CN112635152A - 环形阵列磁钢系统及磁吸定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了环形阵列磁钢系统及磁吸定位系统。磁吸定位系统包括第一主体、第二主体以及环形阵列磁钢系统，环形阵列磁钢系统包括具有第一中心轴线的第一磁环和具有第二中心轴线的第二磁环；第一磁环包括环绕第一中心轴线设置的第一磁吸单元，第一磁吸单元包括环绕第一中心轴线排布且依次相连的第一磁钢、第二磁钢、第三磁钢和第四磁钢，第一磁钢和第三磁钢的磁极方向相反且均沿环绕第一中心轴线的方向排布，第二磁钢和第四磁钢的磁极方向相反且磁极排布方向平行于第一中心轴线；第二磁环包括第二磁吸单元，第二磁吸单元包括与第一磁吸单元一一对应设置的第五磁钢、第六磁钢、第七磁钢和第八磁钢。本方案能够更好地满足精准定位的需求。

Description

环形阵列磁钢系统及磁吸定位系统

【技术领域】

本发明属于磁吸定位技术领域，尤其涉及环形阵列磁钢系统及磁吸定位系统。

【背景技术】

无线充电技术中磁吸对准定位系统通过磁钢配件之间的对准提供足够强的磁吸力，能在一定范围内自动校准偏心位置，使器件和充电设备完全对准，以达到最高感应式充电效率。然而相关技术中磁吸对准定位系统的磁吸力、回复区域和磁屏蔽效果不易均衡，常存在磁吸力不足、回复区域不合适和/或磁屏蔽效果不佳的问题，且定位后不易松开，无法很好地满足精准定位的需求。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种环形阵列磁钢系统及磁吸定位系统，能够达到足够的磁吸力和合适的回复区域，且磁屏蔽效果良好，松开过程简单省力，能够满足精准定位的需求。

本发明的技术方案如下：一种环形阵列磁钢系统，包括具有第一中心轴线的第一磁环和与所述第一磁环间隔设置且具有第二中心轴线的第二磁环；

所述第一磁环包括环绕所述第一中心轴线设置的N个第一磁吸单元，N为大于等于1的整数，所述第一磁吸单元包括环绕所述第一中心轴线排布且依次相连的第一磁钢、第二磁钢、第三磁钢和第四磁钢，所述第一磁钢和所述第三磁钢的磁极方向相反且均沿环绕所述第一中心轴线的方向排布，所述第二磁钢和所述第四磁钢的磁极方向相反且磁极排布方向平行于所述第一中心轴线；

所述第二磁环包括环绕所述第二中心轴线设置的N个第二磁吸单元，所述第二磁吸单元包括环绕所述第二中心轴线排布且依次相连的第五磁钢、第六磁钢、第七磁钢和第八磁钢，所述第五磁钢、所述第六磁钢、所述第七磁钢和所述第八磁钢的位置依次与所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢对应，所述第五磁钢与所述第一磁钢的磁极方向相反，所述第六磁钢与所述第二磁钢的磁极方向相同，所述第七磁钢与所述第三磁钢的磁极方向相反，所述第八磁钢与所述第四磁钢的磁极方向相同。

进一步地，所述第一磁吸单元和所述第二磁吸单元的尺寸相同。

进一步地，所述第五磁钢、所述第六磁钢、所述第七磁钢和所述第八磁钢的尺寸依次与所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢相同。

进一步地，所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢对应的圆心角依次增大。

进一步地，所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢对应的圆心角等差排布且公差为d，1°≤d≤45°。

进一步地，公差d满足条件：1°≤d≤10°。

进一步地，所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢对应的圆心角的比例为1:n:1:1，1＜n≤15。

进一步地，所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢对应的圆心角的比例为1:m:1:m，1＜m≤10。

进一步地，所述第一磁吸单元的个数N满足条件：5≤N≤10。

进一步地，提供一种磁吸定位系统，包括第一主体、与所述第一主体匹配的第二主体以及如上任意一种所述的环形阵列磁钢系统，所述第一主体的一侧具有第一匹配面，所述第二主体具有能够与所述第一匹配面配合的第二匹配面，所述第一磁环固定于所述第一主体且所述第一中心轴线垂直于所述第一匹配面，所述第二磁环固定于所述第二主体且所述第二中心轴线垂直于所述第二匹配面。

