CN112953035A - 一种电磁耦合能量传输装置 - Google Patents
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Abstract
一种电磁耦合能量传输装置，其特征是，具有线圈模块、第一电缆、第一电路模块和第二电路模块；所述第一电路模块用于产生直流能量，通过USB TYPE‑C连接器传递给所述第二电路模块，所述第二电路模块用于将直流电转换为交流电并通过所述USB TYPE‑C连接器传递给所述第一电路模块，再通过与所述第一电路模块电连接的所述第一电缆传递给所述线圈模块，产生电磁耦合能量传输用交变磁场。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过连接器传输交流电与直流电的电磁耦合能量与直流电能的装置，尤其涉及采用USB Type-C形态的连接器的电连接点功能设定、实现直流电与交流电转换的交直流转换模块的在装置中的拓扑设计、以及用于电磁耦合能量传输线圈与配套单元的设计。
背景技术
多年以来，在家具、设备内嵌入电磁耦合能量传输功能，尤其是电磁耦合能量输出功能，一般会采用将“电磁耦合能量传输线圈、交直流转换电路”设置在同一个外壳内、再通过一根直流电缆为“交直流转换电路”供电的装置来实现。
这种方式有多种缺陷：交直流转换电路工作时的高热量会集中并传递给电磁耦合能量输入装置造成充电慢、电池寿命降低等问题；交直流转换电路的寿命一般只有1年，而家具、设备的使用寿命却是5~20年，当交直流转换电路损坏时，使用者无法自行维修；随着时间的推移，越来越多的不同功率、不同协议的移动电子设备会具有电磁耦合能量输入功能，因此需要交直流转换电路能够升级支持不同的移动电子设备，但是使用者无法自行升级交直流电路的硬件或者软件；由于设置有“电磁耦合能量传输线圈、交直流转换电路”在一个外壳内的装置厚度较厚，而且尺寸较大以及为了方便安装，因此需要在家具、设备表面挖洞后埋入，不利于家具、设备的美观化。
因此，需要设计一种便于家具与设备内嵌安装、解决散热和实现低温电磁耦合能量传输、让使用者也可以自行维护与升级的新型电磁耦合能量传输装置。
另外，USB Type-C接口是USB3.0~USB4.0的标准接口，也是民用等领域直流电源的标准接口，越来越多的新型家具与设备外壳上设计有多个USB Type-C母端连接器，用于为直流受电设备提供电能，因此借助USB Type-C接口实现同时支持电磁耦合能量传输与可调直流电能量传输，也是有很强社会价值的。
发明内容
本发明揭示了一种电磁耦合能量传输装置，其电路拓扑的特征是，包含有三个大模块，分别是线圈模块、第一电路模块、第二电路模块，所述线圈模块与所述第一电路模块之间通过具有用于实现传输高频交流电能的第一线组的第一电缆实现电连接，同时所述第一电路模块与所述第二电路模块通过多功能连接器实现电连接，而所述第一电路模块具有可控直流电源模块，所述可控直流电源模块通过所述多功能连接器实现对外输出根据外界传来的第一控制信号而调控得到的直流电能，所述第二电路模块具有交直流转换模块，所述交直流转换模块将直流电能与用于电磁耦合能量传输的高频交流进行转换，并且还可以输出所述第一控制信号。为了符合EMC认证，所述线圈模块的内设置有靠近用于电磁耦合能量传输的线圈的稳定电势涡流阻尼器，并且所述稳定电势涡流阻尼器通过所述第一电缆内的导体、所述第二电路模块、所述多功能连接器与所述第一电路模块上的第三稳定电平实现高频低阻电连接。
在实际应用中，所述线圈模块、所述第一电路模块、所述第一电缆都嵌入到家具或设备内，在家具或设备表面露出所述第一电路模块上的多功能连接器是USB Type-C的母端连接器，所述第二电路模块设计为具有USB Type-C公端连接器的U盘形态。当所述第二电路模块插入所述第一电路模块后，由说所述第一电路模块为所述第二电路模块提供第二电路模块所需的直流电能，再经过所述第二电路模块将直流电能转换为高频交流电能并通过USB Type-C连接器、所述第一电路模块、所述第一电缆传输给所述线圈模块实现电磁耦合能量传输功能。
