TWI637413B - 感應式電源供應系統及其線圈模組 - Google Patents

Abstract

一種線圈模組，用於一感應式電源供應系統，該線圈模組包含有一金屬架、一線圈、一電路板及一上蓋。該線圈設置於該金屬架之一第一面。該電路板設置於該金屬架之一第二面，該電路板包含有一控制電路，用來控制該線圈運作。該上蓋用於遮蔽該線圈，該上蓋由一非金屬材質所構成且具有一圓弧形結構。

Description

感應式電源供應系統及其線圈模組

本發明係指一種感應式電源供應系統及其線圈模組，尤指一種適用於自動搬運車之感應式電源供應系統及其線圈模組。

近年來，工廠正逐漸朝向自動化及無人化的趨勢，這樣的自動化工廠需要大量搬運載具，即無人駕駛之自動搬運車。傳統上，自動搬運車可在作業員上班時間運作，下班前作業員將自動搬運車連接至電源線及插座以進行充電，以供隔日運行所需之電力。在此情形下，自動搬運車之運作時間受限於上班時間，無法全天候二十四小時運作，且自動搬運車需搭載大容量電池以支持整個上班時間之運作。

為提升自動搬運車的效能，業界開始導入自動充電的方式。一般來說，自動搬運車的運行循環中可能停留在數個閒置點，閒置點設置有充電站，使得自動搬運車在運行過程中可隨時補充電力，使得自動搬運車不需要太大的電池容量即可長時間運作。傳統上，充電站係透過電刷對自動搬運車進行充電，然而，電刷充電時需接觸自動搬運車上的金屬接點，其損耗速度較快且容易產生粉塵和火花，無法使用於無塵室環境，當其使用於存在易燃氣體或易燃物品的石化工廠時也容易發生危險。

因此，較理想的充電方式是採用電磁感應式無線充電，無線充電方式是由兩個線圈進行電磁感應，其感應效率與線圈距離息息相關，距離愈近效率愈好，距離愈遠則效率愈差。然而，現有自動搬運車多數為無軌道式，例如，一種無軌道式系統可在地面貼上有色膠帶，自動搬運車即可沿著膠帶移動。無軌道式系統不須佈建軌道，其建置成本遠低於軌道式系統，且靈活性較高，因而成為自動搬運車系統的趨勢。然而，無軌道式自動搬運車僅能夠大致沿著軌道運行而無法精準定位，難以有效控制自動搬運車移動至充電站上的定點。舉例來說，自動搬運車運行的偏移誤差大約為3公分，但3公分的距離足以大幅降低感應式電源供應器的充電效率。

在此情形下，充電站及自動搬運車的位置可設計為，當自動搬運車停在充電站時儘可能讓兩線圈靠近，以提高充電效率。然而，若自動搬運車偏移時，此設計方式容易造成自動搬運車撞擊充電站上的充電裝置。由於自動搬運車之用途為搬運大量材料或貨物，其往往具備強大的載重能力且材質堅硬，因此，碰撞時極可能造成充電裝置損毀。有鑑於此，習知技術實有改進之必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種適用於自動搬運車之感應式電源供應系統及其線圈模組，以解決上述問題。

本發明揭露一種線圈模組，用於一感應式電源供應系統，該線圈模組包含有一金屬架、一線圈、一電路板及一上蓋。該線圈設置於該金屬架之一第一面。該電路板設置於該金屬架之一第二面，該電路板包含有一控制電路， 用來控制該線圈運作。該上蓋用於遮蔽該線圈，該上蓋由一非金屬材質所構成且具有一圓弧形結構。

本發明另揭露一種感應式電源供應系統，該感應式電源供應系統包含有複數個固定架及複數個線圈模組。其中，每一線圈模組設置於該複數個固定架當中之一者，每一線圈模組包含有一金屬架、一線圈、一電路板及一上蓋。該線圈設置於該金屬架之一第一面。該電路板設置於該金屬架之一第二面，該電路板包含有一控制電路，用來控制該線圈運作。該上蓋用於遮蔽該線圈，該上蓋由一非金屬材質所構成且具有一圓弧形結構。

