CN107852015B - 用于无线电力发射机线圈配置的设备和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于无线地发射电力的方法和设备。在一个方面中，提供了一种用于无线地发射电力的设备。该设备包括限定第一面积的第一线圈回路，第一线圈回路以第一电流值传导电流以用于产生第一磁场。该设备还包括包围第一线圈回路并限定第二面积的第二线圈回路，第二线圈回路以第二电流值传导电流，产生第二磁场，其中第一电流值与第一面积的比率基本上等于第二电流值与第二面积的比率。

Description

用于无线电力发射机线圈配置的设备和方法

技术领域

本公开总体涉及一种无线电力发射机的配置。

背景技术

越来越多数量和种类的电子设备通过可充电电池供电。这样的设备包括移动电话、便携式音乐播放器、笔记本电脑、平板电脑、计算机外围设备、通信设备(例如蓝牙设备)、数码相机、助听器等。虽然电池技术已经得到改进，但是电池供电的电子设备越来越需要并消耗更大的电力量，因此经常需要充电。可充电设备通常通过线缆或物理连接到电源的其他类似连接器经由有线连接来充电。线缆和类似的连接器有时可能不方便或麻烦，并具有其他缺点。能够在自由空间中传输电力以用于给可充电电子设备充电或向电子设备提供电力的无线充电系统，可以克服有线充电解决方案的一些不足。如此，将电力高效且安全地传输到电子设备的无线电力传输系统和方法是期望的。

发明内容

在所附权利要求的范围内的系统、方法和设备的各种实现方式各自具有若干方面，其中没有一个单一的方面单独负责本文所描述的期望属性。在不限制所附权利要求的范围的情况下，本文描述了一些突出的特征。

在本说明书中所描述主题的一个或多个实现方式的细节在附图中和下面的描述中阐述。其他特征、方面和优点从描述、附图和权利要求中将变得显而易见。注意，下面附图的相对尺寸可能不是按比例绘制的。

本公开中描述的主题的一个方面提供了一种用于无线地发射电力的设备。该设备包括限定第一面积的第一线圈回路，第一线圈回路以第一电流值传导电流以用于产生第一磁场。该设备还包括包围第一线圈回路并限定第二面积的第二线圈回路，第二线圈回路以第二电流值传导电流，产生第二磁场，其中第一电流值与第一面积的比率基本上等于第二电流值与第二面积的比率。

本公开中描述的主题的另一个方面提供了一种从发射机无线地发射电力的方法的实现方式。该方法经由第一线圈回路产生第一磁场。第一线圈回路限定第一面积并以第一电流值传导电流。该方法还包括经由第二线圈回路产生第二磁场。第二线圈回路包围第一线圈回路并限定第二面积。第二线圈回路还以第二电流值传导电流，其中第一电流值与第一面积的比率基本上等于第二电流值与第二面积的比率。

本公开中描述的主题的另一个方面提供了一种用于无线地发射电力的设备。该设备包括围绕一个点缠绕以限定第一面积的用于产生第一磁场的第一装置。用于产生第一磁场的第一装置以第一电流值传导时变电流。该设备还包括围绕该点缠绕以限定第二面积的用于产生第二磁场的第二装置。用于传导电流的第二装置以第二电流值传导时变电流，其中第一电流值与第一面积的比率基本上等于第二电流值与第二面积的比率。

本公开中描述的主题的另一个方面提供了一种用于无线地发射电力的设备。该设备包括限定第一面积的第一线圈回路。第一线圈回路传导具有第一电流值并产生第一磁场的电流。该设备还包括与第一线圈回路分开并限定第二面积的第二线圈回路。第二线圈回路传导具有第二电流值的电流并产生第二磁场。该装置还包括至少一个驱动器电路，该至少一个驱动器电路被配置成以第一电流值驱动第一线圈并以第二电流值驱动第二线圈回路。第一电流值不同于第二电流值，其中第一电流值与第一面积的比率基本上等于第二电流值与第二面积的比率。

附图说明

图1是根据示例性实施例的示例性无线电力传输系统的功能框图。

图2是根据各种示例性实施例的可以在图1的无线电力传输系统中使用的示例性部件的功能框图。

图3是根据示例性实施例的包括发射天线或接收天线的图2的发射电路或接收电路的一部分的示意图。

图4是根据一个实施例的示例性电力发射元件天线/线圈结构的图。

图5是根据一个实施例的另一个示例性电力发射元件天线/线圈结构的图。

图6是根据一个实施例的另一个示例性电力发射元件天线/线圈结构的图。

附图中所示的各种特征可能不是按比例绘制的。因此，为了清楚起见，各种特征的尺寸可以被任意地扩大或缩小。此外，一些附图可能没有描绘给定系统、方法或设备的所有部件。最后，贯穿整个说明书和附图中，相同的附图标记可以用于表示相同的特征。

