反绕感应电源的制作方法
【专利摘要】提供了一种无接触式电源。所述无接触式电源包括用于生成合作磁通量通常在其间的区的两个或更多个初级线圈（110，120）。具有次级线圈（114）的便携式设备能够被定位接近磁通量的这个区以从所述无接触式电源接收无线功率。间隔开的初级线圈能够被绕公共轴线在交替方向上缠绕并且同相地驱动，或者能够被绕公共轴线在单一方向上缠绕并且异相约180度地驱动。所述无接触式电源能够在可调整的阵列中包括多个初级线圈以适应各自具有不同的次级线圈配置和功率消耗需要的多个便携式设备。
【专利说明】反绕感应电源
【技术领域】
[0001]本发明涉及电源并且更特别地涉及能够将功率供应给各种便携式设备的无接触式电源。
【背景技术】
[0002]无接触式电源在没有机械连接的情况下将电能传递到一个或多个便携式设备。典型的无接触式电源通过初级线圈来驱动时变电流以创建时变电磁场。一个或多个便携式设备能够各自包括次级线圈。当次级线圈被放置在时变电磁场的附近时，该场在次级线圈中感生交流电，从而将功率从无接触式电源传递到便携式设备。
[0003]为了增加从无接触式电源到便携式设备的功率传递，通常期望增加初级线圈与次级线圈之间的耦合系数。同时，能够期望相对于初级线圈跨越多个位置和定向来将功率提供给次级线圈。这些目标常常是相冲突的。也就是说，实现高耦合系数能够使便携式设备局限于无接触式电源上的单个位置，然而最大化空间自由度能够降低耦合系数，并且因此降低功率传递至不合需要的水平。
[0004]稍微不同地说，使用耦合电磁场的无接触式电力系统在商业应用中已变得越来越普通。已经证明，通过感应耦合线圈传递功率的任何系统的效率与这些线圈的中心点平面之间的空间分离成反比。然而，子系统放置的空间自由度在维持发射机和接收机子系统的线圈之间的高效能量传递时的非凡预期已成为这个技术的主要聚焦区域。实现这个挑战一直是无接触式电力系统研究的主题。一些研究者的方法通过小线圈的选择性组合来允许任意定位的感知。这个方法能够要求大量线圈和对应的控制电子装置将功率供应给任意大的区域。另一方法将功率输送到任意大的区域但能够要求非常高的质量因数的电感器。此夕卜，这种类型的系统解决方案可能难以在能量到处于发射机生成的场中的任意设备中的传递中控制。
[0005]许多附加的无接触式电源已试图将某种程度的空间自由度提供给便携式设备，同时还维持初级和次级线圈之间的可接受的耦合系数。例如，一个已知的无接触式电源包括彼此平行对准的垂直定向的初级线圈的阵列。也就是说，初级线圈被定向与垂直于功率传递表面的对应中心轴线处于肩并肩关系。正交的次级线圈能够被纵长地定位在阵列中的第一和第二初级线圈之上，让中心轴线平行于功率传递表面。第一初级线圈能够被通电带有第一极性，然而第二初级线圈能够被通电带有第二极性。两个初级线圈在被次级线圈占据的区中生成合作磁通量。如果便携式设备沿着无接触式电源被移动，则一个或多个不同的初级线圈能够被通电以再次提供具有相反极性的两个基础初级线圈。
[0006]不管上述系统的优点，这样的阵列对于制造而言可能是昂贵的，并且取决于每个初级线圈在阵列中的高度能够包括高层(high-profile)横截面。此外，将初级线圈的阵列缠绕并且将其组装在这个布置中的过程在一些应用中可能是成本高昂的。因此，仍然存在对用于将功率提供给一个或多个便携式设备的改进无接触式电源的持续需要。此外，仍然存在对跨越功率传递表面上的多个位置和定向将功率供应给一个或多个便携式设备的低成本无接触式电源的持续需要。
【发明内容】
[0007]—种具有用于生成合作磁通量在其间的区的两个或更多个同轴且间隔开的初级线圈的无接触式电源。具有次级线圈的便携式设备能够被定位最接近合作磁通量的这个区以从无接触式电源接收无线功率。例如，间隔开的初级线圈能够被绕公共轴线在交替方向上缠绕并且同相地驱动，或者能够被绕公共轴线在单一方向上缠绕并且彼此异相约180度地驱动。
[0008]在一个实施例中，所述无接触式电源包括从单个反绕电导体缠绕的第一和第二初级线圈。第一初级线圈能够被在第一方向上缠绕一匝或多匝，而第二初级线圈能够被在第二方向上缠绕一匝或多匝，其中每个线圈被绕公共轴线缠绕。第一和第二初级线圈能够被彼此间隔开以定义通常在其间的功率传递区。第一和第二线圈合作以当被时变电流驱动时在第一和第二线圈之间的区中提供累积磁通量。
[0009]在另一实施例中，所述无接触式电源包括在公共轴线周围并且在公共方向上缠绕以定义通常在其间的功率传递区的第一和第二初级线圈。第一和第二初级线圈能够各自被电力地连接到电源。电源能够彼此异相约180度地驱动第一和第二初级线圈以在通常在第一和第二初级线圈之间的区中提供合作磁通量。例如，第一和第二初级线圈可以被连接到相同的驱动器但具有相反极性，或者可以被连接到单独的驱动器。
[0010]在又一个实施例中，所述无接触式电源包括支承彼此间隔开的第一多个初级线圈的通常平面的线轴(bobbin)。所述第一多个初级线圈中的至少两个能够被彼此异相约180度选择性地驱动以在通常在各初级线圈之间的区中提供累积磁通量。平面线轴还能够支承通常与所述第一多个初级线圈垂直的第二多个初级线圈。视需要，所述第二多个初级线圈中的至少两个能够被彼此异相约180度选择性地驱动以提供累积磁通量在其间的区，可选地与由所述第一多个初级线圈所提供的磁通量协作。
