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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Patentanmeldung nach dem Vertrag über die Internationale Zusammenarbeit auf dem Gebiet des Patentwesens beansprucht Priorität gegenüber der nicht vorläufigen US-Anmeldung Nr. 14/291,024, eingereicht am 30. Mai 2014 mit dem Titel „Coil Constructions for Improved Inductive Energy Transfer”, deren Inhalt in seiner Gesamtheit durch Verweis hierin übernommen wird.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung behandelt allgemein induktive Energieübertragung und insbesondere Spulenkonstruktionen für verbesserte induktive Energieübertragung in einem induktiven Energieübertragungssystem.
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HINTERGRUND
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Viele elektronische Vorrichtungen schließen eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien ein, die zum Aufladen von Zeit zu Zeit externe Energie erfordern. Häufig können diese Vorrichtungen unter Verwendung eines ähnlichen Stromkabels oder -anschlusses geladen werden, beispielsweise eines Universal-Serial-Bus-Steckverbinders (USB-Steckverbinders). Obwohl sie gemeinsame Anschlusstypen aufweisen, erfordern die Vorrichtungen jedoch häufig getrennte Stromversorgungen mit unterschiedlichen Stromausgaben. Diese mehreren Stromversorgungen können aufwendig zu verwenden, zu lagern und von Ort zu Ort zu transportieren sein. Infolgedessen kann der Nutzen der Tragbarkeit der Vorrichtungen wesentlich eingeschränkt sein.
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Zudem können Ladekabel unter bestimmten Umständen unsicher bei der Verwendung sein. Beispielsweise kann ein Fahrer eines Fahrzeugs abgelenkt werden, wenn er versucht, eine elektronische Vorrichtung mit einem Fahrzeugladegerät zu verbinden. Bei einem weiteren Beispiel kann ein Ladekabel bei unbeaufsichtigtem Betrieb eine Stolperfalle darstellen.
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Um diese und weitere Unzulänglichkeiten tragbarer elektronischer Vorrichtungen zu berücksichtigen, schließen einige Vorrichtungen eine induktive Ladevorrichtung ein. Der Nutzer kann einfach die elektronische Vorrichtung auf einer induktiven Ladefläche einer Ladevorrichtung platzieren, um Energie von der Ladevorrichtung zu der elektronischen Vorrichtung zu übertragen. Die Ladevorrichtung überträgt Energie zu der elektronischen Vorrichtung über induktives Koppeln zwischen einer Senderspule in der Ladevorrichtung und einer Empfängerspule in der elektronischen Vorrichtung. Unter bestimmten Umständen reduzieren jedoch Verluste in den Sender- und Empfängerspulen die Effizienz der Energieübertragung. Beispielsweise können Verluste durch den Widerstand des Kabels oder der Kabel in den Spulen erzeugt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Hierin beschriebene Ausführungsformen stellen Kabel- und Spulenkonstruktionen bereit, die Verluste in den Sender- und Empfängerspulen reduzieren können. Gemäß einem Aspekt schließt eine Induktionsspule in einer tragbaren elektronischen Ladevorrichtung drei oder mehr Schichten eines einzelnen Drahtes ein. Die Wicklungen der Spule sind innerhalb von mindestens zwei der drei oder mehr Schichten verflochten, sodass sowohl ein Eingangsende als auch ein Ausgangsende des Drahtes auf einer gleichen Seite der Spule in die Spule eintritt und daraus heraustritt. Die tragbare elektronische Vorrichtung kann eine Sendevorrichtung oder eine Empfängervorrichtung sein. Das Eingangsende und das Ausgangsende des Drahtes können an der Stelle aneinander stoßen, an der das Eingangsende und das Ausgangsende in die Spule eintreten bzw. daraus heraustreten. Eine Form von mindestens einer Kante der Induktionsspule kann eine Fläche der elektronischen Vorrichtung ergänzen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Draht in der Induktionsspule mit zwei oder mehr Strangbündeln konstruiert sein, die um eine Achse gedreht sind, die entlang der Länge des Drahtes verläuft. Jedes Bündel kann mehrere individuelle leitende Stränge einschließen, die ebenfalls um die Achse gedreht sein können, die entlang der Länge des Drahtes verläuft. Beispielsweise kann ein Bündel sieben individuelle leitende Stränge einschließen, die um die Achse gedreht sind, die entlang der Länge des Drahtes verläuft. Der Draht kann vier Bündel einschließen, die um die Achse gedreht sind.
