CN109906537B

CN109906537B - 感应功率传输系统

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Publication number: CN109906537B
Application number: CN201780068508.7A
Authority: CN
Inventors: 任赛宁
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2023-06-09
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: CN109906537A; US20180175671A1; WO2018117866A1; US10978911B2

Abstract

本发明题为“感应功率传输系统”。感应功率传输(IPT)系统可包括感应功率发射器和感应功率发射器上方的IPT导向器单元，该感应功率发射器具有生成IPT场的至少一个功率发射线圈。IPT导向器单元可包括低磁阻元件，诸如被配置成将IPT场从感应功率发射器引导至在IPT导向器单元上保持在适当位置的感应功率接收器的磁芯(例如，通过IPT导向器单元的外壳)。虽然IPT导向器单元将IPT场从感应功率发射器引导到感应功率接收器，从感应功率发射器进入低磁阻元件的IPT场的平均方向和密度可不同于离开低磁阻元件向所述感应功率接收器的IPT场的平均方向和密度。

Description

感应功率传输系统

技术领域

本发明属于感应或无线功率传输领域。更具体地，但并非排他性地，本发明涉及用于改善感应功率传输的系统。

背景技术

感应功率传输(IPT)技术是一个日益发展的领域，IPT系统现在在各种应用和各种配置中得到利用。一种此类应用是在无线功率发射设备诸如所谓的“充电垫”或“充电席”中使用IPT系统。此类充电垫通常将提供平坦的充电表面，便携式电子设备(诸如智能电话)可放置在所述平面上以无线地充电或供电。此类便携式电子设备通常具有平坦的外表面，并且当平面外表面被放置到充电垫的平面充电表面上并与之平行时充电。然而，在实践中，对于置于充电垫上不同取向或者具有非平坦外表面的便携式电子设备，可能难以确保满意的无线充电效率。

因此，可能有利的是提供用于对便携式电子设备进行无线充电或供电的改进的无线功率发射设备。

发明内容

根据一个示例性实施方案，提供了一种感应功率传输系统，其包括：感应功率发射器，该感应功率发射器具有被配置为产生感应功率传输(IPT)场的至少一个功率发射线圈；以及IPT导向器单元，所述IPT导向器单元能够相对于所述感应功率发射器移动，所述IPT导向器单元包括低磁阻元件，所述低磁阻元件被配置为将所述IPT场从所述感应功率发射器引导至具有至少一个功率接收线圈的感应功率接收器，使得进入所述低磁阻元件的所述IPT场的所述平均方向基本上不同于离开所述低磁阻元件的所述IPT场的所述平均方向。

根据另一实施方案，提供了一种感应功率传输系统，其包括：感应功率发射器，该感应功率发射器具有被配置为产生感应功率传输(IPT)场的至少一个功率发射线圈；具有配置为与感应功率发射器成预先确定的特殊关系的至少一个功率接收线圈的感应功率接收器；以及位于感应功率发射器和感应功率接收器之间的IPT导向器单元，其包括被配置为将IPT场从感应功率发射器引导至感应功率接收器的低磁阻元件，其中IPT导向器单元能够相对于感应功率发射器和感应功率接收器中的至少一者旋转。

附图说明

图1是根据实施方案的感应功率传输系统的框图。

图2示出了根据实施方案的具有IPT导向器单元的感应功率传输系统的示例性应用。

图3示出了根据实施方案的具有IPT导向器单元的示例性构型的感应功率传输系统的另一示例性应用。

图4A和图4B是根据实施方案的IPT导向器单元的一个示例性构型的分离视图。

图5是根据实施方案的具有IPT导向器单元的感应功率传输系统的框图。

图6A是根据实施方案的低磁阻元件的一个实施例的分离视图。

图6B为根据实施方案的感应功率传输系统的剖视图，其包括图6A的低磁阻元件。

图7A-图7C是根据实施方案的示例性低磁阻元件的分离视图。

图8A-图8C是根据实施方案的IPT导向器单元的另一个示例性构型的分离视图。

图9A和图9B是根据实施方案的IPT导向器单元的低磁阻元件的示例性构型的概念性视图。

图10示出了根据实施方案的具有IPT导向器单元的感应功率传输系统的另一示例性应用。

图11和图12是根据实施方案的图10的IPT导向器单元的分离视图。

图13A为根据实施方案的显微镜的主体管的一部分的分离视图。

图13B为根据实施方案的图13A的主体管的剖视图。

图14A为根据实施方案的关节臂的一部分的分离视图。

图14B为根据实施方案的图14A的关节臂的剖视图。

具体实施方式

使用感应功率传输(IPT)技术(诸如无线充电垫或充电席)操作的无线功率传输设备可包括具有平行于充电垫的平面充电表面布置的一个或多个功率发射线圈的发射器。发射器可驱动发射线圈，使得发射线圈在平面充电表面的紧邻位置产生时间变化磁场。当便携式电子设备被放置在平面充电表面之上或附近时，时间变化磁场可在与设备相关联的适合接收器(例如结合到设备本身中的接收器)的接收线圈中引起交流电。然后可使用所接收的功率来对设备上的电池充电或对设备或一些其他负载供电。

