CN110350321B - 用于无线电力传输的天线及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于无线电力传输的天线及其制造方法。所述天线包括由扁平导线在线圈平面(P)上盘绕而成的线圈，所述扁平导线的高度(H)大于所述扁平导线的宽度(W)。在所述线圈中，所述扁平导线的高度(H)的方向垂直于所述线圈平面(P)。在该天线中，感生磁场的方向几乎垂直于线圈平面(P)，各扁平导线沿磁场的方向呈细长形状，其受到磁场的照射面积较小，使得这种天线在高频工作状态下受邻近效应的影响较小，从而具有较高的品质因子，可以实现较高的传输效率。而且，由于该扁平导线的截面积较大，其内阻较小，有利于实现较大的传输功率和成本低廉的制造。
Description
技术领域
本发明涉及无线电力传输技术领域。具体地，本发明涉及一种用于无线电力传输的天线，以及用于制造该天线的方法。
背景技术
与传统有线传输方式不同，无线电力传输(wireless power transfer，WPT)利用无线电实现非接触式电力传输。无线电力传输设备具有结构紧凑、操作方便、环境耐受性高等优点，广泛用于移动电子设备充电、高污染环境的供电等领域。但是，无线电力传输的功率和传输效率亟待提高。无论是基于电磁感应的短距离传输，还是基于电磁共振耦合的中距离传输，电感线圈形式的天线是必要的，其用作无线电波的发射器和/或接收器。因此，天线的结构和性能对无线电力传输的性能具有重要影响。
电感线圈的品质因子Q(Quality Factor)用于评价电感线圈自身发生损耗的水平。具体而言，Q值越大表示线圈自身损耗越小。由于品质因子Q与线圈的内阻R成反比，因而，更低的线圈内阻有助于获得更高的传输效率。而且，更低的线圈内阻R还可以承载更大的激励电流，从而提高传输功率。可见，采用高Q值、低R值的电感线圈作为无线电力传输天线是有利的。
为此，现有技术中已经提出采用绞线形成线圈。如图1A所示，绞线由大量线股扭转而成，线股的数量可以达到上百根，其中，每根绞线的直径十分精细。因此，无论是加工精细的线股和包漆、还是绞制工艺均十分复杂，这使得绞线线圈的成本十分高昂，不利于大规模使用。此外，虽然采用单根导线形成线圈可显著降低成本，如图1B所示圆形截面导线。但是，由于高频下显著的集肤效应和邻近效应，使得导线中的电流会集中在导线的表面，特别是集中在相邻匝的导线彼此相对的表面区域，这时导体得不到充分利用，使得线圈内阻R显著增大，品质因子Q降低，从而无法实现满意的无线电力传输性能。
因此，实践中期望获得兼备高品质因子Q和低制造成本的无线电力传输天线。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术所造成的至少一个问题。更确切地，本发明的目的在于提供一种传输效率高、传输功率大、制造成本低廉的无线电力传输天线。
为此，在本发明的一方面，提供了一种用于无线电力传输的天线，所述天线包括由扁平导线在线圈平面(P)上盘绕而成的线圈，所述扁平导线的高度(H)大于所述扁平导线的宽度(W)。在所述线圈中，所述扁平导线的高度(H)的方向垂直于所述线圈平面(P)。由于线圈沿线圈平面(P)平铺地延伸，使其感生磁场的方向几乎垂直于线圈平面(P)。本发明的扁平导体配置为沿该磁场方向呈现细长形状，使得导体受磁场的照射面相对较小，这使得该天线在高频工作状态下受邻近效应的影响较小，从而具有较高的品质因子，可以实现较高的传输效率。而且，由于该扁平导线的截面积较大，其内阻较小，有利于实现较大的传输功率和成本低廉的制造。
可选地，所述扁平导线竖直地放置在所述线圈平面(P)上，并且，所述扁平导线在所述线圈平面(P)的垂直方向上的截面具有细长的形状。
可选地，所述高度(H)和所述宽度(W)具有H>k*W的关系，其中，k等于或大于2。特别地，k越大，天线的性能越好。