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Gemäß noch einem weiteren Beispiel zum Verständnis der Erfindung kann ein Verfahren zum Bilden einer Induktionsspule das Bilden der Induktionsspule auf einem Dorn einschließen, wobei der Draht auf oder um den Dorn gewickelt wird. Die Induktionsspule wird in einer ersten Induktionsspulenstruktur gebildet. Üblicherweise wird ein Bindemittel oder Haftmittel an den Wicklungen angebracht, um die Induktionsspulenstruktur zu fixieren oder zu befestigen. Das Bindemittel kann anschließend behandelt werden, um zu bewirken, dass das Bindemittel formbar wird. Bei einigen Ausführungsformen kann das Bindemittel erwärmt werden, um ein biegsames Bindemittel zu erzeugen. Die Induktionsspule wird anschließend in einer zweiten Induktionsspulenstruktur gebildet, indem die Induktionsspule auf einer Form oder Fläche ausgebildet wird. Beispielsweise kann eine Induktionsspule in einer rechteckigen Form konstruiert werden. Das Bindemittel in der Spule kann erwärmt werden, und die Induktionsspule kann auf einer gekrümmten Oberfläche gepresst werden, um eine Trapezform zu erzeugen. Mindestens eine Kante oder Oberfläche der Spule, d. h. die mit der gekrümmten Oberfläche in Kontakt befindliche Kante, wird in einer Form ausgebildet, die die gekrümmte Oberfläche ergänzt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen besser verstanden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise relativ zueinander maßstabsgetreu. Identische Bezugsziffern wurden nach Möglichkeit verwendet, um identische Merkmale zu bezeichnen, die den Figuren gemein sind.
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1 und 2 sind perspektivische Ansichten eines Beispiels eines induktiven Energieübertragungssystems;
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3 ist eine Querschnittsansicht des induktiven Energieübertragungssystems entlang der Linie 3-3 aus 2;
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4 gibt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Beispiels des induktiven Ladesystems 100 wieder, das in 1 und 2 gezeigt ist;
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5 ist eine perspektivische Ansicht eines Bündels, das geeignet ist zur Verwendung in der Sendespule 406 und/oder der Empfängerspule 408, die in 4 gezeigt ist;
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6 ist eine Querschnittsansicht des Bündels 506 entlang der Linie 6-6 in 5;
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7 ist eine Querschnittsansicht des Bündels 506 entlang der Linie 7-7 in 5;
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8 ist eine Querschnittsansicht des Bündels 506 entlang der Linie 8-8 in 5;
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9 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Drahtes, der zur Verwendung in der Sendespule 406 und/oder der Empfängerspule 408 geeignet ist, die in 4 gezeigt ist;
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10 ist eine Querschnittsansicht des Drahtes 900 entlang der Linie 10-10 in 9;
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11 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Spule, die zur Verwendung als Sendespule 406 und/oder Empfängerspule 408 geeignet ist, die in 4 gezeigt ist;
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12 ist eine Querschnittsansicht der Spule 1100 entlang der Linie 12-12 in 11;
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13 ist eine erweiterte Ansicht der Sendevorrichtung 102, die in 1 und 2 gezeigt ist;
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14 und 15 sind erweiterte Ansichten weiterer Beispiele einer Sendevorrichtung; und
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16 ist ein Ablaufdiagramm eines Beispiel-Verfahrens zum Bilden der Induktionsspule zum Verständnis der Erfindung, die in 13–15 dargestellt ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Hierin beschriebene Ausführungsformen stellen ein induktives Energieübertragungssystem bereit, das Energie induktiv von einer Sendevorrichtung zu einer Empfängervorrichtung überträgt, um eine Batterie zu laden oder die Empfängervorrichtung zu betreiben. Zusätzlich oder alternativ dazu können Kommunikation- oder Steuersignale zwischen den Sende- und Empfangsvorrichtungen induktiv übertragen werden. Während des Ladens können beispielsweise Hochfrequenz-Impulse über der induktiven Ladefrequenz hinzugefügt werden, um sowohl Laden als auch Kommunikation zu ermöglichen. Alternativ dazu kann die übertragene Energie ausschließlich zur Kommunikation verwendet werden. Die Begriffe „Energie”, „Strom” oder „Signal(e)” sollen somit die Übertragung von Energie zum drahtlosen Laden, die Übertragung von Energie als Kommunikation- und/oder Steuersignale oder sowohl drahtloses Laden als auch Übertragung von Kommunikation- und/oder Steuersignalen umfassen.
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Mit Bezug auf 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines induktiven Energieübertragungssystems in einer alleinstehenden Konfiguration gezeigt. Die dargestellte Ausführungsform zeigt eine Sendevorrichtung 102, die konfiguriert ist, um Energie drahtlos zu einer Empfängervorrichtung 104 weiterzuleiten. Die Empfängervorrichtung 104 kann eine beliebige elektronische Vorrichtung sein, die eine oder mehrere Induktanzen einschließt, wie z. B. eine tragbare elektronische Vorrichtung oder ein am Körper tragbares Zubehörteil.
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Das am Körper tragbare Zubehörteil, z. B. entsprechend der Darstellung in 1, kann konfiguriert sein, um gesundheitsbezogene Informationen oder Daten bereitzustellen, wie beispielsweise, aber ohne diesbezügliche Einschränkung, Herzfrequenzdaten, Blutdruckdaten, Temperaturdaten, Sauerstoffniveau-Daten, Diät/Ernährungsinformationen, medizinische Erinnerungen, gesundheitsbezogene Tipps oder Informationen oder andere gesundheitsbezogene Daten. Die dazugehörige Überwachungsvorrichtung kann beispielsweise ein Tablet-Computer, ein Telefon, ein Personal Digital Assistant, ein Computer usw. sein.
