CN106208418A - 电能发射天线及应用其的电能发射装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种非接触供电的电能发射天线和电能发射端，通过设置使得发射线圈的轴向面(称为线圈面)覆盖围绕所述电能发射天线轴向的侧面，获得了立体形式的电能发射天线结构，发射线圈的磁场在围绕所述电能发射天线轴向的侧面均匀分布，从而电能接收端可以放置于电能发射天线周向的任意位置，均可以获得较好的耦合度，进而提高了接收线圈位置的自由度。

Description

电能发射天线及应用其的电能发射装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术，更具体地，涉及一种电能发射天线及应用其的电能发射装置。

背景技术

非接触供电技术基于其方便实用的特点而广泛应用于电子产品领域，尤其是小功率的消费电子产品，例如移动电话、MP3播放器、数码照相机、便携式电脑等。如图1所示，以现有的谐振型非接触供电装置为例，其通常包含有一个由电能发射天线和电能接收天线构成的谐振与磁耦合电路，电能发射天线与电能发射端的其它元件构成发射侧谐振电路，电能接收天线与电能接收端的其它元件构成接收侧谐振电路。通过将发射侧谐振电路和接收侧谐振电路的谐振频率设置为相同，可以使得发射侧谐振电路谐振时，通过电磁场与发射侧谐振电路耦合的接收侧谐振电路也发生谐振，由此实现以非接触的方式传输电能。

在进行非接触供电时，需要将电能接收天线与电能发射天线对准才能使得两者具有较好的耦合度(通常来说，需要电能接收天线的线圈在与电能发射天线线圈共中心轴)，从而提高无线电能传输的效率。在现有技术中，电能发射天线通常采用如图1所示的平面方式设置，由于需要进行对准，对于承载电能接收天线的电能接收端的放置位置构成较大的限制，用户体验较差。虽然部分现有技术通过在平面上设置多个重叠的发射线圈构成电能发射天线来提高电能接收端的位置自由度，但是其对于电能接收端的位置自由度提升有限，无法大幅改善用户体验。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电能发射天线及应用其的电能发射装置，以使得电能接收端能够具有较大的位置自由度，在多个位置均可以与电能发射端形成较好的耦合。

第一方面，本发明提供一种用于非接触供电的电能发射天线，包括：

至少一个发射线圈，围绕所述电能发射天线的轴向设置，每个所述发射线圈包括基本沿线圈面设置的一个线圈匝或多个同心线圈匝，所有所述发射线圈的线圈面共同覆盖围绕所述电能发射天线轴向的侧面，其中，所述线圈面为平面或曲面。

优选地，所述发射线圈数量为多个，每个所述发射线圈的线圈面为曲面，并覆盖所述侧面的一部分。

优选地，所述发射线圈的线圈面至少部分与相邻的发射线圈的线圈面重叠。

优选地，每个所述发射线圈的线圈面覆盖所述电能发射天线的周向上的预定角度范围内的所述侧面。

优选地，所述发射线圈数量为N，所述预定角度范围为720/N，N个发射线圈沿所述电能发射天线的周向均匀分布。

优选地，所述发射线圈数量为一个，所述发射线圈的线圈面基本覆盖所述侧面。

优选地，所述发射线圈的线圈面包括在所述侧面上相对的端部，所述端部彼此靠近。

优选地，所述发射线圈的线圈面包括在所述电能发射天线的周向上相互重叠的端部。

优选地，所述发射线圈的线圈面包括覆盖所述侧面的部分以及向所述侧面包围的区域内延伸的端部。

优选地，所述至少一个发射线圈围绕所述电能发射天线的轴向形成为柱体、锥体、锥台、棱台或不规则形状。

优选地，每个所述发射线圈包括：

线圈载体，用于限定所述线圈面；以及

导线，形成在所述线圈载体限定的线圈面上或绕制于所述线圈载体上。

优选地，所述线圈载体为柔性电路板或线圈架。

第二方面，提供一种用于非接触供电的电能发射装置，包括如上所述的电能发射天线。

通过设置使得发射线圈的轴向面(称为线圈面)覆盖围绕所述电能发射天线轴向的侧面，获得了立体形式的电能发射天线结构，发射线圈的磁场在围绕所述电能发射天线轴向的侧面均匀分布，从而电能接收端可以放置于电能发射天线周向的任意位置，均可以获得较好的耦合度，进而提高了接收线圈位置的自由度。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是现有的非接触供电装置的电能发射天线和电能接收天线的示意图；

