CN108599396A - 超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈，在电路板上设置有上层贴片电路布线A与下层贴片电路布线B，上层贴片电路布线A由电路板中心沿逆时针方向双线环绕至电路板的左侧边沿，双线中的一路继续向下延续至接地端口，另一路截止于通孔的位置；通孔穿透电路板的上下表面，上层第二通孔、上层第三通孔为上层贴片电路布线A由电路板中心沿逆时针方向双线环绕的起始位置；下层第一通孔与下层第二通孔之间布线，上层第三通孔通过下层第三通孔水平向左布线至电容模块的位置；电容模块连接下层第三通孔水平向左的布线的末端和下层贴片电路布线B。解决了现有技术中存在的模块体积大，传输效率功率低，传输距离短等问题。
Description
技术领域
本发明属于无线电磁与能源技术领域，涉及一种无线电能传输收集转化设备，具体涉及一种超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈。
背景技术
无线电能传输技术源于特斯拉在1891年进行的实验：由一个电磁发射源和一个电磁波接收端形成一个无线电磁能传输通道。这项技术由麻省理工学院在2007年改进发表并获得广泛关注。与其最为近似的电磁技术，就是被大众所熟知和使用的无线数据通讯传输技术(如：3G、4G、WiFi)。无线数据传输原理与无线电能传输工作原理相似，不同的是数据传输主要利用远场平面波(far field)，而无线电能输送则是利用近场电磁波(near field)。伴随着移动数据终端的兴盛和广泛使用，无线电能输送在2000年后被企业界重新关注。在技术研究领域，无线电能传输主要分为发展方向：以实验室为依托的尖端前沿领域的技术探索；专注于消费领域的可实用技术研发。
目前，市场应用领域的技术主要分为：1.极近距离电磁波共振传输，理论上来说，这是基于传统变压器(transformer)的原理，将电磁场两端传输器微调至共振频段，从而实现电能的无线电感共振传输(System of transmission of electrical energy.US645576 A)。2.借助于电磁波传输的较远距离无线电能传输。这项技术主要是利用高频天线阵实现的阵列增益，在特定方向上，提高天线发射阵列与接收天线之间的传输效率，如PowerCast公司的Wattup；相较于现在较成熟的无线数据传输技术，无线电能传输技术人仍然处于初期阶段，有效传输距离近(几厘米)，电路结构复杂，成本高昂。
目前，现有针对手机无线充电主要使用QI技术标准：由缠绕线圈和磁芯组成：这就造成了体积较大，传输效率在50％-70％，易在手机内部产生热量；穿透能力低：造成了传输距离3-5mm，充电功率5-10瓦，另外发射线圈和接收线圈需要严格对准。此类技术的诸多缺点严重制约了无线充电在手机平板和可穿戴设备的应用前景。
由于工作原理，QI技术使用的电磁感应方式必须使用铜线线圈和磁芯共同作用提高传输效率，这造成了在手机内部的QI充电模块体积较大，散热量较高。针对手机、平板、可穿戴设备等空间狭小的设备，位于设备内部无线充电接收模块体积必须足够小，保证高传输效率。伴随着手机平板可穿戴设备功能的日益强大，充电瓦数也需要越来越大以达到快速充电的需求。为了提高产品的用户体验保持较长传输距离，较低散热量等要求也需要综合考虑。这些都需要使用全新理念进行设计。
图3描述了传输线圈与其电磁特性及传输特性之间的关系。传输功率越高，线圈温度越高；线圈层数越多，表面温度越低；线圈尺寸越大，传输效率越高；线圈间距离越远，传输效率越低，工作频率越高，线圈尺寸越小，工作频率和传输效率没有直接关系；各项指标越高，成本越高。因此可以看出，很多指标之间是矛盾的关系，而要使得各指标之间达到较好的平衡则十分困难。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈，解决了现有技术中存在的模块体积大，传输效率功率低，传输距离短等问题。
本发明所采用的技术方案是，超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈，包括电路板，在电路板上设置有上层贴片电路布线A与下层贴片电路布线B，电路板位于上层贴片电路布线A与下层贴片电路布线B之间；上层贴片电路布线A由电路板中心沿逆时针方向双线环绕至电路板的左侧边沿，双线中的一路继续向下延续至接地端口，另一路截止于通孔的位置；所述通孔穿透电路板的上下表面，其中穿透在上表面的孔为上层第一通孔，穿透在下表面的孔为下层第一通孔；上层第二通孔与下层第二通孔为贯通的孔，上层第三通孔与下层第三通孔为贯通的孔；所述上层第二通孔、上层第三通孔为上层贴片电路布线A由电路板中心沿逆时针方向双线环绕的起始位置；所述下层第一通孔与下层第二通孔之间布线，所述上层第三通孔通过下层第三通孔水平向左布线至电容模块的位置；电容模块连接下层第三通孔水平向左的布线的末端和下层贴片电路布线B。
进一步的，所述下层第一通孔、下层第二通孔之间的连线平行与下层第三通孔水平向左的布线。
