CN105099000B - 无线电力发送器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无线电力发送器。根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器可包括：发送芯；发送线圈，设置在发送芯上并无线地发送电力；磁体，设置在发送芯上并使与磁体的表面垂直的虚拟线与发送芯形成锐角。
Description
本申请要求分别于2014年5月16日、2014年11月11日在韩国知识产权局提交的第10-2014-0059266号、第10-2014-0155887号韩国专利申请的优先权和权益，这些韩国申请的公开通过引用包含于此。
技术领域
本申请涉及一种无线电力发送器。
背景技术
随着无线技术的发展，无线技术的各种应用范围已经从数据的传输扩展到电力的传输。最近，一种允许以非接触方式将电力发送到各种便携式装置的无线电力发送技术已经受到关注。
然而，在根据现有技术的无线电力发送技术中，在顺畅地执行充电方面存在困难。也就是说，在无线地发送和接收电力方面存在困难(诸如传输距离有限、发送器和接收器之间的位置关系受到限制等)。因此，只有在无线电力接收器相对于无线电力发送器位于特定方向或特定位置时，才能实现无线电力的发送和接收。
此外，无线电力发送和接收技术已被应用于各种便携式装置。因此，对于在很多不同的环境下具有提高的充电效率的无线电力发送技术的需求已逐渐增加。
[现有技术文献]
(专利文献1)第2013-062987号日本专利特许公开。
发明内容
本公开的示例性实施例可以提供一种能够有效地将电力无线地发送给各种便携式装置的无线电力发送器。
根据本公开的示例性实施例，一种无线电力发送器可包括：发送芯；发送线圈，设置在发送芯上，以无线地发送电力；磁体，设置在发送芯上，并允许垂直于磁体表面的虚拟线与发送芯形成锐角。
根据本公开的另一示例性实施例，一种无线电力发送器可包括：发送线圈，无线地发送电力；磁体，设置在发送线圈的中部，并允许与磁体表面垂直的虚拟线与发送芯形成锐角。
附图说明
从以下结合附图的进行的详细描述，将更清楚地理解本公开的以上和其它方面、特征和优点，在附图中：
图1是示出应用根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器的应用示例的示图；
图2A至图2C是被设置为相互垂直的无线电力发送器的发送线圈和无线电力接收器的接收线圈的立体图、侧视图和俯视图；
图3是示出在无线电力发送器或无线电力接收器中使用的线圈的示例的示图；
图4和图5是示出根据无线电力接收器和无线电力发送器的位置而改变的磁耦合的示图；
图6至图8是示出根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器的构造的示图；
图9是示出根据由从磁平均点延伸的虚拟线和从接收线圈的中心点延伸的虚拟线形成的角度而改变的效率的曲线图；
图10至图12是示出根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器的构造的示图；
图13是示出根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器的一部分元件的示图。
具体实施方式
现在将参照附图详细描述本公开的示例性实施例。
然而，可以以很多不同的形式实施本公开，并且本公开不应被解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是充分且完整的，并将本公开的范围充分地传达给本领域的技术人员。
图1是示出应用根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器的应用示例的示图。在图1中，标号100表示无线电力发送器，标号200表示无线电力接收器。
无线电力发送器100可以使用从外部电源输入的电压来无线地发送电力。无线电力发送器100可包括用于无线地发送电力的发送线圈。
无线电力接收器200可无线地接收从无线电力发送器100提供的电力。无线电力接收器200可包括用于无线地接收电力的接收线圈。无线电力接收器200可安装在各种电子装置中，或可被实施为与电子装置一体化。虽然在图1中示出电子装置为手表形状的可穿戴装置，但电子装置可具有诸如眼镜等的各种形状。
