CN113474858A - 基于电磁感应的无线电力传输 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于无线电力传输的耦合器。该耦合器包括被配置为基于电磁感应进行无线电力传输的线圈，该线圈包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第一线圈部分和第二线圈部分。特别地，所述第一线圈部分嵌套在所述第二线圈部分内。本发明还提供了一种用于无线电力传输的系统，以及制造所述耦合器的方法和使用所述耦合器进行无线电力传输的方法，所述系统包括包含所述耦合器的无线电力发射器和/或包含所述耦合器的无线电力接收器。

Description

基于电磁感应的无线电力传输

技术领域

本发明总体上涉及基于电磁感应的无线电力传输，更具体地，涉及一种用于无线电力传输的耦合器及其制造方法、包括所述耦合器的无线电力发射器、包括所述耦合器的无线电力接收器、用于无线电力传输的系统，所述系统包括无线电力发射器和/或无线电力接收器，以及使用所述耦合器的无线电力传输方法。

背景技术

基于电磁感应的无线电力传输(WPT)(也可以称为感应电力传输(IPT))已广泛用于充电或为众多应用供电，例如电子设备、自动导引车辆、机器人、电动交通工具等，其安全和/或便利尤为重要。例如，在应用充电的WPT系统中，线圈是用于初级侧(发射器)和次级侧(接收器)充电板的核心元件。电力可以通过初级(发射器)线圈和次级(接收器)线圈之间的互磁耦合以与变压器类似的工作原理进行无线传输。由于具有电气隔离能力，因此即使在潮湿和肮脏的环境中也可以安全地进行充电。因此，线圈的设计/配置起着重要的作用，因为它会影响WPT系统的效率。

WPT系统中初级和次级线圈的耦合系数(k)由于二者之间相对较大的空气间隙而通常可能小于0.5，而变压器可能具有超过0.95的耦合系数。WPT系统在尺寸和容量上有所不同，这取决于功率传输水平(例如，在约0.5W到约50kW之间或甚至更高)以及初级和次级线圈之间的空气间隙(例如，从约1mm到约100mm或甚至更取决于应用)。

当(i)满足阻抗匹配条件(例如，当输出阻抗与负载电阻匹配时)和(ii)初级线圈和次级线圈轴向对齐时，实际情况下可以将最大化传输的电力和WPT系统效率。例如，当初级线圈和次级线圈轴向偏移和/或初级线圈和次级线圈之间的距离增加时，耦合系数k可能减小并影响无线电力传输效率。

因此需要提供一种用于无线电力传输的耦合器和方法，其寻求克服或至少改善用于无线电力传输的常规耦合器和方法中的一个或多个缺陷，例如但不限于提高无线电力传输效率和/或减少漏磁。正是在这种背景下开发了本发明。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于无线电力传输的耦合器，该耦合器包括：

线圈，其被配置为基于电磁感应进行无线电力传输，该线圈包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第一线圈部分和第二线圈部分，其中所述第一线圈部分嵌套在所述第二线圈部分内。

在各种实施例中，第一线圈部分包括一个或多个第一绕线环并且第二线圈部分包括与所述一个或多个第一绕线环相反方向缠绕的一个或多个第二绕线环。

在各种实施例中，第一线圈部分沿顺时针方向缠绕并且第二线圈部分沿逆时针方向缠绕，或者第二线圈部分沿顺时针方向缠绕并且第一线圈部分沿逆时针方向缠绕。

在各种实施例中，线圈被配置为具有平面螺旋结构。

在各种实施例中，第一线圈部分和第二线圈部分均被配置为具有单极线圈结构，并且线圈具有多极线圈结构。

在各种实施例中，第一线圈部分和第二线圈部分一起形成第一反向线圈段，并且线圈还包括一个或多个附加反向线圈段，每个附加反向线圈段包括沿相反方向缠绕的第三线圈部分和第四线圈部分，其中第三线圈部分嵌套在第四线圈部分内。

在各种实施例中，第一反向线圈段嵌套在一个或多个附加反向线圈段内。

在各种实施例中，线圈被配置为一个连续绕组。

在各种实施例中，线圈形成第一线圈单元，并且耦合器还包括连接到第一线圈单元的一个或多个附加线圈单元，每个附加线圈单元包括被配置为基于电磁感应进行无线电力传输的第二线圈，所述第二线圈包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第五线圈部分和第六线圈部分，其中第五线圈部分嵌套在第六线圈部分内。

在各种实施例中，耦合器还包括与线圈串联或并联的谐振电容器以形成被配置用于谐振感应电力传输的谐振电路。

在各种实施例中，耦合器是发射器耦合器，该发射器耦合器被配置为从与其连接的电源接收时变电流以产生磁场，从而基于电磁感应在通过空气间隙与接收器耦合器进行无线电力传输。

在各种实施例中，耦合器是接收器耦合器，该接收器耦合器被配置为与从发射器耦合器产生的磁场耦合以在接收器耦合器中感应出电流以用于向连接到接收器耦合器的电负载供电，从而基于电磁感应在空气间隙上与发射器耦合器执行无线电力传输。

根据本发明的第二方面，提供了一种无线电力发射器，包括：

电源，其被配置为产生时变电流；和

根据本发明第一方面的耦合器，其用作发射器耦合器并且连接到电源，其中所述发射器耦合器被配置为从电源接收时变电流以产生磁场，从而基于电磁感应在空气间隙上与接收器耦合器执行无线电力传输。

根据本发明的第三方面，提供了一种无线电力接收器，包括：

电负载；和

根据本发明的第一方面的耦合器，其连接到电负载并用作接收器耦合器，其中所述接收器耦合器被配置为与从发射器耦合器产生的磁场耦合以在接收器耦合器中感应出电流以用于向连接到接收器耦合器的电负载供电，从而基于电磁感应在空气间隙上与发射器耦合器执行无线电力传输。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于无线电力传输的系统，包括：

无线电力发射器，其包括：

电源，其被配置为产生时变电流；和

发射器耦合器，其连接到电源，其中所述发射器耦合器被配置为从电源接收时变电流以产生磁场，从而与接收器耦合器在基于电磁感应的空气间隙上进行无线电力传输；和

无线电力接收器，其包括：

电负载；和

接收器耦合器，其连接到电负载，其中所述接收器耦合器被配置为与从发射器耦合器产生的磁场耦合以在接收器耦合器中感应出电流，用于向连接到接收器耦合器的电负载供电，从而基于电磁感应在空气间隙上与发射器耦合器执行无线电力传输，其中接收器耦合器和发射器耦合器中的至少一个是根据本发明的第一方面的耦合器，并且无线电力发射器和无线电力接收器被空气间隙隔开。

在各种实施例中，接收器耦合器和发射器耦合器均是根据本发明第一方面的耦合器；

在各种实施例中，接收器耦合器和发射器耦合器中的一个是根据本发明的第一方面的耦合器，并且接收器耦合器和发射器耦合器中的另一个是被配置为具有单极结构的耦合器。

根据本发明的第五方面，提供了一种制造用于无线电力传输的耦合器的方法，该方法包括：

基于电磁感应配置用于无线电力传输的线圈，所述线圈包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第一线圈部分和第二线圈部分，其中第一线圈部分嵌套在第二线圈部分内。

在各种实施例中，第一线圈部分包括一个或多个第一绕线环并且第二线圈部分包括与一个或多个第一绕线环相反方向缠绕的一个或多个第二绕线环。

在各种实施例中，上述配置线圈包括沿顺时针方向缠绕第一线圈部分和沿逆时针方向缠绕第二线圈部分，或者沿顺时针方向缠绕第二线圈部分和沿逆时针方向缠绕第一线圈部分。

在各种实施例中，线圈被配置为具有平面螺旋结构。

在各种实施例中，第一线圈部分和第二线圈部分均被配置为具有单极线圈结构，并且线圈具有多极线圈结构。

在各种实施例中，第一线圈部分和第二线圈部分一起形成第一反向线圈段，并且所述的配置线圈包括配置线圈，以进一步包括一个或多个附加反向线圈段，每个附加反向线圈段包括沿相反方向缠绕的第三线圈部分和第四线圈部分，其中第三线圈部分嵌套在第四线圈部分内。

在各种实施例中，第一组反方向线圈部分嵌套在一组或多组附加反方向线圈部分内。

在各种实施例中，线圈被配置为一个连续绕组。

在各种实施例中，线圈形成第一线圈单元，并且该方法还包括配置连接到第一线圈单元的一个或多个附加线圈单元，每个附加线圈单元包括被配置为基于电磁感应进行无线电力传输的第二线圈。第二线圈包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第五线圈部分和第六线圈部分，其中第五线圈部分嵌套在第六线圈部分内。

在各种实施例中，该方法还包括提供串联或并联到线圈的谐振电容器以形成被配置用于谐振感应电力传输的谐振电路。

在各种实施例中，耦合器是发射器耦合器，所述发射器耦合器被配置为从与其连接的电源接收时变电流以产生磁场，从而基于电磁感应在空气间隙上与接收器耦合器执行无线电力传输。