[0011]在再一个实施例中，提供了用于形成无接触式电源的方法。所述方法包括:在第一方向上缠绕导电元件一匝或多匝以提供第一初级线圈；在第二方向上缠绕导电元件一匝或多匝以提供第二初级线圈；以及电力地将导电元件的第一和第二端部分连接到电源。所述电源能够用时变电流驱动导电元件以在通常在相反地缠绕的初级线圈之间的区中生成磁通量。
[0012]在另一实施例中，提供了用于形成无接触式电源的方法。所述方法包括:将具有第一和第二端部分的导电元件缠绕两匝或更多匝；在相邻匝之间切断导电元件以提供两个单独的初级线圈；以及电力地将单独的初级线圈连接到电源但具有相反极性或者连接到彼此异相180度操作的单独电源。所述电源或多个电源能够通过相邻初级线圈在反向方向上生成时变电流以生成合作磁通量通常在各线圈之间的区。
[0013]在另一实施例中，提供了用于玩具车辆的轨道段。所述轨道段包括与轨道表面相邻布置的第一或第二间隔开的初级线圈。第一和第二初级线圈能够在反向方向上被驱动以提供合作磁通量通常在其间的区。玩具车辆能够包括相对于第一和第二初级线圈正交的次级线圈。次级线圈能够将功率提供给能量存储设备，所述能量存储设备进而能够将功率提供给内部电机。轨道段能够与初级线圈一致地循环以将连续功率提供给玩具车辆而不管它在轨道上的位置如何。
[0014]在再一个实施例中，所述无接触式电源包括被适配成选择性地给两个或更多个初级线圈通电以在被便携式设备占据的区中提供磁通量的驱动电路。驱动电路被进一步适配成检测已通电初级线圈之中的不平衡电流状态，并且然后用基本上类似的电流值来驱动已通电初级线圈。驱动电路能够可选地调整通电初级线圈之中的干线电压、相位滞后、占空t匕、驱动频率和/或阻抗以在通电初级线圈之中实现基本上类似的电流值。
[0015]在又一个实施例中，所述驱动电路包括第一可调整的干线电压驱动器和第二可调整的干线电压驱动器。第一驱动器能够用时变驱动电流给第一初级线圈通电，而第二驱动器能够用基本上相同的时变驱动电流给第二初级线圈通电。驱动电路能够进一步包括第一和第二电流传感器以检测通电初级线圈之中的电流值中的发散。驱动电路能够通过成比例地增加或者减少第一和第二驱动器中的一个的输出来补偿电流值中所检测到的发散。
[0016]本发明的实施例因此能够提供用于将功率供应给便携式设备的改进无接触式电源。通过在各初级线圈之间的各区中生成累积磁通量，所述无接触式电源将改进的功率传递提供给便携式设备。所述无接触式电源还能够提供可调整阵列以提供空间自由度并且以适应具有不同的次级配置的便携式设备。此外，当与现有方法相比时本发明的实施例能够被以降低的成本制造。本发明的实施例还能够根据功率传递需要被按照预期调整大小，并且能够包括用于与印刷电路板和其他设备一起使用的模块化初级线圈阵列。
[0017]本发明的这些及其他优点和特征通过参考当前实施例和图的描述将被更全面地理解和领会。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是无接触式电源的透视图。
[0019]图2是异相地驱动的第一和第二初级线圈的图示。
[0020]图3A-3D是异相地驱动的第一和第二初级线圈的图示。
[0021]图4是同相地驱动的第一和第二反绕初级线圈的图示。
[0022]图5A是异相地驱动的两个初级线圈和同相地驱动的反绕初级线圈的电路图。
[0023]图5B是包括用于两个初级线圈的单个变换器的电路图。
[0024]图5C是包括用于两个初级线圈的单个变换器的电路图。
[0025]图6是用来在正交次级线圈中共同地或者个别地感生电流的多个初级线圈的图
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[0026]图7是初级线圈阵列的示意表示。
[0027]图8是具有正交初级线圈的初级线圈阵列的示意表示。
[0028]图9是图8的初级线圈阵列的示意表示。
[0029]图10是图示了用于定位次级线圈的第一方法的初级线圈阵列的示意表示。
[0030]图11是图示了用于定位次级线圈的第二方法的初级线圈阵列的示意表示。
[0031]图12是图不了用于定位次级线圈的第二方法的初级线圈阵列的不意表不。
[0032]图13A-13B是包括磁芯材料的初级线圈阵列的图示。
[0033]图14是用于印刷电路板的模块化初级线圈阵列的图示。
[0034]图15A-15B是包括抗磁材料的初级线圈阵列的图示。[0035]图16是用于初级线圈阵列的线轴的透视图。
[0036]图17是双线圈初级线圈阵列的透视图。
[0037]图18是图17的双线圈初级线圈阵列的透视图。
[0038]图19是包括抗磁层的图17的双线圈初级线圈阵列的透视图。
[0039]图20是三线圈初级线圈阵列的透视图。
[0040]图21是四线圈多轴初级线圈阵列的透视图。
[0041]图22是六线圈多轴初级线圈阵列的透视图。
[0042]图23是包括多个初级线圈阵列的印刷电路板的透视图。
[0043]图24是图示了次级线圈与初级线圈阵列之间的耦合系数々的三维图。
[0044]图25是图示了被适配成校正通电初级线圈之中的不平衡电流状态的无接触式电源的电路图。
[0045]图26是图示了可调整的干线电压、相位以及占空比的图25的电路图。
