用于利用包括平面的发送线圈的、耦合最小化的矩阵来无接触地传输能量的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及用于借助感应无接触地传输能量的系统和方法。存在多个成矩阵地设置的线圈，其中，这些线圈具有至少一个导体，该导体至少一次以一匝围绕相应线圈的中心轴线。该中心轴线在被导体围绕的面的几何的面重心处垂直于由所围绕的平面。所述线圈并排地设置在一个平面单元内，该平面单元在第一维、第二维和第三维内延伸。所述平面单元在第一维内和在第二维内的延伸尺寸显著大于在第三维内的延伸尺寸。每个线圈的中心轴线至少局部地至少几乎垂直于由第一维和第二维所张开的面。此外，所述线圈在平面单元内部这样规律地成行和/或列地设置，使得一个线圈具有至少相应两个或者三个直接相邻的线圈。线圈的几何的面重心相互间的距离和每个线圈的所述至少一匝的形状和延伸尺寸这样选择，使得对于所有在平面单元内直接相邻的线圈对来说在相应线圈之间相互间的电磁耦合是最小的。
【专利说明】用于利用包括平面的发送线圈的、耦合最小化的矩阵来无接触地传输能量的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于利用包括平面的发送线圈的、耦合最小化的矩阵以感应方式传输能量的系统和方法。
【背景技术】
[0002]普遍地已知基于感应的无接触能量传输系统。基本上在此涉及，借助通过一个或者多个发送线圈或者初级线圈(也作为线圈、导体回线、绕组、天线或者引导电流的导体)的随时间变化的电流基于感应原理在一个或者多个相对近地定位的接收线圈或者次级线圈中产生电压。接收线圈中的这样感生的随时间变化的电压然后例如被整流并且用于向电子电路供给功率和/或对电池充电。此外，在娱乐电子设备中可找到大量对此的应用，其中，这里移动设备、例如笔记本电脑或者智能电话装备有至少一个集成的接收线圈，并且移动仪器能被设置在配备有一个或者多个发送线圈的表面上、如例如桌面覆层上，以便通过该表面以感应方式供给能量。于是按照这种方式和方法例如给移动设备的蓄电池或者电池充电。其他使用感应原理的应用例如是射频识别系统(RFID)。
[0003]在无接触能量传输的一些应用情况下有利的是，所述发送线圈或者多个发送线圈集成在一个平面单元内。为此例如考虑在多层的载体、如例如电路板(PCB)上或在多层的载体内的稀疏地卷绕、印刷或者刻蚀的线圈。这种平面单元于是可以以非常多样化的方式和方法集成到日常环境中，如例如墙壁、地板、抽屉、桌子等内。
[0004]空间上相邻的线圈，即一个或者多个发送线圈与接收线圈形成一种变压器式的耦合。不过这种耦合相对于传统的变压器不具有铁芯或者至少没有闭合的铁芯。因此普遍能够产生不同成形(geformte)的磁场分布并且与此伴随地也能够为感应使用不同的磁场分量。为能量传输使用关于平面单元的水平的场分量(平行于平面单元的面)或者关于平面单元的垂直的场分量(平行于平面单元的法线矢量)。这种系统例如由US2008 / 0116847、US2003 / 0210106和US7633263已知。此外，存在如下可能性:通过适合地电路连接多个接收线圈而利用两个分量(水平和垂直)。这例如在US2009 / 0303749中说明。
[0005]在垂直的场分量的情况下，在一种应用情况下使用两个平行并且同轴地设置的相同的导体回线(发送线圈和接收线圈)来在小的距离(与导体回线的尺寸相比小非常多)时以高的耦合传输功率。在这方面，基本上使用耦合系数k作为两个线圈(通过两个自感LI和L2表征)的耦合，该耦合系数表示互感M和两个自感的乘积的平方根的比。这表述为
[0006]k = MNL\-L2
[0007]由于还要考虑其他的物理效应、如例如导体线之间的电容性耦合的事实，这些影响通过上述自感和互感不足以说明，所以术语“耦合”在本申请的上下文中在考虑所有物理上重要的效应的情况下表示两个线圈之间的电磁耦合。因此所述耦合是对于传输路段的品质的数值并且按照数值从O (线圈不耦合)延伸至I (线圈最大地耦合)。按照定义，两个线圈之间的耦合是一个对称量，这意味着，从第一线圈到第二线圈的耦合与从第二线圈到第一线圈的耦合相同。在这一方面，同样与耦合或者互相耦合同义地使用术语“互耦合”。
[0008]当两个相同的导体回线作为初级线圈和次级线圈使用时，耦合强烈地与这两个线圈的相对位置有关。例如当两个线圈的距离扩大或者两个线圈之一侧向移动时，不再保持原来高的耦合。然而在多种应用中值得希望的是，保证一种相对与位置无关的耦合并且与此伴随地保证一种不依赖位置的功能性。