10、10a、10b、10a1~10aN、10b1~10bN‧‧‧線圈模組

100‧‧‧金屬架

102‧‧‧線圈

104‧‧‧磁導體

106‧‧‧電路板

108‧‧‧顯示螢幕

110‧‧‧固定件

112‧‧‧隔板

H1~H4‧‧‧鎖孔

L1~L3‧‧‧開孔

120‧‧‧上蓋

130‧‧‧下蓋

40、50、60‧‧‧感應式電源供應系統

402‧‧‧充電柱

404‧‧‧自動搬運車

TX1、TX2、RX1、RX2‧‧‧固定架

502‧‧‧供電模組

504‧‧‧受電模組

PTX‧‧‧電源供應端

PRX‧‧‧電源接收端

第1A圖及第1B圖為本發明實施例一線圈模組之示意圖。

第2圖為金屬架之詳細結構之示意圖。

第3A~3C圖為完整的線圈模組之示意圖。

第4圖為本發明實施例一感應式電源供應系統之示意圖。

第5圖為本發明實施例一感應式電源供應系統之示意圖。

第6圖為本發明實施例一感應式電源供應系統之示意圖。

請參考第1A圖及第1B圖，第1A圖及第1B圖為本發明實施例一線圈模組10之示意圖。其中，第1A圖繪示線圈模組10之正面，第1B圖繪示線圈模組10之背面。如第1A圖所示，線圈模組10包含有一金屬架100、一線圈102及一磁導體104。金屬架100作為線圈模組10之主要結構體，用來支撐線圈模組10中的線 圈102和電路板等裝置，其具有散熱、防水等功能，同時金屬架100應具有堅固且耐撞的材質，能夠承受自動搬運車之撞擊力量。在一實施例中，金屬架100可以是由鋁所製成之鋁架，但不限於此。線圈102設置於金屬架100之正面，用來進行電磁感應。當線圈模組10設置於充電站時，線圈102可作為供電線圈以發送電力；當線圈模組10設置於自動搬運車或其它可接收電力的受電裝置時，線圈102可作為受電線圈以接收電力。磁導體104設置於線圈102及金屬架100之間，用來隔絕線圈102的電磁能量，避免線圈102之能量傳送至金屬而發熱。此外，磁導體104具備導熱功能，可將電流通過線圈102時在線圈102上產生的熱能傳導到金屬架100以進行散熱。磁導體104可由具有高導磁率特性之磁性材料所構成，例如錳鋅磁芯(Mn-Zn Core)、鎳鋅磁芯(Ni-Zn Core)、鐵粉芯(Iron Powder Core)、鐵鎳鉬磁芯(Molypermalloy Powder(MPP)Core)、鐵矽鋁磁芯(Sendust Core)、鐵氧體磁芯(Ferrite Core)、高磁通磁芯(High Flux Core)或其它等效之磁性材料。線圈102及磁導體104可透過任何方式設置並固定於金屬架100上，例如可將磁導體104藉由黏膠貼合於金屬架100上，再將線圈102藉由黏膠貼合於磁導體104之另一面。在此例中，線圈102具有一條導線並以單層方式繞製，而磁導體104可根據線圈102及金屬架100的形狀來設計，其為近似於方形之一片狀磁導體，然而，本發明之線圈102及磁導體104之實施方式不應以此為限，例如可採用多層線圈及多個磁導體疊合的方式來實現線圈模組。

如第1B圖所示，線圈模組10另包含有一電路板106，設置於金屬架100之背面。電路板106上包含有控制電路，用來控制線圈102之運作。當線圈模組10設置於充電站時，電路板106上設置用於供電線圈之電路，如諧振電容、供電驅動單元、供電端處理器、調制資料接收模組等。當線圈模組10設置於自動搬運車或其它可接收電力的受電裝置時，電路板106上設置用於受電線圈之電路， 如整流器、穩壓器、受電端處理器等。電路板106上另可包含一顯示螢幕108，用來顯示線圈模組10運作的狀態，例如顯示線圈模組10是否正在供應電力/接收電力，或顯示任何異常訊息。電路板106可透過任何方式設置並固定於金屬架100上，例如可透過螺絲將電路板106鎖在金屬架100上。

請參考第2圖，第2圖為金屬架100之詳細結構之示意圖。如第2圖所示，金屬架100為一四方型金屬架，其四個角落設置有鎖孔H1~H4，線圈模組10另可包含一或多個固定件110，固定件110可裝設於鎖孔H1~H4上，以將金屬架100連結並固定於一外部固定架。為避免自動搬運車與充電站上的線圈模組10相互碰撞造成損壞，固定件110可採用避震結構，當碰撞發生時可藉由避震結構來調整位置以減緩外力。舉例來說，固定件110可以是一彈簧螺絲，其可透過鎖孔H1~H4鎖在外部固定架上，彈簧螺絲上的彈簧具有彈性可吸收碰撞時產生之作用力。在另一實施例中，固定件110亦可包含一氣壓避震裝置或一液壓避震裝置，或其它具有彈性的結構，以實現避震效果。

