CN207977789U - 一种线圈模组、电能发射电路和电能接收电路 - Google Patents

一种线圈模组、电能发射电路和电能接收电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种线圈模组、电能发射电路和电能接收电路，通过多个同向绕制并顺序串联的线圈在同一平面内相互嵌套放置，其中相邻的两个线圈之间具有预定宽度的间隙，解决了在线圈模组中心区域因耦合电感过大而造成的输入电流过小的问题，增加了充电平面的面积，保证了充电平面上各个方向的自由度，进而提高了充电效率。

Description

一种线圈模组、电能发射电路和电能接收电路
本实用新型要求了2018年02月09日提交的，申请号为2018101315492、发明名称为“一种线圈模组、电能发射电路和电能接收电路”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本实用新型中。
技术领域
本实用新型涉及电子电力技术，具体涉及无线充电技术，更具体地，涉及一种线圈模组、电能发射电路和电能接收电路。
背景技术
无线充电技术可以以无线方式在电子设备之间传输电能，因而广泛应用于消费电子产品和其它类型的电子产品中。无线充电技术通常通过发射端线圈和接收端线圈的相互电磁耦合来实现电能的无线传输。
发射端将直流电压转换为交变电流，交变电流通过发射端线圈产生交变磁场。接收端耦合交变的磁场感应出相应的交变电压，然后通过整流电路将交变电压转换为直流电压给电子设备充电。接收端耦合交变磁场，产生的感生电压为：
Us＝ωMIp(其中)
其中ω为交变磁场的频率，M为电能发射线圈和接收线圈的耦合电感，Ip为电能发射线圈中的电流，表征磁场强度，Lp为电能发射线圈的电感值，Ls为电能接收线圈的电感值，k为电能发射线圈和电能接收线圈的耦合系数。
目前被广泛采用的是低频感应技术，由于ω很小，所以必须提高耦合电感M来提高感生电压。如果电能发射线圈模组分布的范围较小，如图1所示，接收线圈从中心位置到还能够正常充电的位置的最大移动距离很小，也即充电设备的充电范围很小，自由度很低，因此充电设备在充电时需要较为准确定位。为了提高充电设备的自由度，可以增加线圈的匝数。但是由于线圈匝数过多，会使得线圈模组中心区域的耦合电感过大，进而产生较大的等效阻抗，这会导致线圈模组中的电流过小，从而导致感生电压较小，充电效率降低。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种线圈模组、电能发射电路和电能接收电路，以解决在线圈模组中心区域因耦合电感过大而造成的输入电流过小的问题，增加充电平面的面积，保证充电平面上各个方向的自由度，进而提高充电效率。
第一方面，提供一种线圈模组，包括：N个线圈，顺序串联连接，并相互嵌套地设置在同一平面内，N大于或等于2；
其中，所述N个线圈的绕制方向相同，相邻的两个线圈之间具有预定宽度的间隙。
进一步地，嵌套设置于最内部的线圈的匝数最大。
进一步地，相邻的两个线圈之间间隙的宽度大于每个线圈内相邻两匝之间的距离。
进一步地，所述间隙的宽度根据所述N个线圈的匝数确定。
进一步地，所述N个线圈由同一导线绕制形成。
进一步地，所述间隙的宽度为1-10mm。
进一步地，所述嵌套设置于最内部的线圈符合Qi标准。
进一步地，所述N个线圈以基本同心的方式放置。
第二方面，提供一种电能发射电路，适于以无线方式发射电能，其中，所述电能发射电路包括如上所述的线圈模组。
第三方面，提供一种电能接收电路，适于以无线方式接收电能，其中，所述电能接收电路包括如上所述的线圈模组。
本实用新型通过多个同向绕制并顺序串联的线圈在同一平面内相互嵌套放置，其中相邻的两个线圈之间具有预定宽度的间隙，解决了在线圈模组中心区域因耦合电感过大而造成的输入电流过小的问题，增加了充电平面的面积，保证了充电平面上各个方向的自由度，进而提高了充电效率。