图2A是一个对比例的电能发射天线的立体示意图；

图2B是图2A所示对比例的电能发射天线的俯视图；

图3A是本发明实施例一的电能发射天线的立体示意图；

图3B是本发明实施例一的电能发射天线的俯视图；

图3C是本发明实施例一的发射线圈的示意图；

图3D是本发明实施例一的电能发射天线与电能接收天线耦合的位置关系图；

图3E是本发明实施例一的电能发射天线与另一类型电能接收天线耦合的位置关系图

图4是本发明实施例一的电能发射天线的另一个优选实施方式的俯视图；

图5是本发明实施例二的电能发射天线的一个优选实施方式的立体示意图；

图6是本发明实施例二的电能发射天线的另一个优选实施方式的立体示意图；

图7是本发明实施例二的电能发射天线的又一个优选实施方式的立体示意图；

图8是本发明实施例三的电能发射天线的一个优选实施方式的立体示意图；

图9是本发明实施例三的电能发射天线的另一个优选实施方式的立体示意图；

图10是本发明实施例三的电能发射天线的又一个优选实施方式的立体示意图；

图11是本发明实施例具有不规则形状的电能发射天线的线圈面的示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。在本发明的描述中，需要理解的是，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

另外，诸如“下部”或“底部”以及“上部”或“顶部”之类的关系术语在这里可以用于描述如图所限制的一个元件与其他元件的关系。应该理解的是关系术语旨在包含除了图中所示朝向之外的不同朝向。例如，如果将一幅图中的器件翻转，那么描述为在另一个元件“下部”一侧的元件将朝向为在另一个元件的“上部”一侧。因此，依赖于附图的具体朝向，典型术语“下部”包含“下部”和“上部”两种朝向。类似地，如果将一幅图中的器件翻转，那么描述为在其他元件“下面”或“以下”的元件将朝向为在其它元件“上面”。因此，典型术语“下面”或“以下”可以包含上面和下面两种朝向。

图2A-2B示出了作为本发明实施例的对比例的电能发射天线的示意图。在该对比例中，电能发射天线包括发射线圈TX1和发射线圈TX2。其中，发射线圈TX1和TX2基本设置在平面上，具有基本为平面的线圈面。同时，发射线圈TX1和TX2以使得线圈面相互成预定角度的方式设置，两者的线圈面在两个线圈面限定获得的柱形的轴相交。优选地，如图2B所示，发射线圈TX1和TX2的线圈面相互垂直。在本说明书中，利用柱坐标系来对于电能发射天线进行描述。柱坐标系通常通过x轴坐标、z轴坐标和周向偏转角来定位空间中的点。在以下的说明中，将z轴定义为电能发射天线的轴向，将围绕轴z的方向，也即周向偏转角的方向定义为周向。其中，发射线圈的尺寸、形状可以根据设计需要设定，并不限于特定的形状和尺寸。同时，发射线圈TX1和TX2也不须完全相同。本领域技术人员可以知道，在线圈通电时，与线圈匝所在平面垂直的方向上的磁场强度最大，而与线圈匝平行的方向，磁场强度最小。为了在非接触供电中获得较好的电能发射效率，将两个发射线圈设置为朝向不同的方向，从而可以在环绕轴向的不同方向上获得较好的磁场覆盖。在进行非接触供电时，可以通过控制装置(图中未示出)，分别检测发射线圈TX1和TX2的发射效果或与电能接收端的耦合度，从而选择其中之一进行电能发射，获得较好的电能发射效果。

同时，上述对比例中发射线圈的数量也可以多于两个，由此，各发射线圈的线圈面彼此成预定的角度。优选地，各发射线圈的线圈面之间的角度可以相等。由此，在电能接收天线的接收线圈位于图中所示的圆柱体侧面的不同方位时均存在一个发射线圈与其形成较好的电磁耦合，从而提高电能发射效率。

