CN112204687A - 用于电动车辆的感应式充电器的感应式能量发射器/接收器 - Google Patents
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Abstract
用于电动车辆的感应式充电器的感应式能量发射器/接收器。感应式能量发射器/接收器包括：平面状磁芯(10)，具有两个相对的主表面(S)；至少一个导电线圈(20)，绕垂直于平面状磁芯(10)的主表面(S)的轴线(A)缠绕，所述导电线圈(20)与磁芯(10)的一个所述主表面(S)重叠；电感器壳体(30)，附接至所述平面状磁芯(10)和所述至少一个导电线圈(20)。电感器壳体(30)至少部分地由柔性聚合物粘结软磁材料制成，而平面状磁芯(10)由多个柔性细长局部芯(11)制成，形成柔性的平面状磁芯(10)。
Description
技术领域
本发明涉及用于电动车辆的感应式充电器的感应式能量发射器/接收器。感应式车辆充电器由感应式能量发射器和感应式能量接收器构成，感应式能量发射器通常被锚固于诸如地面的静止位置，感应式能量接收器通常被锚固于车辆，处在适合被布置成面对感应式能量发射器的位置并被配置为当车辆处在充电位置时从所述感应式能量发射器无线接收电力。
感应式能量发射器和感应式能量接收器两者具有相似或相同的构成，包括至少包括磁芯和导电线圈的磁组件。
在感应式能量发射器中，电能被馈送至导电线圈，该线圈与一个或多个磁芯协作产生定向磁场。在感应式能量接收器中，作为处于由感应式能量发射器产生的磁场内的导电线圈，所述磁场在所述导电线圈上感应产生电流，并且所述电能可以例如连接到车辆电池以将车辆充电。
“电感器壳体”在本说明书中是指围绕整个磁组件的连续物体，磁组件可包括磁芯和导电线圈。
PBM将在本说明书中指聚合物粘结软磁材料，其将用于下文所描述的感应式能量发射器/接收器的各个部分。
背景技术
在现有技术中，使用导电线圈与刚性磁芯和壳体结合的用于感应式充电器的感应式能量发射器/接收器是已知的，但刚性磁芯通常很薄并由诸如铁氧体的脆性材料制成。足以使电动车辆快速充电的感应式能量发射器/接收器的尺寸通常在400cm2到10000cm2之间，由脆性材料制成的这种尺寸的薄磁芯将容易断裂。
文献W02013092305A1描述了用于诸如智能手机的移动设备的感应式无线充电系统。该文献描述了导电线圈与由成型的柔性聚合物粘结软磁材料制成的磁芯结合的使用，但该文献没有描述除上述聚合物粘结软磁材料外的磁芯的使用，这将无法自行管理电动车辆快速充电所需的能量。
文献CN10419407描述了使用重量比为(1:3)-(3:1)的锰锌铁氧体粉体和橡胶作为柔性磁芯的类似提案。作为磁芯使用的该产品被认为无法承受电动车辆快速充电的需求。
对于其他用途，磁性改善的柔性磁芯是已知的。
例如，文献WO2016038434描述了由柔性聚合物粘结软磁材料构成的柔性天线，该天线包括被嵌入其中的多个平行导线。
此外，文献EP3089176描述了天线的替代方案，其使用由多个刚性磁芯组成的链条(chain)构成的柔性磁芯，这些刚性磁芯在其端部以铰接方式彼此连接，并且使用柔性聚合物粘结软磁材料来覆盖。
在所述文献中，磁芯用于低能量需求，并且与其他磁芯被隔离使用，而一个所述磁芯是不能独自承受快速车辆充电的能量需求的。
李尔公司(Lear Corporation)的US20170338023公开了一种用于电动车辆的感应式充电器的感应式能量发射器/接收器，该感应式能量发射器/接收器包括具有两个相对的主表面的平面状磁芯、至少一个绕垂直于平面状磁芯的主表面的轴线缠绕的导电线圈、和部分由柔性聚合物粘结材料制成并附接于所述平面状磁芯和所述导电线圈的电感器壳体。电组件被布置成与冷却剂组件的顶壁相邻，而磁组件(磁芯)被布置成与冷却剂组件的底壁相邻。冷却剂经由泵或类似部件、经过冷却剂通道而循环。如图6B所示，磁组件包括一个或多个铁氧体片，以使磁耦合和感应线圈结构的效率最大化。
