TWI470896B - 無線功率傳輸器 - Google Patents

Description

無線功率傳輸器

本發明係主張關於2011年10月14日申請之韓國專利案號No.10-2011-0105516之優先權，藉以引用的方式併入本文用作參考。

本發明係關於一種無線功率傳輸器。特別是，本發明係關於一種無線功率傳輸器，其可以增進一無線傳輸器及一無線功率接收器之間的功率傳輸效率，以及可以降低洩露至外部之磁場量。

無線功率傳輸或無線能量轉移係指無線轉移電能到一期望的設備之技術。在十九世紀，使用電磁感應理論的電動馬達或變壓器已被廣泛使用；如今，藉由輻射電磁波以傳輸電能的方法，如：無線電波或雷射，已被採用。現實生活中，經常自日常生活中所使用的電動牙刷或電動刮鬍刀等，其係根據電磁感應的理論做充電。直到現在，使用磁感應做長距離傳輸，共振與無線電短波已經常做為無線能量轉移的方法。

近年來，在無線功率發射傳輸的技術中，一種使用共振的能量傳輸方法已經被廣泛使用。

由於在一無線功率傳輸系統中，一產生於無線功率發射器與無線功率接收器之間的電子信號，其係透過線圈轉移，所以使用者可以容易地對電子裝置充電，如一可攜式設備。

然而，在使用共振效應的無線功率傳輸方法中，洩露出的磁場將對人體健康造成不良的影響。

本發明實施例提供一種無線功率傳輸器，其可減少於一無線功率傳輸器與一無線功率接收器之間使用共振效應進行功率傳輸時洩露出的磁場，並且最大化功率傳輸效率。

根據本發明一實施例，一無線功率傳輸器包括：一線圈以及一電容器，其與一無線功率接收器相共振。該線圈包括複數個晶格組(cell groups)以及一磁芯(core)，其連接至每一晶格組。每一晶格組包括複數個晶格(cell)。每一晶格配置成使電流流過晶格時所產生的磁場為相同的方向。各個晶格組至少與一晶格組相毗鄰。每一晶格組及磁芯配置成一導線(conductive wire)。

根據實施例，可增進以下的功效：

首先，藉由改善在一無線功率傳輸器之一線圈的結構，洩漏至外部的磁場可減至最小。

其次，在該無線功率傳輸器及該無線功率接收器之間的功率傳輸效率可被最大化。

10‧‧‧電源

20‧‧‧傳輸單元

21‧‧‧傳輸線圈

22‧‧‧傳輸共振線圈

30‧‧‧接收單元

31‧‧‧接收共振線圈

32‧‧‧接收線圈

40‧‧‧整流電路

50‧‧‧負載

100‧‧‧線圈

110‧‧‧第一晶格組

110a‧‧‧第一晶格

110b‧‧‧第二晶格

110c‧‧‧第三晶格

120‧‧‧第二晶格組

120a‧‧‧第一晶格

120b‧‧‧第二晶格

120c‧‧‧第三晶格

130‧‧‧第三晶格組

130a‧‧‧第一晶格

130b‧‧‧第二晶格

130c‧‧‧第三晶格

140‧‧‧第四晶格組

140a‧‧‧第一晶格

140b‧‧‧第二晶格

140c‧‧‧第三晶格

150‧‧‧磁芯

200‧‧‧電容器

L1、L2、L3、L4‧‧‧電感器

C、C1、C2、C3、C4‧‧‧電容器

C5‧‧‧整流電容器

D1‧‧‧二極體

圖1係根據一實施例之一無線功率傳輸器的視圖。

圖2係根據一實施例之一傳輸線圈的等效電路圖。

圖3係根據一實施例之一電源以及傳輸單元的等效電路圖。

圖4係根據一實施例之一接收共振線圈、一接收線圈，一整流電路以及一負載的等效電路圖。

圖5係根據一實施例之一無線功率傳輸器的結構範例圖。

圖6係根據一實施例之一無線功率傳輸器的結構範例平面圖。

在說明書以及宣告中所用的術語以及文字應不以一般所使 用的字典所表示的意義直接翻譯，而是以相關發明的技術範疇，以最佳的方法，根據發明者所定義該術語的觀念之事實去解釋該項發明。