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Ein am Körper tragbares Zubehörteil kann einen Kopplungsmechanismus einschließen, um einen Riemen oder ein Band, die zum Befestigen an einem Benutzer zweckmäßig sind, anzubringen. Beispielsweise kann eine Smartwatch ein Band oder einen Riemen zum Befestigen am Handgelenk eines Benutzers einschließen. Bei einem anderen Beispiel kann ein am Körper tragbarer Gesundheitsassistent einen Riemen zum Anbringen um die Brust eines Benutzers einschließen, oder ein am Körper tragbarer Gesundheitsassistent kann zur Verwendung mit einer Kordel oder einem Halsband eingerichtet sein. Bei noch weiteren Beispielen kann eine am Körper tragbare Vorrichtung an oder in einem anderen Teil des Körpers eines Benutzers befestigt sein. Bei diesen und anderen Ausführungsformen können der Riemen, das Band, die Kordel oder sonstige Befestigungsmechanismen eine oder mehrere elektronische Komponenten oder Sensoren in drahtloser oder kabelgebundener Kommunikation mit dem Zubehörteil einschließen. Beispielsweise kann das an einer Smartwatch befestigte Band einen oder mehrere Sensoren, eine zusätzliche Batterie, eine Kamera oder eine andere geeignete elektronische Komponente einschließen.
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Bei vielen Beispielen kann ein am Körper tragbares Zubehörteil, wie z. B. in 1 dargestellt, einen Prozessor einschließen, der gekoppelt oder in Kommunikation ist mit einem Speicher, einer oder mehreren Kommunikationsschnittstellen, Ausgabevorrichtungen wie z. B. Displays und Lautsprechern, einem oder mehreren Sensoren, wie z. B. biometrischen und bildgebenden Sensoren und einem oder mehreren Eingabevorrichtungen wie z. B. Tasten, Skalen, Mikrofonen oder berührungssensiblen Schnittstellen. Die Kommunikationsschnittstelle(n) können elektronische Kommunikation zwischen der Kommunikationsvorrichtung und einem externen Kommunikationsnetzwerk, einer Vorrichtung oder einer Plattform bereitstellen, wie z. B., aber ohne diesbezügliche Einschränkung, zu drahtlosen Schnittstellen, Bluetooth-Schnittstellen, Nahfeldkommunikationsschnittstellen, Infrarotschnittstellen, USB-Schnittstellen, Wi-Fi-Schnittstellen, TCP/IP-Schnittstellen, Netzwerkkommunikationsschnittstellen oder beliebigen konventionellen Kommunikationsschnittstellen. Die am Körper tragbare Vorrichtung kann zusätzlich zu Kommunikationen Informationen zu Zeit, Gesundheit, Status oder extern verbundenen oder in Kommunikation befindlichen Vorrichtungen und/oder Software, die auf derartigen Vorrichtungen ausgeführt wird, Meldungen, Videos, Betriebsbefehle usw. bereitstellen (und sie kann beliebige der vorstehenden Informationen von einer externen Vorrichtung empfangen).
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Obwohl das in 1 und 2 dargestellte System 100 eine Armbanduhr oder eine Smartwatch darstellt, können beliebige elektronische Vorrichtungen zum induktiven Empfangen von Energie von einer Sendevorrichtung geeignet sein. Beispielsweise kann eine geeignete elektronische Vorrichtung eine beliebige tragbare oder semi-tragbare elektronische Vorrichtung sein, die induktiv Energie empfangen kann („Empfangsvorrichtung”), und eine geeignete Docking-Station kann eine beliebige tragbare oder semi-tragbare Docking-Station oder Ladevorrichtung sein, die induktiv Energie übertragen kann („Sendevorrichtung”).
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Die Sendevorrichtung 102 und die Empfangsvorrichtung 104 können jeweils ein Gehäuse 106, 108 einschließen, um elektronische, mechanische und strukturelle Komponenten darin aufzunehmen. Bei vielen Beispielen und entsprechend der Darstellung kann die Empfangsvorrichtung 104 einen größeren seitlichen Querschnitt aufweisen als die Sendevorrichtung 102, obwohl eine derartige Konfiguration nicht erforderlich ist. Bei anderen Beispielen kann die Sendevorrichtung 102 einen größeren zeitlichen Querschnitt haben als die Empfangsvorrichtung 104. Bei noch weiteren Beispielen können die Querschnitte im Wesentlichen gleich sein. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann die Sendevorrichtung angepasst sein, um in einen Lade-Port in der Empfangsvorrichtung eingesetzt zu werden.