具体实施方式

在以下描述中，为了解释的目的，阐述了许多示例和具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将明显的是，在权利要求中表达的本公开内容可以包括这些示例中的单独的或与下面描述的其他特征进行组合的一些或所有特征，并且还可以包括本文所描述的特征和概念的修改和等同物。

无线电力传输可以指的是：在不使用物理电导体的情况下，将与电场、磁场、电磁场或其他方面相关联的任何形式的能量从发射机传输到接收机(例如，电力可以通过自由空间传输)。输出到无线场(例如，磁场或电磁场)中的电力可以由“电力接收元件”接收、捕获或耦合，以实现电力传输。

图1是根据说明性实施例的无线电力传输系统100的功能框图。输入功率102可以从电源(未在该图中示出)被提供给发射机104以产生用于执行能量传输的无线(例如，磁或电磁)场105。接收机108可以耦合到无线场105，并且产生输出功率110以用于由耦合到输出功率110的设备(未在该图中示出)存储或消耗。发射机104和接收机108可以以距离112分开。发射机104可以包括用于向接收机108发射/耦合能量的电力发射元件114。接收机108可以包括用于接收或捕获/耦合从发射机104发射的能量的电力接收元件118。

在一个说明性实施例中，发射机104和接收机108可以根据相互谐振关系来配置。当接收机108的谐振频率和发射机104的谐振频率基本相同或非常接近时，发射机104和接收机108之间的传输损耗减少。如此，可以在更大的距离上提供无线电力传输。谐振电感耦合技术从而可以允许在各种距离上的以及在各种电感电力发射和接收元件配置下的改进的效率和电力传输。

在某些实施例中，如将在下面进一步描述的，无线场105可以对应于发射机104的“近场”。该近场可以对应于其中存在由电力发射元件114中的电流和电荷所导致的强无功场的区域，该强无功场最小程度地将电力辐射远离电力发射元件114。近场可以对应于位于电力发射元件114的大约一个波长(或其一定分数)内的区域。

在某些实施例中，通过将无线场105中的大部分能量耦合到电力接收元件118、而不是将大多数能量以电磁波传播到远场，可以发生高效的能量传输。

在某些实现方式中，发射机104可以输出具有与电力发射元件114的谐振频率相对应的频率的时变磁场(或电磁场)。当接收机108在无线场105内时，时变磁场(或电磁场)可以在电力接收元件118中感应出电流。如上所述，如果电力接收元件118被配置为在电力发射元件114的频率处谐振的谐振电路，那么能量可以被高效地传输。在电力接收元件118中感应的交流(AC)信号可以被整流以产生直流(DC)信号，该DC信号可以被提供以对负载充电或供电。

图2是根据另一个说明性实施例的无线电力传输系统200的功能框图。系统200可以包括发射机204和接收机208。发射机204(在本文中也被称为电力发射单元PTU)可以包括发射电路206，该发射电路206可以包括振荡器222、驱动器电路224、前端电路226和阻抗控制模块227。振荡器222可以被配置成产生可以响应于频率控制信号223而调整的期望频率下的信号。振荡器222可以向驱动器电路224提供振荡器信号。驱动器电路224可以被配置成基于输入电压信号(VD)225以例如电力发射元件214的谐振频率来驱动电力发射元件214。驱动器电路224可以是被配置成从振荡器222接收方波并输出正弦波的开关放大器。

前端电路226可以包括滤波器电路以滤除谐波或其他不需要的频率。前端电路226可以包括匹配电路以使发射机204的阻抗与电力发射元件214匹配。如将在下面更详细地解释的，前端电路226可以包括调谐电路以与电力发射元件214一起创建谐振电路。作为驱动电力发射元件214的结果，电力发射元件214可以产生无线场205，以无线地输出足够对电池236充电或以其他方式对负载供电的水平下的电力。阻抗控制模块227可以控制前端电路226。

发射机204还可以包括可操作地耦合到发射电路206的控制器240，该控制器240被配置成控制发射电路206的一个或多个方面或者完成与管理电力传输相关的其他操作。控制器240可以是微控制器或处理器。控制器240可以被实现为专用集成电路(ASIC)。控制器240可以可操作地直接或间接地连接到发射电路206的每个部件。控制器240还可以被配置成从发射电路206的每个部件接收信息，并基于所接收的信息执行计算。控制器240可以被配置成针对每个部件产生控制信号(例如，信号223)，控制信号可以调整该部件的操作。如此，控制器240可以被配置成基于由其执行的操作的结果来调整或管理电力传输。发射机204还可以包括存储器(未示出)，存储器被配置成例如存储数据，诸如用于使得控制器240执行特定功能(诸如与无线电力传输的管理有关的功能)的指令。