与充电垫设计相关的一个问题是确保充电垫和设备之间的感应功率传输效率对于接收线圈相对于发射线圈的不同取向是令人满意的。对于平面或平坦设备，诸如智能电话，设备通常将简单地放置在充电表面上，因此与设备相关联的接收线圈(其通常与设备的平面共面)将处于平行于发射线圈的平面中。由于发射线圈与接收线圈之间的共面关系的结果，耦合最大化并且功率传输效率令人满意。然而，对于非平面或任意形状的设备，诸如可穿戴电子设备，与设备相关联的接收线圈更有可能相对于发射线圈成任意角度或取向，因为设备本身可能不平坦地坐置在充电表面上。如果用户希望在充电/供电期间对设备进行定向以便于使用，则对于平面设备也可能发生这种情况，例如，用户可将设备以与充电表面成角度的方式支撑，使得设备的屏幕可与之交互。因此，在不要求设备设计者提供“平坦”外表面以用于与接收线圈耦合或不迫使使用者不偏离其设备相对于充电表面的共面取向的情况下，如果不小心，感应功率传输效率可显著降低，从而限制充电垫的适用用途。

与充电垫设计相关的另一个问题是能够以高效且高性价比的方式同时对多个设备进行充电或供电。一些设计使用对应于充电垫的整个充电表面的单个大发射线圈。在这种情况下，可将一个或多个设备放置在充电垫的充电表面上的任何位置。这允许在用户可将设备放置在充电垫上的位置方面获得更多的自由度。然而，大发射线圈产生的磁场可能不是均匀的，具有朝向充电表面中心的“弱点”，并且未改善任意接收线圈取向的问题。此外，由于整个充电表面被“供电”，充电表面的未被充电的设备覆盖的任何部分都可能存在安全隐患。

充电垫可包括用于对多个设备充电的发射线圈阵列。为了提供高效和安全的功率传输，充电垫可使用合适的检测机构来检测设备的位置，并且可激活最接近的发射线圈。尽管这允许在用户可放置设备的位置上获得更大的自由度，例如单个线圈设计，相邻发射线圈之间的边界可由于相邻线圈的抵消效应而导致弱点，从而接收器未接收足够的功率，并且未改善任意接收线圈取向的问题。

IPT系统的另一种用途是在需要将电力从电源传输到两个移动部件之间的负载的设备件中。一个此类实施例为显微镜，可能需要将电力向下传输到显微镜的主体管以向邻近物镜的灯提供电力。主体管可包括两个部分，其中一个相对于另一个旋转(例如，用于提供聚焦机构)，从而抑制传统有线连接的使用。又如，设备件可包括关节臂(诸如可用于机器人)，其中可能需要将功率从臂的一端处的电源传输至另一端处的附件。可能不总是可能或期望具有有线连接(例如，如果关节臂需要完全的运动自由度)。IPT系统可用于通过在一个部件中提供源发射器和在另一个部件中提供负载接收器而在两个移动部件之间的接合处传输功率。源发射线圈和负载接收线圈可被定位成使得无论部件的相对位置如何，源发射器和负载接收器之间存在良好的耦合。

在更复杂的设备件中，可存在一系列多于两个的部件，因此可存在多于一个的接合点(例如，可存在固定部分，中间部分和末端部分，其中每个部分均能够相对于另一个移动)。根据上述实施例，显微镜的主体管可分为三个部分以提供两个聚焦机构(例如，粗聚焦和细聚焦)。关节臂可具有两个接合点，以提供更大程度的运动。应当理解，这使得更难以将电力直接从源发射器(即，位于固定部分中的发射器)传输到负载接收器(即，位于末端部分中的接收器)，这是由于诸如增大的距离或发射和接收线圈的相对取向的增大的可变性的因素。

在此类接合点之间传输电力的一种方法是使用位于中间部分中的中继器。在其最简单的形式中，中继器由连接到中继器发射器线圈的中继器接收器线圈组成。中继器接收器线圈感应地接收来自位于固定部件中的源发射器的功率，然后将该功率提供给中继器发射器线圈。中继器发射器线圈随后以感应方式将功率传输至位于末端部分中的负载接收器。因此，应当理解，通过两个接合点之间的中间部分将电力从固定部分传输到末端部分。与该方法相关的一个问题是，中继器作为电路引入额外的成本和复杂度。此外，对于小规模的应用，中继器变得甚至更昂贵和复杂。

在图1中整体示出了感应功率传输(IPT)系统1。IPT系统包括感应功率发射器2和感应功率接收器3。感应功率发射器2可耦接到适当的电源4(诸如主电源或电池)。感应功率发射器2可包括具有转换器5(例如，AC-DC转换器)(取决于所使用的电源类型)和逆变器6(例如，耦接到转换器5(如果存在))中的一者或多者的发射器电路。逆变器6可向一个或多个发射线圈7提供AC信号，使得该一个或多个发射线圈7生成时间变化磁场。此类场将在下文中称为IPT场。在一些构型中，一个或多个发射线圈7可与逆变器成一整体，然而在图1所示的实施方案中，它们被示出为与逆变器6分开。一个或多个发射线圈7还可以并联或串联的方式连接到电容器(未示出)以形成谐振电路。