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Bei der dargestellten Ausführungsform kann die Sendevorrichtung 102 über ein Kabel oder einen Steckverbinder 110 an eine Stromquelle angeschlossen sein. Beispielsweise kann die Sendevorrichtung 102 Strom von einer Steckdose oder über einen Anschluss, wie z. B. einen USB-Steckverbinder, von einer anderen elektronischen Vorrichtung empfangen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Sendevorrichtung 102 batteriebetrieben sein. Obwohl die dargestellte Ausführungsform mit dem Steckverbinder 110 dargestellt ist, der mit dem Gehäuse der Sendevorrichtung 102 gekoppelt ist, kann der Steckverbinder 110 auf ähnliche Weise mittels beliebiger geeigneter Mittel angeschlossen sein. Beispielsweise kann der Steckverbinder 110 abnehmbar sein, und er kann einen Anschluss einschließen, dessen Größe bemessen ist, um in eine Öffnung oder Aufnahme zu passen, die im Gehäuse 106 der Sendevorrichtung 102 vorgesehen ist.
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Die Empfangsvorrichtung 104 kann eine erste Schnittstellenoberfläche 112 einschließen, die sich mit einer zweiten Schnittstellenoberfläche 114 der Sendevorrichtung 102 verbinden oder ausrichten kann, oder die diese auf sonstige Weise kontaktieren kann. Auf diese Weise können die Empfangsvorrichtung 104 und die Sendevorrichtung 102 zueinander positioniert werden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die zweite Schnittstellenoberfläche 114 der Sendevorrichtung 102 in einer bestimmten Form konfiguriert sein, die zu einer ergänzenden Form der Empfangsvorrichtung 104 passt (siehe 2). Die beispielhafte zweite Schnittstellenoberfläche 114 kann eine konkave Form einschließen, die einer ausgewählten Kurvenform folgt. Die erste Schnittstellenoberfläche 112 der Empfangsvorrichtung 104 kann eine konvexe Form einschließen, die der gleichen oder einer im Wesentlichen ähnlichen Kurve folgt wie die zweite Schnittstellenoberfläche 114.
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Bei anderen Ausführungsformen können die erste und die zweite Schnittstellenoberfläche 112, 114 beliebige Formen und Dimensionen aufweisen. Beispielsweise können die erste und die zweite Schnittstellenoberfläche 112, 114 im Wesentlichen flach sein. Zusätzlich oder alternativ dazu können die Sende- und Empfangsvorrichtungen 102, 104 unter Verwendung von einem oder mehreren Ausrichtungsmechanismen in Bezug aufeinander positioniert sein. Beispielsweise können eine oder mehrere magnetische Vorrichtungen in den Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 102 eingeschlossen und zum Ausrichten der Sende- und Empfangsvorrichtungen verwendet werden. Bei einem anderen Beispiel können ein oder mehrere Aktoren in den Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen 102 zum Ausrichten der Sende- und Empfangsvorrichtungen verwendet werden. Bei noch einem weiteren Beispiel können Ausrichtungsmerkmale wie z. B. Vorsprünge und dazugehörige Verzahnungen in den Gehäusen der Sende- und Empfangsvorrichtungen zum Ausrichten der Sende- und Empfangsvorrichtungen verwendet werden. Das Design oder die Konfiguration der Schnittstellenoberflächen, ein oder mehrere Ausrichtungsmechanismen und ein oder mehrere Ausrichtungsmerkmale können individuell oder in verschiedenen Kombinationen daraus verwendet werden.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht des induktiven Energieübertragungssystems entlang der Linie 3-3 aus 2. Wie weiter oben erörtert, können sowohl die Sendevorrichtung 102 als auch die Empfangsvorrichtung 104 elektronische, mechanische und/oder strukturelle Komponenten einschließen. Beispielsweise kann die Empfangsvorrichtung 104 eine oder mehrere Verarbeitungsvorrichtungen einschließen sowie Speicher, ein Display, eine oder mehrere Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen wie z. B. Tasten, Mikrofon und/oder einen oder mehrere Lautsprecher, eine Kommunikationsstelle für kabelgebundene und/oder drahtlose Kommunikation und eine berührungssensible Vorrichtung (die in das Display integriert sein kann oder nicht). Die dargestellte Ausführungsform aus 3 lässt im Interesse der Einfachheit und Klarheit die elektronischen, mechanischen und/oder strukturellen Komponenten aus.
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3 zeigt das beispielhafte induktive Energieübertragungssystem in einer verbundenen und ausgerichteten Konfiguration. Die Empfangsvorrichtung 104 schließt eine oder mehrere Empfängerspulen mit einer oder mehreren Wicklungen ein. Die Empfängerspule 300 kann Energie von der Sendevorrichtung 102 empfangen und die empfangene Energie verwenden, um eine oder mehrere Funktionen der Empfangsvorrichtung 104 auszuführen oder zu koordinieren und/oder um die Ladung einer Batterie (nicht dargestellt) in der Empfangsvorrichtung 104 aufzufrischen. Bei der dargestellten Ausführungsform schließt die Empfängerspule 300 sechzehn Wicklungen ein, die in zwei Schichten oder Zeilen angeordnet sind. Die Empfängerspule 300 kann bei anderen Ausführungsformen eine unterschiedliche Anzahl von Wicklungen aufweisen, die in einer oder mehreren Schichten angeordnet sind.
