CN112447374A - 用于无线功率传输的谐振电感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线功率传输系统(1)的谐振器，包括具有两个轭和连接所述轭的至少一个分支(52)的成H形芯形式的磁芯，其中，绕组(53)缠绕在芯的分支(52)上。绕组(53)包括在分支(52)的一侧上的PCB(56.1)和在分支(52)的另一侧上的PCB(56.2)，其中线圈的匝由第一PCB(56.1)上和第二PCB(56.2)上的迹线形成，所述迹线通过焊接到PCB(56.1,56.2)的对应孔中的焊接针脚(57)连接到彼此。PCB(56.1,56.2)上的迹线可设置在PCB(56.1,56.2)的单个导电层上，或者PCB可为多层PBS，其中PCB(56.1,56.2)中的一个上的两个焊接针脚(57)之间的每个匝区段可包括若干股线，所述股线包括在一个或多个导电层上的一个或多个迹线。

Description

用于无线功率传输的谐振电感器
技术领域
本发明涉及一种用于无线功率传输布置的谐振器的电感器，包括布置在磁芯上的线圈。本发明还涉及一种对应的谐振器和用于构建相应电感器的方法。
背景技术
在过去的几十年里，电动交通工具变得越来越受欢迎。出于耐用性和用户舒适性的原因，包括在这种电动交通工具中的驱动电池优选地进行无线充电。两个电感耦合线圈提供无线功率传输，而大的杂散电感由串联谐振电容器补偿。该系统以串联谐振频率操作。对于电动交通工具，发射器线圈(transmitter coil)通常放置在地板上，并且接收器线圈附接在交通工具的底部上。为了给交通工具充电，它被放置在初级侧(primary)的上方，使得次级侧(secondary)直接位于初级的上方，以接收(pick up)由初级侧产生的尽可能多的磁场。
对应的感应无线充电系统必须克服发射器线圈(TC)和接收器线圈(RC)之间可能的未对准，从而保持高效率。TC和RC之间相对稳健的耦合系数是必要的。
如果安装在待充电交通工具上的RC未对准，则这种在交通工具的纵向方向(Y方向)上的未对准可通过驾驶辅助(即，通过向前或向后移动交通工具一点)而得到相当好的补偿。然而，垂直于Y方向(下文中指定为X方向)的未对准要难补偿得多，因为交通工具可能不容易在横向方向上移位。
因此，这种无线充电系统的初级侧通常配置成以便产生在X方向上均匀分布但在Y方向上变化的磁场。
这种无线充电系统可具有不同的芯形状，诸如C形芯、E形芯、H形芯、铁氧体棒和其它形状，以及不同的绕组结构，诸如双D、扁平螺旋、圆柱形或其它绕组。不同的芯和绕组形状可具有不同的优点。例如，已经表明，扁平的矩形芯不仅具有低重量和小占地面积，而且在未对准公差方面也具有优势。
为了降低这种交通工具充电系统的次级侧的高度，已经建议使用扁平芯和平面绕组，或者甚至包括绕组的印刷电路板(PCB)。然而，这种扁平谐振器可导致由趋肤效应和邻近效应引起的高通量密度，并因此导致降低系统的效率的不希望的损耗。
通常，这种充电器配备有另外的元件，诸如用于阻挡泄漏场的阻挡元件或谐振器等。这种附加元件不仅增加了设备的成本，而且使制造过程复杂化。
以下文献公开了这种充电系统的一些示例。
文献US 2013/0088090 A1公开了这种用于无线功率传输的磁耦合器。该耦合器例如包括H形芯43和缠绕在H形芯43的中间腿上的利兹线的线圈42。为了阻挡或排斥不需要的泄漏场，耦合器还包括由合适的材料或超材料(包括PCB线圈、利兹线或低损耗PCB电介质)制成的屏蔽41。
文献US 9,716,386 B2公开了另一种非接触供电系统，其具有初级线圈12、次级线圈13和谐振线圈14，谐振线圈14作为次级线圈的补充被提供并与次级绕组直接接触，并且布置在初级绕组和次级绕组之间。初级线圈12和次级线圈13由利兹线制成。
US 2017 317506 A1公开了一种用于具有功率传输装置200的充电器20或具有电池12和功率接收装置100的移动设备10的薄膜线圈。功率接收装置100包括扁平的、板状或片状的磁性单元120，该磁性单元120通过结合单元140附接到薄膜线圈110。薄膜线圈110包括例如成柔性印刷电路板(FPCB)形式的基板112，其承载线圈图案113。线圈图案可例如在由基板112形成的平面上具有螺旋形状，其中线圈图案113可包括多个线圈股线117、118。通孔114可用于平行地连接股线。
发明内容
本发明的目的是创造一种用于涉及起初提到的技术领域的无线功率传输布置的谐振器的电感器，其导致谐振器的高度降低，并且可以合理的成本生产。
本发明的另一个目的是创造相应的谐振器、相应的无线功率传输布置以及用于制造这种电感器的相应方法。
本发明的解决方案由权利要求1的特征指定。根据本发明，谐振器的线圈的至少一个匝包括：
- 第一匝区段，其包括布置在磁芯的一侧上的第一PCB的迹线，
- 第二匝区段，其包括布置在磁芯的另一侧上的第二PCB的迹线，
- 第三匝区段，其连接第一匝区段的第二端部和第二匝区段的第一端部，以及
- 连结区段，其将所述至少一个匝连接到线圈的端子或相邻匝。
PCB上的迹线以及第三匝区段和连结区段由导电材料制成。迹线例如由铜制成。
这样，形成了螺线管线圈，其中线圈的至少一个匝围绕磁芯缠绕。
通常，线圈包括多个匝，使得几乎所有匝的连结区段将相应的匝连接到例如下一个相邻匝。然而，线圈的最后一匝的连结区段将线圈连接到线圈的端子。因此，连结区段也可用作线圈端子。
