CN117498576A - 一种平面pcb无线充电线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面PCB无线充电线圈,包括从上至下依次堆叠的第一金属线圈层、绝缘层和第二金属连接层;所述绝缘层中设置有通孔用于连接第一金属线圈层和第二金属连接层;所述第一金属线圈层包括驱动线圈和发射线圈;所述驱动线圈置于发射线圈外周,用于提供驱动电流;所述发射线圈包括交替缠绕的第一发射线圈和第二发射线圈,两种线圈对称拼接形成几何圈,多个几何圈组成整个发射线圈;所述第二金属连接层由所述发射线圈的两种反射线圈在交汇处进行反面走线形成。本发明的线圈采用平面PCB结构,实现工艺简单,体积小,方便应用。本发明的线圈传输效率最高可达95%,在95mm距离下传输效率也大于50%,且在非对准情况下依然能保持较高的传输效率。
Description
技术领域
本发明属无线充电领域,具体涉及一种平面PCB无线充电线圈。
背景技术
第二次工业革命以来,随着电在生活中的广泛应用,标志着人类社会进入了电气化时代。传统的电力传输主要通过金属导线如电缆、电线的直接传输,随着技术的不断发展要求,这种“有线”的传输方式存在不少问题。在日常生活方面,老化的电缆和插座经过长久的使用容易产生火花,房间中过多杂乱的电线和插座会给人们生产和生活带来极大不便,更容易造成用电安全,且设备充电局限于充电线的长度及插座位置,不能灵活变换,限制于最后“一米”;在工业生产方面,面对复杂的环境如高气压的水底、布满有害气体矿井或其他危险性强的场景时,通过传统的电力传输并不能很好的实现,更可能带来危险;在医学应用中,有线电力传输方式不能解决植入人体的装置的电能问题;在宇宙空间应用中,传统有线电力传输基本无法实现地球空间站、卫星等设备的供电问题。因此新的电能传输技术诞生了,也就是无线电能传输。通过应用无线电能传输法,摆脱了传统金属线缆的限制,将会给人类的生产生活带来极大的便利,如今,在生活各处都可以看到无线能量传输的应用。通过无线电能传输方式,人们可以不再为没有携带手机充电器问题担心手机续航问题,汽车摆脱传统对汽油的依赖,可以在运用无线充电的地面持续续航。引入无线电能传输方式,可以完美解决防水、防尘效果不佳等相关问题,因此,无线能量传输受到各界的重点研究,应用越来越广泛,在多个学科领域都成为热门的研究课题。
在无线电能传输方面,磁耦合谐振式类似于电磁感应式,但在接收线圈与发送线圈之间通过磁耦合谐振原理传递能量,它克服了电磁感应式无线能量传输难以进行远距离传输的难题。作为一种新型无线供电方法,自提出以来受到各界重点关注。同时也被很多研究者认为是极具研究价值的无线供电法。
发送线圈作为磁耦合谐振无线能量系统的重要部分,它的结构对整个系统的传输效率有着重要的影响。传统的无线充电线圈多采用圆柱螺旋线圈结构,具有体积大、效率低、磁场分布不均匀等缺点。本发明针对这些问题,设计了一种平面PCB无线充电线圈,具有体积小、效率高、磁场分布均匀等优点。
发明内容
针对传统的无线充电线圈多采用圆柱螺旋线圈结构,具有体积大、效率低、磁场分布不均匀等缺点,本发明设计了一种平面PCB无线充电线圈,具有体积小、效率高、磁场分布均匀、对非对准不敏感等优点。
为实现上述目的,本发明提供的技术方案如下:
一种PCB无线充电线圈,可同时作为发射端线圈和接收端线圈,或者仅作为发射端线圈;
该无线充电线圈包括从上至下依次堆叠的第一金属线圈层、绝缘层和第二金属连接层;所述绝缘层中设置有通孔用于连接第一金属线圈层和第二金属连接层;
所述第一金属线圈层包括驱动线圈和发射线圈;所述驱动线圈置于发射线圈外周,用于提供驱动电流;
所述发射线圈包括交替缠绕的、并联的第一发射线圈和第二发射线圈,两种线圈对称拼接形成几何圈,多个几何圈组成整个发射线圈;几何圈的间隔由外到内逐渐增大;
所述第二金属连接层由所述发射线圈的两种发射线圈在交汇处进行反面走线形成。
