法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2018-01-19
授权
授权
2014-07-16
实质审查的生效 IPC(主分类):H01F38/14 申请日:20120503
实质审查的生效
2014-06-25
公开
公开
技术领域
本发明涉及用于利用包括平面的发送线圈的、耦合最小化的矩阵以感应 方式传输能量的系统和方法。
背景技术
普遍地已知基于感应的无接触能量传输系统。基本上在此涉及，借助通 过一个或者多个发送线圈或者初级线圈(也作为线圈、导体回线、绕组、天 线或者引导电流的导体)的随时间变化的电流基于感应原理在一个或者多个 相对近地定位的接收线圈或者次级线圈中产生电压。接收线圈中的这样感生 的随时间变化的电压然后例如被整流并且用于向电子电路供给功率和／或对 电池充电。此外，在娱乐电子设备中可找到大量对此的应用，其中，这里移 动设备、例如笔记本电脑或者智能电话装备有至少一个集成的接收线圈，并 且移动仪器能被设置在配备有一个或者多个发送线圈的表面上、如例如桌面 覆层上，以便通过该表面以感应方式供给能量。于是按照这种方式和方法例 如给移动设备的蓄电池或者电池充电。其他使用感应原理的应用例如是射频 识别系统(RFID)。
在无接触能量传输的一些应用情况下有利的是，所述发送线圈或者多个 发送线圈集成在一个平面单元内。为此例如考虑在多层的载体、如例如电路 板(PCB)上或在多层的载体内的稀疏地卷绕、印刷或者刻蚀的线圈。这种 平面单元于是可以以非常多样化的方式和方法集成到日常环境中，如例如墙 壁、地板、抽屉、桌子等内。
空间上相邻的线圈，即一个或者多个发送线圈与接收线圈形成一种变压 器式的耦合。不过这种耦合相对于传统的变压器不具有铁芯或者至少没有闭 合的铁芯。因此普遍能够产生不同成形(geformte)的磁场分布并且与此伴 随地也能够为感应使用不同的磁场分量。为能量传输使用关于平面单元的水 平的场分量(平行于平面单元的面)或者关于平面单元的垂直的场分量(平 行于平面单元的法线矢量)。这种系统例如由US2008／0116847、US 2003／0210106和US7633263已知。此外，存在如下可能性：通过适合地电 路连接多个接收线圈而利用两个分量(水平和垂直)。这例如在US 2009／0303749中说明。
在垂直的场分量的情况下，在一种应用情况下使用两个平行并且同轴地 设置的相同的导体回线(发送线圈和接收线圈)来在小的距离(与导体回线 的尺寸相比小非常多)时以高的耦合传输功率。在这方面，基本上使用耦合 系数k作为两个线圈(通过两个自感L1和L2表征)的耦合，该耦合系数表 示互感M和两个自感的乘积的平方根的比。这表述为
由于还要考虑其他的物理效应、如例如导体线之间的电容性耦合的事实， 这些影响通过上述自感和互感不足以说明，所以术语“耦合”在本申请的上下 文中在考虑所有物理上重要的效应的情况下表示两个线圈之间的电磁耦合。 因此所述耦合是对于传输路段的品质的数值并且按照数值从0(线圈不耦合) 延伸至1(线圈最大地耦合)。按照定义，两个线圈之间的耦合是一个对称量， 这意味着，从第一线圈到第二线圈的耦合与从第二线圈到第一线圈的耦合相 同。在这一方面，同样与耦合或者互相耦合同义地使用术语“互耦合”。
当两个相同的导体回线作为初级线圈和次级线圈使用时，耦合强烈地与 这两个线圈的相对位置有关。例如当两个线圈的距离扩大或者两个线圈之一 侧向移动时，不再保持原来高的耦合。然而在多种应用中值得希望的是，保 证一种相对与位置无关的耦合并且与此伴随地保证一种不依赖位置的功能 性。
在较大的平面的面上产生尽可能均匀的磁场并且因此达到尽可能均匀的 耦合的任务按照现有技术例如通过如下方式解决：不同地选择发送线圈和接 收线圈的大小。这点虽然首先减小了最大能达到的耦合，但是在具有螺旋形 的发送线圈的灵活的设计时，例如在US2008／0278112中所述，允许相对均 匀的耦合的较大的水平区域。此外，这点能实现相对简单的系统设计。作为 备选于此的方案，周期的并联或者串联的天线结构已经证明为有效的，如这 些天线结构例如在US2005／0189910或者US7164225中所公开的那样。许 多小的发送线圈在那里在平面单元的一个或者多个层上这样相互连接成一个 虚拟的大的发送线圈，使得产生尽可能均匀的磁场并且因此也出现对于可能 存在的接收线圈的一种(在平面单元上)均匀的耦合。
该系统的缺点在于，在大的或者虚拟大的发送线圈的较近的环境中，即 使在那里不存在接收器，也可以出现不希望大的泄漏电磁场(Streufeld)。这 既出于电磁兼容性(EMV)的又出于电磁的环境兼容性(EMVU)的原因、 特别是出于安全性方面的原因，在人类组织与可能的健康危害的相互作用方 面是不利的。
当将发送线圈的大小相对于接收线圈的大小选择得小时，能够回避不希 望的泄漏电磁场的问题。如果现在仅激活在空间上处于紧邻接收线圈的那些 发送线圈，并且如果线圈借助起屏蔽作用的材料、如例如铁氧体包围，则能 够在最大程度上使泄漏电磁场最小化。