[0009]在较大的平面的面上产生尽可能均匀的磁场并且因此达到尽可能均匀的耦合的任务按照现有技术例如通过如下方式解决:不同地选择发送线圈和接收线圈的大小。这点虽然首先减小了最大能达到的耦合，但是在具有螺旋形的发送线圈的灵活的设计时，例如在US2008 / 0278112中所述，允许相对均匀的耦合的较大的水平区域。此外，这点能实现相对简单的系统设计。作为备选于此的方案，周期的并联或者串联的天线结构已经证明为有效的，如这些天线结构例如在US2005 / 0189910或者US7164225中所公开的那样。许多小的发送线圈在那里在平面单元的一个或者多个层上这样相互连接成一个虚拟的大的发送线圈，使得产生尽可能均匀的磁场并且因此也出现对于可能存在的接收线圈的一种(在平面单元上)均匀的耦合。
[0010]该系统的缺点在于，在大的或者虚拟大的发送线圈的较近的环境中，即使在那里不存在接收器，也可以出现不希望大的泄漏电磁场(Streufeld)。这既出于电磁兼容性(EMV)的又出于电磁的环境兼容性(EMVU)的原因、特别是出于安全性方面的原因，在人类组织与可能的健康危害的相互作用方面是不利的。
[0011]当将发送线圈的大小相对于接收线圈的大小选择得小时，能够回避不希望的泄漏电磁场的问题。如果现在仅激活在空间上处于紧邻接收线圈的那些发送线圈，并且如果线圈借助起屏蔽作用的材料、如例如铁氧体包围，则能够在最大程度上使泄漏电磁场最小化。
[0012]这种方案和解决方案由US2007 / 0182367、US7262700、US7521890、US2009 /023719AUUS2010 / 0314946、US2010 / 0328044、US2011 / 0025133 和 US7893568 已知。这里公开了在平面单元上的可开关的发送线圈的多个场(阵列)，这些发送线圈能够单独地接通。除了线圈的场的相对定位和布置结构之外在所述文献中，各个线圈的适当的激活和操控的问题也起大的作用。然而该方面不是本发明的主题。
[0013]该技术的优点在于，能够相对简单地供给多个接收线圈，因为仅相应最近地定位的发送线圈被接通并且被供给功率。此外，通过将平面单元例如通过添加另外的发送线圈来扩大，上述解决方案能够相对简单地在其大小方面确定尺寸。然而这种解决方案的决定性的缺点在于，必须为每个发送线圈提供一个适合的开关装置，这提高该布置结构的或者与此联系的电子设备的复杂性并且因此提高成本。
【发明内容】
[0014]本发明的任务在于，提供一种系统，该系统能实现均匀地感应地向一个或者多个接收器传输能量，其中，所述接收器相对于发送器在一定边界内部的位置对能量传输的效率有尽可能小的影响。
[0015]此外，本发明的任务在于，也在发送侧、特别是通过线圈的几何方面的优化来优化能量的感应式传输的效率。
[0016]按照本发明的第一方面，提供一种用于借助感应来无接触地传输能量的系统或者设备。该系统或者设备包括多个线圈。这些线圈能够成矩阵地设置。这些线圈具有至少一个导体，该导体至少一次以一匝围绕相应线圈的中心轴线。当然每个线圈也可以存在多匝，这些匝例如可以蜗形和/或螺旋形地造型。在本发明的上下文中，中心轴线是延伸穿过线圈的中心的轴线，线圈的所述一匝或者多匝盘绕该轴线。然后中心轴线可以垂直于由导体同样以线匝的形式围绕成的面。中心轴线可以位于围绕成的面的中心或者几何的面重心内。几何的面重心这里用于定义线圈的所述一匝或者多匝的几何构型的中点。该几何形状在本说明书的范围内起重要的作用。根据线圈的线匝的构造形式，中点则可以与面重心重合并且相应同义地使用。在线圈形状复杂时可以不再定义如例如在圆时的简单的中点。因此这里辅助地也涉及几何的面重心。简化地参照线圈的中心，该中心根据线圈的几何结构可以与中点或者几何的面重心相同或者在很大程度上相同。在此从以下内容出发:这些点处于线匝内部并且当沿线圈的中心轴线观察线圈时这些点居中地位于线圈内。然后所述线圈能够并排地设置在一个面状的层内。该层在本上下文中也称为平面单元。该扁平的层或者平面单元可以、但不必是一个几何上的平面。该扁平的层、平面、或者平面单元在第一维内、在第二维内和在第三维内延伸。平面单元在第一维(长度，X方向)内和在第二维(宽度，Y方向)内的延伸尺寸则显著大于在第三维(厚度，Z方向)内的延伸尺寸。每个线圈的中心轴线则优选至少局部地至少几乎垂直于由第一维和第二维所张开的面地设置(X-Y平面)。换句话说，当x、Y和Z是笛卡儿坐标系的坐标时，线圈的中心轴线基本上处于第三维的方向，亦即Z方向。
[0017]此外，这些线圈可以在该面状的层内部这样有规律地成行和/或列地设置，使得一个线圈至少具有相应两个或者三个直接相邻的线圈。在此，线圈在第三维内的延伸尺寸明确小于在第一和第二维内的延伸尺寸。这涉及平面的发送线圈。在沿着线圈的中心轴线的俯视图中，这些线圈优选矩阵状成列和行地设置。有至少三个发送线圈。在一种有利的实施方式中，可以有至少两列和/或两行。根据有利的构造形式，可以有至少三个或四个线圈，其中，基本上也可以将至少两个或者三个线圈并排地设置在一条线(在一条直线上的中点)内。在具有四个线圈的系统中，直接相邻的线圈则可以相应是另外三个线圈。如果四个线圈处于一条线内(一维的布置结构)，则一个线圈最多有两个直接的相邻线圈。