进一步,所述驱动线圈为环形线圈,设置有缺口用于外接激励或驱动电路或调谐电容。
在一种可能的实施例中,所述驱动线圈为方形环状线圈,外径长216mm,外径宽150mm,方形环宽13mm。方形环的上侧正中有一长13mm、宽8mm的缺口。
进一步,所述第一金属线圈层和第二金属线圈层的材料为金属良导体材料。
更进一步,所述第一金属线圈层和第二金属线圈层的材料包括金、银、铜及其合金。
进一步,在由外至内的绕制过程中,所述第一发射线圈和第二发射线圈通过在首端并联以及在尾端并联以形成并联连接。
进一步,所述几何圈包括方形、圆形或椭圆形中的一种或者几种的组合。
进一步,所述第一发射线圈和第二发射线圈与驱动线圈无电路连接。
进一步,相邻的第一发射线圈和第二发射线圈在驱动线圈产生的磁场下形成相反的电流,从而产生同向增强的磁场。
在一种可能的实施例中,所述第一发射线圈和第二发射线圈采用多匝交替绕制,其中,外圈密绕3匝,最外圈长140mm,宽210mm,线径1mm,线间距3mm;内圈疏绕3匝,最内圈长28.8mm,宽19.2mm,线径1mm,线间距20-35mm。第一发射线圈和第二发射线圈交替绕制,使磁场互相加强。
进一步,所述绝缘层的材料包括FR-4、Rogers、Taconic、陶瓷、PI中的一种或多种的组合。
进一步,所述绝缘层的厚度为1-1.5mm。
本发明的有益效果如下:
本发明相对传统无线充电线圈,采用多种措施实现高效率无线充电。首先在发射线圈外部设置驱动线圈,隔离驱动电路对发射线圈的影响,能通过调节驱动线圈的大小及驱动线圈和发射线圈的间距,灵活调节两个线圈的耦合程度,从而方便的调节阻抗匹配情况,实现高效率无线充电。其次,发射线圈采用双股多匝交错绕制,使磁场互相加强;线圈外密绕,使磁场集中在驱动线圈附近,加强了发射效率。
本发明线圈采用外密绕内疏绕,使内部磁场分布均匀,使系统在非对准情况下依然保持较高的无线充电效率,且方便其他电路的布局并减少磁场对其他电路的干扰
本发明线圈采用平面PCB结构,相对传统圆柱形螺旋线圈和具有磁芯的线圈,实现工艺简单,体积小,方便应用。
附图说明
图1是本发明的发射端接收端线圈立体图;
图2是本发明的侧视图(仅发射端线圈);
图3是本发明的俯视图(仅发射端线圈);
图4是本发明的底视图(仅发射端线圈);
图5为驱动端口8处第一、二发射线圈的首、尾处连接关系图;
图6是本发明的磁场分布图
图7是本发明的传输效率随距离变化图;
图8是本发明对比例单线圈的示意图;
图9是本发明对比例双线圈的示意图。
图中:1、发射端线圈;2、接收端线圈;3、第一金属线圈层;4、绝缘层;5、第二金属连接层;6、通孔;7、驱动线圈;8、驱动端口;9、第一发射线圈;10、第二发射线圈;11、第一发射线圈的反面走线;12、第二发射线圈的反面走线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细阐述。本发明的内容完全不限于此。
实施例1
图1示出了本实施例平面PCB无线充电线圈的结构,可同时作为发射端线圈1和接收端线圈2,或者仅作为发射端线圈1。
如图2所示,该无线充电线圈包括从上至下依次堆叠的第一金属线圈层3、绝缘层4和第二金属连接层5;所述绝缘层4中设置有通孔6用于连接第一金属线圈层3和第二金属连接层5;
所述第一金属线圈层3包括驱动线圈7和发射线圈;所述驱动线圈7置于发射线圈外周,用于提供驱动电流;
所述发射线圈包括交替缠绕的、并联的第一发射线圈9和第二发射线圈10,两种线圈对称拼接形成几何圈,多个几何圈组成整个发射线圈;几何圈的间隔由外到内逐渐增大;
所述第二金属连接层5由所述发射线圈的两种反射线圈在交汇处进行反面走线形成。
作为一种具体的实施例,所述绝缘层为Fr-4,也可以是其他绝缘介质,如Rogers、Taconic、陶瓷、PI。FR-4层的厚度是1mm。
