专利名称：用于受电的无线受电单元、用于输电的无线输电单元、无线输电设备以及无线输电设备的使用的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1前序部分的用于受电的无线受电单元以及根据权利 要求12前序部分的用于输电的无线输电单元。
本发明还涉及根据权利要求14的无线输电设备，该输电设备包括无线输电单元 和无线受电单元；以及根据权利要求15的无线输电设备的使用。
背景技术：
诸如感应耦合输电系统(ICPT)之类的无线输电设备被用于将电力从输电单元传 输到受电单元。例如，无线输电设备被用于为电动交通工具的电池单元充电。
输电单元适于产生高频交变磁场。该磁场通过具有介质的间隙将输电单元耦合到 受电单元。该间隙通常被称为“气隙”，即使间隙中使用空气之外的其他介质。
受电单元适于经受交变磁场并且感应出交流电。例如，感应出的交流电被用于驱 动负载，或者被整流并用于为电池充电。
无线输电设备的一个问题在于，设备附近的铁磁材料(例如，交通工具的钢质车 身)经受交变磁场，其中该材料由于涡流而变热。因此，输电单元与受电单元之间的能量传 输效率不是最优的。另外，限制交变磁场向周围环境的扩散是很重要的，因为交变磁场的高 磁通量对人和动物可能会产生生物学影响。
US2009/0267558公开了 一种包括主磁芯和辅磁芯的无线充电系统。主磁芯包括传 输屏蔽板。辅磁芯包括涡流降低部件和接收屏蔽板。
W02008/140333公开了一种用于为电动交通工具充电的感应输电单元。该单元包 括线圈和铁氧体磁芯，该铁氧体磁芯包括从单元的中心向外伸的多个棒，棒的外部部分包 括泡沫或橡胶的绝缘盘，适于保护棒免受由冲击和振动产生的机械应力。发明内容
本发明的目的是提供具有改善的受电效率的无线受电单元、具有改善的输电效率 的无线输电单元以及具有改善的输电和受电效率的无线输电设备。本发明的另一目的是提 供限制交变磁场向周围环境的扩散的无线受电单元、无线输电单元和无线输电设备。
该目的由权利要求1前序部分中限定的无线受电单元实现，其特征在于，受电单 元包括接收引导部件，被布置为提供磁场在介质与接收聚集器芯体之间的过渡，并且与接 收聚集器芯体相邻，该接收引导部件具有的磁导率在接收聚集器芯体的磁导率与介质的磁 导率之间的范围内。
接收聚集器芯体定位在感应线圈附近，并且适于经受来自输电单元的交变磁场。 接收聚集器芯体适于聚集磁场并且增强输电单元与受电单元之间的磁耦合。
接收引导部件与接收聚集器芯体相邻，其中接收引导部件提供磁场在介质与接收 聚集器芯体之间的过渡。因此，接收引导部件增强了感应线圈向磁场的暴露，其中受电单元的效率被提高。
术语“接收聚集器芯体”是指具有高磁导率、高磁饱和点、低电导率这些属性以及 具有低磁滞的软磁特性的部件。
介质具有的磁导率低于接收聚集器芯体的磁导率。磁场通过介质被耦合在受电单 元与输电单元之间。
根据本发明的一个实施例，介质是非磁性的，其中该介质的相对磁导率约为I。
根据本发明的一个实施例，接收引导部件具有大于5的相对磁导率。
根据本发明的一个实施例，接收聚集器芯体包括金属氧化物，诸如具有ZnO、NiO, MnO> CuO等或其组合的Fe203。优选地，接收聚集器芯体包括所谓的软性铁氧体(soft ferrite),该软性铁氧体并未保留显著的磁化。
根据本发明的一个实施例，接收聚集器芯体的相对磁导率在100-20000之间，优 选地在1000-3000之间。
根据本发明的一个实施例，受电单元和输电单元通过包括介质的间隙隔开。
根据本发明的一个实施例，介质是空气或水，其中接收引导部件的磁导率在接收 聚集器芯体的磁导率与空气或水的磁导率之间的范围内。
根据本发明的一个实施例，接收引导部件至少部分地围绕接收聚集器芯体。
根据本发明的一个实施例，接收引导部件包括与接收聚集器芯体相邻的内部部 分，以及与周围介质相邻的外部部分。相应地，接收引导部件在接收聚集器芯体与周围介质 之间。
根据本发明的一个实施例，接收引导部件的磁导率从内部部分向外部部分降低。 磁导率从内部部分向外部部分的降低改善了磁场从介质向接收聚集器芯体的过渡。