这种方案和解决方案由US2007／0182367、US7262700、US7521890、 US2009／023719A1、US2010／0314946、US2010／0328044、US2011／0025133 和US7893568已知。这里公开了在平面单元上的可开关的发送线圈的多个 场(阵列)，这些发送线圈能够单独地接通。除了线圈的场的相对定位和布置 结构之外在所述文献中，各个线圈的适当的激活和操控的问题也起大的作用。 然而该方面不是本发明的主题。
该技术的优点在于，能够相对简单地供给多个接收线圈，因为仅相应最 近地定位的发送线圈被接通并且被供给功率。此外，通过将平面单元例如通 过添加另外的发送线圈来扩大，上述解决方案能够相对简单地在其大小方面 确定尺寸。然而这种解决方案的决定性的缺点在于，必须为每个发送线圈提 供一个适合的开关装置，这提高该布置结构的或者与此联系的电子设备的复 杂性并且因此提高成本。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种系统，该系统能实现均匀地感应地向一个 或者多个接收器传输能量，其中，所述接收器相对于发送器在一定边界内部 的位置对能量传输的效率有尽可能小的影响。
此外，本发明的任务在于，也在发送侧、特别是通过线圈的几何方面的 优化来优化能量的感应式传输的效率。
按照本发明的第一方面，提供一种用于借助感应来无接触地传输能量的 系统或者设备。该系统或者设备包括多个线圈。这些线圈能够成矩阵地设置。 这些线圈具有至少一个导体，该导体至少一次以一匝围绕相应线圈的中心轴 线。当然每个线圈也可以存在多匝，这些匝例如可以蜗形和/或螺旋形地造型。 在本发明的上下文中，中心轴线是延伸穿过线圈的中心的轴线，线圈的所述 一匝或者多匝盘绕该轴线。然后中心轴线可以垂直于由导体同样以线匝的形 式围绕成的面。中心轴线可以位于围绕成的面的中心或者几何的面重心内。 几何的面重心这里用于定义线圈的所述一匝或者多匝的几何构型的中点。该 几何形状在本说明书的范围内起重要的作用。根据线圈的线匝的构造形式， 中点则可以与面重心重合并且相应同义地使用。在线圈形状复杂时可以不再 定义如例如在圆时的简单的中点。因此这里辅助地也涉及几何的面重心。简 化地参照线圈的中心，该中心根据线圈的几何结构可以与中点或者几何的面 重心相同或者在很大程度上相同。在此从以下内容出发：这些点处于线匝内 部并且当沿线圈的中心轴线观察线圈时这些点居中地位于线圈内。然后所述 线圈能够并排地设置在一个面状的层内。该层在本上下文中也称为平面单元。 该扁平的层或者平面单元可以、但不必是一个几何上的平面。该扁平的层、 平面、或者平面单元在第一维内、在第二维内和在第三维内延伸。平面单元 在第一维(长度，X方向)内和在第二维(宽度，Y方向)内的延伸尺寸则 显著大于在第三维(厚度，Z方向)内的延伸尺寸。每个线圈的中心轴线则 优选至少局部地至少几乎垂直于由第一维和第二维所张开的面地设置(X-Y 平面)。换句话说，当X、Y和Z是笛卡儿坐标系的坐标时，线圈的中心轴线 基本上处于第三维的方向，亦即Z方向。
此外，这些线圈可以在该面状的层内部这样有规律地成行和／或列地设 置，使得一个线圈至少具有相应两个或者三个直接相邻的线圈。在此，线圈 在第三维内的延伸尺寸明确小于在第一和第二维内的延伸尺寸。这涉及平面 的发送线圈。在沿着线圈的中心轴线的俯视图中，这些线圈优选矩阵状成列 和行地设置。有至少三个发送线圈。在一种有利的实施方式中，可以有至少 两列和/或两行。根据有利的构造形式，可以有至少三个或四个线圈，其中， 基本上也可以将至少两个或者三个线圈并排地设置在一条线(在一条直线上 的中点)内。在具有四个线圈的系统中，直接相邻的线圈则可以相应是另外 三个线圈。如果四个线圈处于一条线内(一维的布置结构)，则一个线圈最多 有两个直接的相邻线圈。
线圈的中心或者几何的面重心彼此间的距离和每个线圈的所述至少一匝 的形状和延伸尺寸于是这样选择，使得对于所有在面状的层内直接相邻的线 圈对来说在相应线圈之间的相互耦合是最小的。
本发明通过该特征与所有已知的系统不同。常规上在这种扁平的布置结 构(例如以印刷电路板、垫、或者桌子等的形式的扁平的底板)中通常注意 产生的场的均匀性。其他解决方案尝试通过如下方式达到能量的传输和能量 接收器的很大程度上的位置无关性，即，按照接收器的位置接通或者断开发 送线圈。本发明在下面的范围内可以作为这些可开关的发送线圈来解释，即， 各个发送线圈通过相互最小化的耦合既能够单个地也能够可任意组合地被同 时驱动，以便因此为向一个或者多个接收线圈提供对于有效地传输能量所必 需的场分布。同时也能够保证在接收器的空间区域上受限制的场分布。在根 据现有技术的解决方案中，两个同时驱动的直接相邻的发送线圈可能被相互 的耦合这样干扰，使得结果也许可能是减小了的系统功能性。这点通过本发 明来避免。不过则必须考虑发送线圈的相互耦合。按照本发明，直接相邻的 线圈的耦合被优化(最小化)，因为这些线圈普遍地由于空间上的邻近而是最 大的。为此有不同的解决方案，这些解决方案按照本发明的下面的方面并且 借助各实施例来阐述。
