CN209591776U - 用于无线充电的线圈模组和无线电能发射电路 - Google Patents

用于无线充电的线圈模组和无线电能发射电路 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于无线充电的线圈模组和无线电能发射电路。通过将至少三组线圈相互串联，并以相互重叠的方式设置。由此，可以在增强电能发射线圈和电能接收线圈的耦合系数的同时，使得线圈模组产生的交变磁场更加集中，减少线圈模组周围逸散的磁场带来的负面影响。

Description

用于无线充电的线圈模组和无线电能发射电路
技术领域
本实用新型涉及无线充电技术领域，具体涉及一种用于无线充电的线圈模组和无线电能发射电路。
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，无线电能发射端将直流电压转换为交变电流，交变电流通过无线电能发射端线圈产生交变磁场。无线电能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。随着无线充电技术的发展，人们对于无线充电的距离要求也越来越高。
现有技术通常是通过在同一平面上增加线圈的匝数，以提高耦合电感来提高无线电能接收端的感生电压，进而增加无线充电的距离。
但是，在同一平面上增加线圈的匝数，会使得线圈会越绕越大，使得线圈周围的磁场在空间中也更加发散，电能接收线圈周围逸散的空间磁场会带来负面的影响，如会加热手机内接收线圈周围的金属异物(如电池、电路板等)，造成额外的损耗，降低充电效率。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型公开一种用于无线充电的线圈模组和无线电能发射电路，以使得线圈模组产生的交变磁场更加集中，减少线圈模组周围逸散的磁场带来的负面影响。
第一方面，本实用新型实施例提供一种用于无线充电的线圈模组，应用在无线充电中作为发射线圈，所述线圈模组包括：
相互串联的多组线圈，以相互重叠的方式设置；
所述线圈模组包括至少三组线圈。
优选地，所述线圈的线圈匝的外径在五十毫米至八十毫米之间。
优选地，所述线圈的线圈匝的内径大于五毫米。
优选地，所述线圈以平面方式绕制，所述多组线圈沿线圈轴向相互重叠。
优选地，所述线圈的线圈匝在垂直方向上叠置排列，所述多组线圈沿线圈径向相互重叠。
优选地，所述线圈模组还包括：
中心磁柱，设置在所述多组线圈的中心；和/或
磁片，设置于所述多组线圈的底部；
所述中心磁柱的外径小于等于所述线圈的线圈匝内径。
第二方面，本实用新型实施例提供一种用于无线充电的线圈模组，应用在无线充电中作为发射线圈，所述线圈模组包括：
相互串联的多组线圈，以相互重叠的方式设置；
所述线圈的线圈匝的外径在五十毫米至八十毫米之间。
优选地，所述线圈的线圈匝的内径大于五毫米。
优选地，所述线圈以平面方式绕制，所述多组线圈沿线圈轴向相互重叠。
优选地，所述线圈的线圈匝在垂直方向上叠置排列，所述多组线圈沿线圈径向相互重叠。
优选地，所述线圈模组还包括：
中心磁柱，设置在所述多组线圈的中心；和/或
磁片，设置于所述多组线圈的底部；
所述中心磁柱的外径小于等于所述线圈的线圈匝内径。
第三方面，本实用新型实施例提供一种无线电能发射电路，应用在无线充电中，所述无线电能发射电路包括如第一方面或第二方面所述的线圈模组。
本实用新型实施例的技术方案通过将至少三组线圈相互串联，并以相互重叠的方式设置。由此，可以在增强电能发射线圈和电能接收线圈的耦合系数的同时，使得线圈模组产生的交变磁场更加集中，减少线圈模组周围逸散的磁场带来的负面影响。
附图说明
通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，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是本实用新型第一实施例线圈模组的结构示意图；
图3是本实用新型第二实施例线圈模组的结构示意图；
图4是本实用新型第三实施例线圈模组的结构示意图；
图5是本实用新型第四实施例线圈模组的结构示意图；
图6是本实用新型一个实施例无线电能发射电路的电路图；
图7是本实用新型一个实施例无线电能接收电路的电路图。
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。
