无线电力发送器和使用该无线电力发送器的无线充电系统

摘要

本发明提供一种无线电力发送器和使用该无线电力发送器的无线充电系统。所述无线电力发送器可电磁结合到无线电力接收器的接收线圈，以无线地提供电力，并包括大致为平面的发送芯。发送线圈具有多个绕组，并设置在发送芯的表面上。发送芯可在平面方向上延伸超过发送线圈。

说明书

本申请要求分别于2014年5月16日、2014年12月24日在韩国知识产权局提交的第10-2014-0059265号、第10-2014-0189109号韩国专利申请的优先权和权益，出于所有目的的考虑，这些韩国申请的公开内容通过引用包含于此。

技术领域

本公开涉及一种无线电力发送器和使用该无线电力发送器的无线充电系统。

背景技术

根据无线技术的发展，从数据传输到电力传输的各种无线功能已变得可行。一种用于以非接触方式对各种便携式设备进行充电的无线充电方法已受到关注。

在根据现有技术的无线电力发送技术中，对于顺畅地执行充电存在诸多限制。也就是说，在无线地发送和接收电力时，存在诸如有限的传输距离、发送器和接收器之间的限制性位置关系等的限制。因此，会存在这样的限制：只有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，才可以执行无线充电。

此外，无线电力传输技术已被应用于各种便携式装置。因此，存在对于允许在很多不同的环境下有效地执行充电的无线充电技术的需求。

发明内容

提供本发明内容用于介绍简化形式的构思的选择，所述构思将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容无意表明要求保护的主体的主要特征或必要特征，也无意用于帮助确定要求保护的主体的范围。

在一个总体方面，提供一种即使在发送线圈和接收线圈彼此形成不同角度的情况下也能够有效地无线发送电力的无线电力发送器，以及使用该无线电力发送器的无线充电系统。

根据本公开的总体方面，一种无线电力发送器可电磁耦合到无线电力接收器的接收线圈，以无线地提供电力。所述无线电力发送器包括：发送芯，大致为平面；发送线圈，具有多个绕组并设置在发送芯的表面上，其中，所述发送芯在所述平面方向上延伸超过发送线圈。

可根据接收线圈以相对于发送线圈的预定角度设置在发送线圈上方时发送线圈和接收线圈之间的距离、角度和/或磁矩或它们的组合来选择性地确定所述发送芯的尺寸。

所述发送芯可包括：主体部，与发送线圈的尺寸对应，并且发送线圈固定于所述主体部；延伸部，形成为从所述主体部延伸预定长度。

延伸部的所述预定长度可根据从发送线圈到接收线圈的最短距离来确定。

延伸部的所述预定长度可以比从发送线圈的虚拟磁平均线到接收线圈的中心点在垂直于虚拟磁平均线的方向上的距离短。

所述发送线圈可按照多层缠绕，并且延伸部的所述预定长度比从发送线圈的总高度的一半到接收线圈的中心点在垂直于发送线圈的方向上的距离短。

所述延伸部可延伸为使得从发送线圈的虚拟磁平均线到接收线圈的中心点在垂直于虚拟磁平均线的方向上的距离基本与从发送线圈的中心到延伸部的一端的距离相同。

所述发送芯可形成为使得从发送线圈的虚拟磁平均线到接收线圈的中心点在垂直于虚拟磁平均线的方向上的距离基本与从发送线圈的中心到发送芯的一端的距离对应。

所述发送线圈按照多层缠绕，并且发送芯可形成使得从发送线圈的宽度的中心到发送芯的一端的长度比从发送线圈的虚拟磁平均线到接收线圈的中心点在垂直于虚拟磁平均线的方向上的距离短。

所述发送芯可形成为使得从发送线圈的宽度的中心到发送芯的一端的长度比从发送线圈的虚拟磁平均线到接收线圈的中心点在垂直于虚拟磁平均线的方向上的距离短。所述发送芯可形成为使得由接收线圈的中心点和发送线圈的虚拟磁平均线的延伸线形成的角度小于45°。

所述无线电力发送器还可包括壳体，所述壳体包括发送线圈和发送芯，其中，所述壳体还包括指示包括无线电力接收器的便携式设备的安装位置的标记部。

所述标记部可被标记，使得接收线圈设置在发送线圈上方。

所述发送芯为呈板形，并且所述发送线圈可附着于发送芯的上表面。

根据另一总体方面，一种无线充电系统，包括：无线电力发送器，包括发送线圈和发送芯，发送线圈设置在发送芯上；无线电力接收器，包括相对于发送线圈形成预定非零角度的接收线圈，其中，根据接收线圈和发送线圈之间的角度、距离和/或磁矩来选择性地确定发送芯的尺寸。