在真实的线圈系统中，不能完全阻止多个扁平地并排设置的线圈之间的 互耦合。此外，也不能完全避免不直接相邻的线圈对的耦合。因此按照本发 明，这涉及减小所有线圈的所有可能的耦合。已经证明了，对于示例性的实 施形式能够找到在5％的最小值或者优化值(在考虑所有其他可检测的影响 的情况下，对于矩阵的所有线圈对来说k等于或者小于0.05)。按照本发明， 该耦合可以减小到约1％(在考虑所有其他可检测的影响的情况下，k等于或 者小于0.01)。在此也考虑不直接相邻的线圈对的耦合。
于是给出的最大的耦合值有利地是所有可能的成对耦合的最大值。对于 例如六个线圈的有规律的布置结构，这导致一个矩阵，该矩阵可以看起来如 下：
最大值可以处于一个或者多个位置处。例如K62可以等于1.34％。耦合 的边界值例如可以为5％、2％或者1％。对于5％或者2％的边界值，通过上 面的矩阵说明的线圈的布置结构于是已经达到耦合按照本发明的最小化。 K62为此必须是矩阵的(按照数值的)最大的耦合值。矩阵的所有其他项于 是按照数值小于(或者等于)K62。该矩阵可以是对称的，其中，主对角线 项于是可以为零，因为在耦合的该定义中线圈不与自身耦合，或者说该特征 已经包含在自感中。在另一种定义中，当在耦合系数的该定义中互感在这些 元中通过自感来代替时，主对角线项的值也可以是1。然而主对角线上的项 对于下面的实施方式不具有意义，并且因此可以选择地为零或一。
按照本发明的一个方面，多个线圈可以具有基本上相同的形状。这点简 化线圈布置结构的设计和优化。
线圈的中心或者几何的面重心可以这样设置，使得这些中心或者几何的 面中心在第一维内处于每一行的第一直线上。于是线圈这样平面地并排设置， 使得所述线圈的面重心(或者中心或者中点)都处于一条直线上。该第一维 例如可以是线圈所处在的面状的层或者平面单元的长度。
线圈的几何的面重心或者中点进一步地可以这样设置，使得这些几何的 面中心或者中点在第二维内位于每一列的第二直线上。这样整体上达到并排 布置结构的线圈的有规律的矩阵。这进一步便利于线圈布置结构的优化。
矩阵的每一行都有一条第一直线，各线圈的面重心或者中心或者中点位 于该第一直线上。每一列都有一条第二直线，各线圈的面重心或者中点位于 该第二直线上。
各行的(第一)直线于是可以相互平行并且各列的(第二)直线同样可 以相互平行。
线圈的面重心或者中点优选可以设置在一个网栅内。该网栅有利地可以 是有规律的。
根据第一优选的构造形式，(各行的)第一直线和(各列的)第二直线分 别可以以直角相交，从而线圈按照棋盘图案的方式有规律地设置。
根据第二优选的布置结构，各第一直线和各第二直线分别可以以不等于 90°的角度相交。于是矩阵的线圈可以按照蜂窝结构的方式设置。
在另一种优选的布置结构中，直接相邻的线圈对的线匝分别成对地重叠。 这导致线圈例如在一点处或者在一个区域内这样彼此重叠设置，使得四个线 圈的线匝同时构成一个截面。这是为了优化线圈的互感的另一个优选的措施。
在布置结构的另一种实施方式中，至少一个线圈的绕线方向部段式地改 变。在此，线圈的线匝这样被引导，使得该线匝至少对于一个部段与线圈原 来的绕线方向相反地延伸并且然后重新返回到原来的绕线方向上(因此存在 一个小的具有相反绕线方向的子线圈，该子线圈在具有相反的绕线方向的子 绕组内部的面积小于整个线圈的面积)。通过该措施也能够优化耦合。在该系 统中于是必要时可以放弃相邻线圈的线匝的重叠和线匝的凹入部。
按照本发明的一些实施例，由每个线圈的相应至少一匝所张开的面对于 每个直接相邻的线圈对来说相应成对地重叠。例如在线圈场的棋盘状的布置 结构时，这也导致由各线圈围成的面形成一个截面。在四个线圈时，这在布 置结构的中心中出现一次。
此外矩阵的线圈可以在每行和每列的内部周期地以相应成对相同的距离 来设置。该措施同样便利于布置结构的优化。
对于线圈按照棋盘图案的方式设置的情况，则线圈的线匝有利地至少部 段地局部接近线圈的中心和/或几何的面重心。在此，从如下内容出发，即， 线圈的线匝历经几何结构的周长，该几何结构例如可以是矩形、三角形或者 多边形以及圆形或者倒圆的。对于正方形的情况，则线匝并不准确地在角点 的直线连接上延伸，而是在相继的角点之间至少部段式地比通过角点之间的 直线连接所预定的而更强烈地接近中心。这可以以直角凹入部的形式或者朝 向线圈的中心倾斜的部段来进行。
按照本发明的一个方面，每个线圈这样构造，使得该线圈的至少一匝在 至少一个第一、第二、第三和／或第四点处具有到该线圈的几何的面重心或中 心的最大的距离，并且其中，第一、第二、第三和／或第四点分别是沿着线圈 的由所述至少一匝定义的周长而成对相邻的点。
每个线圈的所述至少一匝于是在第一和第二点与第三和第四点之间至少 部段式地接近线圈的面重心或者中心。由此便利于线圈的相互的互感的最小 化。决定性的是，线圈朝向中心或者面重心的该接近至少在几何形状的两个 彼此邻接的侧边上进行。
