可變螺距螺旋形線圈的製作方法

2023-06-09 13:07:21 1

可變螺距螺旋形線圈的製作方法
【專利摘要】本發明的名稱為可變螺距螺旋形線圈。一種用於非接觸式電源系統的感應線圈被提供。所述感應線圈包括具有平面螺旋形圖案的導電元件，其中相鄰螺旋之間的螺距在所述平面螺旋形圖案的中心附近比在所述平面螺旋形圖案的外邊緣附近大。所述感應線圈可以被用作初級線圈、初級側諧振器線圈、次級側諧振器線圈和/或次級線圈中的任何一個以跨一系列距離和對準取向提高電源系統的效率。在一些實施例中，所述螺旋與所述螺旋形圖案的中心間隔開一定距離，所述距離與平方根曲線成比例地增加，使得所述螺旋在所述螺旋形圖案的外邊緣附近集中在一起。
【專利說明】可變螺距螺旋形線圈
【技術領域】
[0001]本發明涉及非接觸式電源系統，並且更具體地涉及供非接觸式電源系統使用的感應線圈。
【背景技術】
[0002]非接觸式電源系統包括電能在沒有機械連接的情況下從電源向一個或多個便攜裝置的傳輸。典型的非接觸式電源驅動時變電流通過初級線圈來產生時變電磁場。一個或多個便攜裝置可以各自包括次級線圈。當將次級線圈放置於所述時變電磁場附近時，該場在次級線圈中感生交流電流，由此將電力從非接觸式電源傳輸到便攜裝置。
[0003]通常期望的是提高初級線圈與次級線圈之間的電力傳輸。可以通過改變許多參數來提高電力傳輸。例如，可以通過調諧耦合係數來提高電力傳輸——所述耦合係數與初級線圈和次級線圈的相對幾何結構有關。進一步舉例來說，可以通過引入鐵氧體磁芯元件或通過增加一個或多個諧振器線圈來提高電力傳輸。例如，非接觸式電源可以包括諧振器線圈並且便攜裝置可以包括諧振器線圈。在這種四線圈構造中，初級線圈(LI)與諧振器線圈(L2)配對，並且次級線圈(L4)與諧振器線圈(L3)配對。諧振器線圈(L2和L3)協作來增強感應電力傳輸，特別是在中距離應用中。
[0004]儘管上述已知技術提高了電力傳輸，但仍對提高非接觸式電源系統的整體系統效率有持續的需要。另外，對通過提高電力傳輸水平來縮短電池再充電所需的時間而同時還使來自非接觸式電源的雜散電磁輻射最小化有持續的需要。將效率提高到期望水平可潛在地加速非接觸式電源在充電器中的採用，包括例如用於智慧型手機、平板計算機、膝上型計算機、個人數字助理及其他裝置的充電器。

【發明內容】

[0005]一種用於非接觸式電源系統的感應線圈被提供。所述感應線圈包括具有平面螺旋形圖案的導電元件，其中相鄰螺旋之間的螺距在所述螺旋形圖案的中心附近比在所述螺旋形圖案的外邊緣附近大。所述感應線圈可以被用作初級線圈、初級側諧振器線圈、次級側諧振器線圈和/或次級線圈中的任何一個以跨一系列距離和對準取向提高電源系統的整體效率，並且用於一系列非接觸式電源應用。
[0006]在一個實施例中，所述感應線圈包括具有平面螺旋形圖案的導電元件，其中所述平面螺旋形圖案的相鄰螺旋之間的螺距隨所述螺旋形圖案的連續的匝而逐漸減小。所述螺旋與所述螺旋形圖案的中心間隔開一定距離，所述距離與平方根曲線成比例地增加，使得所述螺旋在所述螺旋形圖案的外邊緣附近集中在一起。
[0007]在另一實施例中，所述感應線圈包括具有平面螺旋形圖案的導電元件,所述平面螺旋形圖案具有最裡面的螺旋、最外面的螺旋以及多個中間螺旋，其中當沿從所述螺旋形圖案的中心向所述螺旋形圖案的外邊緣延伸的徑向(radial)測量時所述最裡面的螺旋與其相鄰螺旋之間的螺距大於任何兩個相鄰的中間螺旋之間的螺距。[0008]在又一實施例中，所述感應線圈包括具有平面螺旋形圖案的導電元件，其中相鄰螺旋之間的螺距在所述螺旋形圖案的第一部分上逐漸減小，並且其中相鄰螺旋之間的螺距在所述平面螺旋形圖案的第二部分上保持大體上恆定，所述第二部分沿徑向處於所述第一部分的外部。