无线电能发射端将直流电压转换为交变电流，交变电流通过无线电能发射端线圈产生交变磁场。无线电能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。无线电能接收端耦合交变磁场，感生电压的能力为：
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。
在充电距离较远时，例如，在桌面下方设置无线充电装置对桌面上方的设备进行充电时，采用一般的发射线圈模组会导致发射线圈和接收线圈之间的耦合电感大幅下降，继而导致无法在电能接收端处产生符合要求的感生电压。
由上式可知，通过增加交变磁场的频率、电能发射线圈和接收线圈的耦合电感以及电能发射线圈中的电流都可以增强感生电压的能力，进而提升无线充电的距离。然而，改变交变磁场的频率可能使得无线充电设备不能正常工作，甚至可能造成不可预计的损失。而改变发射线圈的驱动电流则会使得发射线圈的发热以及对应的电路元器件的指标均上升，使得成本大幅度上升。因此，本实用新型考虑通过提高耦合电感M来提高无线电能接收端的感生电压。
在现有技术中，通常期望增大电感M的同时增大无线充电自由度。自由度，因此，一般都会通过增加线圈匝数的方式来增大耦合电感M。
随着充电距离的提高，发射线圈和接收线圈的耦合系数k会相应地降低。由此，耦合电感M可通过提高电能发射线圈的电感值、电能接收线圈的电感值或电能发射线圈和电能接收线圈的耦合系数实现。
线圈的电感值和耦合系数可通过增加线圈的匝数实现(线圈的电感值与匝数的平方成正比)。在无线充电领域中，现有技术中在无线充电领域，通常是通过在同一平面内增加线圈的匝数以提高线圈的电感值和耦合系数，进而提升无线充电的距离。
图1是现有技术的线圈模组的结构示意图。如图1所示，将线圈匝数从同一平面上从4匝增加到8匝，这样匝数增加2倍，电感值将近增加4倍，这样就可以提高充电距离。但是通过平面绕制的方法会使得线圈越绕越大，进而使得线圈周围的磁场在空间中也更加发散，电能接收线圈周围逸散的空间磁场会带来负面的影响，如会加热无线充电设备内接收线圈周围的金属异物(如电池、电路板等)，造成额外的损耗，降低充电效率。
图2是本实用新型第一实施例线圈模组的结构示意图。如图2所示，线圈模组包括多组线圈，所述多组线圈以相互重叠的方式设置。所述多组线圈以同心方式重叠设置以使得上下层线圈对应部位的感生电压近似相等，降低损耗。即，所述多组线圈平行设置形成多个叠层，每组线圈为一个叠层，且所述多组线圈的圆心在同一直线，所述直线垂直于每组线圈所在的平面。
优选地，线圈模组包括三组或三组以上的线圈。当线圈为两组时，线圈匝数增加2倍，感量将近似增加4倍，虽然可以增加无线电能传输的距离，但是往往还是不能满足实际需求。因此，本实用新型的线圈模组包括至少三组线圈。应理解，对于一些特殊的应用场景，对于传输距离要求不高时，也可以选择使用有两组线圈的线圈模组。
在本实施例中，以线圈模组包括四组线圈为例进行说明。采用四组线圈叠绕的方式，相比较单组线圈，感量增加了16倍。同时，与同一平面增加绕线匝数的方式相比较，达到同样的感量时，叠层的方式使在垂直方向上的磁场分布更加集中，这样就降低了空间逸散磁场对手机内部接收线圈周围金属异物的加热，降低了损耗。
具体地，线圈模组包括线圈L1、L2、L3和L4。图中的多层线圈采用了不同粗细程度以区分线圈的层数，应理解，所述多组线圈是采用同一绕线绕制而成，在实际中，每层线圈的粗细程度是一样的。绕制方法为：在同一平面内，首先由内径开始逐渐往外径绕制，绕制四匝后形成线圈L1；将绕线延伸至线圈L1的上方平面内，由内径开始逐渐往外径绕制，绕制四匝后形成线圈L2；将绕线延伸至线圈L2的上方平面内，由内径开始逐渐往外径绕制，绕制四匝后形成线圈L3；最后，将绕线延伸至线圈L3的上方平面内，由内径开始逐渐往外径绕制，绕制四匝后形成线圈L4。由此，即可形成图示的线圈模组。
在本实施例中，无线充电设备内置电能接收线圈的尺寸通常是在 50mm*50mm左右，为了使在30mm-40mm距离处充电，优选地，所述多组线圈的绕线外径在50mm-80mm之间。如果电能发射线圈的绕线外径太大(>80mm)，会增加空间逸散的磁场，电能接收线圈周围逸散的磁场会带来负面的影响，如会加热手机内接收线圈周围的金属异物(如电池、电路板等)，造成额外的损耗，降低充电效率。如果电能发射线圈外径太小(<50mm)，会使得耦合电感不容易做大，电能接收线圈在30mm 以上时不容易产生感应电压。