可选地，在所述线圈中，相邻匝的扁平导线之间设置有绝缘条。绝缘条采用纸、塑料等绝缘材料制成，其具有良好的弯折柔性，易于加工制造。
进一步，所述绝缘条的宽度(T)限定相邻匝的扁平导线之间的间距(S)。并且，这一间距与所述扁平导线的宽度(W)相近，例如可以等于或大于所述扁平导线的宽度(W)。由此，在实践中，可以通过调节绝缘条的宽度(T)来控制扁平导线之间的间距(S)，或控制线圈的整体尺寸。
另外可选地，所述扁平导线的全部或部分的外周涂覆有绝缘涂层。具有绝缘涂层的扁平导线易于盘绕加工，并且所获得的线圈的结构紧凑。
可选地，所述线圈由绕制单体绕制，所述绕制单体包括彼此叠置的多个扁平导线，其中，所述多个扁平导线的高度(H)的方向均垂直于所述线圈平面(P)。这种包括多个扁平导线的绕制单体允许在线圈高度和匝数受限的情况下进一步减小每个扁平导线的宽度，提高H：W的比值，从而使得线圈具有更优的交流性能。
可选地，所述线圈具有用于收纳铁芯的中间腔体。放置在中间腔体中的铁芯可以增强线圈电感。这一中间腔体可以具有方形、圆形、矩形、带有圆角的矩形等形状。相应地，围绕该中间腔体绕制而成的线圈也可以具有方形、圆形、矩形、带有圆角的矩形等形状的轮廓。
可选地，所述线圈可以放置在导磁性材料(如铁氧体片)的底板上，用于减小不必要的磁辐射，并增强上侧的磁场强度。
在本发明的另一方面，提供了一种制造用于无线电力传输的天线的方法，包括：提供扁平导线，该扁平导线的高度(H)大于其宽度(W)；以及，在线圈平面(P)中盘绕所提供的扁平导线以形成线圈。在所形成的线圈中，所述扁平导线的高度(H)垂直于所述线圈平面(P)。
可选地，所述高度(H)和所述宽度(W)具有H>k*W的关系，其中，k等于或大于2。特别地，k越大，天线的性能越好。
可选地，所述方法还包括：提供绝缘条，使得所述绝缘条的高度与所述扁平导线的高度(H)重叠；并且，所述形成线圈的步骤包括同时地盘绕所提供的扁平导线和绝缘条，使得所述绝缘条将邻近两匝扁平导线彼此绝缘开。
可选地，在所述方法中，所述提供扁平导线包括提供其外周全部或部分地涂覆有绝缘涂层的扁平导线。
可选地，在所述方法中，所述提供扁平导线步骤包括提供具有多个扁平导线的绕制单体，其中，所述多个扁平导线的高度(H)彼此重叠；并且，所述形成线圈的步骤包括将所提供的绕制单体盘绕形成所述线圈。
在本发明的又一方面，提供了一种无线电力传输设备，其包括根据上文所述的天线。
本发明还提供了一种车辆，其包括根据上文所述的无线电力传输设备。
本发明还提供了一种磁感应加热装置，其包括根据上文所述的无线电力传输设备。
附图说明
现参考附图，其中各图示的目的仅在于显示某些示例性的实施例，而不旨在对本发明进行限制。在各附图中，相同的附图标记表示相同或相应的部分。各附图中的尺寸和比例也仅用于示意，而不应被解释为对本发明的缩限，这些尺寸可能相对于实际产品有所放大。在附图中：
图1A是现有技术中的绞线天线的导线截面图；
图1B是现有技术中的圆截面导线天线的导线截面图；
图2是根据本发明的无线电力传输天线的扁平导线的示意性截面图；
图3是根据一实施例的无线电力传输天线的示意性俯视图；
图4是图3所示的实施例的沿线A-A的截面图；
图5是根据另一实施例的无线电力传输天线的示意性俯视图；
图6是图5所示的实施例的沿线B-B的截面图；
图7是根据又一实施例的无线电力传输天线的绕制单体的截面图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的实施例，使得本领域普通技术人员可以容易地实现它们。然而，本发明还可以以许多不同形式实施，而不限于本文所述的实施例。为了清楚起见，省略了与描述本发明无关的部分。除非另有说明，本文所用的术语具有在本领域中的通常含义。在本文中，采用术语“左”、“右”、“上”、“下”描述附图中各部件的相对位置。这些术语和类似术语的使用仅用于方便描述，而不应理解为限制本发明的范围。