所述发送芯可包括：主体部，与发送线圈的尺寸对应，所述发送线圈固定于主体部；延伸部，形成为从主体部延伸预定长度。

延伸部的所述预定长度可根据从发送线圈到接收线圈的最短距离而确定。

所述延伸部可延伸使得从发送线圈的虚拟磁平均线到接收线圈的中心点在垂直于虚拟磁平均线的方向上的距离基本与从发送线圈的宽度的中心到延伸部的一端的距离相同。

所述发送芯可形成使得从发送线圈的虚拟磁平均线到接收线圈的中心点在垂直于虚拟磁平均线的方向上的距离与从发送线圈的宽度的中心到发送芯的一端的长度对应。

所述发送线圈可按照多层缠绕，并且发送芯形成使得发送线圈的宽度的中心到发送芯的一端的长度比从发送线圈的虚拟磁平均线到接收线圈的中心点在垂直于虚拟磁平均线的方向上的距离短。

所述发送芯可形成使得从发送线圈的宽度的中心到发送芯的一端的长度比从发送线圈的虚拟磁平均线到接收线圈的中心点在垂直于虚拟磁平均线的方向上的距离短。

所述发送芯可形成使得由接收线圈的中心点与发送线圈的虚拟磁平均线的延伸线形成的角度小于45°。

所述发送线圈和接收线圈可大体上彼此基本垂直地设置。

附图说明

通过以下结合附图进行的详细描述，本公开的以上和其它方面、特征和优点将被更清楚地理解，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充电系统的应用示例的示图；

图2是示出无线电力发送器和无线电力接收器被设置为相互垂直的示例性状态的立体图；

图3是示出示例性的发送/接收线圈的示图；

图4和图5示出取决于无线电力接收器和无线电力发送器的位置的磁耦合；

图6至图12是示出示例性的无线充电系统的截面图；

图13是示出效率与由磁平均点和接收线圈的中间点的延伸线形成的角度之间的示例性关系的曲线图；

图14是示出根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器的示例的电路图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本公开的实施例。

然而，可以按照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。更确切地说，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。

在附图中，为了清楚，可夸大元件的形状或尺寸，并且相同的标号将始终用于指示相同或相似的元件。

虽然以下详细描述提供用于帮助读者全面理解在此描述的方法、设备和/或系统，但对在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改以及它们的等同物对于本领域的普通技术人员而言将是明显的。在此描述的操作的顺序仅仅是示例，且不限于在此描述的顺序，除了必须按照特定顺序发生的操作之外，操作的顺序可如对本领域的普通技术人员来讲将显而易见的那样进行改变。此外，为了更加清楚和简洁，可省略对本领域的普通技术人员公知的功能和结构的描述。在此描述的特征可按照不同的形式实施，并且不应被解释为局限于在此描述的示例。更确切地说，提供已在此描述的示例，使得本公开将是充分且完整的，并将本公开的全部范围传达给本领域的普通技术人员。

图1示出根据本公开的示例性实施例的无线充电系统的应用的示例。

如图1所示，无线充电系统可包括无线电力发送器100和无线电力接收器200。

无线电力发送器100可通过外部电压输入来无线地发送电力。

无线电力接收器200通过接收从无线电力发送器100提供的电力来向便携式设备供电。虽然在图1中便携式设备被示出为手表型可穿戴装置，但无线电力接收器200可应用于其它便携式设备。

无线电力接收器200可相对于无线电力发送器100以不同的角度设置。在根据现有技术的无线电力充电系统的情况下，只有在无线电力发送器100和无线电力接收器200相互平行的状态下才能顺畅地执行充电。换言之，现有技术中的发送线圈和接收线圈通常必须基本上同轴地设置。然而，在根据本公开的示例性实施例的无线充电系统的情况下，即使在无线电力接收器200和无线电力发送器100不相互平行的情况下，例如，即使当如示出的示例中保持90°角时，也可以平稳地进行无线电力传输。

在下文中，将以示例的方式描述无线电力接收器200和无线电力发送器100被设置为相互垂直的情况，但显然是：即使无线电力接收器200和无线电力发送器100处于不相互垂直的各个角度，也可以应用以下示例性实施例。

图2是示出无线电力发送器和无线电力接收器被设置为相互垂直的状态的立体图。

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为单环，但这是为了解释的方便。例如，发送线圈110可如图3所示具有呈螺旋形状的多个绕组。可选地，发送线圈110可如图6所示形成为多层绕组。