在本实施例中，多层叠绕发射线圈的绕线匝内径设置在5mm以上。使得线圈能在垂直距离30mm以上的范围提供磁场。
可选的，多层叠绕发射线圈的绕线匝内径设置在20mm以上。如果绕线内径太小(<20mm)，中心的几匝绕线并不能在垂直距离30mm以上的范围提供磁场。同时线圈中心磁场集中，也会增加了绕线的交流损耗。
在本实施例中，绕线可以采用Qi标准A11线圈绕线材质：0.08*105 股的利兹线。但是，对于多层绕线叠加，层和层之间的邻近效应增加，为了降低绕线的损耗，相比较标准A11线圈绕线，优选地，采用更粗一点的材质，如0.1*100股利兹线、0.08*120股利兹线或者0.08*150股利兹线等。
具体地，Qi是无线充电联盟(Wireless Power Consortium)推出的“无线充电”标准，具备便捷性和通用性两大特征。首先，不同品牌的产品，只要有一个Qi的标识，都可以用Qi无线充电器充电。其次，它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈，在不久的将来，手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电，为无线充电的大规模应用提供可能。
同时，为了使得图2所示的多层叠绕线圈在垂直方向产生的空间磁场更加集中，可以在绕线内径区域增设圆柱形磁柱。
图3是本实用新型第二实施例线圈模组的结构示意图。如图3所示，线圈模组包括线圈L1、L2、L3和L4，以及磁柱31。
在本实施例中，磁柱31是由磁性材料制成的圆柱体。具体地，磁柱的外径为小于或等于线圈的内径。
由此，通过在多组线圈中增设磁柱来使得多层叠绕线圈在垂直方向产生的空间磁场更加集中。减少有由于磁场逸散而造成的负面影响。
同时，也可以在多组线圈的底部增设磁片，以增强发射线圈的电感值。
图4是本实用新型第三实施例线圈模组的结构示意图。如图4所示，线圈模组包括线圈L1、L2、L3和L4、磁柱31，以及磁片41。
在本实施例中，磁柱31是由磁性材料制成的圆柱体。具体地，磁柱的外径为小于或等于线圈的内径。由此，通过在多组线圈中增设磁柱来使得多层叠绕线圈在垂直方向产生的空间磁场更加集中。减少有由于磁场逸散而造成的负面影响。
在本实施例中，磁片41可以进一步地提高电能发射线圈的电感值，进而提高电能发射线圈和接收线圈的耦合电感，可以增加无线电能的传输距离。
应理解，图4所示的线圈模组是在增设了磁柱之后，再增设磁片。也可以是在图2的基础上只增设置磁片来提高电能发射线圈的电感值。
在本实施例中，也可以使用其它绕制方法形成具有四组线圈的线圈模组。例如，还可以通过竖直绕制的方法形成如图5所示的线圈模组。
图5是本实用新型第四实施例线圈模组的结构示意图。如图5所示，所述多组线圈的线圈匝在垂直方向上叠置排列。从线圈的轴向(从上往下或从下往上)可将线圈模组分为四组线圈，线圈L1′、L2′、L3′和L4′直径为从小到大，且四组线圈相互串联。串联的方式有多种，可以是相邻两个线圈的上端与上端连接，也可以是上端与下端连接。还可以是不相邻线圈之间相互连接，例如，可以是L1′与L3′串联，L2′与L4′串联。同时，线圈L1′、L2′、L3′和L4′的线圈匝数是相同的，且每个线圈对应的线圈匝处于同一平面，由此，使得所述多组线圈沿线圈径向对应的线圈匝相互重叠，使得所述线圈模组径向分为多层，本实施例以四层为例进行说明，应理解，可根据实际需求选择合适的层数。
基于上述线圈模组的结构，其中的一种绕制方法可以为：
首先在第一层绕制线圈L1′的第一匝，延伸至第二层的平面内，绕制线圈L1′的第二匝，再延伸至第三层的平面内，绕制线圈L1′的第三匝，最后延伸至第四层的平面内，绕制线圈L1′的第四匝。由此，即可形成线圈L1′。其次，将线圈L1′的绕线末端延伸至线圈L2′，在第四层绕制线圈L2′的第四匝，延伸至第三层的平面内，绕制线圈L2′的第三匝，再延伸至第二层的平面内，绕制线圈L2′的第二匝，最后延伸至第一层的平面内，绕制线圈L2′的第一匝。由此，即可形成线圈L2′。然后基于与上述相同方法，继续绕制线圈L3′和L4′。
由此绕制而成的线圈模组虽然与图2所示的结构并不完全相同，但是具有相同的匝数和线圈组数，因此，在空间中形成的磁场也是一致的。
