TWI439000B - 無線電力傳輸用傳輸線圈 - Google Patents

Description

無線電力傳輸用傳輸線圈

本發明是關於一種無線供電技術。

[先前技術文獻]

[非專利文獻]

非專利文獻1：A.Karalis, J.D.Joannopoulos, M.Soljacic、「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」、ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.

近年來，作為針對行動電話終端或筆記型電腦(note computer)等電子設備、或者電動汽車的供電技術，無線(wireless)(非接觸)電力傳輸受到關注。無線電力傳輸主要分為3類，即電磁感應型、電波接收型、及電場磁場共振型。

電磁感應型是用於短距離(數cm以內)，能夠以數百kHz以下的頻帶(band)傳輸數百W的電力。電力的利用效率為60~98%左右。

於對數m以上的較長距離供電時利用電波接收型。在電波接收型中，雖能夠以中波~微波的頻帶傳輸數W以下的電力，但電力的利用效率較低。作為以較高的效率對數m左右的中等距離供電的方法，電場磁場共振型受到關注(參照非專利文獻1)。

圖1是表示無線供電系統的一例的圖。無線供電系統 1100包括無線供電裝置1200及無線受電裝置1300。

無線供電裝置1200包括傳輸線圈L1、諧振用電容器(capacitor)C1及交流電源10。交流電源10產生具有傳輸頻率f1的電訊號(electrical signal)S2。諧振用電容器C1及傳輸線圈L1構成諧振電路，該諧振電路的諧振頻率被調諧(tuning)為電訊號S2的頻率。自傳輸線圈L1發送電力信號S1。

無線受電裝置1300包括接收線圈L2、諧振用電容器C2及負載電路20。諧振用電容器C2、接收線圈L2及負載電路20構成諧振電路，該諧振電路的諧振頻率被調諧為電力信號S1的頻率。

圖2是表示環形線圈(loop coil)產生的磁場的圖。環形線圈30包括相對向的兩個邊32、34。於第1邊32及第2邊34流過相互反向的電流。第1邊32上的電流要素Ids、第2邊34上的電流要素Ids於位置P處產生的磁場dH依照必歐-沙伐定律(Biot-Savart law)而以式(1)提供。

於環形線圈30的寬度x充分大的情況下，rd>>r成立，故而位置P處的磁場H受流過第2邊34的電流所產 生的分量支配。另一方面，若環形線圈30的寬度x較小，則rdr，流過第1邊32的電流所產生的磁場分量、流過第2邊34的電流所產生的磁場分量相互抵消，因此P點的磁場變小。

根據上述內容，可說磁場共振方式的傳輸距離與傳輸線圈L1的直徑成正比，若欲延長傳輸距離，則必須使傳輸線圈L1的寬度x變大。例如，於傳輸線圈L1的寬度x的2倍左右成為傳輸距離的情況下，為實現2m的傳輸距離所需的傳輸線圈L1的直徑為1m，設置場所受到制約。為使無線電力傳輸普及，而需要傳輸線圈的小型化。

存在兩種用以使天線小型化的方法。其一方法為設置相對於傳輸波長而言較短的天線，且為抵消其電容性阻抗(impedance)而將介電性阻抗連接於天線進行阻抗匹配(impedance matching)。另一方法為使用介電常數、磁導率較大的材料、且利用波長縮短(wavelength shortening)。然而，該等方法僅可應用於利用輻射電磁場的電波接收型中，而無法應用於利用近場(near field)的電場磁場共振型中。

本發明是鑒於上述課題而完成者，其一型態的例示性的目的之一在於使電場磁場共振型的無線電力傳輸的傳輸線圈小型化。

本發明的一型態是關於一種傳輸包含電場、磁場、電磁場中的任一者的電力信號的無線供電裝置的傳輸線圈。 傳輸線圈包括環形線圈、及覆蓋環形線圈的一部分的磁性體。

於環形線圈的相對向的兩個部分流動反向的電流，該等電流在遠離環形線圈的受電天線的位置產生的磁場相互抵消。此處，藉由以磁性體覆蓋環形線圈的一部分，可虛擬性地使該部分遠離受電天線的位置，且與不存在磁性體的情況相比，可增強該位置上的磁場。換言之，與未以磁性體覆蓋的環形線圈相比，可使為產生相同強度的磁場所需的環形線圈的尺寸減小。