接收机208(在本文中也被称为电力接收单元PRU)可以包括接收电路210，该接收电路210可以包括前端电路232和整流器电路234。前端电路232可以包括匹配电路以使接收电路210的阻抗与电力接收元件218匹配。如下面将解释的，前端电路232还可以包括调谐电路以与电力接收元件218一起创建谐振电路。如图2所示，整流器电路234可以从AC功率输入产生DC功率输出，以对电池236进行充电。接收机208和发射机204可以附加地在单独的通信信道219(例如，蓝牙、Zigbee、蜂窝等)上进行通信。备选地，接收机208和发射机204可以使用无线场205的特性经由带内信令进行通信。

接收机208可以被配置成确定由发射机204发射以及由接收机208接收的电力量是否适合于对电池236进行充电。发射机204可以被配置成产生具有直接场耦合系数(k)的主要非辐射场，以用于提供能量传输。接收机208可以直接耦合到无线场205，并且可以产生输出功率以用于由耦合到输出或接收电路210的电池(或负载)236存储或消耗。

接收机208还可以包括控制器250，该控制器250与如上所述的发射控制器240类似地配置以用于管理无线电力接收机的一个或多个方面。接收机208还可以包括存储器(未示出)，存储器被配置成例如存储数据，诸如用于使得控制器250执行特定功能(诸如与无线电力传输的管理有关的功能)的指令。

如上所讨论的，发射机204和接收机208可以被分开一段距离并且可以根据相互谐振关系来配置，以最小化发射机与接收机之间的传输损耗。

图3是根据说明性实施例的图2的发射电路206或接收电路210的一部分的示意图。如图3所示，发射或接收电路350可以包括电力发射或接收元件352以及调谐电路360。电力发射或接收元件352也可以被称为或被配置为天线或“回路”天线。术语“天线”通常是指可以无线地输出或接收能量以耦合到另一个“天线”的部件。电力发射或接收元件352在本文中也可以被称为或被配置为“磁性”天线、或感应线圈、谐振器、或谐振器的一部分。电力发射或接收元件352也可以被称为被配置成无线输出或接收电力的类型的线圈或谐振器。如本文所使用的，电力发射或接收元件352是被配置成无线输出和/或接收电力的类型的“电力传输部件”的一个示例。电力发射或接收元件352可以包括空气芯或诸如铁氧体芯的物理芯(未在该图中示出)。

当电力发射或接收元件352被配置为具有调谐电路360的谐振电路或谐振器时，电力发射或接收元件352的谐振频率可以基于电感和电容。电感可以仅仅是由形成电力发射或接收元件352的线圈或其他电感器创建的电感。可以由调谐电路360提供电容(例如，电容器)以在期望的谐振频率处产生谐振结构。作为一个非限制性的示例，调谐电路360可以包括电容器354，并且电容器356可以被添加到发射和/或接收电路350以创建谐振电路。

调谐电路360可以包括其他部件，以与电力发射或接收元件352一起形成谐振电路。作为另一个非限制性的示例，调谐电路360可以包括并联放置在电路350的两个端子之间的电容器(未示出)。其他的设计仍然是可能的。在一些实施例中，前端电路226中的调谐电路可以具有与前端电路232中的调谐电路相同的设计(例如，360)。在其他实施例中，前端电路226可以使用不同于前端电路232中的调谐电路设计。

对于电力发射元件，具有基本上与电力发射或接收元件352的谐振频率对应的频率的信号358可以是到电力发射或接收元件352的输入。对于电力接收元件，具有基本上与电力发射或接收元件352的谐振频率对应的频率的信号358可以是从电力发射或接收元件352的输出。本文提供的实施例和描述可以应用于谐振和非谐振实现方式(例如，用于电力发射或接收元件以及谐振和非谐振系统的谐振和非谐振电路)。

图4是根据本公开的实施例的方面的可以提供更均匀磁场的示例性电力发射元件结构400的图。如图所示，电力发射元件结构400包括五个同心线圈回路：最内或最小线圈回路401、其次大的线圈回路402、其次大的线圈回路403、其次大的线圈回路404以及最外或最大的线圈回路405。五个线圈回路401-405是示例性的，并且更多或更少的线圈回路是可能的。用于线圈回路401-405的一个或多个线圈可以包括任何导电材料(例如，铜、银、铝等)。

在一些方面中，可能期望特定设计分类的电力发射元件400——也被称为发射机谐振器、发射机天线或发射机线圈——产生在其充电表面上具有均匀磁场分布的磁场，以便获得基本上相同的充电效率，而不管电力发射元件400或充电焊盘上的电力接收单元(PRU)的放置如何。

在一些方面中，线圈回路401-405被配置成使得每个线圈回路的电流幅度与线圈回路的面积成比例。在中心点处(或在电力发射元件400的任何其它点处)的磁场的强度与距线圈和流过线圈的电流的距离成反比，从而导致在中心点处的较低磁场。为了在由最外线圈405所覆盖的区域上获得均匀的磁场分布，放置了半径减小且电流幅度减少的若干同心线圈回路404-401，以加强内部区域中(包括中心点)的磁场。线圈回路401-405的电流幅度被选择成与线圈回路的面积成比例，以实现线圈表面(即，充电焊盘)上方的磁场分布的高度均匀性。在一些方面中，电流幅度可以被计算为交流电流的峰值或电流的均方根值。

