CN203813469U - 用于批量充电的无线充电设备及其无线充电线圈 - Google Patents

Abstract

一种用于批量充电的无线充电设备及其无线充电线圈，所述无线充电设备包括用于为所述无线充电设备提供电能的供电装置和用于生成并发送充电电磁信号的无线充电线圈，所述供电装置与所述无线充电线圈电连接，所述无线充电线圈包括骨架和多个并联连接的绕组，所述绕组卷绕在骨架上，并在骨架内形成用于容纳多个充电单元的充电腔，多个绕组的单个线匝沿骨架的同一轴向依次交错排列。对于同一绕组，其线匝间距大，具有亥姆霍兹线圈的特性，磁场强度均匀性好；对于多个并联连接的绕组，具有密绕螺旋线圈的特性，能够保证较强的场强。所以，在对多个目标进行无线充电时，能够保证较强的场强和磁场强度的均匀性，提高充电效率。

Description

用于批量充电的无线充电设备及其无线充电线圈

技术领域

本申请涉及无线充电领域，具体涉及一种用于批量充电的无线充电设备及其无线充电线圈。

背景技术

ITS（Intelligent Transportation System，智能交通）或者RFID（Radio FrequencyIdentification，射频识别）领域所使用的有源电子标签，一般都不具备充电功能。而具备充电功能的电子标签，一般采用有线连接的方式进行充电。具备无线充电功能的电子标签（或其它电子产品），一个充电设备一般只能同时给少数若干个目标充电。但是，在实际应用中，往往需要以点对多的方式对标签类产品进行快速有效的充电，以提高周转效率。例如在二义性路径识别系统中，为满足对OBU（On Board Unit，车载单元），例如电子标签，进行高效快速充电的需要，须采用无线多负载充电方式，同时对多个目标进行无线充电。无线多负载的充电方式要求充电器线圈能够产生足够强而且均匀的磁场，而目前的无线充电设备很难同时具有足够强且均匀的磁场，因此，制约了无线充电设备同时对多个目标进行无线充电的充电效率。

发明内容

本申请提供一种用于批量充电的无线充电设备及其无线充电线圈，解决了无线充电设备无法同时产生足够强且均匀的磁场这一问题。

根据本申请的第一方面，本申请提供了一种用于批量充电的无线充电设备，包括用于为所述无线充电设备提供电能的供电装置和用于生成并发送充电电磁信号的无线充电线圈，所述供电装置与所述无线充电线圈电连接，所述无线充电线圈包括骨架和多个并联连接的绕组，所述绕组卷绕在骨架上，并在骨架内形成用于容纳多个充电单元的充电腔，多个绕组的单个线匝沿骨架的同一轴向依次交错排列。

在一实施例中，所述无线充电线圈中，同一绕组的线匝的线间距为10mm至50mm，相邻两个不同绕组的线匝的线间距为5mm至7mm。

在一实施例中，所述骨架的轮廓呈具有中空结构的长方体或圆柱体。

在一实施例中，所述骨架为长方体时，卷绕在骨架上的绕组的总长为100mm至300mm，宽为90mm至100mm，高为6mm至8mm。

在一实施例中，所述绕组的数量为两个。

根据本申请的第二方面，本申请提供了一种无线充电线圈，包括骨架和多个并联连接的绕组，所述绕组卷绕在骨架上，并在骨架内形成用于容纳多个充电单元的充电腔，多个绕组的单个线匝沿骨架的同一轴向依次交错排列。

在一实施例中，同一绕组的线匝的线间距为10mm至50mm，相邻两个不同绕组的线匝的线间距为5mm至7mm。

在一实施例中，所述骨架的轮廓呈具有中空结构的长方体或圆柱体。

在一实施例中，所述骨架为长方体时，卷绕在骨架上的绕组的总长为100mm至300mm，宽为90mm至100mm，高为6mm至8mm。

在一实施例中，所述绕组的数量为两个。

本申请提供的用于批量充电的无线充电设备及其无线充电线圈中，多个绕组的单个线匝沿骨架的同一轴向依次交错排列时，对于同一绕组，其线匝间距大，具有亥姆霍兹线圈的特性，磁场强度均匀性好；对于多个并联连接的绕组，具有密绕螺旋线圈的特性，能够保证较强的场强。所以，在对多个目标进行无线充电时，能够保证较强的场强和磁场强度的均匀性，提高充电效率。