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Auf ähnliche Weise schließt die Sendevorrichtung 102 eine oder mehrere Sendespulen ein, die eine oder mehrere Wicklungen aufweisen. Die Sendespule 302 kann Energie zur Empfangsvorrichtung 104 übertragen. Bei der dargestellten Ausführungsform schließt die Senderspule 302 zwölf Wicklungen ein, die in drei Schichten angeordnet sind. Bei anderen Ausführungsformen kann die Senderspule 300 eine unterschiedliche Anzahl von Wicklungen aufweisen, die in einer oder mehreren Schichten angeordnet sind.
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Die Sender- und Empfängerspulen können mit einem beliebigen Induktanztyp implementiert sein. Jede Spule kann beliebige Formen und Abmessungen haben. Die Sender- und Empfängerspulen können die gleiche Anzahl von Wicklungen oder eine unterschiedliche Anzahl von Wicklungen aufweisen. Üblicherweise sind die Sender- und Empfängerspulen von einer Umhüllung umgeben, um den magnetischen Fluss in eine gewünschte Richtung zu leiten (z. B. in Richtung auf die andere Spule). Die Umhüllungen sind im Interesse der Einfachheit in 3 ausgelassen. Eine beispielhafte Umhüllung ist in 13 gezeigt.
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Mit Bezug auf 4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Beispiels des induktiven Energieübertragungssystems 100 gezeigt, das in 1 und 2 gezeigt ist. Die Sendevorrichtung 102 schließt eine Stromversorgung 400 ein, die mit einem DC/AC-Wandler 402 operativ verbunden ist. Beliebige geeignete Typen von DC/AC-Wandlern können verwendet werden. Beispielsweise kann der DC/AC-Wandler bei einer Ausführungsform als H-Brücke konstruiert sein. Der DC/AC-Wandler 402 ist mit einer Sender-Schwingschaltung 404 operativ verbunden. Die Sender-Schwingschaltung 404 ist mit einer Senderspule 406 operativ verbunden. Der DC/AC-Wandler 402 setzt ein DC-Signal, das von der Stromquelle 400 empfangen wird, in ein AC-Signal um, und das AC-Signal strömt in und durch die Senderspule 406.
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Die Empfangsvorrichtung 104 kann eine Empfängerspule 408 einschließen, die mit der Empfänger-Schwingschaltung 410 operativ verbunden ist. Die Empfänger-Schwingschaltung 410 ist mit einem AC/DC-Wandler 412 operativ verbunden. Beliebige geeignete Typen von AC/DC-Wandlern können verwendet werden. Beispielsweise kann der AC/DC-Wandler bei einer Ausführungsform als Diodenbrücke konstruiert sein. Eine Last 414 wird mit dem Ausgang des AC/DC-Wandlers 412 operativ verbunden. Bei einer Ausführungsform ist die Last 414 eine wiederaufladbare Batterie. Bei anderen Ausführungsformen kann ein unterschiedlicher Lasttyp verwendet werden.
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Die Senderspule 406 und die Empfängerspule 408 bilden zusammen einen Transformator 416. Der Transformator 416 überträgt Strom oder Energie durch induktive Kopplung zwischen der Senderspule 406 und der Empfängerspule 408 (Energieübertragung dargestellt durch den Pfeil 418). Im Wesentlichen wird Energie übertragen von der Senderspule 406 zur Empfängerspule 408 durch die Vorrichtung eines variablen magnetischen Flusses durch das AC-Signal in der Senderspule 406, das einen Strom in der Empfängerspule 408 induziert. Das in der Empfängerspule 408 induzierte AC-Signal wird vom AC/DC-Wandler 412 empfangen, der das AC-Signal in ein DC-Signal umsetzt. Bei Ausführungsformen, in denen die Last 414 eine wiederaufladbare Batterie ist, wird das DC-Signal zum Laden der Batterie verwendet. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die übertragene Energie verwendet werden, um Kommunikationssignale zu oder von der Empfangsvorrichtung zu übertragen (Kommunikationssignale sind durch den Pfeil 420 dargestellt).
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Generell kann die Sender- und Empfänger-Schwingschaltung 404, 410 im induktiven Ladesystem 100 eingeschlossen sein, um einen Teil der oder die gesamte Streuinduktivität zu löschen, wenn die Kapazitäts- und Induktanzwerte nahe der Resonanzfrequenz sind. Beliebige geeignete Typen von Schwingschaltungen können verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen ist die Sender-Schwingschaltung 404 ein Resonanzkondensator, der in Reihe zwischen dem DC/AC-Wandler 402 und der Senderspule 406 angeschlossen ist, und die Empfänger-Schwingschaltung 410 ist ein Resonanzkondensator, der in Reihe zwischen der Empfängerspule 408 und dem AC/DC-Wandler 412 angeschlossen ist.