環形線圈亦可包括實質上平行的第1邊及第2邊。磁性體亦可覆蓋環形線圈的第1邊。

本發明的另一型態亦是一種傳輸線圈。該傳輸線圈包括第1環形線圈、第2環形線圈、覆蓋第1環形線圈的距第2環形線圈較遠的部分的第1磁性體、及覆蓋第2環形線圈的距第1環形線圈較遠的部分的第2磁性體。

該傳輸線圈可藉由第1環形線圈的未由磁性體覆蓋的部分、及第2環形線圈的未由磁性體覆蓋的部分而產生較強的磁場。

第1環形線圈亦可包括實質上平行的第1邊及第2邊。第2環形線圈亦可包括實質上平行的第3邊及第4邊。第1磁性體亦可覆蓋第1邊、第2邊中距第2環形線圈較遠的一者。第2磁性體亦可覆蓋第3邊、第4邊中距第1環形線圈較遠的一者。

本發明的進而其他型態亦是一種傳輸線圈。該傳輸線 圈包括螺線管線圈、及覆蓋螺線管線圈的一部分的磁性體。

螺線管線圈的剖面亦可包括實質上平行的第1邊及第2邊。磁性體亦可覆蓋螺線管線圈的與第1邊對應的部分。

於該型態中，藉由以磁性體覆蓋剖面的第1邊，可虛擬性地使第1邊遠離受電天線的位置，且與不存在磁性體的情況相比，可增強該位置上的磁場。換言之，與未以磁性體覆蓋的環形線圈相比，可使為產生相同強度的磁場所需的環形線圈的尺寸減小。

本發明的進而其他型態是一種無線供電裝置。該供電裝置包括：上述任一型態的傳輸線圈；諧振用電容器，與傳輸線圈串聯設置；及電源，對傳輸線圈及諧振用電容器所形成的諧振電路供給驅動信號。

本發明的進而其他型態是一種無線供電系統。該無線供電系統包括：上述無線供電裝置；及無線受電裝置，接收來自無線供電裝置的電力信號。

應注意上述結構組成的任意組合或重組對本發明的實施例均有效，且由本發明的實施例包含在內。

此外，此發明內容未必描述全部必需特徵，以致本發明亦可為該等所述特徵的子組合。

以下，參考為例示性而非限制性的隨附圖式僅以實例的方式對實施例進行說明，且對在數個圖式中相同的元素標註同一符號。

以下，參照不限制本發明的範疇但例示本發明的較佳 的實施例對本發明進行說明。並非實施例中所述的全部特徵及其組合均為本發明所必需者。

於本說明書中，所謂「構件A與構件B連接的狀態」除包括構件A與構件B物理上直接連接的情況以外，亦包括構件A與構件B經由不實質性地影響該等的電性連接狀態的、或不使該等的結合所發揮的功能或效果受損的其他構件而間接性地連接的情況。

同樣地，所謂「構件C設置於構件A與構件B之間的狀態」除包括構件A與構件C或構件B與構件C直接連接的情況以外，亦包括經由不實質性地影響該等的電性連接狀態的、或不使該等的結合所發揮的功能或效果受損的其他構件而間接連接的情況。

圖3是表示實施形態的無線供電裝置的傳輸線圈的構成的圖。該傳輸線圈L1可用於如圖1所示的無線供電裝置。

傳輸線圈L1包括環形線圈30、及覆蓋環形線圈30的一部分的磁性體40。具體而言，環形線圈30包括實質上平行的第1邊32及第2邊34。將第1邊32與第2邊34的距離設為寬度x。環形線圈30具有長方形狀，且第1邊32及第2邊34為其長邊。磁性體40以覆蓋環形線圈30的第1邊32的方式形成。例如，磁性體40具有直徑的圓柱形狀，且以其中心線與第1邊32一致的方式形成。另外，磁性體40的形狀並無特別限定，亦可為長方體、橢圓等其他形狀。