附图说明

图1为亥姆霍兹线圈模型示意图；

图2为密绕螺旋线圈模型的示意图；

图3为密绕螺旋线圈的剖面示意图；

图4为密绕螺旋线圈的场强分布示意图；

图5为本申请一种实施例中无线充电线圈的结构示意图；

图6为本申请一种实施例中无线充电设备的结构示意图；

图7为本申请一种实施例中无线充电设备对充电单元进行充电的示意图；

图8为本申请一种实施例中无线充电设备对充电单元进行充电时的磁场线分布示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种无线充电设备及其无线充电线圈，该无线充电线圈能够兼具亥姆霍兹线圈和密绕螺旋线圈两者的优点，即既能保证磁场强度的均匀性，又能保证较强的场强。所以，能够保证对多个目标进行无线充电时的充电效率。

下面对本申请的发明构思进行说明。

根据毕奥-萨法尔定律可知，电流元在空间产生的磁场为：

$\mathrm{dB}=\frac{{\mathrm{\μ}}_o}{4\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{Idl}\×e_r}{r^2}$ …………（1）

其中，μ_o为真空磁导率，且μ_o=4π×10^-7Tm/A，Idl为电流元，r为规定场点到电流元的距离，e_r为电流元指向规定场点的单位矢量。

以公式（1）为基础，根据不同的电流分布，来求解亥姆霍兹线圈模型和密绕螺旋线圈模型的电流磁场。

一、亥姆霍兹线圈模型

请参考图1，为亥姆霍兹线圈模型示意图，亥姆霍兹线圈模型即为一对间距等于半径R的同轴载流圆线圈，线圈上的箭头指向为电流方向。

通过毕奥-萨伐尔定律进行数学推导计算可知，亥姆霍兹线圈之间中轴线附近的磁场强度具有较好的均匀性，且场强为：

$B_{\left(0\right)}=\frac{{8\mathrm{\μ}}_0\mathrm{NI}}{5\sqrt{5}R}$ …………（2）

其中，N为线圈匝数，I为流过线圈的电流。

由公式（2）可知，在N和I一定的条件下，R越小，相同位置的磁场越强。然而在实际应用中，受限于应用空间的需求，线圈的半径R无法设计得太小，即亥姆霍兹线圈所产生的磁场强度很难进一步提高。所以亥姆霍兹线圈的磁场特点是均匀性好，但是磁场强度较弱。

二、密绕螺旋线圈模型

请参考图2，为密绕螺旋线圈模型的示意图，线圈上的箭头指向为电流方向。

请参考图3，为密绕螺旋线圈的剖面图，假设线圈的长度为L，匝数为N（可忽略螺距），半径为R。P为线圈内部任意一点，

因此，P点在线圈轴线上的磁场强度为：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{NI}}{2}(\cos {\mathrm{\β}}_1-\cos {\mathrm{\β}}_2)$ …………（3）

其中，I为流过线圈的电流，β₁、β₂为P点到线圈两端边沿在同一方向上的两个夹角。

由公式（3）可知，对于密绕螺旋线圈，在N和I一定时，线圈轴线上的P点的磁场强度与P点所在的位置有关，与线圈半径R无关，有较好的对称性，不受空间半径的限制，但是不同位置上的磁场强度分布不均匀，呈现的线圈两端磁场强度弱，中心磁场强度高的趋势，如图4所示。

根据公式（2）（3）可知，增加线圈匝数N也可以达到提高场强的效果，然而，在高频情况下，增加匝数会增加线圈的外场辐射，密集绕线也会增加电感量，导致线圈阻抗变大、电流减小，不利于电能磁能的高效转换。虽然可以通过增加输入功率来提高电流的大小，但是在转换效率不高的情况下，会带来一定的热阻效应及散热问题。