[0009]在還有一個實施例中，所述感應線圈包括具有平面螺旋形圖案的導電元件，其中相鄰螺旋之間的螺距在一些區域中比在其他區域中大。在這個實施例中，所述螺距可以在所述螺旋形圖案的第一部分上增大，並且進而在於所述螺旋形圖案的第三部分上再次增大之前在所述螺旋形圖案的第二部分上減小。相反地，所述螺距可以在所述螺旋形圖案的第一部分上減小，並且進而在於所述螺旋形圖案的第三部分上再次減小之前在所述螺旋形圖案的第二部分上增大。
[0010]在還有另一實施例中,所述感應線圈是夾設在電力傳輸表面與初級線圈之間的初級側諧振器線圈。所述諧振器線圈包括具有平面螺旋形圖案的導電元件，其中相鄰螺旋在所述螺旋形圖案的中心附近具有的第一螺旋密度小於在所述螺旋形圖案的外邊緣附近具有的第二螺旋密度。在這個實施例中，初級線圈與更靠近外邊緣的螺旋大體上共同延伸(coextensive),由此降低所述初級線圈與定位在所述電力傳輸表面上或上方的次級線圈之間的耦合。
[0011 ] 在另外的實施例中,所述感應線圈包括具有圓形螺旋形圖案、正方形螺旋形圖案、橢圓形螺旋形圖案、矩形螺旋形圖案、對數螺旋形圖案、包括一階和二階分形的分形螺旋形圖案或其他螺旋形圖案的導電元件。所述導電元件可以包括導電線繞組、印刷跡線繞組、絞合線或其他導電元件，可選地與電容元件串聯地電連接以提供調諧的諧振頻率。另外，所述感應線圈可以包括磁芯元件，例如鐵氧體磁芯元件，而在其他實施例中，所述感應線圈可以不帶任何磁芯，通常為無磁芯。
[0012]因此，本發明的實施例可以提供用於非接觸式電源系統及包括例如驅動電子器件的其他電路裝置的改進型感應線圈。當用作初級線圈或用作初級側諧振器線圈時，所述感應線圈在已知系統上的較大區域上為多個裝置實現無線電力。另外，可變螺距螺旋形圖案可以增大目標充電區域中的最小耦合係數，而同時還減小最大耦合係數。這又使次級線圈能夠在低耦合區域中吸引更多電力而同時必須抑制高耦合區域中較小的過電壓。這也使非接觸式電源能夠在低耦合區域中檢測更多的信號(例如通信信號)並且具有跨裝置存在的範圍求平均的較小偏差。
[0013]參考對當前實施例的說明以及附圖將更充分地理解和認知本發明的這些及其他優點和特徵。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是根據一個實施例的感應線圈的俯視圖。
[0015]圖2是示意符合平方根曲線的螺旋形圖案的圖表。
[0016]圖3是示意根據一個實施例的非接觸式電源系統的示意圖。
[0017]圖4是示意圖3的非接觸式電源系統的截面圖。
[0018]圖5是用於與圖1的感應線圈進行性能比較的現有技術的線圈構造和便攜裝置。
[0019]圖6是圖5的現有技術的線圈構造的二維耦合係數色標圖。[0020]圖7是無鐵氧體磁芯元件的、圖1的感應線圈的二維耦合係數色標圖。
[0021]圖8是包括鐵氧體磁芯元件的、圖1的感應線圈的二維耦合係數色標圖。
【具體實施方式】
[0022]當前實施例涉及供非接觸式電源系統及其他電路裝置使用的感應線圈。所述感應線圈大體上包括具有平面螺旋形圖案的導電元件，其中相鄰螺旋之間的螺距在螺旋形圖案的中心附近比在螺旋形圖案的外邊緣附近大。在以下部分I中論述根據一個實施例的感應線圈。在以下部分II中陳述包括根據這個實施例的感應線圈的非接觸式電源系統。在以下部分III中陳述一個示例。
[0023]1.感應線圈