提供了控制器8以控制感应功率发射器2的操作，并且可直接或间接地连接到感应功率发射器2的若干部分或所有部分。控制器8可接收来自感应功率发射器2的各种操作部件的输入，并且可产生控制感应功率发射器的操作的输出。控制器8可被实现为单个单元或单独的单元，这些单元被配置为根据感应功率发射器2的功能来控制其各个方面，包括例如：功率流、调谐、选择性激励发射线圈7、感应功率接收器检测和/或通信。

感应功率接收器3可包括连接到功率调节电路10的功率拾取级9，该功率调节电路继而向负载11供电。负载可为电子设备或机器的电操作部件，或者可为一个或多个功率存储元件。功率拾取级9包括感应功率接收线圈。当感应功率发射器2和感应功率接收器3的线圈适当地耦合时，由一个或多个发射线圈7生成的IPT磁场在一个或多个接收线圈中感应交流电。一个或多个接收线圈可以并联，串联或一些其他组合(诸如电感器电容器电感器)连接到电容器和附加电感器(未示出)，以产生谐振电路。在一些感应功率接收器中，感应功率接收器可包括控制器12，该控制器可控制一个或多个接收线圈的调谐、功率调节电路10的操作、负载11的特征和/或通信。

通过一个或多个发射线圈7在功率拾取级9中感应的电流在一个或多个发射线圈7的操作频率下通常为高频AC，其可为例如20kHz，至多几百兆赫或更高。功率调节电路10可被配置为将感应电流转换成适合用于为负载11供电或充电的形式，并且可执行例如功率整流、功率调节或两者的组合。

线圈7可包括具有电流以产生磁场的导电结构。例如，感应线圈可为三维形状或二维平面形状、使用印刷电路板(PCB)技术将导电材料制造成在多个PCB“层”上的三维形状的导电线或可具有其他线圈形状。可以根据应用使用其他配置。

图2和图3示出了IPT系统(诸如图1的系统1)的示例性应用程序的描述。在这些实施例中，感应功率发射器2被实现为具有一个或多个发射线圈(为明确起见未显示在图2和图3)的充电席或充电垫200。充电垫200中的发射线圈可被布置在平行于充电垫200的充电表面202的平面中，一个或多个电子设备诸如设备204和206可放置在该平面上。虽然在本说明书中将感应功率发射器描绘为设备(例如，充电垫)，但也可使用其他构型，诸如集成到非设备对象(例如，家具的台式或桌面)的表面和机动车辆的内部的感应功率发射器。在另一个合适的布置方式中，感应功率发射器可集成在其他类型的充电设备内，例如充电箱。

在图2的实施例中，两个电子设备204和206被示出为由充电垫200供电/充电。例如，电子设备204可以是具有平面外表面的基本上平面的电子设备(诸如智能电话)。图1的感应功率接收器3可例如经由“售后”盖或设备集成在电子设备204内或以某种其他方式连接到电子设备204。设备204的接收线圈(为了清楚起见，在图2和图3中未示出)通常被定位成使得它们在图2所示的取向中处于与感应功率发射器的发射线圈平行的平面中。在图2的实施例中，电子设备206是可穿戴电子设备(例如，智能手表)，其具有与其集成的图1的感应功率接收器3。与电子设备204不同，电子设备206定位在充电垫200上，使得当设备206被直接放置到充电表面202上时，电子设备的接收线圈可不在与感应功率发射器的发射线圈平行的平面中。

为了确保电子设备206的最大功率传输效率，可提供IPT导向器，诸如IPT导向器单元208。IPT导向器单元208可用于引导感应功率发射器的IPT场以由电子设备206的感应功率接收器接收。IPT导向器单元208可相对于充电垫200(并且因此在其中为感应功率发射器2)移动，使得用户能够根据需要定位IPT导向器单元。如果需要，IPT导向器单元206可暂时固定到充电表面202。例如，IPT导向器单元206可使用粘合剂或磁体的布置来固定。在图2中，IPT导向器单元208被描绘为可穿戴电子设备206的“支架”。图3示出了保持或支撑可穿戴电子设备206的支架208的可能构型的多个实施例。然而，实际构型，例如，外部形状，IPT导向器单元208的尺寸和方面并不限于此，并且可取决于电子设备和将功率传输导向到的感应功率接收器的类型。

图4A和图4B示出了用于支持可穿戴电子设备206的IPT导向器单元208的一个实施例。如图4A和图4B所示，IPT导向器单元208可具有弯曲形状，该弯曲形状被配置为使得可穿戴电子设备206的条带210被容纳在IPT导向器单元208的颈部部分212之上，以便抵靠主体部分214支撑。IPT导向器单元208可包括低磁阻(或高磁导率)元件(图4A和4B中未示出)，该元件被配置成将IPT场从充电垫200的感应功率发射器(图2和图3)导向到与可穿戴电子设备206相关联的感应功率接收器。

