CN108879989B - 一种移动设备无线充电装置及其发射端 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动设备无线充电装置及其发射端，该发射端包括：磁钟摆、激励线圈和基座；磁钟摆和激励线圈安装于基座上，磁钟摆设于激励线圈的空腔内；磁钟摆包括：第一磁铁模块、多个相同的条形磁铁、多个连接轴和多个第二磁铁模块；多个条形磁铁并排架设于基座的上方，相邻两个条形磁铁之间相对的磁极相吸引；每个条形磁铁的两端均通过一个连接轴与基座可动连接，且连接轴上安装有一个第二磁铁模块；第一磁铁模块设置于基座上且与各个第二磁铁模块相对，第一磁铁模块与各个第二磁铁模块相对的磁极相斥；当激励线圈通电时，条形磁铁绕其中心轴进行来回摆动。本发明能够有效实现远距离无线充电。

Description

一种移动设备无线充电装置及其发射端

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种移动设备无线充电装置及其发射端。

背景技术

随着移动设备的普及，人们开始需求一种能方便、快捷的为设备充电的方式。目前已经存在多种技术可以实现无线充电，而考虑到技术的实用性，能量传递效率是最关键的指标。其中比较主流的方式是利用充电器的发射线圈与被充电设备的接收线圈的电磁耦合来传递能量。

然而，这种线圈耦合的强度随着发射线圈(发射端)和接收线圈(接收端)之间距离的增加而迅速衰减，从而大大减小了充电效率，无法实现有效的远距离充电。

因此，提供一种能够有效实现远距离无线充电的装置成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种移动设备无线充电装置及其发射端，能够有效实现远距离无线充电。

