TWM611525U - 多角繞線環及平面感應加熱裝置 - Google Patents

Abstract

一種多角繞線環包含一個第一線圈繞組及一個第二線圈繞組。該第一線圈繞組以一多角繞線的環繞方式繞設，該第二線圈繞組以一圓形繞線的環繞方式繞設，且該第二線圈繞組的一外環面與該第一線圈繞組的一內環面相切。

Description

多角繞線環及平面感應加熱裝置

本新型是有關於一種繞線環及加熱裝置，特別是指一種多角繞線環及平面感應加熱裝置。

參閱圖1，現有平面感應加熱裝置主要是以二個或二個以上的圓形繞線環10（圖1僅繪出單一圓形繞線環10以說明其實施態樣，但不限於此）作為傳輸端與接受端之一對一無線傳能充電應用，來實現感應加熱技術。

然而，當傳輸端的圓形繞線環與接收端的圓形繞線環間為非設計之正對位時（即，接受端的圓形繞線環與傳輸端的圓形繞線環間存在著水平偏移而發生錯位情形），會造成圓形繞線環之間的磁場耦合係數下降，進而影響傳輸效能。此外，圓形繞線環的外圍曲率造成在水平擺放時相鄰圓形繞線環之間會存在著空隙而無法緊密貼合，進而減少整體平面的使用面積。

因此，本新型的一目的，即在提供一種能夠克服先前技術缺點的多角繞線環。

於是，本新型多角繞線環包含一第一線圈繞組，及一第二線圈繞組。

該第一線圈繞組以一多角繞線的環繞方式繞設。

該第二線圈繞組以一圓形繞線的環繞方式繞設，且該第二線圈繞組的一外環面與該第一線圈繞組的一內環面相切。

本新型的另一目的，即在提供一種能夠克服先前技術缺點的平面感應加熱裝置。

於是，本新型平面感應加熱裝置包含多個前述本新型多角繞線環。每一多角繞線環接收一激發電流，該等多角繞線環中彼此相鄰設置者的該等激發電流間具有一電流角度差。

本新型的功效在於：本新型多角繞線環利用以該多角繞線的環繞方式繞設，可增強自身與其他多角繞線環間的錯位容忍能力，如此可提升該等多角繞線環間的磁場耦合係數及傳輸效能，且於平面架設時更可與其他多角繞線環達到緊密排列，在排列上能有效利用空間，進而該平面感應加熱裝置整體加熱平面之有效使用面積提高。

在本新型被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2與圖3，為應用本新型多角繞線環之平面感應加熱裝置的一第一實施例。該平面感應加熱裝置包含一多角繞線環1、一磁材2、一提供一激發電流Iin給該多角繞線環1的電源供應模組（圖未示）及其它必要元件。需說明的是，該多角繞線環1根據該激發電流Iin透過交變磁場將能量傳送至一受熱負載3，以完成感應加熱。該電源供應模組主要包括一直流電源及一全橋式換流器，用以提供該激發電流Iin。由於該電源供應模組的配置與操作為熟悉本技術領域之通常知識者所熟知，為求簡潔起見，於此不贅述。

在此實施例中，該多角繞線環1設置於該磁材2上表面，且包括一第一線圈繞組11，及一第二線圈繞組12。

該第一線圈繞組11以一多角繞線且對角等距的環繞方式繞設，且具有一外環面111及一內環面112。該第二線圈繞組12與該第一線圈繞組11共軸設置，並以一圓形繞線的環繞方式繞設，且具有一外環面121及一內環面122。該第二線圈繞組12的該外環面121與該第一線圈繞組11的該內環面112相切。需說明的是，該第一線圈繞組11環繞成一正多角形線圈繞組。該第一線圈繞組11的該外環面111及該內環面112各自界定出一正多角形。該第二線圈繞組12的該外環面121及該內環面122各自界定出一圓形。在此實施例中，舉該第一線圈繞組11為一正六角形線圈繞組為例，但不限於此。實際上，該第一線圈繞組11的一端與該第二線圈繞組12的一端相連接成單一條銅線（即，由銅質材料所製成）。