本发明的有益效果在于：本方案的第一磁环和第二磁环分别包括第一磁吸单元和第二磁吸单元，并且第一磁吸单元和第二磁吸单元中各磁钢的排列顺序一一对应，通过各磁钢的磁极方向的排布，可以使第一磁环和第二磁环相吸附侧磁力更强，而另一侧磁力更弱，磁屏蔽效果更好，当第一磁环和第二磁环的相吸附侧靠近到一定的距离时会在磁力的作用下相互吸引，从而使第一中心轴线和第二中心轴线重合，实现精准定位，并且吸附后第一磁吸单元和第二磁吸单元位置对应，可以提供强力的磁吸力，定位时更为稳定，需要松开时，可以使第一磁环和第二磁环相互转动，使得第一磁吸单元与第二磁吸单元错位，转动一定角度后第一磁环和第二磁环之间的磁吸力会减弱，更容易松开，本方案的环形阵列磁钢系统能够更好地满足精准定位的需求。

【附图说明】

图1为本发明磁吸定位系统的结构示意图；

图2为本发明环形阵列磁钢系统的俯视示意图；

图3为本发明环形阵列磁钢系统沿A-A方向剖开并展开后第一磁环和第二磁环的磁钢结构及各磁钢的磁极方向部分示意图；

图4为本发明的环形阵列磁钢系统第一磁吸单元的各磁钢的尺寸均相同时的结构示意图；

图5为本发明的环形阵列磁钢系统第一磁吸单元的各磁钢的尺寸均相同时第一磁环包含的总磁钢个数与磁吸力、回复区域的关系表；

图6为本发明的环形阵列磁钢系统第一磁吸单元的各磁钢的尺寸均相同时第一磁环包含的总磁钢个数与磁吸力的变化趋势图；

图7为本发明第一种实现方式的环形阵列磁钢系统的第一磁吸单元和第二磁吸单元的结构示意图；

图8为本发明第一种实现方式的环形阵列磁钢系统中公差d与磁吸力、回复区域的关系表；

图9为本发明第二种实现方式的环形阵列磁钢系统的第一磁吸单元和第二磁吸单元的结构示意图；

图10为本发明第二种实现方式的环形阵列磁钢系统中n与磁吸力、回复区域的关系表；

图11为本发明第三种实现方式的环形阵列磁钢系统的第一磁吸单元和第二磁吸单元的结构示意图；

图12为本发明第三种实现方式的环形阵列磁钢系统中m与磁吸力、回复区域的关系表；

图13为本发明第一种实现方式、第二种实现方式、第三种实现方式的环形阵列磁钢系统中第一磁环和第二磁环之间偏转角度与磁吸力的关系图；

图14为在第二主体内侧距第一磁环表面0.03mm处时本发明第一种实现方式、第二种实现方式、第三种实现方式的环形阵列磁钢系统对应的磁场发散强度图；

图15为在第二主体内侧距第一磁环表面0.1mm处时本发明第一种实现方式、第二种实现方式、第三种实现方式的环形阵列磁钢系统对应的磁场发散强度图；

图16为本发明第一种实现方式、第二种实现方式、第三种实现方式的环形阵列磁钢系统的参数性能评估表。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，提供一种磁吸定位系统，包括第一主体3、与第一主体3匹配的第二主体4以及环形阵列磁钢系统，其中环形阵列磁钢系统包括具有第一中心轴线10的第一磁环1和与第一磁环1间隔设置且具有第二中心轴线20的第二磁环2；

结合图1-3，第一磁环1包括环绕第一中心轴线10设置的N个第一磁吸单元11，N为大于等于1的整数，第一磁吸单元11包括环绕第一中心轴线10排布且依次相连的第一磁钢111、第二磁钢112、第三磁钢113和第四磁钢114，第一磁钢111和第三磁钢113的磁极方向相反且均沿环绕第一中心轴线10的方向排布，第二磁钢112和第四磁钢114的磁极方向相反且磁极排布方向平行于第一中心轴线10；

