CN108735467A - 感应式电源供应系统及其线圈模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线圈模块及其感应式电源供应系统，所述线圈模块用于所述感应式电源供应系统。所述线圈模块包括一支撑架、一上盖及一第一导线。该上盖设置于该支撑架上，该上盖上设置有一螺旋沟槽。该第一导线置入该螺旋沟槽而形成一线圈。

Description

感应式电源供应系统及其线圈模块

技术领域

本发明涉及一种感应式电源供应系统及其线圈模块，尤其涉及一种具有良好电磁感应效率的感应式电源供应系统及其线圈模块。

背景技术

传统上，感应式电源供应器的线圈是由导线绕制之后粘合而形成平面螺旋状，例如中国专利公开号CN104766714A所公开的线圈绕制方式。在传统线圈绕制法之下，能量发送较为集中，当供电线圈与受电线圈的感应面完全对准时，能量传输效率极高，然而，只要供电线圈与受电线圈出现些微位置偏移，能量传输效率即快速下降，其能量传输效率与位置偏移的对应关系如图1A所示。

近年来，感应式电源供应器已广泛用于自动搬运车的无线充电系统，由于自动搬运车移动时往往存在路径上的误差，因此，其停留在充电站的位置也无法固定。如此一来，在供电端发送相同能量的情形下，自动搬运车上的受电装置可能随着停留的位置不同而接收到大小不一的电源功率，且受电线圈相对于供电线圈的偏移程度会大幅影响其接收的功率大小。

此外，若供电时供电线圈未能够对准受电线圈，将导致供电线圈发射的部分能量未能传送至受电端，而传送至空气中或传送至受电线圈后方装置，造成电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)的问题。鉴于此，实有必要提出一种新颖的线圈结构，以改善位置偏移造成供电效率大幅下降以及电磁干扰过大的问题。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种感应式电源供应系统及其线圈模块，其中，线圈是由导线设置于螺旋沟槽内而形成，且供电线圈及受电线圈可采用不同的绕制形态且彼此错开，以避免线圈位置对准到偏移之间的能量传输效率发生大幅变化。

本发明公开了一种线圈模块，用于一感应式电源供应系统，该线圈模块包括一支撑架、一上盖及一第一导线。该上盖设置于该支撑架上，并设置有一螺旋沟槽。该第一导线置入该螺旋沟槽而形成一线圈。

本发明还公开了一种感应式电源供应系统，包括一第一线圈模块及一第二线圈模块。该第一线圈模块可用于该感应式电源供应系统的一供电端，该第一线圈模块包括一支撑架、一上盖及一第一导线。该上盖设置于该支撑架上，并设置有一第一螺旋沟槽。该第一导线置入该第一螺旋沟槽而形成一供电线圈。该第二线圈模块可用于该感应式电源供应系统的一受电端，该第二线圈模块包括一支撑架、一上盖及一第二导线。该上盖设置于该支撑架上，并设置有一第二螺旋沟槽。该第二导线置入该第二螺旋沟槽而形成一受电线圈。

附图说明

图1A为传统线圈的能量传输效率与位置偏移的对应关系的示意图。

图1B为本发明实施例能量传输效率与位置偏移的对应关系的示意图。

图2为本发明实施例一线圈模块的示意图。

图3示出了图2中的上盖的一种实施方式。

图4为本发明实施例一线圈设置于螺旋沟槽的示意图。

图5为本发明实施例一螺旋沟槽的示意图。

图6A及6B分别为本发明实施例一供电线圈及一受电线圈的示意图。

其中，附图标记说明如下：

20 线圈模块

200 支撑架

202 上盖

400 线圈

402 螺旋沟槽

404 开口

600 供电线圈

610 受电线圈

具体实施方式

如上所述，对传统线圈而言，当线圈位置发生偏移时能量传输效率会大幅下降。为了实现自动搬运车的无线充电应用，本发明采用了新颖的线圈结构，可实现如图1B所示的能量传输效率与位置偏移的对应关系。如此一来，线圈位置偏移不至于造成能量传输效率过大的改变，同时，只要自动搬运车的受电线圈模块靠近充电站的供电线圈模块，两者无须完全对准即可产生良好的供电效率。