在本发明中，使用扁平导线绕制感应线圈，以同时获得良好的品质因子和经济性。这种线圈可以用于无线电力传输设备的无线电发送或接收天线。包括这种天线的无线电力传输设备可以用于为移动电话、可穿戴设备、平板电脑等电子设备进行无线充电。特别地，本发明的无线电力传输设备可安装在车辆中，用于为车载电子设备进行无线充电。
图2示出了根据本发明的原理的天线的局部截面图，其中，导线1A和1B是同一导线在线圈中的相邻匝中的不同部分。如图所示，这一导线具有扁平的截面形状，例如具有矩形的横截面。在本文中，如图2所示，定义图2中的竖直方向、即导线的较宽侧边延伸的长度为“高度(H)”，图2中的水平方向、即导线的较窄侧边延伸的长度为“宽度(W)”。导线的宽度W明显小于它的横向高度H。例如，导线的高度H和宽度W之比可以优选地大于或等于2、5、10、20，或者更大。特别地，导线的高度H和宽度W之比越大，线圈的性能更佳。换言之，高度H和宽度W具有H>k*W的关系，其中k等于或大于2。特别地，k越大，天线的性能越好。例如在一具体实施例中，导线的横向高度H为2.0mm，其宽度W为0.3mm。如图所示，当绕制成线圈之后，扁平导线1A和1B以面对面方式彼此相邻，即，导线在一匝中的限定高度的扁平表面与另一匝中的限定高度的扁平表面彼此相对布置。另外，相邻匝中的导线之间具有间距S，其与导线的宽度W相当，例如略等于或大于导线的宽度W。例如，导线的间距S可以是1mm。
这种导线结构及其绕制方式是特别有利的，因为线圈导体最大面积的表面平行于线圈的感生磁场。因此在工作时，由于邻近效应导致的偏置电流在正对表面上分布，而不是集中在导体的局部区域(图1B中的现有技术就是这种不利情况)，提高了导体对电流的承载能力。作为结果，由这一扁平导线绕制而成的线圈可以承载高频率的电流，而不会引起线圈内阻明显升高，因而确保较高的品质因子Q。另一方面，相对于图1B所示的绞线中的每个线股而言，本发明的扁平导线的绕制方法使线圈导体具有明显更大的有效载流截面积，因而允许承载更大电流，而不会引起显著的电阻热效应。
另外，如图所示的扁平导线的制造十分方便，通过常见的挤压工艺就可轻易获得。在各种实施例中，形成线圈天线的导线的导电材料可以是铜、铝、锡、等金属及其的合金，只要其具有良好的导电性和延展性即可。
图3示出了根据本发明的一实施例的由扁平导线100绕制而成的线圈天线的俯视图。如图所示，扁平导线100围绕中间腔体400盘绕了两圈半。应理解，此处的两圈半仅是示意目的，实践中可以根据需求绕制几十圈、几百圈甚至更多。中间腔体400可以收纳铁芯，以增强线圈电感。中间腔体400可以是近似方形的，例如具有25mm×25mm的尺寸。另外，中间腔体还可以具有其它形状(例如圆形)和尺寸。另外，绕制成的线圈可以放置在导磁性材料(如铁氧体片)的底板上，用于减小不必要的磁辐射，并增强上侧的磁场强度。特别地，在绕制过程中，相邻匝的导线被布置成以其扁平表面彼此相对，换言之，相邻匝的扁平导线的高度彼此重叠，以便降低高频电流下的邻近效应的不利影响。并且，为了避免相邻匝的导线彼此短路，可以在相邻匝之间设置绝缘条200。绝缘条200可以是采用绝缘的纸、塑料等材料制成，其具有与待绕制的扁平导线相近且重叠的高度，并且具有适于与扁平导线协同变形的柔性。在绕制过程中，同时地提供扁平导线100和绝缘条200，并且使二者彼此重叠地并且同时地围绕线圈中心进行绕制。
图4示出了绕制成的线圈天线的沿图3的线A-A的截面。如图所示，绕制形成的线圈是平线圈，其沿着线圈平面P延伸。而且，形成线圈的各扁平导线100的高度H的方向均垂直于线圈平面P。相邻的扁平导线100由绝缘条200隔开。绝缘条200的高度与导线100的高度H大致相同。另外，绝缘条200的厚度T将相邻匝的线圈分隔成需要的距离S。例如，绝缘条200的厚度T可以大致等于或大于导线100的宽度W。