无线电力接收器200的接收线圈可以相对于无线电力发送器100的发送线圈以各种角度设置。根据现有技术，只有在无线电力发送器100的发送线圈和无线电力接收器200的接收线圈相互平行的状态下才能顺畅地执行充电。然而，根据本公开的示例性实施例，即使在无线电力接收器200的接收线圈和无线电力发送器100的发送线圈不相互平行的情况下，例如，在如示例中所示出的无线电力接收器200的接收线圈和无线电力发送器100的发送线圈保持90°角的情况下，也可以平稳地以无线方式发送和接收电力。
在下文中，作为示例，将描述无线电力接收器200的接收线圈和无线电力发送器100的发送线圈被设置为相互垂直的情形，但根据以下描述的示例性实施例，即使无线电力接收器200的接收线圈和无线电力发送器100的发送线圈处于不相互垂直的其他角度，也可以无线地发送和接收电力。
图2A至图2C是示出被设置为相互垂直的无线电力发送器100的发送线圈和无线电力接收器200的接收线圈的立体图、侧视图和俯视图。
无线电力发送器100可包括发送线圈110和发送芯120。虽然在图2中示出发送线圈110为一环，但如图3中所示，发送线圈110可被设置为缠绕数次。可选地，如图6所示，发送线圈110还可被设置为缠绕多层。
发送芯120可包括基板或磁发送芯。磁发送芯可以由具有预定磁性的材料形成。例如，磁发送芯可以由包括金属粉末的树脂材料形成。作为另一示例，磁发送线圈可由铁氧体片(可包括NiZnCu/MnZn基金属)、铁硅铝基金属、坡莫合金基金属、非晶基磁性体或它们的组合形成。
无线电力接收器200还可包括接收线圈210和接收芯220。此外，如上所述，无线电力接收器200还可包括具有各种形状的接收线圈210以及由各种材料形成的接收芯220。
图2A至图2C和图4示出无线电力接收器200设置在无线电力发送器100的中部的示例。
示出的虚线表示从无线电力发送器100发射的磁场，在无线电力接收器200被设置为如图2A至图2C和图4所示的情况下，所发射的磁场与无线电力接收器200平行，或相对于无线电力接收器200稍稍倾斜。因此，所发射的磁场难以或极其微弱地耦合至无线电力接收器200的接收线圈210。
图5示出了无线电力接收器200设置在无线电力发送器100的发送线圈上的示例。
如所示出的，由于从无线电力发送器100发送的磁场形成一种回路，因此磁场可穿过无线电力接收器200的接收线圈210。因此，无线电力发送器100的发送线圈110和无线电力发送器200的接收线圈210可以相互磁耦合。
然而，即使在图5中示出的示例中，由于磁耦合的强度和效率仍然较低，因此在图5中示出的示例的情况下也难以获得有效的无线充电。
因此在下文中将参照图6至图13描述本公开的各个示例性实施例。
图6是根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器的截面图。
如图6所示，无线电力发送器100的发送线圈110可包括多层。在发送线圈110为多层的情况下，从发送线圈110发送的磁场通量会变大，垂直方向的磁场会变强。
因此，由于从无线电力发送器100发送的磁场变强，因此可在无线电力接收器200的接收线圈210中更有效地进行磁耦合。
在这种情况下，无线电力发送器100可通过发送线圈110以电磁共振模式无线地发送电力。在这种情况下，发送线圈110在6.78MHz的频率可具有大约10uH或更小的值。此外，可以按照螺旋形状实现发送线圈，并且在按照螺旋形状实现发送线圈110的情况下，发送线圈110的内径的尺寸可以大于20mm。在增大发送线圈110的内径尺寸的情况下，可提高布置无线电力接收器200的自由度。可选地，发送线圈110的外径的尺寸可以大于45mm。
如图6所示，在根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器中，发送芯120的长度可以等于发送线圈110的直径。发送芯120可以是如上所述的磁发送芯，磁发送芯可吸引从发送线圈110发送的磁场，以提供更强的磁循环效果。
此外，在发送芯120延伸为长于发送线圈110的情况下，发送芯120可更强地诱导从发送线圈110发送并形成预定回路的磁场，并可进一步提高接收线圈210的磁耦合特性。