作为一种具体的实施例,所述第一、二金属线圈层的材料不局限为铜,也可以是银、金等良导体金属。优选的,本实施例采用铜。
作为一种具体的实施例,所述驱动线圈7,为方形环状线圈,外径长216mm,外径宽150mm,方形环宽13mm,厚度为35um。方形环的上侧正中有一长13mm、宽8mm的缺口8。该缺口8可外接激励或驱动电路或调谐电容。
示例性的,本实施例的驱动线圈7采用铜材质。
作为一种具体的实施例,驱动线圈7与第一、二发射线圈均无电路连接。
作为一种具体的实施例,在由外至内的绕制的过程中,所述第一发射线圈和第二发射线圈的首、尾处分别并联连接。
示例性的,本实施例中,第一发射线圈和第二发射线圈的首、尾处均设置于绕制的起始点处,第一发射线圈和第二发射线圈在首、尾处并联连接。具体如图5所示,在由外至内的绕制过程中,A、D分别作为第一发射线圈9和第二发射线圈10的首端,两者并联连接;B、C分别作为第二发射线圈10和第一发射线圈9的尾端,两者并联连接。
作为一种具体的实施例,所述第一发射线圈9和第二发射线圈10,为双股多匝交替绕制。
示例性的,外圈密绕3匝,最外圈长140mm,宽210mm,线径1mm,线间距3mm,外圈为圆角矩形;内圈疏绕3匝,最内圈长28.8mm,宽19.2mm,线径1mm,线间距20-35mm,内圈为椭圆形。第一发射线圈9和第二发射线圈10交替绕制,使磁场互相加强。发射线圈9和10交叉的地方通过通孔6走到FR-4介质层反面走线。
如图4所示,线圈11是第一发射线圈9的反面走线,线圈12是第二发射线圈10的反面走线,避免线圈和线圈10交叉。
相关原理:
射频能量从驱动线圈的驱动端口接入,交变的电流在驱动线圈流过,从而在驱动线圈周围产生磁场。第一发射线圈和第二发射线圈交替绕制,在驱动线圈的磁场的作用下,并联的第一发射线圈和第二发射线圈产生两股并行的支电流,相邻发射线圈产生方向相反的电流,如图3箭头所示,这样根据安培定则,第一发射线圈和第二发射线圈之间的磁场方向相同,从而起到同向叠加增强的作用。
线圈耦合系数的计算公式为:
k=(μ*A1*A2)/(L1*L2)
其中,μ为磁导率,A1和A2分别为两个线圈的面积,L1和L2分别为两个线圈的自感系数。
线圈耦合系数的影响因素主要有:线圈之间的距离、线圈的面积、线圈的形状、磁导率等。其中,线圈之间的距离对耦合系数的影响最为显著。通常情况下,线圈之间的距离越小,耦合系数越大,能量传递效率越高;反之,距离越大,耦合系数越小,能量传递效率越低。
根据射频电路理论,阻抗匹配时系统效率最高。驱动线圈和第一发射线圈及第二发射线圈均无电路连接,彼此之间通过耦合连接,调节驱动线圈和第一发射线圈及第二发射线圈的间距,相当于调节了耦合系数,也就是调节了互感,从而达到调节阻抗实现匹配的目的。
本实施例相关部件的作用和效果,具体如下:
1、驱动线圈:在发射线圈外部设置驱动线圈,隔离驱动电路对发射线圈的影响,能通过调节驱动线圈的大小及驱动线圈和发射线圈的间距,灵活调节两个线圈的耦合程度,从而方便的调节阻抗匹配情况,实现高效率无线充电。
2、发射线圈:发射线圈采用双股多匝交错绕制,使磁场互相加强;线圈外密绕内疏绕,使磁场集中在驱动线圈附近,一方面加强了发射效率,另一方面使内部磁场分布均匀,在非对准情况下依然保持较高的传输效率,且方便其他电路的布局并减少磁场对其他电路的干扰。
3、线圈采用平面PCB结构,实现工艺简单,体积小,方便应用。
如图6所示,是本发明的磁场分布图,可见,大部分磁场分布在驱动线圈附近,而内部磁场较小且分布均匀。
如图7所示,是本发明传输效率随距离变化的曲线图,可见,采用本线圈结构作为发射端线圈和接收端线圈的无线充电传输效率最高可达95%,在距离远达95mm时,效率依然高于50%。
对比例