附图说明
通过以下参照附图对本实用新型的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是现有技术的线圈模组的结构示意图；
图2是本实用新型对比例的线圈模组的结构示意图；
图3是本实用新型对比例的线圈模组的结构示意图；
图4是一种无线充电电路的等效电路图；
图5是无线充电电路中输入电流随工作频率变化的波形图；
图6是本实用新型第一实施例的线圈模组的结构示意图；
图7是本实用新型第一实施例的线圈模组的结构示意图；
图8是本实用新型第二实施例的线圈模组的结构示意图；
图9是本实用新型第三实施例的线圈模组的结构示意图；
图10是本实用新型的电能发射电路的等效电路图。
具体实施方式
以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图2和图3是本实用新型对比例的线圈模组的结构示意图。在目前无线充电领域常用的低频感应技术中，感生电压Us满足：
Us＝ωMIp(其中)
其中ω为交变磁场的频率，M为电能发射线圈和接收线圈的耦合电感，Ip为电能发射线圈中的电流，表征磁场强度，Lp为电能发射线圈的电感值，Ls为电能接收线圈的电感值，k为电能发射线圈和电能接收线圈的耦合系数。
如图1所示，在现有技术中，接收线圈从中心位置到还能够正常充电的位置的最大移动距离(也即中心偏移)很小，也即充电设备的充电范围很小，自由度很低。为了使得无线充电更为灵活方便，可以通过增加线圈的匝数来提高充电设备的自由度。
如图2所示，线圈模组2相比于图1中的线圈模组1增加了4匝线圈，接收线圈从中心位置到还能够正常充电的位置的最大移动距离(也即中心偏移)增加到了12mm。由此可知，通过增加线圈的匝数，不仅提高了线圈的耦合电感，还增加了充电设备在各个方向上的自由度。但是，如图3所示，当线圈21置于线圈模组2的中心时，由于耦合电感M过高而产生了过高的等效阻抗R，进而导致输入电流Ip过小。因此，在线圈匝数增加后，若线圈21处于线圈模组2的中心，会使得感生电压Us下降的风险，降低了充电效率。
图4是一种无线充电电路的等效电路图。图5是无线充电电路中输入电流随工作频率变化的波形图。如图4所示，输入电流Ip满足：
其中，Ip为输入电流，Vi为输入电压，Rs为发射端的等效电阻,ω为工作频率，L′s为发射线圈的电感值，Cs为电能发射端电路的谐振电容的电容值，M是耦合电感LM的电感值,Rd为接收端的等效电阻，L′d为接收线圈的电感值，Cd为电能接收端电路的谐振电容的电容值，RL为负载。
由上式可知，当输入电压Vi、L′s及L′d不变时，耦合电感值M越大，输入电流Ip越小，具体如图5所示。目前被广泛应用的低频磁感应技术，工作频率在110-205kHz之间。由于低频磁共振时的工作频率较小，因此只有在耦合电感值过大(也即满足RL<ω0M)时，输入电流Ip随工作频率ω的变化才满足图5中的曲线51。如曲线51所示，在工作频率为ω′时，输入电流Ip过低，不足以激发出满足负载工作条件的交变磁场。在耦合电感值较大(也即满足RL＝ω0M)时，输入电流Ip随工作频率ω的变化满足曲线52。如曲线52所示，在工作频率为ω′时，虽然也会出现输入电流Ip较低的情况，但此时的输入电流Ip不至于不能驱动负载工作，不过工作效率较低。在耦合电感值较为适宜(也即RL>ω0M)时，输入电流Ip随工作频率ω的变化满足曲线53。如曲线53所示，在较大的工作频率范围内，输入电流Ip满足负载工作的要求。因理解，耦合电感值过小依旧会造成不满足负载工作要求的情况(例如感生电压较小)，
因此，调节耦合电感值M的大小以使得耦合电感M和输入电流Ip达到平衡在无线充电技术中是至关重要的。
