CN103811163A - 谐振器和无线功率发射器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及谐振器和无线功率发射器。根据一实施例，提供第一磁芯、线圈和第二磁芯。第一磁芯包括多个第一芯部，其彼此间隔开地布置。线圈绕第一磁芯缠绕。第二磁芯包括至少第二芯部，其布置在第一芯部之间的间隙中或布置为面对间隙。第一磁芯的磁阻小于第二磁芯的磁阻。

Description

谐振器和无线功率发射器

相关申请的交叉引用

本申请基于2012年11月8日提交的在先日本专利申请No.2012-246285并主张其优先权，该在先申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

这里描述的实施例涉及谐振器和无线功率发射器。

背景技术

相关技术的功率发射装置具有如下配置：主谐振器和次谐振器（其具有线圈缠绕的基本平坦的磁芯）彼此相对以耐受主侧线圈和次侧线圈沿水平方向的位置移动，水平方向是与线圈的缠绕方向平行的方向。然而，这不期望地导致芯的面积在平面视图中扩展，增大了其重量。

为了解决关于重量的上述缺陷，相关技术的无线功率发射器具有如下配置：用于线圈的每个磁芯设置为间隔开布置的多个芯，以减小重量。由于磁场线从多个芯输出以填充芯之间的间隙，所以主侧的芯和次侧的芯用作尺寸扩展为包括芯之间的间隙的芯。

然而，在多个芯中的水平两端的芯处的缠绕有线圈的部分上聚集最多磁通。因此，该配置的问题在于，如果芯被简单地划分，则实际上芯截面积变小，聚集度恶化，芯损耗增大。芯损耗的增大由如下原因导致。

一般，芯损耗（即，在磁体用作交流磁场中的芯的情况下的损耗）被分类为磁滞损耗、涡电流损耗和其他剩余损耗。根据Steinmetz的经验方程，在磁通密度B在约0.1到1特斯拉的范围，磁滞损耗与磁通密度B的1.6次方成比例。此外，涡电流损耗与磁通密度B的平方成比例。注意，已知其他剩余损耗在MHz或更大的频率下增大。因此，例如，在使用1MHz或更小的频率的情况下，其他剩余损耗可大致估计为远小于磁滞损耗和涡电流损耗。

如上所述，相关技术的无线功率发射器的问题在于，具有使用基本平坦的磁芯缠绕的线圈的谐振器变重。此外问题在于，为了减重而使用具有间隔开布置的多个芯的磁芯会导致磁通在水平两端的磁芯处的线圈缠绕部分上最集中，恶化了集中度且增大了芯损耗。

此外，希望实现尺寸减小，损耗降低，厚度减小，整个装置的重量减小，简化散热机构，增大电功率，损耗减小等。

发明内容

一示范性实施例提供一种谐振器，包括：第一磁芯，包括彼此间隔开地布置的多个第一芯部；线圈，缠绕所述第一磁芯；以及第二磁芯，包括至少第二芯部，所述第二芯部布置在所述第一芯部之间的间隙中或者布置为面对所述间隙，其中，所述第一磁芯的磁阻小于所述第二磁芯的磁阻。

