CN103714953A - 无线充电线圈 - Google Patents

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唐万春
沈来伟
庄伟�
王橙
施永荣
刘升
黄承
朱建平
项慧玲
林旭
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Abstract

本发明公开了一种无线充电线圈，整个线圈装置具有两个出线端。该线圈装置由N组线圈串联而成，每组线圈分别由n个线圈并联组成；N组线圈同心分布并且相互无重叠，每组线圈中的n个线圈也同心地分布并且相互无重叠。借助此种线圈，可以实现线圈内不同区域的电流大小可控，使装置上方近场区域的磁场分布均匀，利用本发明提供的线圈可设计同时为多个设备充电的大面积无线充电器，同时此种线圈具有更高的品质因数，从而具备显著降低损耗、提高无线充电***效率的作用。

Description

无线充电线圈
技术领域
本发明属于近场无线输能领域。具体涉及一种用于无线充电的线圈装置。
背景技术
近几十年，随着大型集成电路、芯片工艺的进步，电子产品朝着多功能化、小型化、便携化、可穿戴化发展。上述的趋势为电子设备电能的供给与补充提出了挑战。
当电子设备内部储存的电能不足时，用户就需要使用充电设备为其补充电能。传统的充电设备都是线式充电设备，需要与电网实现导线连接。这种线式设备不仅使用不便捷，而且由互不兼容导致的重复制造从而带来了巨大的浪费。无线充电在这种背景下被重新提起，成为了当前的研究热点。
无线充电是无线输能技术的一个应用分支。无线输能技术可以实现设备之间的无线能量传输。无线充电***的基本原理为：交流适配器将220V/50Hz的市电转换为直流稳压电，放大器将直流电变为发射线圈内的交流电，从而在距离发射线圈的近场产生交变的磁场，交变的磁场在接收线圈上产生感应电流，整流电路将感应的交流电流整流为直流电流。整个***主要包括稳压模块、放大电路、发射线圈、控制电路、接收线圈、整流电路、通信模块、控制模块等。随着制造工艺的更新换代、控制芯片的进步，安全的近场无线充电在技术上成为可能。
目前市面上已经出现一种可对便携式电子产品无线充电的设备。这种无线充电设备使用了一个平面螺旋线圈作为发射线圈，一个面积稍小的螺旋线圈作为接收线圈。请参阅图1，图中大线圈为现有无线充电***的发射线圈，发射器通过放大器将直流电转化为线圈装置上的交流电，发射线圈装置上的交流电产生的交变磁场在接收线圈上产生感应电流，经过整流电路的交流直流转换而实现无线充电。
上述现有无线充电***使用的线圈是螺旋结构的，其磁场主要分布在中心位置，因此，这使发射线圈和接收线圈之间的耦合系数仅在两者轴心对齐的时候保持较大的值，实现较大的充电效率。一旦接收线圈和发射线圈轴线偏离，耦合系数急剧下降，这将导致充电效率急剧下降，并影响***的稳定性，降低了***的可用性。
另外，上述的无线充电***大多采用的是一对一的能量耦合模式，发射线圈和接收线圈的面积相差不大。这样的结构不具备同时给多个设备充电的能力，无法满足用户有多个设备需要充电时的需求。因此，希望提供一种有比较大可用充电面积的发射线圈装置，以制造可以为多个设备同时充电的无线充电器。
为了使接收线圈和发射线圈之间的耦合系数在充电区域内保持稳定，这种拥有较大充电面积的发射线圈装置必须提供均匀的磁场分布。学术界出现了另一种发射线圈装置。请参阅图2，图中线圈装置结构由外密内疏的螺旋结构绕制而成。图2所示的这种发射线圈装置可以在线圈上部近场区域产生均匀的磁场分布。然而，这种线圈外密内疏的特殊结构导致面积利用率低下，使电感的品质因数降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于近场无线充电的无线输能线圈，该线圈可实现充电区域磁场均匀分布，可以实现同时为多个设备无线充电，如手机、平板电脑、MP3等。同时均匀的磁场分布可提升无线充电效率和无线充电***的稳定度。
本发明提供的技术方案如下：
无线充电线圈，整个线圈装置具有两个出线端，所述线圈装置由N组线圈串联而成，每组线圈分别由n个线圈并联组成，其中，N为大于2的正整数，n≥1；所述N组线圈同心分布并且相互无重叠，每组线圈中的n个线圈也同心地分布。
上述结构实现平面上电流幅度随着线圈半径及所处位置变化而变化，通过合适选择每组线圈中n的值，可以实现各区域电流强度可控，并最终实现平板上方均匀的磁场分布。
于一较佳实施例中，该无线输能线圈包括：三组串联相接的线圈，三组线圈同心地分布在方形区域内，位于最外面的第一组线圈由一个单独的螺旋线圈组成，第二组线圈由两个并行绕制的螺旋线圈组成，位于中心的第三组线圈由三个并行绕制的螺旋线圈组成，整个无线输能线圈具有两个出线端。
本发明所提供的无线输能线圈较传统的无线输能线圈，有益效果在于：利用本发明所提供的无线输能线圈，可实现均匀的磁场分布，从而可实现同时向多个设备输能。本发明所提供的无线输能线圈较学术界已出现的可实现均匀磁场分布的无线输能线圈，有益效果在于：本发明所提供的无线输能线圈具有更高的品质因数，从而具备显著降低损耗、提高无线充电***效率的作用。