根据本发明的一个实施例，接收引导部件的磁导率从内部部分向外部部分连续地 降低。磁导率从内部部分向外部部分的连续地降低改善了磁场从介质向接收聚集器芯体的 过渡。
根据本发明的一个实施例，接收引导部件包括与接收聚集器芯体相邻的内环和与 周围介质相邻的外环，其中内环的磁导率高于外环。
根据本发明的一个实施例，接收引导部件包括在内环与外环之间的一个或多个中 间环，其中中间环的磁导率低于内环并且高于外环。
根据本发明的一个实施例，感应线圈包括中轴，并且接收聚集器芯体包括包络面， 该包络面被引离中轴，其中接收引导部件与接收聚集器芯体的包络面相邻。
根据本发明的一个实施例，接收引导部件由包含铁粉的树脂制成，树脂诸如环氧 树脂、聚氨基甲酸乙酯树脂、三聚氰胺甲醛树脂等。因此，电导率低，并且磁导率取决于树脂 中铁粉的浓度。
根据本发明的一个实施例，受电单元包括适于屏蔽磁场的屏蔽部件，其中屏蔽部 件包括导电的非磁性材料。
根据本发明的一个实施例，屏蔽部件适于定位在感应线圈与包括铁磁导电材料的 布置之间。
根据本发明的一个实施例，受电单元适于连接到电池单元，其中感应线圈中感应 出的交流电适于为电池单元充电。
根据本发明的一个实施例，屏蔽部件由铝或铜制成。
根据本发明的一个实施例，受电单元适于布置在交通工具上，并被引向布置在地 面的输电单元。
本发明的目的还由权利要求12前序部分所限定的无线输电单元实现，其特征在 于，输电单元包括传输引导部件，被布置为提供磁场在介质与传输聚集器芯体之间的过渡， 并且至少部分地与传输聚集器芯体相邻，该传输引导部件具有的磁导率在传输聚集器芯体 的磁导率与介质的磁导率之间的范围内。
传输聚集器芯体定位在发电线圈附近。传输聚集器芯体适于经受来自发电线圈的 交变磁场。
传输引导部件与传输聚集器芯体相邻，其中传输引导部件提供磁场从传输聚集器 芯体向周围介质的过渡。由此，传输引导部件将磁场引向受电单元。
根据本发明的一个实施例，传输引导部件具有大于5的相对磁导率。
根据本发明的一个实施例，传输引导部件至少部分地围绕传输聚集器芯体。
根据本发明的一个实施例，传输引导部件包括与传输聚集器芯体相邻的内部部分 和与周围介质相邻的外部部分。
根据本发明的一个实施例，传输引导部件的磁导率从内部部分向外部部分降低。
根据本发明的一个实施例，传输引导部件的磁导率从内部部分向外部部分连续地 降低。
根据本发明的一个实施例，传输引导部件包括与传输聚集器芯体相邻的内环和与 周围介质相邻的外环，其中内环的磁导率高于外环。
根据本发明的一个实施例，传输引导部件包括在内环与外环之间的一个或多个中 间环，其中中间环的磁导率低于内环并且高于外环。
根据本发明的一个实施例，发电线圈包括中轴，并且传输聚集器芯体包括包络面， 该包络面被引离中轴，其中传输引导部件与传输聚集器芯体的包络面相邻。
根据本发明的一个实施例，传输引导部件由包含铁粉的树脂制成，树脂诸如环氧 树脂、聚氨基甲酸乙酯树脂、三聚氰胺甲醛树脂等。由此，电导率低，并且磁导率取决于树脂 中铁粉的浓度。
根据本发明的一个实施例，输电单元包括适于屏蔽磁场的屏蔽部件，其中屏蔽部 件包括导电的非磁性材料。
根据本发明的一个实施例，受电单元适于连接到电源，该电源适于向发电线圈供 电使得在发电线圈中产生交变磁场。
根据本发明的一个实施例，输电单元适于布置在地面，并且被引向布置在地面上 方的受电单元。
本发明的目的还由根据权利要求14的无线输电设备以及根据权利要求15的无线 输电设备的使用实现，其中输电设备包括无线输电单元和无线受电单元。
现在将通过对本发明不同实施例的描述并参考附图更详细地描述本发明。
图1示出了包括无线输电单元和无线受电单元的无线输电设备。
图2a示出了无线受电单元的第一实施例的截面。
图2b示出了无线受电单元的第二实施例的截面。
图3示出了无线传输单元的截面。
具体实施方式
图1示出了无线输电设备1，其包括无线输电单元3和无线受电单元5。无线输电 设备I适于将电力从输电单兀3传输到受电单兀5。输电单兀3与受电单兀5通过气隙7 隔开。