图5示出了表示IPT导向器单元208相对于图1所示和所述的感应功率发射器2和感应功率接收器3的框图的框图。如图5所示，IPT导向器单元208可包括低磁阻元件502。低磁阻元件可由具有相对高磁导率的任何材料制成。在一个实施方案中，材料可具有大于10的相对磁导率。在一个更具体实施方案中，材料可具有大于100的相对磁导率。例如，低磁阻元件可由铁氧体制成。如图5中的虚线504所代表，低磁阻元件502提供低磁阻的路径，使得IPT场能够在感应功率发射器2的发射线圈7和感应功率接收器3的功率拾取级9之间延伸。换句话讲，IPT导向器单元将IPT场从感应功率发射器2“引导”到感应功率接收器3。这样，尽管感应功率发射器(相对于图2和图3的设备204)之间的距离增大，但感应功率接收器3能够从感应功率发射器2感应地接收电力。如果需要，通过改变低磁阻元件的几何形状，IPT导向器单元可用于在增加的距离和非直线方向上引导IPT场。

图6A示出了可位于相对于图2至图5所示和描述的IPT导向器单元208内的示例性低磁阻元件600。在该实施例中，低磁阻元件600为由具有高磁导率的材料(例如，铁氧体)制成并且基本上呈截头圆锥体形状形成的块。圆锥已经被截断，使得截断的表面602不平行于基部604。低磁阻元件600的几何形状可影响IPT场的形状。

图6B示出了穿过图4B所示的IPT导向器单元208的垂直横截面，包括图6A中所示的低磁阻元件600。如图6B所示，IPT导向器单元位于感应功率发射器2上方的充电表面202附近(例如，上或上方或与之接触)。IPT导向器单元208包括包封低磁阻元件600的外壳606。外壳可由可模塑材料形成。外壳606的形式可例如被配置为限制低磁阻元件在外壳606内的移动。

当向感应功率发射器2提供功率时，生成IPT场。生成的IPT场的场线显示为图6B中的虚线。应当理解，实际上，IPT场无限延伸，因此出于示例性目的，图6B中的场线表示可用于功率传输的IPT场的部分。如图6B所示，场线穿过基部604进入低磁阻元件600。在该阶段，基本上所有的场线都是垂直的(即垂直于充电表面202的平面)。因此，进入(进到)低磁阻元件的IPT场的平均方向是垂直的(例如，穿过低磁阻元件的初级输入表面例如发射器200的表面202上的低磁阻元件的表面进入低磁阻元件)。该方向在图6B上以箭头608示出。由于低磁阻元件600的不对称性并且由于IPT场将趋向于遵循最小磁阻的路径，因此IPT场在其穿过并离开低磁阻元件600时发生偏斜。IPT场中的这种变化在图6B中示出。例如，如图6B所示，场线在低磁阻元件600的截断表面602的方向上倾斜。因此，出离(出来或离开)低磁阻元件的IPT场的平均方向大体上与垂直方向成非零角度(例如，穿过低磁阻元件的初级输入表面诸如与发射器200的表面202相对的低磁阻元件的表面离开低磁阻元件)。该方向在图6B上以箭头610示出。箭头608与箭头610的比较示出低磁阻元件能够引导IPT场，使得进入元件的IPT场的平均方向基本上不同于离开元件的IPT场的平均方向。因此，如果可穿戴电子设备206被放置到IPT导向器单元208上(例如，如图2至图4A所示)，则可确保位于可穿戴电子设备的主体中的感应功率接收器3捕获更多的通量，从而改善功率传输(相对于其中可穿戴电子设备206被放置在没有IPT导向器单元208的表面202上的情形)。

在图6B所示的实施例中，可能需要定位可穿戴电子设备206使得其接收线圈与低磁阻元件正确地对准，以使功率传输最大化。作为示例，确保最佳定位的一种可能方法可以是在IPT导向器单元上提供合适的标记，以指定正确的取向。另选地，IPT导向器单元208的颈部部分212可被配置为允许固有对齐(例如，颈部部分212可被成形为当正确地放置到IPT导向器单元208上时可穿戴电子设备206将被正确对齐和取向)。这在图2中由可穿戴设备206的“平坦”表面将对齐到其上的“平坦”小平面215示出。

返回到图6B，低磁阻元件600的另一个效应是IPT场的浓度。场线进入低磁阻元件600，所述低磁阻元件具有第一平均浓度(如通过虚线之间的间距视觉表示的)。场线离开具有高于第一平均浓度的第二平均浓度的低磁阻元件。浓度的这种增加是低磁阻元件600的几何形状变窄方面的结果。浓度的这种增加具有增加由可穿戴电子设备206的感应功率接收器3的接收线圈捕获的通量的有益效果，从而进一步提高功率传输效率。

如图6B的讨论所示，IPT导向器单元中的低磁阻元件能够通过改变场的平均方向和改变场的平均浓度来引导IPT场。本领域的技术人员将会知道，低磁阻元件引导IPT场的程度是低磁阻元件的几何形状，IPT场的强度，以及发射线圈和接收线圈相对于低磁阻元件的相对尺寸的组合。此类因素将需要改变，以适应IPT导向器单元的预期应用。