图6和图7是本实用新型第一实施例的线圈模组的结构示意图。如图6所示，在一种实施方式中，线圈模组6是由一根导线在同一平面内绕制的2个圆形线圈组成的。在另一种实施方式中，线圈模组6可由在同一平面内嵌套放置的2个不同尺寸的线圈顺序串联而组成。
其中，线圈61与线圈62的绕制方向相同。线圈61放置在线圈62的内部，线圈61和线圈62之间具有预定宽度的间隙，且间隙的宽度大于每个线圈内相邻两匝之间的距离。
若线圈模组6设置于电能发射端，在电能接收线圈63放置在线圈模组6的中心位置时，由于电能接收线圈63与线圈62存在一定的距离，耦合很差，因此，电能接收线圈63近似于至于线圈61耦合。这就避免了在线圈匝数较多的情况下，过高的耦合电感而导致感生电压下降的风险。
优选地，线圈61与线圈62以基本同心的方式放置，以使得产生的磁场分布更均匀，提高充电设备的充电效率。
优选地，线圈61的匝数设置符合Qi标准(无线充电标准)。目前，在移动终端无线充电中使用的线圈一般为9-10匝。在线圈61的匝数为10匝时，线圈62的匝数应控制在10匝以内，以避免即使线圈61与线圈62之间存在间隙，而由于线圈62的匝数过多而产生较大耦合电感的风险。优选地，线圈62的匝数为4-5匝。应理解，可以根据实际充电设备的需求设置线圈模组中各个线圈的匝数，其中，嵌套设置于最内部的线圈的匝数最大。
优选地，当线圈61的匝数设置符合Qi标准时，在移动终端无线充电的应用中，线圈61与线圈62之间间隙的宽度可设置为1-10mm。优选地，线圈61与线圈62之间间隙的宽度设置为1-5mm。因为，若线圈61与线圈62之间间隙的宽度过小，不能起到抑制耦合电感的作用，间隙的宽度过大，会在线圈61与线圈62之间的间隙中存在耦合电感过小的死区，不能起到增加充电设备自由度的作用。
进一步地，根据实际应用中内外线圈的匝数情况来设置线圈之间间隙的宽度，以使得在保证充电设备正常工作的前提下增加充电设备在各个方向上的自由度。
如图7所示，线圈模组7中的线圈71为10匝，线圈72为4匝，线圈71与线圈72之间间隙的宽度为3mm。充电设备在线圈模组7上的中心偏移(也即充电设备从中心位置到还能够正常充电的位置的最大移动距离)为15mm，相比于图2中的线圈模组2增加了3mm。
综上所述，本实用新型通过多个同向绕制并顺序串联的线圈在同一平面内相互嵌套放置，其中相邻的两个线圈之间具有预定宽度的间隙，解决了在线圈模组中心区域因耦合电感过大而造成的输入电流过小的问题，增加了充电平面的面积，保证了充电平面上各个方向的自由度，进而提高了充电效率。
图8是本实用新型第二实施例的线圈模组的结构示意图。如图8所示，线圈模组8包括线圈81、线圈82和线圈83。在一种实施方式中，线圈模组8是一根导线在同一平面内绕制的3个基本圆形线圈。在另一种实施方式中，线圈模组8可由在同一平面内嵌套放置的3个不同尺寸的线圈顺序串联而组成。
其中，线圈81、线圈82与线圈83的绕制方向相同。线圈81放置在线圈82的内部，线圈82放置在线圈83的内部，并且相邻的两个线圈之间具有预定宽度的间隙。应理解，各个间隙的宽度大于每个线圈内相邻两匝之间的距离。应理解，不同线圈的间隙的宽度可能相等，也可能不相等，每个间隙的具体设置需要根据其对应的线圈的匝数确定。
为了解决因外部线圈匝数过多而引起的耦合电感过大的问题，线圈82和线圈83的匝数均小于线圈81的匝数，也即，嵌套设置于最内部的线圈的匝数最大。另外，线圈82和线圈83的匝数可以相等也可以不相等。在满足上述条件的前提下，线圈81、线圈82和线圈83的匝数可以根据实际充电设备的需求进行自定义设置。
优选地，线圈81、线圈81和线圈83以基本同心的方式放置，使得产生的磁场分布更加均匀，充电设备在各个方向上的自由度更大，提高充电效率。