高通公司(Qualcomm Incorporated)的US20130249477公开了一种用于感应式充电器的感应式能量发射器/接收器，该感应式充电器构成了用于电动车辆的无线功率传送装置，该无线功率传送设备包括线圈和平面磁芯，平面磁芯由多个芯或可导磁构件形成，在图4中由铁磁块303形成的多个芯或可导磁构件被定位在无线功率传送装置内而且平行对齐。该设备包括第一壳体部和第二壳体部，第一壳体部具有壁，该壁具有从壁的内表面延伸的多个突出构件，第二壳体部与第一壳体部连接以形成腔室，该腔室中容纳线圈和可导磁构件，并且被布置灌封材料以填充腔室。
无锡斯贝尔磁性材料有限公司(Wuxi Spinel Magnetics Co)的CN104194070公开了一种软铁氧体复合材料，其中，软铁氧体粉分散在橡胶基料中，使得产品性能完全满足常温下的电磁屏蔽和抗电磁干扰的常规设计需求，并且产品柔性好，便于加工。
发明内容
本发明涉及用于电动车辆的感应式充电器的感应式能量发射器/接收器。
感应式能量发射器/接收器是可以将电能转换为磁场的装置，或者在受到磁场影响时可以根据其配置产生电能的装置。
将两个所述感应式能量发射器/接收器彼此相对放置，并向其中一个馈送电能而允许大部分能量传输至另一个，从而实现非接触式能量传输，例如，在固定在地面的感应式能量发射器/接收器的上方，用于为配备有放在其底板上的感应式能量发射器/接收器的电动车辆的电池充电。
所提出的感应式能量发射器/接收器包括现有技术中已知的一个或多个上述先决条件：
平面状磁芯，具有两个相对的主表面；
至少一个导电线圈，绕垂直于平面状磁芯的主表面的轴线缠绕，所述导电线圈与磁芯的主表面中的一个重叠；
电感器壳体，附接至所述平面状磁芯和所述至少一个导电线圈；
感应式能量发射器/接收器基于其他参数的性能取决于磁芯的体积及其几何形状。为了提高能量传输的效率，优选的是感应式能量发射器/接收器两者面对彼此具有较大面积。
因此，磁芯的优选几何形状是平面状磁芯，其具有扁平构造和薄厚度(宽度至少为厚度的20倍)，从而限定平面状磁芯的两个主表面。
优选地，导电线圈以螺旋形状缠绕，从而形成尺寸增大的扁平线圈，其厚度为一层或多层。
所提出的发明还提出了现有技术中未知的以下特征：
平面状磁芯由多个柔性细长局部芯构成，形成柔性平面状磁芯，其中，每个柔性细长局部芯均垂直于所述导电线圈的重叠部分；以及
电感器壳体至少部分由柔性聚合物粘结软磁材料(PBM)制成，该柔性聚合物粘结软磁材料填充柔性细长局部芯之间的空隙。
所述柔性聚合物粘结软磁材料是例如包括软铁磁材料的微纤维、微颗粒和/或纳米颗粒的聚合物基质，这些微纤维、微颗粒和/或纳米颗粒单独存在或以其任何组合存在于聚合物基质之内。
此外，所提及的软铁磁材料的微纤维、微颗粒和/或纳米粒子优选地占聚合物壳体总重量的至少50％。
软磁材料是容易磁化和退磁的材料，通常具有小于1000Am-1的固有矫顽力，这会增强和/或引导由导电线圈产生的磁通量。因此，软磁材料是相对导磁材料，相对导磁是材料对所施加的磁场的响应程度的量度。
构成电感器壳体的所述柔性聚合物粘结软磁材料提高了感应式能量发射器/接收器的效率，还使用电感器壳体作为所述磁芯的一部分，扩展了平面状磁芯的影响。
用于电动车辆的感应式充电器的感应式能量发射器/接收器通常被放置在所述车辆循环的同一底板上，所述车辆容易在所述感应式能量发射器/接收器上方或在所述车辆的底板上循环，当车辆在此处行驶时，感应式能量发射器/接收器可能被石头、路缘石或减速带撞击。
平面状磁芯由厚度较小的刚性整体材料制成，该材料通常是脆性材料，例如铁氧体，在车辆重量下或受到撞击时很容易断裂，因此，通常所述的电感器能量发射器/接收器设置有厚重的防护罩，防护罩能够承受车辆重量或冲击，而不向平面状磁芯传递负载，但会增加厚度、成本和重量。