请参考图2，图2为本发明实施例一线圈模块20的示意图。如图2所示，线圈模块20包括一支撑架200及一上盖202。支撑架200可由金属(例如铝)所制成，其可作为线圈模块20的主要结构体，用来支撑线圈模块20中各个组件，且具有散热、防水等功能，同时，支撑架200应具有坚固且耐撞的材质，能够承受自动搬运车的撞击力量。上盖202可设置于支撑架200上，用来遮蔽支撑架200上的组件并提供防水用途。

请参考图3，图3示出了图2中的上盖202的一种实施方式。详细来说，上盖202上设置有一螺旋沟槽，用来设置导线。线圈模块20还可包括导线，导线置入螺旋沟槽即可形成线圈。此外，为避免线圈的能量传送至支撑架200的金属而发热，线圈模块20还可包括一磁导体(未示出)，设置于上盖202与支撑架200之间(即线圈与支撑架200之间)，用来隔绝线圈的电磁能量。磁导体同时具备导热功能，可将电流通过线圈时在线圈上产生的热能传导到金属架以进行散热。磁导体可由具有高导磁率特性的磁性材料所构成，例如锰锌磁芯(Mn-ZnCore)、镍锌磁芯(Ni-Zn Core)、铁粉芯(Iron Powder Core)、铁镍钼磁芯(MolypermalloyPowder(MPP)Core)、铁硅铝磁芯(Sendust Core)、铁氧体磁芯(Ferrite Core)、高磁通磁芯(High Flux Core)或其它等效的磁性材料。

值得注意的是，为了达到有效的空间运用，螺旋沟槽的形状可随着上盖的形状进行设置。以图3的实施方式为例，上盖202的形状为包括缺角的方形，因此，沟槽的形状为方形螺旋状，其方形的四角修饰为圆弧状，使得线圈易于转折。由于上盖202与螺旋沟槽的形状都近似于方形，沟槽的设置方式能够有效利用上盖202的面积。换句话说，可将沟槽布满上盖202上可利用的部分。在其它实施例中，也可采用其它形状的螺旋沟槽，例如，若上盖为圆形，可在上盖上设置圆形的螺旋沟槽；若上盖为三角形，可在上盖上设置三角形的螺旋沟槽，三角形的三个角同样可修饰为圆弧状使线圈易于转折。通过这样的方式，本发明能够有效利用上盖的空间。相较之下，传统线圈采用粘合的方式形成，其必然呈现圆形，在上盖非圆形的情况下往往无法有效利用空间。

除此之外，置入螺旋沟槽中的导线也存在多种不同设置方式。在一实施例中，螺旋沟槽中相邻两层之间可设置开口。请参考图4，图4为本发明实施例一线圈400设置于螺旋沟槽402的示意图。假定螺旋沟槽402的最外层为第1层，其各层编号如图4所示。在螺旋沟槽402中心上方的位置上，第5层和第6层之间、第6层和第7层之间、…、直到最内层都设置有开口404。每一开口404连接于相邻两层之间，形成导线可通过的通道。如图4所示，线圈400的设置方式为，导线从第1层(最外层)开始沿着沟槽设置，直到第5层连结第6层的开口404处，直接通过开口404进入第6层而未填满第5层；接着，在第7层连结第8层的开口404处，直接通过开口404进入第8层而未填满第7层；在第9层连结第10层的开口404处，直接通过开口404进入第10层而未填满第9层。需注意的是，上述关于导线设置是依据由外而内设置的方式说明，但本发明的导线设置方式不应以此为限，例如可由内而外进行设置。在一实施例中，导线也可完整填入螺旋沟槽402的第5层，再由第6层通过开口404进入第7层。或者，导线可通过开口404穿越两层以上，例如从第5层通过开口404进入第7层、或从第6层通过开口404进入第9层等。在一实施例中，导线也可不通过任何开口，直接沿着螺旋沟槽402每一层绕制而形成线圈。此外，还可在螺旋沟槽的第1层至第5层之间设置开口，以提高导线设置的弹性，如图5所示。