在某些实施例的一些方面中，为了在每个线圈回路中实现与该线圈的面积成比例的电流幅度，每个线圈回路可以被耦合到单独的电流源(如下面相对于图6所示和所描述的)。每个单独的电流源可以被配置成在线圈回路中提供与线圈面积成比例的电流幅度。在一些方面中，电流源可以包括驱动器电路(例如，驱动器电路224)，驱动器电路被配置成驱动电流和/或电压通过线圈。也就是说，I_C＝kA_C，其中I_C为线圈回路的电流，k为比例常数，并且A_C为线圈回路的面积。在一些方面中，比例常数k可以是任何正数。例如，用于线圈回路401和402的电流源可以提供使得I_C1/A₁＝I_C2/A₂的值下的电流，其中I_C1为线圈回路401中的电流，I_C2为线圈回路402中的电流，A₁为线圈回路401的面积，并且A₂为线圈回路402的面积。

在用于一个非限制性示例并且为了说明目的的一个方面中，线圈回路401可以具有0.2米(m)的半径，线圈回路402可以包括0.4m的半径，线圈回路403可以包括0.6m的半径，线圈回路404可以包括0.8m的半径，并且线圈回路405可以包括1m的半径。在诸如上面描述的线圈回路401-405的一个几何布置中，每个线圈回路之间的距离是相同的(即0.2m)。因此，每个线圈回路的半径与外线圈回路405的半径的比率，对于线圈回路401将为(r₁/r₅)，对于线圈回路402将为(r₂/r₅)，对于线圈回路403将为(r₃/r₅)，对于线圈回路404将为(r₄/r₅)，并且对于线圈回路405将为(r₅/r₅)，其中r₁、r₂、r₃、r₄、r₅分别为线圈回路401、402、403、404和405的半径。对于上面的示例，线圈回路401-405的半径比率为0.2:0.4:0.6:0.8:1.0或1:2:3:4:5。圆的面积由等式A＝πr²给出，其中A为面积，并且r为圆的半径。那么线圈回路401-405覆盖的面积分别等于π(0.2)²、π(0.4)²、π(0.6)²，π(0.8)²、π(1)²。因此，线圈回路401-405的面积与线圈回路401的面积的比率，对于线圈回路401为A₁/A₁、对于线圈回路402为A₂/A₁、对于线圈回路403为A₃/A₁、对于线圈回路404为A₄/A₁，并且对于线圈回路405为A₅/A₁，其中A₃、A₄、A₅分别为线圈回路403、404和405的面积。对于上面的示例，[π(0.2)²/π(0.2)²]:[π(0.4)²/π(0.2)²]:[π(0.6)²/π(0.2)²]:[π(0.8)²/π(0.2)²]:[π(1)²/π(0.2)²]或1:4:9:16:25。换句话说，每个线圈回路401-405的面积，对于线圈回路401将为A₁，对于线圈回路402将为4*(A₁)，对于线圈回路403将为9*(A₁)，对于线圈回路404将为16*(A₁)，并且对于线圈回路405将为25*(A₁)。

对于上述的几何布置，并且为了保持每个线圈回路中的电流与线圈回路401-405中的每个线圈回路的面积的比例，每个线圈回路401-405中的电流，对于线圈回路401将为I_C1，对于线圈回路402将为4*(I_C1)，对于线圈回路403将为9*(I_C1)，对于线圈回路404将为16*(I_C1)，并且对于线圈回路405将为25*(I_C1)。因此，用于线圈回路401-405的电流源可以被配置成提供与线圈回路401-405的面积成比例的值下的电流，I_C＝kA_C。对于上面的示例，假定比例常数k等于1，线圈回路401的电流源将提供基本为π(0.2)²安培的电流，线圈回路402的电流源将提供基本为π(0.4)²安培的电流，线圈回路403的电流源将提供基本为π(0.6)²安培的电流，线圈回路404的电流源将提供基本为π(0.8)²安培的电流，并且线圈回路405的电流源将提供基本为π(1)²安培的电流。类似于上述线圈回路的面积的比率，每一个线圈回路401-405中的电流值与线圈回路401中的电流值的比率，对于从内线圈回路401到外线圈回路405的每一个线圈，将分别为[π(0.2)²/π(0.2)²]:[π(0.4)²/π(0.2)²]:[π(0.6)²/π(0.2)²]:[π(0.8)²/π(0.2)²]:[π(1)²/π(0.2)²]或1:4:9:16:25。在一些实施例中，电力发射元件结构400可以包括电容器网络或一些其他电路结构，不是针对每个线圈回路401-405使用单独的电流源，以调整每个线圈中的电流幅度来实现相同的比率。