[0046]图27是图示了包括模拟电路以检测不平衡电流状态的无接触式电源的电路图。
[0047]图28是包括跨越公共节点连接的初级线圈的无接触式电源的电路图。
[0048]图29是包括单个可调整的干线电压和跨越公共节点连接的初级线圈的无接触式电源的电路图。
【具体实施方式】
[0049]当前实施例涉及用于无接触式电源的系统和方法。所述系统通常包括用于生成合作磁通量通常在其间的区的两个或更多个间隔开的初级线圈。例如，如在下面所说明的那样，间隔开的初级线圈能够被绕公共轴线在交替方向上缠绕并且同相地驱动，或者能够被绕公共轴线在单一方向上缠绕并且彼此异相约180度地驱动。
[0050]1.第一实施例
更具体地，并且参考图1-5，依照第一实施例的无接触式电源被示出并且一般地标明100。虽然在图1-5中被描述为与用于玩具车辆的环接轨道段相关，但是应该注意的是，无接触式电源100不限于轨道段，并且能够适于跨越各式各样应用。例如，无接触式电源100可以是弯曲或平面的，并且能够被调整大小成将功率提供给具有次级线圈的基本上任一便携式设备，例如，包括移动电话、数码相机、个人数字助理、平板计算机、膝上型计算机或可充电的电池组。作为另一示例，线圈的阵列能够被共同布置成形成大充电区。
[0051]现参考图1-5，用于环接轨道段的无接触式电源100包括靠近功率传递表面106布置的第一初级线圈102和第二初级线圈104。第一和第二初级线圈102、104被间隔开并且被电力地连接到驱动电路108。此外，第一和第二初级线圈102、104通常是同轴的。也就是说，第一和第二初级线圈102、104被端对端地间隔开以通常定义公共中心轴线。为了生成合作磁通量通常在第一和第二初级线圈102、104之间的区，驱动电路108能够相对于第二初级线圈104异相地驱动第一初级线圈102。例如，并且如图2中所示,驱动电路108能够用在第一方向上的电流同时地驱动第一初级线圈102而用在不同于第一方向的第二方向上的电流来驱动第二初级线圈104。结果，第一和第二初级线圈102、104合作以在通常在第一和第二初级线圈102、104之间的区中提供累积磁通量。
[0052]无接触式电源100能够为便携式设备110提供无线功率的源。便携式设备110能够包括适当地适配成接收无线功率的任何设备。例如，如图1中所示，便携式设备能够包括被配置成绕环接轨道段112运行的玩具车辆110。玩具车辆110或其他便携式设备能够包括通常与第一和第二初级线圈102、104正交的次级线圈114。例如，玩具车辆110能够包括缠绕在至少部分地贯穿第一和第二初级线圈102、104之间的区的轴线周围的次级线圈114。虽然在图2-4中被示出为通常与第一和第二初级线圈102、104正交，但是次级线圈114能够相对于第一和第二初级线圈102、104成角度或者倾斜，至少具有正交分量。在一些实施例中，仅次级线圈114的一部分是在第一和第二初级线圈102、104之间的区，其中如本文所用的在第一和第二初级线圈102、104 “之间”包括上下区域以及以第一和第二初级线圈102、104为界的间隙，包括在功率传递表面106之上的区。例如，次级线圈114能够被定位成至少部分地到覆盖在初级线圈102、104中的一个或多个上面，同时仍然包括为在初级线圈102、104之间的一部分。在其他实施例中，次级线圈114能够像图2-4中所示出的那样被至少部分地直接地定位在初级线圈102、104之间，其中初级线圈102、104径向地在次级线圈114外面。此外，次级线圈114能够偏移第一和第二初级线圈102、104之间的中间(midway),更接近于第一初级线圈102或第二初级线圈104,或者更接近于初级线圈102、104的正向或奖励(reward)部分。
[0053]当第一和第二初级线圈102、104中的时变电流被在相反的方向上驱动时，来自第一和第二初级线圈102、104的累积磁通量能够在次级线圈114中感生电流。例如，并且如图2中所示，当第一初级线圈102被用渐增的顺时针电流驱动时，次级线圈能够生成渐增的正交顺时针电流。此外，当第二初级线圈104被用渐增的逆时针电流驱动时，次级线圈能够生成附加渐增的正交顺时针电流。因此，第一和第二初级线圈102、104合作以在次级线圈114中感生累积电流。次级线圈114然后能够将功率提供给负载。例如，负载能够包括用来为玩具车辆110提供原动力的电动机。可替换地，次级线圈114能够将功率提供给能量存储设备，诸如电池或电容器，其能够进而将功率提供给负载。无接触式电源100因此能够沿着基本上整个驱动表面106为定位于其上的玩具车辆提供连续功率的源。
[0054]如上面所指出的那样，无接触式电源100能够包括驱动电路108以用时变电流驱动第一和第二初级线圈102、104。驱动电路108能够包括单个变换器以驱动第一和第二初级线圈102、104，或者能够包括两个或更多个变换器以驱动第一和第二初级线圈102、104。在两个或更多个变换器被利用情况下，第一变换器122能够将第一时变电流提供给第一初级线圈102，而第二变换器124能够将第二时变电流提供给第二初级线圈104，可选地共享驱动频率。如果第一和第二初级线圈102、104在相同的方向上被缠绕，则变换器122和124能够异相约180度地驱动第一和第二初级线圈102、104。如果第一和第二初级线圈102、104被反绕，则变换器126或变换器122和124能够近似同相地驱动第一和第二初级线圈102、104。