本发明所述一种电磁耦合能量传输装置，当所述第二电路模块被更换后、或者匹配的另一个电磁耦合能量传输装置改变时，需要改变所述线圈的匝数、电感、磁场分布来获得最优的电磁耦合能量传输性能，因此本发明还将所述线圈模块的线圈设计为多头线圈，通过所述线圈模块配套的多路选通单元在第二控制信号的作用下实现所述多头线圈与所述第一线组之间的选择性电连接，而所述第二控制信号来自设置在所述交直流转换模块内的控制模块，通过所述第一电缆内的第二线组进行传递。
为了兼容更多的匹配的另一个电磁耦合能量传输装置，所述控制模块除了采集来自所述线圈、所述第一线组或直流电能上的ASK/FSK/PSK控制信号来调整所述交直流转换模块工作模式，还在线圈模块内设置了用于获得来自匹配的另一个电磁耦合能量传输装置的第三控制信号的光耦、电场耦合或磁场耦合中一种或多种的第三控制信号传输单元，所述第一电缆还具有第三线组；而所述第三控制信号传输单元与所述第三线组电连接，所述第三线组又通过所述多功能连接器与所述控制模块电连接，让所述控制模块接收到所述第三控制信号传输单元产生的第三控制信号进而调整所述交直流转换模块工作模式。
为了让本发明所述一种电磁耦合能量传输装置的USB Type-C连接器可以为社会中其他USB Type-C装置输出可控直流电能，同时传输本发明所述一种电磁耦合能量传输装置的电磁耦合能量所需的高频交流电能，本发明中所述一种电磁耦合能量传输装置的USBType-C连接器的A1、A12、B1和B12作为传输直流电能的GND电网络、USB Type-C连接器的A4、A9、B4和B9作为传输直流电能的VCC电网络、USB Type-C连接器的A5或B5作为SC电网络传输所述第一控制信号、所述第二控制信号、所述第三控制信号，并且所述第一控制信号符合USB-PD协议规范，同时采用USB Type-C连接器的A2、A3、B10和B11传递高频交流电能的ACC电网络与采用USB Type-C连接器的B2、B3、A10和A11传递高频交流电能的ACM电网络。
本发明所述线圈模块设置有磁铁结构，所述线圈为螺旋线圈，具有第一端面和第二端面，所述线圈的轴向长度小于最大外外接圆的直径，所述线圈第一端面朝向电磁耦合能量传输工作方向，所述线圈中间是空心的；
所述磁铁结构包含有不少于一块磁铁单元，所述磁铁单元基本分布在同一个平面上并呈环形排布，所述磁铁单元分布的平面与所述线圈一端面所在平面基本平行，所述磁铁单元在所述线圈第一端面所在平面的投影位于所述线圈在所述线圈第一端面所在平面的投影的外侧；每一个所述磁铁单元朝向电磁耦合能量传输工作方向一侧都有一对异性磁极A和B，并且磁极A更靠近所述线圈的轴线。为了提高兼容性，实现所述线圈外圈磁通低磁阻穿越的磁路，所有所述磁铁单元之间的间隔距离之和，不小于所述磁铁单元所在环形周长的1/4，所述间隔内的空间是非磁饱和的。
在实际情况下，当所述第一电路模块的所述可控直流电源模块损坏而无法为所述第二电路模块供电时，所述第二电路模块还可以通过设置在第二电路模块上的第二直流输入端获取直流电能。
本发明的有益效果是实现了在家具或设备内嵌入具有USB Type-C接口的可控直流电源，同时通过同一个USB Type-C接口配合可插拔的交直流转换模块为同时嵌入在家具或设备内的线圈模组提供高频交流电能实现电磁耦合能量传输功能，还将电磁耦合能量传输装置的作为发热源的交直流转换模块与用于电磁耦合能量输出的线圈模组进行空间隔离从而实现低温电磁耦合能量传输，并且还可以让使用者也可以自行维护与升级。
附图说明：
图1是本发明的第一种实施例。
图2是本发明的第二种实施例。
图3是本发明的第三种实施例。
图4是本发明的USB Type-C的信号连接点的功能定义。
图5是本发明的线圈模块的第二种实施例。
图6是本发明的第四种实施例。