低磁阻元件600在本文中有时可被称为磁性元件600(例如，磁性元件具有大于10的相对渗透率，诸如铁氧体元件)。磁性元件600可充当IPT导向器单元208的磁芯(例如，铁氧体芯)，该磁芯从放置到表面202上的IPT导向器单元208的侧面朝接收感应功率接收器3以用于充电的IPT导向器单元208的侧面延伸(例如，从外壳606的一侧朝向外壳606的相对侧)。该磁芯(例如，磁性元件600)可用于以这种方式(例如，作为其几何形状的函数)将IPT场从感应功率发射器引导至感应功率接收器，使得进入磁芯的IPT场具有不同于向感应功率接收器退出磁芯的IPT场的第二平均方向和密度的第一平均方向和密度。当以这种方式配置时，由导电元件600形成的磁芯可将IPT场朝向IPT场感应功率接收器导向而不需要在IPT导向器单元208内形成附加的无线功率偏转线圈(例如，IPT导向器单元208内从感应功率发射设备接收无线功率的附加的功率接收线圈以及IPT导向器单元208内将功率发射到感应功率接收设备的附加的功率发射线圈)以及无线功率偏转线圈之间形成的任何相关电路。这可用于大大降低系统1的复杂性和制造成本，同时还可增加IPT系统1相对于通过例如包括另外的偏转线圈和居间电路的IPT导向器单元在感应功率发射和接收设备之间引导功率的系统的无线功率传输效率。

图7A至图7C示出了低磁阻元件的多个示例性主体几何形状。如附图所示，每个几何形状包括非对称度以根据上述描述实现IPT场的偏转。可能的几何形状可包括：截头规则正三角形棱锥701，其中截头表面702不平行于基部703(图7A)；截头正方形棱锥704，其中截头表面705不平行于基部706(图7B)；和非等边三角形棱柱707(图7C)作为示例。图7A至图7C中所示的实施例的形式相对简单，应当理解，这些实施例可根据预期应用进行修改。例如，锥体形状可以是非正的，不规则的或具有不同形状的基部。虽然简单形式具有更简单制造的有益效果，但应当理解，可对低磁阻元件使用日益复杂的形式以满足预期应用的需要。一种可能的方法是连接几个简单子元件以创建更复杂的整体。

图8A至图8C示出了IPT导向器单元208的另一个示例性构型，其用于为用户提供对正确定位可穿戴设备206的便利性。在该示例性构型中，如图8B所示，平坦小平面215以与IPT导向器单元208的基部216成角度的方式提供，并且主体部分214具有配置为容纳其中具有接收线圈的可穿戴电子设备206(例如，智能手表)的表段的支座部分218。这种布置可确保用户定位智能手表以实现最大功率传输效率。该布置方式还可提供使智能手表相对于充电垫形成角度。在这种关系中可支持其他设备，诸如智能电话，使得用户能够在供电/充电期间与设备进行交互。图8C示出了位于图8A和图8B的IPT导向器单元208内的低磁阻元件600。与结合图6A和图6B所讨论的实施例一样，低磁阻元件为图8C中的截头圆锥体。

图8A至图8C中示出的IPT导向器单元208可包括电子指示器220。在这种情况下，电子指示器是LED，但音频或视觉指示器的任何组合可能是合适的。电子指示器220连接到指示器接收器线圈222，使得当IPT场被提供给IPT导向器单元时，电子指示器指示IPT导向器单元已准备好使用或者被激活。例如，LED可被照明以指示主动充电。指示器接收器线圈222的尺寸和指示器接收器线圈222的位置将使得确保接收到足够的功率来为电子指示器供电，同时最小化对从感应功率发射器到电子设备206的感应功率接收器的功率传输的影响。如果电子指示器的功率需求低(例如，LED的情况)，则接收线圈可以是相对较小的。电子指示器220可连接到另外的控制电路(未示出)，以便可控制电子指示器以传达关于IPT场的各种信息。仅以举例的方式：当没有向IPT导向器单元供电时，LED可能断开；当向IPT导向器单元提供电力时，LED可为接通的；并且LED可闪烁以指示故障。

通过配置IPT导向器单元208的低磁阻元件600使得提供多个功率接收区，可进一步改善对使用者的容易程度。为此，图9A和图9B示出了导致不止一个操作功率接收区的示例性低磁阻元件。在这两个图中，IPT导向器单元208以虚线示出，使得可示出低磁阻元件。如图9A中所示，低磁阻元件为截头圆锥体的变型，具有两个截头表面面902和904，其中每个表面之间具有鞍形906。与相对于图6A和图6B所讨论的截头圆锥体一样，每个截头表面与基部908不平行。出于与前述相同的推理，进入低磁阻元件600(即，通过基部908)的IPT场的平均方向将基本上垂直，而从低磁阻元件(通过每个表面902和904)出来的IPT场的平均方向将是更水平的。通过提供两个截头表面，存在两个所得区910和912，其中合适的感应功率接收器(例如，与可穿戴电子设备相关联的一个)可被定位并接收足够的功率。两个平坦表面902和904可允许两个接收器线圈(例如，对于两个不同的手表)定位成更靠近铁氧体，这可改善耦合。如果铁氧体块908被金属或一些其他磁屏蔽材料围绕，除了截头表面902和904之外，并且这些被定位在低磁阻元件的相对侧上，那么低磁阻元件的每一侧上IPT场的水平部分将有效地取消(等于和相反)，这继而意味着在两个表面上从低磁阻元件出来的平均IPT场的方向仍然是垂直的。因此，当考虑从低磁阻元件出来的平均方向时，可能需要仅考虑通过特定充电区或由感应功率接收器接收的IPT场的一部分。另外的实施方案可包括两个以上的截头表面以提供另外的充电区。