类似地，第一匝的匝区段之一形成或连接到线圈的另一个端子，例如第一匝区段的第一端部。
因此，第一PCB包括线圈的所有匝的第一匝区段，其中这些第一匝区段设置在第一PCB上，如本领域中已知的，从而导致制造PCB的简单且成本有效的方式。第二PCB类似地包括线圈的所有匝的第二匝区段，并且因此也可以简单且成本有效的方式制造。
如本领域中已知的，PCB通常是单个或多层基板的扁平件，包括导电轨迹或迹线、焊盘和/或其它特征，这些特征典型地由设置在PCB的表面上或PCB内的诸如铜箔等的一层或多层导电材料蚀刻而成，并且其中电气和/或电子部件连接到PCB以形成期望的电路。
使用这种PCB绕组具有若干优点，诸如例如分别是重量轻、占地面积小以及所得电感器或谐振器的高度低。此外，如果需要，谐振电容器或其它附加的电气或电子部件可直接附接到PCB。
一般来讲，磁芯也可包括多于一个的线圈。线圈可例如是缠绕在相同或不同芯部段上的分离(split)线圈。然而，优选的是，磁芯仅包括单个线圈。
这种电感器在电动交通工具的无线充电器的次级侧中特别有用。由于次级谐振器安装在交通工具处或交通工具中，交通工具处或交通工具中所需的空间可最小化，并且由于重量轻，移动包括谐振器的交通工具另外所需的能量可保持非常低。
电动交通工具可例如是轿车、卡车、摩托车、火车、船、轮船、飞机、直升机等，也可为工业交通工具，诸如叉车、AGV(自动导向交通工具)、清洁机、电梯等，或者用于提升、转移或运输任何种类的货物的电动设备。
然而，根据本发明的谐振器可在许多不同的应用中使用，在这些应用中，电驱动设备、物品或物体不是永久地连接到电功率源，而是配备有一个或多个电池以用于操作。示例为诸如手机、PDA(个人数字助理)、平板电脑等的移动设备。
如上文已经概述的，磁芯可具有许多不同的形状。然而，在本发明的优选实施例中，磁芯包括两个轭元件和磁性地连接轭元件的至少一个分支(limb)元件，并且其中线圈布置在至少一个分支元件上。轭元件通常布置成基本上彼此平行，而分支元件通常布置成基本上垂直于轭元件。为了用作磁芯，轭元件和分支元件有利地由铁磁材料制成，优选地由铁氧体制成。
在其最简单的形式(即，具有单个分支元件)中，磁芯是H形芯。如果芯具有两个或更多个分支元件，则芯具有梯形结构，在该结构中，通常在每个分支元件上缠绕绕组。芯的这种梯形结构在高功率应用中特别有用。除非另外提及，否则如本申请中使用的复数的“分支元件”还应包括其中磁芯仅包括单个分支元件的情况。
该示例中的磁芯布置在电动交通工具处或电动交通工具中，使得分支平行于Y方向，并且轭平行于X方向。
大体上，轭元件和分支元件可具有任何期望的形状。通常与其厚度和宽度相比，这些元件是长的。它们可例如具有不规则的横截面，该横截面具有较厚和较薄以及凸形和/或凹形的区段。它们也可具有规则的横截面，诸如具有尖锐或倒圆边缘的多边形，或者它们可具有卵圆形、圆形或椭圆形横截面。轭元件和分支元件也可具有相同或不同的横截面和形状。
在本发明的优选实施例中，至少一个分支元件具有基本上矩形的横截面，其中分支元件的高度远小于其宽度。并且分支元件的高度也远小于其长度。分支元件的特定高度、宽度和长度取决于特定应用，并且可适当地被选择。这意味着分支元件具有一定宽度的条状或带状形状，其中上表面和下表面大体上是平面的并且彼此平行。这种形状有助于降低整个谐振器的高度，这在某些应用中是重要的。在该示例中，第一和第二PCB平行于分支元件布置，这进一步降低了谐振器的高度，因为第一和/或第二匝区段的一个或多个层可设置在具有一个或多个层的单个薄且扁平的PCB内。就这一点而言，术语“平行”意味着PCB布置成使得它们平行的上表面和下表面平行于分支元件的上表面和下表面。因此，PCB也彼此平行。
如已经提及的，轭元件可具有与分支元件完全不同的形状。然而，在优选实施例中，轭元件具有与分支元件相似的形状，即，它们也具有大体上矩形的横截面，其中分支元件的高度远小于其宽度。轭元件通常比分支元件长。并且典型地，它们在横截面的高度和宽度方面也不同。但是对于轭元件和分支元件而言，它们的高度或它们的宽度或者甚至两者也可为相同的。
第三匝区段和连结区段补充线圈的每个单匝。第三匝区段连接第一和第二匝区段，并且连结区段将该匝连接到下一个匝或端子。第三匝区段以及连结区段可例如通过被焊接到或以其它方式电连接到第一和第二匝区段的相应端部的线来实现。线可为单股或多股的。然而，这种互连将需要相当高的生产工作量(effort)。
在本发明的优选实施例中，第三匝区段和连结区段两者包括焊接针脚。因此，这种焊接针脚从第一PCB延伸到第二PCB，并将其上的迹线互连以形成线圈。
焊接针脚在本领域中是公知的。焊接针脚典型地被焊接或压入PCB的通孔中，从而在焊接针脚和PCB的一个或多个迹线之间建立电连接。针脚伸出PCB的部分然后被用作端子以将其它部件连接到一个或多个迹线。焊接针脚也可被焊接到PCB的焊盘上，以电连接到PCB上的迹线。这种焊接针脚通常是细的、针形的诸如铜、铝、铁等的电材料件。它们通常以组装的形式出售，在该组装的形式中，多个针脚被插入通常被指定为排针的支撑结构的孔中，其中孔布置成一行或多行，并且其中针脚的布置对应于PCB的网格图案。
因此，在该优选实施例中，这种焊接针脚被焊接或压入第一和第二PCB上的相应通孔中，以形成线圈的匝。形成第三匝区段的每个焊接针脚电连接第一匝区段的第二端部和第二匝区段的第一端部。并且充当连结区段的每个焊接针脚电连接两个相邻匝，直接用作线圈的端子或者连接到线圈的端子。