第一、第二、第三和第四点可以是矩形的角点。在其他实施例中，这些 点可以是正方形的角或角点。
线圈以蜂窝结构的布置结构可以通过如下方式来达到，在每行中的每个 线圈的面重心或者中心相对于一个相邻的行的线圈的面重心或者中心关于第 一和／或第二维位错。由此产生一种蜂窝状的结构，在这些结构中不强制需要 线圈的线匝向面重心或者中心的至少部段式的接近。一行的线圈的面重心可 以关于另一行的线圈的面重心居中地设置。
本发明同样提供一种用于在一个面状的层或者平面单元内建立多个线圈 的系统的方法，该系统适合于借助感应无接触地传输能量。根据该方法，所 述线圈这样设置和确定尺寸，使得线圈之间的成对的相互耦合最小化。有利 地，在此仅优化直接相邻的线圈对的互感。在此，两个不直接相邻的线圈的 存在的互感可以用作对于优化直接相邻的线圈的互感的一个上限。在此对于 棋盘状的结构，线圈可以分别成对地重叠。同样可以这样构造线匝，使得这 些线匝与直线的几何形状(例如纯矩形或者正方形)所不同地分别至少部段 式地接近于面重心或者中心。该方法的其他方面从本发明的上述方面和各实 施例产生。
此外，本发明提供一种用于无接触地传输能量的方法。在此，所述线圈 这样设置或确定尺寸，使得在所有可能的线圈对之间的相应成对的电磁耦合 最小化。
附图说明
本发明的其他的方面和特征从下面参照附图对本发明的优选的实施例的 说明产生，其中
图1示出本发明的一个实施例的透视图，
图2A到图2C说明两个线圈的互感的最小化，
图3示出一个简化的图形，在该图形中作为在图2A到2C中示出的线圈 的侧向移动的函数说明互耦合的数值，
图4A到图4C示出本发明的图1中的实施例的三幅视图，
图5A到图5E示出本发明的其他实施例，
图6A示出本发明的另一个以蜂窝状结构的实施例的透视图，
图6B到图6K说明蜂窝状结构的其他实施例，
图7A到图7F示出对于棋盘状的和蜂窝状的结构的其他实施例，以及
图8A和图8B示出本发明的其他实施例。
具体实施方式
图1是本发明的第一实施例的透视图。所示的是一个按照本发明的包括 发送线圈11A、11B、11C、...、耦合最小化的矩阵用于以感应方式传输能量。 面状的层或者平面单元50由一个平面的发送单元形成，该发送单元包括发送 线圈11A、11B、11C等和一个电源10，该电源与所有的发送线圈(仅为线 圈11A示出)连接。发送线圈的几何结构按照本发明这样优化，使得所有发 送线圈的相互的电磁耦合在彼此间最小化。这能实现各个发送线圈的单独设 计和操控。一个示例性示出的接收器12装备有一个接收线圈13，该接收线 圈与接收单元14连接。这种系统的目的在于，从平面单元50向接收器12优 化地感应地(无接触或无线地)传输能量。在此，接收器12在平面单元50 上的位置对于耦合到接收器或者说接收线圈13内的能量不重要(在最大程度 上不重要)。这点可以通过如下方式来保证，即，一方面相应仅激活与所述接 收单元定位得最近的一个或者多个发送线圈、而另一方面同时高的封装密度 (在平面单元50上任何区域都有发送线圈)和发送线圈的单独的操控可能性 (既单个地，又任意地操控共同相邻的)，而这些发送线圈相互间没有(负面 的)影响。
该平面单元50在第一维X、第二维Y和第三维Z内延伸。在第一维X (长度)内的延伸尺寸是X1。平面单元50在第二维内的延伸尺寸是Y1。在 第三维内的延伸尺寸是Z1。在第一维(X方向)内和在第二维(Y方向)内 的延伸尺寸明确大于在第三维(Z方向)内的延伸尺寸。适用X1、Y1＞＞Z1。 在第三维内的延伸尺寸基本上通过线圈的匝数、线圈的成对的重叠和必要时 其他材料特定的参量而产生，这些参量也可以通过围绕线圈的材料来预定。 特别是考虑线圈在电路板(PRINTED CIRCUIT BOARD(PCB))上的布置 结构。
按照本发明的系统考虑每两个发送线圈之间的耦合因素。利用在一个任 意的发送线圈中的每个随时间变化的电流普遍地在所有其他的发送线圈中感 生电压。这当多个相邻的发送线圈参与能量传输时是不利的，因为这些发送 线圈可能相互间交错地耦合并且因此可能干扰。该缺点按照本发明被消除或 者被最小化。按照本发明的系统特别是在发送线圈的高封装密度时是有用的。 几何结构上优化的发送线圈彼此间具有所有发送线圈的最小的相互耦合。由 此能够将矩阵的发送线圈任意分开地或者也共同地接通，而这些发送线圈不 显著地相互影响。
以下借助图2A到2C示例性地说明对于两个圆形线圈在线圈的重叠与线 圈的耦合之间的关系。这些图示出两个彼此显著解耦的圆形导体回线或者说 线圈20、21，这些导体回线从不同的视角示出。这两个导体回线20、21彼 此侧向移动过地设置，从而这两个导体回线重叠了长度23。导体回线20被 电流I流过。线圈20的一些由此产生的磁场线通过虚线22绘出。借助场线 或者场线22的形状，本领域技术人员能够根据场线是位于在线圈20的中心 M内还是位于线圈外部来识别磁场线的方向相关性的类型。一种直观地说明 两个线圈的耦合的可能性在于定义两个线圈的互感，该互感可以通过场线在 由线圈21包围的面(图2B中的划阴影线的面)上的通量来表示。在两个线 圈相互间为确定的位移23时，部分相反取向的场线22、22A和22B在线圈 21的面上这样叠加，使得总通量并且因此耦合显著趋向0。使两个线圈实质 上电磁解耦的特殊移动取决于多个参数，如例如材料特性、线圈的大小和形 状、层间距等，并且例如可以在测量技术上或者模拟地确定。附加地在图2C 中可看出，所述两个线圈相互间位错地设置并且彼此间电分离。这例如可以 通过如下方式达到，即，这些线圈可以施加在一个电路板的不同的层上。