以下說明本新型多角繞線環1與現有圓形繞線環10（見圖1）之線圈模擬分析比較。需先說明的是，圖3為該多角繞線環1、該磁材2，及該受熱負載3間的設置示意圖，而實際上在設置及進行模擬時，該激發電流Iin是峰值大小為7安培之交流電流，該多角繞線環1、該磁材2及該受熱負載3間的設置關係，以及該多角繞線環1與現有圓形繞線環10之尺寸設定統整如下，但不限於此。該受熱負載3為一圓柱形金屬鐵鍋，且設置於該多角繞線環1上方。該受熱負載3與該多角繞線環1間的距離為5公釐（mm），而該多角繞線環1與該磁材2間的距離為1公釐。該磁材2為不導電，相對導磁率為1500（相對導磁率為一無單位的物理量，材料的相對導磁率代表其導磁性能比真空(或空氣) 高多少倍）。該受熱負載3的底面半徑為80公釐、高度為100公釐，及厚度為2公釐。該多角繞線環1的厚度為3公釐，該磁材2的厚度為5公釐。該多角繞線環1的中心點至該第一線圈繞組11之外側六邊形頂點的一距離r1為80公釐，該多角繞線環1的中心點至該第一線圈繞組11之內側六邊形頂點的一距離r2為50公釐。該第二線圈繞組12的該外環面121所界定出的該圓形的一半徑r3為42公釐，該第二線圈繞組12的該內環面122所界定出的該圓形的一半徑r4為20公釐。現有圓形繞線環10所界定出的一外圓半徑r5及一內圓半徑r6分別為80公釐、20公釐。現有圓形繞線環10也是設置在一圓柱形金屬鐵鍋及一磁材間，且其設置方式與該多角繞線環1的設置方式相同，故於此不贅述。簡單來說，現有圓形繞線環10與該多角繞線環1之差異除線圈形狀外，其餘設定參數皆相同，且現有圓形繞線環10與該多角繞線環1各自的線圈皆為 24匝，並且給予相同方向、角度、峰值大小為7安培之激發電流。

進一步參閱圖4及圖5，其分別顯示現有圓形繞線環10與該多角繞線環1之一表面磁場大小分佈，其中， x、y軸代表現有圓形繞線環10或該多角繞線環1的表面座標，z軸為磁通密度大小。需說明的是，圖中立體圖形顯示愈高，則表示此座標處之磁通密度愈大。從圖4可知現有圓形繞線環10的中心周圍磁通密度大小約為 3.5mT，而從圖5可知該多角繞線環1的中心周圍磁通密度大小約為 4.5mT，二者相較之下，該多角繞線環1中間圓形處具有更大且集中的磁通。

參閱圖6及圖7，其分別顯示現有圓形繞線環10與該多角繞線環1各自所對應之金屬鐵鍋底面的感應電流分佈圖。金屬鐵鍋底面之電流密度大小和分佈是用以判斷所對應的繞線環的加熱效果之重要依據，較高電流密度則將產生較多熱能。從圖7可知，該多角繞線環1所對應之金屬鐵鍋底面具有較高的電流密度。

參閱圖8，為應用本新型多角繞線環之平面感應加熱裝置的一第二實施例。該第二實施例與該第一實施例相似，二者差異在於：該第二實施例包括二個緊密排列的該多角繞線環1，及該磁材2的面積較大。該等多角繞線環1分別接收二個激發電流Iin1、Iin2，該等多角繞線環1中彼此相鄰設置者的該等激發電流Iin1、Iin2間具有一電流角度差。

參閱圖9及圖10，其為現有平面感應加熱裝置採用二個現有圓形繞線環10時，其所對應之該金屬鐵鍋底面之感應電流分佈圖。圖9中，該等圓形繞線環10所分別接收到的二個激發電流為相同方向（即，電流方向同為順時針或逆時針），如此造成該等圓形繞線環10彼此相接觸處的兩側電流方向相反。又，根據安培右手定則，若兩條平行導線帶有相反的電流，則兩條導線間磁場會相互抵消。從圖9可觀察到該等圓形繞線環10相接觸處的藍色區域為電流密度較低處，其主要原因即在於該等圓形繞線環10間因磁場相互抵消而導致此處的電流減弱。圖10中，該等圓形繞線環10所分別接收到的該等激發電流為相反方向（即，該等圓形繞線環10的電流方向分別為順時針及逆時針），如此該等圓形繞線環10彼此相接觸處的兩側電流方向相同，該等圓形繞線環10間的磁場並無抵消，因此相較於圖9，圖10中該等圓形繞線環10間低電流的藍色區域減少，但該等圓形繞線環10間上下方則因其本身結構為圓形，導致圓形切線方向的電流方向相反，故圖10中出現多個無產生感應電流之空白區域ba。