在一些实施例中，电力发射元件结构400和/或每个线圈回路可以被耦合到更多或更少的电流源，以在每个线圈回路401-405中提供与线圈回路的面积成比例的电流值或电流幅度下的电流。例如，在一些方面中，电力发射元件结构400可以包括单个线圈绕组，其中线圈回路401-405由该单个线圈绕组形成。在该实施例中，单个线圈可以被耦合到单个电流源。虽然示出了圆形线圈回路，但是在某些实施例中，线圈回路401-405(和下面所描述的线圈回路501-503)可以具有非圆形几何形状(例如，椭圆形、半矩形等)，但是根据本文描述的原理，可以计算等效面积，并且还可以确定线圈回路的电流值以用于产生磁场的均匀性。

图5是可以提供均匀磁场的另一个示例性电力发射元件结构500的图。如图所示，电力发射元件结构500包括三个同心线圈回路(内线圈回路501、中线圈回路502和外线圈回路503)以及耦合到线圈回路501-503的电流源510。如图所示，线圈回路501-503由单个线圈绕组形成，线圈回路501包括具有半径r₁和面积A₁的单匝，线圈回路502包括具有半径r₂和面积A₂的两匝，并且线圈回路503包括具有半径r₃和面积A₃的三匝。也就是说，每个线圈回路501-503中的匝数，对于线圈回路501将为N₁，对于线圈回路502将为2*(N₁)并且对于线圈回路503将为3*(N₁)。为了在每个线圈回路中实现与线圈面积成比例的电流幅度，每个线圈回路501-503中的匝数应当与线圈回路的面积成比例。也就是说，N_C＝kA_C，其中N_C是线圈回路中的匝数。例如，在一个方面中，线圈回路501可以具有1m²的面积，线圈回路502可以具有2m²的面积，线圈回路503可以具有3m²的面积。此外，线圈回路501-503的面积与线圈回路501的面积的比率，对于线圈回路501为A₁/A₁，对于线圈回路502为A₂/A₁，并且对于线圈回路503为A₃/A₁，或者对于线圈回路501、502和503分别为1:2:3。对于图5中所示的几何布置，每个线圈回路501-503的面积，对于线圈回路501将为A₁，对于线圈回路502将为2*(A₁)，对于线圈回路503将为3*(A₁)。根据上面的等式I_C＝kA_C，I₁/A₁＝I₂/A₂＝I₃/A₃＝k，其中I₁、I₂和I₃分别为线圈回路501、502和503中的电流。类似地，根据上面的等式N_C＝kA_C，N₁/A₁＝N₂/A₂＝N₃/A₃＝k，其中N₁、N₂和N₃分别为线圈回路501、502和503中的匝数。因此，求解电流，并且假定比例常数k等于1，那么每个线圈回路501-503中的电流，对于线圈回路501将为1安培，对于线圈回路502将为2安培，并且对于线圈回路503将为3安培，以便保持比例关系。

为了实现来自单个电流源510的每个线圈回路501-503中的电流值，如图所示，线圈回路501-503可以包括多个匝。根据等式I_L＝I_SN，线圈回路中的电流与线圈回路中的匝数成正比，其中I_L为线圈回路的电流，I_S为电流源的电流，并且N为匝数。例如，如果电流源510提供1安培的电流，那么两匝的线圈回路将承载2安培的等效电流，三匝的线圈回路将承载3安培的等效电流，以此类推。如图5所示，每个线圈回路501-503中的匝数分别为1、2和3，这与线圈回路501-503的面积成比例。也就是说，每个线圈回路501-503中的匝数与线圈回路501中的匝数的比率，对于线圈回路501为N₁/N₁，对于线圈回路502为N₂/N₁，并且对于线圈回路503为N₃/N₁。因此，分别针对线圈回路501、502和503，匝数比率为1:2:3。因此，每个线圈回路501-503中的匝数比率与每个线圈回路501-503的面积比率成比例，以使得N₁/A₁＝N₂/A₂＝N₃/A₃。在上面的示例中，线圈回路的匝数和面积各自分别具有1:2:3的比率。也就是说，线圈回路501中的匝数与线圈回路501的面积的比率基本上等于线圈回路502中的匝数与线圈回路502的面积的比率，并且基本上等于线圈回路503的相同比率。

同样地，如上面的等式I_C＝kA_C所示，线圈回路501-503的电流幅度与线圈回路501-503的面积(A₁-A₃)成比例。在上面的示例中，因为电流源510提供1安培的值的电流，所以线圈回路501中的电流将为1安培，线圈回路502中的电流将为2安培，并且线圈回路503中的电流将为3安培。因此，线圈回路501-503的电流幅度的比率为1:2:3，这与线圈回路501-503的面积以及每个线圈回路501-503中的匝数两者都成比例。该配置便于产生跨电力发射元件结构500的基本均匀的磁场。