在各种实施例中，耦合器是接收器耦合器，所述接收器耦合器被配置为与从发射器耦合器产生的磁场耦合以在接收器耦合器中感应出电流以向连接到接收器耦合器的电负载供电，从而基于电磁感应在空气间隙上与发射器耦合器执行无线电力传输。

根据本发明的第六方面，提供了一种无线电力传输方法，包括：

由无线电力发射器处的电源产生时变电流；和

通过连接到电源的无线电力发射器处的发射器耦合器接收来自电源的时变电流以产生磁场，从而基于电磁感应在空气间隙上与接收器耦合器执行无线电力传输；

通过连接到电负载的无线电力接收器处的接收器耦合器与从发射器耦合器产生的磁场耦合以在接收器耦合器中感应出电流，从而基于电磁感应在空气间隙上与发射器耦合器执行无线电力传输；和

通过无线电力接收器处的接收器耦合器，基于其中感应的电流向与其连接的电负载供电，

其中，接收器耦合器和发射器耦合器中的至少一个是根据本发明的第一方面的耦合器，并且无线电力发射器和无线电力接收器被空气间隙隔开。

附图说明

从以下仅作为示例的书面描述并结合附图，本发明的实施例例将被更好地理解并且对本领域普通技术人员而言显而易见，其中：

图1A至1F描绘了具有各种示例配置/形状的常规单极耦合器的示意图；

图2A描绘了一种常规单极耦合器的示意图以及由耦合器产生的磁场的示意图；

图2B描绘了一种常规双极耦合器的示意图以及由耦合器产生的磁场的示意图；

图3A至3C描绘了示例常规双极耦合器的示意图，即一种常规双极(BP)耦合器(或BP垫)、一种常规双D(DD)耦合器(或DD垫)和一种具有附加正交线圈(DDQ耦合器或垫)的常规DD耦合器；

图4描绘了根据本发明的各种实施例的用于无线电力传输的一种耦合器的示意图；

图5描绘了根据本发明的各种实施例的包括线圈的用于无线电力传输的一种耦合器的示意图，该线圈包括多个反向线圈段；

图6描绘了根据本发明的各种实施例的包括多个线圈单元的用于无线电力传输的一种耦合器的示意图；

图7描绘了根据本发明的各种实施例的用于无线电力传输的系统；

图8描绘了根据本发明的各种实施例的无线电力传输方法的流程图；

图9描绘了根据本发明的各种实施例的制造用于无线电力传输的耦合器的方法的流程图；

图10A描绘了根据本发明的各种示例实施例的一种线圈的示意图；

图10B和10C描绘了图10A的线圈的示意图，以及线圈产生的磁通量的图示；

图10D和10E描绘了图10A的线圈的第一线圈部分的示意图，以及通过由第一线圈部分限定的第一区域(由图10D中的阴影区域表示)的磁场的图示；

图10F和10G描绘了图10A的线圈的第二线圈部分的示意图，以及通过由第二线圈部分限定的第二区域(由图10F中的阴影区域表示)的磁场的图示；

图10H描绘了根据本发明的各种示例实施例的包括彼此电性连接的第一线圈部分和第二线圈部分的线圈，其中第一线圈部分和第二线圈部分各自包括多个绕线环(或匝)；

图11A和11B描绘了两个示例常规单极线圈配置的示意图以及由线圈产生的磁通量的图示；

图11C描绘了常规双极双D(DD)线圈配置的示意图以及由线圈产生的磁通量的图示；

图12A描绘了根据本发明的各种示例实施例的包括多个反向线圈段的一种线圈的示意图；

图12B描绘了根据本发明的各种示例实施例的包括多个串联的线圈单元的一种线圈的示意图；

图12C描绘了根据本发明的各种示例实施例的包括多个串联的线圈单元的另一种线圈的示意图；

图12D描绘了根据本发明的各种示例实施例的包括多个并联的线圈单元的一种线圈的示意图；

图13描绘了根据本发明的各种示例实施例的示例的无线电力传输系统的示意图；

图14A至14D描绘了在根据本发明的各种示例实施例进行的各种实验中评估的初级和次级线圈配置(线圈拓扑)的四个示例性组合(组合I至IV)的示意图；

图15显示为具有各种线圈尺寸/参数(如表中所示)的组合I至IV的漏磁通评估表(表I)，其中初级和次级线圈之间的空气间隙(“z”)为75mm；

图16显示为具有各种线圈尺寸/参数(如表中所示)的组合I至IV的漏磁通评估的表(表II)，其中漏磁通测量在离线圈中心600mm距离的x轴上进行，初级线圈和次级线圈之间的空气间隙(“z”)为50mm和100mm；和

图17显示为具有各种线圈尺寸/参数(如表中所示)的组合I至IV的线圈偏移评估的表(表III)，其中初级和次级线圈之间的空气间隙(“z”)为75mm。

具体实施方式

本发明的各种实施例总体上涉及基于电磁感应的无线电力传输(WPT)(其也可以被称为感应电力传输(IPT))。特别地，本发明的各种实施例提供一种用于无线电力传输的耦合器(其也可以被称为无线电力传输耦合器)及其制造方法。本发明的各种实施例还提供一种包括上述耦合器(发射器耦合器)的无线电力发射器，以及一种包括上述耦合器(接收器耦合器)的无线电力接收器。本发明的各种实施例还提供一种用于无线电力传输的系统，包括上述无线电力发射器和/或上述无线电力接收器，以及一种使用上述发射器耦合器和/或上述接收器耦合器的无线电力传输方法或技术。

通常，耦合器(例如，其可以是一个或多个线圈或可以包括一个或多个线圈)通常可以基于磁芯形状和拓扑结构(几何形状)来配置/设计，磁芯形状和拓扑结构(几何形状)通常可以是罐型磁芯、U型磁芯和E型磁芯。因此，例如，线圈(或简称为圆形线圈)100的圆形形状/配置，如图1A所示，已经过深入研究和优化，并已广泛用于WPT，其中圆形基本上源自罐型磁芯。尽管配置线圈以形成圆形耦合器可能简单易行，但存在各种磁耦合限制。例如，为了满足期望的耦合系数k(例如，大约0.2)，初级和次级线圈之间的空气间隙距离(例如，顶部初级线圈和底部次级线圈之间的垂直高度)的增加)增加可能需要将初级和次级线圈的直径与空气间隙距离的增加成比例地增加四倍。结果，此类常规圆形耦合器(例如，充电板)可能相对庞大并且可能导致无线电力传输效率低下的问题，特别是对于具有更大空气间隙和/或更高功率水平要求的应用。例如，在用于为应用充电的WPT系统中，这种常规圆形耦合器可能面临在可接受或期望的时间段内为电池充电的挑战。

具有矩形形式/形状的常规耦合器(或简称为矩形耦合器)102，例如图1B所示，也已经被研究并与常规圆形耦合器进行了比较。结果表明，与常规圆形耦合器100相比，这种常规矩形耦合器102可以获得更高的电感值。不希望受到理论的束缚，可能的解释可能是矩形几何形状导致与具有相同尺寸的常规圆形耦合器相比更长的电流传导路径(例如，圆形耦合器的直径和矩形(例如，方形)耦合器的宽度相同)。然而，发现常规矩形耦合器的耦合系数k低于常规圆形耦合器的耦合系数k。此外，发现常规矩形耦合器102与常规圆形耦合器100不同，在x和y方向上均具有较低横向线圈偏移容差。

在先还公开了耦合器的各种其他形状/结构，根据实际需要，例如三角形(例如，如图1C中所示)104、椭圆形(例如，如图1D中所示)106、六边形(例如，如图1E中所示)108和五边形(例如，如图1F中所示)110。

尽管图1A到1F显示为不同的线圈几何形状，这些线圈可以被归类为具有单极线圈拓扑200，由此在线圈201周围由其中的时变电流(其也可以被称为交流电(AC))202产生的磁场沿相同的方向204流过由线圈201(也可以称为线圈201的内部(或由其定义的内部部分))限定(例如，由线圈201的路径或配置限定)的区域206，例如如图2A所示。在先还公开了双极线圈拓扑250，由此在相应线圈252、254周围由相应的时变电流256、258产生的磁场沿相同方向260、262流过由相应的线圈252、254限定的相应区域264、266，如图2B所示。

图3A至3C描绘了示例常规双极耦合器的示意图，即，分别是常规双极(BP)耦合器(或BP垫)300、常规双D(DD)耦合器(或DD垫)320和具有附加正交线圈的常规DD耦合器(DDQ耦合器或垫)340。BP耦合器300可以通过相互耦合(重叠)两个单独的矩形线圈来配置，如图3A所示。DD耦合器320可以通过仅使用单一布线(例如，铜布线)来构造背对背(即，串联)的两个矩形线圈来配置，如图3B所示。DDQ耦合器340可以通过布置附加正交线圈(例如，由一组矩形线圈绕线环形成)以覆盖(重叠)DD耦合器的中心来配置，如图3C所示。发现耦合系数k可以使用双极耦合器拓扑来改进，例如图3A至3C中所示的示例常规双极耦合器。