图9B示出了包括低磁阻元件600的IPT导向器单元208的另一个可能的实施方案。在该实施方案中，低磁阻元件600形成安装在旋转件914上的截头圆锥体(如先前关于图6A和图6B所述)。旋转体使低磁阻元件600能够在IPT导向器单元内自由旋转，如箭头916所示。低磁阻元件600可包括被配置为被吸引到置于IPT导向器单元上的电子设备(未示出)的主体的磁化部件916。如果电子设备的主体包括合适的铁磁材料，则当电子设备被放置到IPT导向器单元208上时，低磁阻元件将旋转以与电子设备对齐，而与其放置到IPT导向器单元上的位置无关。这意味着不需要用户将电子设备完全对准到IPT导向器单元上，从而消除对对准指示器或小平面的需要，并且导致任何数量的充电区。

参见图10至图12，其示出了具有位于充电垫701上的截头金字塔主体的IPT导向器单元700。IPT导向器单元700包括合适的低磁阻元件，所述低磁阻元件提供与IPT导向器单元的每个梯形表面重合的四个充电区。此类充电区可通过延伸参照图9A和图9B所讨论的实施例来实现。如图11所示，电子设备诸如平板电脑702可相对于IPT导向器单元700以倾斜方式定位，使得电子设备被取向成在充电期间用户使用设备以及将平板702的平坦面与IPT导向器单元700内的低磁阻元件(未示出)定位。如图12所示，智能手表703可简单地放置在IPT导向器单元700上，并且手表的平坦背面将自动抵靠IPT导向器单元700的平坦面定位，以使智能手表703的感应功率接收器与低磁阻元件对准。渐缩形状也可确保手表将容易地放置并保持在IPT导向器单元700上的正确位置中。

图13A示出显微镜的主体管1300的一部分。在所示的实施方案中，主体管1300包括三个部分：固定部分1302，固定部分固定地连接到显微镜的其余部分(未示出)；中间部分1304，中间部分耦接到固定部分1302但可相对于固定部分1302沿如箭头1306自由旋转；以及末端部分1308，所述末端部分耦接到中间部分1304，但能够相对于中间部分1304自由旋转，如箭头1310所示。

末端部分1308包括物镜1312用于捕获用显微镜观察的主题(未示出)。中间部分1304和末端部分1308旋转以实现聚焦机构，例如通过改变主体管1300的长度并因此物镜1312和显微镜的其余部分中的其他光学器件之间的距离。例如，中间部分1304和固定部分1302之间的旋转可导致粗聚焦以及末端部分1308和中间部分1304之间的旋转可导致细聚焦。

末端部分1308包括灯1314，使用灯来照亮该主题。灯1314需要功率来操作。一种选择是将电池嵌入末端部分1308中，然而对于小的显微镜，这可能是不可能的或不期望的。因此，有必要从固定部分1302(其继而可从外部电源获取电力)向末端部分1308提供电力。

图13B示出了通过图13A的主体管1300的中心的垂直截面。主体管1300包括固定部分1302，中间部分1304和末端部分1308。如虚线所示，光路1316从物镜1312提供至显微镜的其余部分(未示出)。为了使本发明的主题可更清楚地示出，图13B为主体管的简化表示，因此它不显示该聚焦机构或可被包括在该主导管中的其他元件，例如，另外的透镜的机械结构。

固定部分1302包括具有到电源(未示出)的有线连接1318的感应功率发射器2(由块表示)。感应功率发射器2包括与主体管1300的圆柱体同心的发射线圈7。提供在发射线圈7的中心中的孔1322确保光路1316未被阻挡。孔1322还可为另外的光学元件诸如透镜提供空间。应当理解，由于尺寸限制或其他考虑因素，感应功率发射器2的一些部分可被重新定位到显微镜的另一部分。

末端部分1308包括具有到灯1312的有线连接1320的感应功率接收器3(由块表示)。感应功率接收器3包括被示出为与主体管1300的圆柱体同心的接收线圈的功率拾取级9。提供在接收线圈中的中心中的孔1324确保光路1316未被阻挡。孔1324还可为另外的光学元件诸如透镜提供空间。