因此，本發明實施例以及其結構之圖示其目的僅用於說明，而非表示該實施例所有的發明範疇，故理應理解的是各式各樣不同的等效置換以及修改是可以存在於本申請案中。

圖1繪示根據一實施例之一無線功率傳輸器。

產生自電源10的功率係提供給傳輸單元20，藉由共振效應使得該功率轉移至與傳輸單元20相互共振的接收單元30，也就是，其具有與傳輸單元20相同的共振頻率值。轉移到接收單元30的功率經由一整流電路40而轉移至負載50。負載50可以是一電池或一需要功率的預定設備。

詳細的說，電源10係一交流電源，用以提供一預定頻率的交流電。

傳輸單元20包括一傳輸線圈21以及一傳輸共振線圈22。傳輸線圈21與電源10連接，使得一交流電流流過傳輸線圈21。當一交流電流流過傳輸線圈21時，由於電磁感應之故，傳輸線圈21的交流電流可感應到與其實體分離的傳輸共振線圈22上。轉移至傳輸共振線圈22的功率藉由共振效應而傳輸到接收單元30，接收單元30與傳輸單元20形成一共振電路。

功率可以藉由使用兩個阻抗彼此匹配的LC電路，其之間的共振效應而得以轉移。使用共振的功率轉移可以比其他使用電磁感應方法，以較高的效率轉移功率至較長的距離。

接收單元30包括一接收共振線圈31以及一接收線圈32。透過傳輸共振線圈22，功率傳輸到接收端的接收共振線圈31。因此，交流電流流過接收共振線圈31。藉由電磁感應，轉移至接收共振線圈31的功率，再被轉移至接收線圈32。轉移至接收線圈32的功率透過整流電路40整流後再轉移至負載50。

圖2係根據一實施例之傳輸線圈21的等效電路。如圖2所示，該傳輸線圈21可包括一電感器L1以及一電容器C1，其具有一適當的電感值與一適當的電容值以形成一電路。該電容器C1可以是一可變電容。 該傳輸單元20可控制該可變電容，使得該傳輸單元20可進行阻抗匹配。在此同時，傳輸共振線圈22的等效電路、接收共振線圈31、以及接收線圈32的等效電路可如圖2所繪示。

圖3係根據一實施例繪示一電源10以及與傳輸單元20之等效電路。如圖3所示，每一傳輸線圈21以及傳輸共振線圈22可包括一電感器L1或L2以及一電容器C1或C2。

圖4係根據一實施例之接收共振線圈單元31、接收線圈32、一整流電路40以及負載50之等效電路圖。

如圖4所示，每一接收共振線圈31以及接收線圈32可包括一電感L3或L4以及一電容C3或C4，其均具有一預定的電感值以及一預定的電容值。整流電路40可包括：一二極體D1，以及一整流電容C5，以使得整流電路40得以將交流電轉換為直流電，並輸出直流電。雖然負載50標示為1.3V直流電，但負載50可以是一電池或其他需要直流電的設備。

圖5係根據一實施例之一無線功率傳輸器的結構範例圖。

該無線功率傳輸器包括：一線圈100以及一電容器200。

在本實施例中，當功率使用共振效應傳輸至接收單元30時，線圈100可如同圖1所描述之傳輸共振線圈22。

在本實施例中，當使用電磁感應傳輸功率到接收單元30時，線圈100可如同圖1之傳輸線圈21。

線圈100可以與接收單元30的接收共振線圈31結合產生共振，以使用共振效應傳輸功率。

電容器200可以是一可變電容器，以使得電容器200可以與接收單元30在一共振頻率下操作。

線圈100包括一第一晶格組110、一第二晶格組120、一第三晶格組130及一第四晶格組140之有複數個晶格組以及一磁芯150。雖然線圈100包括如圖5的四個晶格組，但線圈100並非限定於此，其可包括四個或更多個晶格組。