图7和图8是根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器的截面图。如图7和图8分别示出的，根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器100的发送芯120的长度可以大于发送线圈110的直径。即，无线电力发送器100的发送芯120可延伸超过发送线圈110。
根据示例性实施例，可利用接收线圈210的长度来确定发送芯120的延伸距离L1和L2。例如，在接收线圈210垂直设置在无线电力发送器100上的情况下，可确定发送芯120的延伸距离，以使其与接收线圈210的半径的长度成比例。
根据示例性实施例，发送芯120可具有从发送线圈110的磁平均点至接收线圈210的最短距离，作为发送芯120的最小延伸距离。
在示出的示例中，由于发送线圈110包括两层，因此可以理解：发送线圈110的磁平均点是两层之间的中心点。更精确点讲，由于在发送线圈110的上层设置有三个绕组，在发送线圈110的下层设置有四个绕组，因此所述磁平均点可从两层之间的中心点略微倾向于下层。在发送线圈110包括n层的具有在竖直方向上相互对称的多匝绕组的情况下，发送线圈110的磁平均点会变为n/2。
如图7所示，发送芯120的延伸长度L1可被确定为与一长度对应，该长度使得沿着与发送芯120平行的方向从发送线圈110的磁平均点延伸的虚拟线A与将虚拟线A的任意点和接收线圈210的中心点B连接的虚拟线形成45°角。在这种情况下，接收线圈210可竖直地设置在发送线圈110上方。换言之，发送芯120的一端被设置为对应于下述交点，所述交点为由沿与发送芯120平行的方向从发送线圈110的磁平均点延伸的虚拟线A和穿过无线地接收电力的接收线圈的中心点B且与虚拟线A形成45°角的虚拟线形成的交点。
发送芯120的延伸长度L1可被确定为对应于由从接收线圈210的中心点B延伸的虚拟线和从磁平均点延伸的虚拟线A形成45°角度的长度。
由于发送芯120的延伸长度L1被确定为与由从接收线圈210的中心点B延伸的虚拟线和从磁平均点延伸的虚拟线A形成的角度相应，因此当所述角度增大时，延伸长度L1会减小，当所述角度减小时，延伸长度L1会增大。
如图8所示，发送芯120的延伸长度L2可以比图7中示出的延伸长度L1长。在图8中示出的示例性实施例的情况下，角度θ可以为45°或更小。
可通过下面的表1来描述取决于发送芯120的延伸长度的效果的实验数据。
[表1]
| 角度θ | S21 | 无源低功率谐振器效率 |
| 59 | -10.9dB | 0.081283 |
| 53.4 | -10.4dB | 0.091201 |
| 48.5 | -10.2dB | 0.095499 |
| 44.2 | -9.8dB | 0.104713 |
表1中的数据通过使用缠绕形成为单层的发送线圈而获得，其中，绕线的厚度为1.2mm。
如图6所示，在角度θ为59°的情况下，发送线圈110与发送芯120具有彼此相同的大小。也就是，发送芯的延伸长度为0。
从表1可以看出：随着角度θ减小，发送芯120的长度增加，因此共振性能提高。此外，S21是根据天线的输入电力和输出电力之间的关系得出的值。当S21的值接近0db时，意味着性能高。从S21的数据还可看出：当发送芯120的延伸长度增加时，可获得高性能。
可获得包括以上描述的表1的数据的图9的曲线图。图9是示出取决于由从磁平均点延伸的虚拟线和从接收线圈210的中心点延伸的虚拟线形成的角度的效率的曲线图，所述曲线图与上述数据对应。
通过所述数据可以看出，在45°角时效率最高。也就是，可以看出：随着发送芯120的延伸长度增加，效率也成比例增大至45°角时的效率，但在发送芯120延伸为使得所述角度减小至大约45°或更小的情况下，效率近似。
即，在发送芯120的长度过长的情况下，存在无线电力发送器100的尺寸不可避免的增大的问题。因此，在效率足够的限度内使发送芯120的长度满足尽可能短的条件的情况下会更有利。因此，可理解，当角度为45°时，使发送芯120在角度为45°时的长度作为最小延伸长度具有重要意义。
根据示例性实施例，无线电力发送器100还可包括壳体130。
根据示例性实施例，壳体130可包括能够标记无线电力接收器200的位置的预定结构或可视部件。即，壳体130可包括位于相应位置的槽、标记、符号等，使得无线电力接收器200保持在发送线圈110的相应位置。例如，在无线电力接收器200为手表形状的可穿戴设备时，壳体130可包括预定凹陷形状，所述凹陷形状与相应的可穿戴设备的形状的一部分对应，或者可穿戴设备可保持在预定凹陷形状中。