中间部分1304包括IPT导向器单元1324，所述单元包括低磁阻元件1326。低磁阻元件被形成为与主体管1300的主体同心的管。在低磁阻元件1316的中心处提供的孔1328确保光路1316未被阻挡。与相对于图2至图12所述的低磁阻元件一样，低磁阻元件1326由具有高磁导率的材料制成。在一个实施方案中，材料将具有大于10的相对磁导率。在一个更具体实施方案中，材料将具有大于100的相对磁导率。例如，低磁阻元件可由铁氧体制成。

在向感应功率发射器2提供功率时，由发射线圈生成的IPT场穿过低磁阻元件1326(因为其提供最小磁阻的路径)并且由感应功率接收器3的功率拾取级9拾取。然后将接收的功率提供给灯1312。低磁阻元件1326使得IPT场能够跨越将不允许电感耦合的距离从发射线圈7延伸至功率拾取级9。因此，在不具有传统中继器的额外复杂性和成本的情况下，在多个移动部件之间传输功率。另外，在该具体实施方案中，由于部件的旋转对称性，无论三个部件1302，1304和1308的相对旋转如何，功率传输的量不受部件的移动的影响。由于中间部分1304能够相对于固定部分1302和末端部分1308两者旋转，IPT导向器单元1324能够相对于感应功率发射器2和感应功率接收器3两者旋转。

如图13B所示，IPT导向器单元1324包括另外的低磁阻元件1330。与低磁阻元件1326一样，另外的低磁阻元件1330由具有高磁导率的材料制成。另外的低磁阻元件1330形成为与低磁阻元件1326同心并围绕低磁阻元件的管。低磁阻元件1326和另外的低磁阻元件1330之间的管状空间1332具有宽度以便限制低磁阻元件1326与另外的低磁阻元件1330之间的通量泄漏。在一个实施方案中，管状空间1332可由高磁阻材料占据。例如，低磁阻元件1326可被由非金属材料诸如塑料或陶瓷制成的同心圆柱体围绕。另外的低磁阻元件通过为IPT场提供“返回路径”来改善IPT导向器单元的性能，从而进一步增加IPT场可从发射线圈7和功率拾取级9延伸的最大距离。虽然低磁阻元件1326和1330已显示为同心圆柱体，但元件的特定几何形状(形状，尺寸，相对尺寸)将由预期应用决定。磁屏蔽可定位在前向和返回铁氧体通道之间以减少渗漏通量，然而这可增加损失。

图14A示出了来自设备件的关节臂1400的一部分(例如，机械手机构)。在所示的实施方案中，关节臂1400具有大致圆柱形轮廓并且包括三个部分：固定部分1402，固定部分固定地连接到设备件(未示出)的其余部分；中间部分1404，中间部分耦接到固定部分1402但可相对于固定部分1402沿如箭头1406自由旋转；以及末端部分1408，所述末端部分耦接到中间部分1404，但能够相对于中间部分1404自由旋转，如箭头1410所示。中间部分1404被配置为具有弯曲部，使得固定部分1402和末端部分1408既不平行也不共线。

中间部分1304和末端部分1308的旋转与中间部分中的弯曲的组合为末端部分1308相对于固定部分1402的移动提供了增加的自由度。这种增加的自由度对于关节臂的预期应用可能是必要的。例如，制造消费产品的一部分作为单元生产的一部分。

末端部分1408可包括与定位工具的连接1414，该定位工具用于单元生产的电动马达，以抓取和定位用于处理汽车组件的下一个单元。另选地，末端部分1408可连接到传感器以用于监测力或相机。定位工具1414需要功率来操作。一种选择是将电池嵌入末端部分1408中，然而对于小的关节臂这可能是不可能的。因此，有必要从固定部分1402(其继而可从外部电源获取电力)向末端部分1408提供电力。

图14B示出了穿过图14A的关节臂1400的横截面。关节臂1400包括固定部分1402，中间部分1404和末端部分1408。为了使本发明的主题可更清楚地示出，图14B为关节臂1400的简化表示，并且因此其未示出关节臂的内部机械结构。

固定部分1402包括具有到电源(未示出)的有线连接1418的感应功率发射器2。感应功率发射器2包括发射线圈7。应当理解，由于尺寸限制或其他考虑因素，感应功率发射器2的一些部分可被重新定位到另一部分。

末端部分1408包括具有到定位工具1414的有线连接1420的感应功率接收器3。感应功率接收器3包括被示出为接收线圈的功率拾取级9。由于固定部分1402和末端部分1408的相对位置和相对移动，功率拾取级9将不总是以与发射线圈7相同的方式对准。因此，无论关节臂的部件的相对位置如何，有必要将IPT场从发射线圈7引导至功率拾取级9。

中间部分1404包括IPT导向器单元1424，所述单元包括低磁阻元件1426。低磁阻元件形成为遵循中间部分1404的弯曲部的弯曲圆柱体。与相对于图13A至图13B所述的低磁阻元件一样，低磁阻元件1426由具有高磁导率的材料制成。在一个实施方案中，材料将具有大于10的相对磁导率。在一个更具体实施方案中，材料将具有大于100的相对磁导率。例如，低磁阻元件可由铁氧体制成。