通过实验，发现常规DD耦合器320具有良好的y轴方向线圈偏移容差，但在x轴方向上没有(例如，较差的x轴偏移容差)。相比之下，常规BP耦合器300在x轴方向上具有更好的偏移容差，但在y轴方向上没有(例如，较差的y轴偏移容差)。发现常规DDQ耦合器340在x轴方向上扩展了常规DD耦合器320的容差，但是需要附加材料来实现常规DD耦合器上方的正交(单极矩形)线圈。

因此，本发明的各种实施例提供了一种用于无线电力传输的耦合器和方法，其寻求克服或至少改善用于无线电力传输的常规耦合器和方法中的一个或多个缺陷，例如但不限于，提高无线电力传输效率和/或减少漏磁。例如，可以通过提高线圈偏移容差能力来提高无线电力传输效率。例如，本发明的各种实施例提供了一种在x轴和y轴方向上都改善或具有良好偏移容差的耦合器(因此优于常规BP和DD耦合器)，例如类似于常规DDQ耦合器，但是不需要常规DDQ耦合器的上述正交线圈(因此与常规DDQ耦合器相比有利地需要更少的材料)。此外，例如，与常规单极耦合器相比，已发现漏磁减少。在这方面，减少漏磁会减少暴露的电磁场(EMF)，而电磁场可能对生物健康造成危害。因此，例如，本发明的各种实施例使耦合器能够在减少所需的EMF屏蔽工作的情况下制造得更紧凑，同时满足国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)提供的指导方针。

图4描绘了根据本发明的各种实施例的用于无线电力传输的耦合器400的示意图。耦合器400包括配置基于电磁感应进行无线电力传输的线圈404，线圈404包括多个线圈部分408、412，多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第一线圈部分408和第二线圈部分412。此外，如图4所示。第一线圈部分408嵌套在第二线圈部分412内。在各种实施例中，第一线圈部分408和第二线圈部分412沿相反方向缠绕意味着第一线圈部分408和第二线圈部分412被缠绕(例如，配置或布置)以通过由其中的时变电流限定的相应区域产生或容纳相反(相对)磁场(磁通量)。换言之，第一线圈部分408被缠绕以通过由第一线圈部分408限定的(由第一线圈部分408的路径或配置/形状(例如，外部配置/形状)的外围或参数限定的)区域(其可被称为第一区域)产生或容纳磁场(其可被称为第一磁场)和第二线圈部分412被缠绕以通过第一和第二线圈部分中的时变电流由第二线圈部分412限定的区域(其可以被称为第二区域)产生或容纳磁场(其可被称为第二磁场)，使得第一和第二磁场通过第一和第二区域分别位于相反的方向。

本领域技术人员将理解，图4显示了具有多个线圈部分408、412的线圈404的存在，而且此外，第一线圈部分408嵌套在第二线圈部分412内的配置或布置，但实际上并未图示或限定线圈404的各种细节或参数(例如，形状、尺寸/大小、圈数/匝数等)。换言之，本领域技术人员将理解，线圈不限于图4所示的线圈404的形状和/或尺寸/大小。

在各种实施例中，线圈404的多个线圈部分408、412电性连接(图4中未示出)，例如直接或经由一个或多个连接部分(例如，导体或导线)以形成一个连续的绕组。

在各种实施例中，一个线圈部分嵌套在另一个线圈部分内意味着该线圈部分至少基本上、主要或完全位于或在被另一个线圈部分包围或围绕(例如，相对于平面至少基本上被包围或围绕)的区域(例如，对于平面线圈)或体积(例如，对于螺旋线圈)内。例如，线圈部分被另一个线圈部分浸没或被吞没。

根据各种实施例，已发现将线圈404配置为包括沿相反方向缠绕的第一线圈部分408和第二线圈部分412提供了许多优点，例如但不限于提高无线电力传输效率，提高线圈偏移容差能力(例如，横向和角度线圈偏移容差)，和/或减少漏磁。结果，例如，有效电力传输区域(区域或区)的覆盖范围可以增加(因此，例如，能够在发射器和接收器耦合器之间实现更大的空气间隙，而无线电力传输效率没有令人不满意的降低量)和/或线圈尺寸/占用空间可以被最小化(例如，作为无线电力传输效率和/或线圈偏移容差能力的改进的结果，可以实现更小的线圈尺寸/占用空间)。不希望受理论束缚，可能的解释可以是通过将线圈404配置为包括沿相反方向缠绕的第一线圈部分408(例如，内部线圈部分)和第二线圈部分412(例如，外部线圈部分)，已经发现由线圈404产生的磁通量从内部线圈部分408(例如，由内部线圈部分408限定的区域)(例如，像喷泉一样)流出，然后返回到外部线圈部分412(例如，由外部线圈部分412限定的区域)，这被发现例如能有利地提高线圈偏移容差能力、减少漏磁和/或提高无线电力传输效率。

在各种实施例中，第一线圈部分包括一个或多个绕线环(其可被称为第一绕线环)并且第二线圈部分包括沿与一个或多个第一绕线环相反的方向缠绕的一个或多个绕线环(其可被称为第二绕线环)。术语“绕线环”也可互换地称为“匝”。在各种实施例中，每个绕线环或匝至少基本上是一个完整的绕线环，即，所述绕线环已被缠绕至少约360°或更多。本领域技术人员将理解，被缠绕至少约360°或更多的绕线环不一定是圆形的并且可以是期望的或适当的任何其他形状，例如但不限于矩形(包括方形)、三角形、梯形、六边形等。此外，对于每个绕线环，可以理解地是，绕线环的终点不一定要与绕线环的起点相交，即终点和起点可以在轴向上偏移，例如就像螺旋线圈一样。

在各种实施例中，本文描述的相反方向对应于顺时针方向和逆时针方向。即，第一线圈部分408沿顺时针方向缠绕而第二线圈部分412沿逆时针方向缠绕，或者第二线圈部分412沿顺时针方向缠绕而第一线圈部分408沿逆时针方向缠绕。类似地，本领域技术人员将理解，顺时针和逆时针方向不一定是圆形方向，可以是任何其他期望或适当的形状，例如但不限于矩形(包括方形)、三角形、梯形、六边形等。在各种实施例中，在第一和第二线圈部分之间提供上述线圈方向的反向绕组(反向绕组结构/配置)以产生或容纳相反的磁通量(即，通过由第一线圈部分限定的区域(第一区域)的磁场)和通过由第二线圈部分限定的区域(第二区域)的磁场方向相反)。

在各种实施例中，线圈被配置为具有平面(扁平)螺旋结构。类似地，本领域技术人员将理解，螺旋结构不一定是圆形，而是期望或适当的任何其他形状，例如但不限于矩形(包括方形)、三角形、梯形、六边形等，只要线圈朝向内部螺旋，例如但不限于其中心。例如，对于无线充电应用，根据各种实施例，平面线圈结构可能是优选的，因为初级线圈和次级线圈之间的磁耦合根据它们之间的距离(即，空气间隙)起作用，这可以从初级线圈和次级线圈之间最近的点获取。因此，与例如螺旋/螺线管结构相比，通过使用平面线圈结构可以更好地最大化磁耦合。然而，本发明不限于平面线圈结构和其他类型的结构，例如可以提供期望或适当的螺旋/螺线管结构。

在各种实施例中，第一线圈部分408和第二线圈部分412均被配置为具有单极线圈结构，并且线圈具有多极线圈结构(设计或拓扑)。因此，在各种实施例中，线圈404具有多极线圈结构，其每个线圈部分(例如，第一和第二线圈部分)具有单极线圈结构。

在各种实施例中，第一线圈部分408和第二线圈部分412一起形成(构成)第一反向线圈段416，并且线圈404还包括一个或多个附加反向线圈段，每个附加反向线圈段包括沿相反方向缠绕的第三线圈部分和第四线圈部分，其中第三线圈部分嵌套在第四线圈部分内。在这方面，图5描绘了根据本发明的各种实施例的用于无线电力传输的耦合器500的示意图，该耦合器500包括线圈404，该线圈404进一步包括上述一个或多个附加反向线圈段，每个附加反向线圈段516包括沿相反方向缠绕的第三线圈部分508和第四线圈部分512，由此第三线圈部分508嵌套在第四线圈部分512内。在各种实施例中，多个反向线圈段416、516电性连接(未在图5中示出)，例如直接(例如，一体形成)或经由一个或多个连接部分(例如，导体或导线)电性连接以形成一个连续绕组。在各个实施例中，每个附加反向线圈段516可以与根据各个实施例的本文所述的第一反向线圈段416相同或相似(或相应)的方式配置，因此不需要为了清楚和简洁，重复每个附加反向线圈段516。本领域技术人员将理解，图5中仅示出了一个附加反向线圈段，但本发明不限于此，附加反向线圈段的数量可以根据需要或为各种目的适当地确定(例如，由图5中的虚线示出)。