如图10至图12所示，根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器100还可包括磁体140。
磁体140可设置在发送线圈110内，以放大磁通或调整从发送线圈110发射的磁场的方向性。
图10是示出根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器100的构造的示图，其中，根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器100可包括发送线圈110、发送芯120和磁体140。在图11中，虚线箭头可表示磁场的磁通。
发送线圈110可无线地发送电力。如上所述，发送线圈110可以以电磁共振方式发送电力。发送线圈110在6.78MHz的频率具有大约10uH或更小的值。此外，可以按照螺旋形状实现发送线圈。如上所述，在发送线圈110以螺旋形状实现的情况下，发送线圈110的内径的尺寸可以大于20mm。此外，发送线圈110的外径的尺寸可以大于45mm。
发送芯120可包括印刷电路板(PCB)、具有电磁屏蔽功能的屏蔽片、磁芯等。在发送芯120包括PCB的情况下，发送线圈110可以按照PCB图案设置在PCB上。此外，为了使发送线圈110包括多层，作为发送芯120的PCB也可包括多层。
磁体140可从发送线圈110的内径向内设置。如图10所示，磁体140可具有弯曲形状的端表面。也就是说，图10中示出的根据本公开的示例性实施例无线电力发送器可通过从发送线圈100的内径向内设置具有弯曲形状的端表面的磁体140，来使磁场的路径沿着与线圈的磁体140的表面垂直的虚拟线的方向形成。因此，根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器可允许接收线圈210(见图6至图8)设置在与图6示出的基板120垂直的方向上，以及允许接收线圈210设置在与发送线圈110设置在其上的基板120平行的方向上，以无线地接收电力。
图11是示出根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器的构造的示图，其中，根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器可包括发送线圈110、基板120和磁体141。在图11中，虚线箭头表示磁场的磁通。
除了磁体141的端表面为多边形形状之外，图11中示出的根据本公开示例性实施例的无线电力发送器与图10中示出的根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器相同。与图10中的描述相似，根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器可通过从发送线圈110的内径向内设置磁体141来改变磁场的方向，可允许接收线圈设置在垂直于发送芯120的方向上，并可允许接收线圈设置在平行于发送芯120的方向上，以顺畅地以无线方式接收电力。
虽然在图10和图11中示出具有弯曲形状或多边形形状的端表面的磁体140和141，但可以以任意形状实现磁体，只要与磁体表面垂直的虚拟线与发送芯120形成锐角即可。
此外，虽然未在图10和图11中示出，但在图10和图11中示出的根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器还可包括与图6至图8中示出的壳体类似的壳体130。
图12示出了根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器，并示出了磁体被应用于图6至图8中示出的无线电力发送器的示例。
在示出的示例中，示出了半球形磁体140。由于半球形磁体140可将磁场诱导为沿垂直于半球形表面的方向(即，垂直于磁体140的表面的虚拟线)发射，因此从发送线圈110发射的磁场可在接收线圈210的方向上进一步倾斜。如上所述，磁体140可具有诸如多边形形状的各种形状。