[0024]現在參考圖1，根據一個實施例的感應線圈被示出並且一般地被標記為10。感應線圈10包括導電兀件12,導電兀件12具有第一端部14和第二端部16,在第一端部14與第二端部16之間限定長度。導電元件12被布置為包括近似幾何中心18和外邊緣20的二維或平面的螺旋形圖案。螺旋形圖案包括η個螺旋，其中最外面的螺旋被限定為第η個螺旋或螺旋-η，次最外面的螺旋被限定為第n-Ι個螺旋，以此類推，直到達到最裡面的螺旋或螺旋-1為止。如術語在本文中被使用的那樣，螺旋(或匝)被定義為包括導電元件12的圍繞幾何中心18遍歷三百六十度的那個部分。可以在給定實施例中使用任何數量的螺旋，包括例如大於二百個螺旋。同樣舉例來說，螺旋形圖案可以包括在二到二百個螺旋之間，包括二和二百個，可選地在四到四十個螺旋之間，包括四和四十個，以及進一步可選地在十到二十個螺旋之間，包括十和二十個。
[0025]如上所述，螺旋 形圖案包括相鄰螺旋之間的螺距。螺距是相鄰螺旋的中心線之間分開的距離的測量值。相鄰螺旋之間的螺距與相鄰螺旋之間的間距的不同之處在於:間距等於螺距減去導體直徑或厚度。對於具有小的直徑或厚度的導體，這個區別可能很小或甚至可忽略不計，在這種情況下，導體12被假定為無窮細。在本實施例中，相鄰螺旋之間的螺距在螺旋形圖案的中心18附近比在螺旋形圖案的外邊緣20附近大。例如，螺距在螺旋形圖案的第一部分22上逐漸減小，並且在螺旋形圖案的第二部分24上大體上保持恆定，其中螺旋形圖案的第二部分24沿徑向處於螺旋形圖案的第一部分20的外部。就此而言，螺旋形繞組的第一部分24包括螺旋螺距的逐漸減小，而螺旋形繞組的第二部分24包括大體上恆定的螺旋螺距。然而，在其他實施例中，螺旋形圖案包括螺距從中心到外邊緣的逐漸減小，而不包括具有大體上恆定螺距的第二部分24。
[0026]也可以基於到螺旋形圖案的中心18的距離來描述螺旋形圖案。例如，到螺旋形圖案的中心18的距離可以根據平方根曲線逐漸增加。也就是說，在沿從中心18延伸的任意徑向26(例如270°徑向)的每個點處，到螺旋形圖案的中心18的距離與η的平方根成比例地增加，其中η對應於螺旋號。以下針對電感為35.58 μ H的8英寸X 8英寸的正方形螺旋形圖案示出了根據一個實施例的數值，並且在圖2中用圖表對所述數值進行了描繪:
到中心的距離相鄰螺旋之間的螺螺、旋包圍的面積
[0027]_ __(^1)__距(英寸)__(平方英寸)
I1.240.3646.16
【權利要求】
1.一種電路裝置，其包括: 平面繞組，其包括重複的螺旋形圖案，所述重複的螺旋形圖案限定相鄰螺旋之間的螺距，其中所述螺距在所述平面繞組的第一部分上逐漸減小，並且其中所述螺距在所述平面繞組的第二部分上保持大體上恆定，所述平面繞組的第二部分沿徑向處於所述平面繞組的第一部分的外部。
2.根據權利要求1所述的電路裝置，其中所述第一部分螺距隨著沿徑向向外地沿所述平面繞組移動而成比例地減小。
3.根據權利要求1所述的電路裝置，其還包括:相對於所述平面繞組同中心地被定位的初級繞組。
4.根據權利要求3所述的電路裝置，其中所述初級繞組與所述平面繞組的第二部分大體上共同延伸。
5.根據權利要求3所述的電路裝置，其中所述初級繞組與所述平面繞組的第一部分大體上沒有重疊。
6.根據權利要求3所述的電路裝置，其還包括:與所述初級繞組電連接並且與所述平面繞組電絕緣的電源。
7.根據權利要求3所述的電路裝置，其中: 所述平面繞組是與便攜裝置中的次級繞組耦合的諧振繞組；並且 所述平面繞組和所述次級繞組限定第一耦合係數，所述第一耦合係數大於在所述初級繞組與所述次級繞組之間限定的耦合係數。
8.根據權利要求1所述的電路裝置，其中所述重複的螺旋形圖案是正方形繞組、矩形繞組、圓形繞組以及橢圓形繞組中的一個。
9.根據權利要求1所述的電路裝置，其還包括:用於在其上接納至少一個便攜裝置的電力傳輸表面，所述平面繞組大體上平行於所述電力傳輸表面。