发送线圈110无线地发送电力。例如，发送线圈110可以以电磁共振模式发送电力。根据本公开的示例性实施例，发送线圈110可在频率约为6.78MHz具有大约10μH或更小的值。发送线圈110大体可具有螺旋形状(spiralshape或helicalshape)，并且在发送线圈110具有螺旋形状的情况下，内径可以大于大约2cm。

发送芯120可以由基板或磁发送芯构成。磁发送芯可以由具有预定磁性(诸如高磁导率)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，磁发送芯可由铁氧体片(可包括于NiZnCu/MnZn基金属)、硅铁铝基金属、坡莫合金基金属、非晶基磁性体或它们的组合形成。虽然这里采用词语“芯”，但高磁导率的构件不一定必需设置在线圈110的内部。

发送芯120可以由印刷电路板(PCB)、具有电磁屏蔽功能的屏蔽片、磁芯等构成。例如，当发送芯120构造在PCB上时，诸如通过刻蚀、光刻、化学气相沉积、加成工艺或减成工艺等，发送线圈110可在PCB上形成为PCB图案。此外，为了使发送线圈110形成有多层，作为发送芯120的PCB也可按照多层形成。所述PCB可采用基板穿孔(TSV)等使多个层相互连接。

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还可由具有各种形状的接收线圈210和利用各种材料形成的接收芯220构成。

图2和图4示出无线电力接收器200设置在无线电力发送器100的中心的示例。

在图4中，虚线表示从无线电力发送器100发射的磁场，在如图2和图4所示设置无线电力接收器200的情况下，发射的磁场可以与无线电力接收器200平行，或可相对于无线电力接收器200稍稍倾斜。因此，所发射的磁场基本不能与无线电力接收器200的接收线圈210磁耦合或仅能极其微弱地与无线电力接收器200的接收线圈210耦合。

图5示出了无线电力接收器200大致设置在无线电力发送器100的发送线圈上或上方(离开中心部分)的示例。

在这种情况下，由于从无线电力发送器100发射的磁场形成一种回路(如图所示)，因此当无线电力接收器200设置在无线电力发送器100的发送线圈上时，更大量的磁通会穿过无线电力接收器200的接收线圈210。因此，图5中的无线电力发送器100的发送线圈110和无线电力接收器200的接收线圈210之间的磁耦合会更强。

然而，即使在图5中示出的示例的情况下，由于磁耦合的强度和效率处于较低水平，因此在图5中示出的示例的情况下可能难以实现有效的无线充电。

图6是示出根据本公开的示例性实施例的无线充电系统的截面图。

根据本公开的示例性实施例，无线电力发送器的发送线圈110形成为具有多个绕组。例如，如图6所示，发送线圈110按照多个缠绕层缠绕。在发送线圈110缠绕有多层的情况下，从发送线圈110发射的磁通强度会变大，就强度或大小而言，垂直方向的磁场和磁矩也会变大。因此，按照多层缠绕的发送线圈110和接收线圈210之间的磁耦合的强度会增大。

根据本公开的示例性实施例，无线电力发送器100通过发送线圈110按照磁共振模式无线地发送电力。在这种情况下，发送线圈110在频率约为6.78MHz下具有大约10μH或更小的值。

根据本公开的示例性实施例，发送线圈110可按照螺旋形状(spiralshape或ahelicalshape)进行缠绕。作为示例，当发送线圈110按照螺旋形状进行缠绕时，内径的尺寸可以大于大约20mm。当内径尺寸增大时，可提高布置无线电力接收器200的自由度。发送线圈110的外径的尺寸可以大于大约45mm。

根据图6中示出的本公开的示例性实施例，发送芯120大于发送线圈110。例如，发送芯120长于发送线圈110(例如，在发送线圈110按照圆形形式缠绕的情况下比发送线圈110的外径长)。发送芯120可以是如上所述的磁发送芯，发送芯120可用于吸引从发送线圈110发射的磁场。

例如，发送芯120可以将从发送线圈110发射的磁场再诱导向发送线圈110。另一方面，在发送芯120形成为长于发送线圈110的情况下，从发送线圈110发射的磁场可被更强地再诱导回来。发送芯120可通过诱导从发送线圈110发射的磁场来诱导磁循环，使得从发送线圈110发射的磁场沿环路返回至发送线圈110。

根据本公开的示例性实施例，发送芯120包括主体部121和延伸部122。尺寸与发送线圈110对应的主体部121是指发送线圈110所附着的部分。延伸部122是指形成为从主体部121延伸预定长度的部分。这里，虽然主体部121和延伸部122被分开描述，但主体部121和延伸部122可以具有彼此相同的性质或具有彼此不同的性质。例如，发送芯120还可被物理地实施为单种材料、单种特征或单个形状。

