CN203839170U - 一种充电设备可任意放置的无线充电线圈 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种充电设备可任意放置的无线充电线圈。本实用新型由N个单圈的圆形线圈并联组成；每个线圈上串联两个电容，各线圈间的电流比例就是各线圈所串联的电容值的比例；通过合理设定电容值的比例就能在发送线圈表面产生均匀磁场。本实用新型采用的并联连接形式不仅可以产生更均匀的磁场，而且可以较为方便地通过调节线圈上所串联的电容，来满足离发送线圈不同高度处均匀磁场的要求。

Description

一种充电设备可任意放置的无线充电线圈

技术领域

本实用新型属于无线充电领域，具体涉及无线充电线圈的设计，可以使充电设备在一定范围内自由放置。 

背景技术

无线充电技术在消费电子、医疗电子、工业电子中具有广阔的应用前景。电磁感应耦合是近距离无线充电中使用最广泛的技术，它通过发送线圈与接收线圈这两个耦合线圈之间的电磁感应传输电能。 

电磁感应耦合电能传输的效率与两个耦合线圈之间的耦合系数密切相关。通常，耦合系数越大，电能传输效率越高。耦合系数由线圈的形状、大小、相对位置决定。在许多应用场合，如手机无线充电器，线圈的形状、大小是固定的，而发送线圈和接收线圈之间的位置是变化的。由于相对位置的不确定引起的耦合系数不确定，将使充电系统不能达到最优效率传输效率，甚至有可能由于接收电压的波动而损坏系统。虽然在某一固定耦合系数下，通过合理的补偿电路设计，并使电路工作在谐振状态下可以使传输效率达到最大，但是耦合系数的不确定将使补偿电路失效，除非补偿电路能根据耦合系数的变化进行调整，这大大加大了电路设计的难度，甚至变得不能实现。 

如果能使发送线圈在接收线圈工作的区域内产生均匀的磁场，接收线圈在这个区域内与发送线圈之间的耦合系数也将是固定的，则可以解决上述问题。 

发明内容

为解决电磁感应耦合无线充电设备中，由于发送线圈和接收线圈之间相对位置不确定使得系统传输效率不能达到最优甚至系统不能正常工作的问题，本本实用新型设计了一种能产生均匀磁场的发送线圈。 

本实用新型由N个单圈的圆形线圈同心并联组成；每个圆形线圈的半径r_n为nR/N，其中R为最外层的线圈半径，1≤n≤N；每个线圈 上串联两个电容，在线圈工作频率下，电容阻抗远大于线圈的阻抗。 

本实用新型具有如下优点： 

(1)在发送线圈表面线圈能产生均匀的磁场，可以使接收线圈在发送线圈尺寸范围内任意放置，两者的耦合系数保持稳定，利于系统的整体设计。 

(2)本实用新型采用的并联连接形式不仅可以产生更均匀的磁场，而且可以较为方便地通过调节线圈上所串联的电容，来满足离发送线圈不同高度处均匀磁场的要求。 

附图说明

图1为本本实用新型所述发送线圈设计示意图，包括多个半径线性增大并且并联在一起的线圈，每个线圈上串联两个电容。 

图2当线圈加上频率为100kHz，幅值为10V的电压时，产生的磁场强度的幅值图。 

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本本实用新型作进一步说明。 

本实用新型所采用的技术方案是：发送线圈可采用印刷电路板或绕制线圈实现，由N个单圈的圆形线圈并联组成。每个圆形线圈的半径r_n为nR/N，其中R为最外层的线圈半径，n＝1,2…N。每个线圈上串联两个电容，电容的值的选择要求满足如下条件：在线圈工作频率下，电容阻抗远大于线圈的阻抗。此时，每个线圈上的电流主要由电容决定，由于这N个线圈是并联的，线圈两端的电压都相等，因此各线圈间的电流比例就是各线圈所串联的电容值的比例。为满足发送线圈表面能产生均与磁场，各线圈间的比例通过如下方式得到。 

由于圆形线圈的对称性，在离圆心距离相等处的圆上的磁场相等，因此只需选择不同半径处的点进行分析。离发送线圈表面高度为h处，选取半径p_i分别为(i-0.5)R/N的N个点(i＝1,2…N)，则发送线圈中的第n个线圈中的电流为单位电流大小时，对上述第i个点产生的垂直于发送线圈平面的磁场大小可用a_ni表示，a_ni的表达式为0.5×10^-7(m/r_n/p_i)^0.5/p_i{p_iK-[r_nm-(2-m)p_i]E/(2-2m)},其中K和E分别是以m为模数的第一类和第二类完全椭圆积分，m的表达式为 4r_np_i/[(r_n+p_i)²+h²]。则所选取的N个点的垂直于发送线圈平面的磁场与N个线圈电流之间的关系可得到，用矩阵可表示为[B]＝[A][J]。当所选取的N个点的垂直于发送线圈平面的磁场为均匀磁场时，即[B]中元素都相等时，可以得到N个线圈的电流矩阵[J]，[J]＝[A]^-1[B]，其中[A]^-1是[A]的逆。 

实施例1：如图1所示，一个用于手机充电平台的发送线圈，共由10个并联的小线圈组成，各线圈的半径从内到外分别为0.01m，0.02m，0.03m，0.04m，0.05m，0.06m，0.07m，0.08m，0.09m，0.1m，各线圈的线宽为2mm。为在距离线圈高度为5mm处产生一个均匀磁场，各线圈上的电容(C_a,C_b)从内到外分别为(1nF,18nF)，(2.2nF,15nF)，(3.3nF,27nF)，(4.7nF,33nF)，(5.6nF,100nF)，(10nF,22nF)，(10nF,82nF)，(18nF,33nF)，(15nF,470nF)，(56nF,0nF)，这里最外围线圈上只需一个电容，只需将电容值为0的电容短路即可。当线圈加上频率为100kHz，幅值为10V的电压时，产生的磁场强度的幅值如附图2所示。从附图2可见，在线圈半径0.0968m内(占发送线圈区域的96.8％)，磁场强度的最大值和最小值分别为0.5292A/m和0.4509A/m，平均值为0.4886A/m，变化率为16％。当接收线圈放置在此发送线圈表面时，由于接收线圈覆盖较大的面积，因此接收线圈在不同位置时覆盖的总磁场强度(即磁通密度)的均匀性将大幅提高。 

Claims (1)

1. 一种充电设备可任意放置的无线充电线圈，其特征在于：由N个单圈的圆形线圈同心并联组成；每个圆形线圈的半径r _n 为nR/N，其中R为最外层的线圈半径，1≤n≤N；每个线圈上串联两个电容，在线圈工作频率下，电容阻抗远大于线圈的阻抗。