根据本发明的一个方面，提供一种移动设备无线充电装置的发射端，包括：磁钟摆、激励线圈和基座；

所述磁钟摆和所述激励线圈安装于所述基座上，所述磁钟摆设于所述激励线圈的空腔内；

所述磁钟摆包括：第一磁铁模块、多个相同的条形磁铁、多个连接轴和多个第二磁铁模块；

多个所述条形磁铁并排架设于所述基座的上方，相邻两个所述条形磁铁之间相对的磁极相吸引；

每个所述条形磁铁的两端均通过一个所述连接轴与所述基座可动连接，且所述连接轴上安装有一个所述第二磁铁模块；

所述第一磁铁模块设置于所述基座上且与各个所述第二磁铁模块相对，所述第一磁铁模块与各个所述第二磁铁模块相对的磁极相斥；

当所述激励线圈通电时，所述条形磁铁绕其中心轴进行来回摆动。

优选地，所述第二磁铁模块为套筒状，其第一磁极沿所述第二磁铁模块的外圆周设置，其第二磁极沿所述第二磁铁模块的内圆周设置。

优选地，所述基座两侧具有多个支架，每个所述连接轴的一端与每个支架一一对应可动连接。

优选地，每个所述支架上具有凸点，每个所述连接轴的一端的中心与对应的所述凸点连接，每个所述连接轴可绕对应的所述凸点进行转动。

优选地，所述凸点为针型状。

优选地，所述第一磁铁模块的数量为多个，且每个所述第一磁铁模块与每个所述第二磁铁模块一一对应。

优选地，所述第一磁铁模块的第一磁极朝向所述第二磁铁模块的第一磁极且两个磁极相斥。

优选地，所述条形磁铁为柱状体。

优选地，所述连接轴与所述条形磁铁的连接处外固定安装有振子套筒。

根据本发明的另一方面，提供一种移动设备无线充电装置，包括：接收线圈和如以上所述的发射端。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供了一种移动设备无线充电装置及其发射端，该发射端包括：磁钟摆、激励线圈和基座；磁钟摆和激励线圈安装于基座上，磁钟摆设于激励线圈的空腔内；磁钟摆包括：第一磁铁模块、多个相同的条形磁铁、多个连接轴和多个第二磁铁模块；多个条形磁铁并排架设于基座的上方，相邻两个条形磁铁之间相对的磁极相吸引；每个条形磁铁的两端均通过一个连接轴与基座可动连接，且连接轴上安装有一个第二磁铁模块；第一磁铁模块设置于基座上且与各个第二磁铁模块相对，第一磁铁模块与各个第二磁铁模块相对的磁极相斥；当激励线圈通电时，条形磁铁绕其中心轴进行来回摆动。本发明中并排设置的条形磁铁在激励线圈的电流激励下能够发生往复摆动，产生一个交变磁场，以磁钟摆的方式替代了传统方法中通交流电的线圈，若此时接收线圈设置于磁钟摆上方，则可以产生电流进而为负载充电，且本发明中的磁钟摆设置有由第一磁铁模块和第二磁铁模块构成的悬浮结构，减小了条形磁铁在摆动过程中的能量损耗，提高了整个磁钟摆的品质因数，能够有效实现远距离无线充电。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种移动设备无线充电装置的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种移动设备无线充电装置的发射端的一个实施例的结构示意图；

图3为并排设置的条形磁铁的截面和俯视图；

图4为第一磁铁模块和第二磁铁模块相对设置的示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种移动设备无线充电装置及其发射端，能够有效实现远距离无线充电。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图3，本发明提供的一种移动设备无线充电装置的发射端的一个实施例，包括：磁钟摆1、激励线圈2和基座3；

磁钟摆1和激励线圈2安装于基座3上，磁钟摆1设于激励线圈2的空腔内。

磁钟摆1包括：第一磁铁模块13、多个相同的条形磁铁11、多个连接轴14和多个第二磁铁模块12，多个条形磁铁11并排架设于基座3的上方，相邻两个条形磁铁11之间相对的磁极相吸引，每个条形磁铁11的两端均通过一个连接轴14与基座3可动连接，且连接轴14上安装有一个第二磁铁模块12，第一磁铁模块13设置于基座3上且与各个第二磁铁模块12相对，第一磁铁模块13与各个第二磁铁模块12相对的磁极相斥。

当激励线圈2通电时，条形磁铁11绕其中心轴进行来回摆动。

发明人在现有技术中发现，发射线圈和接收线圈耦合的强度随着两个线圈的距离增加衰减很快，从而大大减小了充电效率，不能实现有效的远距离充电。因此，发明人在无线充电技术的发射端进行了改造，即本发明实施例提供的移动设备无线充电装置的发射端，在该发射端中，并排设置的条形磁铁11在激励线圈2的电流激励下能够发生往复摆动，产生一个交变磁场，以磁钟摆的方式替代了传统方法中通交流电的线圈，若此时接收线圈4设置于磁钟摆上方，则可以产生电流进而为负载充电，且本发明中的磁钟摆设置有由第一磁铁模块13和第二磁铁模块12构成的悬浮结构，减小了条形磁铁在摆动过程中的能量损耗，提高了整个磁钟摆的品质因数，能够有效实现远距离无线充电。

以下先将对磁钟摆产生交变磁场的原理进行具体说明：

通常在实际运用中，条形磁铁可以采用柱状体的磁铁，请参阅图3，图3中的A为条形磁铁11的截面，B为条形磁铁11的俯视图。圆柱状的条形磁铁11的磁化向沿其直径方向。一组条形磁铁11按顺序排列，相邻条形磁铁11之间的N极与S极相对。磁铁轴之间相互平行，并通过连接轴14与底座3可动连接，此处需要说明的是，各个磁铁的运动只能是沿着各自的中心轴进行转动。由于条形磁铁11之间的相互作用力，整个结构处于一个稳定平衡的状态。当该结构出现扰动时，即条形磁铁11由于受到外部机械力或者其他电磁力沿着轴转动一个角度时，其收到相邻条形磁铁11的磁场排斥或者吸引力，将趋向于摆回原有的平衡位置。在无摩擦力等外力的情况下，条形磁铁11将持续往复摆动，形成类似于钟摆的运动。当摆动角度较小时，其行为和摆动周期近似于理想单摆，当摆动角度较大时，其行为近似为复摆。

和单摆类似，磁钟摆有本征谐振频率，并且是由磁体的磁场强度，磁化强度，条形磁铁密度，条形磁铁半径和间距来决定的。通常来说，磁场越强，密度越小，半径越小，条形磁铁间距越小，都会提高本征谐振频率。对于小角度的摆动，磁钟摆的谐振频率为：