在各种实施例中，如图5所示，第一反向线圈段416嵌套在一个或多个附加反向线圈段内，例如在附加反向线圈段516内。换言之，对于包括多个反向线圈段的线圈404，每个反向线圈段(除了最后一个或最外面的反向线圈段)(例如，内部反向线圈段)嵌套在后续的反向线圈段(例如，紧接其后的或外部的反向线圈段)内。与上文关于线圈部分所描述的类似，在各种实施例中，一个反向线圈段嵌套在另一个反向线圈段内意味着该线圈部分至少基本上、主要或完全位于被另一反向线圈段包围或围绕(例如，相对于平面至少基本上被包围或围绕)的一个区域(例如，对于平面线圈)或体积(例如，对于螺旋线圈)内。

在各种实施例中，线圈被配置为一个连续绕组。线圈可以是导线并且可以由允许电流流动并且优选地具有高导电性的任何导体材料制成。例如，由金属制成的导体材料是常见的电导体，例如但不限于金属。在这方面，通常使用铜，因为它具有高导电性。在各种实施例中，也可以使用非金属导体材料，例如石墨和导电聚合物。例如但不限于，配置为一个连续绕组的线圈可以是单根铜线或多股绝缘/漆包线。

在各种实施例中，每个反向线圈段中的多个线圈部分是连续的，即形成一个连续的绕组。

在各种实施例中，线圈404形成(构成)第一线圈单元，并且耦合器还包括连接到第一线圈单元的一个或多个附加线圈单元，每个附加线圈单元包括被配置用于基于电磁感应的无线电力传输的第二线圈，第二线圈包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第五线圈部分和第六线圈部分，其中第五线圈部分嵌套在第六线圈部分内。在这方面，图6描绘了根据本发明的各种实施例的用于无线电力传输的耦合器600的示意图，其包括第一线圈单元404和连接到第一线圈单元404的上述一个或多个附加线圈单元，每个附加线圈单元604包括被配置用于基于电磁感应的无线电力传输的第二线圈，第二线圈包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第五线圈部分608和第六线圈部分612，由此第五线圈部分608嵌套在第六线圈部分612内。在各个实施例中，每个附加线圈单元604可以与根据本申请各个实施例描述的第一线圈单元404相同或相似(或相应)的方式配置，并且因此为了清楚和简洁起见不需要重复每个附加的线圈单元604。本领域技术人员将理解，图6中仅显示为一个附加线圈单元604，但本发明不限于此，附加线圈单元的数量可以根据需要或为各种目的适当地确定(例如，由图6中的虚线示出)。在各种实施例中，对于包括多个线圈单元的耦合器600，每个线圈单元(除了最后一个线圈单元)被电性连接，例如直接(例如，一体形成)或经由一个或多个连接部分(例如，导体或导线)连接到相邻或后续线圈单元(例如，直接相邻或后续线圈单元)，例如串联或并联。

在各种实施例中，耦合器还包括串联或并联到线圈的谐振电容器，以形成配置用于谐振感应电力传输的谐振电路。在各种其他实施例中，耦合器可以被配置为形成用于非谐振操作的非谐振电路(例如，没有连接到线圈的任何谐振电容器)。

在各种实施例中，耦合器是发射器耦合器，其被配置为从与其连接的电源接收时变电流(即，交流电(AC))以产生磁场，从而基于电磁感应在空气间隙上与接收器耦合器执行无线电力传输。

在各种其他实施例中，耦合器是接收器耦合器，其被配置为与从发射器耦合器产生的磁场耦合以在接收器耦合器中感应出电流，用于向连接到接收器耦合的电负载供电，从而基于电磁感应在空气间隙上与发射器耦合器执行无线电力传输。

图7显示为根据本发明的各种实施例的用于无线电力传输的系统700。系统700包括由空气间隙752隔开的无线电力发射器720和无线电力接收器750。

在各种实施例中，无线电力发射器720包括被配置为产生时变电流的电源724；以及连接(电性连接)到电源724的发射器耦合器728。因此，电源724和发射器耦合器728可以一起形成电路(发射器电路)。在这方面，发射器耦合器728被配置为从电源724接收时变电流以产生磁场732，从而基于电磁感应在空气间隙752上与接收器耦合器760执行无线电力传输。

在各种实施例中，无线电力接收器750包括电负载756；以及接收器耦合器760连接到电负载756。因此，接收器耦合器760和电负载756可以一起形成电路(接收器电路)。在这方面，接收器耦合器760被配置为与从发射器耦合器728产生的磁场732耦合以在接收器耦合器760中感应出电流，用于向连接(电性连接)到接收器耦合器760的电负载756供电，从而基于电磁感应在空气间隙752上与发射器耦合器728执行无线电力传输。

在各种实施例中，发射器耦合器728和接收器耦合器760中的至少一个是根据本发明的各种实施例中所述的耦合器，例如参见图4至6中的任一所述的耦合器。在各种实施例中，发射器耦合器728和接收器耦合器760均是根据本发明的各种实施例中所述的耦合器。在各种实施例中，发射器耦合器728和接收器耦合器760中只有一个是根据本发明的各种实施例中所述的耦合器。

在各种实施例中，发射器耦合器728和接收器耦合器760可以被配置为具有相同或相似的结构或形状。例如，发射器耦合器728和接收器耦合器760均可以被配置为根据参考图4至6中任一所述的各种实施例的耦合器。仅作为示例而非限制，发射器耦合器728和接收器耦合器760可以根据如参考图4至6中任一所述的各种实施例来配置，并具有相同的矩形(例如，方形)结构或形状(例如，方形线圈单元)。

在各种其他实施例中，发射器耦合器728和接收器耦合器760可以被配置为具有不同的结构或形状。例如，发射器耦合器728和接收器耦合器760可以根据如参考图4至6中任一所述的各种实施例来配置，但发射器耦合器728可以被配置为具有与接收器耦合器760不同的结构或形状。例如，发射器耦合器728的线圈单元可以具有与接收器耦合器760的线圈单元不同的结构或形状，和/或发射器耦合器728中的线圈单元的数量可以不同于接收器耦合器760中的线圈单元的数量。在各种实施例中，发射器和接收器耦合器之间的结构或形状的不同组合可以选自，但不限于方形、矩形(不包括方形)、圆形、三角形、梯形、六边形等。在各种实施例中，发射器耦合器和接收器耦合器中不同数量的线圈单元分别可以在一到五个线圈单元或一到两个线圈单元的范围内。

在各种实施例中，发射器耦合器728和接收器耦合器760中仅一个可以根据参考图4至6中任一所述的各种实施例来配置，和发射器耦合器728和接收器耦合器760中的另一个可配置为常规耦合器，例如参考图1至3描述的耦合器中的任何一个。仅作为示例而非限制，发射器耦合器728和接收器耦合器760中的一个可以根据参考图4至6中任一所述的各种实施例来配置，并且具有矩形(例如，方形)结构，以及发射器耦合器728和接收器耦合器760中的另一个可以被配置为常规单极耦合器并且具有矩形(例如，方形)结构。

电力负载756可以是任何需要电力来执行操作或功能或存储电力/能量的电力组件或元件，例如但不限于，可充电电池。

本领域技术人员将理解，附加元件或组件可以根据需要或为了各种目的适当地添加到无线电力发射器720和/或无线电力接收器750，例如上文所述的谐振电容器以形成配置用于谐振感应电力传输的谐振电路。作为另一示例，本领域技术人员将理解，无线电力接收器750可以包括被配置为将接收器耦合器感应的时变电流(AC)转换为直流电(DC)的元件或组件(例如，双向整流器)，如果电负载756(例如，可充电电池)需要直流电，。

图8描绘了无线电力传输的方法800的流程图，包括：通过无线电力发射器720处的电源724产生(在802)时变电流；并且通过在连接到电源724的无线电力发射器720处的发射器耦合器728接收(在804)来自电源724的时变电流以产生磁场732，从而基于电磁感应在空气间隙752上与接收器耦合器760执行无线电力传输；通过在连接到电负载756的无线电力接收器750处的接收器耦合器760与从发射器耦合器728产生的磁场732耦合(在806)以在接收器耦合器760中感应出电流，从而基于电磁感应在空气间隙752上与发射器耦合器728执行无线电力传输；以及通过无线电力接收器750处的接收器耦合器760基于其中感应的电流向与其连接的电负载756供电(在808)。如上所述，无线电力发射器720和无线电力接收器750被空气间隙752隔开。

图9描绘了根据本发明的各种实施例制造用于无线电力传输的耦合器的方法900的流程图，例如参考图4至6中任一所述的耦合器。方法900包括配置(在902)线圈404以包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第一线圈部分408和第二线圈部分412，由此第一线圈部分408嵌套在第二线圈部分412内。

在各种实施例中，方法900用于制造根据本发明的各种实施例的耦合器，例如在此参考图4至6中任一所述。因此，方法900的各个方面或步骤可对应于如本文所述的耦合器的各个方面或特征，并且因此为了清楚和简洁起见不需要重复方法900。换言之，本文在关于耦合器的上下文中描述的各种实施例类似地适用于方法900，反之亦然。例如，对应于根据各种实施例的如上文所述的第一线圈部分沿顺时针方向缠绕并且第二线圈部分沿逆时针方向缠绕的耦合器的特征，方法900中的上述配置线圈相应地包括沿顺时针方向缠绕第一线圈部分并且沿逆时针方向缠绕第二线圈部分。在各个实施例中，线圈可以形成在由非导电材料制成的基板上，例如但不限于非金属环氧树脂、类塑料丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、丙烯酸材料、尼龙等。

