CN109038997B - 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、硅钢模块、激励线圈和底座；磁钟摆和激励线圈安装于底座上，硅钢模块固定连接于底座上，磁钟摆设于激励线圈的空腔内；磁钟摆包括多个条形磁铁，多个条形磁铁并排安装于底座上，相邻两个条形磁铁之间相对的磁极相吸引；硅钢模块包括U形硅钢模块和条形硅钢模块，相邻两个条形磁铁之间设置有一个条形硅钢模块，所有条形磁铁和所有条形硅钢模块均设置于U形硅钢模块的空腔内；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、硅钢模块、激励线圈和底座；

所述磁钟摆和所述激励线圈安装于所述底座上，所述硅钢模块固定连接于所述底座上，所述磁钟摆设于所述激励线圈的空腔内；

所述磁钟摆包括多个条形磁铁，多个所述条形磁铁并排安装于所述底座上，相邻两个所述条形磁铁之间相对的磁极相吸引；

所述硅钢模块包括U形硅钢模块和条形硅钢模块，相邻两个所述条形磁铁之间设置有一个所述条形硅钢模块，所有所述条形磁铁和所有所述条形硅钢模块均设置于所述U形硅钢模块的空腔内；

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，每个所述条形磁铁的两端均连接有轴承。

优选地，所述底座上具有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽用于安装各个所述条形磁铁，所述第二凹槽用于安装各个所述轴承。

优选地，所述第一凹槽包含多个平行的第一条形凹槽，每个所述第一条形凹槽用于安装一个所述条形磁铁。

优选地，所述第二凹槽包含两个平行的第二条形凹槽，两个所述第二条形凹槽与各个所述第一条形凹槽垂直，且两个所述第二条形凹槽分别设于所有所述第一条形凹槽的两端。

优选地，所述条形硅钢模块与其相邻的两个所述条形磁铁之间均设置有预置可调距离。

优选地，所述条形硅钢模块包含多片依次叠加的条形硅钢片，所述U形硅钢模块包含多片依次叠加的U形硅钢片。

优选地，每个所述条形硅钢模块的顶部均固定连接有一个压块。

优选地，所述条形磁铁为柱状体。

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、硅钢模块、激励线圈和底座；磁钟摆和激励线圈安装于底座上，硅钢模块固定连接于底座上，磁钟摆设于激励线圈的空腔内；磁钟摆包括多个条形磁铁，多个条形磁铁并排安装于底座上，相邻两个条形磁铁之间相对的磁极相吸引；硅钢模块包括U形硅钢模块和条形硅钢模块，相邻两个条形磁铁之间设置有一个条形硅钢模块，所有条形磁铁和所有条形硅钢模块均设置于U形硅钢模块的空腔内；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，且本发明通过硅钢模块对条形磁铁之间的磁场进行整形，平衡各个条形磁铁的磁场偏置，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另一结构示意图；

图4为硅钢模块对磁场进行整形的示意图；

图5为条形磁铁与轴承的结合示意图；

图6为硅钢模块与条形磁铁之间的预置可调距离的示意图。

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，包括：磁钟摆1、硅钢模块、激励线圈2和底座3；

磁钟摆1和激励线圈2安装于底座3上，硅钢模块固定连接于底座3上，磁钟摆1设于激励线圈2的空腔内。

磁钟摆1包括多个条形磁铁11，多个条形磁铁11并排安装于底座3上，相邻两个条形磁铁11之间相对的磁极相吸引，硅钢模块包括U形硅钢模块12和条形硅钢模块13，相邻两个条形磁铁11之间设置有一个条形硅钢模块13，所有条形磁铁11和所有条形硅钢模块13均设置于U形硅钢模块12的空腔内。

当激励线圈通电时，条形磁铁11绕其中心轴进行来回摆动。

更进一步地，请参阅图5，每个条形磁铁11的两端均连接有轴承15。

请参阅图1，底座3上具有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽用于安装各个条形磁铁11，第二凹槽用于安装各个轴承15。

第一凹槽包含多个平行的第一条形凹槽，每个第一条形凹槽用于安装一个条形磁铁11。

第二凹槽包含两个平行的第二条形凹槽，两个第二条形凹槽与各个第一条形凹槽垂直，且两个第二条形凹槽分别设于所有第一条形凹槽的两端。

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，且本发明通过硅钢模块对条形磁铁11之间的磁场进行整形，平衡各个条形磁铁11的磁场偏置，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4，图4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，且每个条形磁铁11均连接有轴承15，两端轴承结构保证条形磁铁11可以绕轴旋转几乎没有明显阻力。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11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11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。然而，发明人在试验过程中发现，在磁钟摆中，每个条形磁铁11的磁场偏置会受到其附近条形磁铁11的影响，在磁铁数目有限的情况下，会出现偏置不平衡的情况，即整个磁钟摆产生的磁场会出现中间大两边小的情况，进而影响整个磁钟摆的Q值，因此，为了提高磁钟摆的Q值，本发明通过硅钢模块对磁场进行整形，平衡各个条形磁铁11的磁场偏置，即本发明中的U形硅钢模块12和条形硅钢模块13，如图4所示，相邻两个条形磁铁11之间设置有一个条形硅钢模块13，所有条形磁铁11和所有条形硅钢模块13均设置于U形硅钢模块12的空腔内。