相反，本发明提出的平面状磁芯由多个柔性细长局部芯构成，这些局部芯被柔性电感器壳体围绕，从而沿两个正交方向共同形成柔性的平面状磁芯。
柔性磁芯可以吸收冲击和重量而不会断裂或产生暂时变形，因此不需要厚重的防护罩。
柔性磁芯是通过电感器壳体和细长局部芯组合而获得的，电感器壳体由柔性聚合物粘结软磁材料制成，因此是柔性且磁响应材料，局部芯由磁性材料制成且呈细长形状(例如为矩形截面杆件)，亦即所述细长局部芯也是柔性的。
由于细长局部芯通过电感器壳体连接，所以每个细长局部芯的磁性质与其他细长局部芯协作，共同产生类似于由例如铁氧体制成的整体刚性磁芯产生的磁性质。
根据一个实施例，柔性细长局部芯由平行连续的铁磁导线构成，该导线由高磁导率软磁合金制成，由作为电感器壳体的一部分的细长壳体包覆成型(over-moulded)。
导线和细长壳体都是柔性的，因此所产生的组件也是柔性的。
在多个细长壳体例如通过粘合剂的方式附接至电感器壳体的其余部分的情况下，每个细长局部芯的每个细长壳体可以是独立的细长壳体。
或者，对于对应于细长局部芯的每组导线而言，这些导线可以被嵌入电感器壳体，作为围绕所述导线的所述电感器壳体的一部分，被称为细长壳体。
根据细长局部芯的不同实施例，每个细长局部芯将由多个由铁磁材料制成的刚性磁芯形成，该多个刚性磁芯在其端部以铰接方式彼此连接，并由细长壳体包覆成型，细长壳体优选在PBM中作为电感器壳体的一部分。
例如，所述铰接附件可以通过在彼此连接的每个刚性磁芯的端部上形成互补的凹凸圆形构造来获得，从而允许它们之间的铰接运动而不将它们彼此间隔开，这将降低系统的效率。
每个细长局部芯的每个细长壳体可以是独立的细长壳体，该细长壳体是例如通过粘合剂的方式附接至电感器壳体的其余部分的多个细长壳体。
或者，刚性磁芯可以被嵌入电感器壳体
根据本实施例，刚性磁芯之间铰接式连接，而且细长壳体由柔性聚合物粘结软磁材料制成，避免了链接式(linked)刚性磁芯之间的磁分散(magnetic dispersion)，并且细长局部芯通过所述柔性聚合物粘结的软磁材料作为单个磁芯进行协作(collaborate)。
还被提出的是细长局部芯彼此间隔开。磁芯的性能主要取决于铁磁材料的体积，因此，多个间隔开的细长局部芯可以提供与单板制成的非常薄的平面状磁芯相同的性能，但这些细长局部芯比由单板制成的非常薄的平面状磁芯更厚(因此更坚固)。
此外，包括如上所述的细长局部芯的平面状磁芯可与热传导化合物的片材热接触以散热。
电感器壳体可以包括支撑导电线圈的导电线圈架(conductive coil former)和支撑构成磁芯的细长局部芯的磁芯壳体，所述导电线圈架和所述磁芯壳体彼此附接，例如使用粘合剂，构成两件式壳体。
在这种情况下，至少一个导电线圈可以被嵌入导电线圈壳体中。
根据实施例，成组的细长局部芯彼此相邻并且接触。按照特定的布置，所述成组的细长局部芯为四组，并且它们被布置成绕中心开口的交叉构造，中心开口与线圈的无线圈区重叠。
此外，在最后提及的实施例中，另外的细长局部芯以交叉构造被布置在所述成组的细长局部芯之间的角部区域中。
以这种方式，如附图中最清楚地看到的那样，各种细长局部芯的集合绕一中心开口被径向地布置。
根据本发明的实施例，电感器壳体包括在中心轴线方向上突出的中心凸出部，导电线圈绕中心凸出部来缠绕。
本发明的感应式能量发射器/接收器由盘形基座和盖板构成的外壳构成，盘形基座包含平面状磁芯、感应线圈和电感器壳体。
本发明的其他特征从以下实施例的详细描述中显现。
附图说明
通过以下参考附图对实施例的详细描述，将以示例性而非限制性的方式更充分地理解前述和其他优点和特征，其中：
图1示出了根据实施例的本发明的感应式能量发射器/接收器的分解图；
图2是根据本发明的用于感应式充电器的感应式能量发射器/接收器的横截面。