附图说明

图1示出根据一实施例的谐振器的第一示例；

图2示意性示出图1的配置中各区域的磁通强度分布；

图3示出根据一实施例的谐振器的第二示例；

图4示意性示出图3的配置中各区域的磁通强度分布；

图5示出其中第二磁芯配置为包括电介质衬底和铁氧体（ferrite）膜的谐振器；

图6示出其中第二磁芯粘合到外壳的底表面的谐振器；

图7示出图3中的第二配置示例的修改示例；

图8示出根据一实施例的谐振器的第三示例；

图9是根据一实施例的无线功率发射器的框图；

图10示出通过绘制归因于芯损耗的损耗电阻关于输入电流的曲线而获得的模拟结果；

图11示出在图10的模拟中使用的谐振器的多个示例；

图12示出通过计算使用图11的每个谐振器的情况下的耦合系数得到的模拟结果；以及

图13示出计算磁通密度分布的结果示例。

具体实施方式

根据一实施例，提供第一磁芯、线圈和第二磁芯。

第一磁芯包括多个第一芯部，其彼此间隔开地布置。

线圈绕第一磁芯缠绕。

第二磁芯包括至少第二芯部，其布置在第一芯部之间的间隙中或布置为面对间隙。

第一磁芯的磁阻（magnetic reluctance）小于第二磁芯的磁阻。

下面，参照附图详细描述实施例。

图1示出根据一实施例的谐振器的第一配置示例。图1的（A）是平面图，图1的（B）是从方向X观看的正视图，图1的（C）是从方向Y观看的侧视图。

该谐振器特别地使用这样的磁构件，该磁构件在磁通聚集区域具有低磁阻率，在其他区域具有高磁阻率。这允许高发射效率得以维持，且重量得到减小。

图1的（A）至（C）的谐振器包括磁芯块11和绕磁芯块11缠绕的线圈12。

磁芯块11具有第一磁芯21和第二磁芯22（22A和22B）。第二磁芯22包括两个芯部22A和22B。

第二磁芯22的芯部22A和22B沿第一方向（纸面中垂直地）布置在第一磁芯21的两侧，如图1的（A）所示。线圈12沿第一方向绕第一磁芯21的整体或部分缠绕。线圈12也可绕第二磁芯22的一部分缠绕。

第一磁芯21的磁阻小于第二磁芯22的磁阻。第二磁芯22（芯部22A和22B）的横向宽度与第一磁芯21基本相同。第二磁芯22的厚度小于第一磁芯21。然而，第二磁芯22（芯部22A和22B）的横向宽度可以不同于第一磁芯21。此外，只要第一磁芯21的磁阻小于第二磁芯22的磁阻，可采用其中第二磁芯22的厚度等于或大于第一磁芯21的配置。

图2示意性示出图1的（A）至（C）的配置中各区域的磁通强度分布。区域1是强磁通部分，区域2是弱磁通部分。在图1的（A）至（C）的配置中，第一磁芯主要布置在与区域1对应的区域，具有比第一磁芯更高的磁阻的第二磁芯主要布置在与区域2对应的区域。这允许高发射效率得以维持，且整体上重量得到减小。稍后将描述获得这些效果的原因。

下面将描述第二磁芯22的配置示例。

第二磁芯22利用与第一磁芯相同的材料配置，且可以配置为比第一磁芯更薄。第二磁芯22配置为比第一磁芯21更薄以具有比第一磁芯21更高的磁阻。结果，谐振器的重量能被减小。第二磁芯22可利用与第一磁芯21相同的材料或者利用成分不同的磁体来配置。

此外，第二磁芯22可由与第一磁芯21不同的磁材料形成。例如，第二磁芯22可由比重小于第一磁芯21的磁材料形成。第二磁芯22由比重小于第一磁芯21的磁材料形成以具有比第一磁芯21更大的磁阻。结果，谐振器的重量能被减小。作为一种减小比重的技术，第二磁芯22可由磁材料和与该磁材料不同的材料的混合物形成。此时，与磁材料不同的相关材料可包括例如电介质材料，诸如树脂材料。这允许第二磁芯22的强度得到增大。

此外，第二磁芯22可由电介质衬底和布置在电介质衬底的表面上的磁膜形成。这允许第二磁芯22的强度得到增大。磁膜例如可以是铁氧体膜或磁片。

图3示出根据一实施例的谐振器的第二配置示例。图3的（A）是平面图，图3的（B）是从方向X看到的正视图，图3的（C）是从方向Y看到的侧视图。

磁芯块41具有第一磁芯51和第二磁芯52。第一磁芯51包括两个芯部51A和51B。芯部51A和51B彼此间隔开地布置。

线圈42缠绕第一磁芯51。具有缠绕有线圈42的部分（磁通聚集在这些部分上）的芯部51A和51B分别具有沿页面的扩展部51A-1和51B-1。扩展部51A-1和51B-1分别是芯部51A和51B的一部分。这允许在磁通聚集的部分处芯的更大截面积。线圈42缠绕第一磁芯51以包围扩展部51A-1和51B-1。

第二磁芯52布置在芯部51A和51B之间的间隙中。

图4示意性示出图3的配置中各区域的磁通强度分布。区域1是强磁通部分，区域2是弱磁通部分。在图3的配置中，第一磁芯51A和51B主要布置在与区域1对应的区域中，第二磁芯52主要布置在与区域2对应的区域中。然而，区域1的一部分（在扩展部51A-1和51B-1之间的部分）与第二磁芯52一起布置，以将重量减小置于优先位置。

类似于第一配置示例，第一磁芯51的磁阻小于第二磁芯52的磁阻。第二磁芯52可以与第一配置示例所示的具体示例类似地形成。

图5示出第二磁芯52配置为包括电介质衬底61和铁氧体膜62的情况下的谐振器的配置。由于铁氧体膜62是脆性的，所以其强度可通过粘合到电介质衬底61而得到改善。可代替铁氧体膜62使用磁片。此外，衬底可由诸如橡胶之类的树脂材料和将用作第二磁芯的磁材料的混合物制成。这也可改善第二磁芯52的强度。