第二磁环2包括环绕第二中心轴线20设置的N个第二磁吸单元21，第二磁吸单元21包括环绕第二中心轴线20排布且依次相连的第五磁钢211、第六磁钢212、第七磁钢213和第八磁钢214，第五磁钢211、第六磁钢212、第七磁钢213和第八磁钢214的位置依次与第一磁钢111、第二磁钢112、第三磁钢113和第四磁钢114对应，第五磁钢211与第一磁钢111的磁极方向相反，第六磁钢212与第二磁钢112的磁极方向相同，第七磁钢213与第三磁钢113的磁极方向相反，第八磁钢214与第四磁钢114的磁极方向相同；

第一主体3的一侧具有第一匹配面31，第二主体4具有能够与第一匹配面31配合的第二匹配面41，第一磁环1固定于第一主体3且第一中心轴线10垂直于第一匹配面31，第二磁环2固定于第二主体4且第二中心轴线20垂直于第二匹配面41。

本方案的第一磁环1和第二磁环2分别包括第一磁吸单元11和第二磁吸单元21，并且第一磁吸单元11和第二磁吸单元21中各磁钢的排列顺序一一对应，通过各磁钢的磁极方向的排布，可以使第一磁环1和第二磁环2相吸附侧磁力更强，而另一侧磁力更弱，磁屏蔽效果更好，当第一磁环1和第二磁环2的相吸附侧靠近到一定的距离时会在磁力的作用下相互吸引，从而使第一中心轴线10和第二中心轴线20重合，实现精准定位，并且吸附后第一磁吸单元11和第二磁吸单元21位置对应，可以提供强力的磁吸力，定位时更为稳定，需要松开时，可以使第一磁环1和第二磁环2相互转动，使得第一磁吸单元11与第二磁吸单元21错位，转动一定角度后第一磁环1和第二磁环2之间的磁吸力会减弱，更容易松开，本方案的环形阵列磁钢系统能够更好地满足精准定位的需求。

具体的，第一主体3和第二主体4可以分别为无线充电器和电子设备，其中电子设备可以是手机、平板电脑、学习机、MP5、MP4等等，第一主体3和第二主体4均可以具有壳体，即第一磁环1和第二磁环2可以均被壳体包覆，当第一主体3和第二主体4定位匹配时，第一磁环1和第二磁环2会由壳体隔开，使得第一磁环1和第二磁环2之间的距离在1mm-5mm以内，优选为1mm-3mm以内，例如1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm等等，具体距离可以根据实际情况设置。

第一磁吸单元11和第二磁吸单元21的尺寸相同。因此，第一磁环1和第二磁环2的尺寸相同，第一磁环1的厚度范围在0.2mm-0.5mm以内，优选为0.3mm-0.4mm，例如0.32mm、0.34mm、0.35mm、0.36mm等等。第一磁环1的内径(内环直径)范围在35mm-50mm以内，第一磁环1的外径(外环直径)范围在50mm-65mm以内，例如第一磁环1的内径可以为37mm、39mm、41mm、43mm、45mm、47mm、49mm等等，同时第一磁环1的外径可以为51mm、53mm、55mm、57mm、59mm、61mm、63mm等等。第一磁环1和第二磁环2的尺寸可以根据要应用的第一主体3和第二主体4的类型、尺寸、重量等参数适应性设置。在一些实施例中，第一磁环1的内径和外径可以与第二磁环2相同，而第一磁环1的厚度与第二磁环2的厚度不同。

在本实施例中，第五磁钢211、第六磁钢212、第七磁钢213和第八磁钢214的尺寸依次与第一磁钢111、第二磁钢112、第三磁钢113和第四磁钢114相同。因此，当第一磁吸单元11和第二磁吸单元21的位置对应时，第五磁钢211、第六磁钢212、第七磁钢213和第八磁钢214的位置也依次与第一磁钢111、第二磁钢112、第三磁钢113和第四磁钢114的位置对应，本方案的第一磁环1和第二磁环2均是采用海尔贝克阵列(halbach array)环形排布方式，因此，磁环一侧的磁场强度能够得到增强，而另一侧的磁场强度会削弱，磁场增强侧能够提供较强的磁吸力，适于磁吸对准定位，而磁场强度削弱侧可以朝向电子设备的内侧，磁屏蔽效果更好，更不会影响电子设备内部的电子元器件。