图3是一个图形，在该图形中示出互耦合相对于侧向位移的数值。图3 示出两个可变地在侧向移动的平行线圈的电磁耦合的一种可能的变化曲线， 如这些线圈例如在图2A到2C中借助线圈的部分重叠所示。坐标原点33在 纵坐标上示出按照数值的耦合为0而在横坐标上示出所述两个线圈对中。虽 然精确的曲线变化30与不同的参数调整、如例如两个线圈的大小和形状也或 者所使用的材料有关，但是表征了两个主要的特性。一方面耦合在确定的侧 向位移31时经历符号变换。另一方面耦合随距离(大的侧向位移)增大而减 小。以将互感(基本上对于耦合)通过对磁通的面积分的定义作为基础，本 领域技术人员能够容易地确信耦合的符号变换。在确定的移动31时相反的通 量分量来补偿，如在图2A到2C中所说明的。因此通过该技术能够达到两个 线圈很大程度的解耦。在本发明的上下文中这意味着，耦合低于一定的最小 界限或者一个临界值34。这当侧向位移或者处于区域31内或者处于区域32 内时达到。按照本发明对于不同的线圈配置和线圈几何结构有利地利用这两 个区域。
因此按照本发明，在一个平面单元或者面状的层上，多个线圈这样设计、 确定尺寸和设置，使得所有线圈彼此间或者每个任意的线圈对都具有最小的 相互耦合。在特殊的情况下，该成对的耦合k处于临界值之下，该临界值例 如可以等于或小于5％、等于或小于2％或者等于或小于1％。因此在任意一 个发送线圈中随时间变化的电流在所有其他的发送线圈中不引起显著的感生 电压。通过成对地最小化耦合，所有线圈同时实质上彼此解耦。可能的应用 例如在于RFID系统中或者普遍地在感应的能量传输系统中。在此，所述系 统能够有利地用于移动设备的充电。在其他应用中，本发明的各方面能够有 利地用于感应式能量传输系统中的可开关的发送线圈。
图4A到4C是本发明的一个实施例的示图。平面单元50在该实施例中 具有六个线圈51、52、53、54、55和56，这些线圈成棋盘状地设置。按照 本发明，这些线圈分别成对地并且由此全部显著地解耦合。这些线圈例如是 螺旋形的并且具有三匝。每两个直接相邻的发送线圈、例如线圈51和52设 置在平面单元的不同的层上。因此该平面单元必须具有至少一个厚度57。这 些线圈沿X方向和沿Y方向这样重叠地设置，使得按照本发明的各方面产生 实质上的电磁的解耦。同样每两个处于对角相邻的线圈、例如线圈51和55 也以部分重叠地设置。由此同样达到对角(也直接)相邻的线圈的成对的解 耦。为了不仅在两个直接相邻的线圈时而且在两个对角相邻的线圈时都能够 保证实质的解耦，这些线圈不以简单的矩形形状构成。由此达到，不仅侧面 相邻的线圈而且对角相邻的线圈关于成对重叠的面(线圈对的由线圈的线匝 围绕的面的截面)这样设计，使得产生相应的线圈对的实质的解耦。与简单 的矩形形状所不同的，线圈的各角较强烈地压出()或者侧边向内 凹入，由此产生单个线圈的略微星形的基本形状。在两个不直接相邻的线圈、 例如线圈51和53之间的耦合已经在空间上这样远地彼此远离，以至于该耦 合已经无需其他措施就处于图3的区域32中的临界的边界之下。在图4C中 以正视图示出，部分重叠的线圈例如能够如何设置在平面单元的四个不同的 层中。在图4B中圆形包围的区域内所有相邻的线圈重叠。
同样示例性地标明线圈51到56的中点M11到M23。中点M11到M23 可以是由线圈的线匝围绕的面的面重心。在此，不必由过分严格的数学上的 几何结构出发。而涉及用于简化说明线圈的布置结构的中点的定义。于是棋 盘状的布置结构的特征在于，线圈的这样定义的中点M11到M23处于一个 有规律的矩阵的行或者列中。这点辅助地也可以通过如下方式来说明，即， 中点M11、M12和M13处于一条直线G1上，并且中点M21、M22和M23 处于另一条直线G2上，其中，直线G1和G2平行。同样中点M11和M21 处于一条直线G5上，中点M22、M12处于一条直线G4上，并且中点M23、 M13处于一条直线G3上。直线G3、G4和G5同样相互平行。于是直线G3、 G4和G5可以称为列的直线或者也可以称为矩阵的列，而直线G1和G2形 成矩阵的行。
图4A到4C的实施例的数据如下：
每一个线圈的匝数为3。在各线圈的中点之间沿x和y方向的距离为 30mm。每一个线圈(正方形的)的较外面的线匝的边长a为42.84mm(经 优化地)。朝向中点的凹入部通过角度α=7.57°(经优化地)来表征(边长a 和角度α在图5B中显示)。平面单元的厚度(沿Z方向的延伸尺寸)(图4C 中的57)为1.5mm。其他不直接重要的值为导体线的宽度(为1mm)和在 两个导体线之间的距离(同样为1mm)。
