专利名称：改进的接收器线圈的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电感性功率传送系统，更特别地，涉及在这种系统中的改进的接收器线圈。
背景技术：
一般地，感应功率传送系统频繁用在许多应用中。它们允许在没有有线连接的情况下向装置提供动力或对电池(或电容器)进行充电。其在诸如盥洗室和医院中的专用房间等其中没有电插头和接插件的环境中或者在电插头和接插件并不实用的环境中特别有利。在感应耦合的帮助下，实现感应功率传送系统，其功率可以从例如公用电网或从电池中提取。其优选地被实现为具有软开关性能的谐振半桥或全桥变换器。传送装置包括 至少一个传送器线圈(以下也称为传送器线圈)。移动装置包括与所述传送器线圈耦合的接收线圈(以下也简称为接收器线圈)，例如，移动装置放置在所述传送装置的表面上。提供给所述传送装置的初级线圈的电流生成交变磁场。此交变磁场在该移动装置的次级线圈中感生了电压。该电压经过整流接着被供给至负载或移动装置的电池。在现有的简单系统中，接收器线圈相对于传送器线圈的横向位移导致耦合系数发生变化，并因此导致功率传递的不需要的变化。因此，在这种系统中，接收器线圈不能自由地定位，其应放置在预先确定的位置处。为了避免在传送器线圈的不同位置处的功率传送的这种不需要的变化的解决方案，即，为了支持自由地定位接收器线圈的功能，是要设计传送器线圈，以使得其可以生成在位置方面的均勻(homogeneous)电磁场。做为例子，提出了在外边缘处附加有额外的匝线的具有线性分布的传送器线圈的“混合”结构。基于所了解的，具有相等匝线距离的匝线分布(“线性分布”)的传送器线圈在传送器线圈的中心处具有耦合峰，而如果传送器的外边缘和接收器线圈匹配，具有匝线的传送器线圈只在外边缘处具有最大的耦合。该解决方案给出了比具有相等匝线分布的线圈更好的耦合的横向均匀性，但是，其仍然具有不同的最小值和最大值。引进了稍微更好的方法，用来设计传送器线圈的匝线分布。这是具有指数i的绕组匝线的径向位置r的分布函数
ill) : I(i I(11
其中，N=匝线的数量。参数k是经验值。当k = I时，匝线是线性分布的。当k〈 I时，匝线就相对于线圈的外侧更密集。然而，此方法产生了一个结构，该结构具有对生成均匀的磁场所必需的特点，需要其以获得对横向位移上的位置的更不严重的依赖，即获得自由中毒功能。
发明内容
虽然，利用特别设计的传送器线圈，其可以生产很均匀的电磁场，并获得自由中毒功能，但其仅部分地解决了自由中毒问题。在一些其他情况中，例如，如果传送装置没有包括以上所提及的关于传送器线圈的绕组匝线分布的特别布置，则传送装置不能再生成均匀的电磁场，以及因此，接收装置不能放置在传送器线圈的任何位置上。因此，本发明的目的是为自由放置移动装置找出解决方案，无论所生成的电磁场是均匀的还是非均匀的。为此目的，提出了一种使用在接收装置中的平面接收器线圈，其用于感应地接收来自传送装置的功率。所述接收器线圈旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的所述绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。
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利用这种改进的接收线圈，包括所述改进的接收线圈的接收装置可以均匀地接收功率，无论所生成的电磁场是均匀的还是非均匀的。结果，只要接收线圈大于传送器线圈，且覆盖传送器线圈，则接收线圈就可以自由地放置在传送器线圈上。本发明还提出了一种接收装置，所述接收装置包括所提出的平面接收器线圈，所述平面接收器线圈用于感应地接收来自传送装置的功率。根据本发明的实施例，提出了一种确定接收器线圈的绕组匝线分布的算法。通过使用所提出的接收装置，所述接收装置可以接收几乎相同量的通量，即可以在传送器线圈上的任何位置上接收均匀的功率，无论由所述功率传送装置所生成的电磁场是均匀的(均等的)或非均匀的(不均等的)，只要传送器线圈小于接收器线圈且被所述接收器线圈所覆盖。以下将给出本发明的详细的说明以及其他方面。
现在参考以下所描述的实施例以及与附图一起考虑来解释本发明的特定方面，其中，相同的部分或子步骤将以相同的方式进行指示
图1A、1B和IC描绘了根据本发明的实施例的接收器线圈的一些实例；
图2描绘了电流和磁场的相互依赖性；
图3描绘了离散的且间隔相等的电流匝线的电流分布；
图4描绘了绕组中的电流密度的分布；
图5A、5B描绘了在不同电流和匝线分布中所得的磁场；
图6使用具有不同拟合参数kw (m*)的已知的拟合函数方程(I)描绘了磁场；
图7示出了根据本发明的实施例的线圈的匝线分布；
图8描绘了不同算法所得的磁场；
图9A-9C :描绘了具有分布阻线(distributed turns)和间隔相等阻线的线圈的电阻、感应性和品质因数的比较；
图10A-10C描绘了具有分布匝线的线圈的电阻、感应性和品质因数的变化，其中，所述分布匝线与间隔相等匝线相关作为拟合参数的函数；