另一方面，置入沟槽的导线数量也不应为本发明的限制。举例来说，在图4中，线圈400是由两条互相绝缘的导线置入螺旋沟槽402而形成。优选地，可在其中一条导线加入传送调制信号的能力，而另一条导线仅用于功率传送而不进行信号调制/解调运作。换句话说，信号调制电路或信号解调电路仅连接于其中一条导线，使得调制信号仅在该导线上传送，可降低信号调制/解调运作对电力传输效率造成的影响。在另一实施例中，也可将大于两条导线置入螺旋沟槽402而形成线圈，并设定信号调制/解调运作在其中一条导线上进行。在又一实施例中，也可调整用于信号调制/解调运作的导线特性，例如采用较细的导线或芯数较少的导线作为进行信号调制/解调的线圈，以将信号调制/解调运作对电力传输效率的影响降到最低。另外，信号调制电路或信号解调电路可仅连接于线圈的单一端(如最内侧拉出的一端)，使得调制信号集中在靠近线圈内圈的区域，可进一步提高信号传送及解析能力。

如上所述，传统感应式电源供应器的线圈是通过绕制并粘合而形成平面螺旋状，其能量传输效率会随着线圈位置偏移而大幅下降。此外，若供电时供电线圈未能够对准受电线圈，易发生电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)过大的问题。相较之下，本发明的线圈是由导线置入位于上盖的螺旋沟槽而形成，可通过导线在沟槽中的设置方式来解决上述问题。详细来说，本发明在上盖设置螺旋沟槽并在螺旋沟槽中设置开口以及将导线置入螺旋沟槽而形成线圈的方式可同时用于供电端(即供电线圈)以及受电端(即受电线圈)。根据不同应用，位于供电线圈的导线置入螺旋沟槽的形态可设计为相同或不同于位于受电线圈的导线置入螺旋沟槽的形态。

在一实施例中，可设计供电线圈的最外圈长度小于受电线圈的最外圈长度。请参考图6A及6B，图6A及6B分别为本发明实施例一供电线圈600及一受电线圈610的示意图。同样地，假定螺旋沟槽的最外层为第1层，最内层为第12层，其各层编号如图6A及6B所示。由图6A可知，在供电线圈600的螺旋沟槽中，设置有导线的最外层为第3层；由图6B可知，在受电线圈610的螺旋沟槽中，设置有导线的最外层为第1层。在此情形下，供电线圈600的最外圈(位于第3层)的长度小于受电线圈610的最外圈(位于第1层)的长度，此时受电线圈610的整体面积大于供电线圈600的整体面积。当线圈位置发生偏移时，只要偏移幅度不至于使供电线圈600超出受电线圈610面积的范围，供电线圈600发射的能量将不会超出受电线圈610可接收的范围外，进而降低电磁干扰。

值得注意的是，上述将供电线圈的整体面积设置为小于受电线圈的整体面积的方式可能造成受电线圈的圈数大于供电线圈的圈数的情况。根据变压器的原理，输出/输入电压比等于输出端线圈和输入端线圈的比例。因此，若受电线圈的圈数大于供电线圈的圈数的幅度过高时，容易造成受电端接收到的电压过高，增加了电压控制的难度。理想上，若受电线圈的圈数等于供电线圈的圈数时，可控制受电端的输出电压与供电端的输入电压大致相等，或者，也可设定受电线圈的圈数接近于供电线圈的圈数，以便控制输出电压的大小。在此情形下，可设定供电线圈600的螺旋沟槽中填满导线的圈数等于或接近于受电线圈610的螺旋沟槽中填满导线的圈数，进而有效控制输出电压。以图6A及6B的线圈为例，供电线圈600及受电线圈610的设置方式可由表1来表示：