在本发明的另一个优选实施例中，整个磁芯由薄、平的带状元件制成，并且平行于磁芯的表面布置的线圈的区段设置在平行于磁芯布置的两个PCB内。因此，PCB之间的距离大致相当于分支芯元件的厚度。然后，第三匝区段和连结区段由在PCB之间延伸的焊接针脚形成。这样，可提供用于无线功率传输布置的谐振器的电感器，其具有降低的高度，并且生产起来相当简单且因此成本有效。因此，不仅电感器而且整个谐振器都具有降低的高度，并且制造简单且成本有效。
优选地，这种谐振器在用于电动交通工具的无线充电器的次级侧中使用，因为具有接收器线圈的次级侧通常附接到交通工具的底部或者集成到交通工具的底部中。为了尽可能少地使用交通工具的空间，次级侧应做得尽可能薄。由于这种充电器的初级侧典型地放置在地板上，初级侧的高度不如次级侧的高度重要。对于其中次级侧例如竖直地安装在交通工具处并且其中初级侧例如附接在壁上或集成在壁中的交通工具来说也是如此。在这种情况下，次级侧也应尽可能薄。
这种谐振器的另一个优点是，由于电感器的紧凑而薄的设计，它们的重量降低了。次级侧中这种谐振器的重量越低，驱动承载次级侧的交通工具所需的能量就越少。
根据应用，线圈可具有任何期望的匝数。线圈可仅包括单匝或少量的匝，诸如例如三、四或五匝。然而，线圈也可具有高匝数，诸如例如高达数百匝。
在本发明的优选实施例中，线圈具有至少为2且在30以下的匝数。在更优选的实施例中，匝数在5以上和20以下，并且在甚至更优选的实施例中，匝数在7以上和14以下。这种电感器可例如在电动交通工具的充电器中使用。
每个第一匝区段(即，在第一PCB上的匝区段)可例如通过连接该第一匝区段的第一端部和第二端部的单个迹线来实现。这种连接件在下文中也被指定为股线。
然而，在本发明的优选实施例中，第一匝区段包括布置在第一匝区段的第一端部和第二端部之间的至少两个股线，并且每个股线包括第一PCB的迹线。这样，每个第一匝区段包括在该第一匝区段的第一端部和第二端部之间的至少两个电连接。这导致每个第一匝区段的平面利兹结构。
类似地，每个第二匝区段(即，在第二PCB上的每个匝区段)可由连接该第二匝区段的第一端部和第二端部的单个股线来实现。
但是在本发明的优选实施例中，第二匝区段包括布置在第二匝区段的第一端部和第二端部之间的至少两个股线，并且每个股线包括第二PCB的迹线。这样，每个第二匝区段包括在该第二匝区段的第一端部和第二端部之间的至少两个电连接。这同样导致每个第二匝区段的平面利兹结构。
每个第一或第二匝区段的股线的数量可彼此独立地选择，使得不是所有的第一匝区段都一定必须具有相同数量的股线。并且不是所有的第二匝区段都一定必须具有相同数量的股线。
但是在本发明的优选实施例中，第一和第二匝区段的股线数量相同。
第一和第二匝区段使用这种平面利兹结构导致用于无线功率转换器的谐振器的电感器具有由于趋肤效应和邻近效应而造成的降低的功率损耗。
在本发明的另一个优选实施例中，第一和第二PCB包括多个层，即，至少两个层，其中每个层包括至少一个迹线，并且其中每个股线包括在PCB的至少两个层上的迹线。第一和第二PCB还包括将不同层上的迹线连接到彼此以形成股线的通孔。这样，可以节省空间的方式在PCB上或PCB内上下和并排地设置多个股线。
由于匝区段的单个股线通过空气或PCB的基板相对于彼此隔离，因此由于趋肤效应而造成的损耗可进一步降低。
如果第一和第二匝区段的股线数量不太高，也可使用单层PCB。在这种情况下，股线可并排布置，例如作为单个导电层上的平行迹线。然而，在具有高磁通量的应用中，无线功率传输会导致高频损耗，这通常会妨碍使用简单的扁平PCB导体。
通过使用这种利兹结构，高频损耗可进一步显著降低，即，在某些实施例中降低高达50%。
在本发明的另一个优选实施例中，每个股线包括在PCB的所述至少两个层中的每层上的至少两个迹线。单层上的迹线不直接地连接到彼此，既不是通过PCB的相同层上的另一个迹线连接，也不是通过线、另一个导体等连接。相反，它们间接地连接到彼此。即，在PCB的相同层上的两个迹线通过在PCB的一个或多个不同层上的一个或多个迹线以及对应的通孔连接到彼此，以互连PCB层。并且迹线优选地布置并通过通孔连接到彼此，以便形成绞合的股线。因此，在这样的优选实施例中，一个、多个或者甚至所有的第一和第二匝区段包括多个绞合股线。
在这种换位(transposed)股线中，特定股线的两个连续迹线段不仅布置在PCB的不同层上，而且它们还横向移位。这意味着它们大体上彼此平行延伸，但是它们横向偏移。这可例如通过倾斜的通孔(即，它们不垂直于PCB表面)或者通过垂直的通孔实现，其中，迹线段之一包括成角度的区段，该区段即为在第一或第二匝区段的端部之间偏离主方向的区段。
通过这种股线的换位，可减少单一股线的相互影响。
根据权利要求6至9中任一项所述的电感器，其中迹线具有在50µm和200µm之间、优选地在80µm和150µm之间、并且甚至更优选地在100µm和120µm之间的高度。
在诸如例如用于电动交通工具的无线充电器的典型应用中，作为要安装在交通工具处或交通工具内的模块的次级侧具有大约几厘米到几分米的长度和宽度，其中这些尺寸主要是由于谐振器(即，具有绕组的磁芯)的尺寸造成的。
使用用于这种谐振器的次级侧的H形芯，分支具有例如在5cm和30cm之间的宽度、在10cm和50cm之间的长度以及在3mm和3cm之间的厚度。