类似地，在一些实施例中，为了实现均匀的磁场分布，电力发射元件结构500可以被配置成使得：每个线圈回路501-503中的匝数与线圈回路中的电流幅度成比例。例如，N_C＝kI_C。在上述实施例中，由于从内线圈回路501到外线圈回路503的每个线圈回路的电流幅度的比率为1:2:3，所以每个线圈回路中的匝数的比率将为线圈回路501的匝数的1:2:3倍。也就是说，线圈回路501中的匝数与线圈回路501中的电流幅度的比率基本上等于线圈回路502中的匝数与线圈回路502中的电流幅度的比率，并且基本上等于线圈回路503的相同比率。换而言之，N₁/I₁＝N₂/I₂＝N₃/I₃。

此外，线圈回路501-503之间的距离可由线圈回路的面积、线圈回路的匝数或电流幅度来限定，因为每一个具有与另一个的比例关系。例如，由于线圈回路501的面积比线圈回路502的面积为1:2，线圈回路501的半径与线圈回路502的半径之间的关系为2πr₁ ²＝πr₂ ²。这得到r₂＝(√2)r₁。那么r₁与r₂之间的距离D为r₂–r₁＝(√2)r₁–r₁。这得到(√2)-1或0.414m。使用类似的计算，那么r₁与r₃之间的距离为r₃–r₁＝(√3)r₁–r₁或0.732m。

图6是根据本公开的实施例的方面的可以提供更均匀的磁场的示例性电力发射元件结构600的图。电力发射元件结构600类似于图4的电力发射元件结构400，并从图4的电力发射元件结构400修改得到。为了简洁起见，仅描述了电力发射元件结构400与600之间的区别。

如图6所示，电力发射元件结构600包括分别用于每个线圈回路401、402、403、404和405的单独的电流源601、602、603、604和605。在一些方面中，电流源601、602、603、604和605可以包括被配置为驱动或输出电流到线圈回路401-405中的任何电路。如上面关于图4所描述的，每个电流源601、602、603、604和605可以被配置成驱动在其相应的线圈回路中的电流，以使得电流与线圈的面积成比例。

在一些方面中，电力发射元件结构400、500和600提供了更均匀的磁场分布的非限制性益处，该更均匀的磁场分布提高了效率并降低了对具有更复杂的电路的电力接收单元的需求，该更复杂的电路用于耐受所施加电压中的高变化或者设计对电力发射元件的磁场的峰值和谷值进行平均的电力接收单元。例如，不具有良好的均匀性的其他电力发射元件结构可能会限制电力发射元件或线圈的充电面积和充电效率。在一些方面中，发射元件结构可以采用MxN二维矩阵中的较小线圈来增加充电面积，但是该结构可能导致充电表面上的弱充电区，当电力接收单元被放置在那些位置时，弱充电区处的效率低。在这些方面中，电力发射元件上可能存在若干斑，在斑处场远大于或远低于标称场强。这转而可能迫使电力接收元件318(图3)设计者：构建电力接收元件350(图3)的接收电路以耐受所施加电压中的高变化，或者设计对电力发射元件的磁场的峰值和谷值进行平均的电力接收元件(例如，天线/线圈配置与电路组合以创建谐振电路)。

在一些实施例中，本文所述的线圈回路中的电流幅度与线圈回路面积的比例以及线圈回路中的匝数与线圈回路面积的比例，与使用相同数量的线圈回路但不具有本文所描述的比例的其他电力发射元件设计相比，可以提供更均匀的磁场分布。

例如，在各种电力发射元件天线/线圈结构配置上来测试电力发射元件的表面磁场的均匀性时，最佳配置包括具有如上所述的线圈回路面积与电流幅度之间的比例关系的线圈回路。对于具有线圈回路面积与电流幅度之间的比例关系的线圈结构的一个特定电力发射元件配置，在外线圈半径的五分之一的高度处，在电力发射元件的64％的表面上，电力发射元件配置实现了磁场法向分量的高达6分贝(dB)的均匀性。不使用线圈回路面积与电流幅度或匝数之间的比例关系的其他电力发射元件配置，在电力发射元件的表面上方的相同高度处，实现了磁场法向分量的小于50％的均匀性。在其他方面中，本文描述的电力发射元件配置可以提供设计尺寸的更大可变性，以允许更高分辨率的设计调整。例如，尽管本文示出了圆形线圈回路，但是其他线圈形状是可能的。

上述方法的各种操作可以通过能够执行该操作的任何合适的装置来执行，诸如各种硬件和/或软件部件、电路和/或模块。通常，附图中说明的任何操作可以通过能够执行该操作的对应的功能装置来执行。

信息和信号可以使用多种不同技术和技巧中的任何技术和技巧来表示。例如，可能贯穿上面的描述提及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和芯片可以由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或者其任何组合来表示。