虽然在图中仅示出每匝线圈包括一个扁平导线和与之相关联的一层绝缘条，但本发明不限于此。为了满足特定的线圈性能并改善绕制效率，可以同时地绕制由绝缘条隔开的多个扁平导线，例如两个扁平导线同时绕制，或三个扁平导线同时绕制。
图5示出了根据本发明的另一实施例的由扁平导线500绕制而成的天线的俯视图。如图所示，扁平导线500围绕中间腔体400盘绕了两圈半。应理解，此处的两圈半仅是示意目的，实践中可以根据需求绕制几十圈、几百圈甚至更多。中间腔体400可以收纳铁芯，以增强线圈电感。中间腔体400可以是方形或圆形的。另外，绕制成的线圈可以放置在导磁性材料(如铁氧体片)的底板上，用于减小不必要的磁辐射，并增强上侧的磁场强度。与图4类似，在本实施例的线圈中，相邻匝的扁平导线500同样以其侧面的扁平表面彼此相对地布置，以便降低高频电流下的邻近效应的不利影响。图5的实施例与图4的实施例不同之处在于：为了避免相邻匝的导线彼此短路，在每个导线的外侧包覆了绝缘涂层。如此，位于相邻匝的导线之间的绝缘条被省略，使得天线结构更加紧凑。
图6示出了图5的天线的沿线B-B的截面图。如图所示，绕制形成的线圈是平线圈，其沿着线圈平面P延伸。而且，形成线圈的各扁平导线500的高度H的方向均垂直于线圈平面P。而且，对于形成线圈的扁平导线500，绝缘涂层502包覆在中间导体501的整个外周。但是，这并不是限制性的，在未示出的实施例中，绝缘涂层502可以仅涂覆在中间导体501的左右两个扁平表面上，而不涂覆上下两个端面，以便进一步简化工艺和降低成本。在另一可能的实施例中，绝缘涂层502可以仅仅涂覆在中间导体501的左右两个扁平表面中的仅一个表面上。如此，当导线500被盘绕成线圈之后，相邻匝的线圈之间被位于二者之间的绝缘涂层502绝缘。
虽然在图中仅示出每匝线圈包括一个扁平导线，但本发明不限于此。为了满足特定的性能要求并进一步发挥本发明对绕组导体形状配置的作用，可以同时地绕制多个扁平导线。即是说，多个扁平导线彼此平行，组成绕制单体，其中，这些扁平导线的各自的扁平表面同样彼此相对，并且通过绝缘涂层或绝缘条隔开。在绕制过程中，提供这一包括多个扁平导线的绕制单体，并围绕中心将其绕制成线圈。例如，图7的示出根据一实施例的线圈的绕制单体的截面图，其中，绕制单体包括并排布置的四个扁平导线511，绝缘涂层512围绕在每个扁平导线511的周围，以用于提供绝缘并限定合适的间距。在绕制过程中，图7所示的导线单体作为整体被提供。需注意，在实践中，线圈的总体高度和绕制匝数通常受到限制，通过图7所示的方式可以增大每一匝线圈内导线的数量，并减小在每一匝线圈内的各导线的宽度，从而显著地提高线圈的交流性能，并提升结构的紧凑性。
另外，虽然图3～图6的实施例示出了矩形轮廓的线圈，但本发明不限于此。在其它实施例中，线圈还可以具有圆形、方形、椭圆形、带有圆弧角的矩形等形状，其均可以采用本发明教导的扁平导线结构和扁平导线面对面叠置的绕制方式。
在本发明的实施例中，具有上述示例特征的线圈可用于无线电力传输设备中，以用作无线电的发射或接收天线。由此，该无线电力传输设备可以高效率和高功率地为配合的电子设备(例如移动电话、可穿戴电子设备、平板电脑等)无线充电。特别地，这种无线电力传输设备可安装在机动车辆内部，例如安装在车辆仪表板、中控台、顶板等位置，以便用户为其电子设备进行充电。这种无线电力传输设备还可以用于难以成功布置有线输电线的位置，例如高振动或高油污的场合。另外，本发明的无线电力传输设备还可以用于磁感应加热设备中，以便提高磁感应加热的功率和效率。
上文已经详细描述了用于实现本发明的一些最佳实施例和其他实施例，但应理解，这些实施例的作用仅在于举例，而不在于以任何方式限制本发明的范围、适用或构造。本发明的保护范围由所附权利要求及其等同方式限定。本领域技术人员可以在本发明的教导下对前述各实施例作出诸多改变，这些改变均落入本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种用于无线电力传输的天线，其特征在于，