[0055]作为用专用变换器122、124来驱动初级线圈102、104的替代方案，驱动电路108能够包括单个变换器126以将时变电流提供给第一和第二反绕初级线圈102、104。例如，反绕初级线圈102、104能够像图5A中所示出的那样被串联连接，或者反绕初级线圈102、104能够被并联连接但具有相反极性。如图5B-5C中所示，无接触式电源100能够可替换地包括用于即同相地且异相地驱动初级线圈102、104的多个开关。例如,如果初级线圈102、104未被反绕，则它们能够通过闭合开关123和125同时开关121和127保持断开而被异相地驱动。然而如果图5B中所示出的初级线圈102、104被反绕，则初级线圈102、104能够通过闭合开关123和127同时开关121和125保持断开而被同相地驱动。类似地，图5C中的初级线圈102、104能够通过闭合开关121、123’、125’以及127同时剩余的开关保持断开而被异相地驱动。图5C的初级线圈102、104能够通过闭合开关121’、123、125’以及127同时剩余的开关保持断开而被同相地驱动。各开关能够可选地由与变换器126相关联的微控制器来控制以像与图10-12相关地在下面更全面地阐述的那样迅速地搜索一个或多个次级线圈114。虽然示出有两个初级线圈102、104，但是这些实施例很适合于在将功率供应给三个或更多个初级线圈的阵列中使用。例如，变换器126能够被用来选择性地给η个数目的并联连接的初级线圈通电(a)以搜索或者以定位一个或多个便携式设备并且(b)以增强阵列与一个或多个便携式设备之间的功率传递。例如，附加的初级线圈能够跨越+Vac和-Vac被电力地连接以提供η个数目的选择性地通电的初级线圈的阵列。
[0056]I1.第二实施例
现参考图6-15，依照第二实施例的无接触式电源100包括用于在一个或多个通常正交的次级线圈140中感生电流的初级线圈阵列130。初级线圈阵列130能够包括彼此间隔开并且缠绕在公共轴线周围以及用于在其上接收远程设备的功率传递表面下方的多个初级线圈132、134、136。初级线圈132、134、136能够被个别地或者共同地控制以在被远程设备并且尤其是次级线圈140占据的区中生成合作磁通量。在一个实施例中，两个初级线圈132和136被彼此异相180度选择性地驱动以在其间提供累积磁通量，同时可选地使中间初级线圈134短路。虽然仅一个中间线圈134被示出，但是任何数目的中间线圈都能够被包括在被驱动的初级线圈132和136之间。例如，初级线圈阵列130能够包括η个数目的初级线圈，其在一和η个数目的被驱动以提供磁通量的区的初级线圈之间。
[0057]如图7中所示,被激活的初级线圈能够包括与次级线圈140近似成切线对齐的那些初级线圈。例如，第一多个初级线圈142能够被同相地驱动以在次级线圈140中感生电流，而第二多个初级线圈144能够被基本上异相地驱动以在次级线圈140中感生电流。例如，第一和第二初级线圈能够被异相约180度地驱动。所述第一和第二多个初级线圈142、144能够被彼此间隔开，并且能够合作以在次级线圈140中感生顺时针或逆时针电流。在这个实施例中，磁通量局限于与和初级线圈阵列130的初级线圈成切线对齐的次级线圈140的该部分重合。因此，初级线圈阵列130被适当地适配成将功率提供给多个不同尺寸的次级线圈。此外，初级线圈阵列130通过同时地将功率提供给在沿着初级线圈阵列130的多个位置中的多个次级设备来给予一种或多种程度的空间自由度。
[0058]虽然上面被描述为具有缠绕在单个轴线周围的多个初级线圈，但是初级线圈阵列130还能够包括缠绕在通常与第一轴线垂直的第二轴线周围的附加的多个初级线圈。如图8-9中所示，初级线圈阵列130能够包括在正交方向上缠绕以更紧密地耦合到对应次级线圈140的线圈。被激活的初级线圈能够包括与次级线圈140近似成切线对齐的那些初级线圈。例如，所选水平的初级线圈146和147能够被在相反的方向上驱动以在次级线圈140中感生电流，并且所选垂直的初级线圈148和149能够被在相反的方向上驱动以在次级线圈140中感生电流。所选初级线圈如果反绕则能够被同相地驱动，或者如果在相同的方向上缠绕则异相地驱动。因为仅与次级线圈140成切线对齐的那些初级线圈被通电，所以无接触式电源100最小化来自耦合差的初级线圈的功率损耗。如图9中所示，正交地缠绕的初级线圈能够导致通常与次级线圈140的形状相对应的通量的封闭区150。虽然次级线圈140被示出为通常为圆形的，但是次级线圈140可以是基本上任何尺寸和形状，例如，包括弯曲配置或多边形配置。
[0059]在特定应用中能够期望标识一个或多个便携式设备的存在并且仅给与包含在(一个或多个)便携式设备内的(一个或多个)次级线圈紧密地耦合的那些初级线圈通电。如果初级线圈阵列130被适配用于无论个别地还是同时地与各具有不同形状、尺寸或定向的各种次级线圈一起使用则这可以是特别有用的。如图10中所示，例如，初级线圈阵列能够包括第一和第二列同轴初级线圈。为了标识一个或多个次级线圈的位置，驱动电路108能够同时地在相邻初级线圈的方向相反的方向上给每个初级线圈通电。相邻初级线圈如果被反绕则能够被同相地驱动，或者如果在相同的方向上缠绕则异相地驱动。通过监控每个初级线圈的电流、电压和/或相位，与次级线圈140最接近地对齐的初级线圈能够被选择。例如，所选初级线圈能够包括展示至少门限电流响应的那些初级线圈。这能够包括两个相邻初级线圈、被中间初级线圈分离的两个初级线圈或两者的组合。随着所期望的初级线圈被选择，但是次级线圈140能够像上面与图6-7相关地基本上阐述的那样被供电。