所以，本申请实施例提供的无线充电设备及其无线充电线圈中，通过改变线圈的绕线方式来兼容亥姆霍兹线圈模型和密绕螺旋线圈模型的优点，以提高电磁能的转换效率，产生高强度、高均匀性的磁场，使得处在无线充电线圈充电区域内不同位置的多个目标可以同时并快速的充满电。

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

本实施例提供了一种无线充电线圈，包括骨架和多个并联连接的绕组，绕组卷绕在骨架上，并在骨架内形成用于容纳多个充电单元的充电腔，多个绕组的单个线匝沿骨架的同一轴向依次交错排列。

请参考图5，本实施例中以绕组数量为两个举例进行说明，其中，501为第一绕组（实线部分所示），502为第二绕组（虚线部分所示），503为骨架。第一绕组501和第二绕组502可以采用具有良好导电性能的金属材料导线，如铜线、铝线等。一根导线卷绕后组成一个绕组，绕组的导线卷绕一圈为一个线匝。第一绕组501和第二绕组502并联连接，其电流输入端连接在一起，电流输出端连接在一起，第一绕组501和第二绕组502上的箭头方向为电流方向。第一绕组501和第二绕组502的单个线匝沿骨架503的同一轴向依次交错排列，即第一绕组501的线匝和第二绕组502的线匝依次间隔卷绕在骨架503上。骨架503为绝缘体。

在具体实施例中，第一绕组501的线匝的线间距为10mm至50mm，第二绕组502的线匝的线间距为10mm至50mm，第一绕组501和第二绕组502相邻两个线匝的线间距为5mm至7mm。具体的，第一绕组501的线匝的线间距为10mm，第二绕组502的线匝的线间距为10mm，第一绕组501和第二绕组502相邻两个线匝的线间距为5mm。

如图5所示，骨架503的轮廓呈具有中空结构的长方体，在其它实施例中，骨架503也可以为其它形状，例如骨架的轮廓呈具有中空结构的圆柱体。根据亥姆霍兹线圈的特点，可以通过缩减截面面积（减小R）来提高磁场强度，因此，对于本实施例提供的无线充电线圈，可以根据充电单元的外观形状而适当改变线圈的形状，例如圆形、方形等，以达到减小无线充电线圈与充电单元的感应线圈之间的面积比的目的，从而提高充电效率。

本实施例中，卷绕在骨架上的绕组（第一绕组和第二绕组）的总长为100mm至300mm，宽为90mm至100mm，高为6mm至8mm。具体的，卷绕在骨架上的绕组的总长为100mm，宽为90mm，高为6mm。

需要说明的是，本实施例只是以两个绕组的充电线圈为例进行说明，在其它实施例中，可以根据具体需要选择相应个数的绕组。

本实施例提供的无线充电线圈具有下面优点：

（1）针对于同一绕组，由于其相邻线匝之间隔着其它绕组的线匝，线间距较大，类似于亥姆霍兹线圈，因此其磁场强度具有较好的均匀性。另外，由于同一绕组的匝数较少，因此，高频下外场辐射少、电感量小、高频阻抗小。

（2）对于多个并联后的绕组，由于匝数较多，场强增大。并联后，输入电流分流到各个绕组，在匝数较多的情况下，既保证了转换效率不降低，也解决了热阻效应和散热问题。而对于电流分流带来的磁场削减问题，可以通过增大输入功率来弥补。在实际应用中，为了增加同时充电单元的数量，增加并联绕组的数量时，只需要增大输入功率来弥补电流分流带来的磁场削减即可。

综上，本实施例提供的无线充电绕圈中，多个绕组的单个线匝沿骨架的同一轴向依次交错排列时，对于同一绕组，其线匝间距大，具有亥姆霍兹线圈的特性，磁场强度均匀性好；对于多个并联连接的绕组，具有密绕螺旋线圈的特性，能够保证较强的场强。所以，在对多个目标进行无线充电时，能够保证较强的场强和磁场强度的均匀性，提高充电效率。