优选地，当线圈81的匝数设置符合Qi标准。当线圈81的匝数为9-10匝时，线圈81与线圈82之间间隙的宽度应在1-10mm之间，以使得在整个线圈模组8的平面内，均能够产生符合条件的耦合电感。
相比于图6中的线圈模组6，线圈模组8的应用使得充电设备在各个方向上的自由度更高，充电更加灵活。
应理解，应根据实际应用中内外线圈的匝数情况来设置线圈之间间隙的宽度。
综上所述，本实用新型通过多个同向绕制并顺序串联的线圈在同一平面内相互嵌套放置，其中相邻的两个线圈之间具有预定宽度的间隙，解决了在线圈模组中心区域因耦合电感过大而造成的输入电流过小的问题，增加了充电平面的面积，保证了充电平面上各个方向的自由度，进而提高了充电效率。
图9是本实用新型第三实施例的线圈模组的结构示意图。如图9所示，线圈模组9是由一根导线在同一平面内绕制的2个方形线圈组成的。在另一种实施方式中，线圈模组9可由在同一平面内嵌套放置的2个不同尺寸的方形线圈顺序串联而组成。其中，线圈91与线圈92的绕制方向相同。线圈91放置在线圈92的内部，并且线圈91与线圈92之间具有预定宽度的间隙。
将线圈模组以基本方形的形状进行排布，一方面使得充电范围更大，充电设备的放置更为灵活。另一方面，在制作放置线圈模组的外壳时更为简单方便。
优选地，线圈91和线圈92以基本同心的方式放置，使得产生的磁场分布更加均匀，充电设备在各个方向上的自由度更大，提高充电效率。
根据充电设备的不同，所需的充电面积有相应的差别，因此，本实用新型中的线圈模组可由一根导线在同一平面内绕制的N个线圈组成，或者由同一平面内嵌套放置的N个不同尺寸的线圈顺序串联组成，N大于等于2。其中，N个线圈的绕制方向相同，相邻的两个线圈之间具有预定宽度的间隙，并且相邻的两个线圈之间间隙的宽度大于每个线圈内相邻两匝之间的距离。N个线圈的尺寸逐次递减，第i个线圈放置在第i-1个线圈的内部，i大于1小于或等于N。N个线圈以基本同心的方式放置，使得产生的磁场分布更加均匀，充电设备在各个方向上的自由度更大。
在保证N-1个外部线圈的匝数小于最内层的线圈的前提下，各个线圈的匝数可根据实际应用情况自定义设置，其匝数可以相等也可以不相等。相邻两个线圈之间间隙的宽度由对应的线圈的匝数确定，间隙的宽度根据实际应用的情况可以相等也可以不相等。但必须保证在相邻两个线圈之间不存在耦合电感不满足需求的死区，也不存在因为耦合电感过大而导致输入电流不满足需求的死区。也就是说，相邻两个线圈的匝数和它们之间间隙的宽度影响了耦合电感和输入电流的大小，设置合理的线圈匝数和线圈之间间隙的宽度以平衡耦合电感和输入电流，使得生成的感生电压符合充电设备，以提高充电效率。优选地，嵌套设置在最内部的线圈符合Qi标准。
应理解，在本实用新型的实施例中，线圈模组中的线圈以圆形和方形进行举例。在实际应用中，可根据充电设备的形状等因素设计适应性形状的线圈。而且，在同一个线圈模组中，每个线圈的形状不一定要保持一致，例如，最内层的线圈为圆形，外部线圈为方形等。
综上所述，本实用新型通过多个同向绕制并顺序串联的线圈在同一平面内相互嵌套放置，其中相邻的两个线圈之间具有预定宽度的间隙，解决了在线圈模组中心区域因耦合电感过大而造成的输入电流过小的问题，增加了充电平面的面积，保证了充电平面上各个方向的自由度，进而提高了充电效率。
图10是本实用新型的电能发射电路的等效电路图。如图10所示，电能发射电路10包括线圈模组101和电容C1。线圈模组101是由一根导线在同一平面内绕制的N个线圈组成的，被配置为接收预定频率的交流电产生交变磁场,N大于或等于2。在另一种实施方式中，线圈模组可由在同一平面内嵌套放置的N个(N大于等于2)不同尺寸的线圈顺序串联而组成，以较小线圈绕制的复杂度。其中，N个线圈同向绕制。
线圈模组101包括线圈L1和线圈L2，线圈L1和线圈L2的绕制方向相同，相互嵌套放置，并且L1和L2之间具有预定宽度的间隙，其中间隙的宽度大于每个线圈内相邻两匝之间的距离。