此外，金屬架100內部之隔板112用來設置線圈102及電路板106，其中，線圈102設置於隔板112正面而電路板106設置於隔板112背面。隔板112上包含有一開孔L1，連接線圈102之導線可透過開孔L1到達電路板106，並透過例如焊接之方式與電路板106相連。另外，金屬架100側邊亦包含有一開孔L3，電路板106可藉由穿過開孔L3的連結裝置與外部相連，進而連接至電源供應端或電源接收端，視線圈模組10用於提供電力或接收電力而定。需注意的是，金屬架100之四周可設計多個凹槽，此設計方式使得金屬架100與外界空氣接觸的面積提升，有助於金屬架100的散熱。

進一步地，線圈模組10另可包含一上蓋及一下蓋，用來遮蔽金屬架100上的元件並提供防水用途。請參考第3A~3C圖，第3A~3C圖為完整的線圈模組10之示意圖，其包含有上蓋120及下蓋130。其中，第3A圖繪示線圈模組10之正面，第3B圖繪示線圈模組10之背面，第3C圖繪示線圈模組10之側面。

如第3A圖所示，當上蓋120裝設於金屬架100上時，可完全覆蓋在線圈102上並遮蔽線圈102，以防止線圈102進水。由於上蓋120設置於線圈102之感應面，因此線圈102之能量需穿過上蓋120，在此情形下，上蓋120需採用不會阻擋電磁能量之非金屬材質。此外，為了承受自動搬運車之撞擊，上蓋120之側邊設計為圓弧形結構。當撞擊發生時，圓弧形結構能夠減緩碰撞之衝擊力，且固定件110上的避震結構使得線圈模組10在碰撞發生時向後縮，以避免線圈模組10因碰撞而損毀。第3C圖為線圈模組10之側視圖，可明顯看出上蓋120的圓弧形結構。

如第3B圖所示，當下蓋130裝設於金屬架100上時，可完全覆蓋在電路板106上並遮蓋電路板106，以防止電路板106進水。由於電路板106上需顯示線圈模組10之運作資訊(如透過顯示螢幕108)，因此，下蓋130較佳地可採用透明材質製作，使得使用者可輕易地查看電路板106上顯示的資訊，以在發生問題時即時進行故障排除。在一實施例中，下蓋130可以是一透明的壓克力板，但不應以此為限。

值得注意的是，本發明之線圈模組10可使用於充電站或受電裝置(如自動搬運車)，以對受電裝置進行充電。換句話說，相同的線圈模組10結構可用於供電端亦可用於受電端，只需要替換對應的電路板即可，在此情形下，可節 省感應式電源供應系統之建置成本。舉例來說，相同的金屬架100可用於供電模組亦可用於受電模組，因而只需要開模一次，可節省開模成本。

請參考第4圖，第4圖為本發明實施例一感應式電源供應系統40之示意圖。如第4圖所示，感應式電源供應系統40包含有一充電柱402及一自動搬運車404。充電柱402可設置於一充電站，作為供電裝置，其包含有固定架TX1及TX2，其中，2個線圈模組10a分別裝設於固定架TX1及TX2上，其用途為供電線圈，用來供應電力。自動搬運車404作為受電裝置，用來接收電力以進行運作，其包含有固定架RX1及RX2，其中，2個線圈模組10b分別裝設於固定架RX1及RX2上，其用途為受電線圈，用來接收電力。線圈模組10a與10b之結構如同前述第1A~3C圖所繪示之線圈模組10，於此不贅述。需注意的是，線圈模組10a與10b係分別透過具有避震結構之一或多個固定件110裝設於固定架上，固定件110之避震結構可吸收撞擊之作用力。此外，感應式電源供應系統40中的充電柱402及自動搬運車404僅為本發明眾多實施例當中的一種，本領域具通常知識者應了解，供電端可以是任何的供電裝置，例如平放在桌面上的無線充電器；而受電端可以是任何藉由電力運作的裝置，例如手機、電腦、電動車等。