输电设备I适于将电力传输到交通工具，其中输电单兀3位于地面,并且受电单兀 5位于交通工具的下部。
无线受电单元5适于从输电单元3接收电力。无线受电单元5包括感应线圈10、 接收聚集器芯体12和接收引导部件14。
感应线圈10适于经受来自输电单元3的交变磁场形式的电力。由此，在感应线圈 10中感应出交流电。
使用高磁场密度和高频率的交变磁场。交变磁场的频率在5_200kHz的范围内，优 选地在IO-1OOkHz的范围内。
接收聚集器芯体12围绕感应线圈10。接收聚集器芯体12适于将磁场向感应线 圈10聚集。接收聚集器芯体12包括具有低电导率和高磁导率的材料，诸如具有Zn0、Ni0、 MnO、CuO 等的 Fe2O3。
接收引导部件14适于引导气隙7与接收聚集器芯体12之间的磁力线，并且适于 提供空气与接收聚集器芯体12之间的平滑过渡。
接收引导部件14具有的磁导率在接收聚集器芯体12的磁导率与空气的磁导率之 间的范围内。
材料的磁导率由相对磁导率描述，相对磁导率是材料磁导率与真空磁导率之间的 比。空气的相对磁导率接近于I。接收聚集器芯体12的相对磁导率高于周围空气。在一个 实施例中，接收聚集器芯体12的相对磁导率在100-20000之间，优选地在1000-3000之间。
感应线圈10包括中轴16。接收聚集器芯体12包括包络面18。接收聚集器芯体 12是盘，其外围形成包络面18。接收聚集器芯体12的包络面18被引离中轴16。接收引导 部件14与接收聚集器芯体12的包络面18相邻。
接收聚集器芯体12不限于所公开的圆柱形式，适于聚集磁场的其他形状也是可 行的，诸如具有多个背向中轴16的侧部的盘、从中轴16伸出的多个棒、环等。
接收引导部件14包括柱形管，其具有内部部分19和外部部分20，参见图2a和图 2b。接收引导部件14的内部部分19包括与接收聚集器芯体12的包络面18相邻的内表面。 接收引导部件14被空气包围。接收引导部件14的外部部分20包括与周围空气相邻的外 表面23。
受电单元5连接到电池单元21。在感应线圈10中感应出的交流电适于被整流并 且为电池单元21充电。
受电单元5还包括屏蔽部件22。屏蔽部件22适于将周围物体从交变磁场屏蔽，并 且适于将磁场聚集到输电单元与受电单元之间的区域。屏蔽部件22包括高导电性材料，诸如招、铜等。
无线输电单兀3适于将电力传输到受电单兀5。输电单兀3包括发电线圈40、传 输聚集器芯体42和传输引导部件44。输电单兀3包括受电单兀5的对应结构。
发电线圈40适于由来自电源46的交流电供电。发电线圈40适于产生耦合到受 电单兀5的交变磁场。
电源46包括补偿器(未示出)，其适于形成谐振频率在5_200kHz范围内、优选地 在IO-1OOkHz范围内的谐振电路。受电单元5优选地包括补偿器，该补偿器形成相同或相 似的谐振频率。
传输聚集器芯体42围绕发电线圈。传输聚集器芯体42适于将磁场向受电单兀5 聚集。传输聚集器芯体42包括具有可忽略的电导率以及高磁导率的材料。
传输引导部件44围绕传输聚集器芯体42。传输引导部件44适于在空气与传输聚 集器芯体42之间提供过渡。传输引导部件44具有的磁导率在传输聚集器芯体42的磁导 率与空气的磁导率之间的范围内。
发电线圈40包括中轴48。传输聚集器芯体42包括包络面50。传输聚集器芯体 42是盘，其外围形成包络面50。包络面50被引离中轴42。传输引导部件44与传输聚集器 芯体42的包络面50相邻。
传输聚集器芯体42不限于所公开的圆柱形式，适于聚集磁场的其他形状也是可 行的，诸如具有多个背向中轴48的侧部的盘、从中轴48伸出的多个棒、环等。
传输引导部件44包括柱形管，其具有内部部分52和外部部分54，参见图3。传输 引导部件44的内部部分52包括与传输聚集器芯体42的包络面50相邻的内表面。传输引 导部件44被空气包围。传输弓I导部件44的外部部分54包括与周围空气相邻的外表面56。
输电单元3还包括屏蔽部件22。屏蔽部件22适于将周围物体从交变磁场屏蔽。 屏蔽部件22包括高导电性材料，诸如铝、铜等。
