CN107210625A - 包括重叠磁芯的无线电力传输设备和电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了初级线圈，可以位于凹座内部，在此初级线圈围绕凹座的中心绕制。次级磁芯可以包括构造成用于插入凹座的中心内的突出中心部分，使得突出中心部分与初级磁芯侧壁重叠并且构造成提供初级磁芯与次级磁芯之间的间隔。次级线圈可以围绕次级磁芯的突出中心部分绕制。

Description

包括重叠磁芯的无线电力传输设备和电源
技术领域
本发明涉及电力系统领域，更具体地涉及无线电力传输。
背景技术
已知通过在从大约1cm至几米范围的距离上从发送线圈向接收线圈近场联接来提供无线电力传输，例如用于无线充电。已经通过例如优化用于传输电力的线圈的形状、采用软切换技术、利用利兹线以及采用新的谐振回路结构来做出提高无线电力传输系统的效率的尝试。这种方案例如在于2013年12月30日提交的名称为“METHODS,CIRCUITS ANDARTICLES MANUFACTURE FOR CONFIGURING DC OUTPUT FILTER CIRCUITS(用于构造直流输出滤波器电路的制造方法、电路和产品)”的美国专利申请No.14/143,505中描述，该申请的整体公开内容通过参引结合到本文中。
还已知利用从初级侧转换器到次级侧转换器的电感耦合提供无线电力传输。
发明内容
根据本发明的实施例可以提供包括重叠磁芯的无线电力传输设备。根据这些实施例，无线电力传输设备可以包括形成为提供凹座的初级磁芯，在此凹座可以具有中心、侧壁和限定凹座的底部的基体。初级线圈可以位于凹座内部，在此初级线圈围绕凹座的中心绕制。次级磁芯可以包括构造成用于插入凹座的中心内的突出中心部分，使得突出中心部分与初级磁芯侧壁重叠并且构造成提供初级磁芯与次级磁芯之间的间隔。次级线圈可以围绕次级磁芯的突出中心部分绕制。
附图说明
附图1A和1B分别是根据本发明的一些实施例中的定位成用于无线电力传输至次级磁芯/线圈的初级磁芯/线圈的透视图和横截面图。
图2是根据本发明的一些实施例中的包括无线电力传输发送器电路部分和无线电力传输接收器电路部分的无线电力传输电路的示意图。
图3是示出根据本发明的一些实施例中的在初级磁芯/线圈与次级磁芯/线圈之间模拟无线电力传输期间产生的磁通线的模拟结果的图示。
图4是示出根据本发明的一些实施例中的在其之间具有相应的隔板结构的初级磁芯/线圈与次级磁芯/线圈的横截面图示。
图5是根据本发明的一些实施例中的构造成容纳用于在位于电气设备支架外部定位在无线电力传输发送器设备上的无线电力传输接收设备的电气设备支架的示意图。
图6A-6D是根据本发明的一些实施例中的构造成相对于彼此运动的多个无线电力传输发送器设备和相应的多个无线电力传输接收器设备的图示。
具体实施方式
现在将参照附图说明创造性主题的具体示例性实施例。然而，该创造性主题可以实施为多种不同的形式，并且不应解释为限于本文中阐述的实施例；相反地，这些实施例提供为使得本公开将变得全面和完整，并且将向本领域技术人员完全地表达创造性主题的范围。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件。将理解的是当元件被称为“连接”或“联接”至另一个元件时，其可以直接连接或联接至另一个元件，或者可以存在中间元件。如本文中使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和全部组合。
本文中使用的术语仅为了描述特定实施例，并非旨在限制创造性主题。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非明确地另有声明。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当用于该说明书中时指定存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或增加。
除非另有限定，否则本文中使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)具有与该创造性主题所属的技术领域的普通技术人员所通常理解的相同的意义。将进一步理解的是，比如为通用字典中所定义的那些的术语应该被解释为具有与其在说明书和相关技术的上下文中的意思相一致的意思，并且将不会被以理想化或过度形式感地解释，除非本文中明确地如此限定。