[0060]可替换地，并且如图11中所示，第一初级线圈152能够在第一方向上被通电，而剩余初级线圈中的一些或全部能够在相反的方向上被依次通电。随着通量区域150逐渐地增力口，已通电初级线圈中的电流、电压和/或相位能够变化。与次级线圈140最接近地对齐的(一个或多个)初级线圈能够通过监控初级线圈电流、电压或相位而被选择。例如，所选初级线圈能够包括展示至少门限电流响应的初级线圈。经标识的初级线圈能够包括相邻初级线圈、被中间初级线圈分离的初级线圈或其组合。根据用于定位次级线圈140的另一方法，初级线圈阵列130能够在相邻初级线圈的方向相反的方向上驱动每个初级线圈。初级线圈阵列130通过驱动如图12中所示出的成对的初级线圈来重复这个过程。例如，当初级线圈的剩余配对被在第二方向上驱动时初级线圈的交替配对能够被在第一方向上驱动。与次级线圈140最接近地对齐的初级线圈能够通过监控其电流、电压或相位而被选择。例如，所选初级线圈能够包括展示至少门限电流响应的初级线圈。如上面所指出的那样，经标识的初级线圈能够包括相邻初级线圈、被中间初级线圈分离的初级线圈或其组合。
[0061]实施例还能够包括各种材料以塑造或者以其他的方式增强通常在通电初级线圈之间的区中的磁通量。如图13-14中所示，例如，初级线圈阵列130能够包括至少部分地贯穿相邻初级线圈102、104的芯的铁磁材料152。如图13B中所示，铁磁材料152能够通过次级线圈110向下限制或者引导感生电流磁通线。例如，铁磁材料152可以是任何适合的形状，并且可以是圆柱形的或通常为平面的。此外，铁磁材料152能够同时地当作通量导向器以降低次级线圈110与来自初级线圈阵列130下面的任何消除电流通量之间的相互作用。也就是说，铁磁材料152能够导引来自远离次级线圈110的初级线圈阵列130下面的消除电流通量(并且通常通过初级线圈102、104)以不干扰在初级线圈阵列130之上的感生电流通量。可替换地，或者此外，抗磁芯材料152还能够被利用来抑制被初级线圈110占据的区中的任何消除电流通量。如图15A-15B中所示，无接触式电源100还能够包括一个或多个铁磁或抗磁材料160以分别导引或者抑制其中不存在次级线圈110的各区中的磁通量。铁磁或抗磁材料160的层能够在次级线圈110的对面延伸。例如，抗磁材料能够包括展示主要抗磁属性包括铜和铅的适合材料。可替换地，抗磁材料160还能够包括在存在交变电磁场的情况下展示抗磁属性的导电材料，包括例如铝、铋热解石墨以及超导材料。如与图23相关地在下面所指出的那样，初级线圈阵列130还能够形成待耦合到电路板154或其他表面的模块化单元。
[0062]II1.第三实施例
除上面所描述的实施例之外，初级线圈阵列的另一个示例在图16-23中被示出并且一般地标明170。初级线圈阵列170能够包括通常为平面的线轴172和彼此间隔开的多个初级线圈182、184。用于形成初级线圈阵列170的方法包括在线轴172的间隔开的各部分周围缠绕导电元件174。导电元件174能够包括与第二初级线圈184间隔开的第一初级线圈182。第一和第二初级线圈182、184能够被反绕，或者能够在相同的方向上被缠绕。如果被反绕，则第一和第二初级线圈182、184能够被基本上同相地驱动以生成合作磁通量在其间的区。如果在相同的方向上被缠绕，则导电元件174能够在第一和第二初级线圈182、184之间被切断。每个初级线圈182、184然后能够被连接到变换器并且异相约180度地驱动。可替换地，切头能够被连接到相邻初级线圈的自由端。基本上像初级线圈182、184被反绕一样结果得到的串联初级线圈182、184能够被用交流电驱动。因此，初级线圈阵列170的组装能够通过分离由单个导电元件174形成的相邻初级线圈182、184而被大大地简化。不是连续地换向导电元件174沿着线轴172的方向，而是每个初级线圈182、184的切头能够被电力地连接到根据各式各样配置的驱动电路。
[0063]再次参考图16-23，线轴172能够包括一个或多个导向件176以在相应的通道177内对齐相邻初级线圈。此外，线轴172能够可选地包括多个紧固件178和多个通孔180以个别地将每个初级线圈182、184、186连接到电源。如图18-20中所示，初级线圈182、184、186能够各自包括通过线轴172中的对应通孔182被导引的第一和第二端部分190、192。如图19中所示，初级线圈阵列170能够包括置于线轴172之间并且如与图15相关地上面所阐述的抗磁材料194的层。可替换地,或者此外,基础电路板196它本身能够包括抗磁材料以抑制在电路板196之下的区中的磁通量。