图13是示出根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器的一部分元件的示图，其中，根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器可包括电源单元150、放大单元160和发送线圈110。虽然图13示出了发送线圈110包括一个线圈的情形，但发送线圈110可包括两个线圈，即，第一线圈和第二线圈，来自放大单元160的高频率的射频(RF)电力被施加给第一线圈，第二线圈被设置为与第一线圈分隔开，并以电磁共振方式发送从第一线圈感应的射频电力。
电源单元150可以向放大单元160供应电力。电源单元150可包括将从外部电源施加的交流电转换成直流电的模数(AD)转换器，以及改变所述直流电的大小的直流/直流(DC/DC)转换器。
放大单元160可对由电源单元150供应的电力进行放大，并将放大后的电力提供给发送线圈110。放大单元160可包括功率放大器、振荡器等。
发送线圈110可无线地发送电力。在这种情况下，发送线圈110可按照电磁共振方式发送电力。
如上所述，根据本公开的示例性实施例，无线电力发送器可有效地将电力无线地发送到各种便携式装置。此外，通过使用根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器，可自由地设计无线地接收电力的电子装置的接收线圈和/或无线地发送电力的无线电力发送器的发送线圈。
虽然以上已示出并描述了示例性实施例，但本领域的技术人员将清楚，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下可做出各种修改和改变。
Claims (17)
1.一种无线电力发送器，包括：
发送芯；
发送线圈，设置在发送芯上，用于无线地发送电力；
磁体，设置在发送芯上，并使与磁体表面垂直的虚拟线与发送芯形成锐角，
其中，所述磁体从发送线圈的内径向内设置。
2.如权利要求1所述的无线电力发送器，其中，所述发送芯是印刷电路板、具有电磁场屏蔽功能的屏蔽片和磁芯之一。
3.如权利要求1所述的无线电力发送器，其中，所述发送线圈具有螺旋形状。
4.如权利要求1所述的无线电力发送器，其中，所述发送线圈为多层。
5.如权利要求1所述的无线电力发送器，其中，所述发送线圈在6.78MHz的频率具有10uH或更小的电感。
6.如权利要求1所述的无线电力发送器，其中，所述磁体设置在发送线圈的中部。
7.如权利要求1所述的无线电力发送器，其中，所述磁体具有半球形形状或多边形形状。
8.如权利要求1所述的无线电力发送器，其中，所述发送芯延伸超过发送线圈。
9.如权利要求8所述的无线电力发送器，其中，所述发送芯的一端被设置为与下述交点对应，所述交点由沿着平行于发送芯的方向从发送线圈的磁平均点延伸的虚拟线和穿过无线地接收电力的接收线圈的中心点的虚拟线形成，其中，穿过无线地接收电力的接收线圈的中心点的虚拟线与从发送线圈的磁平均点延伸的虚拟线形成45°角。
10.如权利要求1所述的无线电力发送器，还包括壳体，所述壳体设置在发送线圈和磁体上。
11.如权利要求1所述的无线电力发送器，还包括：
电源单元，从外部电源接收电力，以输出供应电力；
放大单元，对所述供应电力进行放大，以将放大后的电力提供给发送线圈。
12.如权利要求11所述的无线电力发送器，其中，所述发送线圈包括：
第一线圈，放大后的电力被施加到所述第一线圈；
第二线圈，被设置为与所述第一线圈分隔开，并按照电磁共振方式发送由第一线圈感应的放大电力。
13.一种无线电力发送器，包括：
发送线圈，无线地发送电力；
磁体，设置在发送线圈的中部，并使与磁体表面垂直的虚拟线与其上设置有发送线圈的表面形成锐角，
其中，所述磁体从发送线圈的内径向内设置。
14.如权利要求13所述的无线电力发送器，其中，所述发送线圈在6.78MHz的频率具有10uH或更小的电感。
15.如权利要求13所述的无线电力发送器，其中，所述磁体具有半球形形状或多边形形状。
16.如权利要求13所述的无线电力发送器，还包括：
电源单元，从外部电源接收电力，以输出供应电力；
放大单元，对所述供应电力进行放大，以将放大后的电力提供给发送线圈。
17.如权利要求16所述的无线电力发送器，其中，所述发送线圈包括：
第一线圈，放大后的电力被施加到所述第一线圈；
第二线圈，被设置为与第一线圈分隔开，并按照电磁共振模式发送由第一线圈感应的放大电力。
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