表1

参见表1搭配图6A及6B可知，供电线圈600分别在第6层及第8层的位置通过螺旋沟槽中的开口，且供电线圈600的最外圈位于螺旋沟槽的第3层，因此供电线圈600共包括8圈的线圈；受电线圈610在第5层、第7层及第9层的位置通过螺旋沟槽中的开口，因此受电线圈610共包括9圈的线圈。在此情形下，供电线圈600与受电线圈610的圈数接近，能够有效控制受电端的输出电压。

除此之外，供电线圈600及受电线圈610分别在不同位置通过螺旋沟槽中的开口，使得供电线圈600中导线置入沟槽的位置和受电线圈610中导线置入沟槽的位置部分错开。在此情形下，即使在供电线圈600与受电线圈610完全对准的情况下，两线圈上的导线不会完全相叠，可避免线圈对准时能量传输效率过大的情况。如此一来，一定范围内的线圈偏移都具有相近的能量传输效率，可产生如图1B所示的理想状况，进而改善现有技术中线圈偏移造成能量传输效率大幅降低的缺点。

一般来说，线圈上的能量分布为导线两端能量最强而中段能量最弱。在传统线圈绕制方法中，导线采用贴合的方式形成线圈，因此位于线圈两端和中段的导线密度必然相同。若欲提高线圈的输出能量，仅能够通过增加线圈圈数的方式进行，但随之而来的是导线长度的增加使得寄生阻抗提高。相较之下，在本发明的实施例中，线圈是以导线置入螺旋沟槽的方式形成，导线与导线之间具有空隙，在相同线圈面积之下可产生较小的寄生阻抗(因导线长度较短)。若欲提高能量传输效率，可设计导线在线圈中段通过螺旋沟槽中较多开口，使线圈中段的导线密度低于线圈两端的导线密度，如图6A及6B的线圈设置方式。如此一来，可在能量较弱的中段位置减少导线长度，进而降低寄生阻抗同时提高能量传输效率。

值得注意的是，本发明提供了一种可在上盖上设置沟槽并将导线置入沟槽而形成线圈的感应式电源供应系统及其线圈模块。本领域技术人员可据此进行修饰或变化，而不限于此。举例来说，螺旋沟槽可依照系统需求，以任意方式进行设置，例如可在任何位置设置开口以通过导线。此外，上述实施例是设计导线在线圈中段通过较多开口以降低线圈中段的导线密度，但在其它实施例中，也可通过螺旋沟槽的设置来调整导线密度，例如在线圈中段的位置设置密度较低的沟槽(即层与层之间距离较大)，而在线圈两侧的位置设置密度较高的沟槽(即层与层之间距离较小)。另外，本发明的感应式电源供应系统及线圈模块适用于自动搬运车的无线充电系统，可改善自动搬运车的位置偏移造成供电效率大幅下降的问题。然而，针对自动搬运车的应用不应为本发明的限制，换言之，本发明的感应式电源供应系统及线圈模块也可用于其它类型的无线充电系统，例如用于移动装置的桌上型无线充电器或用于电动车的充电器等。