线圈(或导线)可以使用本领域中已知的现有技术形成为如根据本文各种实施例所述的(例如参考本文图4至6中的任一所述的)结构或形状。例如，线圈(连续绕组)可以放置在由非导电材料制成的基板(例如模具或外壳)上。基板可以包括一个或多个轨道(或凹槽)，其被配置/成形以容纳线圈(沿着轨道放置在其中)用于将线圈形成/配置成期望的形状或结构。换言之，轨道可以根据(以符合)期望的线圈形状或结构在基板中配置/成形，然后线圈可以根据本发明的各种实施例通过沿着轨道铺设/放置线圈配置(缠绕)为所描述的期望形状/结构。作为另一个示例，铸件可以类似于上述具有轨道(或凹槽)的基板来配置/设计，以便在被包封在环氧树脂中之前以期望的形状或结构容纳或固定导线。此后可在环氧树脂硬化且线圈形状固定后移除铸件。作为进一步的示例，可以使用多层印刷电路板(PCB)形成线圈匝来形成期望的线圈形状或结构的导电绕组。

本领域技术人员将理解，本文使用的术语仅用于描述各种实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，“一种”、“该”等的描述也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指出。将进一步理解，术语“包含”和/或“包括”，当在本说明书中使用时，指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

为了使本发明易于理解并付诸实践，以下将仅通过示例而非限制的方式描述本发明的各种示例实施例。然而，本领域技术人员将理解，本发明可以以各种不同的形式或结构来体现并且不应被解释为限于下文阐述的示例实施例。相反，提供这些示例实施例是为了使本发明彻底和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。

根据各种示例实施例，线圈结构(其也可以被称为耦合器或线圈)1000可以被配置/设计为如图10A所示。例如，线圈1000可以使用单根铜线构造并且可以被配置为形成一个或多个相反方向部分，每个相反方向部分1016包括沿相反方向缠绕的第一线圈部分1008(例如，在图10A中以较深的线显示)和第二线圈部分1012(例如，在图10A中以较浅的线显示)，由此第一线圈部分1008嵌套在第二线圈部分1012内。在图10A的示例中，线圈1000因此可以以嵌套环布置形成一组反方向缠绕单极线圈部分1016，由此外部线圈部分(或外绕线环)1012具有与内部线圈部分(或内绕线环)1008相反或相对的缠绕方向。已有利地发现线圈1000的这种结构(例如，反向线圈段1016，其也可称为反向耦合绕线环结构等)可有利地改善横向和角度线圈偏移容差，例如涵盖所有角度和方向。为了便于参考而不是限制，根据本发明的各种示例实施例的具有这种结构的线圈可以被称为“X线圈”。

如上文根据各种实施例所述，沿相反方向缠绕的第一线圈部分和第二线圈部分意味着第一线圈部分和第二线圈部分被缠绕(例如，被配置或布置)，在由其限定的相应区域，以从其中流动的时变电流产生或容纳相反的(相对的)磁场(磁通量)。换言之，从第一线圈部分和第二线圈部分中流动的时变电流，第一线圈部分被缠绕以产生或容纳磁场(其可被称为第一磁场)通过由第一线圈部分限定的区域(其可被称为第一区域)并且第二线圈部分被缠绕以产生或容纳磁场(其可被称为第二磁场)通过由第二线圈部分限定的区域(其可被称为第二区域)，使得通过第一和第二区域的第一和第二磁场分别在相反的方向上。

作为一个示例说明，图10B和10C描绘了线圈1000的附图，显示了由线圈1000从其中流动的时变电流产生的磁通量。如图所示，通过由第一线圈部分1008限定的第一区域1020的磁场和通过由第二线圈部分1012限定的第二区域1022的磁场方向相反。作为进一步的说明，图10D和10E描绘了第一线圈部分1008连同通过(流出或向上流过)第一区域1020(由图10D中的阴影区域表示)(例如，由第一线圈部分1008的路径或结构/形状(例如，外部结构/形状)的外围或参数限定)的上述磁场的示意图。图10F和10G描绘了第二线圈部分1012连同通过(流入或向下流过)第二区域1022(由图10F中的阴影区域表示)(例如，由第二线圈部分1012的路径或结构/形状(例如，的外部结构/形状)的外围或参数限定)的上述磁场的示意图。此外，例如从显示绕线环方向的图10E和10G中，可以观察到第一线圈部分1008沿逆时针方向缠绕，而第二部分1012沿顺时针方向缠绕。在各种实施例中，顺时针和逆时针方向指的是一个或多个完整绕线环的线圈缠绕方向，而不是绕线环或线圈段的方向。

作为示例而非限制，图10H描绘了线圈1040，其包括彼此电性连接的第一线圈部分1044和第二线圈部分1048(例如，连续绕组的线圈部分)，由此第一线圈部分1044包括多个绕线环(或匝)(图10H中作为示例示出了四个绕线环)和第二线圈部分1048包括多个绕线环(或匝)(图10H中作为示例显示了四个绕线环)。第一线圈部分1044和第二线圈部分1048沿相反方向缠绕并一起形成相反方向段1046，由此第一线圈部分1044嵌套在第二线圈部分1048内。

例如，对于反向线圈段，已经发现线圈偏移性能优于常规DD和BP耦合器。此外，与常规DDQ耦合器相比，需要的材料更少，尽管常规DDQ耦合器在x轴和y轴方向上可能具有一定程度的横向线圈偏移容差。例如，已发现实施反向线圈段使发射器耦合器和接收器耦合器之间的磁耦合不易受角度线圈偏移的影响。因此，已有利地发现反向线圈段允许有效充电区域(区域/区)被加宽，同时当与常规耦合器结构例如常规单极和双极耦合器结构相比时改进了线圈偏移性能。

根据各种示例实施例的反向线圈段有利地结合了常规线圈结构的各种优点，例如常规单极线圈结构/设计和双极DD线圈结构/设计。例如，图1A至1F中所示的常规单极线圈结构是最简单的配置或概念，尤其是图1A所示的圆形线圈，其源自变压器中使用的罐型磁芯形状。由于圆形配置，磁通量可以流出线圈(例如，像喷泉一样)，如图11A所示。例如，磁通量路径高度可以成比例地限制为线圈直径的大约四分之一。因此，线圈直径可能需要与空气间隙距离的增加成比例地增加四倍。因此，所需的线圈面积/占用空间可能会(不合意地)过大，使得这种常规单极线圈结构笨重且难以实际实施。此外，可能存在与常规单极线圈结构相关的不希望有的大量漏磁(暴露的电磁场(EMF))，这可能对生物健康有害。例如，ICNIRP制定了将时变EMF暴露限制在300GHz以下的指南，以防止已知的不利于健康的影响。因此，根据暴露的EMF和应用的工作频率范围，在实施常规单极线圈配置时可能需要额外屏蔽EMF。作为另一个例子，在图11B所示的常规单极矩形线圈的情况下，类似地，磁通量从常规单极矩形线圈的中心流出，但与图11A所示的常规单极圆形线圈相比，其在x和y轴方向上具有更好的线圈偏移容差。

图3B和11C中所示的常规双极DD线圈配置由在左半平面和右半平面之间的反方向缠绕结构构成。这样的配置允许磁通量从左绕线环单向地流入右绕线环，如图11C所示，反之亦然，形成如图2B所示的圆形磁通量绕线环路。使用这种配置，当两个DD线圈(一个在发射器侧，另一个在接收器侧)以平行方式相互重叠放置时，其间的空气间隙高度/长度约为线圈长度的一半(平面截面尺寸)，磁通量密度变强，因此接收器侧的DD线圈中的电流可以通过在磁通量路径覆盖范围内流动。与常规双极耦合器相比，由于其单侧磁通量耦合器结构，还可以减少漏磁。然而，常规双极DD线圈结构有许多问题，例如横向线圈偏移容差能力仅限于y轴方向。

相比之下，根据本发明的各种示例实施例的线圈被配置/设计为包括通过以反方向缠绕两个单极线圈部分中的每一个，以嵌套方式使用连续线布置成的两个单极线圈部分(形成反向线圈段)，该连续线可以是单线(例如，铜线)或多股或多匝线(例如，利兹线)。例如，外部线圈绕组(例如，对应于根据各种实施例在上文中描述的第二线圈部分)与内部线圈绕组(例如，对应于根据各种实例在上文中描述的第一线圈部分)相比具有相反的线圈绕组方向。不希望受理论束缚，一种解释可能是这种线圈结构产生的磁通量可以从第一线圈部分或内部线圈部分(例如，像喷泉一样)流出，然后返回到第二线圈部分或外部线圈部分，如图10B所示。例如，与图11A中所示的常规圆形耦合器相反，由于一个或多个反向线圈段(反向绕组)，漏磁被有利地减少了，这减少了可能导致不利健康影响的EMF暴露并且使线圈更紧凑，并且在满足ICNIRP提供的指南的同时，需要屏蔽的暴露的EMF更少(由于EMF暴露减少)。