第一磁环1和第二磁环2分别由第一磁吸单元11和第二磁吸单元21为周期组成阵列磁环，由于本实施例第一磁环1和第二磁环2的结构一一对应，因此此处及后续部分以第一磁环1为例进行说明，结合图4-6，第一磁钢111、第二磁钢112、第三磁钢113和第四磁钢114对应的圆心角a、b、c、e的比例为1:1:1:1时，第一磁环1最少可以由一个第一磁吸单元11组成，即一个第一磁吸单元11的首尾相连形成一个圆环，随着第一磁吸单元11的数量的增加，第一磁环1和第二磁环2的磁吸力会逐步增大，而回复力呈减小趋势，为了适配磁吸对准的要求，第一磁吸单元11的个数N优选满足条件：5≤N≤10，例如N为6、7、8、9，对应的，整个第一磁环1分别包括24个、28个、32个、36个磁钢，在这个范围内，环形阵列磁钢系统可以具有足够优秀的磁吸力和较大的回复区域。

结合图7-8，在第一种实现方式中：第一磁钢111、第二磁钢112、第三磁钢113和第四磁钢114对应的圆心角a、b、c、e(结合图2，即磁钢两端所在的半径线之间的夹角)依次增大；优选的，第一磁钢111、第二磁钢112、第三磁钢113和第四磁钢114对应的圆心角等差排布且公差为d，1°≤d≤45°。具体的，在本实施例中，以N为8为例，即整个第一磁环1和整个第二磁环2分别包括32个磁钢，随着公差d的增加对磁吸力有一定的提升，而回复区域没有明显减小，因此，本实施例中，更优选的，公差d满足条件：1°≤d≤10°，例如d为3°、4°、5°、6°、7°等等。在一些实施例中，随着N的取值的变化，公差d的优选取值范围可以适应性调整，如公差d的上限还可以是15°、20°、25°、30°、35°、40°等等。

结合图9-10，在第二种实现方式中：第一磁钢111、第二磁钢112、第三磁钢113和第四磁钢114对应的圆心角a、b、c、e的比例为1:n:1:1，1＜n≤15。具体的，以N为8为例，即整个第一磁环1和整个第二磁环2分别包括32个磁钢，随着n的增大xy平面的回复区域会逐渐减小，但z方向的回复区域始终在3-4.5mm，所以对整体磁吸回复区域影响不大，本实施例中，更优选的，3≤n≤7，当n＝3和n＝7时磁吸力较大，考虑到n＝7时磁环片尺寸较小，加工充磁相对困难且成本更高，所以可以优选n＝3情况下的海尔贝克环形阵列磁钢排布。在一些实施例中，随着N的取值的变化，n的优选取值范围可以适应性调整。

结合图11-12，在第三种实现方式中：第一磁钢111、第二磁钢112、第三磁钢113和第四磁钢114对应的圆心角a、b、c、e的比例为1:m:1:m，1＜m≤10。具体的，以N为8为例，即整个第一磁环1和整个第二磁环2分别包括32个磁钢，随着m的增大磁吸力会逐渐增大，而z方向和xy方向的回复区域变化均较小，当n＝4时小磁片圆心角4.5度磁吸力较大，n>4后继续增加n后磁吸力的提升不大，但对加工制造及充磁工艺要求更高，因此，优选的，2≤m≤6。