式中，f为本征谐振频率，r为振子半径，M_s为磁化强度，B_o为条形磁铁在相邻条形磁铁处产生的磁场强度，ρ为条形磁铁密度。

对于摆动角度较大时，条形磁铁11类似于复摆，其本征振动频率与摆幅相关。摆幅越大时，其摆动周期越长，本征频率越小。

当存在其他能量消耗时，条形磁铁11的摆动幅度会变小，直至停止。能量消耗的形式有多种，最基本的为轴承摩擦力。而在无线充电中，主要的能量消耗方式则是磁钟摆的动能被转换成电磁场能量，被其他电路吸收。

当磁钟摆条形磁铁摆动时，磁铁本征的磁场分布也随着摆动，因此在空间中形成了交变磁场，此时则类似于一个通交流电的线圈。如果有连接负载的线圈(如图1中的接收线圈4)至于磁钟摆上方，则交变磁场产生电流，使得机械能转换成电能，消耗在负载上。因此可以通过一个激励线圈2，激励磁钟摆产生机械运动产生动能，再有接收线圈4耦合条形磁铁产生的磁场将动能转化为电能，则完成了一次电能传递。

在传统的无线充电技术中，可知影响充电效率的重要参数是发射线圈和接收线圈的品质因数Q。通常来说，Q值越高，能达到的最大充电效率则越高。因此，为了实现满足无线充电效率的需求，磁钟摆的Q值越高越好。提高Q值的方式有：

(1)使用较强磁场得磁铁振子；

(2)减小振子得半径；

(3)增加振子的长度；

(4)减小振子的密度；

(5)使用低摩擦力的连接轴承。

上述方法中(1)-(4)与磁铁的制作工艺相关，如可以利用钕铁硼磁铁，并加工成细长的圆柱。方法(5)与轴承工艺相关。

在无线充电应用中，磁钟摆受激励线圈2的激励产生摆动。激励线圈2上通过交变电流，为了最大程度的转移能量到磁钟摆上，其电流为正弦波，频率等于磁钟摆的本征谐振频率。

根据现有的磁体工艺参数，一般来说磁钟摆的谐振频率在几百至几千赫兹。该频率远小于目前市场上主流的无线充电频率(约几百千赫兹)。这样的低频交变磁场产生的涡旋电流更小，使得能量损耗更低，对人体更加安全。

在既有的磁铁工艺的条件下，通过改进轴承，可以大大提高磁钟摆的Q值。因此，本发明提出了一种基于磁悬浮的轴承技术，即第一次磁铁模块13和第二磁铁模块12组成的磁悬浮结构。

进一步地，第二磁铁模块为套筒状，其第一磁极沿第二磁铁模块的外圆周设置，其第二磁极沿第二磁铁模块的内圆周设置。可以理解的是，每个第二磁铁模块可以为一个轴承套筒。

基座3两侧具有多个支架31，每个连接轴14的一端与每个支架31一一对应可动连接。每个支架31上具有凸点，每个连接轴14的一端的中心与对应的凸点连接，每个连接轴14可绕对应的凸点进行转动。可以理解的是，连接轴14无磁性，且作为对应的条形磁铁11的转动轴。如图1所示，基座3两侧设置有两排支架31，用于固定整个悬空结构(即并排设置的条形磁铁11和连接轴14)，凸点为连接轴与支架的连接处，可以设置为针型状，使得连接轴14能够绕其转动，且最大程度地减小摩擦。

进一步地，如图4所示，第一磁铁模块13的数量为多个，为凹形状的磁性结构，第一磁铁模块13的第一磁极朝向第二磁铁模块的第一磁极且两个磁极相斥，且每个第一磁铁模块13与每个第二磁铁模块12一一对应。需要说明的是，第一磁铁模块13和第二磁铁模块12之间相对的磁极相斥，所以二者的磁性排斥力平衡重力，使得条形磁铁11悬浮子空中，极大地减小了摩擦力对磁钟摆所造成的能量损耗。