所述天线包括由扁平导线在线圈平面(P)上盘绕而成的线圈，所述扁平导线的高度(H)大于所述扁平导线的宽度(W)；
在所述线圈中，所述扁平导线的高度(H)的方向垂直于所述线圈平面(P)，所述线圈放置在导磁性材料的底板上，并且，所述线圈与所述底板平行，且所述线圈具有用于收纳铁芯的中间腔体；
其中，所述天线安装在车辆中，用于为车载电子设备进行无线充电。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述扁平导线相对于所述线圈平面(P)竖直地放置，并且，所述扁平导线在所述线圈平面(P)的垂直方向上的截面具有细长的形状。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述扁平导线的高度(H)与其宽度(W)之比大于或等于2、大于或等于5、大于或等于10、或大于或等于20。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的天线，其特征在于，所述线圈包括多个匝的扁平导线，每相邻两匝的扁平导线之间设置有绝缘条。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述绝缘条的厚度(T)限定每相邻两匝的扁平导线之间的间距(S)。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的天线，其特征在于，所述扁平导线的全部或部分的外周涂覆有绝缘涂层。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的天线，其特征在于，所述线圈由绕制单体绕制，该匝绕制单体包括彼此叠置的多个扁平导线，其中，所述多个扁平导线的高度(H)的方向均垂直于所述线圈平面(P)。
8.一种制造如权利要求1-7中任一项所述的用于无线电力传输的天线的方法，其特征在于，包括：
提供扁平导线，该扁平导线的高度(H)大于其宽度(W)；以及
在线圈平面(P)中盘绕所提供的扁平导线以形成线圈；
在所形成的线圈中，所述扁平导线的高度(H)垂直于所述线圈平面(P)；
将所述线圈放置在导磁性材料的底板上，并且，所述线圈与所述底板平行，且所述线圈具有用于收纳铁芯的中间腔体。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述扁平导线的高度(H)与其宽度(W)之比大于或等于2、大于或等于5、大于或等于10、或大于或等于20。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
提供绝缘条，使得所述绝缘条的高度与所述扁平导线的高度(H)重叠；
并且，所述形成线圈的步骤包括同时地盘绕所提供的扁平导线和绝缘条，使得所述绝缘条将每相邻两匝的扁平导线彼此绝缘开。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述提供扁平导线包括提供其外周全部或部分地涂覆有绝缘涂层的扁平导线。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，
所述提供扁平导线步骤包括提供具有多个扁平导线的绕制单体，其中，
所述多个扁平导线的高度(H)彼此重叠；并且，
所述形成线圈的步骤包括将所提供的绕制单体盘绕形成所述线圈。
13.一种无线电力传输设备，其包括根据权利要求1至7中的任一项所述的天线。
14.一种车辆，其包括根据权利要求13所述的无线电力传输设备。
15.一种磁感应加热装置，其包括根据权利要求13所述的无线电力传输设备。
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