所有第一到第四晶格組110至140以及磁芯150可被配置成一導線。

較佳的，該導線可以銅所製成。

藉由每一晶格組的晶格形成的一平面，其可以是一矩形和一三角形的其中之一，但平面的外形並不受限於此，而其也可以是各種不同的形狀。

第二晶格組120與第一晶格組110相毗鄰，第三晶格組130與第二晶格組120相毗鄰，以及第四晶格組140與第三晶格組130相毗鄰。

第一晶格組110包括：一第一晶格110a、一第二晶格110b，以及一第三晶格110c。

第一晶格110a與第二晶格110b的距離可等於第二晶格110b與第三晶格110c的距離。

由第一晶格110a到第三晶格110c所形成的平面彼此互相平行。

第二晶格組120包括：一第一晶格120a、一第二晶格120b，以及一第三晶格120c。

第一晶格120a與第二晶格120b的距離可等於第二晶格120b與第三晶格120c的距離。

由第一晶格120a到第三晶格120c所形成的平面彼此互相平行。

第一晶格組110的第一晶格110a到第三晶格110c可透過磁芯150相互垂直連接。第二晶格組120的第一晶格到第三晶格120a至120c可透過磁芯150相互垂直連接。

也就是，磁芯150可以相互連接包括每一晶格組的所有晶格。根據本實施例，線圈150可以銅材料製造。

第三晶格組130包括一第一晶格130a、一第二晶格130b以及一第三晶格130c。

第一晶格130a與第二晶格130b的距離可等於第二晶格130b與第三晶格130c的距離。

由第一晶格130a到第三晶格130c所形成的平面彼此互相平行。

第四晶格組140包括一第一晶格140a、一第二晶格140b以及一第三晶格140c。

第一晶格140a與第二晶格140b的距離可等於第二晶格140b與第三晶格140c的距離。

由第一晶格140a到第三晶格140c所形成的平面彼此互相平行。

第三晶格組130的第一晶格130a到第三晶格130c可透過磁芯150相互垂直連接。第四晶格組140的第一晶格140a到第三晶格140c可透過磁芯150相互垂直連接。

再者，第一晶格組110以及第二晶格組120藉由磁芯150連接至第三晶格組130以及該第四晶格組140。

如標示在圖5第三晶格組130之第一晶格130a上的一電流，其係由電源所提供並連接至一外部設備，依照箭頭方向環繞第一晶格130a流動，也就是以順時針方向流動，然後，環繞磁芯150流動進入第四晶格組140的第一晶格140a。然後，該電流以逆時針方向環繞第一晶格140a，並且環繞磁芯150流進第二晶格130b。

經過此重複的程序，從第三晶格140c流出的電流可流入第二晶格組120的第三晶格120c。電流流動重複上述程序。也就是，流入第二晶格組120的第三晶格120c的電流沿著第三晶格120c逆時針流動一次，然後藉由流過磁芯150，再流入第一晶格組110的第三晶格110c。流入第二晶格組120的第三晶格120c的電流沿著第一晶格組110的第三晶格110c順時針流動一次，然後藉由流過磁芯150，再流入第二晶格組120的第二晶格120b。接下來的程序和上述完全相同。

當電流流過每一晶格時，在第三晶格組130的每一晶格130a至130c之中心產生一流進的磁場，以及在第四晶格組140的每一晶格140a至140c之中心產生一流出的磁場。磁場形成的方向肇因於因電流的流動，其係根據安培右手螺旋定則(right-hand screw rule of Ampere)決定之。

假如磁場如上述方式形成，該磁場，其係藉由流過第三晶格組130以及流過第四晶格組140的電流所形成，其可集中形成在第三晶格 組130的中心，且該磁場的構成方向可以被每一晶格組所改變。

改變磁場構成方向的理論如下說明。

從第二晶格組120的中心形成朝上的磁場，一部分會受到進入與第二晶格組120相毗鄰之第一晶格組110中心的磁場所影響，使得其部份磁場會進入第一晶格組110的中心。這就是藉由反轉極性(reverse polarity)改變磁場向前移動方向的原理。

同理，從第二晶格組120的中心形成朝上的磁場，一部分會受到進入與第二晶格組120相毗鄰之第三晶格組130中心的磁場所影響，使得其部份磁場會進入第三晶格組130的中心。

與第二晶格組120相毗鄰之第一與第三晶格組110及130，藉由第二晶格組120改變一部份的磁場，使得洩漏至外部的磁場量減至最低，在此同時，由每一晶格組所形成的磁場可集中在一特定的方向。