于是重叠部由中点的距离和正方形的大小产生，根据计算例如为 (42.84mm-30mm)／42.84mm=30％。
所给出的最大的耦合值是所有可能的成对耦合的按照数量的最大值。在 图4中的实施例中，所有六个线圈的单个的耦合例如是：
可以看到，按照数量的绝对最大值以0.0134=1.34％处于线圈2和6(第 二行第六列)之间(该矩阵是对称的，主对角线项在这里是零，因为线圈在 耦合的该定义中不与自身耦合，或者这点已经考虑在自感中)。线圈2和6在 图4中的示例中是线圈52和56，亦即是两个对角相邻的线圈。
图4A到4C的实施例的数据在典型的尺寸和材料之内选择。为了将平面 单元集成到日常的物体如桌子、墙壁、地板、壁板等中，有利的是，选择具 有从几毫米直到几米的边长或者直径的单个的发送线圈的延伸尺寸。向下(变 更小的线圈大小)在理论上没有限制，不过耗费、特别是制造的耗费以及操 控电子设备的耗费随着线圈的变小而升高，因为在平面单元的相同的总尺寸 时需要更多的线圈。向上(变更大的线圈大小)存在物理上的界限，因为在 频率固定时越来越大的线圈的延伸尺寸在某一时候总会达到波长的数量级并 且该线圈那时不再作为这样的线圈起作用(自然谐振、电容性影响、辐射等)。 当频率在低的MHz范围内时，该上限例如可以为几米到数米。用于发送线 圈的有意义的匝数同样与多重因素有关，并且典型地随频率上升而减少。在 导体线厚度或者线直径方面优选微米直到毫米范围的值，其中，普遍较大的 导体线横截面在线圈品质和有效系数方面通过较小的欧姆损失而产生正面的 效果。不过这里与频率有关的效应、如趋肤效应或者接近效应也能够对导体 线横截面的优化选择施加影响。
图5A到5E示出本发明的其他实施例。又示出具有多个解耦的发送线圈 的平面单元50或者面状的层。在图5A中使用一个与图4A相比不同的线圈 基本形状，该基本形状同样允许耦合达到全部在临界值之下，从而所有线圈 都能够分别视为实质上彼此间解耦。在图5A中，线圈面在四个角处的造型 (该造型为将对角相邻的线圈解耦所必需)不如同在图4A中通过星形的扩展 来实现，而是更通过在四个侧边处的面的直角的减少部来实现。单个线圈、 例如61的基本形状仅作为示意性地来理解。也可以使用在不同层上具有多个 线匝的螺旋形和/或蜗形的线圈。在图5B、图5C、图5D和图5E中再次示出 不同的基本结构。除了图5B中的、也在图4A中使用的星形结构和在图5C 上的、在图5A中示出的直角的变型之外，也可以使用如下的线圈几何结构， 这些几何结构例如包含倒圆的角，如这在图5D中所示。这也对于图5B的星 形结构是可能的。此外可能的是，沿平面单元的两个空间方向(X和Y)不 对称地设计基本结构，如这例如在图5E中所示。
即使在该实施例中，线圈61到66也处于平面单元50内并且基本上设置 在X-Y平面内。沿Z方向的延伸尺寸通过重叠和其他因素如匝数、材料等来 预定。
在图5B中示出的、可以描述为基本上星形的线圈形状可以通过两个参 数来表征。其一是边长a，另一是倾斜角α。通过优化这两个参量和在平面单 元内相应的布置结构，能够简单地优化在成对地直接并排(亦即也对角地) 设置的线圈之间的互耦合。决定性的是，存在这里通过角度α(线匝相线圈 中心M的倾斜)表征的、与正方形形状的不同，更确切说与在角点E1、E2 和E2、E3或者E3、E4或者说E4、E1之间的直线的连接相比强烈不同。这 些线圈具有部段W1到W8。部段W1和w2连接相邻的角点E1和E2。角 点E1到E4处于一个正方形的各角点上。部段W1和W2与两个角点E1和 E2的直线连接这样不同，好像这些角点以角度α向布置结构的中心M运动。 由此达到线圈在所有四个侧边上的凹入部。
在图5C中示出本发明的另一个实施例。该几何上的线圈构造形式的角 点E1到E4同样处于一个正方形的各角点上。按照本发明的凹入部这里通过 向线圈的中心M的直角形弯曲的走向来实现。该直角形的弯曲走向例如在角 点E4和E1之间首先在一个导线部段W10上直线地延伸。然后线匝直角地 朝向中心M弯折长度e。在导线部段w11中该线匝然后又直线地延伸长度d， 以便最后直角地从中心M朝向部段W12弯折长度e和最后直线地沿部段 W12延伸直到角点E1。该线圈几何结构的优化通过如下方式是可能的：改 变参数a、d和e，直到达到在所有直接相邻的线圈(也在对角相邻的线圈之 间)之间的最小的互耦合。
同样可以优化在图5E中示出的线圈几何结构。这里要考虑，该线圈形 状的各角点处于一个矩形的各角点上。该矩形具有边长a和b。凹入部又通 过该矩形的长度d及其深度e来标明。在这种情况下要优化的是a、b、d和 e。这里简化地可以预定比率V=a/b并且接着优化a、d和e。因此在这里也 仅要优化三个参数。对于图5B的情况，要优化参数a和α(亦即两个参数)， 而对于图5C的情况，要优化参数a、d和e(亦即三个参数)。此外，当然相 应地要考虑各线圈相互间的层。