线圈模组101中线圈的排布方式如图6、图8和图9所示。在图6中，线圈61和线圈62的形状均为基本圆形，并且以基本同心的方式放置，以使得激发产生的交变磁场均匀，充电设备的放置更为灵活。并且线圈61和线圈62之间间隙的宽度根据其匝数进行设定，使得充电设备在各个方向上的自由度更大的同时，不会产生因耦合电感过大而导致输入的交流电减小的问题。
在图8中，采用了三个不同尺寸的以基本同心放置的圆形线圈一一嵌套的方式，以使得充电设备可使用的充电范围更大，进而可实现多设备同时充电的可能。因此，可根据充电设备的形状及数量涉及电能发射线圈模组中的线圈的个数。
在图9中，线圈91和线圈92的形状为基本方形，相较于圆形线圈，方形线圈的充电范围更大，充电设备更为灵活，并且在制作放置线圈模组的外壳时更为简单方便。线圈91和线圈92以基本同心的方式放置，使得激发产生的交变磁场更为均匀。
应理解，在本实用新型的实施例中，线圈模组的线圈以圆形和方形举例，实际上，可以根据充电设备的形状等因素设计适应性形状的线圈。而且，在同一个线圈模组中，每个线圈的形状不一定要保持一致，例如，最内层的线圈为圆形，外部线圈为方形等。
电容C1与线圈模组101串联连接，与线圈模组101构成在预定频率下工作的谐振电路以高效率地产生交变磁场。
本实用新型通过采用多个同向绕制且顺序串联的线圈在同一平面内相互嵌套放置的线圈模组，其中相邻的两个线圈之间具有预定宽度的间隙，解决了在线圈模组中心区域因耦合电感过大而造成的输入电流过小的问题，增加了充电平面的面积，保证了充电平面上各个方向的自由度，进而提高了充电效率。
应理解，本实用新型中的线圈模组同样可应用于电能接收线圈，也可实现提高充电平面上各个方向的自由度，进而提高了充电效率的作用。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种线圈模组，包括：N个线圈，顺序串联连接，并相互嵌套地设置在同一平面内，N大于或等于2；
其中，所述N个线圈的绕制方向相同，相邻的两个线圈之间具有预定宽度的间隙。
2.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，嵌套设置于最内部的线圈的匝数最大。
3.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，相邻的两个线圈之间间隙的宽度大于每个线圈内相邻两匝之间的距离。
4.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，所述间隙的宽度根据所述N个线圈的匝数确定。
5.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，所述N个线圈由同一导线绕制形成。
6.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，所述间隙的宽度为1-10mm。
7.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，所述嵌套设置于最内部的线圈符合Qi标准。
8.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，所述N个线圈以基本同心的方式放置。
9.一种电能发射电路，适于以无线方式发射电能，其中，所述电能发射电路包括如权利要求1-8中任一项所述的线圈模组。
10.一种电能接收电路，适于以无线方式接收电能，其中，所述电能接收电路包括如权利要求1-8中任一项所述的线圈模组。
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