本文中使用的术语的目的仅在于描述具体实施例，而非旨在限制发明构思。如本文中所使用的，单数形式“一种”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中明确作出另外的表示。将会进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”在用于本说明书中时指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或增加。
将理解的是当元件或层被称为“位于”另一个元件或层“上”、“连接至”或“联接至”另一个元件或层，则其可以直接位于另一个元件或层上、连接或联接至另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接位于”另一个元件或层“上”、“直接连接至”或“直接联接至”另一个元件或层，则不存在中间元件或层。如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
将理解的是，尽管术语第一、初级、第二、次级等等可在本文中用于描述各个元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语仅用于区别一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分。因此，以下论述的第一元件、部件、区域、层或部分在不脱离本发明构思的教导的情况下可被定义为第二元件、部件、区域、层或部分。
空间相对术语，比如“在下面”、“以下”、“下部”、“以上”、“上部”等在本文中可用于便于说明书描述一个元件或特征与如附图中所示的另一个元件或特征的关系。将理解的是，空间相对术语旨在包括除附图中描绘的定向之外的装置在使用或操作中的不同的定向。例如，如果附图中的装置翻转时，描述为在其他元件或特征“以下”或“下面”的元件则将定向在其他元件或特征“以上”。因此，示例性术语“以下”可以包括以上和以下的定向。装置可以不同地定向(旋转90度或以其他定向)并且因此本文中使用的空间相对描述词可以相应地解释。
将理解的是，术语“初级”和“次级”在本文中用于相互区别元件，而非必要地用于向那些元件指定功能或分级特征。因此，初级元件可被定义为次级元件，反之亦然。
如本文中所述，在根据本发明的一些实施例中，感应无线电力传输可以通过初级磁芯提供，初级磁芯成形为提供其中绕制初级线圈的凹座。次级磁芯可以成形为具有次级线圈围绕其绕制的中心突出部分。感应无线电力传输可以通过使次级磁芯/线圈的突出部分运动到初级磁芯/线圈的凹座内提供。突出部分插入凹座内可以增加初级芯部与次级线圈之间的重叠，这可以产生耦合在初级与次级之间的附加磁通量，由此允许更大效率的无线电力传输。
在根据本发明的一些实施例中，当次级磁芯/线圈插入凹座内时，初级磁芯/线圈通过例如气隙保持与次级磁芯/线圈分离。在根据本发明的一些实施例中，初级磁芯/线圈和/或次级磁芯/线圈可以位于相应的外壳中，尽管被制造成接触外壳，但是相应的外壳还可以提供初级与次级的间隔。在根据本发明的一些实施例中，外壳可以是高导磁率材料或者注入有高导磁率材料。
在根据本发明的一些实施例中，初级磁芯/线圈可以封装在无线电力传输发送器部分中，而次级磁芯/线圈可以封装在无线电力传输接收器部分中。接收器部分可以容纳在例如电气设备支架(比如服务器支架)中，而无线电力传输发送器部分可以定位在电气设备支架外部(比如服务器室的地板的下面)。在操作中，包括无线电力传输接收器部分的服务器支架可以定位在地板中的无线电力传输发送器部分上，并且然后朝向无线电力传输发送器部分下降以在其之间保持适当的间隔，以便可以保持目标的无线电力传输效率。在根据本发明的更进一步的实施例中，多个无线电力接收器部分可以组合，在此每个无线电力接收器部分可以向电气设备支架中的不同的直流电分布总线提供电力，或者在此全部无线电力接收器部分输出被组合以提供更高电压输出。
图1A和1B是根据本发明的一些实施例中的无线电力传输系统100的透视图和横截面图。根据图1A和1B，初级磁芯105成形为提供由凹座的侧壁130限定的凹座125和具有中心部分135的基体140。初级线圈110围绕凹座125的中心135绕制在凹座125内部。尽管图1A和图1B示出初级线圈110定位在凹座125的侧壁130上的特定位置中，将理解的是，该位置仅用于说明性目的并且可被修改以按照根据本发明的一些实施例中的特定应用的需要实现特定效率或机械布置。
如进一步在图1A和图1B中所示，次级磁芯115包括次级线圈120围绕其绕制的突出中心部分120。次级磁芯115的该突出中心部分120构造成用于插入与中心部分135相对的凹座125内。还将理解的是，在无线电力传输设备100中示出的部件构造成使得当次级磁芯115的突出中心部分120完全插入凹座125内时，次级磁芯/线圈的全部部分保持与初级磁芯/线圈的全部部分分离。