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Die Effizienz der Energieübertragung in einem Transformator wird durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst, einschließlich der Induktanz und des Widerstands sowohl der Sender- als auch der Empfänger-Spulen. Normalerweise ist die Verteilung oder Stromdichte eines AC-Stroms in einem leitfähigen Draht in der Nähe der Drahtoberfläche am größten. Die Stromdichte nimmt mit zunehmender Tiefe im leitfähigen Draht ab. Dieses Phänomen ist als Skin-Effekt bekannt. Bei höheren Frequenzen bewirkt der Skin-Effekt die Zunahme des effektiven Widerstands des Drahtes, was zu erhöhten Widerstandsverlusten in den Wicklungen der Induktanz (z. B. der Senderspule) führt.
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Der Nahbereichseffekt beeinflusst die Effizienz der Energieübertragung in einem Transformator ebenfalls negativ. Wenn ein AC-Signal durch einen leitfähigen Draht strömt, erzeugt es darum herum ein dazugehöriges magnetisches Wechselfeld. Das magnetische Wechselfeld induziert Wirbelströme in einem benachbarten Draht und verändert die Gesamtverteilung des Stromflusses durch die beiden Drähte. Das Ergebnis ist, dass der Strom in den Gebieten des Drahtes konzentriert ist, die am weitesten vom benachbarten Draht entfernt sind, der in der gleichen Richtung Strom führt. Dies ist als Nahbereichseffekt bekannt. Der Nahbereichseffekt kann den AC-Widerstand benachbarter Drähte signifikant erhöhen. Zusätzlich nimmt der Nahbereichseffekt mit der Frequenz zu.
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Um die Verluste zu reduzieren, die sich aus dem Skin-Effekt und dem Nahbereichseffekt in leitfähigen Vorrichtungen ergeben, können individuelle Drahtstränge verdreht, verwoben oder miteinander verflochten werden. Ein Beispiel einer derartigen Strangkonstruktion ist dargestellt in 5. Individuelle leitfähige Stränge 500 sind um eine Achse X gedreht oder rotiert. Die Achse X verläuft entlang der Länge des Drahtes, und bei der dargestellten Ausführungsform ist sie dem Strang in der mittleren Position in der mittleren Zeile zugeordnet. Jeder leitfähige Strang 500 schließt normalerweise einen leitfähigen Drahtstrang 502 mit einer darum angeordneten Isolierschicht 504 ein. Die verdrehten individuellen Stränge bilden gemeinsam ein Bündel 506.
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Bei der dargestellten Ausführungsform schließt das Bündel 506 sieben leitfähige Stränge ein. Andere Ausführungsformen können eine unterschiedliche Anzahl leitfähiger Stränge einschließen. Beispielsweise kann ein Bündel dreizehn oder neunzehn Stränge einschließen.
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6 bis 8 sind Querschnittsansichten des Bündels 506 mit der Darstellung der Verdrehung der individuellen Stränge. Jeder Strang ist nur zu Identifizierungszwecken mit einem unterschiedlichen Schraffurmuster dargestellt. 6 stellt eine äußere Isolierung 600 um das Bündel individueller Stränge dar. Die äußere Isolierung 600 ist wahlfrei und daher in 7 und 8 nicht dargestellt.
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Beim Vergleich von 6 mit 7 und 8 sind die individuellen Stränge mit Bezug auf den Strang 602 in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn rotiert oder verdreht (dargestellt durch den Pfeil 700). Bei anderen Ausführungsformen können die Stränge im Uhrzeigersinn verdreht sein. Das Verdrehen der individuellen Stränge im Bündel 506 bewirkt, dass die individuellen Stränge bei einer gegebenen Distanz um den Strang 602 unterschiedliche Positionen im Bündel belegen. Falls jeder Strang eine vergleichbare Impedanz aufweist, ist der Strom unter allen Strängen im Bündel gleichmäßig verteilt, was den Einfluss des Skin-Effekts und des Nahbereichseffekts verringert oder eliminiert.
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Zur Darstellung der unterschiedlichen Positionen der Stränge können die Stränge um den Strang 602 eine linke obere Position, eine linke mittlere Position, eine linke untere Position, eine rechte untere Position, eine linke mittlere Position, und eine linke obere Position innerhalb des Bündels belegen. Bei Betrachtung des speziellen Strangs 604 im Bündel ist der Strang 604 in der linken mittleren Position des Bündels in 6 angeordnet. In 7 ist der Strang 604 in die rechte untere Position im Bündel gedreht. Und in 8 ist der Strang 604 in die rechte obere Position im Bündel gedreht. Somit belegen alle Stränge um den Strang 602 über die Länge des Bündels verschiedene Positionen im Bündel.
