环的内圆半径。所述第二电磁部2上的磁芯外环31的外圆半径与第一电磁部1上的磁芯外环的内圆半径之差大于或等于第一电磁部1上磁芯外环的内外半径之差。所述座体33呈圆盘状，所述座体33固设在磁芯外环31和磁芯中心柱体32一端，所述座体33的轴线与磁芯外环31和磁芯中心柱体32 的轴线重合。所述线圈4设置在磁芯外环31及磁芯中心柱体32之间。所述磁芯外环31呈侧部设置有缺口的圆环状。所述磁芯外环31的上表面和磁芯中心柱体32的上表面位于同一水平面内。
本发明工作过程：
本发明是一种具有较大对准空间的无线电能传输装置在工作过程中，本发明适用于各种电子及电器产品，下面以智能手机充电为例，说明本装置的工作过程及各部分的功能，发射线圈在能量传送中提供磁能，它与电力供应装置相连接。为了使发射线圈在线圈平面的360°各个方向上磁场特性相同，拟将发射线圈设计成平面圆盘形。发射线圈的使用要求和功能特点，并且安装在固定位置不动。
发射线圈的磁芯主要负责收集发射线圈的磁通，并引导磁通沿着一定方向形成磁路，故发射线圈的磁芯设计为实心罐型磁芯，为了扩大发射线圈承载接收线圈的有效移动范围，发射线圈磁芯的中心柱体尽可能设计得粗一些，增大中心柱的横截面面积。发射线圈磁芯的外侧环形壁径向尺度更宽，增大环形横截面面积，同时要求环形完整，高度与中心柱体高度相同。这样，发射线圈的环形绕线槽就显得过窄，这可以通过增加环形绕线槽的深度来解决。发射线圈及其磁芯的高度适当增加一般不影响其使用。
接收线圈用来接收发射线圈上的交变磁场能量，产生感应电流，输出给用电设备。为了使接收线圈的接收性能在线圈平面的360°方向上各项同性，和发射线圈类似地将接收线圈设计为平面圆盘形。接收线圈一般和手机等移动用电设备捆绑在一起，或者成为用电设备的一部分。为了使移动设备附带接收线圈移动灵活，使用方便，一般应将接收线圈设计的尽量小巧。接收线圈的线槽可以设计得尽量宽且浅，线圈呈单层多匝平绕，这样设计也有利于扩大接收线圈在发射线圈平面上的有效移动范围，为降低对中要求创造条件。
接收线圈磁芯的作用是引导发射线圈的磁通尽量多的穿过接收线圈的中心区域，同时也使接收线圈所产生的磁通尽量穿过发射线圈的中心区域，增加收发线圈的耦合，减少漏感，故接收线圈的磁芯设计也应选用圆形罐型实心形状，如图4所示。为了配合发射线圈的有效移动范围，尽量扩大接收线圈在发射线圈平面上的移动范围，接收线圈的磁芯中心柱应设计的尽量细一些，接收线圈绕线槽应与接收线圈的匝数相吻合，尺寸尽量宽一些，可容纳更多的匝数，绕线槽的宽度可设计得尽量宽，深度略大于单层绕线的导线直径即可。这样既增加了接收线圈在发射线圈平面上的放置范围，降低了对准要求，同时也减小了接收线圈的厚度尺寸，便于与接收设备整合为一体。接收线圈磁芯的外侧环形壁可根据接收线圈的大小和在接收设备上的嵌入位置、尺寸灵活设计，基本原则是环形完整，有一定的宽度，高度与中心柱高度相同。
发射线圈形状为圆环状；采用多层螺线绕法绕制，包括平面螺线多层叠绕或者圆柱形螺线管多层叠绕方式；绕线平面上，线圈绕制的内圆半径(R3) 尽量大，外圆半径(R2)尽量小，使得叠层的径向尺寸尽量小；
发射线圈磁芯采用高导磁性材料制作；采用罐型无孔实心形状；磁芯罐型完整，除线圈穿线槽孔外，无磁体缺失部分；磁芯中心柱高度和外部环形壁高度相等，确保二者的端面在同一平面内；磁芯中心柱体横截面积尽量大；磁芯的绕线槽尽量窄，允许绕线槽有适当的深度；磁芯外围环形壁可以尽可能的加宽，以增大环形壁的横截面积；
接收线圈形状为圆盘形；线圈采用平面螺线绕制方式绕制，允许层叠，也可单层绕制以减小线圈厚度；线圈绕制的外圆半径(r2)与内圆半径(r3)之和必须大于或等于发射线圈绕制的外圆半径(R2)与内圆半径R3之和；线圈绕制的内圆半径r3必须小于发射线圈的内圆半径R3；