以上為傳輸線圈L1的構成。繼而對其動作進行說明。

圖4是表示與圖3的傳輸線圈L1等效的環形線圈30的圖。藉由由磁性體所實現的空間壓縮效應，距第2邊34寬度x的被磁性體40覆蓋的第1邊32可被視為等效於距第2邊34距離(x+△x)的未被磁性體覆蓋的第1邊33。即，藉由以磁性體40覆蓋第1邊32，可虛擬性地使第1邊32自原來位置僅離開距離△x。於將磁性體40的磁導率設為μ時，△x≒．/2。作為一例，於x=30mm、=10mm、μ=500時，△x=112mm，有效的環形線圈30的寬度x'成為142mm。由於傳輸距離為寬度x'的程度，故而可使用寬度僅為30mm的環形線圈30而實現142mm的傳輸距離。

顯示實施形態的環形線圈30的模擬結果。圖5是表示用於模擬的傳輸線圈L1的圖。於圖5中，磁性體40具有四稜柱形狀。圖6(A)是表示圖5的環形線圈30所產生的磁場的圖，圖6(B)是表示將圖5的磁性體40的磁導率μ設為與空氣相同的值時的磁場的圖。圖6(A)、圖6(B)表示圖5所示的觀測平面的磁場。

首先參照圖6(B)。圖6(B)可認為與未設置磁性體40的情況等效，於該情況下，以第1邊32及第2邊34為中心而生成對稱的磁場。若參照圖6(A)，則可知藉由設置磁性體40，而使磁場集中於較第1邊32更靠右側處，磁場的傳輸距離較圖6(B)變長。

如此，藉由以磁性體40覆蓋環形線圈30的第1邊32， 可使環形線圈30的有效寬度x'較實際的寬度x寬。換言之，能夠以與先前相比寬度(直徑)較短的環形線圈30實現較長的傳輸距離，從而可使環形線圈30小型化。

藉由使環形線圈30小型化而提高設置性，亦可降低搬運成本等。

圖7(A)是表示具有複數個環形線圈30的傳輸線圈L1c的圖，圖7(B)是圖7(A)的傳輸線圈L1c的等效電路圖。傳輸線圈L1c包括兩個傳輸線圈L1a、L1b。傳輸線圈L1a、L1b各自的構成如上所述。即，第1傳輸線圈L1a包括第1環形線圈30a、及第1磁性體40a。第1環形線圈30a包括實質上平行的第1邊32a及第2邊34a。第1磁性體40a覆蓋第1邊32a、第2邊34a中距第2環形線圈30b較遠的一者，即第1邊32a。

第2傳輸線圈L1b包括第2環形線圈30b、及第2磁性體40b。第2環形線圈30b包括實質上平行的第3邊32b及第4邊34b。

較為理想的是第3邊32b、第4邊34b與第1環形線圈30a的第1邊32a及第2邊34a實質上為同一平面，且實質上平行配置。

第2磁性體40b覆蓋第3邊32b、第4邊34b中距第1環形線圈30a較遠的一者，即第4邊34b。

第1環形線圈30a、第2環形線圈30b分別具有長方形狀，第1邊32a、第2邊34a、第3邊32b、第4邊34b亦可為長邊。

如圖7(B)所示，圖7(A)的傳輸線圈L1c可視為等效於將第2邊34a及第3邊32b設為對邊的環形線圈30c。由於第1環形線圈30a及第2環形線圈30b獨立而可分開設置，故而可使該等的寬度x較長。例如，若將第1環形線圈30a設置於房間的一角落(corner)，且將第2環形線圈30b設置於房間的另一角落，則x=2~3m。

於將寬度2~3m的環形線圈設置於房間中的情況下，需要大規模的工程，但於圖7(A)的傳輸線圈L1c的情況下，由於僅將傳輸線圈L1a、L1b設置於房間的不同位置即可，故而設置性明顯變高。

以上，基於實施形態對本發明進行了說明。本領域技術人員應知道該實施形態為例示，該等的各構成要素或各處理過程的組合可存在各種變形例，且這樣的變形例亦在本發明的範圍內。以下，對這樣的變形例進行說明。