在此例中，自動搬運車404可在預設的路徑上移動，並從充電柱402之側邊進入充電站。自動搬運車404可在充電柱402設置有線圈模組10之一側停止，使得設置於自動搬運車404上的線圈模組10b與設置於充電柱402上的線圈模組10a對齊，此時線圈模組10b即可開始從線圈模組10a接收無線電力。此外，當自動搬運車404離開充電站之後，充電運作可自動停止。

如上所述，當自動搬運車404的行進路線出現偏差而向充電柱402靠 近時，線圈模組10a與線圈模組10b之間可能發生碰撞。此時，線圈模組10a及10b之上蓋120會互相接觸，由於固定件110上之避震結構，當碰撞發生時，線圈模組10a及10b可分別向後縮，同時，自動搬運車404的行進路線亦可藉由圓弧形上蓋120之弧線，往遠離充電柱402的方向略為偏移，以減緩或消除碰撞之衝擊力。如此一來，即使因路線偏移而造成碰撞，自動搬運車404最終仍將停在適合的充電位置，且上蓋120之圓弧形結構及固定件110之避震結構能夠減緩或消除碰撞之衝擊力。

值得注意的是，感應式電源供應器之不同應用往往需要不同輸出功率，在此情形下，可在供電端及受電端設置任意數量的線圈模組10，以實現不同的功率輸出。以第4圖之感應式電源供應系統40為例，充電站包含有2個線圈模組10a，自動搬運車404亦包含有2個線圈模組10b，設置於自動搬運車404之線圈模組10之後端電路可採用並聯或串聯的方式連接至電源接收端，以實現加倍的功率輸出。在其它實施例中，供電端亦可包含3個以上的線圈模組10a，而受電端可對應設置相同數量的線圈模組10b，關於線圈模組之數量及配置方式皆不限於此。相較之下，習知技術往往針對不同的功率輸出採用不同尺寸的線圈，當單一線圈用於大功率輸出時，需要較高的製作成本及維護成本。在此情形下，藉由結合多個線圈來提高輸出功率的方式具有降低成本的功效。

請參考第5圖，第5圖為本發明實施例一感應式電源供應系統50之示意圖。如第5圖所示，感應式電源供應系統50包含有一供電模組502及一受電模組504。供電模組502可設置於充電站或其它供電端裝置，其包含有N個線圈模組10a1~10aN，受電模組504可設置於自動搬運車或其它受電端裝置，其對應包含有N個線圈模組10b1~10bN。供電模組502中的線圈模組10a1~10aN從一電源供 應端PTX接收電力，透過電磁感應將電力傳送至受電模組504中的線圈模組10b1~10bN。線圈模組10b1~10bN之後端電路則採用並聯的方式連接至一電源接收端PRX(如電池)。在此情形下，多個線圈模組的組合可提高輸出功率。舉例來說，若每一線圈模組10b1~10bN可輸出10V電壓及10A電流，當5個線圈模組之後端電路並聯時，整體可輸出10V電壓及50A電流，可實現高電流的應用。

請參考第6圖，第6圖為本發明實施例一感應式電源供應系統60之示意圖。感應式電源供應系統60與感應式電源供應系統50具有相似的結構，故功能相同的元件皆以相同符號表示。感應式電源供應系統60與感應式電源供應系統50的差異在於，在感應式電源供應系統60中，線圈模組10b1~10bN之後端電路採用串聯的方式連接至電源接收端PRX。舉例來說，若每一線圈模組10b1~10bN可輸出10V電壓及10A電流，當5個線圈模組之後端電路串聯時，整體可輸出50V電壓及10A電流，可實現高電壓的應用。此外，亦可在感應式電源供應系統之後端電路結合串聯及並聯之電路設計，依電路需求進行搭配以同時實現高電壓及高電流的應用。

值得注意的是，本發明之線圈模組結構可實現自動搬運車之無線充電。本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，在上述實施例中，線圈模組10之金屬架100為四方形結構，可採用4個固定件110分別設置於金屬架100四個角落的鎖孔H1~H4，以將線圈模組10裝設於固定架上。在其它實施例中，線圈模組10可包含任意數量的固定件110，視金屬架100之形狀而定，例如，六邊形的金屬架可採用3或6個固定件來裝設。此外，線圈模組10之主體由上而下是由上蓋120、線圈102、磁導體104、金屬架100、電路板106及下蓋130結合而成，上述元件之間可透過適合的方式連結並固定，舉例 來說，線圈102、磁導體104及金屬架100之間可用黏貼方式固定，上蓋120、電路板106及下蓋130可分別使用螺絲鎖在金屬架100上，或者，亦可用卡榫將上蓋120固定在金屬架100上。本領域具通常知識者可選擇適合的方式結合上述元件，其結合方式不應為本發明之限制。