在本发明的这样的优选实施例中，围绕H形芯的分支缠绕的线圈的匝数在8和12之间。
然后，在PCB上的迹线优选地具有在50µm和200µm之间的高度。更优选地，它们具有在80µm和150µm之间的高度，并且甚至更优选地它们的高度在100µm和120µm之间。
并且迹线优选地具有在200µm和1000µm之间的宽度。
如上文所提及，由充电系统的初级侧产生的磁场通常在Y方向上变化。但是磁场不仅在Y方向上变化，而且也在Z方向(即垂直于Y方向和X方向的方向)上变化。
因此，如果如上所述的具有缠绕在分支上的线圈的H形芯或梯形芯定位在初级侧上方，使得一个或多个分支平行于Y方向，则更靠近TC的RC的匝区段(底部匝区段)中的磁通量高于更远离TC的RC的匝区段(顶部匝区段)中的磁通量。
在本发明的另一个优选实施例中，特定匝的第二匝区段的宽度等于或小于该匝的第一匝区段的宽度。
根据无线充电器的应用和所需特征，两个匝区段的宽度当然也可相等，或者底部匝区段的宽度甚至可大于顶部匝区段的宽度。
如上所见，磁通量在Y方向上变化，并且因此对于线圈的不同匝通常是不同的。由初级侧在Y方向上产生的磁场典型地在中心较小，并且向外变得较高。因此，如果次级侧在Y方向上正确对准，则在中心处(即，线圈的内匝)的磁场典型地小于朝向端部(即，线圈的外匝)的磁场。
并且由于迹线的较小宽度有利于较高的磁通密度，因此在本发明的另一个优选实施例中，线圈的外匝的第一匝区段的迹线的宽度高于线圈的内匝的第一匝区段的迹线的宽度，并且线圈的外匝的第二匝区段的迹线的宽度高于线圈的内匝的第二匝区段的迹线的宽度。
然而，根据特定应用，次级侧的尺寸以及还有迹线的尺寸也可小于或大于上面提及的那些尺寸。
如上文所提及，除了线圈，谐振电路还可包括另外的电路部件，诸如例如用于无功功率补偿的谐振电容器。
在本发明的另一个优选实施例中，第一或第二PCB中的至少一个因此包括电连接到线圈的电路部件。这种部件可例如使用通孔技术安装在PCB上，或者优选地，表面安装用于将SMD(表面安装设备)直接焊接在PCB的表面上。
根据本发明的谐振器(即，用于无线功率传输布置的谐振器)包括如上所述的电感器，该电感器包括具有绕组的磁芯，其中绕组如上所述布置在芯上。
然而，对于本领域技术人员来说清楚的是，这种谐振器还可包括另外的元件和部件。例如，谐振电路还可包括另外的谐振部件，诸如电容器或电阻器。
在根据本发明的无线功率传输布置中，即，在用于从初级谐振器横跨气隙到次级谐振器的无线功率传输的无线功率传输布置中，初级谐振器或次级谐振器包括如上所述的电感器，该电感器包括具有绕组的磁芯，其中绕组如上所述布置在芯上。
同样，对于本领域技术人员来说清楚的是，这种谐振器还可包括另外的元件和部件。例如，谐振电路还可包括另外的谐振部件，诸如电容器或电阻器。
在无线功率传输布置的优选实施例中，次级谐振器包括谐振器。这是特别有益的，因为这种谐振器的大多数优点(包括重量减轻、占地面积小、高度降低和效率提高)在附接或集成到电动交通工具中的次级侧中是最有效的。
这种无线功率传输布置通常包括另外的元件或部件，诸如例如用于接收输入功率的功率输入端、用于将输入功率转换成初级AC功率的输入级，该初级AC功率被馈送到产生磁场的初级谐振器。次级侧通常包括：次级谐振器，其用于将通过磁场接收的功率转换成次级AC功率；以及输出级，用于将次级AC功率转换成输出功率，该输出功率在无线功率传输布置的输出端处被提供以供进一步使用。并且无线功率传输布置通常还包括控制器，其用于控制从初级侧到次级侧的功率传输。
根据本发明的方法，即，一种用于制造用于无线功率传输布置的谐振器的电感器的方法，包括以下步骤：在磁芯的一侧上布置具有至少一个迹线的第一PCB；在磁芯的另一侧上布置具有至少一个迹线的第二PCB，并通过以下步骤提供线圈的匝：
- 使用第一PCB的迹线作为该匝的第一匝区段，
- 使用第二PCB的迹线作为该匝的第二匝区段，
- 通过将第一匝区段的第二端部连接到第二匝区段的第一端部来提供该匝的第三匝区段，并且
- 将所述匝连接到线圈的端子或相邻匝，优选地连接到相邻匝的第一匝区段的第一端部。
其它有利的实施例和特征的组合根据下面的详细描述和整个权利要求书而展现出来。
附图说明
附图用于解释实施例，其示出如下：
图1示出无线功率传输系统的示意图(schematic representation)；
图2以侧视图示出电动交通工具和用于给交通工具充电的充电器的示意图；
图3以俯视图示出图2中所示的电动交通工具和充电器的示意图；
图4以俯视图示出主谐振器的示意图；
图5以俯视图示出无线充电器的次级谐振器的示意图；
图6以侧视图示出图5中所示谐振器的示意图；
图7以俯视图示出无线充电器的另一个次级谐振器的示意图；
图8以侧视图示出图7中所示谐振器的示意图；
图9示出围绕次级谐振器缠绕的芯的芯区段的线圈的示意图；
图10示出承载线圈的匝区段的顶部PCB的示意图；
图11示出承载线圈的匝区段的底部PCB的示意图；
图12示出另一个谐振器的一部分的放大视图的示意图；
图13示出具有两个股线的匝区段的示意图；
图14示出具有两个股线的另一个匝区段的示意图；
图15示出具有多个股线的示例性匝区段的一部分的示意图；以及
图16示出具有多个股线的另一个示例性匝区段的一部分的示意图。
在附图中，相同的部件被赋予相同的参考标记。
具体实施方式