參閱圖11及圖12，其為與圖9、10相同模擬設定下，本新型該第二實施例中其所對應之該金屬鐵鍋3底面之感應電流分佈圖。圖11為該等多角繞線環1所分別接收到的該等激發電流Iin1、Iin2為相同方向（即，將該等多角繞線環1以一方式排列使得該等激發電流Iin1、Iin2同為順時針或逆時針），從圖可知，圖11相較於圖9具有較高的感應電流。圖12中，當該等多角繞線環1所分別接收到的該等激發電流Iin1、Iin2為相反方向（即，將該等多角繞線環1以一方式排列使得該等激發電流Iin1、Iin2的電流方向分別為順時針及逆時針）時，該金屬鐵鍋3底面對應本新型該等多角繞線環1相接觸的地方相較於圖10具有較高的感應電流。詳細來說，由於該等多角繞線環1為六邊形線圈結構可利用自身所接收到的電流方向來調整該等多角繞線環1間磁場耦合程度，及利用該等多角繞線環1可緊密排列之特性，以改善該等圓形繞線環10間縫隙處之磁場較弱而使其對應之金屬鐵鍋底面具有較低感應電流的缺點，進而圖11及圖12分別相較於圖9及圖10具有較高的感應電流。此外，需補充說明的是，該等圓形繞線環10所分別接收到的該等激發電流為反向時，由於該等圓形繞線環10之圓形外圍結構具有較大曲率而使該等圓形繞線環10無法於排列時完整貼合，因此該等圓形繞線環10並無法產生與該等多角繞線環1相同之耦合效果，以致對應該等圓形繞線環10的金屬鐵鍋底面無法產生足夠耦合磁場以產生感應電流，導致對應該等圓形繞線環10的金屬鐵鍋底面具有較低的感應電流。

另外，在建構全平面感應加熱時，若僅利用該等激發電流Iin1、Iin2為同向與反向來調整線圈之間的磁耦合，則平面上該等多角繞線環1間的線圈磁場會不夠均勻，故本新型還利用調整該等多角繞線環1彼此間之激發電流角度差，來提升該等多角繞線環1間之磁場均勻度，使得該金屬鐵鍋底面的感應電流分佈較均勻。在此實施例中，本新型調整該等多角繞線環1彼此間之激發電流角度差之技術是由使用者對產生每一激發電流的該電源供應模組進行預先設定而取得。

參閱圖13至圖16，其為舉應用三個緊密排列的該多角繞線環1之平面感應加熱裝置（其與該第二實施例的平面感應加熱裝置相似，二者差異僅在於：由二個緊密排列的該多角繞線環1新增為三個緊密排列的該多角繞線環1，故未另新增一圖式作為示意），且該金屬鐵鍋（即，該受熱負載3）是放置於該三個多角繞線環1中心為例的模擬圖，但不限於此。圖13至圖16分別用以說明該三個多角繞線環1各自所接收到的該激發電流為同向，但該三個多角繞線環1的該等激發電流中任二者的一電流角度差分別為 0°、30°、60°、120°時，該金屬鐵鍋底面的感應電流分佈。從圖13至圖16可知，該金屬鐵鍋底面感應電流的均勻度確實會因不同電流角度差而有所不同。由圖16可瞭解當該三個多角繞線環1的該等激發電流中任二者的該電流角度差為120°時，該金屬鐵鍋底面感應電流分佈最為均勻。因此，實際於平面設置線圈時，以三個多角繞線環1且該等激發電流互為120°角度差作為一個單位線圈模組進行設置，如此可使本新型平面感應加熱裝置具有較好的加熱效果。

綜上所述，本新型多角繞線環1利用自身為多角形之結構來增強與其他多角繞線環1之間的錯位容忍能力，進而可提升該等多角繞線環1之間的磁場耦合係數及傳輸效能，以改善該等圓形繞線環10間因水平偏移時會造成磁場耦合與傳輸效能下降之缺點。此外，雖然現有圓形繞線環10與該多角繞線環1在相同尺寸下，該圓形繞線環10涵蓋更大面積，但結構上由於本新型平面感應加熱裝置利用每一多角繞線環1為正多角形結構之設計，因此於平面架設時可使該等多角繞線環1之間達到緊密排列，在排列上能有效利用空間以減少無線圈覆蓋之區域，使得本新型平面感應加熱裝置相較於現有平面感應加熱裝置更能提高整體加熱平面之有效使用面積。另外，相較於現有平面感應加熱裝置，本新型平面感應加熱裝置藉由調整任二個多角繞線環1的該等激發電流間的該電流角度差，更具有調整平面磁場耦合能力，以提升該等多角繞線環1間的平面磁場均勻度，使得該金屬鐵鍋底面的感應電流分佈更為均勻，進而使本新型平面感應加熱裝置具有較好的加熱效果。