图3示出了一个细长局部芯且局部芯的端部被放大的立体图，局部芯由刚性磁芯的链条构成，这些刚性磁芯以铰接方式彼此连接且没有被细长壳体包覆成型；
图3a等同于图3，但链条中的的每个刚性磁芯为四边形。
图4示出了一个细长局部芯且局部芯的端部被放大的立体图，该局部芯由平行连续的铁磁导线构成，这些导线由高磁导率的软磁合金制成，并由细长的PBM壳体包覆成型；
图5和图6示出了两个不同实施例的立体图，其中，导电线圈由彼此相邻或彼此部分重叠的两个导电线圈组成。
具体实施例
在本发明中，提出了用于电动车辆的感应式充电器的感应式能量发射器/接收器，该感应式能量发射器/接收器包括与平面导电芯20重叠的柔性且平面状磁芯10。
所提出的柔性平面状磁芯10在受到冲击或压缩时能够弯曲而不会断裂。此外，该柔性平面状磁芯被PBM材料30围绕和/或嵌入PBM材料30中，PBM材料30形成了同样柔性的壳体，所以所有组件都是柔性的。
为了获得有效的柔性平面状磁芯10，提出的是使其由多个柔性细长局部芯11构成，这些局部芯被共面地布置并且绕中心开口被径向地布置，该中心开口与相邻平面线圈20中的另一个开口重叠，以使得每个柔性细长局部芯11都垂直于导电平面线圈20的重叠部分。PBM中的电感器材料30围绕该组细长局部芯11，从而形成壳体30。
电感器壳体30与细长局部芯11磁性地协作，在结合中产生与单个整体磁芯10产生的效果等同的效果。
每个细长局部芯11是柔性的，并且电感器壳体30也是柔性的，因此两者的结合产生柔性元件。
所述附接的结果是具有两个主表面S的平面状组合磁芯10。平面导电线圈20绕垂直于所述主表面S的轴线A缠绕，所述导电线圈20与磁芯10的所述主表面S之一重叠。
该平面状组合磁芯还与导热化合物片材51热接触以散热，该热传导化合物片材51被布置在磁芯10的与面对导电线圈20的一侧相对的另一侧上。
在所述导电线圈20上循环的电流产生磁场，并且磁场影响所述导电线圈20产生电流。
根据本发明的第一实施例，如图1所示，所提出的感应式能量发射器/接收器呈平面状和正方形。
在实施例中，每个细长局部芯11被嵌入PBM覆盖物中。
被径向地布置的细长局部芯11和PBM壳体30的聚合物重叠并附接至导电线圈架32。
导电线圈架32包括中心凸出部，该中心凸出部在垂直于由所述多个细长局部芯11聚集形成的磁芯10的主表面S的方向上凸出，因此沿中心轴线A的方向突出。线圈架的凸出部与磁芯10的中心开口重合。
导电线圈30绕所述中心轴线A被缠绕，围绕线圈架32的所述中心凸出部。
或者，所述导电线圈壳体20可以如图5所示包括例如两个或三个彼此相邻的导电线圈20，或者如图6所示被部分地重叠。在这些示例中，导电线圈架32包括两个或三个中心凸出部，每个导电线圈20绕一个或两个中心凸出部被缠绕。
感应式能量发射器/接收器由盘形基座39和盖板40构成，盘形基座39包含感应式线圈20、平面状磁芯10、电感器壳体30和导热化合物片材51。在实施例中，盖板40可以是铝。
如图3和图3a所示，每个柔性细长局部芯11可以通过多个刚性磁芯12获得，这些刚性磁芯12以铰接方式彼此连接到其各自的端部并具有PBM覆盖物从而形成柔性链条。
优选地，所述端部是圆形的凹凸互补的端部，并且可以包括凸出部以防止刚性磁芯12错位。
所述刚性磁芯12优选地由铁氧体或铁氧体合金制成，但是尽管所述材料是脆性的，其在小型铰接元件中的结构会防止其在受到冲击或压缩时断裂。PBM的覆盖物包封链条中的所有单独的刚性磁芯12。
在图4所示的替代实施例中，每个细长局部芯11由平行连续的铁磁导线13构成，这些导线由高磁导率的软磁合金制成，并由细长壳体包覆成型。
返回图1，本实施例示出了多组细长局部芯11彼此相邻并且接触。具体地，所述组是四个组，在本示例中，每个组包含两个平行且相邻的细长局部芯，这些局部芯以交叉构造被布置成围绕中心开口。如图3a所示，细长局部芯由两个四边形的芯部元件构成，同时可以使用图3中的矩形。