请参考图6，基于本实施例提供的无线充电线圈，本实施例还相应提供了一种用于批量充电的无线充电设备，包括用于为无线充电设备提供电能的供电装置601和用于生成并发送充电电磁信号的无线充电线圈602，供电装置601与无线充电线圈602电连接，其中，无线充电线圈602采用本实施例中上述任意一种无线充电线圈。

具体的，供电装置601可以用于将交流电压转换为直流电压，并为无线充电线圈602提供电能。例如，供电装置601将交流市电转换为所需的直流工作电压，或者供电装置601为直流电源（如蓄电池），直接提供所需要的直流工作电压。无线充电线圈602生成并发送充电电磁信号，从而对处于充电区域的至少一个充电单元（如电子标签）进行充电。

请参考图7和图8，本实施例中，以无线充电线圈呈长方体设置对无线充电设备进行说明。无线充电线圈602外设置有用于电磁屏蔽的金属层701，金属层701与无线充电设备内的接地端子相连。在其它实施例中，无线充电设备也可以通过电路上的设计，使得只有信号在谐振的时候才能被接收，从而避免泄漏的电磁信号对周围环境产生危害。本实施例提供的无线充电设备近似地提供了一个隧道式均场，无线充电设备还设置有插箱702，用于插放并通过锁紧装置固定需要充电的有源电子标签703。

请参考图8，为本实施例提供的无线充电设备进行无线充电的示意图，其中，虚线箭头标示出了充电线圈的磁场线分布情况。

由于本实施例提供的用于批量充电的无线充电设备的充电线圈中，多个绕组的单个线匝沿骨架的同一轴向依次交错排列时，对于同一绕组，其线匝间距大，具有亥姆霍兹线圈的特性，磁场强度均匀性好；对于多个并联连接的绕组，具有密绕螺旋线圈的特性，能够保证较强的场强。所以，无线充电设备能够产生较强且均匀性好的磁场，在对多个目标进行无线充电时，具有较高的充电效率。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种用于批量充电的无线充电设备，包括用于为所述无线充电设备提供电能的供电装置和用于生成并发送充电电磁信号的无线充电线圈，所述供电装置与所述无线充电线圈电连接，其特征在于：所述无线充电线圈包括骨架和多个并联连接的绕组，所述绕组卷绕在骨架上，并在骨架内形成用于容纳多个充电单元的充电腔，多个绕组的单个线匝沿骨架的同一轴向依次交错排列。

2.如权利要求1所述的无线充电设备，其特征在于，所述无线充电线圈中，同一绕组的线匝的线间距为10mm至50mm，相邻两个不同绕组的线匝的线间距为5mm至7mm。

3.如权利要求1所述的无线充电设备，其特征在于，所述骨架的轮廓呈具有中空结构的长方体或圆柱体。

4.如权利要求3所述的无线充电设备，其特征在于，所述骨架为长方体时，卷绕在骨架上的绕组的总长为100mm至300mm，宽为90mm至100mm，高为6mm至8mm。

5.如权利要求1至4任一项所述的无线充电设备，其特征在于，所述绕组的数量为两个。

6.一种无线充电线圈，其特征在于，包括骨架和多个并联连接的绕组，所述绕组卷绕在骨架上，并在骨架内形成用于容纳多个充电单元的充电腔，多个绕组的单个线匝沿骨架的同一轴向依次交错排列。

7.如权利要求6所述的无线充电线圈，其特征在于，同一绕组的线匝的线间距为10mm至50mm，相邻两个不同绕组的线匝的线间距为5mm至7mm。

8.如权利要求6所述的无线充电线圈，其特征在于，所述骨架的轮廓呈具有中空结构的长方体或圆柱体。

9.如权利要求7所述的无线充电线圈，其特征在于，所述骨架为长方体时，卷绕在骨架上的绕组的总长为100mm至300mm，宽为90mm至100mm，高为6mm至8mm。

10.如权利要求6至9任一项所述的无线充电线圈，其特征在于，所述绕组的数量为两个。