因此，当突出部分120插入凹座125内用于无线电力传输时，突出中心部分120与初级磁芯105的侧壁130的最上部分至少部分地重叠。将理解的是，初级和次级可以通过包括示出在次级磁芯115上和靠近中心部分135的初级磁芯105上的隔板结构150保持彼此分离。隔板结构的其他布置还可被用于在无线电力传输期间保持初级和次级的保持分离。
图2是根据本发明的一些实施例中的包括无线电力传输设备100的无线电力传输电路200的示意图。根据图2，在根据本发明的一些实施例中，无线电力传输电路200包括无线电力传输发送器电路205，无线电力传输发送器电路205电气联接至无线电力传输设备100的初级电磁线圈110。
如进一步在图2中示出的，在根据本发明的一些实施例中，无线电力传输电路200包括电气联接至次级线圈120的无线电力传输接收器电路210。如图2所示，在根据本发明的一些实施例中，无线电力传输发送器电路205包括谐振电路，而无线电力传输接收器电路210不包括。在操作中，当无线电力传输设备100的初级和次级在彼此接近的范围内时，无线电力传输电路200可以在无线电力传输发送器电路205与无线电力传输接收器电路210之间传输电力。例如，在根据本发明的一些实施例中，无线电力传输设备100的初级部分和次级部分可以分离大约1mm至大约5mm。
将理解的是，图2中示出的无线电力传输电路200的部件可被构造成提供一般的操作参数，使得由电路200支持的额定功率在给定大约480伏交流的输入电压下为大约500瓦，以在初级和次级之间的间隔在如上所述范围内时提供大约12伏直流输出电压。因此，在操作中无线电力传输电路200可以利用无线电力传输设备100在大于95％的效率范围内提供无线电力传输。
图3是在根据本发明的一些实施例中的在初级与次级之间的磁通量传输的仿真的图示。根据图3，在根据本发明的一些实施例中，当包括突出部分145的次级磁芯115插入凹座125内并且以大约1mm至大约5mm的间隔紧靠着初级磁芯105时，由于次级线圈120与初级磁芯105的侧壁之间的另外的重叠，可以从例如初级磁芯侧壁130的最上部分穿过突出部分145上的次级线圈120发生另外的磁通量传输。
图4是在根据本发明的一些实施例中由第一隔板结构410和第二隔板结构420分离的初级和次级的横截面图。隔板结构410/420可以例如为容纳与相关发送器和接收器电路一起的初级部分和次级部分的相应的外壳的部分。根据图4，初级磁芯105和初级线圈110二者由外壳420封装，外壳420大致沿行由初级磁芯105的凹座125内的初级线圈110的定位限定的轮廓。
如图4中进一步示出的，次级磁芯115和次级线圈120也由隔板结构410封装，隔板结构410符合由隔板结构420提供的轮廓以允许次级磁芯115/线圈120插入凹座125内，从而允许侧壁130与次级线圈120重叠，同时还经由外壳410和420保持初级与次级之间的适当的间距。在根据本发明的一些实施例中，外壳410和420可以由高导磁率材料制成。在根据本发明的仍然其他实施例中，外壳410和420可以注入有高导磁率材料，比如高导磁率颗粒。
图5是在根据本发明的一些实施例中的构造成允许电气部件竖直安装其中的电气设备支架500以及设备的位于支架的最下位置中的无线电力接收器部分的图示。根据图5，作为无线电力传输设备的一部分的无线电力接收器组件510可以安装在电气设备支架500的最低部分处。将理解的是，在根据本发明的一些实施例中，设备的无线电力接收器部分510可以包括次级磁芯/线圈以及图2所示的无线电力传输接收器电路210。
将进一步理解的是，另外的部件可以设置在设备的无线电力接收器部分510中，以例如向独立的直流电力总线520上提供独立的电力分配。例如，在根据本发明的一些实施例中，直流电可以独立地提供在三个独立的总线520上，以便当比如为服务器的电气部件插入支架500内时，电力从无线电力接收器部分510提供至服务器。
将理解的是，在根据本发明的一些实施例中，设备的无线电力接收器部分510可以构造成用于联接至电气设备支架中的传统式电力缆线。传统式电力缆线可被用于将来自无线电力接收器部分510的电力分配至例如支架中的服务器。
设备的无线电力接收器部分510的所有部件可以包括在构造成安装在电气设备支架500中的电源中。例如，在根据本发明的一些实施例中，电源可以包括在容纳在支架500中的服务器的配电单元中。因此电源可以包括图1所示无线电力传输设备100中的次级磁芯和线圈以及图2中所示的无线电力传输接收器电路210。