具体实施方式。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，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，并不限定本发明的应用范围，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图将本发明应用于其他类似场景；如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词语并非特指单数，也可以包括复数。一般来说，术语“包括”或“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。
如图1和图4所示，本发明包括线圈模块1、第一电缆2、第一电路模块3和第二电路模块4。
其中线圈模块1设置有用于电磁耦合能量传输的线圈11，还具有靠近所述线圈的稳定电势涡流阻尼器12。
第一电缆2具有低阻抗传输高频交流电的第一线组21，所述第一线组21与所述线圈11电连接，还具有与所述稳定电势涡流阻尼器实现高频低阻电连接的第一导体22。
所述第一电路模块3具有第一电能输入端31、第一直流输出端32、第二直流输出端33，第一高频交流输入端34、第一高频交流输出端35和第一稳定电平端36，还具有第一连接器37，所述第一连接器37设置所述第一直流输出端32和所述第一高频交流输入端34，且所述第一连接器37是USB Type-C型连接器，所述第一直流输出端32的正极VCC电网络为USBType-C型连接器的A4、A9、B4和B9信号连接点，所述第一直流输出端32的负极GND电网络为USB Type-C型连接器的A1、A12、B1和B12信号连接点，所述第一高频交流输入端34具有ACC和ACM两个电网络，所述ACC电网络为USB Type-C型连接器的A2、A3、B10和B11信号连接点，所述ACM电网络为USB Type-C型连接器的B2、B3、A10和A11信号连接点，在实际实施中，ACM与ACC可以互换；所述第一高频交流输入端34、第一高频交流输出端35与所述第一线组21电连接，所述第一连接器37还具有第二稳定电平端38，所述第二稳定电平端38为USB Type-C型连接器的VCC、GND或者其他直流信号连接点，所述第二稳定电平端38与所述第一稳定电平端36高频低阻电连接，所述第一稳定电平端36与所述第一导体22高频低阻电连接，所述高频低阻电连接的方式包括但不限于直接电连接、通过电容电连接、通过电容与电阻并联后电连接、通过电容与电感并联后电连接。
所述第一电路模块3还具有可控直流电源模块39以及设置在所述第一连接器37上的第一控制信号输入端310，所述第一控制信号输入端310为USB Type-C型连接器的A5或B5信号连接点；所述可控直流电源模块39与所述第一电能输入端31、所述第一直流输出端32、所述第二直流输出端33以及所述第一控制信号输入端310电连接，所述可控直流电源模块39根据所述第一控制信号输入端310传递来的第一控制信息将来自所述第一电能输入端31的电能转换为所述第一直流输出端32和所述第二直流输出端33所需的直流电能。
所述第一电路模块3上设置有存储单元311，所述存储单元311内存放有第一阻抗信息，所述第一连接器37上还设置有第一阻抗信息输出端312与所述存储单元311的第一阻抗信息输出端电连接，所述第一阻抗信息输出端312与USB Type-C型连接器的A5或B5信号连接点电连接。