图6A示出本发明的另一个实施例。这里涉及线圈的一种蜂窝状的布置 结构。在线圈在平面单元50内部蜂窝状布置结构时，可以放弃上述按照图 5B或者5C的星形的或者角形的凹入部。在此各直接相邻的线圈(例如71 和72)、亦即在矩阵的一行内的线圈或者在一列内的线圈实质上彼此解耦。 然而必须部分地放弃对角相邻的线圈的解耦。一个所选择的线圈在矩阵结构 内的最多八个相邻的线圈(直接和对角)通过行和列的非直角形的布置结构 在蜂窝结构中这样变形，使得对角相邻的线圈中的两个线圈彼此进一步地远 离，并且因此不再能够或者必须通过部分重叠解耦。这例如符合线圈71和 75。按照本发明的一个实施例，可以使用部分重叠的矩形的线圈、多边形的 或者还有圆形的线圈。所示布置结构相对于相邻线圈完全没有显著地解耦地 工作的布置结构已经是有利的。然而不利的是，如按照图4A和5A的实施例 所可能的完全解耦合在这里无法期待(zurückbleiben)，因为在棋盘状的系统 中处于对角的线圈(例如线圈71和75)通过存在的剩余耦合能够起负面的 影响。然而相对于棋盘状布置结构，在蜂窝状布置结构时被评价为有利的是， 在为相互实质上解耦而优化线圈几何结构时，当例如预定了线圈中点的网栅 时，仅必须考虑基本结构的几何大小(亦即参数)，例如在圆形的情况下为半 径。
蜂窝状结构的其他的构造形式在图6B到6K中示出。图6B示出一种具 有圆形线圈的蜂窝状结构。图6C到6H是具有十边、八边、七边、六边和五 边的多边形。图6I示出一个具有和图6J一样的矩形的实施例。在此，按照 图6I和6J的矩形也可以绕其中点转动。在所有的情况下，至少直接相邻的 线圈重叠。图6K是一个具有三角形的线圈的示例。
在图6A中示出的实施例中，两个具有线圈71、72、73(第一行)和74、 75、76(第二行)的行分别相互相位错线圈中点的距离的一半地设置。每两 个相邻的线圈(例如71和72或者71和74)的部分的重叠恰好这样选择， 使得所述两个线圈能够视为彼此实质上解耦。不直接相邻的线圈、例如71和 73或者71和76(作为特殊情况还有71和75)已经彼此这样远地远离，以 至于低于临界的耦合并且这两个线圈同样可以视为彼此实质上解耦。图6B 以俯视图示出线圈71到76。如在另外的图6C到6K中所示，这种实质上解 耦的线圈能够在蜂窝状的结构中还借助规则的多边形特别是三角形、四边、 五边、六边、七边、八边、九边和十边形来达到。在此不需要确保基本结构 绕中点的确定的转动角。换句话说，例如图6I中的正方形的实质上解耦也在 如下情况下实现，即，当正方形以另一个旋转角如例如在图6J中所示地那样 设置时。这在图6F和6G中也为六边形的情况示出。然而为不同的旋转角也 许可能改变各个多边形的大小(在优化过程中)。在所有在图6B到6K中建 议的形状中又适用：也可以使用螺旋形的、多层的或者也卷绕的线圈，特别 在圆形的情况下。此外也可以设有具有沿平面单元的两个空间方向的不对称 性的基本结构(例如代替图6B中的圆而设有椭圆或者多边形的不对称的改 动)。
图7A到7F示出本发明的其他的实施例。在图7A到7F中示出本发明 的发送线圈的基本形状不对称的实施例。这样例如可以把图7A中的具有图 7B中所属的基本线圈的图案视为图4中的星形图案的变变型。但是此外按照 本发明，所有线圈都通过优化的部分重叠作为彼此实质上解耦地设置。与此 相应可以把图7C中的具有图7D中所属的基本线圈的图案视为图5A中的矩 形图案的变形，此外其中所有线圈都可以通过优化的部分重叠被视为彼此实 质上解耦。图7E中的具有图7F中所属的基本线圈的图案通过有针对性的部 分重叠也允许实现所有线圈的实质上的解耦。该图案是图6J中的蜂窝结构的 不对称的变型，其中，该结构例如可以利用两层的载体制造。在图7A中的 实施例时，线圈的中点M11到M23成棋盘状地设置，同样在图7C中的实施 例时。图7E中的实施例又涉及蜂窝结构。
图8A和图8B示出本发明的另一个实施例。在此，所有发送线圈的实质 上的解耦不是通过相邻的线圈的部分重叠来达到，而是通过各个基本线圈在 基本线圈面上的绕线方向改变来达到，如在图8A和图8B中借助线圈81所 示。这点例如通过如下方式来达到，即，例如线圈81的两个区域82和83以 相反的绕线方向而添加。通过在基本线圈的内部有针对性地改变绕线方向(将 基本线圈的绕线方向84与区域82或者83的绕线方向85或者86相比较)， 产生的磁场线的方向也改变。两个(直接或者也许对角地)相邻的线圈的互 感和因此耦合在优化的几何结构设计时显著最小化。由此同样能够实现显著 减小所有发送线圈的耦合的目标。在该实施例中保持要说明的是，也许通过 绕线方向的改变可能减小各个发送线圈与一个或者多个可能存在的接收线圈 的耦合并且可能与此伴随着整个系统性能变差。与此相对地，能够达到能较 简单地制造线圈布置结构，因为也许仅须采用平面单元的较少的层。