图6的（A）示出其中第二磁芯73粘合到外壳71的内表面（这里为底表面）的谐振器的配置。外壳71由例如电介质形成。如图6的（B）所示，外壳的一部分（例如，底表面）可由铝、铜等的金属板72形成，第二磁芯73可布置在其上。

图7的（A）至（E）示出图3的第二配置示例的六个修改示例。每个修改示例仅示出平面图。正视图和侧视图未示出，因为它们可以从图3容易地理解。

图7的（A）示出第一修改示例。第一磁芯的芯部81A和81B在其中间分别设置有在与芯部面对的方向相反的方向（向外）的扩展部81A-1和81B-1。数字82表示第二磁芯，83表示线圈。

图7的（B）示出第二修改示例。在该示例中，芯部91A和91B在其内侧和外侧都分别设置有扩展部91A-1和91A-2以及91B-1和91B-2。数字92表示第二磁芯，93表示线圈。

图7的（C）示出第三修改示例。在该示例中，芯部101A和101B分别具有设置在其内侧的扩展部101A-1和101B-1。扩展部101A-1和101B-1每个都具有朝向芯部的中心更宽的形状。数字102表示第二磁芯，103表示线圈。

图7的（D）示出第四修改示例。在该示例中，芯部111A和111B分别具有设置在其外侧的扩展部111A-1和111B-1。扩展部111A-1和111B-1每个都具有朝向芯部的中心更宽的形状。

图7的（E）示出第五修改示例。在该示例中，芯部121A和121B分别具有设置在其内侧和外侧二者的扩展部121A-1和121A-2以及121B-1和121B-2。扩展部每个都具有朝向中心更宽的形状。数字122表示第二磁芯，123表示线圈。

在图3、图7的（A）至（E）所示的配置中，第一磁芯利用间隔开布置的两个芯部形成，但是可以利用三个或更多芯部形成。此时，第二磁芯可利用多个芯部形成，第二磁芯的芯部可布置在第一磁芯的芯部之间的间隙中，或者布置为面对间隙。

图8示出根据一实施例的谐振器的第三配置示例。图8的（A）是平面图，图8的（B）是从方向X看到的正视图，图8的（C）是从方向Y看到的侧视图。

这些图与图3的不同之处在于，第一磁芯进一步包括芯部51A的扩展部51A-1和芯部51B的扩展部51B-1之间的芯部51C。第二磁芯（芯部52A和52B）布置在芯部51A和51B之间的间隙的未布置芯部51C的至少一部分中。注意，在图示的示例中，芯部51C的厚度和磁阻与芯部51A和扩展部51A-1相同。可采用其中磁通聚集于其上的部分的截面积可更大以增大发射效率的配置，但是比图3的（A）到（C）的配置更重。第二磁芯由芯部51C分成芯部52A和52B。线圈42缠绕以包围芯部51C。

图9示出根据一实施例的无线功率发射器的框图。当执行无线功率发射时，彼此面对的主谐振器132和次谐振器133彼此磁耦合以发射功率。作为主谐振器和次谐振器中的每个，可以使用图1、图3、图7、图8所示的谐振器等。

功率发射电路131提供电功率信号，该电功率信号具有主谐振器132能执行高效率发射的频率。主谐振器132和次谐振器133的耦合允许电功率信号被无线发射。次谐振器133接收的电功率信号被送往功率接收电路134。这里，如果需要的话，功率发射电路131的控制单元和功率接收电路134的控制单元利用功率发射电路131和功率接收电路134之间的无线信号彼此通信以开始、终止和停止功率的发送/接收，改变发送功率量等。

下面就发明人如何获得实施例的思想进行描述。

图10示出通过绘制归因于芯损耗的损耗电阻关于输入电流的曲线而获得的模拟结果。在模拟中，使用图11的（A）、（B）和（C）所示的谐振器配置。图11的（A）至（C）的谐振器中的每个都布置在铝壳141中。

图11的（A）示出其中磁芯的厚度“t”为10mm且均匀布置在整个表面上的配置（基本配置）。磁芯143被缠绕有线圈142。

图11的（B）示出厚度“t”为5mm的磁芯144，该厚度是图11的（A）的磁芯143的厚度的一半。除此之外的其他方面与图11的（A）类似。

图11的（C）示出厚度“t”为10mm的磁芯143（143A、143B和143C），该厚度与图11的（A）类似，但是芯被精巧地布置。也就是说，三个芯部143A、143B和143C间隔地布置以形成磁芯。图11的（B）和（C）中的每个配置的重量约是图11的（A）中的配置的一半。在图11的（C）中，如图3的（A）至（C）等所示的第二磁芯不布置在芯部之间的间隙中。