进一步的，所述下层贴片电路布线B连接能源端口，能源端口连接外部线缆。
进一步的，所述电路板为介电常数小于5，厚度小于5mm的柔性板材，长、宽小于15cm。
进一步的，所述上层贴片电路布线A，下层贴片电路布线B、下层第一通孔至下层第二通孔、下层第三通孔至电容模块之间布线均为铜线，铜线宽度为2mm±1.5mm，线间距为3.25mm±2mm，通过蚀刻的方式于电路板上。
进一步的，所述上层第一通孔、上层第二通孔、上层第三通孔、下层第一通孔、下层第二通孔、下层第三通孔的通孔直径与布线的线宽相同。
进一步的，所述电容模块根据电容组大小，可安装封装为0402、0603、0805、1206、1812、2010、2225、2512的各种电容组。
进一步的，所述上层贴片电路布线A、下层贴片电路布线B环绕时的拐角具有弧度。
本发明的有益效果：以两个超薄印制双线或多线线圈以短波共振方式产生强大的近场电磁共振耦合，获得很高的线圈耦合系数和系统传输效率。基于其物理现象及运作过程，本发明也可视为一个远距离耦合器，也可称为无线电能传输天线。首先，与现有市场上的磁芯铜线线圈相比较，本发明用经过特殊设计的超薄印制双线天线取代现有的随意盘旋的粗线单线线圈，通过优化其线路规格、盘旋间隔、弯转角度、以其最短最优的长度、整体的长宽等等物理规格，再考量电板材质的特性以及应用距离，使之可以在有效传输范围内获得最强电磁共鸣耦合和极高的传输效率。本发明是将双线或多线线圈印制在长宽范围在5-15cm，厚度小于6mm，介电常数小于5的硬质或柔性材料上的超薄无线电能传输线圈，经过特殊优化，线圈共振频率为6.78MHz。此频段为ISM工业、医疗、科研免费频段，经过大量科学研究本频段对人体无明显有害影响，因此可以用于手机、平板、可穿戴设备。同时，在有效传输范围1mm-15cm内，本发明中的无线能源传输线圈系统的传输效率高于85％，同时可以提供1.5MHz的传输带宽，使得当本发明在进行能量传输时对周围各类电子器件拥有极强的抗干扰能力，对于各种非金属材料具有强穿透能力。另外本发明采用精密MHz级阻抗控制电路，可使整个线圈传输系统模块化，线圈只需电容模块即可在有效设计距离内于6.78MHz产生高效率电磁共鸣耦合，简化了电路设计，降低成本。对比现有无线能量传输设备，本发明可将传输线圈蚀刻于超薄硬质或者柔性板材上，并去除了线圈磁芯，优化后的线圈厚度仅在0.2mm。因此，本发明极适宜于手机、平板、可穿戴等空间狭小或者需要弯折的设备。因本发明体型扁轻、频带宽、传输效率高功率大距离远，简化了线圈结构并且降低了电路成本，解决了现有技术中天线单元体积过大、沉重、成本高，功率小，距离近难以满足市场需求的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的仿真结果图。
图3是传输线圈各项指标关系图。其中，a代表功率VS温度，b代表多层设计VS温度，c代表尺寸VS效率，d代表距离VS效率，e代表频率VS尺寸，f代表频率VS效率，g代表所有指标VS成本。
图4是本发明实施例工作时的电磁场分布图。
图中，1、电路板，2、上层贴片电路布线A，3、通孔，4、下层贴片电路布线B，5、能源端口，6、接地端口，7、电容模块，11、上层第一通孔，12、上层第二通孔，13、上层第三通孔，21、下层第一通孔，22、下层第二通孔，23、下层第三通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的结构如图1所示，包括电路板1，在电路板1上设置有上层贴片电路布线A2与下层贴片电路布线B4，电路板1位于上层贴片电路布线A2与下层贴片电路布线B4之间。上层贴片电路布线A2由电路板1中心沿逆时针方向双线环绕至电路板1的左侧边沿，双线中的一路继续向下延续至接地端口6，另一路截止于通孔3的位置。通孔3穿透电路板1的上下表面，穿透在上表面的孔为上层第一通孔11，穿透在下表面的孔为下层第一通孔21；同样道理，上层第二通孔12与下层第二通孔22为贯通的孔，上层第三通孔13与下层第三通孔23为贯通的孔。上层第二通孔12、上层第三通孔13为上层贴片电路布线A2由电路板1中心沿逆时针方向双线环绕的起始位置。
下层第一通孔21与下层第二通孔22之间布线，通过第一、第二通孔，贯通上层贴片电路布线A 2的外环。
上层第三通孔13通过下层第三通孔23水平向左布线至电容模块7的位置。
下层第一通孔21、下层第二通孔22之间的连线平行与下层第三通孔23水平向左的布线。线间距为线圈环间距。电容模块7连接下层第三通孔23水平向左的布线的末端和下层贴片电路布线B4。下层贴片电路布线B4再连接能源端口5，能源端口5连接外部线缆。
电路板1为介电常数小于5，厚度小于5mm的硬质或柔性板材，长、宽小于15cm。
上层贴片电路布线A2，下层贴片电路布线B4、下层第一通孔21至下层第二通孔22、下层第三通孔23至电容模块7之间均为铜线，铜线宽度为2mm(±1.5mm)，线间距为3.25mm(±2mm)可蚀刻于各类电板上。该线圈电感值经优化调校以至在间隔1-10cm的距离内，线圈只需电容模块7即可在有效设计距离内于6.78MHz产生高效率电磁共鸣耦合。