本发明的决定性的优点之一在于，在任意一个发送线圈中的随时间变化 的电流仅对线圈矩阵的相邻的线圈产生微弱的效果。这特别是对于这样的系 统是有利的，在这些系统中多个发送天线单独地、亦即也同时地被操控并且 由此具有电流。本发明普遍地能实现发送线圈的高的相对装填密度。由此能 够在平面单元或者面状的层内部避免如下的区域，在这些区域上不存在线圈 并且因此在这些位置处有可能不能供给接收线圈。进一步地能够被评价为优 点的是，能够任意地对本发明的系统确定尺寸。亦即平面单元在理论上可以 在两个空间方向(X和Y)上任意扩展。理论上由此能供应任意多个接收器。 此外，按照本发明能够使用不同的接收天线形状，只要这些接收天线形状与 发送天线相协调。总共可以区分出两种大的应用情况。其一是小的发送天线 和较大的接收天线的情况，而另一是大的发送天线和较小的接收天线的情况。
在这一方面，术语天线对于线圈同义地使用。对于始终仅操控一个单个 的发送线圈的特殊的情况，本发明几乎没有优点，因为感生的电压在一个去 激活的或者拆开的相邻线圈中不引起或者几乎不引起电流。但是当至少两个 相邻的发送线圈同时被驱动时情况就显示出不同。通过耦合的发送天线的相 互的影响，各个天线或者线圈的有效自感通过互感变化，这例如可能导致谐 振电路失调(verstimmen)并且因此也产生减低的效率。按照本发明的各方 面，各个发送天线能任意组合并且在相位同步地操控时可变形为任意成形的 虚拟作用的天线。在有非常多的小的发送线圈的示例中，在这些发送线圈上 放置一个较大的接收天线，可以通过发送天线的不同的接通来优化地调整传 输的功率。如果例如在一个接收线圈中通过一个单个的激活的发送线圈感生 的电压不足以给接收器供给足够的功率，则可以接入一个相邻的第二发送线 圈。由此提高感生的电压并且因此也提高传输的功率。两个相邻的线圈的部 分的重叠同样含有如下优点：只要两个线圈都被激活，所述两个线圈在重叠 的区域内就具有最大的磁场。但是该区域典型地在空间上定位在接收线圈之 下，并且因此出于泄漏磁场减小的原因被评价为不严峻的或者甚至是有利的。
当多个大的发送天线彼此无关地在平面单元中在空间上并排地被驱动 时，亦即没有相位同步的操控，则通过实质上解耦的所建议的方法能够确保， 两个天线互相不影响或者仅非常小地互相影响。如果情况不是如此，亦即如 果两个线圈按照常规的方式局部并排地驱动，则两个线圈将彼此互相耦合并 且产生的电流在最差的情况下将可能破坏性地叠加。这在按照本发明的系统 和按照本发明的方法中不是如此。在此，相反通过有针对性的部分重叠能够 覆盖发送线圈之上的整个区域。
本发明的面状的层或者平面单元例如能够装入桌子内或者在安装这样的 物件上，以便向移动设备例如智能电话机、笔记本电脑、监视器、灯以及更 多物件供给电功率。这例如可以包括给蓄电池充电。除了桌子之外，平面单 元例如也可以集成在房间的地板或者地毯中。在此，同样可以无接触地供给 移动设备、如例如吸尘器或者落地灯。也可以将平面单元集成在车库的地板 中或者在车库之外，例如在公共的场所，以便例如给电动汽车的蓄电池充电。 较小的平面单元也能够例如集成在充电壁板或者抽屉内，以便给较小的移动 设备、如例如移动电话供给电流。也可以想到将平面单元集成在墙壁内，以 便例如供给数字像框、灯、电视机和更多物件。
本发明的其他应用可以存在于RFID的领域中。在该应用例的情况下可 以把平面单元或者面状的层作为多功能的RFID发送天线使用，其中，磁场 可以通过专门调整交变的个别发送电流的相位而不同地形成。这例如可以用 于可靠地读出RFID标签，这些标签在空间上的定向不能先验地确定。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.用于借助感应无接触地传输能量的系统，包括：多个成矩阵地设置的 线圈，其中，所述线圈具有至少一个导体，该导体至少一次以一匝围绕相应 线圈的中心轴线，其中，这些线圈并排地且有规律地设置在一个平面单元内， 该平面单元在第一维、第二维和第三维内延伸，并且平面单元在第一维内和 在第二维内的延伸尺寸显著大于在第三维内的延伸尺寸，并且此外，这些线 圈在平面单元内部这样有规律地成行和／或列地设置，使得一个线圈具有至少 相应两个直接相邻的线圈，其中，线圈的中心相互间的距离和每个线圈的至 少一匝的形状和延伸尺寸这样选择，使得对于所有在平面单元内直接相邻的 线圈对来说在相应线圈之间的电磁耦合是最小的，其中，线圈按照棋盘图案 的方式有规律地设置并且由每个线圈的相应至少一匝所张开的面在每对线圈 直接相邻的情况下重叠。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在矩阵内部的所有线圈的 最大的成对耦合处于边界值之下，其中，所述边界值特别是可以为5％。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述线圈的线匝至少 部段式地局部接近于线圈的中心和／或几何的面重心。
4.根据权利要求上述权利要求之一所述的系统，其特征在于，至少一个 线圈的绕线方向部段式地改变。
机译： 平面传输线圈耦合最小矩阵的无接触能量传输安排及方法
机译： 用于具有最小耦合的矩阵的非接触式功率传输的装置和方法，该矩阵包括平面功率传输线圈
机译： 与平面传动线圈的耦合最小化矩阵的非接触能量传递的布置和方法