但是，上述方案需要将线圈交叉设置，在制造工艺上成本较高。

图3A-3B是本发明实施例一的电能发射天线的示意图。如图3A-3B所示，电能发射天线1被形成为圆柱体。电能发射天线1包括多个发射线圈TX1～TXN。在图3中，N等于4。所述多个发射线圈TX1～TX4围绕轴线z设置，覆盖圆柱体的侧面。轴线z形成电能发射天线的轴向。如图3C所示，每个发射线圈TX1包括线圈载体11和导线12。线圈载体11具有较小的厚度，并限定形成有覆盖电能发射天线1侧面的曲面，该曲面被称为线圈面13。导线12形成在线圈面13上，在所述线圈面上延伸，或绕制于所述线圈载体11的厚度方向的侧面，从而形成基本共面设置于线圈面的多个同心线圈匝。所述导线12在通电时形成沿线圈匝流动的电流，从而产生对应的磁场与电能接收天线形成耦合，传递电能。优选地，线圈载体11可以设置为柔性电路板，导线12形成于柔性电路板的主平面上，通过弯曲并固定柔性电路板获得具有曲面线圈面的发射线圈。可替代地，线圈载体11也可以设置为具有曲面线圈面的线圈架，导线12延线圈架的侧面绕制。

如图3A和图3B所示，每个发射线圈的线圈面13形成为曲面状，并覆盖围绕电能发射天线的轴z的侧面。整个电能发射天线形成为圆柱形，所述侧面为圆柱形的侧面。所有发射线圈TX1～TX4分别覆盖所述侧面的不同部分，并共同覆盖整个侧面。由于磁场在线圈匝的区域内是基本均匀分布的，通过设置多个发射线圈，使得环绕电能发射天线1一周均可以进行电磁能量的发射。

优选地，每个发射线圈TX1～TX4的线圈面与相邻的发射线圈的线圈面至少部分重叠。例如，在图3A和图3B中，发射线圈TX1与发射线圈TX3以及TX4重叠，且重叠的区域不相同。发射线圈TX1与发射线圈TX2不重叠，两者之间的间隙s被发射线圈TX4所覆盖。类似地，发射线圈TX3和TX4之间的两个间隙分别被发射线圈TX1和TX2覆盖。由此，可以使得不同线圈之间的间隙被其它的发射线圈覆盖，从而使得磁场的分布更加均匀，消除覆盖盲区。

进一步地，每个发射线圈的线圈面覆盖所述电能发射天线的周向上的预定角度范围内的侧面。优选地，每个发射线圈覆盖的角度相同，为720/N,其中，N为发射线圈的数量。也就是说，在该优选实施方式中，所有发射线圈的线圈面将电能发射天线围绕轴向的侧面至少覆盖两层，以获得更好的磁场分布。如图3A和图3B所示，其中，每个发射线圈TX1～TX4在周向上覆盖180度的侧面，也即，每个发射线圈的线圈面呈现为弯折为180度的柱面。同时，每个发射线圈沿电能发射天线的周向均匀分布，也即，如图3B所示，起始位置分别为0度、90度、180度和270度。由此，可以获得更加均匀的磁场分布。

进一步地，每个发射线圈的导线引出位置可以设置为线圈面上的任意位置，例如线圈面底部的特定位置。

同时，通过设置使得电能发射端以轮询方式检测目前哪一个或哪几个发射线圈能够以较好的耦合度与电能接收天线耦合，从而电能接收端可以放置于电能发射天线周向的任意位置，均可以获得较好的耦合度，从而提高了接收线圈位置的自由度。

图3D和图3E示出了本实施例的电能发射天线与电能接收端的电能接收天线的耦合方式。如图3D所示，由于电能发射天线1形成为柱状。电能接收端的电能接收天线2可以被形成为环状，或环状的一部分。由于电能发射天线1可以在整个侧面均匀地进行电能发射，因此，无论电能接收天线2围绕所述电能发射天线1如何转动均可以获得较好的电能接收效果。同时，如图3E所示，电能接收端的电能接收天线也可以不以套设的方式设置，而是与电能发射天线的侧面的一部分相对放置，此时，同样由于电能发射天线1可以在整个侧面均匀地进行电能发射，因此，无论电能接收天线2围绕所述电能发射天线1如何转动均可以获得较好的电能接收效果。

本领域技术人员可以理解，图3A-3E所述的电能发射天线仅为本发明实施例的一个示例。本发明对于发射线圈的数量以及覆盖的角度并不作限制。例如，如图4所示，根据本实施例的电能发射天线也可以设置为包括3个发射线圈，每个发射线圈的线圈面在周向上大致覆盖240度的角度范围的侧面。当然，每个发射线圈所覆盖的角度可以相同也可以根据需要设置为不同。在发射线圈之间存在重叠时，重叠的区域的大小可以设置为相同，也可以根据需要设置为不同。