另外，额外的细长局部芯11被布置在交叉构造内的所述组之间的角部区域中。
因此，平面状磁芯10由围绕中心开口、并叠加在平面线圈20上的径向成形的细长局部芯11来形成。
如前所述，平面导电线圈20可以包括彼此相邻的两个导电线圈20，或者在替代实施例中，由彼此部分重叠的两个导电线圈20构成。图5和图6示出了这些实施例。
可以理解，本发明的一个实施例的各个部分可以与其他实施例中描述的部分自由地组合，即使所述组合没有明确描述，只要在这种组合中没有损害。
Claims (14)
1.一种用于电动车辆的感应式充电器的感应式能量发射器/接收器，其中，所述感应式能量发射器/接收器包括：
平面状磁芯(10)，具有两个相对的主表面(S)；
至少一个导电线圈(20)，绕垂直于所述平面状磁芯(10)的所述主表面(S)的轴线(A)缠绕，所述导电线圈(20)重叠于所述磁芯(10)的一个所述主表面(S)；
电感器壳体(30)，附接至所述平面状磁芯(10)和所述至少一个导电线圈(20)；
其特征在于：
所述平面状磁芯(10)由被径向布置的多个柔性细长局部芯(11)构成，其中，每个所述柔性细长局部芯(11)垂直于所述导电线圈(20)的重叠部分；以及
所述电感器壳体(30)至少部分地由柔性聚合物粘结软磁材料制成，所述柔性聚合物粘结软磁材料填充所述柔性细长局部芯(11)之间的空隙。
2.根据权利要求1所述的感应式能量发射器/接收器，其中，所述每个柔性细长局部芯(11)由平行连续的铁磁导线(13)构成，所述铁磁导线由高磁导率的软磁合金制成，且由作为所述电感器壳体(30)的一部分的细长壳体(31)包覆成型。
3.根据权利要求1所述的感应式能量发射器/接收器，其中，每个所述柔性细长局部芯(11)由多个刚性磁芯(12)形成，所述多个刚性磁芯由铁磁材料制成且在其端部以铰接方式彼此连接，并由作为所述电感器壳体(30)的一部分的细长壳体(31)包覆成型。
4.根据权利要求1、2或3所述的感应式能量发射器/接收器，其中，所述细长局部芯(11)彼此间隔开。
5.根据前述权利要求中任一项所述的感应式能量发射器/接收器，其中，所述平面状磁芯(10)与导热化合物片材热接触以散热。
6.根据权利要求1所述的感应式能量发射器/接收器，其中，所述至少一个导电线圈(20)被嵌入所述电感器壳体(30)中。
7.根据权利要求1所述的感应式能量发射器/接收器，其中，多组细长局部芯(11)彼此相邻并且接触。
8.根据权利要求7所述的感应式能量发射器/接收器，其中，所述多组是以交叉构造绕中心开口被径向布置的四个组。
9.根据权利要求8所述的感应式能量发射器/接收器，其中，额外的细长局部芯(11)以交叉构造被径向地布置在所述多组之间的角部区域中。
10.根据权利要求7所述的感应式能量发射器/接收器，其中，每个细长局部芯(11)包括两个通过其端部链接且由PBM材料包覆成型的四边形构件。
11.根据权利要求7所述的感应式能量发射器/接收器，其中，每个细长局部芯(11)包括两个通过其端部链接且由PBM材料包覆成型的矩形构件。
12.根据权利要求1所述的感应式能量发射器/接收器，其中，所述至少一个导电线圈(20)是两个彼此相邻的导电线圈(20)。
13.根据权利要求1所述的感应式能量发射器/接收器，其中，所述至少一个导电线圈(20)是两个彼此部分重叠的导电线圈(20)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的感应式能量发射器/接收器，其中，还包括由盘形基座(39)和盖板(40)构成的外壳，所述盘形基座(39)包含所述平面状磁芯(10)、所述感应线圈(20)和所述电感器壳体(30)。
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