上层第一通孔11、上层第二通孔12、上层第三通孔13、下层第一通孔21、下层第二通孔22、下层第三通孔23的通孔直径与铜线宽度相同。
电容模块7根据电容组大小，可安装封装为0402、0603、0805、1206、1812、2010、2225、2512的各种电容组。
拐弯弧度及半径影响电感电容值及线圈传输效率，使用直角时传输效率会降低10-15％。
图2是本发明的仿真结果图，其中有0.8MHz带宽的传输系数高于95％，1.3MHz带宽高于90％，1.5MHz带宽高于85％。目前没有其他设计可以达到如此宽频率高效率能量传输。
图4是本发明工作时的电磁场分布，可以看出电磁能量被严格限制在线圈附近，尤其是线圈之间，特别是核心区域，这也是本发明的特殊点，在1mm-15cm距离下，能量被严格束缚。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈，其特征在于，包括电路板(1)，在电路板(1)上设置有上层贴片电路布线A(2)与下层贴片电路布线B(4)，电路板(1)位于上层贴片电路布线A(2)与下层贴片电路布线B(4)之间；上层贴片电路布线A(2)由电路板(1)中心沿逆时针方向双线环绕至电路板(1)的左侧边沿，双线中的一路继续向下延续至接地端口(6)，另一路截止于通孔(3)的位置；所述通孔(3)穿透电路板(1)的上下表面，其中穿透在上表面的孔为上层第一通孔(11)，穿透在下表面的孔为下层第一通孔(21)；上层第二通孔(12)与下层第二通孔(22)为贯通的孔，上层第三通孔(13)与下层第三通孔(23)为贯通的孔；所述上层第二通孔(12)、上层第三通孔(13)为上层贴片电路布线A(2)由电路板(1)中心沿逆时针方向双线环绕的起始位置；所述下层第一通孔(21)与下层第二通孔(22)之间布线，所述上层第三通孔(13)通过下层第三通孔(23)水平向左布线至电容模块(7)的位置；电容模块(7)连接下层第三通孔(23)水平向左的布线的末端和下层贴片电路布线B(4)。
2.根据权利要求1所述的超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈，其特征在于，所述下层第一通孔(21)、下层第二通孔(22)之间的连线平行与下层第三通孔(23)水平向左的布线。
3.根据权利要求1所述的超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈，其特征在于，所述下层贴片电路布线B(4)连接能源端口(5)，能源端口(5)连接外部线缆。
4.根据权利要求1所述的超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈，其特征在于，所述电路板(1)为介电常数小于5，厚度小于5mm的柔性或者硬性板材，长、宽小于15cm。
5.根据权利要求1所述的超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈，其特征在于，所述上层贴片电路布线A(2)、下层贴片电路布线B(4)、下层第一通孔(21)至下层第二通孔(22)、下层第三通孔(23)至电容模块(7)之间布线均为铜线，铜线宽度为2mm±1.5mm，线间距为3.25mm±2mm，通过蚀刻的方式于电路板(1)上。
6.根据权利要求1所述的超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈，其特征在于，所述上层第一通孔(11)、上层第二通孔(12)、上层第三通孔(13)、下层第一通孔(21)、下层第二通孔(22)、下层第三通孔(23)的通孔直径与布线的线宽相同。
7.根据权利要求1所述的超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈，其特征在于，所述电容模块(7)根据电容组大小，可安装封装为0402、0603、0805、1206、1812、2010、2225、2512的电容组。
8.根据权利要求1所述的超薄宽频率中远距离无线电能传输线圈，其特征在于，所述上层贴片电路布线A(2)、下层贴片电路布线B(4)环绕时的拐角具有弧度。
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| CN112769248A (zh) * | 2021-04-07 | 2021-05-07 | 西安电掣风云智能科技有限公司 | 近距离一对多的无线充电装置及系统 |
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| CN108599396B (zh) | 2023-11-03 |
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