需要说明的是，在上述结构中，硅钢片被用于压缩条形磁铁11间的磁力线分布，并通过硅钢片形成的磁场回路，使得中间位置和两端位置的磁铁受到近似的磁场作用，进而统一谐振频率。

如图4所示，硅钢片使得磁铁外部磁场沿着硅钢片方向流动。以5个振子为例，中间四组条形硅钢模块13插入在条形磁铁11中间，最外侧由一个U形硅钢片模块12，使整个结构形成完整的磁力线回路(如图4中箭头所示)。这样使得作用在每个条形磁铁上的磁场强度基本上是一致的，也因此其本征谐振频率是基本一致的。

更进一步地，条形硅钢模块13包含多片依次叠加的条形硅钢片，U形硅钢模块12包含多片依次叠加的U形硅钢片，这样的结构可以减小涡旋电流，降低能量损耗，进一步提高Q值。

且每个条形硅钢模块13的顶部均固定连接有一个压块14，该压块14上开设有通孔，同理，条形硅钢片也开设有对应的通孔，可以通过螺钉将压块14、条形硅钢片固定在底座3上。

实际当中磁钟摆条形磁铁11的数目为有限值，这使得每个条形磁铁11受到的磁场偏置不同，本征频率不同。在无线充电中，希望通过激励线圈2的正弦电流的频率与磁钟摆本征频率来最大化能量耦合，则要求各个条形磁铁11的本征谐振频率要尽量一致，也就是要求增强各个条形磁铁11的耦合，并使每个条形磁铁11的磁场偏置尽量一致。

为了进一步地实现以上目的，更进一步地，如图6所示，条形硅钢模块13与其相邻的两个条形磁铁11之间均设置有预置可调距离，如图6中箭头所示，通过调整条形硅钢模块13与两条形磁铁11之间的距离来提高各个条形磁铁的耦合情况。通过控制距离来达到最佳耦合状态。通常，该预置可调距离为0.5mm，该距离可以根据实际需要进行设置。

需要说明的是，整个框架采用无磁性的有机高分子材料构成，例如螺钉采用PP材质螺钉，在无磁的情况下有足够的强度，保证结构牢固的情况下对磁场不干扰，同样底座，固定陶瓷轴承的支架均采用该类无磁性材料，保证了良好透磁性，减少磁场受到的干扰。

发射端中除了磁铁振子与硅钢片以外，均非磁性材料，包括轴承，固定底座，螺钉等。

请参阅图1，本发明还提供一种移动设备无线充电装置，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1中的条形磁铁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。

本发明实施例提出了一种利用加入硅钢片结构，增强了磁钟摆中磁铁振子阵列的相互耦合，改善振子磁场偏置的一致性，并将结构无磁化低干扰的解决方案。本技术可以进一步提高谐振结构的品质因数，进而进一步提高无线充电效率。

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、硅钢模块、激励线圈和底座；

所述磁钟摆和所述激励线圈安装于所述底座上，所述硅钢模块固定连接于所述底座上，所述磁钟摆设于所述激励线圈的空腔内；

所述磁钟摆包括多个条形磁铁，多个所述条形磁铁并排安装于所述底座上，相邻两个所述条形磁铁之间相对的磁极相吸引；

所述硅钢模块包括U形硅钢模块和条形硅钢模块，相邻两个所述条形磁铁之间设置有一个所述条形硅钢模块，所有所述条形磁铁和所有所述条形硅钢模块均设置于所述U形硅钢模块的空腔内；

当所述激励线圈通电时，所述条形磁铁绕其自身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，每个所述条形磁铁的两端均连接有轴承。

3.根据权利要求2所述的移动设备无线充电装置的发射端，其特征在于，所述底座上具有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽用于安装各个所述条形磁铁，所述第二凹槽用于安装各个所述轴承。

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，所述第一凹槽包含多个平行的第一条形凹槽，每个所述第一条形凹槽用于安装一个所述条形磁铁。

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，所述第二凹槽包含两个平行的第二条形凹槽，两个所述第二条形凹槽与各个所述第一条形凹槽垂直，且两个所述第二条形凹槽分别设于所有所述第一条形凹槽的两端。

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，所述条形硅钢模块与其相邻的两个所述条形磁铁之间均设置有预置可调距离。

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，所述条形硅钢模块包含多片依次叠加的条形硅钢片，所述U形硅钢模块包含多片依次叠加的U形硅钢片。

8.根据权利要求7所述的移动设备无线充电装置的发射端，其特征在于，每个所述条形硅钢模块的顶部均固定连接有一个压块。

9.根据权利要求1至8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。

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。

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