所述第二电路模块4具有第一直流输入端41、第二高频交流输出端42和第三稳定电平端43，还具有第二连接器44，所述第二连接器44为USB Type-C连接器，与所述第一连接器37的USB Type-C连接器相互匹配，所述第二连接器44上设置所述第一直流输入端41、所述第二高频交流输出端42和第三稳定电平端43，所述第一直流输入端41的正极VCC电网络为USB Type-C型连接器的A4、A9、B4和B9信号连接点，所述第一直流输入端41的负极GND电网络为USB Type-C型连接器的A1、A12、B1和B12信号连接点，所述第二高频交流输出端42具有ACC和ACM两个电网络，所述ACC电网络为USB Type-C型连接器的A2、A3、B10和B11信号连接点，所述ACM电网络为USB Type-C型连接器的B2、B3、A10和A11信号连接点；所述第一连接器37与所述第二连接器44连接后，所述第一直流输出端32与所述第一直流输入端41电连接、所述第一高频交流输入端34与所述第二高频交流输出端42电连接、所述第二稳定电平端38与所述第三稳定电平端43高频低阻电连接，所述第二电路模块4还具有将直流电与高频交流电进行转换的交直流转换模块45，所述交直流转换模块45的直流电端与所述第一直流输入端41电连接，所述交直流转换模块45的交流电端与所述第二高频交流输出端42电连接，所述交直流转换模块45的交流电端具有两个电网络ACC和ACM，所述交直流转换模块45实现所述第一直流输入端41的直流电与所述第二高频交流输出端42的高频交流电的转换。
所述第二连接器44上还设置有第一阻抗信息输入端46和第一控制信号输出端47，所述第一阻抗信息输入端46和所述第一控制信号输出端47都与USB Type-C型连接器的A5或B5信号连接点电连接；
所述交直流转换模块45具有与所述线圈11匹配的串联谐振电容48，还具有控制单元49，所述控制单元49控制所述交直流转换模块45输出的高频交流电；
控制单元49与所述第一阻抗信息输入端46电连接，获取第一阻抗信息并将所述第一阻抗信息用于控制交直流转换模块工作模式，以及所述控制单元49与所述第一控制信号输出端47电连接，向所述第一控制信号输出端47发出调节所述可控直流电源模块39输出模式的第一控制信息。
当所述可控直流电源模块39损坏而无法向第一直流输出端32输出直流电能时，可以采用图2的方式，通过设置在所述第二电路模块4上的第二直流输入端410获得直流电能，所述第二直流输入端410与所述交直流转换模块45的直流电源输入端电连接。当所述可控直流电源模块39损坏时并不会导致所述第一直流输出端32存在短路情况时，所述第二直流输入端410与所述第一直流输入端41可以电连接。
如图3所示，在线圈11附近设置第三控制信号传输单元13，可以实现通过光线、电场、磁场进行第三控制信号的传输，并再通过所述第一电缆2的第三线组24传递给所述第一控制信号输入端310，进而传递给所述控制单元49，用于控制所述交直流转换模块45输出的高频交流电。
如图5所示，在线圈11附近设置环形分布的磁铁结构14，所述磁铁结构14包含有不少于一块磁铁单元15，所述磁铁单元15分布的平面与所述线圈11朝向电磁耦合能量传输工作方向所在平面基本平行，所述磁铁单元15在所述线圈11朝向电磁耦合能量传输工作方向所在平面的投影位于所述线圈11在所述线圈11朝向电磁耦合能量传输工作方向所在平面的投影的外侧，每一个所述磁铁单元15朝向电磁耦合能量传输工作方向一侧都有一对异性磁极A和B，并且磁极A更靠近所述线圈的轴线。并且，所有所述磁铁单元15之间的间隔距离之和不小于所述磁铁单元所在环形周长的1/4。
为了匹配不同尺寸的电磁耦合能量传输设备，尤其是不同尺寸的电磁耦合能量传输设备内设置的线圈尺寸具有多种规格，本发明采用了如图6所示的多线头线圈11以及配套的多路选通单元15，所述第一电缆2还具有第二线组23；所述第二线组23与所述第一控制信号输入端310电连接，传递从所述控制单元49发出的第二控制信号；所述多路选通单元15分别与所述多头线圈11、所述第一线组21、所述第二线组23电连接，所述多路选通单元15根据第二控制信号切换所述第一线组21与所述多头线圈11各个接线头之间的电连接关系。
Claims (8)
1.一种电磁耦合能量传输装置，其特征是，具有线圈模块、第一电缆、第一电路模块和第二电路模块；
所述线圈模块设置有用于电磁耦合能量传输的线圈，还具有靠近所述线圈的稳定电势涡流阻尼器；