综上所述，在本发明的感应式电源供应系统及线圈模块中，线圈的设置方式是在上盖上设置螺旋沟槽并将导线置入沟槽而形成。相较于传统上由导线绕制之后粘合而成的线圈而言，本发明的线圈设置方式具有较大的弹性，可改善现有技术中诸多问题。其中，螺旋沟槽的相邻两层之间可设置开口，导线可通过开口进入下一层，以减少线圈上的导线长度，进而降低寄生阻抗。此外，供电线圈及受电线圈可采用不同导线设置形态。在一实施例中，供电线圈的最外圈的长度小于受电线圈的最外圈的长度，使得受电线圈的整体面积大于供电线圈的整体面积，以在线圈位置发生偏移时，避免供电线圈发射的能量超出受电线圈可接收的范围外，进而降低电磁干扰。在一实施例中，可设定受电线圈的圈数等于或接近于供电线圈的圈数，以有效控制受电端的输出电压。在一实施例中，供电线圈及受电线圈分别在不同位置通过螺旋沟槽中的开口，使得供电线圈中导线置入沟槽的位置和受电线圈中导线置入沟槽的位置部分错开，进而避免线圈对准时能量传输效率过大，可改善线圈偏移造成能量传输效率大幅降低的缺点。此外，可设计导线在线圈中段通过螺旋沟槽中较多开口，使线圈中段的导线密度低于线圈两端的导线密度，进而降低寄生阻抗并提高整体能量传输效率。如此一来，本发明通过螺旋沟槽的设置并采用适合的导线设置方式，可大幅提升感应式电源供应系统及线圈模块的效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种线圈模块，用于一感应式电源供应系统，该线圈模块包括：

一支撑架；

一上盖，设置于该支撑架上，该上盖上设置有一螺旋沟槽；以及

一第一导线，置入该螺旋沟槽而形成一线圈。

2.如权利要求1所述的线圈模块，其特征在于，还包括：

一磁导体，设置于该线圈及该支撑架之间，用来隔绝该线圈的电磁能量。

3.如权利要求1所述的线圈模块，其特征在于，该螺旋沟槽的第N层和第N+1层之间设置有一开口。

4.如权利要求3所述的线圈模块，其特征在于，该第一导线的设置是通过该开口从第N层进入第N+1层，而未填满第N层。

5.如权利要求1所述的线圈模块，其特征在于，该螺旋沟槽的形状随着该上盖的形状进行设置。

6.如权利要求1所述的线圈模块，其特征在于，该螺旋沟槽还设置一第二导线，该第二导线与该第一导线绝缘，且信号调制或解调运作仅在该第一导线及该第二导线的其中一者进行，另一者仅用于功率传送而不进行信号调制或解调运作。

7.如权利要求1所述的线圈模块，其特征在于，该线圈中段的导线密度低于该线圈两端的导线密度。

8.一种感应式电源供应系统，包括：

一第一线圈模块，用于该感应式电源供应系统的一供电端，该第一线圈模块包括：

一支撑架；

一上盖，设置于该支撑架上，该上盖上设置有一第一螺旋沟槽；以及

一第一导线，置入该第一螺旋沟槽而形成一供电线圈；

一第二线圈模块，用于该感应式电源供应系统的一受电端，该第二线圈模块包括：

一支撑架；

一上盖，设置于该支撑架上，该上盖上设置有一第二螺旋沟槽；以及

一第二导线，置入该第二螺旋沟槽而形成一受电线圈。

9.如权利要求8所述的感应式电源供应系统，其特征在于，该第一螺旋沟槽的第M层和第M+1层之间设置有一第一开口，且该第二螺旋沟槽的第N层和第N+1层之间设置有一第二开口。

10.如权利要求9所述的感应式电源供应系统，其特征在于，该第一导线的设置是通过该第一开口从第M层进入第M+1层，而未填满第M层，且该第二导线的设置是通过该第二开口从第N层进入第N+1层，而未填满第N层。

11.如权利要求8所述的感应式电源供应系统，其特征在于，该第一导线置入该第一螺旋沟槽的形态不同于该第二导线置入该第二螺旋沟槽的形态。

12.如权利要求8所述的感应式电源供应系统，其特征在于，该供电线圈的最外圈的长度小于该受电线圈的最外圈的长度。

13.如权利要求8所述的感应式电源供应系统，其特征在于，当该第一导线置入该第一螺旋沟槽且该第二导线置入该第二螺旋沟槽时，该第一螺旋沟槽中填满该第一导线的圈数等于或接近于该第二螺旋沟槽中填满该第二导线的圈数。