[0018]线圈的中心或者几何的面重心彼此间的距离和每个线圈的所述至少一匝的形状和延伸尺寸于是这样选择，使得对于所有在面状的层内直接相邻的线圈对来说在相应线圈之间的相互耦合是最小的。
[0019]本发明通过该特征与所有已知的系统不同。常规上在这种扁平的布置结构(例如以印刷电路板、垫、或者桌子等的形式的扁平的底板)中通常注意产生的场的均匀性。其他解决方案尝试通过如下方式达到能量的传输和能量接收器的很大程度上的位置无关性，即，按照接收器的位置接通或者断开发送线圈。本发明在下面的范围内可以作为这些可开关的发送线圈来解释，即，各个发送线圈通过相互最小化的耦合既能够单个地也能够可任意组合地被同时驱动，以便因此为向一个或者多个接收线圈提供对于有效地传输能量所必需的场分布。同时也能够保证在接收器的空间区域上受限制的场分布。在根据现有技术的解决方案中，两个同时驱动的直接相邻的发送线圈可能被相互的耦合这样干扰，使得结果也许可能是减小了的系统功能性。这点通过本发明来避免。不过则必须考虑发送线圈的相互耦合。按照本发明，直接相邻的线圈的耦合被优化(最小化)，因为这些线圈普遍地由于空间上的邻近而是最大的。为此有不同的解决方案，这些解决方案按照本发明的下面的方面并且借助各实施例来阐述。
[0020]在真实的线圈系统中，不能完全阻止多个扁平地并排设置的线圈之间的互耦合。此外，也不能完全避免不直接相邻的线圈对的耦合。因此按照本发明，这涉及减小所有线圈的所有可能的耦合。已经证明了，对于示例性的实施形式能够找到在5%的最小值或者优化值(在考虑所有其他可检测的影响的情况下，对于矩阵的所有线圈对来说k等于或者小于
0.05)。按照本发明，该耦合可以减小到约1% (在考虑所有其他可检测的影响的情况下，k等于或者小于0.01)。在此也考虑不直接相邻的线圈对的耦合。
[0021]于是给出的最大的耦合值有利地是所有可能的成对耦合的最大值。对于例如六个线圈的有规律的布置结构，这导致一个矩阵，该矩阵可以看起来如下:
【权利要求】
1.用于借助感应无接触地传输能量的系统，包括:多个成矩阵设置的线圈，其中，所述线圈具有至少一个导体，该导体至少一次以一匝围绕相应线圈的中心轴线，其中，这些线圈并排地且有规律地设置在平面单元中，该平面单元在第一维、第二维和第三维内延伸，并且所述平面单元在第一维内和第二维内的延伸尺寸显著大于在第三维内的延伸尺寸，并且此夕卜，这些线圈在平面单元内部这样有规律地成行和/或列地设置，使得一个线圈具有至少相应两个直接相邻的线圈，其中，线圈的中心相互间的距离和每个线圈的至少一匝的形状和延伸尺寸这样选择，使得对于所有在平面单元内直接相邻的线圈对来说在相应线圈之间的电磁耦合是最小的。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述矩阵内部的所有线圈的最大的成对耦合处于边界值之下，其中，所述边界值特别是可以为5%。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述线圈按照棋盘图案的方式有规律地设置。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述矩阵的线圈按照蜂窝结构的方式设置。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，直接相邻的线圈对的线匝重叠。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，由每个线圈的相应至少一匝所张开的面在每对线圈直接相邻的情况下重叠。
7.根据权利要求3、5或者6之一所述的系统，其特征在于，对于线圈按照棋盘图案的方式布置结构的情况，线圈的线匝至少部段式地局部接近于线圈的中心和/或几何的面重心。
8.根据上述权利要求之一所述的系统，其特征在于，至少一个线圈的绕线方向部段式地改变。
9.用于在平面单元内建立多个线圈的系统的方法，该平面单元适合于借助感应无接触地传输能量，其中，所述方法包括:所述线圈这样设置和确定尺寸，使得在所有线圈之间的成对的电磁耦合最小化。
10.用于无接触地传输能量的方法，其中，所述方法包括如下步骤:所述线圈这样设置和确定尺寸，使得在所有线圈之间的成对的电磁耦合最小化。
【文档编号】H02J17/00GK103890875SQ201280021649
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年5月3日 优先权日:2011年5月3日
【发明者】P-D·肖尔茨, A·加利阿尔德特 申请人:菲尼克斯电气公司