图1示出无线功率传输系统1的示意图。无线功率传输系统1包括初级侧2和次级侧3，以横跨气隙10传输功率。初级侧2包括输入级4和初级谐振器5。输入级将输入功率6转换成AC初级功率，该AC初级功率被馈送到初级谐振器5。谐振器5感生磁场11，以横跨气隙10无线传输功率。次级侧3包括次级谐振器7和输出级8。次级谐振器7接收磁场11，将通过磁场11接收的功率转换成AC次级功率，并将其馈送到输出级8。输出级8最终将AC次级功率转换成输出功率9，该输出功率9在无线功率传输系统1的输出端处被提供。
无线功率传输系统1还包括控制器14，其接收输入信号15，并基于这些输入信号15提供控制信号16、17来控制无线功率传输系统1的功率传输。尽管控制器14被示出为独立的单元，但是它也可被集成到图1中所示的任何单元中。它也可被分成两个或更多个控制器单元，以在无线功率传输系统1内执行不同的控制任务。
输入功率6例如是AC功率，并且输入级4例如包括转换器，其用于将AC输入功率6转换成被馈送到初级谐振器5的AC初级功率。输出级8例如包括转换器，其用于将从次级谐振器7接收的AC次级功率转换成DC输出功率9。然后，DC输出功率9用于给电动交通工具的能量存储器充电，或者将其提供给任何其它功率消耗设备，该功率消耗设备是交通工具的一部分或者不是交通工具的一部分。
初级侧2通常安装在充电站的地板或墙壁上，并且次级侧3安装在交通工具内或附接到交通工具。为了给诸如例如这种电动交通工具的驱动电池之类的能量存储器充电，交通工具被定位在初级侧2附近，使得次级侧3布置在由初级侧2产生的磁场11内以接收该磁场11。
图2和图3示出电动交通工具20和用于给交通工具20充电的充电器的示意图。具有发射器线圈21的初级谐振器布置在地板上，并且具有接收器线圈22的次级谐振器附接到交通工具20的底部。交通工具20定位在地板上，使得接收器线圈22直接位于发射器线圈21上方，两者间具有在Z方向26上的气隙10。因为很难将交通工具20最佳地定位在发射器线圈21上方，所以通常存在Y方向24上的未对准27和X方向25上的未对准28。
就这一点而言，未对准意味着发射器线圈21和接收器线圈22没有最佳地对准，使得传输效率低于具有最佳对准的最大可实现传输效率。可通过稍微向后移动交通工具来补偿Y方向24上的未对准27。然而，为了减少在X方向25上的未对准28，交通工具20必须以精确的方式侧向移动。但是这是困难的，因为交通工具首先必须在Y方向上以轻微的弯曲移动更大的距离，并且然后移动回到发射器线圈21上方。
为了避免交通工具的这种不准确的移动，初级谐振器被制造成使得它典型地产生磁场，该磁场或多或少均匀地在X方向上的相对较宽的区域中延伸，并且使得接收器线圈中的磁通密度不会由于在X方向上的未对准而显著变化。由于在Y方向上的未对准，接收器线圈中的磁通密度通常变化得大的多，并且将最大磁通密度移动到接收器线圈的一侧。
图4示出初级谐振器35的示例性实施方式的示意图。谐振器35包括磁芯30，磁芯30由并排布置的两个芯部分30.1、30.2组成。每个芯部分30.1、30.2包括两个轭31和在轭31之间延伸的多个分支32。尽管大多数分支要承载线圈33，但是每个芯部分30.1、30.2的最上分支和最下分支32不承载线圈，而是与芯部分30.1、30.2的两个轭31一起形成矩形框架。线圈33连接到彼此或AC电源，以便在Z方向(即，垂直于图4的绘图平面延伸的方向(未示出))上产生磁场。
图4还以虚线示出具有H形磁芯的次级侧34。如可看到的，由于初级谐振器35的结构，次级侧34在X方向25上的未对准几乎对次级侧34内的磁通密度没有影响，而在Y方向24上的未对准对次级侧34内的磁通密度具有大得多的影响。
图5和图6示出无线充电器的次级谐振器40的示意图。图5以俯视图示出次级谐振器40，并且图6则以侧视图示出次级谐振器40。次级谐振器40包括具有两个轭41的H形芯和在轭41之间延伸的分支42。线圈43缠绕在分支42上。
轭41和分支42布置在相同平面中，并且使得分支42精确地配合在轭41之间。
图7和图8示出无线充电器的次级谐振器40'的示意图。图7以俯视图示出次级谐振器40'，并且图8则以侧视图示出次级谐振器40'。次级谐振器40'相当类似于图5和图6中所示的谐振器，并且包括具有两个轭41的梯形芯。与图5、图6中所示的芯相反，在该示例中的芯包括在轭41之间延伸的两个分支42。同样，线圈43缠绕在每个分支42上。
与图5、图6中所示的谐振器的另一个区别之处在于，轭41和分支42不布置在相同平面中，而是分支42布置在轭41上方。然而，分支42相对于轭41的位置与芯的分支的数量无关。
图9示出围绕次级谐振器的芯的分支52缠绕的线圈53的示意图的一部分。次级谐振器包括布置在分支52上方的第一PCB 56.1和布置在分支52下方的第二PCB 56.2。并且次级谐振器包括焊接到PCB 56.1、56.2的对应孔中的多个焊接针脚57。尽管在图9中在分支52的前面仅示出一排焊接针脚57，但是要注意，第二排焊接针脚57设置在分支52的后面，但是在图9中不可见。这些焊接针脚57中的每个将PCB 56.1、56.2中的一个上的迹线与PCB56.1、56.2中的另一个上的迹线连接，并且PCB 56.1、56.2中的一个上的每个迹线将分支52前面的排中的焊接针脚57与分支52后面的排中的焊接针脚57连接。这样，形成了围绕分支52缠绕的线圈。换句话说，在上PCB 56.1上的迹线形成如上所提及的第一匝段，在下PCB56.2上的迹线形成第二匝段，并且焊接针脚57形成线圈的匝的第三段和连结段。