例如，不希望受理论束缚，由于基于一个或多个反向线圈段的配置，磁通量可以向所有方向流出，因此可以在初级(发射器)和次级(接收器)侧之间实现良好的耦合系数和改善的线圈偏移容差能力。例如，已发现在横向和角度线圈偏移方面的线圈偏移性能大大增强，从而为无线电力传输提供了更广阔的有效区域(例如，无线充电区域/区)。根据各种示例实施例的包括多个单极线圈部分(形成反向线圈段)的线圈的这种结构可以被称为多极线圈拓扑。

通常，各种示例实施例配置线圈以嵌套结构交替多个单极线圈的反向绕组。本领域技术人员将理解，线圈的形状/结构不限于方形或矩形形状，例如图10A和10B中所示，也可以根据需要或为各种目的适当地实施其他形状/结构，例如但不限于圆形、三角形、梯形、六边形等。

在各种示例实施例中，线圈1000、1040可以被配置为包括一个或多个附加反向线圈段(其可以被称为延伸线圈层)。仅作为示例而非限制，图12A描绘了线圈1200，其进一步包括一个附加反向线圈段1202，即，第一反向线圈段1212和第二(附加)反向线圈段1202通过连接部分1208连接以形成连续绕组.

在各种示例实施例中，线圈，例如图10A、10B、10H或12A中所示的线圈，可以形成(构成)线圈单元，并且一个或多个附加线圈单元可以经由连接部分连接到线圈单元以形成连续绕组。仅作为示例而非限制，图12B、12C和12D各自显示了耦合器1220、1240、1260，其包括第一线圈单元和连接(电性连接)到第一线圈单元的第二线圈单元(附加线圈单元)。因此，对于这样的线圈单元结构，根据各种示例实施例的耦合器可以基于线圈单元的各种组合来配置，例如图12B和图12C中所示的串联线圈单元和图12D中所示的并联线圈单元。

图12B描绘了包括第一线圈单元1222和经由连接部分1226串联到第一线圈单元1222的第二线圈单元1224的耦合器1220，由此第一和第二线圈单元具有相同的线圈结构，或者换言之，具有相同的缠绕方向(即，以相同的方向缠绕)。例如，第一和第二线圈单元的外部线圈部分可以沿相同的逆时针方向缠绕，而第一和第二线圈单元的内部线圈部分可以沿相同的顺时针方向缠绕。

图12C描绘了耦合器1240，其包括第一线圈单元1242和经由连接部分1246串联到第一线圈单元1242的第二线圈单元1244，由此第一和第二线圈单元具有不同的线圈结构(相反的反向线圈段结构)，或者换言之，具有相反的缠绕方向(即，沿相反的方向缠绕)。例如，第一和第二线圈单元的外部线圈部分可以分别沿逆时针和顺时针方向缠绕，而第一和第二线圈单元的内部线圈部分可以分别沿顺时针和逆时针方向缠绕。

图12D描绘了耦合器1260，其包括第一线圈单元1262和经由连接部分1266(图12D中的两个连接部分)并联到第一线圈单元1262的第二线圈单元1264，由此第一和第二线圈单元具有相同的线圈结构。例如，第一和第二线圈单元的外部线圈部分可以沿相同的逆时针方向缠绕，而第一和第二线圈单元的内部线圈部分可以沿相同的顺时针方向缠绕。

因此，本发明的各种实施例提供一种耦合器(或耦合器结构)，其增强无线电力传输性能和/或减少漏磁，从而在满足由ICNIRP提供的指南的同时能够减少EMF屏蔽工作。耦合器还扩大了有效电力传输区域(例如，充电区域/区)，因为耦合器有利地改进了线圈偏移性能，从而即使在横向和角度条件不匹配时也能提供良好的耦合系数。

如本文描述的根据各种实施例的耦合器可以在无线电力传输系统的无线电力发射器和/或无线电力接收器中实现，例如图7所示，从而使无线电力传输系统(例如，无线电力充电系统)更高效，并具有改进的线圈偏移容差能力。仅作为示例而非限制，图13描绘了根据本发明的各种示例实施例的示例无线电力传输系统1300。根据各种实施例的耦合器的线圈可以在非谐振电路或谐振补偿电路中采用或实现为电力传输线圈(例如，作为发射器线圈1328(Coil_Pri)和接收器线圈1360(Coil_Sec))，例如但不限于图13所示的无线电力传输系统1300的LC谐振补偿电路1370。在LC谐振补偿电路1370中，发射器线圈1328和接收器线圈1360可以各自在各自侧与谐振电容器1374(ResCap_Pri)、1378(ResCap_Sec)串联(如图13所示)或并联(未显示)，从而形成不同的谐振补偿结构，例如串联-串联(如图13所示)、串联-并联、并联-串联或并联-并联拓扑。因此，根据本发明的各种实施例的线圈结构有利地使无线电力传输系统能够在更广泛的应用中使用，从低功率应用(例如，智能手机、相机和传感器)到高功率应用(例如，机器人、自动导引车辆和电子移动设备)。

耦合器漏电感通常是由漏磁通引起的，漏磁通可以指通过空气分散或“逃逸”时，不会将初级绕组磁性关联(link)或耦合到次级绕组的磁通量。在这方面，线圈的设计/结构(例如，几何形状)影响漏磁通，并且已经发现根据各种实施例在上文中描述的线圈(或包括线圈的耦合器)的各种设计/结构有利地减少漏磁。仅出于说明目的并为了证明根据本发明的各种实施例配置的耦合器的有效性，下面将使用示例线圈参数/尺寸来描述各种实验结果和观察结果。应当理解，本发明不限于这样的示例线圈参数/尺寸。例如，进行了各种实验以检查与初级(发射器)和次级(接收器)线圈结构(线圈拓扑)的各种组合相关的漏磁和偏移容差。

仅作为示例，图14A至14D描绘了在进行的各种实验中评估的初级和次级耦合器配置或拓扑(或线圈结构或拓扑)的四种示例性组合。在图14A至14D中，所示的底部线圈是初级线圈，所示的顶部线圈是次级线圈。在图14A(“组合I”)中，初级线圈1400和次级线圈1406均根据本发明的实施例配置(如上文参考图10A所述)，其可在下文中和在图15至17中每个都被称为“X线圈”或本发明的线圈。在图14B(“组合II”)中，初级线圈1410根据本发明的实施例(如上文参考图10A所述)(本发明的线圈)配置并且次级线圈1416是常规单极方形线圈。在图14C(“组合III”)中，初级和次级线圈1420、1426两者都是常规单极方形线圈。在图14D(“组合IV”)中，初级和次级线圈1430、1436都是常规双极双D(DD)线圈。在图14A至14D中，“z”表示初级线圈和次级线圈之间的空气间隙距离。

在进行的各种实验中，评估了具有不同的中心宽度(CW)与外部宽度(OW)的比率的组合I和II中的本发明的线圈。为简单起见且不受限制，图14A至14D中的所有线圈拓扑如图所示以单匝绕组缠绕，不包含任何磁性材料或屏蔽。初级线圈和次级线圈完全居中对齐，在z轴上始终保持(即沿x轴和y轴(xy平面))初级线圈和次级线圈之间相同的75mm空气间隙距离(“z”)。通过这样做，例如，可以基于对于不同的组合相同的高度(z轴))37.5mm(空气间隙距离的一半)(和0mm(y轴)从线圈中心沿x轴方向的不同点公平地测量漏磁通)。

图15显示了具有各种线圈尺寸/参数(如表中所示)的组合I至IV的漏磁通评估的表(表I)，其中初级和次级线圈之间的空气间隙(“z”)为75mm。图16显示了具有各种线圈尺寸/参数(如表中所示)的组合I至IV的漏磁通评估的表(表II)，由此在距线圈中心600mm的x轴距离处以及对于初级和次级线圈之间的空气间隙(“z”)50mm(较小的空气间隙距离)和100mm(较宽的空气间隙距离)进行漏磁通测量。如图17显示了具有各种线圈尺寸/参数(如表中所示)的组合I至IV的线圈偏移评估表(表III)，其中初级和次级线圈之间的空气间隙(“z”)为75mm。表I至III中，“CW”和“OW”分别表示本发明的线圈的中心宽度和外部宽度，CW：OW表示基于总体尺寸(外侧或外部尺寸)本发明的线圈的内部线圈部分和外部线圈部分的比率。在组合II中，次级线圈(常规单极方形线圈)的尺寸与初级线圈(本发明的线圈)的内部线圈部分的尺寸(CW)相同。在表I中，基于相同的z轴高度37.5mm(空气间隙距离的一半z＝75mm)和y＝0mm，在距线圈中心的不同x轴位置测量漏磁通。在表I和表II中，所有漏磁通值都根据组合III在x＝600mm和z＝37.5mm处标准化，空气间隙距离z＝75mm。此外，在表I中，初级线圈尺寸外的漏磁通测量值以粗体突出显示。在表II中，对于50mm和100mm的不同空气间隙距离，获得/测量了相同的参数，例如x＝600mm处的漏磁通、耦合系数、自感和互感。