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9 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Drahtes, der zur Verwendung in der Sendespule 406 und/oder der Empfängerspule 408 geeignet ist, die in 4 gezeigt ist. Der Draht 900 ist durch Verdrehen mehrerer Bündel um eine Achse X konstruiert. Bei der dargestellten Ausführungsform sind vier Bündel 506 um die Achse X verdreht. Das Verdrehen der Bündel 506 bewirkt, dass die meisten der Stränge in jedem Bündel in einer Instanz außerhalb des Drahtes 900 und in einer Distanz innerhalb des Drahtes 900 sind. Dies kann die Auswirkungen des Skin-Effekts und des Nahbereichseffekts auf die Effizienz der Energieübertragung weiter reduzieren.
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Wie weiter oben beschrieben, schließt der Draht 900 bei der dargestellten Ausführungsform vier Bündel ein. Andere Ausführungsformen können eine unterschiedliche Anzahl von Bündeln einschließen. Beispielsweise kann ein Draht zwei, drei oder sechs Bündel einschließen.
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10 ist eine Querschnittsansicht des Drahtes 900 entlang der Linie 10-10 in 9. Eine wahlfreie äußere Isolierschicht 1000 kann die Bündel im Draht umgeben. Wie weiter oben beschrieben, rotieren die Stränge in jedem Bündel durch verschiedene Positionen um eine zentrale Achse über die Länge des Drahtes.
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Ein Vorteil der Konstruktion des Drahtes 900 ist eine effektivere Verwendung des Querschnitts von Leitern bei der Spulung aufgrund der Verdichtung, wodurch ein höherer Gesamt-Q-Faktor für die Sender- und/oder Empfängerspulen erzeugt wird. Zusätzlich können bei einigen Ausführungsformen die Stränge und/oder Bündel in der Senderspule und/oder Empfängerspule mit einem weichen magnetischen Material wie z. B. Eisen, Nickel oder Kobalt beschichtet werden, um den AC-Widerstand des Drahtes durch Reduzieren von Nahbereichseffekten zu senken.
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Mit Bezug auf 11 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Spule gezeigt, die zur Verwendung als Senderspule 406 und/oder als Empfängerspule 408 entsprechend der Darstellung in 4 geeignet ist. Die Spule 1100 kann aus einem einzelnen Draht 900 gebildet sein. Die beispielhafte Spule 1100 schließt drei Zeilen oder Schichten und vier Spalten des Drahtes 900 ein, die in eine kreisförmige Struktur gepackt sind. Somit hat die Spule zwölf Wicklungen. Weitere Ausführungsformen können beliebige Anzahlen von Schichten und Spalten einschließen.
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Der Draht 900 ist innerhalb der Schichten verschachtelt, sodass das Eingangsende (z. B. das Ende 1102) und das Ausgangsende (z. B. das Ende 1104) in die Spule oder aus der Spule an der im Wesentlichen gleichen Position oder der im Wesentlichen gleichen Seite 1106 der Spule eintreten bzw. austreten. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Draht in zwei Schichten verschachtelt, und das Eingangsende 1102 und das Ausgangsende 1104 stoßen an der Position aneinander, an der das Eingangsende in die Spule eintritt und das Ausgangsende aus der Spule austritt. Bei anderen Ausführungsformen kann der Draht mit beliebigen Anzahlen von Schichten verschachtelt sein. Zusätzlich können die Eingangs- und Ausgangsenden des Drahtes an der im Wesentlichen gleichen Position oder an der im Wesentlichen gleichen Seite 1106 der Spule in die Spule eintreten und daraus heraustreten, ohne aneinander zu stoßen.
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12 ist eine Querschnittsansicht der Spule 1100 entlang der Linie 12-12 in 11. Jede Wicklung in der Schule ist von eins bis zwölf nummeriert und stellt das verschachtelte Muster oder die Wicklungskonfiguration der Spule dar. Die Wicklungen in Schicht eins sind über die Spalten linear. D. h. die Wicklungen eins bis vier verlaufen sequenziell über die Schicht. In den Schichten zwei und drei beginnen und enden die Wicklungen auf Schicht zwei, bewegen sich von der zweiten zur dritten Schicht in jeder zweiten Spalte nach oben (z. B. Spalten 1 und 3) und von der dritten zur zweiten Schicht in den übrigen Spalten (z. B. Spalten 2 und 4).
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Mit Bezug auf 13 ist eine erweiterte Ansicht der induktiven Sendevorrichtung 102 dargestellt, die in 1 und 2 gezeigt ist. Die Empfängerspule 302 ist in einem Gehäuse 1300 eingeschlossen, das drei der vier Seiten der Spule umgibt. Das Gehäuse formt und leitet den durch die Senderspule 302 erzeugten magnetischen Fluss in Richtung auf die Empfängerspule. Die Form der Senderspule ist bei der dargestellten Ausführungsform nicht rechteckig. Wie weiter oben beschrieben, kann mindestens ein Teil der zweiten Schnittstellenoberfläche 114 der Sendevorrichtung 102 eine konkave Form haben, die einer ausgewählten Krümmung folgt. Somit hat die Senderspule bei der in 13 gezeigten Ausführungsform eine Trapezform, sodass eine Kante der Spule an die Form der zweiten Schnittstellenoberfläche 114 angepasst ist.