惟以上所述者，僅為本新型的實施例而已，當不能以此限定本新型實施的範圍，凡是依本新型申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型專利涵蓋的範圍內。

1:多角繞線環 11:第一線圈繞組 111:外環面 112:內環面 12:第二線圈繞組 121:外環面 122:內環面 2:磁材 3:受熱負載 ba:空白區域 Iin:激發電流 Iin1:激發電流 Iin2:激發電流 r1:中心點至外側六邊形頂點的一距離 r2:中心點至內側六邊形頂點的一距離 r3:外圓半徑 r4:內圓半徑

本新型的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一俯視圖，說明一現有圓形繞線環的一實施態樣； 圖2是一俯視圖，說明一應用本新型多角繞線環之平面感應加熱裝置的一第一實施例； 圖3是一側視圖，說明該第一實施例與一受熱負載間的設置關係； 圖4與圖5是模擬圖，分別說明該現有圓形繞線環與該第一實施例之多角繞線環之一表面磁場大小分佈； 圖6與圖7是模擬圖，分別說明該現有圓形繞線環與該第一實施例之多角繞線環各自所對應之一受熱負載底面的一感應電流分佈； 圖8是一側視圖，說明一應用本新型多角繞線環之平面感應加熱裝置的一第二實施例； 圖9與圖10是模擬圖，說明現有平面感應加熱裝置的二個該現有圓形繞線環各自所接收的激發電流分別為同向及反向時，所對應之該受熱負載底面的一感應電流分佈； 圖11與圖12是模擬圖，說明該第二實施例之該平面感應加熱裝置的二個多角繞線環各自所接收的激發電流分別為同向及反向時，所對應之該受熱負載底面的一感應電流分佈；及 圖13至圖16是模擬圖，說明該受熱負載底面的該感應電流分佈與任二個多角繞線環之激發電流間的一電流角度差之間的關係。

1:多角繞線環

11:第一線圈繞組

111:外環面

112:內環面

12:第二線圈繞組

121:外環面

122:內環面

2:磁材

Iin:激發電流

r1:中心點至外側六邊形頂點的一距離

r2:中心點至內側六邊形頂點的一距離

r3:外圓半徑

r4:內圓半徑

Claims (10)

1. 一種多角繞線環，包含： 一第一線圈繞組，以一多角繞線的環繞方式繞設；及 一第二線圈繞組，以一圓形繞線的環繞方式繞設，且該第二線圈繞組的一外環面與該第一線圈繞組的一內環面相切。
2. 如請求項1所述的多角繞線環，其中，該第一線圈繞組是以該多角繞線且對角等距的環繞方式繞設。
3. 如請求項1所述的多角繞線環，其中，該第一線圈繞組環繞成一正多角形線圈繞組。
4. 如請求項3所述的多角繞線環，其中，該第一線圈繞組為一正六角形線圈繞組。
5. 如請求項1所述的多角繞線環，其中，該第一線圈繞組與該第二線圈繞組共軸設置。
6. 如請求項1所述的多角繞線環，其中，該第一線圈繞組還具有一外環面，該第二線圈繞組還具有一內環面，該第一線圈繞組的該外環面及該內環面各自界定出一正多角形，該第二線圈繞組的該外環面及該內環面各自界定出一圓形。
7. 如請求項1所述的多角繞線環，其中，該第一線圈繞組及該第二線圈繞組各自為銅質材料。
8. 一種平面感應加熱裝置，包含： 多個請求項1的該多角繞線環，每一多角繞線環接收一激發電流，該等多角繞線環中彼此相鄰設置者的該等激發電流間具有一電流角度差。
9. 如請求項8所述的平面感應加熱裝置，其中，該等多角繞線環所分別接收的該等激發電流同向。
10. 如請求項8所述的平面感應加熱裝置，其中，該等多角繞線環所分別接收的該等激發電流反向。

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