所述第一电缆具有低阻抗传输高频交流电的第一线组，所述第一线组与所述线圈电连接，还具有与所述稳定电势涡流阻尼器实现高频低阻电连接的第一导体；
所述第一电路模块具有第一电能输入端、第一直流输出端、第二直流输出端，第一高频交流输入端、第一高频交流输出端和第一稳定电平端，还具有第一连接器，所述第一连接器设置所述第一直流输出端和所述第一高频交流输入端，所述第一高频交流输入端、第一高频交流输出端与所述第一线组电连接，所述第一连接器还具有第二稳定电平端，所述第二稳定电平端与所述第一稳定电平端高频低阻电连接，所述第一稳定电平端与所述第一导体高频低阻电连接；
所述第一电路模块还具有可控直流电源模块以及设置在所述第一连接器上的第一控制信号输入端，所述可控直流电源模块与所述第一电能输入端、所述第一直流输出端、所述第二直流输出端以及所述第一控制信号输入端电连接，所述可控直流电源模块根据所述第一控制信号输入端传递来的第一控制信息将来自所述第一电能输入端的电能转换为所述第一直流输出端和所述第二直流输出端所需的直流电能；
所述第二电路模块具有第一直流输入端、第二高频交流输出端和第三稳定电平端，还具有第二连接器，所述第二连接器上设置所述第一直流输入端、所述第二高频交流输出端和第三稳定电平端，所述第二连接器与所述第一连接器相互匹配，所述第二连接器与所述第一连接器连接后，所述第一直流输出端与所述第一直流输入端电连接、所述第一高频交流输入端与所述第二高频交流输出端电连接、所述第二稳定电平端与所述第三稳定电平端高频低阻电连接，所述第二电路模块还具有将直流电与高频交流电进行转换的交直流转换模块，所述交直流转换模块的直流电端与所述第一直流输入端电连接，所述交直流转换模块的交流电端与所述第二高频交流输出端电连接，所述交直流转换模块的交流电端具有两个电网络ACC和ACM，所述交直流转换模块实现所述第一直流输入端的直流电与所述第二高频交流输出端的高频交流电的转换；
所述第二电路模块还具有第三稳定电平，并且所述第三稳定电平与所述第二连接器的第三稳定电平端高频低阻电连接。
2.根据权利要求1所述一种电磁耦合能量传输装置，其特征是，所述第一电路模块上设置有存储单元，所述存储单元内存放有第一阻抗信息，所述第一连接器上还设置有第一阻抗信息输出端，所述存储单元与所述第一阻抗信息输出端电连接；
所述第二连接器上还设置有第一阻抗信息输入端和第一控制信号输出端；
所述交直流转换模块具有与所述线圈匹配的串联谐振电容，还具有控制单元，所述控制单元控制所述交直流转换模块输出的高频交流电；
所述控制单元与所述第一阻抗信息输入端电连接，获取第一阻抗信息并将所述第一阻抗信息用于控制交直流转换模块工作模式；
所述控制单元通过电路向所述第一控制信号输出端发出调节所述可控直流电源模块输出模式的第一控制信息。
3.根据权利要求2所述一种电磁耦合能量传输装置，其特征是，所述第一连接器和所述第二连接器分别是USB Type-C型的公端连接器与母端连接器；
所述第一阻抗信息输出端、所述第一控制信号输入端、所述第一阻抗信息输入端、所述第一控制信号输出端都连接到SC电网络，所述SC电网络连接到USB Type-C型连接器的A5或B5信号连接点；
所述第一直流输出端和所述第一直流输入端都连接到USB Type-C型连接器的作为负极GND电网络的A1、A12、B1和B12信号连接点以及作为正极VCC电网络的A4、A9、B4和B9信号连接点；
所述第一高频交流输入端和所述第一高频交流输出端都具有ACC和ACM电网络，其特征是，所述ACC电网络连接到USB Type-C型连接器的A2、A3、B10和B11信号连接点，所述ACM电网络连接到USB Type-C型连接器的B2、B3、A10和A11信号连接点；所述ACC电网络与ACM电网络可以互换信号连接点。
4.根据权利要求2所述一种电磁耦合能量传输装置，其特征是，所述线圈为多头线圈，所述线圈模块件还具有多路选通单元，所述第一电缆还具有第二线组；