结合本文公开的实施例描述的各种说明性的逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或这两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这一可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤在其功能方面进行了总体描述。这种功能是作为硬件还是作为软件实现，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束。所描述的功能可以针对每种特定应用以不同的方式来实现，但是这样的实现决定不应当被解释为使得脱离本发明的实施例的范围。

结合本文公开的实施例描述的各种说明性的框、模块和电路可以使用以下来实现或执行：被设计为执行本文所描述功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件、或者它们的任何组合。通用处理器可以是微处理器，但是备选地，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器的组合，或者任何其他这样的配置的组合。

结合本文公开的实施例描述的方法或算法的步骤以及功能，可以直接以硬件、由处理器执行的软件模块或者两者的组合来实施。如果以软件实现，那么可以将功能作为在有形的非瞬态性计算机可读介质上的一个或多个指令或代码来存储或传输。软件模块可以驻留在以下项中：随机存取存储器(RAM)、闪存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘，可移动盘、CD ROM或者本领域已知的任何其他形式的存储介质。存储介质耦合到处理器，以使得处理器可以从存储介质读取信息并将信息写入到存储介质。作为备选，存储介质可以集成到处理器。本文所使用的盘和碟包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字通用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘通常磁性地复制数据，而碟则用激光来光学地复制数据。上述内容的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留于用户终端中。作为备选，处理器和存储介质可以作为分立部件驻留于用户终端中。

为了总结本公开的目的，本文已经描述了本发明的特定方面、优点和新颖特征。要理解的是，根据本发明的任何特定实施例，不一定可以实现全部这样的优点。因此，本发明可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点的方式来实施或实行，而不一定实现本文中可能教导或启示的其他优点。

上述实施例的各种修改将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以将本文定义的一般原理应用于其它实施例。因此，本发明并不旨在限于本文所示的实施例，而是要被赋予与本文所公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (27)

1.一种用于无线地发射电力的设备，所述设备包括：

限定第一面积的第一线圈回路，所述第一线圈回路被配置成传导具有与所述第一面积成比例的第一电流值的电流并且产生第一磁场，其中所述第一线圈回路具有第一匝数，所述第一匝数与所述第一线圈回路限定的所述第一面积成比例以实现与所述第一面积成比例的所述第一电流值；以及

包围所述第一线圈回路并限定第二面积的第二线圈回路，所述第二线圈回路被配置成传导具有与所述第二面积成比例的第二电流值的电流并且产生第二磁场，其中所述第二线圈回路具有第二匝数，所述第二匝数与所述第二线圈回路限定的所述第二面积成比例以实现与所述第二面积成比例的所述第二电流值，其中所述第一电流值与所述第一面积的比率等于所述第二电流值与所述第二面积的比率，其中所述第二电流值是所述第一电流值的整数倍，并且其中所述第二面积是所述第一面积的整数倍。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二线圈回路包括两个或更多个匝，并且其中所述第一线圈回路的所述第一匝数与所述第一面积的比率等于所述第二线圈回路的所述两个或更多个匝与所述第二面积的比率。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一线圈回路和所述第二线圈回路包括耦合到电流源的导电材料的单个绕组。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一线圈回路包括一个或多个匝，并且所述第二线圈回路包括两个或更多个匝，并且其中所述第二线圈回路中的每个匝被配置成传导具有与所述第一线圈回路中的每个匝中的电流值相等的电流值的电流。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二线圈回路包括两个或更多个匝，并且其中所述第一线圈回路的所述第一匝数与所述第一电流值的比率等于所述第二线圈回路的所述两个或更多个匝与所述第二电流值的比率。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一线圈回路被耦合到第一电流源，并且所述第二线圈回路被耦合到第二电流源。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一线圈回路和所述第二线圈回路被耦合到共同的电流源。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一电流值与所述第二电流值的比率等于所述第一线圈回路的所述第一匝数与所述第二线圈回路的所述第二匝数的比率。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一磁场和所述第二磁场被配置成产生组合磁场分布，所述组合磁场分布在所述第二面积之上所述第二线圈回路的半径的五分之一的高度处在所 述第二面积的64％上具有所述第一磁场和所述第二磁场的法向分量的高达6分贝(dB)的均匀性。

10.一种发射无线电力的方法，包括：

经由第一线圈回路产生第一磁场，所述第一线圈回路限定第一面积并且以与所述第一面积成比例的第一电流值传导电流，其中所述第一线圈回路具有第一匝数，所述第一匝数与所述第一线圈回路限定的所述第一面积成比例以实现与所述第一面积成比例的所述第一电流值；以及