由PCB 56.1、56.2上的迹线提供的两个焊接针脚57之间的每个电连接可包括两个焊接针脚57之间的一个或多个导电路径，如下文进一步所示。
图10示出如图9中所示的线圈53的顶部PCB 56.1上的第一匝区段55的可能布局的示意图。
分支52以虚线示出，并且焊接针脚57被示出为圆盘，其中分支52的一侧上的焊接针脚57中的一个通过第一匝区段55连接到分支52的另一侧上的焊接针脚57中的另一个。在该示例中，每个第一匝区段55将分支52的一侧上的特定焊接针脚57与分支52的另一侧上的焊接针脚57连接，该分支52的另一侧上的焊接针脚57邻近于直接与该特定焊接针脚57相面对的焊接针脚57。这样，第一匝区段55稍微倾斜并且彼此平行。
同样，在两个焊接针脚57之间的PCB 56.1上的每个电连接，即，每个第一匝区段55可包括两个焊接针脚57之间的一个或多个导电路径，如下文进一步所示。
并且图11示出如图9中所示的线圈53的底部PCB 56.2上的第二匝区段55’的可能布局的示意图。
分支52以虚线示出，并且焊接针脚57被示出为圆盘，其中分支52的一侧上的焊接针脚57中的一个通过第二匝区段55'连接到分支52的另一侧上的焊接针脚57中的另一个。在该示例中，每个第二匝区段55将分支52的一侧上的特定焊接针脚57与直接与该特定焊接针脚57相面对的焊接针脚57连接。这样，第一匝区段55彼此平行并且垂直于分支52的纵向方向。
并且同样，两个焊接针脚57之间的每个电连接，即，每个第二匝区段55’可包括两个焊接针脚57之间的一个或多个导电路径，如下文进一步所示。
图12示出另一个谐振器的一部分的放大视图的示意图。图12示出布置在分支52上方的PCB 58。PCB 58是具有四个导电层59的多层PCB，其中这些导电层59中的每个包括多个迹线。谐振器还包括多个焊接针脚57，这些焊接针脚57布置在分支52的任一侧上，并被焊接到PCB 58的孔中。每个焊接针脚57将PCB 58的一个或多个层59上的一个或多个迹线与分支52下方的另一个单层或多层PCB的一个或多个层上的一个或多个迹线连接。
并且此外，在PCB 58的一侧上的每个焊接针脚57通过一个或多个股线连接到PCB58的另一侧上的焊接针脚57，其中每个股线可包括PCB 58的一个或多个层59上的一个或多个迹线，并且其中不同层59上的两个连续迹线通过PCB 58内的通孔彼此连接。
因此，由PCB 58上的迹线提供的两个焊接针脚57之间的每个电连接可包括两个焊接针脚57之间的一个或多个导电路径。
图13示出两层PCB上的第一或第二匝区段65的一部分的示意图。PCB在该示例中未被示出。匝区段65包括两个股线66.1、66.2，两个股线66.1、66.2都始于在该示例中具有圆形横截面的相同焊接针脚67。第一股线66.1被以实线示出，并且第二股线66.2被以虚线示出。
第一股线66.1包括在PCB的第一导电层上的多个迹线段66.11和在PCB的第二导电层上的多个迹线段66.12，其中这些迹线段通过布置成两排(上排和下排)的通孔61连接到彼此。第一导电层上的第一迹线段66.11始于焊接针脚67，并且通过下排中的第一通孔61连接到第二层上的下一迹线段66.12。该迹线段66.12通过上排中的通孔连接到下一迹线段66.11，依此类推。
类似地，第二股线66.2包括在PCB的第一导电层上的多个迹线段66.21和在PCB的第二导电层上的多个迹线段66.22，其中这些迹线段通过通孔61连接到彼此。第二导电层上的第一迹线段66.22始于焊接针脚67，并且通过上排中的第一通孔61连接到第一层上的下一迹线段66.21。该迹线段66.21通过下排中的通孔连接到下一迹线段66.22，依此类推。
迹线段66.11、66.12、66.21、66.22设计为通孔61之间的直线迹线。
因此，两个股线66.1、66.2在两排通孔之间来回延伸，并且在两个导电层之间上下延伸，以在焊接针脚67和分支的另一侧上的另一个焊接针脚(两者均未被示出)之间形成绞合迹线区段。
在该示例中，第一导电层布置在第二导电层下方，使得第二层上的迹线段定位在第一层上的迹线段上方，这由第一层上的迹线段的中断线示出。
图14示出具有两个股线76.1、76.2的匝区段75的另一示例的示意图。始于焊接针脚77，匝区段75在大体方向75.1上延伸到另一个焊接针脚(未示出)。匝区段75相当类似于图13中所示的匝区段，但是包括与图13的匝区段65的两个主要区别。第一个区别是焊接针脚77具有矩形横截面。事实上，焊接针脚可大体上具有任何合适的横截面，以最好地将一个PCB上的股线连接到另一个PCB上的股线。另一个区别是在通孔之间的迹线段的形状。尽管图13所示示例的迹线段76.11、76.12、76.21、76.22设计为直线迹线，但是迹线段76.11、76.12、76.21、76.22不是通孔之间的直线连接，而是包括两个包括角度的直线部分。
始于焊接针脚77，第一股线76.1的第一迹线段76.12包括第一导电层上的两个段部分，其中第一段部分是倾斜的，并且相对于方向75.1以例如20°至80°的角度从上排通孔61的水平延伸到下排通孔61的水平。第二段部分平行于方向75.1延伸到下排中的第一通孔61。第一股76.1的随后的迹线段76.11包括在第二导电层上的两个段部分，其中第一段部分是倾斜的，并且以例如20°至80°的角度从下排中的通孔61延伸到上排通孔61的水平，接着是平行于方向75.1延伸到上排中的第二通孔61的第二段部分，依此类推。