图2a示出了受电单元5的截面的第一示例。在所示的图中，感应线圈10包括三 圈导体。在一个实施例中，线圈10包括单圈导体。然而，感应线圈10可以包括任意圈数。
感应线圈10定位在接收聚集器芯体12附近。感应线圈10的外侧导体形成具有 第一直径Dl的圈。感应线圈10包括中轴16。感应线圈10的中轴16被引向输电单元3。
接收引导部件14与接收聚集器芯体12的包络面18相邻。接收聚集器芯体12的 包络面18被引离中轴16。
接收引导部件14包括外表面23,该外表面23与周围空气相邻。外表面23被引离 感应线圈10的中轴。相应地，接收引导部件14位于接收聚集器芯体12与周围空气之间。
接收引导部件14具有的磁导率在接收聚集器12的磁导率与周围空气的磁导率之 间的范围内。由此，接收引导部件14提供了从接收聚集器芯体12的高磁导率到周围空气 的磁导率的过渡。
在优选实施例中，接收引导部件14的磁导率从内部部分向外部部分连续地降低。 接收引导部件的磁导率连续地降低提供了交变磁场的理想过渡。
受电单元5还包括屏蔽部件22。屏蔽部件22适于将周围物体从交变磁场屏蔽。
与接收聚集器芯体12相比，屏蔽部件22更加远离输电单元3而定位。受电单元 5适于被附接到包括铁磁材料的布置24，诸如交通工具的下部钢体。
屏蔽部件22适于被定位在接收聚集器芯体12与包括铁磁材料的布置24之间。由 此，屏蔽部件22将布置24从交变磁场屏蔽。
图2b示出了受电单元5的截面的第二实施例。图2b中的受电单元5的接收引导 部件14与图2a中的接收引导部件14具有不同的结构。图2a和图2b中的接收引导部件 14在其他方面是相同的。
接收引导部件14包括内环26、外环28和中间环29。内环26包括与接收聚集器 芯体12的包络面18相邻的内表面。外环28包括与周围空气相邻的外表面52。中间环29 在内环26与外环28之间。中间环29与内环26和外环28 二者相邻。
内环26的磁导率高于外环28和中间环29。中间环29的磁导率在内环26与外环 28之间的范围内。
相应地，接收引导部件14的磁导率从接收聚集器芯体12向周围空气逐步降低。由 此，接收引导部件14提供从接收聚集器芯体12的高磁导率向周围空气的磁导率的逐步过渡。
图3示出了输电单元3的截面。输电单元3包括发电线圈40、传输聚集器芯体42 和传输引导部件44。
传输引导部件44被布置为将产生的磁场聚集在气隙7与传输聚集器芯体42之 间，以及在空气与传输聚集器芯体42之间提供平滑过渡。
输电单元3的结构与受电单元5中的结构相同或基本相同。
发电线圈40定位在传输芯体42附近。发电线圈40的导体10形成三圈，其中导 体10的外圈具有第二直径D2。然而，发电线圈40可以包括任意圈数。发电线圈40包括中 轴48。发电线圈40的中轴48被引向受电单元5。
传输引导部件44与传输聚集器芯体42的包络面50相邻。传输聚集器芯体42的 包络面50被引离中轴50。传输引导部件44与周围空气相邻。相应地，传输引导部件44在 径向上定位在传输聚集器芯体42与周围空气之间。
传输引导部件44具有的磁导率在传输聚集器芯体42的磁导率与周围空气的磁导 率之间的范围内。由此，传输引导部件44提供了从传输聚集器芯体42的高磁导率与周围 空气的磁导率之间的平滑过渡。
本发明不限于所公开的实施例，而是可以在所附权利要求书的范围内变化和修改。
例如，输电设备I适于在输电单元3与受电单元5之间双向输电。在一个实施例 中，输电单元3和受电单元5是相同或基本相同的单元。
权利要求
1.一种用于受电的无线受电单元(5)，其中所述受电单元(5)包括-感应线圈(10)，该感应线圈(10)适于经受来自输电单元(3)的交变磁场形式的电力，使得在所述感应线圈(10)中感应出交流电，以及-接收聚集器芯体(12)，用于将所述磁场向所述感应线圈(10)聚集，其中所述接收聚集器芯体(12)被介质围绕，其特征在于，所述受电单元(5)包括接收引导部件(14)，被布置为提供所述磁场在所述介质与所述接收聚集器芯体(12)之间的过渡，并且与所述接收聚集器芯体(12)相邻，该接收引导部件 (14)具有的磁导率在所述接收聚集器芯体(12)的磁导率与所述介质的磁导率之间的范围内。