附图说明
图1为现有无线充电发射线圈装置及接收线圈***示意图。
图2为现有可实现磁场均匀分布的大面积线圈示意图。
图3为本发明所提供的一种无线充电线圈的三维示意图。
图4为本发明所提供的一种无线充电线圈的平面图。
图5为本发明所提供的一种无线充电线圈的简化等效电路图。
图6为本发明所提供的一种无线充电线圈的一较佳实施例。
图7为本发明所提供的一种无线充电线圈的一较佳实施例的仿真及测试结果及与现有无线充电线圈之间的比较。
图8为本发明所提供的一种无线充电线圈的一较佳实施例的仿真参数与现有无线充电线圈之间的比较。
其中，附图标记说明如下：
1,51无线充电接收线圈
2一种现有的无线充电线圈
3另一种现有无线充电线圈
4本发明提供的一种无线充电线圈
5无线充电接收器
6无线充电发射器
11,21,31,41,511,611出线端
42第一绕线区域
43第二绕线区域
44第三，四，…，N-1绕线区域
45第N绕线区域
52无线充电接收器控制电路PCB
61无线充电线圈
62无线充电发射器控制电路PCB
63无线充电发射器电源线及插头
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提供的一种无线充电线圈实施实例进行具体说明：
本发明设计的一种无线充电线圈如图3和图4所示，包括串联相接的N组同心分布的线圈，每组线圈分别由ni（下标i表示圈数，i=1,2，…，N）个同心分布的线圈并联组成，整个线圈具有两个出线端41，第一个出线端为第一组线圈的输入端口，第二个出线端为位于中心位置的最后一组线圈的输出端。上述的N组线圈，线圈组数N为大于2的正整数，每组线圈包含的线圈数ni满足如下条件：
n1>n2>n3>…>nN
线圈组数N=3时，三个该线圈的等效电路结构如图5所示，其中串联电阻及电容未画出。
请参阅图6，图6为本发明提供的无线充电线圈置于一较佳实施例中的结构示意图。如图6所示，该无线充电线圈置于一发射器中，出线端611接于PCB形制的发射器控制电路PCB62上，电源线及插头63实现无线充电器和电网的连接，通过整流及稳压及放大，发射控制PCB将交变电流输入到本发明所提供的无线充电线圈中，发射线圈通过近场耦合将变化的电磁能发射到接收线圈51上，接收线圈51将变化的电信号输入到接收器控制电路PCB52上，通过整流及稳压实现稳定的直流输出。该实施例中，发射线圈被分为三个绕线区域（N=3），第一绕线区域包含一个圈数为12的螺旋线圈电感，第二绕线区域包含两个圈数为6、并联相接的螺旋线圈电感，第三绕线区域包含三个圈数为4、并联相接的螺旋线圈电感，三个区域的三个电感组之间的连接方式为串联。该实施例所提供的无线输能线圈尺寸为20cm×20cm。
图7和图8是本发明所提供的无线充电线圈的一实施例的仿真结果与现有无线充电线圈（图1所示的结构）之间的比较，一5cm×5cm的接收线圈被放置在距离发射线圈上方5mm处的平面上用以检测无线输能线圈产生的磁场的均匀性。图7显示了接收线圈和无线充电线圈之间的耦合系数随接收线圈偏移中心距离的变化，接收线圈位于无线充电线圈中心位置时，偏移量为0mm，接收线圈位于发射线圈边缘位置时，偏移量为7.5mm。由图7可以看出，使用传统无线充电线圈时，当接收线圈位于中心位置时耦合系数较大，但随着接收线圈偏离中心位置，耦合系数迅速下降，当接收线圈接近边缘时，耦合系数下降到中心位置耦合系数的12.5%。而使用本发明所提供的无线充电线圈时，耦合系数随着接收线圈偏离中心位置变化缓慢，当接收线圈位于边缘位置时，耦合系数仅下降到了中心位置耦合系数的36.4%，耦合系数的平稳度明显优于传统线圈。
图8为使用三维电磁仿真软件Ansys Maxwell对上述实施例进行准确的建模及参数提取结果。由图8可以看出，虽然本发明所提供的无线充电线圈Q值小于图1所示的无线充电线圈，但是本发明实现了磁场的均匀性。相比较于同样可实现磁场均匀分布的图2所示结构，本发明所提供的线圈Q值比其Q值高32.6%，本发明所提供的无线输能线圈具有更高的品质因数。

Claims (3)

1.无线充电线圈，其特征在于，整个线圈装置具有两个出线端，所述线圈装置由N组线圈串联而成，每组线圈分别由n个线圈并联组成，其中，N为大于2的正整数，n≥1；所述N组线圈同心分布并且相互无重叠，每组线圈中的n个线圈也同心地分布。 
2.如权利要求1所述的无线充电线圈，其特征在于，所述线圈装置由三组线圈串联而成，三组线圈同心地分布在方形区域内，位于最外面的第一组线圈由一个单独的螺旋线圈组成，第二组线圈由两个并行绕制的螺旋线圈组成，位于中心的第三组线圈由三个并行绕制的螺旋线圈组成。 
3.如权利要求2所述的无线充电线圈，其特征在于，位于最外面的第一组线圈所包含的螺旋线圈圈数为12，第二组线圈包含的两个螺旋线圈的圈数均为6，位于中心的第三组线圈包含的三个螺旋线圈的圈数均为4。 
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