进一步地，连接轴与条形磁铁的连接处外固定安装有振子套筒15。振子套筒15与磁铁不发生相对运动，且振子套筒15无磁性。

要补充说明的是，第二磁铁模块12与第一磁铁模块13的极性是相对的，图4表示两者的N极相对，产生排斥力。两者磁化方向也可以反转，即第二磁铁模块12外侧为S极，内部为N极，而第一磁铁模块13的上部为S极，下部为N极。

第二磁铁模块12是具备磁性的，其与条形磁铁11需要间隔一定的距离，防止两者相互作用过强。同时为了提高品质因数，需尽量减小第二磁铁模块12、振子套筒15和条形磁铁11的半径，并且两个相邻条形磁铁11之间的间距越短越好。

请参阅图1，本发明还提供一种移动设备无线充电装置，该移动设备无线充电装置的一个实施例包括：接收线圈4和如以上所述的发射端。

激励线圈2连接电源，通过交流电激励磁钟摆2中的条形磁铁11发生摆动产生交变磁场，接收线圈4耦合磁钟摆1产生的交变磁场，产生电流，即将动能转化为电能，并传递给负载，从而实现对负载的远距离无线充电。

本发明提出了一种结合磁钟摆和磁悬浮轴承的无线充电装置。其基本原理是利用磁钟摆的高品质因数大大提高无线充电的效率，使得远距离高效的无线充电成为可能。同时该技术利用了磁悬浮轴承技术，进一步提高品质因数，并减少摩擦损耗。本发明中无线充电的工作频率在几百至几千赫兹，相比目前市场的无线充电产品，产生的电能损耗更低，对人体来说更加安全。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种移动设备无线充电装置的发射端，其特征在于，包括：磁钟摆、激励线圈和基座；

所述磁钟摆和所述激励线圈安装于所述基座上，所述磁钟摆设于所述激励线圈的空腔内；

所述磁钟摆包括：第一磁铁模块、多个相同的条形磁铁、多个连接轴和多个第二磁铁模块；

多个所述条形磁铁并排架设于所述基座的上方，相邻两个所述条形磁铁之间相对的磁极相吸引；

每个所述条形磁铁的两端均通过一个所述连接轴与所述基座可动连接，且所述连接轴上安装有一个所述第二磁铁模块；

所述第一磁铁模块设置于所述基座上且与各个所述第二磁铁模块相对，

所述第一磁铁模块与各个所述第二磁铁模块相对的磁极相斥；

当所述激励线圈通电时，所述条形磁铁绕其自身的中心轴进行来回摆动。

2.根据权利要求1所述的移动设备无线充电装置的发射端，其特征在于，所述第二磁铁模块为套筒状，其第一磁极沿所述第二磁铁模块的外圆周设置，其第二磁极沿所述第二磁铁模块的内圆周设置。

3.根据权利要求1所述的移动设备无线充电装置的发射端，其特征在于，所述基座两侧具有多个支架，每个所述连接轴的一端与每个支架一一对应可动连接。

4.根据权利要求3所述的移动设备无线充电装置的发射端，其特征在于，每个所述支架上具有凸点，每个所述连接轴的一端的中心与对应的所述凸点连接，每个所述连接轴可绕对应的所述凸点进行转动。

5.根据权利要求4所述的移动设备无线充电装置的发射端，其特征在于，所述凸点为针型状。

6.根据权利要求1所述的移动设备无线充电装置的发射端，其特征在于，所述第一磁铁模块的数量为多个，且每个所述第一磁铁模块与每个所述第二磁铁模块一一对应。

7.根据权利要求6所述的移动设备无线充电装置的发射端，其特征在于，所述第一磁铁模块的第一磁极朝向所述第二磁铁模块的第一磁极且两个磁极相斥。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的移动设备无线充电装置的发射端，其特征在于，所述条形磁铁为柱状体。

9.根据权利要求1至7任意一项所述的移动设备无线充电装置的发射端，其特征在于，所述连接轴与所述条形磁铁的连接处外固定安装有振子套筒。

10.一种移动设备无线充电装置，其特征在于，包括：接收线圈和如权利要求1至9任意一项所述的发射端。