将实施例1的一种平面PCB无线充电线圈分别与图8和图9示例相比较,如表1所示。图8为仅有第一发射线圈结构,图9为第一发射线圈和第二发射线圈交替缠绕结构,而实施例1是在第一发射线圈和第二发射线圈交替缠绕外侧还有一驱动线圈。可见,实施例1的线圈结构得到的最大无线充电传输效率和效率>50%的最大传输距离都大幅高于其他两种设计。
表1三种线圈非对准情况下传输效率和传输距离对比
本发明 | 图7 | 图8 | |
最大效率 | 95% | 77.6% | 88% |
效率>50%的最大传输距离 | 95mm | 15mm | 35mm |
为了考察线圈在发射端线圈和接收端线圈非对准情况下的传输性能,将接收线圈分别沿X轴正方向依次平移0~30mm,每次间隔10mm,比较三种线圈的传输效率,如表2所示。可见,实施例1的线圈结构具有良好的抗偏移能力,在非对准的情况下,依然能保持很高的传输效率,性能明显优于其他两种结构。
表2三种线圈非对准情况下传输效率对比
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,比如金属层的材料可以是金、银、铜等;衬底可以是FR-4或者其他;线圈结构可以作为发射端线圈或者接收端线圈或者同时作为发射端线圈和接收端线圈,或者作为中继级联线圈。线圈匝数可以是2圈或4圈或其他。本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合,这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明保护的范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改,等同替换和改进等,均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种PCB无线充电线圈,其特征在于:该充电线圈可同时作为发射端线圈和接收端线圈,或者仅作为发射端线圈;
该无线充电线圈包括从上至下依次堆叠的第一金属线圈层、绝缘层和第二金属连接层;所述绝缘层中设置有通孔用于连接第一金属线圈层和第二金属连接层;
所述第一金属线圈层包括驱动线圈和发射线圈;所述驱动线圈置于发射线圈外周,用于提供驱动电流;
所述发射线圈包括交替缠绕的、并联的第一发射线圈和第二发射线圈,两种线圈对称拼接形成几何圈,多个几何圈组成整个发射线圈;几何圈的间隔由外到内逐渐增大;
所述第二金属连接层由所述发射线圈的两种发射线圈在交汇处进行反面走线形成。
2.根据权利要求1所述的PCB无线充电线圈,其特征在于:所述驱动线圈为环形线圈,设置有缺口用于外接激励或驱动电路或调谐电容。
3.根据权利要求1所述的PCB无线充电线圈,其特征在于:所述第一金属线圈层和第二金属线圈层的材料为金属良导体材料。
4.根据权利要求3所述的PCB无线充电线圈,其特征在于:所述第一金属线圈层和第二金属线圈层的材料包括金、银、铜及其合金。
5.根据权利要求1所述的PCB无线充电线圈,其特征在于:在由外至内的绕制过程中,所述第一发射线圈和第二发射线圈通过在首端并联以及在尾端并联以形成并联连接。
6.根据权利要求1所述的PCB无线充电线圈,其特征在于:所述几何圈包括方形、圆形或椭圆形中的一种或者几种的组合。
7.根据权利要求1所述的PCB无线充电线圈,其特征在于:相邻的第一发射线圈和第二发射线圈在驱动线圈产生的磁场下形成相反的电流,从而产生同向增强的磁场。
8.根据权利要求1所述的PCB无线充电线圈,其特征在于:所述绝缘层的材料包括FR-4、Rogers、Taconic、陶瓷、PI中的一种或多种的组合。
9.根据权利要求1所述的PCB无线充电线圈,其特征在于:所述绝缘层的厚度为1-1.5mm。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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