经由第二线圈回路产生第二磁场，所述第二线圈回路包围所述第一线圈回路并且限定第二面积，所述第二线圈回路以与所述第二面积成比例的第二电流值传导电流，其中所述第二线圈回路具有第二匝数，所述第二匝数与所述第二线圈回路限定的所述第二面积成比例以实现与所述第二面积成比例的所述第二电流值，其中所述第一电流值与所述第一面积的比率等于所述第二电流值与所述第二面积的比率，其中所述第二电流值是所述第一电流值的整数倍，并且其中所述第二面积是所述第一面积的整数倍。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二线圈回路包括两个或更多个匝，并且其中所述第一线圈回路的所述第一匝数与所述第一面积的比率等于所述第二线圈回路的所述两个或更多个匝与所述第二面积的比率。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一线圈回路和所述第二线圈回路包括耦合到电流源的导电材料的单个绕组。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一线圈回路包括一个或多个匝，并且所述第二线圈回路包括两个或更多个匝，并且其中所述第二线圈回路中的每个匝传导具有与所述第一线圈回路中的每个匝中的电流值相等的电流值的电流。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二线圈回路包括两个或更多个匝，并且其中所述第一线圈回路的所述第一匝数与所述第一电流值的比率等于所述第二线圈回路的所述两个或更多个匝与所述第二电流值的比率。

15.根据权利要求10所述的方法，还包括：使用第一电流源驱动所述第一线圈回路，以及使用第二电流源驱动所述第二线圈回路。

16.根据权利要求10所述的方法，还包括：使用共同的电流源驱动所述第一线圈回路和所述第二线圈回路。

17.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一电流值与所述第二电流值的比率等于所述第一线圈回路的所述第一匝数与所述第二线圈回路的所述第二匝数的比率。

18.一种用于无线地发射电力的设备，所述设备包括：

用于产生第一磁场的第一装置，围绕一个点缠绕以限定第一面积，用于产生所述第一磁场的所述第一装置被配置成以与所述第一面积成比例的第一电流值传导时变电流，其中用于产生所述第一磁场的所述第一装置具有第一匝数，所述第一匝数与所述第一面积成比例以实现与所述第一面积成比例的所述第一电流值；以及

用于产生第二磁场的第二装置，围绕所述点缠绕以限定第二面积，用于产生所述第二磁场的所述第二装置被配置成以与所述第二面积成比例的第二电流值传导时变电流，其中用于产生所述第二磁场的所述第二装置具有第二匝数，所述第二匝数与所述第二面积成比例以实现与所述第二面积成比例的所述第二电流值，其中所述第一电流值与所述第一面积的比率等于所述第二电流值与所述第二面积的比率，其中所述第二电流值是所述第一电流值的整数倍，并且其中所述第二面积是所述第一面积的整数倍。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述第二装置包括两个或更多个匝，并且其中所述第一装置的所述第一匝数与所述第一面积的比率等于所述第二装置的所述两个或更多个匝与所述第二面积的比率。

20.根据权利要求19所述的设备，其中所述第一装置和所述第二装置包括耦合到电流源的导电材料的单个绕组。

21.根据权利要求18所述的设备，其中所述第一装置包括一个或多个匝，并且所述第二装置包括两个或更多个匝，并且其中所述第二装置中的每个匝被配置成传导具有与所述第一装置中的每个匝中的电流值相等的电流值的电流。

22.根据权利要求18所述的设备，其中所述第二装置包括两个或更多个匝，并且其中所述第一装置的所述第一匝数与所述第一电流值的比率等于所述第二装置的所述两个或更多个匝与所述第二电流值的比率。

23.根据权利要求18所述的设备，其中所述第一装置被耦合到第一电流源，并且所述第二装置被耦合到第二电流源。

24.根据权利要求18所述的设备，其中所述第一装置和所述第二装置被耦合到共同的电流源。

25.根据权利要求18所述的设备，其中所述第一电流值与所述第二电流值的比率等于所述第一装置的所述第一匝数与所述第二装置的所述第二匝数的比率。

26.一种用于无线地发射电力的设备，所述设备包括：

限定第一面积的第一线圈回路，所述第一线圈回路被配置成传导具有与所述第一面积成比例的第一电流值的电流并且产生第一磁场，其中所述第一线圈回路具有第一匝数，所述第一匝数与所述第一线圈回路限定的所述第一面积成比例以实现与所述第一面积成比例的所述第一电流值；

与所述第一线圈回路分开并且限定第二面积的第二线圈回路，所述第二线圈回路被配置成传导具有与所述第二面积成比例的第二电流值的电流并且产生第二磁场，其中所述第二线圈回路具有第二匝数，所述第二匝数与所述第二线圈回路限定的所述第二面积成比例以实现与所述第二面积成比例的所述第二电流值；以及

至少一个驱动器电路，所述至少一个驱动器电路被配置成以电流驱动所述第一线圈回路和所述第二线圈回路以实现所述第一电流值和所述第二电流值，其中所述第一电流值与所述第一面积的比率等于所述第二电流值与所述第二面积的比率，其中所述第二电流值是所述第一电流值的整数倍，并且其中所述第二面积是所述第一面积的整数倍。

27.根据权利要求26所述的设备，其中所述第二线圈回路包括导电材料的两个或更多个匝。

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