第二股线76.2的第一迹线段76.21包括在第二导电层上的两个段部分，其中第一段部分是倾斜的，并且相对于方向75.1以例如20°至80°的角度从下排通孔61的水平延伸到上排通孔61的水平。第二段部分平行于方向75.1延伸到上排中的第一通孔61。第二股线76.2的随后的迹线段76.22包括在第一导电层上的两个段部分，其中第一段部分是倾斜的，并且以例如20°至80°的角度从上排中的通孔61延伸到下排通孔61的水平，接着是平行于方向75.1延伸到下排中的第二通孔61的第二段部分，依此类推。
对于股线76.1、76.2的一些或甚至所有迹线段76.11、76.12、76.21、76.22，倾斜段部分的角度可为不同的。然而，对于所有倾斜段部分，角度优选地是相同的，其中从上排通孔61的水平延伸到下排通孔61的水平的倾斜部分的角度与从下排通孔61的水平延伸到上排通孔61的水平的倾斜部分的角度相比具有相反的符号。
然而，每个轨迹段的段部分也可改变，使得第一段部分平行于方向75.1延伸，并且第二段部分倾斜。
同样，第一导电层布置在第二导电层下方，使得第二层上的迹线段定位在第一层上的迹线段上方，这由第一层上的迹线段的中断线示出。
要注意，焊接针脚的形状和迹线段的形状可彼此独立地选择，并且可针对给定的应用进行优化。
图15示出具有多个股线的示例性匝区段的一部分的示意图。在该示例中，匝区段85在大体方向85.1上延伸，并且包括六个股线86.1、86.2、86.3、86.4、86.5、86.6，它们设置在具有四个导电层的PCB上。
以举例的方式，股线86.6的路径在下面被描述。其它股线86.1、86.2、86.3、86.4、86.5的路径类似，但是在方向85.1上移位。
在该示例中，通孔61布置成四排61.1、61.2、61.3、61.4。股线86.6的第一迹线段86.61设置在第一导电层上，并且从第一排61.1的水平延伸到第二排61.2的水平。第二迹线段86.62设置在第一导电层下方的第二导电层上，并且从第二排61.2的水平延伸到第三排61.3的水平。第三迹线段86.63设置在第二导电层下方的第三导电层上，并且从第三排61.3的水平延伸到第四排61.4的水平。第四迹线段86.64设置在第三导电层下方的第四导电层上，并且从第四排61.4的水平延伸回到第三排61.3的水平。第五迹线段86.65设置在第三导电层上，并且从第三排61.3的水平延伸回到第二排61.2的水平。并且第六迹线段86.66设置在第二导电层上，并且从第三排61.3的水平延伸回到第二排61.2的水平。这六个迹线段86.61至86.66的序列形成股线86.6的螺旋股线区段的一匝，其开始和结束于第一导电层上的第一排61.1。通过提供彼此连接的六个迹线段的若干个这样的序列，导致股线86.6的螺旋形式。由于其它股线86.1、86.2、86.3、86.4、86.5以相同的方式构建，匝区段85包括由股线86.1、86.2、86.3、86.4、86.5、86.6形成的绞合或利兹状结构。
图16示出另一个示例性匝区段95的一部分的示意图，该匝区段95具有在大体方向95.1上延伸的多个股线。在该示例中，匝区段95包括九个股线96.1至96.9，并且它们中的每个都包括通过通孔(未示出)彼此连接的多个迹线段，其中通孔在该示例中布置成形成七个排61.1至61.7。股线96.1被突出以示出其通过匝区段95的描绘部分的路线。
在本发明的开发过程中，已经发现无线充电器用于给电动交通工具充电的应用如下：
- PCB上的匝区段的总宽度lbase，即，垂直于该迹线区段的大体方向的宽度，大约为5至10mm，
- 为了避免股线之间不需要的串扰或其它干扰，应保持约0.4mm的隔离长度，
- 股线的单个迹线段的宽度大约为十分之几毫米到几毫米，这取决于例如用于形成股线的通孔的排数，
对于匝区段的给定的总宽度lbase、给定的隔离长度liso和给定的通孔排数Nrow，股线的单个迹线段的宽度L1可例如通过以下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
- 将这种利兹结构用于次级绕组的第一和第二匝区段减少了该次级绕组中的损耗，
然而，由于较高的DC电阻和较差的电阻系数，使用仅具有两排或三排通孔的结构可能导致增加的损耗；但是使用具有四排或更多排通孔的结构导致整体损耗降低，
由于针对具有多于七排通孔的结构通孔数量显著更高，从而增加了制造成本，例如如图16中所示的具有七排通孔的结构提供了降低损耗和制造成本的良好折衷，
- 关于单个迹线的高度，对于90µm以上的高度，损耗可显著降低，但是对于120µm以上的高度，仅可实现微小的改善，
因此，迹线的高度被选择为大约90µm至120µm，
- 如上所概述，由于磁场在Y方向上的强烈变化，股线的迹线段的宽度优选地针对线圈的每个匝单独地确定，
迹线的宽度被选择为大约100µm至800µm，
因此，线圈的外匝的第一和第二匝区段的迹线的宽度因此被选择为分别高于线圈的内匝的第一和第二匝区段的迹线的宽度，
- 并且由于在Z方向上的磁场的变化，第一匝区段(其更远离发射线圈)的迹线段的宽度被选择为高于第二匝区段(其更靠近发射线圈)的迹线段的宽度，