图11描绘了具有做为参数的最小相对匝线宽度Wmin的匝线分布；
图12根据关于间隔相等匝线作为拟合参数的函数的修正分布函数，描述了具有分布匝线的线圈的电阻、感应性和品质因数的变化；
图13根据修正分布函数描绘了分布匝线的磁场；图141和图1411描绘了具有不同接收器布局的耦合均匀性的模拟；
图15描述了使用垂直距离作为参数的径向位移移的绞合线(litz wire)线圈的耦合系数；
图16A示出了包括根据本发明的实施例来设计的接收器线圈和三个传送器线圈的系统的实例； 图16B示出了从所述三个传送器线圈中的每个到所述接收器线圈的耦合电感。
具体实施例方式本发明通过创造性地应用感应地稱合的线圈的可逆律(law of reversibility),解决了接收均匀功率的问题，即传送器线圈和接收器线圈的在它们的功能上可以互换，同时保持相同的耦合系数。为了解决从非均匀磁场接收均匀通量的问题，本发明创造性地应用了传送器线圈的已知设计，所述传送器线圈能够生成用于设计接收线圈的均匀磁场，以便解决在传送器线圈的任何位置上接收均匀功率的问题。结果，提出了包括由绕组匝线组成的接收器线圈的接收装置，所述绕组匝线在线圈的外部分处比在线圈的内部分处的绕组更密集。图IA到IC描绘了绕组匝线分布的一些实例。应该理解的是，虽然为了简化附图，绕组匝线被绘制成中心在相同位置处的圆圈，但是绕组匝线还可以是且优选地是螺旋形匝线。绕组匝线在线圈的外部分处比在线圈的内部分处的绕组更密集，意味着在外部分处的两个相邻匝线的距离比在内部分处的两个相邻的匝线的距离更短。在本发明的上下文中，两个相邻匝线的距离意味着沿着两个圆形匝线的径向方向的距离，其等同于两个匝线的半径的差。为了形成完整的接收器线圈，匝线可以串联(例如单螺旋形绞合线形成九个匝线)或并联地电连接(图中未示出)。所述外部分和所述内部分可以是固定的两部分。两个部分的边界可以根据距离变化的规则确定。例如，在图IA中，接收器线圈11由从外到内被称为N1、N2…..N9的九个绕
组匝线组成。沿着径向方向的两个相邻匝线的距离被称为D12.....D67.....D89 (不是所
有的距离都在图IA中示出)。附图标记中的阿拉伯字数指的是匝线的编号，例如，匝线NI和N2之间的距离是D12。根据该实例，外侧五个匝线Nl、5均等地分布，因此，距离D12、D23、D34和D45是相等的。在内侧的四个匝线N6 N9也均等地分布，即距离D67、D78和D89也是相等的。但是距离D12、D23、D34和D45小于距离D67、D78和D89。在这个实例中，由五个外侧匝线ΝΓΝ5形成的区域被视为接收器线圈的外部分101 ;而由四个内侧匝线形成的区域则被视为内部分102。不论在外部分中还是内部分中的距离是相等的还是不相等的，只要外部分处的相邻的匝线的距离小于在外部分处的相邻的匝线的距离，就满足“在外部分处的匝线比在内部分处的匝线更密集”的要求。在外部分处的匝线和在内部分处的匝线可以具有改变规则的不同的距离。例如，在图IB中，外部分匝线Nl、5都集中在线圈的外围处，匝线Nl、5距离是零或几乎是零，它们彼此非常靠近。在内部分的两个相邻匝线的距离从外到内逐渐地增加。许多其它改变规则是可能的。例如，在外部分处的匝线具有相同的距离，而在内部分处的则不同，反之亦然。
所述外部分和所述内部分也可以是相对的概念。如图IC中的另一个实例，在线圈的整个区域处的两个相邻的匝线的距离从外到内逐渐地增加，换句话说，绕组匝线从接收器线圈的中心到接收器线圈的外边缘逐渐地更密集。例如，D89大于D78，D78大于D67，等等，在这种情况下，内部分和外部分不存在明确的边界。相对于更靠近线圈的中心的匝线，任何匝线都可被称为在外部分；同时，相对于离线圈的中心更远的匝线，此匝线还可以被称为在内部分。例如，相比于匝线Nf N4，匝线N5可以被视为在内部分处；而相比于匝线N6 N9，其也可以被视为在外部分。绕组匝线可以由绞合线制成；或者，如果在印刷电路板中，则其可以由导电匝线制成。本发明还提出了在接收装置中使用平面接收器线圈，用于感应地接收来自传送装置的功率，所述接收器线圈旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。本发明还提出了感应功率传送系统，所述系统包括接收装置和传送装置。所述接·收装置包括旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合的平面接收器线圈，所述平面接收器线圈用于感应地接收来自所述传送装置的功率，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集；以及所述传送器线圈比所述接收器线圈小。以下导出了用于设计接收线圈的算法，在所述线圈的外部分处的绕组匝线比在所述线圈的内部分处的绕组匝线更密集。根据感应地耦合的线圈的可逆率，申请人知道如果传送器线圈可以生成均匀的功率，当其用做接收器线圈时，则其可以接收均匀的功率，而无论接收器线圈沿着传送器线圈的径向方向被放置在何处。为了容易地示例算法和测量数据，该算法被解释仿佛所述接收器线圈就是传送器线圈。解决反向场问题