磁耦合的效果可根据发送芯120的长度或宽度而改变。因此，根据本公开的各个示例性实施例，通过调整发送芯120的长度(例如，延伸部122的长度)，即使处于其他不同的角度，也可提供更有效的磁耦合。

根据本公开的示例性实施例，当接收线圈210相对于发送线圈以预定角度设置在发送线圈110上方时，可利用发送线圈110和接收线圈210之间的距离、角度或磁矩中的至少一个来确定发送芯120的尺寸。

下面将参照图7至图12更详细地描述发送芯120的各个示例性实施例。

图7是根据本公开的示例性实施例的无线充电系统的示例的截面图。

参照图7，对于发送芯120，从发送线圈110至接收线圈210的最短距离L1可被设置为延伸部122的最小长度。在以上描述的示例的情况下，可通过较小地形成延伸部122的长度来减小无线电力发送器100的尺寸。

根据本公开的另一示例性实施例，从发送线圈110的磁平均点到接收线圈210的最短距离(未示出)可被设置为延伸部122的最小长度。

根据本公开的示例性实施例，可利用接收线圈210的长度或宽度来确定发送芯120的延伸距离(L1和L2)。例如，当接收线圈210竖直地设置在无线电力发送器100的发送线圈110的上方时，发送芯120的延伸距离可被确定为与接收线圈210的半径的长度成比例。

图8是示出根据本公开的示例性实施例的无线充电系统的另一示例的截面图。

参照图8，发送芯120可形成使得发送线圈110的虚拟磁平均线到接收线圈210的中心点P1在与虚拟磁平均线垂直的方向上的距离L2与从发送线圈的宽度的中心到发送芯的一端的距离L2对应。

这里，发送线圈110的虚拟磁平均线是指堆叠在多个层中的发送线圈的磁平均的高度所在的直线。图9A和图9B示出虚拟磁平均线ML的示例。

图9A和图9B示出堆叠在两个层中的发送线圈110，其中，图9A示出上层绕组和下层绕组的数量彼此相同的示例，图9B示出上层绕组和下层绕组的数量彼此不同的示例。

在图9A的情况下，由于发送线圈110构造有两层，因此可以理解的是：发送线圈110的虚拟磁平均线处在两层的中间。因此，与发送线圈110的总高度一半对应的虚拟线和发送线圈110的虚拟磁平均线彼此相同，均处于两个层的中间。因此，在发送线圈110由n个具有相同数量的绕组的层的构成的情况下，发送线圈110的磁平均点会变为n/2层的点。

在图9B的情况下，由于发送线圈110构造有两个尺寸不对称的层，因此与总高度的一半对应的虚拟线为两个层的虚拟中间线(AL)，但可以理解的是：虚拟磁平均线(ML)从中间稍向下移，例如，与绕组的数量成比例地向着相对于其他层的绕组具有更多数量的绕组的层偏移。

虽然在上述示例性实施例中虚拟磁平均线用作确定距离的参考，但取决于示例性实施例，发送线圈110的总高度的一半可用作用于确定距离的参考。例如，从发送线圈110的宽度的中心到发送芯120的一端的长度L2可形成为小于与从发送线圈110的总高度的一半到接收线圈210的中心点P1的距离对应的长度。原因在于：当绕组数量的差相对不大时，这仅仅是微小的差别。

根据本公开的示例性实施例，如图8所示，延伸部122的长度可比从发送线圈110的虚拟磁平均线到接收线圈210的中心点P1在垂直于磁平均线ML的方向上的距离L2短。原因在于：延伸部122从接收线圈110的外径开始至发送线圈120的一端，而从虚拟磁平均线到接收线圈210的中心点P1的距离L2从垂直穿过接收线圈210的中心点P1的虚拟线上的点计算。

根据本公开的示例性实施例，延伸部122的长度短于从高度等于发送线圈的总高度的一半的点到接收线圈的中心点的距离。

根据本公开的示例性实施例，发送芯120形成为使得由接收线圈210的中心点P1和接收线圈110的虚拟磁平均线的延伸线相对于发送芯120的一端形成的角度小于大约45°。例如，虽然在图8示出的示例中，由接收线圈210的中心点P1和发送线圈110的虚拟磁平均线的延伸线形成的角度被示出为45°，但这种情况可以是发送芯120的最大尺寸。