关于图11的（A）和（B）的模拟结果彼此比较时表明，随着磁芯的厚度简单地变薄，磁阻变大，增大了芯磁体中的损耗。

另一方面，在芯主要布置在磁通聚集的部分上且芯不布置在具有小磁通密度的部分上，与仅使厚度减半的配置相比，芯损耗可以被进一步抑制。

接下来，图12示出通过计算使用图11的（A）至（C）的三种谐振器中的每种的情况下的耦合系数获得的模拟结果。

发现，与磁芯的厚度无关，在将磁芯布置在整个表面上的情况下耦合系数高，而不是在将多个芯部间隔开地布置的情况下（或者不是在使芯稀薄的情况下）。也就是说，意识到，即使磁芯的厚度变薄，对耦合系数也没有影响或者影响有限。

根据图12的模拟结果，优选增大磁芯的表面积以获得高耦合系数值。此外，根据图10的模拟结果，降低磁通更聚集的部分中的磁阻能抑制芯损耗的上升。无线功率发射效率由谐振器之间的耦合系数“K”与谐振器的Q因子（ωL/R）的乘积定义。因此，本发明人获得了这样的谐振器配置的思想，其中磁芯的面积增大，在磁通较少聚集的部分磁阻增大（重量减小），使得耦合系数的减小和芯损耗的上升得到抑制，以减小整体重量。

图13的（B）示出计算图13的（A）所示的谐振器配置中的磁通密度分布的结果示例。图13的（A）中的谐振器具有线圈152缠绕的磁芯151，且具有与图11的（A）或（B）类似的配置。

如图13的（B）所示，线圈匝正下方的磁通密度最强。越朝向端部，磁通密度越低。因此，如上所述，与磁通密度分布对应地对区域进行划分，在磁通聚集的区域中磁阻降低，在其他区域中磁阻增大（重量减小）。这可以实现高效率的发射（抑制耦合系数的减小，抑制芯损耗的增大）以及重量减小。

虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅以示范的方式给出，而无意限制本发明的范围。实际上，这里描述的新颖的实施例可以以各种其他形式体现；此外，可以在这里描述的实施例的形式中进行各种省略、替代和改变而不偏离本发明的思想。附图及其等价物旨在覆盖将落入在本发明的思想和范围内的这些形式和修改。

Claims (14)

1.一种谐振器，包括：

第一磁芯，包括彼此间隔开地布置的多个第一芯部；

线圈，缠绕所述第一磁芯；以及

第二磁芯，包括至少第二芯部，所述第二芯部布置在所述第一芯部之间的间隙中或者布置为面对所述间隙，

其中，所述第一磁芯的磁阻小于所述第二磁芯的磁阻。

2.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述第一磁芯还包括布置在所述第一芯部之间的间隙的一部分中的第三芯部，以及

所述第一芯部和所述第三芯部一体形成为一个整体，

所述第三芯部和所述第一芯部缠绕有线圈，且

所述第二芯部布置在所述第一芯部之间的间隙的一部分中，该部分不同于布置所述第三芯部的部分，或者所述第二芯部布置为面对所述不同的部分。

3.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述第二磁芯由比重小于所述第一磁芯的磁材料形成。

4.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述第二磁芯包括电介质衬底和布置在该电介质衬底的表面上的磁膜。

5.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述第二磁芯布置在外壳的内表面上。

6.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述第二磁芯的厚度小于所述第一磁芯。

7.如权利要求1所述的谐振器，其中，所述第二磁芯由磁材料和电介质材料的混合物形成。

8.一种谐振器，包括：

第一磁芯；

第二磁芯，包括布置在所述第一磁芯侧面的芯部；以及

线圈，缠绕所述第一磁芯，

其中，所述第一磁芯的磁阻小于所述第二磁芯的磁阻。

9.如权利要求8所述的谐振器，其中，所述第二磁芯由比重小于所述第一磁芯的磁材料形成。

10.如权利要求8所述的谐振器，其中，所述第二磁芯包括电介质衬底和布置在该电介质衬底的表面上的磁膜。

11.如权利要求8所述的谐振器，其中，所述第二磁芯布置在外壳的内表面上。

12.如权利要求8所述的谐振器，其中，所述第二磁芯的厚度小于所述第一磁芯。

13.如权利要求8所述的谐振器，其中，所述第二磁芯由磁材料和电介质材料的混合物形成。

14.一种无线功率发射器，包括：

主谐振器，由根据权利要求1所述的谐振器形成，且配置为接收来自功率发射电路的交流信号并且产生与该交流信号对应的磁场；以及

次谐振器，由根据权利要求1所述的谐振器形成，且配置为通过磁耦合到该主谐振器来接收该交流信号。

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