此外，除了组合II中的次级线圈(常规单极方形线圈)的尺寸被固定到初级线圈(本发明的线圈)的CW尺寸之外，组合I至IV中的每个线圈的总体尺寸(外侧或外部尺寸)被配置为400mm×400mm。此外，作为附加比较，组合II中的次级线圈(常规单极方形线圈)的尺寸为400mm×400mm，而初级线圈(本发明的线圈)的尺寸被增加到500mm×500mm(以保持相同的CW：OW比率80：20)。

下面将参考表I至III关于组合I至IV描述用于评估漏磁通和线圈偏移容差的各种实验结果和观察结果。

首先，关于漏磁通评估，从组合I的表I和II，可以观察到随着内部线圈部分面积增加(更高的CW：OW比)，耦合系数(k)减小，这可能是因为(i)增加了线圈长度和增加了初级和次级线圈的自感和/或(ii)降低了互感。还可以观察到互感在CW：OW为50：50处最高，这是由于初级和次级线圈的内部线圈部分区域(例如，对应于图10D中阴影的第一区域1020)和外部线圈部分区域(例如，对应于图10F中阴影的第二区域1022)的等效磁阻。例如，磁阻取决于每个线圈部分的面积以及相应线圈部分的线圈绕组长度。可以进一步观察到漏磁通随着内部线圈部分的面积增加而减少。总体而言，与线圈拓扑的其他组合(组合II至IV)相比，观察到组合I实现的漏磁通最低。

从组合II的表I和II，可以观察到，随着内部线圈部分面积增加(更高的CW：OW比)，耦合系数(k)增加(与组合I的性能相反)，这主要是由于互感增加。对于组合II，磁阻受本发明的线圈的内部线圈部分的面积和次级线圈的面积的影响或取决于本发明的线圈的内部线圈部分的面积和次级线圈的面积。例如，随着本发明的线圈的内部面积和次级线圈的面积都增加(更高的CW：OW比)，可以观察到耦合系数增加，这导致磁阻减小。因此，随着初级线圈和次级线圈的内部线圈部分的面积增加，磁阻减小，互感增加。还可以观察到，当初级线圈的外部线圈部分的面积减小时，漏磁通减小。然而，当初级线圈的外部线圈部分的面积变得太小时，漏磁通不能被抵消(无效)或减少。

从表I和II中，关于空气间隙距离的变化，可以观察到当空气间隙较大(例如，100mm)时漏磁通增加，而当空气间隙距离较小(例如，50mm)时漏磁通减小。与分别在组合III和IV中的常规单极方形线圈和双极DD线圈相比，使用本发明的线圈减少了漏磁通，使用组合II甚至更低。还可以观察到，当空气间隙增加时，互感也会降低，从而影响耦合系数(k)。然而，本发明的线圈可以实现相对较好的互感，例如，基于组合I、III和IV之间的比较，其中初级线圈和次级线圈都具有相同的线圈拓扑。

在实际无线电力传输系统中很可能发生线圈偏移，因为例如附接到车辆的次级线圈(接收器线圈)可能并不总是与初级线圈(发射器线圈)完全对齐，例如，安装在固定位置。因此，初级和次级线圈的对齐很大程度上取决于车辆(例如自动导引车辆和电动车辆等)在驻车进行无线充电时的定位精度。在这方面，还研究了相同的四种不同线圈拓扑组合(组合I到IV)在各种偏移条件下的性能，例如纵向偏移(z轴方向上的空气间隙距离变化)、横向偏移(在x轴或y轴方向)和对角线偏移(x轴和y轴方向的位移)。纵向偏移可以从表I和表II中分析，其中空气间隙距离是通过将次级线圈放置在距离初级线圈的z轴方向50mm、75mm和100mm处来改变的。

对于横向偏移评估，各个提到的组合的次级线圈沿x轴或y轴方向水平移动100mm(线圈尺寸的四分之一)和200mm(耦合器线圈的一半)远离初级线圈的中心轴，同时在z方向上保持与初级线圈平行对齐。对角线偏移评估与横向偏移评估采用类似的方法，只是次级线圈在x轴和y轴方向对角移动。根据各种示例实施例的偏移评估是考虑到偏移的最坏情况来进行的，即在x轴或y轴(横向)或x轴和y轴两者(对角线)上的任一偏移量为接近线圈尺寸的长度或宽度的一半(例如，在示例中为200mm)。

在根据各种示例实施例的偏移评估中，对于组合I和II，组合I的CW：OW比率为30：70和80：20，和组合II的CW：OW的比率为80：20且外部宽度为400mm和500mm，被根据组合III和IV的相应配置进行考虑和评估。纵向偏移的耦合系数、互感和自感的测量值可参考表I和表II，而横向和对角线偏移情况见表III。

为了在各种偏移条件下对线圈性能进行公平评估，互感是考虑的主要因素，而不是耦合系数(k)，因为k值(k＝M/(Lpri×Lsec)⁰ _. ⁵)很大程度上取决于互感(M)并与初级(Lpri)和次级(Lsec)自感的平方根成反比。由于这些自感(Lpri和Lsec)主要取决于线圈的几何形状和长度，并且在任何偏移条件下变化不大，因此仅根据耦合系数值进行评估可能不准确。

关于纵向偏移，当线圈完全对齐时，发现组合IV与其他组合相比具有相对最高的互感，其次是组合I(对于本发明的线圈CW：OW为30：70)和组合II(对于本发明的线圈(初级线圈)，CW：OW为80：20)具有500mm的外部宽度。然而，与其他组合相比，当空气间隙距离增加时，组合IV的互感变化率最大。另一方面，组合III的互感变化率最低。然而，还可以观察到，尽管具有相同尺寸的方形线圈，但与组合III(常规单极方形线圈)相比，包括具有500mm外部宽度的本发明的线圈的组合II具有更好的互感。

关于横向偏移，发现组合IV在y轴方向上具有良好的偏移容差，但在x轴方向上没有，而来自组合I和II的本发明的线圈显示在x轴和y轴这两个方向上都实现了良好的偏移容差能力，类似于组合III中的常规单极方形线圈。在本发明的线圈在CW：OW比或线圈尺寸方面的不同设计配置中，具有本发明的线圈的外部宽度500mm的组合II表现出与组合III相似的性能，因为在这两种组合中方形线圈具有相似的尺寸。

关于对角线偏移，当次级线圈在x轴和y轴两者上从初级耦合器移开200mm时，没有发现任何线圈组合能很好地工作，因为结果表明测得的互感非常低(为零或负值)。然而，与其他组合相比，组合II(对于CW：OW为80：20，外部宽度为500mm)和组合III两者在x轴和y轴对角移动100mm时具有相对较高的互感。尽管两种组合具有相同的方形线圈尺寸，但组合II的性能可能与组合III不同。这主要是由于本发明的线圈的反向绕组配置，由此外部线圈部分区域感应出与内部线圈部分区域相反的磁通量，从而影响流向次级方形线圈的净磁通量。

基于实验结果，各种示例实施例可以出于多种原因提供组合II，包括实际设计考虑、漏磁通的减少和良好的偏移容差能力。

关于实际的设计考虑，例如，基于组合II中次级方形线圈的尺寸(400mm×400mm)与组合III和IV中线圈的尺寸相同，与组合III和IV相比，组合II实现了良好的互感值。但是，组合II的初级和次级自感值不同，而组合III和IV具有等效的初级和次级自感。考虑到线圈的实际实施，可以将次级自感设计为小于初级自感，以达到所需的输出增益比。因此，组合III和组合IV的互感和耦合系数可能比组合II更低或更差。因此，与组合III和IV相比，组合II为线圈设计提供了灵活性，使耦合器更适用于无线电力传输系统。

关于漏磁通的减少，如图所示，通过基于400mm×400mm的相同线圈尺寸以及初级和次级耦合器的相同自感比较组合I、III和IV，使用本发明的线圈减少了漏磁通。因此，在组合III和IV具有与组合II相同的输出增益比的情况下，与两者相比，使用包括本发明的线圈作为初级侧线圈的组合II也可以大大降低漏磁通。

关于偏移容差能力，即使具有500mm外部宽度的组合II(CW：OW为80：20)不能实现与基于相同方形耦合器尺寸的组合III一样高的互感，但组合II显示为成功继承了组合III的有益的偏移容差能力，以克服组合IV中常规双极DD线圈面临的偏移问题。考虑到实际设计线圈时所需的输出增益比(不同的初级和次级自感)，组合II能够表现得更好或与组合III相当。

因此，所讨论的结果已经证明了本发明的线圈(例如，当在无线电力发射器和无线电力接收器两者中使用时(例如，如在组合I中)或当在无线电力发射器和无线电力接收器中的任何一个中使用时无线电力接收器(例如，如在组合II中))为无线电力传输系统提供了具有增强性能的有效解决方案，例如与作为说明性示例的常规单极耦合器和双极DD耦合器相比时。例如，本发明的线圈已被发现有利地(i)减少漏磁通，从而使线圈尺寸和重量更紧凑，减少或最小化所需的EMF屏蔽工作，同时满足ICNIRP提供的关于EMF暴露的指南，以及(ii)增加偏移容差能力，从而扩大有效充电区面积。