[0064]可选地，初级线圈阵列170的每个初级线圈都能够被电力地连接到如与图5A-5C相关地上面所阐述的驱动电路108。例如,初级线圈阵列170的每个初级线圈都能够基本上像与图5B-5C的初级线圈102和104相关地上面所阐述的那样跨越+Vac和-Vac被连接。图5B-5C的变换器126能够被用来选择性地给初级线圈通电以搜索一个或多个便携式设备并且以增强初级线圈170阵列与一个或多个便携式设备之间的功率传递。如图21-23中所示，变换器126和线轴172还能够被配置成支承相对于所述第一多个初级线圈184、186、188通常正交的第二多个初级线圈198、200、202。所述第二多个线圈中的至少两个能够在相反的方向上被选择性驱动以提供累积磁通量在其间的区。磁通量的这个区能够可选地与由所述第一多个线圈所提供的磁通量的区协作。磁通量的组合区或带能够局限于与叠加次级线圈重合，从而最小化通过稱合差的初级线圈的功率损耗。多个初级线圈阵列170能够被方便地施加到其中较大功率传递区域是期望的印刷电路板196。
[0065]IV.第四实施例
在第四实施例中，提供了用于生成将功率传递到平表面上的任意位置中的次级线圈同时维持初级线圈与次级线圈之间的高耦合系数的场的无接触式电源和方法。如在下面所描述的那样，多个线圈相结合地能够有效地创建与次级线圈具有相对较高的耦合系数的可移动通量生成区。
[0066]如图22中所示，传递侧通量生成器的基本结构包括缠绕在普通NiZn铁氧体芯附近的铜辫编线182、184、186、198、200、202的许多线圈。所有的线圈由类似的标准线(例如I mm)构成，具有类似的匝数，例如20匝，并且在相同的方向上缠绕。铁氧体芯被以比它是厚的(在这种情况下53 _ X 53 _ X 2.5 mm)相当较广且较长的方式构建。在各线圈之下是用来降低存储的能量的铜层194 (在图19中示出)。相结合地操作的每对线圈能够被认为是具有电感Lp的电感器。如果经组合的电感器Lp生成被链接到次级电感器Ls的通量，则耦合系数A能够根据以下公式被定义:
【权利要求】
1.一种用于将功率提供给至少一个远程设备的无接触式电源，包括: 第一感应初级线圈，其用来当被用第一时变电流驱动时提供电磁通量，所述第一感应初级线圈定义第一中心线轴线； 第二感应初级线圈，其用来当被用第二时变电流驱动时提供电磁通量，所述第二感应初级线圈定义第二中心线轴线；以及 功率传递表面，其用来在其上接收所述至少一个远程设备，其中所述第一和第二感应初级线圈是在所述功率传递表面 下方，并且其中所述中心线轴线通常与所述功率传递表面平行，所述第一和第二感应初级线圈可操作来在所述功率传递表面通常在所述第一和第二感应初级线圈之间的区中定义累积磁通量。
2.根据权利要求1所述的无接触式电源，其中所述第一感应初级线圈被绕第一方向缠绕而所述第二感应初级线圈被绕不同于所述第一方向的第二方向缠绕。
3.根据权利要求2所述的无接触式电源，其中所述第一和第二感应初级线圈被电力地串联耦合借此所述第一和第二时变电流是相等的。
4.根据权利要求1所述的无接触式电源进一步包括: 第一驱动器，其被电力地耦合到所述第一感应初级线圈以生成所述第一时变电流；以及 第二驱动器，其被电力地耦合到所述第二感应初级线圈以生成所述第二时变电流，其中所述第一和第二时变电流是基本上异相的。
5.根据权利要求1所述的无接触式电源进一步包括铁磁芯元件，其中所述第一和第二感应初级线圈被绕所述铁磁芯元件缠绕。
6.根据权利要求1所述的无接触式电源进一步包括在所述功率传递表面对面的抗磁元件，其中所述第一和第二感应初级线圈被定位于其间。
7.根据权利要求1所述的无接触式电源进一步包括包括第一和第二通道的线轴，其中所述第一和第二感应初级线圈分别在所述第一和第二通道内被绕所述线轴缠绕。
8.根据权利要求7所述的无接触式电源，其中所述线轴是基本上平面的。
9.根据权利要求1所述的无接触式电源，进一步包括与所述第一和第二感应初级线圈正交的第三和第四同轴感应初级线圈。
10.根据权利要求1所述的无接触式电源，其中: 所述至少一个远程设备可沿着所述功率传递表面上的多个位置定位；并且 所述至少一个远程设备包括通常与所述第一和第二感应初级线圈正交的感应次级线圈。
11.一种用于将无线功率提供给远程设备的方法，包括: 提供包括缠绕在第一轴线周围的第一多个感应初级线圈的无接触式电源；以及用相应的时变电流来驱动所述第一多个感应初级线圈的第一和第二感应初级线圈以在通常在所述第一和第二感应初级线圈之间的区中给所述远程设备提供第一累积磁通量。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括: 测量所述第一和第二感应初级线圈中的电流或电压；以及 将所述第一和第二感应初级线圈驱动至平衡状态，在所述平衡状态中所述第一和第二感应初级线圈中的每一个中的所述电流或所述电压是基本上相等的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中驱动至平衡状态包括改变所述第一和第二感应初级线圈中的一个中的所述时变电流的幅度、占空比以及频率中的一个。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括: 测量所述第一和第二感应初级线圈中的电流或电压；以及 将所述第一和第二感应初级线圈驱动至不平衡状态，在所述不平衡状态中所述第一和第二感应初级线圈中的每一个中的所述电流或所述电压是基本上不同的。