實施形態中對使用有環形線圈30的傳輸線圈L1進行了說明，但線圈的形狀並不限定於此。圖8(A)是變形例的傳輸線圈L1d的斜視圖，圖8(B)是傳輸線圈L1d的俯視剖面圖。傳輸線圈L1d包括螺線管線圈36、及磁性體40。螺線管線圈36的剖面包括實質上平行的第1邊38及第2邊39。磁性體40覆蓋螺線管線圈36的與第1邊38對應的部分。

以上為傳輸線圈L1d的構成。於該傳輸線圈L1d中，螺線管線圈36的被磁性體40覆蓋的部分產生的磁場減弱，與未設置磁性體40的情況相比，可延長傳輸距離。或 可使傳輸線圈L1d小型化。

於圖3的傳輸線圈L1中，環形線圈30的形狀並不限定於矩形，可為任意形狀，藉由以磁性體40覆蓋環形線圈的一部分，而延長磁場的傳輸距離，或可使傳輸線圈L1小型化。例如於環形線圈30為圓形的情況下，亦可由磁性體40覆蓋與中心角α對應的圓弧部分。

同樣地，螺線管線圈36的剖面形狀並不限定於矩形，可為任意形狀，藉由以磁性體40覆蓋螺線管線圈的一部分，可延長磁場的傳輸距離，或可使傳輸線圈L1小型化。

雖已使用特定術語對本發明較佳的實施例進行了說明，但該說明僅是為了例示，且應知道可於不脫離隨附申請專利範圍的精神或範疇的情況下進行改變或變化。

10‧‧‧交流電源

1100‧‧‧無線供電系統

1200‧‧‧無線供電裝置

1300‧‧‧無線受電裝置

20‧‧‧負載電路

30、30c‧‧‧環形線圈

30a‧‧‧第1環形線圈

30b‧‧‧第2環形線圈

32、34‧‧‧邊

32a、33、38‧‧‧第1邊

32b‧‧‧第3邊

34a、39‧‧‧第2邊

34b‧‧‧第4邊

36‧‧‧螺線管線圈

40‧‧‧磁性體

40a‧‧‧第1磁性體

40b‧‧‧第2磁性體

C1、C2‧‧‧諧振用電容器

dH‧‧‧磁場

I‧‧‧電流

Ids‧‧‧電流要素

L1、L1a、L1b、L1c、L1d‧‧‧傳輸線圈

L2‧‧‧接收線圈

P‧‧‧位置

S1‧‧‧電力信號

S2‧‧‧電訊號

x、x'‧‧‧寬度

△x‧‧‧第1邊32之等效偏移距離

μ‧‧‧磁導率

‧‧‧直徑

r‧‧‧位置P與邊34之距離

rd‧‧‧位置P與邊32之距離

圖1是表示無線供電系統的一例的圖。

圖2是表示環形線圈產生的磁場的圖。

圖3是表示實施形態的無線供電裝置的傳輸線圈的構成的圖。

圖4是表示與圖3的傳輸線圈等效的環形線圈的圖。

圖5是表示用於模擬的傳輸線圈的圖。

圖6(A)是表示圖5的環形線圈產生的磁場的圖，圖6(B)是表示將圖5的磁性體的磁導率設為與空氣相同的值時的磁場的圖。

圖7(A)是表示包括複數個環形線圈的傳輸線圈的圖，圖7(B)是圖7(A)的傳輸線圈的等效電路圖。

圖8(A)是變形例的傳輸線圈的斜視圖，圖8(B)是傳輸線圈的俯視剖面圖。

10‧‧‧交流電源

1100‧‧‧無線供電系統

1200‧‧‧無線供電裝置

1300‧‧‧無線受電裝置

20‧‧‧負載電路

C1、C2‧‧‧諧振用電容器

L1‧‧‧傳輸線圈

L2‧‧‧接收線圈

S1‧‧‧電力訊號

S2‧‧‧電訊號

Claims (18)