2.根据权利要求1所述的无线受电单元(5)，其特征在于，所述接收引导部件(14)至少部分地围绕所述接收聚集器芯体(12)。
3.根据权利要求1和2任一项所述的无线受电单元(5)，其特征在于，所述接收引导部件(14)包括与所述接收聚集器芯体(12)相邻的内部部分(19)和与周围的所述介质相邻的外部部分(20)。
4.根据权利要求3所述的无线受电单元(5)，其特征在于，所述接收引导部件(14)的所述磁导率从所述内部部分(19)向所述外部部分(20)降低。
5.根据权利要求3和4所述的无线受电单元(5)，其特征在于，所述接收引导部件(14) 的所述磁导率从所述内部部分(19)向所述外部部分(20)连续地降低。
6.根据任一前述权利要求所述的无线受电单元(5)，其特征在于，所述接收引导部件 (14)包括与所述接收聚集器芯体(12)相邻的内环(26)和与周围的所述介质相邻的外环 (28)，其中所述内环(26)的磁导率高于所述外环(28)。
7.根据任一前述权利要求所述的无线受电单元(5)，其特征在于，所述感应线圈(10) 包括中轴(16)，并且所述接收聚集器芯体(12)包括包络面(18)，该包络面(18)被引离所述中轴(16)，其中所述接收引导部件(14)与所述接收聚集器芯体(12)的所述包络面(18) 相邻。
8.根据任一前述权利要求所述的无线受电单元(5)，其特征在于，所述受电单元(5)包括适于屏蔽所述磁场的屏蔽部件(22)，其中所述屏蔽部件(22)包括导电的非磁性材料。
9.根据权利要求8所述的无线受电单元(5)，其特征在于，所述屏蔽部件(22)适于定位在所述感应线圈(10)与包括铁磁导电材料的布置(24)之间。
10.根据任一前述权利要求所述的无线受电单元(5)，其特征在于，所述受电单元(5) 适于连接到电池单元(21)，其中在所述感应线圈(10)中感应出的交流电适于为所述电池单元(21)充电。
11.根据任一前述权利要求所述的无线受电单元(5)，其特征在于，所述受电单元(5) 适于被布置在交通工具上，并且被引向布置在地面的所述输电单元(3)。
12.—种用于输电的无线输电单兀(3),其中所述输电单兀(3)包括-发电线圈(40)，该发电线圈(40)适于产生由受电单元(5)经受的交变磁场形式的电力，以及-传输聚集器芯体(42)，用于将所述磁场向所述受电单元(5)聚集，其中所述传输聚集器芯体(42)被介质围绕，其特征在于，所述输电单元(3)包括传输引导部件(44)，被布置为提供所述磁场在所述介质与所述传输聚集器芯体(42)之间的过渡，并且至少部分地与所述传输聚集器芯体(42)相邻，该传输引导部件(44)具有的磁导率在所述传输聚集器芯体(42)的磁导率与所述介质的磁导率之间的范围内。
13.根据权利要求12所述的无线输电单元(3)，其特征在于，所述传输引导部件(44) 至少部分地围绕所述传输聚集器芯体(42)。
14.一种无线输电设备(I)，包括根据权利要求12-13所述的无线输电单元(3)以及根据权利要求1-11所述的无线受电单元(5)。
15.根据权利要求14所述的无线输电设备(I)用于向交通工具输电的使用。
全文摘要
用于输电和受电的无线输电设备(1)、无线输电单元(3)和无线受电单元(5)。受电单元(5)包括感应线圈(10)，适于经受交变磁场使得在感应线圈中感应出交流电；接收聚集器芯体(12)，适于聚集磁场，其中接收聚集器芯体(12)被介质包围；以及接收引导部件(14)，被布置为提供磁场在介质与聚集器芯体之间的平滑过渡，并且与接收聚集器芯体相邻。接收引导部件具有的磁导率在接收聚集器芯体的磁导率与介质的磁导率之间的范围内。
文档编号B60L11/18GK103025563SQ201080067026
公开日2013年4月3日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
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