进一步地，本领域技术人员还可以理解，本实施例的电能发射天线的形状，也即，由所有发射线圈的线圈面所围成的形状，可以为图3A-3E所示的圆柱形，也可以为其它任何具有轴向以及围绕轴向的侧面的形状，例如，棱柱、长方体、锥形、锥台、棱台或具有不规则轴向切面形状的柱体或锥台等。

同时，虽然图3A-3E中的实施方式发射线圈的线圈面为曲面，但是，在电能发射天线形成为棱柱或棱台时，发射线圈的线圈面也可以为平面。

由此，本发明实施例通过设置使得发射线圈的轴向面(称为线圈面)覆盖围绕所述电能发射天线轴向的侧面，获得了立体形式的电能发射天线结构，发射线圈的磁场在围绕所述电能发射天线轴向的侧面均匀分布，从而电能接收端可以放置于电能发射天线周向的任意位置，均可以获得较好的耦合度，从而提高了接收线圈位置的自由度。

另一方面，在本发明的其它实施例中，电能发射天线仅设置一个发射线圈，其线圈面基本覆盖电能发射天线的整个侧面。由此，该一个发射线圈即可以实现在电能发射天线的整个侧面均匀地发射电能，无论电能接收端的电能接收天线放置在所述侧面的哪个位置，均可以高效地进行电能接收。

图5是本发明实施例二的电能发射天线的一个优选实施方式的立体示意图。为了方便查看，图5中仅示出了发射线圈的线圈面。如图5所示，其中较粗的线条显示了线圈面上线圈导线的走向。本实施方式的发射线圈的线圈面被设置为刚好环绕轴向一周，覆盖圆柱体的整个侧面。发射线圈的导线12基本上沿线圈面的边缘方向延伸，也即，沿上端边缘，端部边线，下端边缘，端部边线的方式来延伸。线圈面的端部13a和13b相互接触。容易理解，如果线圈面的端部设置有导线，则需要设置使得导线之间相互绝缘，这可以通过例如给导线设置绝缘涂层来实现。

图6是本发明实施例二的电能发射天线的另一个优选实施方式的立体示意图。如图6所示，其中较粗的线条显示了线圈面上线圈导线的走向。本实施方式的发射线圈的线圈面被设置为环绕轴向一周，基本覆盖圆柱体的整个侧面。发射线圈的导线12基本上沿线圈面的边缘方向延伸，也即，沿上端边缘，端部边线，下端边缘，端部边线的方式来延伸。与图5不同，图6中的线圈面的端部13a和13b相对设置，并在两个端部之间留有间隙。这样的设置方式可以降低电能发射天线制造过程中的工艺要求，降低生产成本。

图7是发明实施例二的电能发射天线的又一个优选实施方式的立体示意图。在线圈面的端部之间存在间隙时，可能出现电磁泄露，产生不期望的磁场分布。由此，可以设置使得发射线圈的线圈面在周向上覆盖电能发射天线的侧面超过360度的范围。例如，使得发射线圈的线圈面的端部13a和13b相互重叠。由此，可以去除由于间隙导致的不期望的磁场分布，获得更好的电磁耦合效果。

虽然如图7所示电能发射天线可以一定程度优化磁场分布。但是，由于两股线不可能完全紧密绕制，对磁场均匀分布的影响还是存在的。为了进一步优化磁场分布，本发明实施例三提出通过设置使得发射线圈的线圈面的端部13a和13b向电能发射天线的侧面包围的区域内部延伸。使得沿轴向流动的电流远离电能发射天线的侧面，从而进一步减弱对外围磁场的不良影响。

图8是本发明实施例三的电能发射天线的一个优选实施方式的立体示意图。如图8所示，其中较粗的线条显示了线圈面上线圈导线的走向。图8中，所述电能发射天线形成为圆柱体。发射线圈的线圈面包括覆盖圆柱体侧面的部分13c以及向所述侧面包围的区域内延伸的端部13a和13b。端部13a和13b可以基本相互平行地向内延伸，也可以以不平行的方式向内延伸。发射线圈的导线12基本沿侧面的上边缘、下边缘、端面上向内延伸的线条以及平行于侧面的线延伸。