1. 一種傳輸線圈，其是傳輸包括電場、磁場、電磁場中的任一者的電力信號的無線供電裝置的傳輸線圈，其特徵在於包括：環形線圈；及磁性體，覆蓋上述環形線圈的一部分。
2. 如申請專利範圍第1項所述之傳輸線圈，其中上述環形線圈包括實質上平行的第1邊及第2邊，且上述磁性體覆蓋上述環形線圈的上述第1邊。
3. 如申請專利範圍第2項所述之傳輸線圈，其中上述環形線圈具有長方形狀，且上述第1邊、上述第2邊形成長邊。
4. 一種傳輸線圈，其是傳輸包括電場、磁場、電磁場中的任一者的電力信號的無線供電裝置的傳輸線圈，其特徵在於包括：第1環形線圈；第2環形線圈；第1磁性體，覆蓋上述第1環形線圈中的距上述第2環形線圈較遠的部分；及第2磁性體，覆蓋上述第2環形線圈中的較上述第1環形線圈較遠的部分。
5. 如申請專利範圍第4項所述之傳輸線圈，其中，上述第1環形線圈包括實質上平行的第1邊及第2邊，上述第2環形線圈包括實質上平行的第3邊及第4邊， 上述第1磁性體覆蓋上述第1邊、上述第2邊中距上述第2環形線圈較遠的一者，且上述第2磁性體覆蓋上述第3邊、上述第4邊中距上述第1環形線圈較遠的一者。
6. 如申請專利範圍第5項所述之傳輸線圈，其中上述第1環形線圈、第2環形線圈分別具有長方形狀，且上述第1邊、上述第2邊、上述第3邊、上述第4邊形成長邊。
7. 一種傳輸線圈，其是傳輸包括電場、磁場、電磁場中的任一者的電力信號的無線供電裝置的傳輸線圈，其特徵在於包括：螺線管線圈；及磁性體，覆蓋上述螺線管線圈的一部分。
8. 如申請專利範圍第7項所述之傳輸線圈，其中上述螺線管線圈的剖面包括實質上平行的第1邊及第2邊，且上述磁性體覆蓋上述螺線管線圈的與上述第1邊對應的部分。
9. 如申請專利範圍第8項所述之傳輸線圈，其中上述螺線管線圈的剖面具有長方形狀，且上述第1邊、上述第2邊形成長邊。
10. 一種傳輸線圈，其是傳輸包括電場、磁場、電磁場中的任一者的電力信號的無線供電裝置的傳輸線圈，其特徵在於包括：天線線圈；及磁性體，覆蓋上述天線線圈的一部分。
11. 一種無線供電裝置，其特徵在於包括：如申請專利範圍第1項所述的傳輸線圈；諧振用電容器，與上述傳輸線圈串聯設置；及電源，對上述傳輸線圈及上述諧振用電容器所形成的諧振電路供給驅動信號。
12. 一種無線供電系統，其特徵在於包括：如申請專利範圍第10項所述的無線供電裝置；及無線受電裝置，接收來自上述無線供電裝置的電力信號。
13. 一種無線供電裝置，其特徵在於包括：如申請專利範圍第4項所述的傳輸線圈；諧振用電容器，與上述傳輸線圈串聯設置；及電源，對上述傳輸線圈及上述諧振用電容器所形成的諧振電路供給驅動信號。
14. 一種無線供電系統，其特徵在於包括：如申請專利範圍第13項所述的無線供電裝置；及無線受電裝置，接收來自上述無線供電裝置的電力信號。
15. 一種無線供電裝置，其特徵在於包括：如申請專利範圍第7項所述的傳輸線圈；諧振用電容器，與上述傳輸線圈串聯設置；及電源，對上述傳輸線圈及上述諧振用電容器所形成的諧振電路供給驅動信號。
16. 一種無線供電系統，其特徵在於包括： 如申請專利範圍第15項所述的無線供電裝置；及無線受電裝置，接收來自上述無線供電裝置的電力信號。
17. 一種無線供電裝置，其特徵在於包括：如申請專利範圍第10項所述的傳輸線圈；諧振用電容器，與上述傳輸線圈串聯設置；及電源，對上述傳輸線圈及上述諧振用電容器所形成的諧振電路供給驅動信號。
18. 一種無線供電系統，其特徵在於包括：申請專利範圍第17項所述的無線供電裝置；及無線受電裝置，接收來自上述無線供電裝置的電力信號。