- 与线圈的常规非利兹结构相比，根据本发明的谐振器的平面利兹结构显著降低了次级侧(即，在操作频率下的交通工具侧谐振器)的线圈的AC电阻，其中操作频率大约为约10kHz及以上。
在以上所示和所述的大多数示例中，股线只是抵靠彼此绞合。然而，要注意，股线的迹线段也可连接成以便将股线彼此交织在一起。这样，可产生迹线区段的单股线的任何期望的编织图案。
此外，可选择导电层的数量和股线的数量，以便最好地满足特定应用的要求。
总之，要注意，本发明能够创造用于无线功率传输布置的谐振器的电感器，其具有降低的高度，可以合理的成本生产，并且表现出降低的损耗。

Claims (16)

1.一种用于无线功率传输布置的谐振器的电感器，包括布置在磁芯上的线圈，其特征在于，所述线圈的至少一个匝包括：
b) 第一匝区段，其包括布置在所述磁芯的一侧上的第一PCB的迹线，
c) 第二匝区段，其包括布置在所述磁芯的另一侧上的第二PCB的迹线，
d) 第三匝区段，其连接所述第一匝区段的第二端部和所述第二匝区段的第一端部，以及
e) 连结区段，其将所述至少一个匝连接到所述线圈的端子或相邻匝，优选地连接到所述相邻匝的第一匝区段的第一端部。
2.根据前述权利要求中任一项所述的电感器，其特征在于，所述磁芯包括两个轭元件和磁性地连接所述轭元件的至少一个分支元件，并且其中，所述线圈布置在所述至少一个分支元件上。
3.根据权利要求2所述的电感器，其特征在于，所述分支元件具有条状形状，并且其中，所述第一PCB和所述第二PCB平行于所述分支元件布置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电感器，其特征在于，所述第三匝区段和所述连结区段两者包括焊接针脚。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电感器，其特征在于，所述线圈具有至少为1且在20以下、优选地在5以上且在16以下、并且甚至更优选地在7以上且在14以下的匝数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电感器，其特征在于，所述第一匝区段包括布置在所述第一匝区段的所述第一端部和所述第二端部之间的至少两个股线，并且其中，每个股线包括所述第一PCB的迹线。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电感器，其特征在于，所述第二匝区段包括布置在所述第二匝区段的所述第一端部和所述第二端部之间的至少两个股线，并且其中，每个股线包括所述第二PCB的迹线。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的电感器，其特征在于，所述第一PCB和所述第二PCB包括具有至少一个迹线的多个层，并且其中，每个股线包括在至少两个层上的迹线，并且其中，所述第一PCB和第二PCB包括将不同层上的所述迹线连接到彼此以形成所述股线的通孔。
9.根据权利要求8所述的电感器，其特征在于，每个股线包括在所述至少两个层中的每个上的至少两个迹线，并且其中，布置所述迹线并通过通孔使其连接到彼此，以形成绞合股线。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的电感器，其特征在于，所述迹线具有在50µm和200µm之间、优选地在80µm和150µm之间、并且甚至更优选地在100µm和120µm之间的高度。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的电感器，其特征在于，所述迹线具有在200µm和1000µm之间的宽度，其中，匝的所述第二匝区段的宽度等于或小于该匝的所述第一匝区段的宽度。
12.根据权利要求11所述的电感器，其特征在于，所述线圈的外匝的所述第一匝区段和所述第二匝区段的所述迹线的宽度分别高于所述线圈的内匝的所述第一匝区段和第二匝区段的所述迹线的宽度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电感器，其特征在于，所述第一PCB或所述第二PCB中的至少一个包括电连接到所述线圈的电路部件，特别是用于无功功率补偿的电路部件，其中，所述电路部件优选地安装在所述第一PCB和/或所述第二PCB的表面上。
14.一种用于无线功率传输布置的谐振器，包括根据前述权利要求中任一项所述的电感器。
15.一种用于从初级谐振器横跨气隙到次级谐振器的无线功率传输的无线功率传输布置，其中，所述初级谐振器或所述次级谐振器，优选地所述次级谐振器包括根据前述权利要求中任一项所述的电感器。
16.一种制造用于无线功率传输布置的谐振器的电感器的方法，包括以下步骤：
a) 将具有至少一个迹线的第一PCB布置在磁芯的一侧上，
a) 将具有至少一个迹线的第二PCB布置在所述磁芯的另一侧上，
b) 通过以下方式提供所述线圈的匝：
- 使用所述第一PCB的迹线作为所述匝的第一匝区段，
- 使用所述第二PCB的迹线作为所述匝的第二匝区段，
- 通过将所述第一匝区段的第二端部连接到所述第二匝区段的第一端部来提供所述匝的第三匝区段，并且
- 将所述匝连接到所述线圈的端子或相邻匝，优选地连接到相邻匝的第一匝区段的第一端部。
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