寻找生成理想磁场的电流匝线分布的任务与解决反向磁场问题的任务有关。原则上可以存在无穷数量的解决方案。但是，利用适当限制，则可以寻找到一个特殊的解决方案。做为限制，线圈的匝线被放置在一个层中，而线圈则是圆形或螺旋形的，且具有有限的外半径。在第一步骤中，计算线圈中的电流密度的分布，此电流密度分布应可以生成磁场，所述磁场的垂直分量在该线圈上面的特定高度处在线圈区域的上方是恒定的。然后，在第二步骤中，计算各匝线中具有恒定电流的匝线分布，所述匝线分布最大程度地减小所计算的电流密度的分布。电流分布
以离散的方法计算适当的电流分布。线圈的绕组宽度w被划分为Nturn个间隔相等的电流匝线，所述电路匝线在径向位置巧(i)具有自己单独的电流值J (i)，其中，i是电流匝线的指数。在所述线圈上方、垂直距离z处，定义了许多径向位置!^」)，其中，磁场H (j)将被指定。j表示磁场位置的指数。为了可以唯一地解决这个问题，磁场点的数量应选择与电流匝线的数量相等。各电流匝线都有助于在每个磁场位置处的磁场，如图2所示例的。在良好的近似中，所涉及的材料的性能可以被认为是线性的。在这种情况下，磁场对于电流匝线的中的一个的依赖是线性的。其可以用常数表达，如图2所指出的。该常数取决于几何性质和所涉及的材料。对于一些布置，其可以进行分析地计算它。为了获得系数中的一个，对于一个任意电流值，在一个位置处的磁场必须根据匝线中一个的电流来计算
权利要求
1.一种使用在接收装置中用于感应地接收来自传送装置的功率的平面接收器线圈，所述接收器线圈旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。
2.根据权利要求I所述的接收器线圈，其中，在所述接收器线圈的外部分处的绕组匝线被相等地分布。
3.根据权利要求I所述的接收器线圈，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线集中在所述接收器线圈的外边缘处。
4.根据权利要求I所述的接收器线圈，其中，在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线被相等地分布。
5.根据权利要求I所述的接收器线圈，其中，绕组匝线从所述接收器线圈的中心到所述接收器线圈的外边缘逐渐地密集。
6.根据权利要求I所述的接收器线圈，其中，绕组匝线根据以下算法被分布
7.根据权利要求I所述的接收器线圈，其中，绕组匝线根据以下算法进行分布，
8.根据权利要求I至7的任一项所述的接收器线圈，其中，所述绕组匝线由绞合线制成。
9.根据权利要求I至8的任一项所述的接收器线圈，其中，所述绕组匝线由在印刷电路板中的导电匝线制成。
10.一种用于感应地接收来自传送装置的功率的接收装置，其包括旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合的平面接收器线圈，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。
11.一种系统，其包括传送装置和接收装置，其中 -所述接收装置包括旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合用于感应地接收来自所述传送装置的功率的平面接收器线圈，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集； -所述传送器线圈比所述接收器线圈小。
12.—种系统，其包括传送装置和接收装置，其中 -所述传送装置具有传送器线圈阵列； 所述接收装置包括旨在与所述传送线圈阵列中的至少一个传送器线圈耦合用于感应地接收来自所述传送装置的功率的平面接收器线圈，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更S集； -在所述阵列中的各传送器线圈比所述接收器线圈小。
13.在接收装置中的平面接收器线圈的用途，用于感应地接收来自传送装置的功率，所述接收器线圈旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。
全文摘要
本发明涉及一种使用在接收装置中的平面接收器线圈，用于感应地接收来自传送装置的功率，所述接收器线圈旨在与所述传送装置的传送器线圈耦合，所述接收器线圈由绕组匝线组成，其中，在所述接收器线圈外部分处的绕组匝线比在所述接收器线圈的内部分处的绕组匝线更密集。
文档编号H01F38/14GK102906831SQ201180026470
公开日2013年1月30日 申请日期2011年5月10日 优先权日2010年5月28日
发明者E.瓦芬施米特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司