如在图5中进一步示出的，无线电力发送器部分505可以直接位于地板515(比如为当电气设备支架500是服务器支架时数据中心中的地板)下面的无线电力接收器部分510以下。将理解的是，在根据本发明的一些实施例中，无线电力发送器部分505可以包括设备100的初级磁芯/线圈部分以及图2所示的无线电力传输发送器电路205。在操作中，电气设备支架500可以直接定位在地板515下面的无线电力发送器部分505上，因此无线电力接收器部分510可以相对于无线电力发送器部分505下降至指定间距内(比如大约1mm至大约5mm)，以便可以有效地提供无线电力传输。
在根据本发明的一些实施例中，电气设备支架500朝向地板515下降以提供适当的间隔。在根据本发明的一些实施例中，无线电力接收器部分510朝向地板515下降以提供适当的间隔。在仍然根据本发明的其他实施例中，无线电力发送器部分505朝向支架的底部升高以提供用于无线电力传输的适当的间隔。
图6A-6D是在根据本发明的一些实施例中构造成用于朝向彼此运动的多个无线电力传输设备100的示意图。根据图6A-6C，在根据本发明的一些实施例中，无线电力发送器部分605和无线电力接收器部分610彼此隔开超过指定用于有效无线电力传输的间隔的量。如在图6A和图6B中进一步示出的，用于无线发送器部分605的外壳620可以成型为以网格布置的一系列凹座。更进一步地，在根据本发明的一些实施例中，无线电力接收器部分610的外壳615形成为沿行由多个凹座620提供的轮廓的多个突出部分615。
对于无线电力传输设备100的操作而言，无线电力发送器部分605和无线电力接收器部分610相对于彼此运动，使得突出部分615彼此同步地突出到凹座620内。根据图6D，次级磁芯/线圈的多个突出部分可以插入由彼此同步的多个初级磁芯/线圈提供的凹座内。
将理解的是如图6D所示，一旦初级和次级运动至由外壳限定的间距内，则无线电力传输可以通过彼此同步的多个初级和次级磁芯/线圈提供。因此，可以通过利用彼此组合的多个设备100提供无线电力传输来满足另外的电力需求。例如，在根据本发明的一些实施例中，传输至次级磁芯/线圈的无线电力可以通过无线接收器部分组合以向负载提供相对较高的电压。在根据本发明的仍然的其他实施例中，提供至无线电力接收器部分的无线电力传输可被单独地提供至例如图5中示出的直流电力总线中的每一个。
如本文中所述，在根据本发明的一些实施例中，感应无线电力传输可以通过初级磁芯提供，初级磁芯成形为提供其中绕制初级线圈的凹座。次级磁芯可以成形为具有次级线圈围绕其绕制的中心突出部分。感应无线电力传输可以通过使次级磁芯/线圈的突出部分运动到初级磁芯/线圈的凹座内提供。突出部分插入凹座内可以增加初级磁芯与次级线圈之间的重叠，这可以产生耦合在初级与次级之间的附加磁通量，由此允许更大效率的无线电力传输。
在根据本发明的一些实施例中，当次级磁芯/线圈插入凹座内时，初级磁芯/线圈通过例如气隙保持与次级磁芯/线圈分离。在根据本发明的一些实施例中，初级磁芯/线圈和/或次级磁芯/线圈可以位于相应的外壳中，尽管被制造成接触外壳，但是相应的外壳还可以提供初级与次级的间隔。在根据本发明的一些实施例中，外壳可以是高导磁率材料或者注入有高导磁率材料。
在附图和说明书中，已经公开了创造性主题的示例性实施例。尽管采用了专用术语，但是其仅用于一般和描述意义而非用于限制目的，创造性主题的范围由以下权利要求限定。

Claims (22)

1.一种无线电力传输设备，包括：
所述无线电力传输设备的初级部分，所述初级部分包括：
初级磁芯，所述初级磁芯形成凹座，所述凹座具有中心、侧壁和限定所述凹座的底部的基体；以及
初级线圈，所述初级线圈位于所述凹座内部，所述初级线圈围绕所述凹座的中心绕制；以及
所述无线电力传输设备的次级部分，所述次级部分与所述无线电力传输的所述初级部分分离，所述次级部分包括：
次级磁芯，所述次级磁芯包括突出中心部分；以及
次级线圈，所述次级线圈围绕所述次级磁芯的所述突出中心部分绕制，
其中，所述次级部分构造成用于插入所述初级部分内，使得所述次级线圈的围绕所述突出中心部分绕制的至少一部分与所述初级磁芯侧壁重叠并且构造成提供所述初级磁芯与所述次级磁芯之间的间隔。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括：
隔板结构，所述隔板结构包括高导磁率材料，所述隔板结构构造成保持所述初级部分与所述次级部分之间的间隔。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括：
隔板结构，所述隔板结构包括高导磁率材料，所述隔板结构位于所述次级磁芯的所述突出中心部分与所述初级磁芯的所述底部之间，所述隔板结构构造成当所述突出部分完全插入所述凹座内时保持所述突出中心部分与所述初级磁芯的所述底部的间隔。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述隔板结构还包括：