应理解，也可以使用平面绕制和竖直绕制两种绕制方法相结合的方式来形成包括四组线圈的线圈模组。
同时，也可以在图5所示的线圈模组增设磁柱和/或磁片以提高电能发射线圈的电感值，使得多层叠绕线圈在垂直方向产生的空间磁场更加集中。
同时，本实用新型还可以通过设置电容有效降低线圈之间由于寄生电容造成的寄生电流，提高了充电效率。
具体地，可以在图2-图5任一图所示的线圈模组中，每相邻的两个线圈之间设置一个电容，以使得电容与其对应的线圈在工作频率附近发生谐振，提高电能的传输效率。
本实用新型实施例通过将至少三组线圈相互串联，并以相互重叠的方式设置。由此，可以在增强电能发射线圈和电能接收线圈的耦合系数的同时，使得线圈模组产生的交变磁场更加集中，减少线圈模组周围逸散的磁场带来的负面影响。
应理解，本实用新型实施例的线圈模组是根据目前无线充电设备的内置的电能接收线圈的尺寸设计的相应规格的电能发射线圈，以增强无线电能的传输距离，其主要应用在无线发射电路中。在一些特殊的场合，也可以将其作为电能接收线圈设计在无线充电设备中。
图6是本实用新型一个实施例无线电能发射电路的电路图。如图6 所示，电能发射电路包括第一控制电路61、逆变电路62和线圈模组63。其中，逆变电路62用于将输入的直流电转换为相应频率的交流电，第一控制电路61用于控制所述逆变电路62。
线圈模组63包括线圈L1、L2、L3和L4，所述多组线圈以相互重叠的方式设置。所述线圈的线圈匝在垂直方向上叠置排列，所述多组线圈沿线圈径向相互重叠。所述多组线圈以同心方式重叠设置以使得上下层线圈对应部位的感生电压近似相等，降低损耗。即，所述多组线圈平行设置形成多个叠层，每组线圈为一个叠层，且所述多组线圈的圆心在同一直线，所述直线垂直于每组线圈所在的平面。
由此，通过将相互串联的多组线圈以相互重叠的方式设置，以增强电能发射线圈和电能接收线圈的耦合系数，使得线圈模组产生的交变磁场更加集中，减少线圈模组周围逸散的磁场带来的负面影响。
图7是本实用新型一个实施例无线电能接收电路的电路图。如图7 所示，无线电能接收电路包括线圈模组71、整流电路72和第一控制电路73。其中，线圈模组71用于接收无线电能发射电路发射的电能。整流电路72用于将接收到的交流电转换为直流电。第二控制电路73用于控制所述整流电路72。
线圈模组73包括线圈L1、L2、L3和L4，所述多组线圈以相互重叠的方式设置。所述线圈的线圈匝在垂直方向上叠置排列，所述多组线圈沿线圈径向相互重叠。所述多组线圈以同心方式重叠设置以使得上下层线圈对应部位的感生电压近似相等，降低损耗。即，所述多组线圈平行设置形成多个叠层，每组线圈为一个叠层，且所述多组线圈的圆心在同一直线，所述直线垂直于每组线圈所在的平面。
由此，通过将相互串联的多组线圈以相互重叠的方式设置，以增强电能发射线圈和电能接收线圈的耦合系数，增加无线电能的传输距离。
本实用新型实施例通过将相互串联的多组线圈以相互重叠的方式设置，并根据无线充电设备内置的电能接收线圈限制所述多组线圈在合适的尺寸范围内。由此，可以增强电能发射线圈和电能接收线圈的耦合系数，使得线圈模组产生的交变磁场更加集中，减少线圈模组周围逸散的磁场带来的负面影响。
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 (5)

1.一种用于无线充电的线圈模组，应用在无线充电中作为发射线圈，其特征在于，所述线圈模组包括：
相互串联的多组线圈，以相互重叠的方式设置；
所述线圈模组包括至少三组线圈；
所述线圈的线圈匝在垂直方向上叠置排列，所述多组线圈沿线圈径向相互重叠。
2.根据权利要求1所述的用于无线充电的线圈模组，其特征在于，所述线圈的线圈匝的外径在五十毫米至八十毫米之间。
3.根据权利要求1所述的用于无线充电的线圈模组，其特征在于，所述线圈的线圈匝的内径大于五毫米。
4.根据权利要求1所述的用于无线充电的线圈模组，其特征在于，所述线圈模组还包括：
中心磁柱，设置在所述多组线圈的中心；和/或
磁片，设置于所述多组线圈的底部；
所述中心磁柱的外径小于等于所述线圈的线圈匝内径。
5.一种无线电能发射电路，应用在无线充电中，其特征在于，所述无线电能发射电路包括如权利要求1-4中任一项所述的用于无线充电的线圈模组。
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