10.根據權利要求1所述的電路裝置，其中所述平面繞組包括印刷導電元件、卷線元件或蝕刻導電元件。
11.一種非接觸式電源，其包括: 用於在其上接納至少一個便攜裝置的電力傳輸表面；以及 感應線圈，其處於所述電力傳輸表面下方，所述感應線圈包括平面螺旋形繞組，所述平面螺旋形繞組限定相鄰螺旋之間的螺距，其中所述螺距從所述感應線圈的中心軸沿徑向向外逐漸減小。
12.根據權利要求11所述的非接觸式電源，其中所述螺旋與所述中心軸間隔開一定距離，所述距離與平方根曲線成比例地增加，使得所述相鄰螺旋遠離所述中心軸集中在一起。
13.根據權利要求11所述的非接觸式電源，其還包括:被定位在所述感應線圈下方的初級線圈。
14.根據權利要求13所述的非接觸式電源，其中: 所述感應線圈形成與所述便攜裝置中的次級線圈感應耦合的諧振電路的部分；並且 所述感應線圈和所述次級線圈限定第一耦合係數，所述第一耦合係數大於在所述初級線圈與所述次級線圈之間限定的耦合係數。
15.根據權利要求14所述的非接觸式電源，其中所述諧振電路包括與所述感應線圈串聯地電連接的電容器。
16.根據權利要求13所述的非接觸式電源，其還包括與所述初級線圈耦合的電源。
17.根據權利要求11所述的非接觸式電源，其中所述感應線圈包括正方形繞組圖案、矩形繞組圖案、圓形繞組圖案或橢圓形繞組圖案。
18.根據權利要求11所述的非接觸式電源，其中所述感應線圈包括鐵氧體磁芯元件。
19.根據權利要求11所述的非接觸式電源，其中所述感應線圈包括印刷導電元件、卷線元件或蝕刻導電元件。
20.—種電 路裝置，其包括: 平面繞組，其包括重複的螺旋形圖案，所述重複的螺旋形圖案具有中心和外邊緣，其中所述平面繞組的相鄰螺旋之間的螺距在所述平面繞組的中心附近比在所述平面繞組的外邊緣附近大。
21.根據權利要求20所述的電路裝置，其中所述螺旋與所述平面繞組的中心間隔開一定距離，所述距離與平方根曲線成比例地增加，使得所述螺旋在所述平面繞組的外邊緣附近集中在一起。
22.根據權利要求20所述的電路裝置，其中所述螺旋線圈包括η個螺旋，其中η在八與十八之間。
23.根據權利要求22所述的電路裝置，其中螺旋η與螺旋n-Ι之間的螺距小於螺旋η_1與螺旋n-2之間的螺距，其中螺旋η是最外面的螺旋。
24.根據權利要求20所述的電路裝置，其中所述重複的螺旋形圖案包括最裡面的螺旋和最外面的螺旋，其中當沿從所述中心向所述外邊緣延伸的徑向測量時所述最裡面的螺旋與其相鄰螺旋之間的螺距大於所述最外面的螺旋與其相鄰螺旋之間的螺距。
25.根據權利要求20所述的電路裝置，其中所述重複的螺旋形圖案包括最裡面的螺旋、最外面的螺旋以及多個中間螺旋，其中當沿從所述平面繞組的中心向所述平面繞組的外邊緣延伸的徑向測量時所述最裡面的螺旋與其相鄰螺旋之間的螺距大於任何兩個相鄰的中間螺旋之間的螺距。
26.根據權利要求20所述的電路裝置，其中所述平面繞組包括印刷導電元件、卷線元件或蝕刻導電元件。
27.根據權利要求20所述的電路裝置，其中所述重複的螺旋形圖案是正方形繞組、矩形繞組、圓形繞組以及橢圓形繞組中的一個。
28.根據權利要求20所述的電路裝置，其還包括:用於在其上接納至少一個便攜裝置的電力傳輸表面，所述平面繞組大體上平行於所述電力傳輸表面。
【文檔編號】H02J7/00GK104008846SQ201310118927
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2013年3月14日 優先權日:2013年2月25日
【發明者】J·K·施萬內克, D·W·巴曼, M·J·諾爾康克, R·L·斯託達, J·B·泰勒, C·J·摩爾 申請人:捷通國際有限公司