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14 und 15 sind erweiterte Ansichten weiterer Beispiele einer Sendevorrichtung. In 14 kann die Senderspule 1400 drei Schichten aufweisen, wobei eine Schicht 3 Spalten aufweist, wobei die mittlere Schicht vier Spalten aufweist und die letzte Schicht fünf Spalten aufweist. Wie bei der in 13 gezeigten Ausführungsform kann die Senderspule 1400 eine Form aufweisen (oder mindestens eine Kante der Senderspule kann eine Form aufweisen), die die zweite Schnittstellenoberfläche 114 ergänzt, oder die Senderspule kann eine unterschiedliche Form aufweisen.
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In 15 kann die Senderspule 1500 vier Schichten aufweisen, wobei jede Schicht 3 Spalten aufweist. Die Senderspule 1500 kann wiederum eine Form aufweisen (oder mindestens eine Kante der Senderspule kann eine Form aufweisen), die die zweite Schnittstellenoberfläche 114 ergänzt, oder die Senderspule kann eine unterschiedliche Form aufweisen.
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Die zweite Schnittstellenoberfläche 114 und/oder die Senderspule können bei anderen Ausführungsformen eine unterschiedliche Form aufweisen. Beispielsweise kann die zweite Schnittstellenoberfläche 114 im Wesentlichen flach sein. Bei diesen Ausführungsformen kann die Form der Senderspule rechteckig sein. Alternativ dazu kann die Senderspule eine unterschiedliche Form, wie z. B. eine schraubenförmige Form, aufweisen. Die Form der Spule kann konzipiert sein, um den durch die Spule erzeugten magnetischen Fluss zu leiten und/oder um die Distanz zwischen der Sender- und der Empfängerspule zu reduzieren.
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Obwohl die Ausführungsformen in 13 bis 15 mit Bezug auf eine Senderspule beschrieben worden sind, können die dargestellten Spulen in der Empfängervorrichtung eingeschlossen sein. Zusätzlich kann die Sender- und oder Empfängerspule eine Wicklungskonfiguration aufweisen, die das Eingangsende (z. B. das Ende 1102) und das Ausgangsende (z. B. das Ende 1104) an der im Wesentlichen gleichen Position oder der im Wesentlichen gleichen Seite 1106 der Spule positioniert.
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Mit Bezug auf 16 ist ein Ablaufdiagramm eines Beispiel-Verfahrens zum Bilden der in 13 bis 15 gezeigten Spule dargestellt zum Verständnis der Erfindung. Zu Beginn wird eine Induktionsspule auf einem Dorn gebildet, indem der Draht auf oder um den Dorn gewickelt wird (Block 1600). Die Induktionsspule wird in einer ersten Induktionsspulenstruktur gebildet. Üblicherweise wird ein Bindemittel oder Haftmittel an den Wicklungen angebracht, um die Wicklungen in der Induktionsspulenstruktur zu fixieren oder zu befestigen.
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Wie in Block 1602 dargestellt ist, wird das Bindemittel anschließend behandelt, um zu bewirken, dass das Bindemittel formbar wird. Bei einigen Ausführungsformen kann das Bindemittel erwärmt werden, um ein biegsames Bindemittel zu erzeugen. Die Induktionsspule wird anschließend in einer zweiten Induktionsspulenstruktur gebildet, indem die Induktionsspule auf einer Form oder Fläche ausgebildet wird (Block 1604).
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Beispielsweise kann eine Induktionsspule in einer rechteckigen Form konstruiert werden. Das Bindemittel in der Spule kann erwärmt werden, und die Induktionsspule kann auf einer gekrümmten Oberfläche gepresst werden, um eine Trapezform zu erzeugen. Mindestens eine Kante oder Oberfläche der Spule, d. h. die mit der gekrümmten Oberfläche in Kontakt befindliche Kante, wird in einer Form ausgebildet, die die gekrümmte Oberfläche ergänzt.
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Verschiedene Ausführungsformen wurden detailliert mit besonderer Bezugnahme auf bestimmte Merkmale davon beschrieben, es versteht sich jedoch, dass innerhalb des Grundgedankens und Schutzumfangs der Offenbarung Variationen und Modifikationen ausgeführt werden können. Auch wenn hierin spezifische Ausführungsformen beschrieben wurden, sollte beachtet werden, dass die Anmeldung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Insbesondere können jegliche im Hinblick auf eine Ausführungsform beschriebenen Merkmale auch in anderen Ausführungsformen verwendet werden, sofern sie kompatibel sind. Gleichermaßen können die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen ausgetauscht werden, wenn sie kompatibel sind.