图9是本发明实施例三的电能发射天线的另一个优选实施方式的立体示意图。如图9所示，其中较粗的线条显示了线圈面上线圈导线的走向。图9中，所述电能发射天线形成为长方体。发射线圈的线圈面包括覆盖长方体侧面的部分13c以及向所述侧面包围的区域内延伸的端部13a和13b。端部13a和13b可以基本相互平行地向内延伸，也可以以不平行的方式向内延伸。如图9所示，端部13a和13b也可以弯曲的方式，也即，端部对应部分形成为曲面的方式，向内延伸。发射线圈的导线12基本沿侧面的上边缘、下边缘、端面上向内延伸的线条以及平行于侧面的线延伸。

图10是本发明实施例三的电能发射天线的另一个优选实施方式的立体示意图。如图10所示，其中较粗的线条显示了线圈面上线圈导线的走向。图10中，所述电能发射天线形成为锥台。发射线圈的线圈面包括覆盖锥台侧面的部分13c以及向所述侧面包围的区域内延伸的端部13a和13b。端部13a和13b可以基本相互平行地向内延伸，也可以以不平行的方式向内延伸。发射线圈的导线12基本沿侧面的上边缘、下边缘、端面上向内延伸的线条以及平行于侧面的线延伸。

应理解，以上说明仅示例性地说明了电能发射天线的部分实施方式，本实施例的电能发射天线还可以形成为棱台、或如图11所示的具有不规则轴向截面的柱体或锥台等。

本实施例通过设置一个发射线圈，并使得发射线圈的轴向面(称为线圈面)覆盖围绕所述电能发射天线轴向的整个侧面，获得了立体形式的电能发射天线结构，发射线圈的磁场在围绕所述电能发射天线轴向的侧面均匀分布，从而电能接收端可以放置于电能发射天线周向的任意位置，均可以获得较好的耦合度，进而提高了接收线圈位置的自由度。同时，通过设置发射线圈的端部重叠或向侧面包围的区域内部延伸，可以减小端部的线圈导线在通电时相反方向电流产生的磁场相互抵消所导致的对于外部磁场的不良影响，进一步提高磁场分布的均匀度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于非接触供电的电能发射天线，包括：

至少一个发射线圈，围绕所述电能发射天线的轴向设置，每个所述发射线圈包括基本沿线圈面设置的一个线圈匝或多个同心线圈匝，所有所述发射线圈的线圈面共同覆盖围绕所述电能发射天线轴向的侧面，其中，所述线圈面为平面或曲面。

2.根据权利要求1所述的用于非接触供电的电能发射天线，其特征在于，所述发射线圈数量为多个，每个所述发射线圈的线圈面为曲面，并覆盖所述侧面的一部分。

3.根据权利要求2所述的用于非接触供电的电能发射天线，其特征在于，所述发射线圈的线圈面至少部分与相邻的发射线圈的线圈面重叠。

4.根据权利要求2所述的用于非接触供电的电能发射天线，其特征在于，每个所述发射线圈的线圈面覆盖所述电能发射天线的周向上的预定角度范围内的所述侧面。

5.根据权利要求4所述的用于非接触供电的电能发射天线，其特征在于，所述发射线圈数量为N，所述预定角度范围为720/N，N个发射线圈沿所述电能发射天线的周向均匀分布。

6.根据权利要求1所述的用于非接触供电的电能发射天线，其特征在于，所述发射线圈数量为一个，所述发射线圈的线圈面基本覆盖所述侧面。

7.根据权利要求6所述的用于非接触供电的电能发射天线，其特征在于，所述发射线圈的线圈面包括在所述侧面上相对的端部，所述端部彼此靠近。

8.根据权利要求6所述的用于非接触供电的电能发射天线，其特征在于，所述发射线圈的线圈面包括在所述电能发射天线的周向上相互重叠的端部。

9.根据权利要求6所述的用于非接触供电的电能发射天线，其特征在于，所述发射线圈的线圈面包括覆盖所述侧面的部分以及向所述侧面包围的区域内延伸的端部。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的用于非接触供电的电能发射天线，其特征在于，所述至少一个发射线圈围绕所述电能发射天线的轴向形成为柱体、锥体、锥台、棱台或不规则形状。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的用于非接触供电的电能发射天线，其特征在于，每个所述发射线圈包括：

线圈载体，用于限定所述线圈面；以及

导线，形成在所述线圈载体限定的线圈面上或绕制于所述线圈载体上。

12.根据权利要求11所述的用于非接触供电的电能发射天线，其特征在于，所述线圈载体为柔性电路板或线圈架。

13.一种用于非接触供电的电能发射装置，包括如权利要求1-9中任一项所述的电能发射天线。