雖然圖5僅繪示出線圈100上方部分的磁流線，但在線圈100下方部分的磁流線也是相同的情況。

總而言之，無線功率傳輸器之線圈100的結構可以改變朝上或朝下的磁場，使得洩漏至外部的磁場量降至最低。假如洩漏至外部的磁場量被降至最低，其對人體健康不良的影響將可被防止。

同時，線圈100的結構可集中形成磁場，以使得功率傳輸效率達到最大。

圖6係根據一實施例之一無線功率傳輸器的結構範例平面圖示。

當由上方俯視該無線功率傳輸器時，線圈100可繪示如圖6。

線圈100包括複數個晶格組。每一晶格組可包括複數個晶格，且由每一晶格組所形成的平面係相互平行排列。

每一晶格組至少與另一晶格組相毗鄰。

如圖6所示，當一電流以箭頭方向流過每一晶格時，根據安培右手螺旋定則，該磁場形成於每一晶格上，以流入及流出的方向進入和離開每一晶格。

藉由線圈流入或流出的方向，每一晶格組可形成集中的磁 場，並且可以使用線圈100其上端及下端之間不同的極性改變磁場流出的方向。

如上述說明，無線功率傳輸器的線圈100之結構，其可以藉由改變磁場流入或流出方向，將朝上或朝下洩漏的磁場減少到最低，故而線圈100可以防止對人體健康的傷害，同時，藉由集中形成磁場可以使功率傳輸效率達到最大。

10‧‧‧電源

20‧‧‧傳輸單元

21‧‧‧傳輸線圈

22‧‧‧傳輸共振線圈

30‧‧‧接收單元

31‧‧‧接收共振線圈

32‧‧‧接收線圈

40‧‧‧整流電路

50‧‧‧負載

Claims (12)

1. 一種無線功率傳輸器，包括：一線圈，與一無線功率接收器相共振；以及一電容器，與該線圈連接，其中該線圈包括複數個晶格組以及使各晶格組相互連接的一磁芯，其中每一晶格組包括複數個晶格，其中各晶格組之該些晶格被配置使得藉由電流流過該些晶格所產生的磁場以相同的方向形成，其中該些晶格組包含連接至該磁芯以設置於該磁芯之一側的一第一晶格組，以及連接至該磁芯以設置於該磁芯之另一側的一第二晶格組，其中該第一晶格組之該些晶格及該第二晶格組之該些晶格交錯連接至該磁芯，其中該些晶格組及該磁芯被配置為一導線，其中由該第一晶格組與該第二晶格組所形成的磁場方向彼此不同。
2. 如專利申請範圍第1項所述之無線功率傳輸器，其中經由該第一晶格組所形成的磁場係從該第一晶格組之中心朝下而形成，而經由該第二晶格組所形成的磁場係從該第二晶格組之中心朝上而形成。
3. 如專利申請範圍第1項所述之無線功率傳輸器，其中產生於該第二晶格組的一部份磁場以該部份磁場為前進方向進入該第一晶格組之中心，而該部份磁場係被產生於該第一晶格組的磁場之極性所改變。
4. 如專利申請範圍第1項所述之無線功率傳輸器，其中該第一晶格組的該些晶格以及該第二晶格組的該些晶格以一順時針方向和一逆時針方向交 互纏繞。
5. 如專利申請範圍第1項所述之無線功率傳輸器，其中該磁場的方向係依據安培右手螺旋定則。
6. 如專利申請範圍第1項所述之無線功率傳輸器，其中每一晶格組的晶格與晶格之間的間距均相同。
7. 如專利申請範圍第1項所述之無線功率傳輸器，其中每一晶格組的該些晶格以及相鄰晶格組的該些晶格均係透過該磁芯彼此垂直連接。
8. 如專利申請範圍第1項所述之無線功率傳輸器，其中由每一晶格組之該些晶格所形成的平面係彼此互相平行。
9. 如專利申請範圍第7項所述之無線功率傳輸器，其中由每一晶格組之該些晶格所形成的平面具有一矩形和一三角形其中之一的外形。
10. 如專利申請範圍第1項所述之無線功率傳輸器，其中該些晶格組形成在一印刷電路板上。
11. 如專利申請範圍第1項所述之無線功率傳輸器，其中該些晶格係藉由一導線至少纏繞一圈而形成。
12. 如專利申請範圍第1項所述之無線功率傳輸器，其中該導線包括：銅。