根据本公开的示例性实施例，发送芯120可形成使得从发送线圈110的虚拟磁平均线到接收线圈210的中心点P1在垂直于虚拟磁平均线的方向上的距离可与从发送线圈的宽度的中心到发送芯的一端的距离L2对应。

根据本公开的示例性实施例，发送芯120可形成为使得从发送线圈110的宽度的中心的点到发送芯120的一端的距离比从发送线圈110的虚拟磁平均线到接收线圈210的中心的点在垂直于虚拟磁平均线的方向上的距离短。

由于根据由接收线圈210的中心点P1和发送线圈110的磁平均点的延伸线形成的角度而确定发送芯120的长度L2，因此可以理解：当所述角度比大约45°大时，发送芯120的长度变得比示出的示例短，并且当所述角度比45°小时，发送芯120的长度变得比示出的示例长。

图10示出由接收线圈210的中心点P1和发送线圈110的磁平均点的延伸线形成的角度对应于大约59°的示例，图11示出由接收线圈210的中心点P1和发送线圈110的磁平均点的延伸线形成的角度小于45°的示例。

可通过下面的表1示出取决于上面描述的发送芯120的延伸长度的效果的实验数据。

[表1]

角度θ(°)无源低功率谐振器效率(根据参数S确定)598.13％53.49.12％48.59.55％44.210.47％

表1中的数据通过利用单层缠绕的发送线圈而获得的数据，其中，绕线的厚度为1.2mm。

如图10所示，在角度θ为59°的情况下，发送线圈110与发送芯120处在具有相同尺寸的状态，所述状态表示(例如)发送芯的延伸部的长度为0的状态。

从表1可以得出：随着角度θ减小，发送芯120的长度变长，因此无线电力传输能力提高。

图13的曲线图可通过包括在诸如表1中的数据而获得。图13是示出取决于由接收线圈210的中心点P1和发送线圈110的磁平均点的延伸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。可以认为图13的角度θ₀为表1的59°，θ_optimal可以大约为表1的44.2°或为小于大约44.2°且大于0°的值。

通过所述数据可以看出：在大约45°的角度处的效率较高。例如，可以看出随着发送芯120的延伸长度增加，效率也成比例地增大，直至大约45°的效率，但在发送芯120延伸为使得角度减小至接近45°或更小的情况下，效率近似。

详细地讲，在发送芯120的长度过长的情况下，存在无线电力发送器100的尺寸不可避免地增加的问题。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，可以理解：发送芯120的长度在角度大约为45°时的长度作为最大延伸长度具有重要意义。

图12示出包括在壳体中的标记部的示例性实施例。

图12示出壳体130的部分，壳体130可包括发送线圈110和发送芯120。壳体130可包括标记部131，标记部131可标记包括无线电力接收器的便携式设备的安装位置。

例如，标记部131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装置。例如，标记部131可包括标记在壳体上的与发送线圈的位置对应的预定的槽、标记、符号等，使得无线电力接收器200被设置在发送线圈110上方。例如，当无线电力接收器200为手表形式的可穿戴装置时，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，或者可穿戴设备可安装在所述凹版形状上。

图14是示出根据本公开的示例性实施例的无线电力发送器的示例的电路图。

参照图14，无线电力发送器可包括电源单元110-1、放大器110-2和发送线圈110。虽然图14示出了发送线圈110被构造为单个线圈的情况，但发送线圈110可包括两个或更多个线圈，例如，第一线圈和第二线圈，来自放大器110-2的射频(RF)电信号施加给第一线圈，第二线圈被设置为与第一线圈分隔开，并利用从第一线圈感应的射频以电磁共振方式来发送电力。

电源单元110-1可以向放大器110-2供应电力。电源单元110-1可包括将外部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。

放大器110-2可对由电源单元110-1供应的电力进行放大，并将放大后的电力供应给发送线圈110。放大器110-2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可以以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，即使在发送线圈和接收线圈相对于彼此形成各种角度的情况下，也可以有效地无线地供应电力。

虽然本公开包括特定示例，但本领域的普通技术人员将清楚，在不脱离由权利要求及其等同物的精神和范围的情况下，可对这些示例做出形式和细节上的各种改变。在此描述的示例将仅被视为描述性意义，而不是为了限制的目的。在每个示例中对特征或方面的描述将被视为可应用于其它示例中的类似特征或方面。如果按照不同的顺序执行所描述的技术，和/或如果按照不同的方式组合所描述的系统、结构、装置或电路的部件，和/或由其它部件或等同物替换或增补所述部件，则可获得合适的结果。因此，本公开的范围不由详细描述限定，而是由权利要求及其等同物限定，权利要求及其等同物的范围内的全部改变将被视为包括在本公开中。