15.根据权利要求14所述的方法，其中驱动至不平衡状态包括改变所述第一和第二感应初级线圈中的一个中的所述时变电流的所述幅度、所述占空比以及所述频率中的一个。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述驱动步骤包括: 用第一时变电流来驱动所述第一感应初级线圈； 用第二时变电流来驱动所述第二感应初级线圈； 改变所述第一和第二时变电流中的至少一个的相位以控制提供给所述远程设备的所述第一累积磁通量。
17.根据权利要求11所述的方法，其中: 所述第一和第二感应初级线圈被绕所述第一轴线在相同的方向上缠绕；并且 所述相应的时变电流是基本上异相的。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一感应初级线圈被绕所述第一轴线在第一方向上缠绕，而所述第二感应初级线圈被绕所述第一轴线在第二方向上缠绕。
19.根据权利要求11所述的方法，进一步包括: 提供缠绕在通常与所述第一轴线垂直的第二轴线周围的第二多个感应初级线圈；以及用相应的时变电流来驱动所述第二多个感应初级线圈的第一和第二感应初级线圈以在通常被所述远程设备占据的所述区中生成第二累积磁通量。
20.根据权利要求19所述的方法进一步包括提供用于在其上接收所述远程设备的功率传递表面，所述第一和第二多个感应初级线圈通常在所述功率传递表面下方。
21.根据权利要求11所述的方法，其中所述相应的时变电流包括第一幅度和不同于所述第一幅度的第二幅度。
22.一种用于制造无接触式电源的方法，其包括: 提供具有第一和第二端部分的导体； 在第一方向上缠绕所述导体以形成第一感应初级线圈； 在不同于所述第一方向的第二方向上缠绕所述导体以形成第二感应初级线圈，所述第一和第二感应初级线圈被间隔开并且基本上同轴；以及 电力地将所述第一和第二导体端部分连接到可操作来用时变电流驱动所述导体的电源。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一和第二感应初级线圈各自定义基本上相同的阻抗。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述导体是第一导体并且进一步包括: 在第一方向上缠绕第二导体以形成第三感应初级线圈并且在第二方向上缠绕所述第二导体以形成第四感应初级线圈，所述第三和第四感应初级线圈被彼此间隔开并且通常与所述第一和第二感应初级线圈正交；并且其中，所述第三和第四感应初级线圈中的每一个都环绕所述第一和第二感应初级线圈的一部分。
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括电力地将所述第二导体连接到所述电源。
26.一种用于制造无接触式电源的方法，其包括: 缠绕第一导体以形成第一和第二同轴感应初级线圈； 在所述第一和第二感应初级线圈之间切断所述第一导体；以及电力地将所述第一和第二感应初级线圈连接到可操作来用时变电流驱动所述第一和第二感应初级线圈的电源，其中所述第一和第二感应初级线圈被间隔开以定义累积磁通量在其间的区。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一和第二感应初级线圈中的每一个都包括电力地连接到所述电源的第一和第二引线。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述电源包括第一和第二驱动器，所述方法进一步包括: 电力地将所述第一感应初级线圈的所述第一和第二引线连接到所述第一驱动器；以及 电力地将所述第二感应初级线圈的所述第一和第二引线连接到所述第二驱动器。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述电源包括驱动器，所述方法进一步包括: 电力地将所述第一感应初级线圈的所述第一和第二引线连接到所述驱动器；以及 电力地将所述第二感应初级线圈的所述第一和第二引线连接到所述驱动器。
30.根据权利要求26所述的方法，其中所述电源包括用于选择性地基本上同相地和基本上异相地驱动所述第一和第二感应初级线圈的开关电路。
31.根据权利要求26所述的方法进一步包括缠绕第二导体以形成第三和第四同轴感应初级线圈，其中所述第三和第四感应初级线圈环绕所述第一和第二感应初级线圈的一部分并且通常与所述第一和第二感应初级线圈正交。
32.一种无接触式供电系统，其包括: 包括感应次级线圈的远程设备；以及 无接触式电源，其包括功率传递表面以在其上接收所述远程设备并且包括在所述功率传递表面下方而且定义通常与所述功率传递表面平行的中心线轴线的第一和第二同轴感应初级线圈， 其中所述感应次级线圈与所述第一和第二感应初级线圈正交，并且其中所述第一和第二感应初级线圈可操作来在通常被所述正交感应次级线圈占据的所述功率传递表面的所述区中生成累积磁通量。
33.根据权利要求32所述的无接触式供电系统，其中所述第一感应初级线圈被绕第一方向缠绕而所述第二感应初级线圈被绕不同于所述第一方向的第二方向缠绕。
34.根据权利要求33所述的无接触式供电系统，其中所述第一和第二感应初级线圈被电力地串联耦合。