对于上述三种实现方式的环形阵列磁钢系统，在第一种实现方式中，最佳公差d为4°，在第二种实现方式中，第一磁钢111、第二磁钢112、第三磁钢113和第四磁钢114对应的圆心角a、b、c、e的最佳比例为1:3:1:1，在第三种实现方式中，第一磁钢111、第二磁钢112、第三磁钢113和第四磁钢114对应的圆心角a、b、c、e的最佳比例为1:4:1:4。结合图13，D表示第一种实现方式的环形阵列磁钢系统，E表示第二种实现方式的环形阵列磁钢系统，F表示第三种实现方式的环形阵列磁钢系统，可以看出，这三种实现方式中第二种实现方式的环形阵列磁钢系统的第一磁环1和第二磁环2对旋转角度最为敏感，在充电结束后，只需旋转7.5度左右，磁吸力将为0，可轻松取下充电器。结合图14，在沿手机内侧距表面0.03mm处，第三种实现方式的环形阵列磁钢系统最大磁感应强度为0.816T最小；结合图15，在沿手机内侧距表面0.1mm处，第二种实现方式的环形阵列磁钢系统最大磁感应强度为0.598T最小；因此，第二种实现方式和第三种实现方式的环形阵列磁钢系统相比第一种实现方式向手机内侧发散的磁场要小，相同磁屏蔽条件下，对手机内部其他器件性能影响较小。综上所述，第一种实现方式、第二种实现方式、第三种实现方式的环形阵列磁钢系统都有各自的优势，结合图16，综合磁吸力、回复区域、结束充电分离充电器的难易程度和沿手机内侧发散的磁场强度四个性能指标分析，第二种实现方式的环形阵列磁钢系统得分18.5最高，但其余两种的性能指标也很优秀，因此，可以根据产品的实际需求对上述三种实现方式的环形阵列磁钢系统进行选择。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种环形阵列磁钢系统，其特征在于，包括具有第一中心轴线的第一磁环和与所述第一磁环间隔设置且具有第二中心轴线的第二磁环；

所述第一磁环包括环绕所述第一中心轴线设置的N个第一磁吸单元，N为大于等于1的整数，所述第一磁吸单元包括环绕所述第一中心轴线排布且依次相连的第一磁钢、第二磁钢、第三磁钢和第四磁钢，所述第一磁钢和所述第三磁钢的磁极方向相反且均沿环绕所述第一中心轴线的方向排布，所述第二磁钢和所述第四磁钢的磁极方向相反且磁极排布方向平行于所述第一中心轴线；

所述第二磁环包括环绕所述第二中心轴线设置的N个第二磁吸单元，所述第二磁吸单元包括环绕所述第二中心轴线排布且依次相连的第五磁钢、第六磁钢、第七磁钢和第八磁钢，所述第五磁钢、所述第六磁钢、所述第七磁钢和所述第八磁钢的位置依次与所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢对应，所述第五磁钢与所述第一磁钢的磁极方向相反，所述第六磁钢与所述第二磁钢的磁极方向相同，所述第七磁钢与所述第三磁钢的磁极方向相反，所述第八磁钢与所述第四磁钢的磁极方向相同。

2.根据权利要求1所述的环形阵列磁钢系统，其特征在于，所述第一磁吸单元和所述第二磁吸单元的尺寸相同。

3.根据权利要求2所述的环形阵列磁钢系统，其特征在于，所述第五磁钢、所述第六磁钢、所述第七磁钢和所述第八磁钢的尺寸依次与所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢相同。

4.根据权利要求3所述的环形阵列磁钢系统，其特征在于，所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢对应的圆心角依次增大。

5.根据权利要求4所述的环形阵列磁钢系统，其特征在于，所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢对应的圆心角等差排布且公差为d，1°≤d≤45°。

6.根据权利要求5所述的环形阵列磁钢系统，其特征在于，公差d满足条件：1°≤d≤10°。

7.根据权利要求2所述的环形阵列磁钢系统，其特征在于，所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢对应的圆心角的比例为1:n:1:1，1＜n≤15。

8.根据权利要求2所述的环形阵列磁钢系统，其特征在于，所述第一磁钢、所述第二磁钢、所述第三磁钢和所述第四磁钢对应的圆心角的比例为1:m:1:m，1＜m≤10。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的环形阵列磁钢系统，其特征在于，所述第一磁吸单元的个数N满足条件：5≤N≤10。

10.一种磁吸定位系统，其特征在于，包括第一主体、与所述第一主体匹配的第二主体以及如权利要求1-9中任意一项所述的环形阵列磁钢系统，所述第一主体的一侧具有第一匹配面，所述第二主体具有能够与所述第一匹配面配合的第二匹配面，所述第一磁环固定于所述第一主体且所述第一中心轴线垂直于所述第一匹配面，所述第二磁环固定于所述第二主体且所述第二中心轴线垂直于所述第二匹配面。

Images