虽然本发明的实施例已经参照具体实施例具体显示和描述，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。因此，本发明的范围由所附权利要求书指明，并且因此旨在包括落入权利要求书的等效含义和范围内的所有变化。

Claims (30)

1.一种无线电力传输耦合器，其特征在于，该耦合器包括：

线圈，其被配置为基于电磁感应进行无线电力传输，该线圈包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第一线圈部分和第二线圈部分，其中所述第一线圈部分嵌套在所述第二线圈部分内。

2.根据权利要求1所述的耦合器，其中所述第一线圈部分包括一个或多个第一绕线环并且第二线圈部分包括与所述一个或多个第一绕线环相反方向缠绕的一个或多个第二绕线环。

3.根据权利要求1或2所述的耦合器，其中所述第一线圈部分沿顺时针方向缠绕并且所述第二线圈部分沿逆时针方向缠绕，或者所述第二线圈部分沿顺时针方向缠绕并且所述第一线圈部分沿逆时针方向缠绕。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的耦合器，其中所述线圈被配置为具有平面螺旋结构。

5.根据权利要求1至4中所述的耦合器，其中所述第一线圈部分和所述第二线圈部分均被配置为具有单极线圈结构，并且所述线圈具有多极线圈结构。

6.根据权利要求1至5中所述的耦合器，其中所述第一线圈部分和所述第二线圈部分一起形成第一反向线圈段，并且所述线圈还包括一个或多个附加反向线圈段，每个附加反向线圈段包括沿相反方向缠绕的第三线圈部分和第四线圈部分，其中所述第三线圈部分嵌套在所述第四线圈部分内。

7.根据权利要求6所述的耦合器，其中所述第一反向线圈段嵌套在所述一个或多个附加反向线圈段内。

8.根据权利要求1至7中所述的耦合器，其中所述线圈被配置为一个连续绕组。

9.根据权利要求1至8中所述的耦合器，其中所述线圈形成第一线圈单元，并且其中所述耦合器还包括连接到所述第一线圈单元的一个或多个附加线圈单元，每个附加线圈单元包括被配置为基于电磁感应进行无线电力传输的第二线圈，所述第二线圈包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第五线圈部分和第六线圈部分，其中所述第五线圈部分嵌套在所述第六线圈部分内。

10.根据权利要求1至9中所述的耦合器，其还包括与所述线圈串联或并联的谐振电容器以形成被配置用于谐振感应电力传输的谐振电路。

11.根据权利要求1至10中所述的耦合器，其中所述耦合器是发射器耦合器，所述发射器耦合器被配置为从与其连接的电源接收时变电流以产生磁场，从而基于电磁感应在空气间隙上与接收器耦合器执行无线电力传输。

12.根据权利要求10中所述的耦合器，其中所述耦合器是接收器耦合器，所述接收器耦合器被配置为与从所述发射器耦合器产生的磁场耦合以在所述接收器耦合器中感应出电流以用于向连接到所述接收器耦合器的电负载供电，从而基于电磁感应在空气间隙上与发射器耦合器执行无线电力传输。

13.一种无线电力发射器，其特征在于，包括：

电源，其被配置为产生时变电流；和

根据权利要求1至10中任一项所述的耦合器，其用作发射器耦合器并连接到电源，其中所述发射器耦合器被配置为从所述电源接收时变电流以产生磁场，从而基于电磁感应在空气间隙上与接收器耦合器执行无线电力传输。

14.一种无线电力接收器，其特征在于，包括：

电负载；和

根据权利要求1至10中任一项所述的耦合器，其连接到所述电负载并用作接收器耦合器，其中所述接收器耦合器被配置为与从发射器耦合器产生的磁场耦合以在所述接收器耦合器中感应出电流以用于向连接到所述接收器耦合器的电负载供电，从而基于电磁感应在空气间隙上与发射器耦合器执行无线电力传输。

15.一种用于无线电力传输的系统，其特征在于，包括：

无线电力发射器，其包括：

电源，其被配置为产生时变电流；和

发射器耦合器，其连接到电源，其中所述发射器耦合器被配置为从电源接收时变电流以产生磁场，从而与接收器耦合器在基于电磁感应的空气间隙上进行无线电力传输；和

无线电力接收器，其包括：

电负载；和

接收器耦合器，其连接到电负载，其中所述接收器耦合器被配置为与从所述发射器耦合器产生的磁场耦合以在所述接收器耦合器中感应出电流，用于向连接到所述接收器耦合器的电负载供电，从而基于电磁感应在空气间隙上与发射器耦合器执行无线电力传输，

其中所述接收器耦合器和所述发射器耦合器中的至少一个是根据权利要求1至10中任一项所述的耦合器，并且所述无线电力发射器和所述无线电力接收器被空气间隙隔开。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，其中所述接收器耦合器和所述发射器耦合器均是根据权利要求1至10中任一项所述的耦合器。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，其中所述接收器耦合器和所述发射器耦合器中的一个是根据权利要求1至10中任一项所述的耦合器，并且所述接收器耦合器和所述发射器耦合器中的另一个是被配置为具有单极结构的耦合器。

18.一种制造用于无线电力传输的耦合器的方法，其特征在于，该方法包括：

基于电磁感应配置用于无线电力传输的线圈，所述线圈包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第一线圈部分和第二线圈部分，其中所述第一线圈部分嵌套在所述第二线圈部分内。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一线圈部分包括一个或多个第一绕线环并且所述第二线圈部分包括以与所述一个或多个第一绕线环相反的方向缠绕的一个或多个第二绕线环。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，其中所述的配置线圈包括沿顺时针方向缠绕所述第一线圈部分和沿逆时针方向缠绕所述第二线圈部分，或者沿顺时针方向缠绕所述第二线圈部分和沿逆时针方向缠绕所述第一线圈部分。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其特征在于，其中所述线圈被配置为具有平面螺旋结构。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其特征在于，其中所述第一线圈部分和所述第二线圈部分均被配置为具有单极线圈结构，并且所述线圈具有多极线圈结构。

23.根据权利要求22中任一项所述的方法，其特征在于，其中所述第一线圈部分和所述第二线圈部分一起形成第一反向线圈段，并且所述的配置所述线圈包括配置所述线圈，以进一步包括一个或多个附加反向线圈段，每个附加反向线圈段包括沿相反方向缠绕的第三线圈部分和第四线圈部分，其中所述第三线圈部分嵌套在所述第四线圈部分内。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，其中所述第一组反方向线圈部分嵌套在所述一组或多组附加反方向线圈部分内。

25.根据权利要求18至24中任一项所述的方法，其特征在于，其中所述线圈被配置为一个连续绕组。

26.根据权利要求18至25中任一项所述的方法，其特征在于，其中所述线圈形成第一线圈单元，并且所述方法还包括配置连接到所述第一线圈单元的一个或多个附加线圈单元，每个附加线圈单元包括被配置为基于电磁感应进行无线电力传输的第二线圈，所述第二线圈包括多个线圈部分，所述多个线圈部分包括沿相反方向缠绕的第五线圈部分和第六线圈部分，其中所述第五线圈部分嵌套在所述第六线圈部分内。

27.根据权利要求18至26中任一项所述的方法，其特征在于，其还包括提供串联或并联到所述线圈的谐振电容器以形成被配置用于谐振感应电力传输的谐振电路。

28.根据权利要求18至27中任一项所述的方法，其特征在于，其中所述耦合器是发射器耦合器，所述发射器耦合器被配置为从与其连接的电源接收时变电流以产生磁场，从而基于电磁感应在空气间隙上与接收器耦合器执行无线电力传输。

29.根据权利要求18至27中任一项所述的方法，其特征在于，其中所述耦合器是接收器耦合器，所述接收器耦合器被配置为与从所述发射器耦合器产生的磁场耦合以在所述接收器耦合器中感应出电流以向连接到接收器耦合器的电负载供电，从而基于电磁感应在空气间隙上与发射器耦合器执行无线电力传输。

30.一种无线电力传输方法，其特征在于，包括：

由无线电力发射器处的电源产生时变电流；和

通过连接到电源的无线电力发射器处的发射器耦合器接收来自所述电源的时变电流产生磁场，从而基于电磁感应在空气间隙上与接收器耦合器执行无线电力传输；

通过连接到电负载的无线电力接收器处的接收器耦合器与从发射器耦合器产生的磁场耦合在接收器耦合器中感应出电流，从而基于电磁感应在空气间隙上与发射器耦合器执行无线电力传输；和

通过无线电力接收器处的接收器耦合器，基于其中感应的电流向与其连接的电负载供电，

其中，所述接收器耦合器和所述发射器耦合器中的至少一个为根据权利要求1至10中任一项所述的耦合器，所述无线电力发射器和所述无线电力接收器由所述空气间隙隔开。

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