35.根据权利要求32所述的无接触式供电系统，进一步包括: 第一驱动器，其 被电力地耦合到所述第一感应初级线圈以生成所述第一时变电流；以及第二驱动器，其被电力地耦合到所述第二感应初级线圈以生成所述第二时变电流，其中所述第一和第二时变电流是基本上异相的。
36.根据权利要求32所述的无接触式供电系统进一步包括铁磁芯元件，其中所述第一和第二感应初级线圈被绕所述铁磁芯元件缠绕，并且其中所述铁磁芯元件将所述累积磁通量导向通常被所述感应次级线圈占据的所述功率传递表面的所述区。
37.根据权利要求32所述的无接触式供电系统，进一步包括在所述第一和第二感应初级线圈下方以增加在通常被所述感应次级线圈占据的所述功率传递表面的所述区中的所述累积磁通量的抗磁元件。
38.根据权利要求37所述的无接触式供电系统，其中所述抗磁元件是基本上平面的并且通常与所述功率传递表面同延，所述第一和第二感应初级线圈通常被定位在所述抗磁元件与所述功率传递表面之间。
39.根据权利要求32所述的无接触式供电系统进一步包括基本上平面的线轴，其中所述第一和第二感应初级线圈被绕所述基本上平面的线轴缠绕。
40.一种用于将无线功率提供给包括感应次级线圈的远程设备的方法，所述方法包括: 提供包括缠绕在第一轴线周围的第一多个间隔开的感应初级线圈的第一初级线圈阵列； 在第一方向上用电流驱动所述多个感应初级线圈中的第一感应初级线圈；以及在第二方向上用电 流驱动所述多个感应初级线圈中的第二感应初级线圈，其中所述感应次级线圈通常与所述第一和第二感应初级线圈正交，并且其中所述第一和第二感应初级线圈通常成切线与所述感应次级线圈对齐以将累积磁通量提供给所述感应次级线圈。
41.根据权利要求40所述的方法，进一步包括: 提供包括缠绕在通常与所述第一轴线正交的第二轴线周围的第二多个间隔开的感应初级线圈的第二初级线圈阵列； 在第一方向上用电流驱动所述第二多个感应初级线圈中的第一感应初级线圈；以及在第二方向上用电流驱动所述第二多个感应初级线圈中的第二感应初级线圈，其中所述第二多个感应初级线圈中的所述第一和第二感应初级线圈成切线与所述感应次级线圈对齐以对所述感应次级线圈的所述累积磁通量做出贡献。
42.根据权利要求40所述的方法，进一步包括监控所述第一和第二感应初级线圈中功率的特性以检测所述感应次级线圈在所述第一和第二感应初级线圈附近的存在。
43.根据权利要求42所述的方法，其中功率的所述特性包括电流、电压以及相位中的至少一个。
44.根据权利要求40所述的方法，其中所述第一初级线圈阵列包括铁磁芯元件。
45.根据权利要求4040所述的方法，其中所述第一初级线圈阵列包括基本上平面的线轴。
46.根据权利要求40所述的方法，其中所述感应次级线圈基本上与所述第一多个感应初级线圈正交。
47.根据权利要求40所述的方法，进一步包括提供通常平面的功率传递表面以在其上可移动地接收所述远程设备。
48.一种无接触式电源，其包括: 功率传递表面以在其上接收至少一个远程设备； 第一初级线圈阵列，其在所述功率传递表面下方并且包括各自被绕通常与所述功率传递表面平行的轴线缠绕的多个间隔开的感应初级线圈；以及 电力地连接到所述多个感应初级线圈中的每一个的电源，其中所述电源可操作来选择性地驱动所述多个感应初级线圈中的前两个以定义第一累积电磁通量并且可操作来选择性地驱动所述多个感应初级线圈中的后两个以定义第二累积电磁通量。
49.根据权利要求48所述的无接触式电源，其中: 所述电源可操作来基本上异相地驱动所述多个感应初级线圈中的所述前两个；并且 所述电源可操作来基本上异相地驱动所述多个感应初级线圈中的所述后两个。
50.根据权利要求48所述的无接触式电源，其中: 所述多个感应初级线圈中的所述前两个被第一距离分离；并且 所述多个感应初级线圈中的所述后两个被不同于所述第一距离的第二距离分离。
51.根据权利要求48所述的无接触式电源，其中所述电源可操作来监控所述多个感应初级线圈中功率的特性以检测远程设备在所述第一初级线圈阵列附近的存在。
52.根据权利要求48所述的无接触式电源，进一步包括在所述功率传递表面下方并且包括各自被绕通常与所述第一初级线圈阵列正交的轴线缠绕的多个间隔开的感应初级线圈的第二初级线圈阵列。
53.根据权利要求48所述的无接触式电源，其中所述电源包括用于同时地基本上异相地驱动所述多个感应初级线圈中的至少两个的驱动器和开关电路。
54.根据权利要求48所述的无接触式电源，其中所述电源包括用于同时地基本上异相地驱动所述多个感应初级线圈中的至少两个的第一和第二驱动器。
55.根据权利要求48所述的无接触式电源，其中所述第一初级线圈阵列包括铁磁芯元件。
56.根据权利要求48所述的无接触式电源，其中所述第一初级线圈阵列包括基本上平面的线轴。
57.根据权利要求48所述的无接触式电源，其中所述远程设备包括定义通常与所述功率传递表面垂直的中心线轴线的感应次级线圈。
【文档编号】H02J17/00GK103563204SQ201280027645
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2012年4月6日 优先权日:2011年4月8日
【发明者】M.J.诺尔康克, J.K.施万内克, D.W.巴曼, N.W.库伊文霍文, B.C.米斯, C.J.摩尔 申请人:捷通国际有限公司