綜上所述，本發明提供一種可用於自動搬運車之感應式電源供應系統及其線圈模組，線圈模組可由上蓋、線圈、磁導體、金屬架、電路板及下蓋等元件所構成。由於自動搬運車移動時可能發生偏移，造成自動搬運車與充電柱上的線圈模組發生碰撞。因此，本發明之線圈模組可透過避震結構來減緩或消除碰撞的衝擊力，且上蓋側邊可設計為圓弧形結構以減緩碰撞之衝擊力，同時上蓋可採用非金屬材質以通過線圈之能量。磁導體設置於線圈與金屬架之間，可用來避免線圈能量傳送至金屬而發熱。電路板可搭載控制電路以控制線圈運作，針對供電線圈及受電線圈可採用不同控制電路來實現。下蓋可由透明材質所構成，使得使用者可輕易地查看電路板上顯示的資訊，以在發生問題時即時進行故障排除。此外，多個線圈模組可透過串聯或並聯的方式連結電源接收端，以實現大功率輸出(如高電壓及/或高電流)的應用。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (14)

1. 一種線圈模組，用於一感應式電源供應系統，該線圈模組包含有：一金屬架；一線圈，設置於該金屬架之一第一面；一電路板，設置於該金屬架上與該第一面為相反側之一第二面，該電路板包含有一控制電路，用來控制該線圈運作；一上蓋，用於遮蔽該線圈，該上蓋由一非金屬材質所構成且具有一圓弧形結構；以及至少一固定件，用來將該金屬架固定於一外部固定架，其中，每一固定件皆具有一避震結構。
2. 如請求項1所述之線圈模組，另包含有：一下蓋，用於遮蔽該電路板，該下蓋由一透明材質所構成。
3. 如請求項2所述之線圈模組，其中當該下蓋裝設於該金屬架上時，該下蓋完全覆蓋在該電路板上。
4. 如請求項1所述之線圈模組，其中當該上蓋裝設於該金屬架上時，該上蓋完全覆蓋在該線圈上。
5. 如請求項1所述之線圈模組，另包含有：一磁導體，設置於該線圈及該金屬架之間，用來隔絕該線圈的電磁能量。
6. 如請求項1所述之線圈模組，其中該金屬架由鋁所製成。
7. 如請求項1所述之線圈模組，其中該固定件包含有一彈簧螺絲、一氣壓避震裝置或一液壓避震裝置。
8. 如請求項1所述之線圈模組，其中該金屬架包含有一開孔，且連接於該線圈之一導線通過該開孔到達該電路板。
9. 一種感應式電源供應系統，包含有：複數個固定架；以及複數個線圈模組，其中每一線圈模組設置於該複數個固定架當中之一者，每一線圈模組包含有：一金屬架；一線圈，設置於該金屬架之一第一面；一電路板，設置於該金屬架之一第二面，該電路板包含有一控制電路，用來控制該線圈運作；以及一上蓋，用於遮蔽該線圈，該上蓋由一非金屬材質所構成且具有一圓弧形結構。
10. 如請求項9所述之感應式電源供應系統，其中當該複數個固定架中一第一固定架設置於一充電站時，設置於該第一固定架之一第一線圈模組作為一供電線圈，用來供應電力；當該複數個固定架中一第二固定架設置於一受電裝置時，設置於該第二固定架之一第二線圈模組作為一受電線圈，用來接收電力。
11. 如請求項10所述之感應式電源供應系統，其中該受電裝置移動至該充電站中一充電柱之一側，使得設置於該受電裝置之該第二線圈模組與設置於該充電柱之該第一線圈模組對齊，進而使該第二線圈模組從該第一線圈模組接收電力。
12. 如請求項9所述之感應式電源供應系統，其中該複數個線圈模組之一後端電路採用並聯方式連接至一電源接收端。
13. 如請求項9所述之感應式電源供應系統，其中該複數個線圈模組之一後端電路採用串聯方式連接至一電源接收端。
14. 如請求項9所述之感應式電源供應系統，其中該複數個線圈模組中每一線圈模組透過至少一固定件設置於相對應之該固定架上。