所述第二线组与所述第一控制信号输入端电连接，传递从所述控制单元发出的第二控制信号；
所述多路选通单元分别与所述多头线圈、所述第一线组、所述第二线组电连接，所述多路选通单元根据第二控制信号切换所述第一线组与所述多头线圈各接线头之间的电连接关系。
5.根据权利要求1所述一种电磁耦合能量传输装置，其特征是，所述线圈模块设置有磁铁结构，所述线圈为螺旋线圈，具有第一端面和第二端面，所述线圈的轴向长度小于最大外外接圆的直径，所述线圈第一端面朝向电磁耦合能量传输工作方向，所述线圈中间是空心的；
所述磁铁结构包含有不少于一块磁铁单元，所述磁铁单元基本分布在同一个平面上并呈环形排布，所述磁铁单元分布的平面与所述线圈第一端面所在平面基本平行，所述磁铁单元在所述线圈第一端面所在平面的投影位于所述线圈在所述线圈第一端面所在平面的投影的外侧；
每一个所述磁铁单元朝向电磁耦合能量传输工作方向一侧都有一对异性磁极A和B，并且磁极A更靠近所述线圈的轴线。
6.如权利要求5所述一种电磁耦合能量传输装置，其特征是，所有所述磁铁单元之间的间隔距离之和，不小于所述磁铁单元所在环形周长的1/4。
7.如权利要求1所述一种电磁耦合能量传输装置，其特征是，所述第二电路模块还具有第二直流输入端，所述第二直流输入端与所述交直流转换模块的直流电源输入端电连接。
8.如权利要求1所述一种电磁耦合能量传输装置，其特征是，所述线圈模块还具有光耦、电场耦合或磁场耦合中一种或多种的第三控制信号传输单元，所述第一电缆还具有第三线组；
所述第三控制信号传输单元与所述第三线组电连接，所述第三线组与所述第一控制信号输入端电连接。
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| CN202110329404.5A CN112953035A (zh) | 2021-03-28 | 2021-03-28 | 一种电磁耦合能量传输装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110329404.5A CN112953035A (zh) | 2021-03-28 | 2021-03-28 | 一种电磁耦合能量传输装置 |
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| CN112953035A true CN112953035A (zh) | 2021-06-11 |
Family
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Family Applications (1)
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| CN202110329404.5A Pending CN112953035A (zh) | 2021-03-28 | 2021-03-28 | 一种电磁耦合能量传输装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112953035A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024082786A1 (zh) * | 2022-10-20 | 2024-04-25 | 邢益涛 | 一种无线充电器 |
-
2021
- 2021-03-28 CN CN202110329404.5A patent/CN112953035A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024082786A1 (zh) * | 2022-10-20 | 2024-04-25 | 邢益涛 | 一种无线充电器 |
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