接收线圈磁芯采用高导磁性材料制作；磁芯采用圆罐型无孔实心形状；磁芯圆罐型完整，除线圈穿线槽孔外，无磁体缺失部分；磁芯中心柱高度和外部环形壁高度相等，确保二者的端面在同一平面内；磁芯中心柱体横截面积尽量小；磁芯的绕线槽尽量宽，允许绕线槽有适当的深度，一般应比发射线圈磁芯的线槽深度浅；磁芯外围环形壁可适当加宽，以增大环形壁的横截面积；
第一电磁部和第二电磁部的尺寸关系为，参阅附图9，R1＞R2＞R3＞0， r1＞r2＞r3＞0；R3＞r3，R2+R3≤r2+r3且R1＞r2。
本发明是一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，通过设计无线发射电磁部和无线接收电磁部的磁芯特殊的结构尺寸，能够降低无线发射电磁部和无线接收电磁部对准的要求，能够使无线发射和无线接收两个电磁部在电磁感应耦合的过程中接收电磁部不需要精确对准发射电磁部中心，只要相对的两个线圈中心轴偏离不超过一定的范围就可实现最佳耦合，并能保线圈的耦合是稳定的，提高了能量传输效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，其特征在于：包括电磁场传递电能的无线发射电磁部和无线接收电磁部，第一电磁部(1)是所述无线发射电磁部和无线接收电磁部中任一个，第二电磁部(2)是所述无线发射电磁部和无线接收电磁部中除第一电磁部(1)之外的另一个，所述第一电磁部(1)和第二电磁部(2)均包括磁芯(3)和设置在磁芯(3)上的线圈(4)，所述磁芯(3)包括磁芯外环(31)、磁芯中心柱体(32)和将磁芯外环(31)与磁芯中心柱体(32)连接的座体(33)，所述磁芯中心柱体(32)呈圆柱状，所述磁芯外环(31)呈圆环状，同一磁芯(3)上的磁芯外环(31)的轴线和磁芯中心柱体(32)的轴线重合；所述第一电磁部(1)上的磁芯中心柱体(32)的直径小于第二电磁部(2)上的磁芯中心柱体(32)的直径，所述第一电磁部(1)上的磁芯外环(31)的内圆半径与第一电磁部(1)上的磁芯中心柱体(32)的半径之和大于或等于第二电磁部(2)上的磁芯外环(31)的内圆半径与第二电磁部(2)上的磁芯中心柱体(32)的半径之和；所述第二电磁部(2)上的磁芯外环(31)的外圆半径大于第一电磁部(1)上的磁芯外环的内圆半径；所述第二电磁部(2)上的磁芯外环(31)的外圆半径与第一电磁部(1)上的磁芯外环的内圆半径之差大于或等于第一电磁部(1)上磁芯外环的内外半径之差；所述座体(33)呈圆盘状，所述座体(33)固设在磁芯外环(31)和磁芯中心柱体(32)一端，所述座体(33)的轴线与磁芯外环(31)及磁芯中心柱体(32)的轴线重合。
2.如权利要求1所述的一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，其特征在于：所述线圈(4)设置在磁芯外环(31)和磁芯中心柱体(32)之间。
3.如权利要求1所述的一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，其特征在于：所述磁芯外环(31)呈闭合的圆环状。
4.如权利要求1所述的一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，其特征在于：所述磁芯外环(31)呈侧部设置有缺口的圆环状。
5.如权利要求1所述的一种具有较大对准空间的无线电能传输装置，其特征在于：所述磁芯外环(31)的上表面和磁芯中心柱体(32)的上表面位于同一水平面内。
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