一旦功率被提供到感应功率发射器2，发射线圈产生的IPT场通过低磁阻元件1426，并且由于其提供了一种最小磁阻的路径，IPT场将倾向于在中间部分1404中弯曲部的方向上倾斜。因此，功率由感应功率接收器3的功率拾取级9拾取。然后将接收的功率提供给定位工具1414。与结合图13A和图13B所述的实施方案一样，低磁阻元件1426使得IPT场能够跨越将不允许电感耦合的距离从发射线圈7延伸至功率拾取级9。此外，低磁阻元件1426使得IPT场能够从发射线圈7延伸至功率拾取级9，尽管线圈之间缺乏满意(或一致)的对准。因此，在不具有传统中继器的额外复杂性和成本的情况下，在多个移动部件之间传输功率。另外，在该具体实施方案中，由于部件的旋转对称性，无论三个部件1402，1404和1408的相对旋转如何，功率传输实质上不变。由于中间部分1404能够相对于固定部分1402和末端部分1408两者旋转，IPT导向器单元1424能够相对于感应功率发射器2和感应功率接收器3两者旋转。

虽然上文已通过对其实施方案的描述进行了说明，但上述仅是示例性的，并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims

1.一种感应功率传输系统，包括：

感应功率发射器，所述感应功率发射器具有至少一个功率发射线圈，所述至少一个功率发射线圈被配置为生成感应功率传输IPT场；以及

IPT导向器单元，所述IPT导向器单元与所述感应功率发射器相邻，其中所述IPT导向器单元包括磁芯，所述磁芯能够相对于所述IPT导向器单元的外壳旋转，所述磁芯被配置为将所述IPT场从所述感应功率发射器引导至具有至少一个功率接收线圈的感应功率接收器，并且其中，当所述IPT导向器单元引导所述IPT场时，进入所述磁芯的所述IPT场的平均方向不同于离开所述磁芯的所述IPT场的平均方向。

2.根据权利要求1所述的感应功率传输系统，其中所述IPT导向器单元被配置为接收在所述感应功率发射器的表面上。

3.根据权利要求2所述的感应功率传输系统，其中所述IPT导向器单元被配置为保持所述感应功率接收器。

4.根据权利要求1所述的感应功率传输系统，其中所述IPT导向器单元包括另外的功率接收线圈，所述另外的功率接收线圈被配置为从所述IPT场接收功率并向负载提供所述功率。

5.根据权利要求4所述的感应功率传输系统，其中所述负载包括与所述IPT导向器单元相关联的电子指示器。

6.根据权利要求1所述的感应功率传输系统，其中所述磁芯包括初级进入表面和初级出口表面，其中当所述IPT导向器单元引导所述IPT场时，所述初级进入表面处的IPT场的平均密度不同于所述磁芯的初级出口表面处的IPT场的平均密度。

7.根据权利要求6所述的感应功率传输系统，其中所述初级出口表面被取向为相对于所述初级进入表面成非平行角，并且其中所述磁芯具有选自由以下项组成的组的形状：截棱锥形状和截头圆锥体形状。

8.根据权利要求1所述的感应功率传输系统，其中所述磁芯包括铁氧体。

9.一种感应功率传输系统，包括：

感应功率发射器，所述感应功率发射器具有至少一个功率发射线圈，所述至少一个功率发射线圈被配置为生成感应功率传输IPT场；

感应功率接收器，所述感应功率接收器具有至少一个功率接收线圈；以及

IPT导向器单元，所述IPT导向器单元位于所述感应功率发射器和所述感应功率接收器之间，其中所述IPT导向器单元包括外壳和磁芯，所述磁芯能够相对于所述外壳旋转并且被配置为将所述

IPT场从所述感应功率发射器引导到所述感应功率接收器。

10.根据权利要求9所述的感应功率传输系统，其中所述IPT导向器单元能够相对于所述感应功率发射器和所述感应功率接收器两者旋转。

11.根据权利要求9所述的感应功率传输系统，其中所述磁芯具有大于或等于10的相对磁导率。

12.根据权利要求11所述的感应功率传输系统，其中所述磁芯具有大于或等于100的相对磁导率。

13.根据权利要求9所述的感应功率传输系统，其中所述磁芯具有选自由以下项组成的组的形状：圆柱体形状，截头圆锥体形状，和截棱锥形状。

14.根据权利要求9所述的感应功率传输系统，其中，当所述磁芯引导所述IPT场时，从所述感应功率发射器进入所述磁芯的所述IPT场的平均密度不同于离开所述磁芯的所述IPT场的平均密度。

15.根据权利要求14所述的感应功率传输系统，其中所述至少一个功率发射线圈具有第一尺寸，并且所述至少一个功率接收线圈具有不同于所述第一尺寸的第二尺寸。

16.根据权利要求14所述的感应功率传输系统，其中所述磁芯具有选自以下的形状：截头圆锥体形状和截棱锥形状。

17.根据权利要求9所述的感应功率传输系统，其中，当所述磁芯引导所述IPT场时，从所述感应功率发射器进入所述磁芯的所述IPT场的平均方向不同于离开所述磁芯的所述IPT场的平均方向。

18.根据权利要求9所述的感应功率传输系统，其中所述磁芯包括铁氧体。