所述次级部分或所述初级部分的外壳。
5.根据权利要求2所述的设备，其中，所述隔板结构还包括：
所述初级部分的第一外壳；和
所述次级部分的第二外壳。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述间隔小于大约5mm并且大于大约1mm。
7.根据权利要求3所述的设备，其中，所述隔板结构包括铁磁颗粒。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括：
无线电力传输发送器电路，所述无线电力传输发送器电路包括在所述初级部分中并且电气联接至所述初级线圈，所述无线电力传输发送器电路构造成响应于交流输入电压操作；以及
无线电力传输接收器电路，所述无线电力传输接收器电路包括在所述次级部分中并且电气联接至所述次级线圈，所述无线电力传输接收器电路构造成响应于来自所述无线电力传输发送器电路的电力向负载提供直流输出电压。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述直流输出电压包括大约12伏直流电。
10.根据权利要求1所述的无线电力传输设备，还包括：
多个初级部分，所述多个初级部分彼此电气联接在一起；以及
多个次级部分，所述多个次级部分彼此电气联接在一起。
11.根据权利要求10所述的无线电力传输设备，其中，所述多个次级部分还包括：
多个无线电力传输接收器电路，所述多个无线电力传输接收器电路中的每一个连接至包括在所述多个次级部分之一中的相应的次级线圈，所述多个无线电力传输接收器电路各自向相应的直流总线提供相应的直流输出电压。
12.根据权利要求10所述的无线电力传输设备，还包括：
无线电力传输接收器电路，所述无线电力传输接收器电路电气联接至包括在所述多个次级部分中的每个次级线圈，所述无线电力传输接收器电路向相应的直流总线提供多个直流输出电压。
13.根据权利要求10所述的无线电力传输设备，其中，所述次级部分包括在服务器支架中。
14.一种电源，包括：
无线电力传输设备的接收器部分，所述接收器部分构造成垂直地定位在所述无线电力传输设备的发送器部分以上，所述发送器部分位于所述电气设备支架外部并且在从所述发送器部分向所述接收器部分无线电力传输期间与所述接收器部分分离。
15.根据权利要求14所述的电源，其中，所述无线电力传输设备的所述接收器部分包括：
次级磁芯，所述次级磁芯包括突出中心部分和围绕所述次级磁芯的所述突出中心部分绕制的次级线圈，其中，所述次级磁芯和次级电磁线圈构造成用于插入初级磁芯的凹座的中心内，使得所述突出中心部分与初级磁芯侧壁重叠并且构造成提供所述初级磁芯与所述次级磁芯之间的间隔。
16.根据权利要求14所述的电源，其中，所述电源构造成安装在电气设备支架中，所述电气设备支架包括：
构造成以竖直布置将多个单独地供电的电气部件可移除地安装在所述电气设备支架中的结构；
多个直流电总线，所述多个直流电总线在所述支架中垂直地延伸以向所述多个单独供电的电气部件中的每一个提供直流电；以及
其中，所述无线电力传输设备的所述接收器部分构造成垂直地定位在所述无线电力传输设备的发送器部分以上，所述发送器部分位于所述电气设备支架外部并且在从所述发送器部分向所述接收器部分无线电力传输期间与所述接收器部分分离。
17.根据权利要求14所述的电源，其中，所述接收器部分构造成从无效位置朝向所述发送器部分运动至在所述无线电力传输期间使用的有效位置，所述有效位置通过间隙使所述发送器部分与所述接收器部分分离。
18.根据权利要求17所述的电源，其中，所述间隙包括大约1mm至大约5mm。
19.根据权利要求14所述的电源，其中，所述发送器部分构造成从无效位置朝向所述接收器部分运动至在所述无线电力传输期间使用的有效位置，所述有效位置通过间隙使所述发送器部分与所述接收器部分分离。
20.一种无线电力传输设备，包括：
多个无线电力传输接收器线圈，所述多个无线电力传输接收器线圈在所述无线电力传输设备的可移动接收器部分中联接在一起，所述多个无线电力传输接收器线圈中的每一个构造成无线地接收来自所述设备外部的无线电力传输发送器的电力的传输。
21.根据权利要求20所述的无线电力传输设备，还包括：
多个接收器磁芯，所述多个接收器磁芯中的每一个包括由所述多个无线电力传输接收器线圈中的相应的一个包围的突出中心部分。
22.根据权利要求21所述的无线电力传输设备，其中，所述无线电力传输设备的所述可移动接收器部分安装在与数据中心的地板直接相对的服务器支架中。
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