[发明专利]一种充电设备可任意放置的无线充电线圈设计方法

说明书

技术领域

本发明属于无线充电领域，具体涉及无线充电线圈的设计，可以使充电设备在一定范围内自由放置。 

背景技术

无线充电技术在消费电子、医疗电子、工业电子中具有广阔的应用前景。电磁感应耦合是近距离无线充电中使用最广泛的技术，它通过发送线圈与接收线圈这两个耦合线圈之间的电磁感应传输电能。 

电磁感应耦合电能传输的效率与两个耦合线圈之间的耦合系数密切相关。通常，耦合系数越大，电能传输效率越高。耦合系数由线圈的形状、大小、相对位置决定。在许多应用场合，如手机无线充电器，线圈的形状、大小是固定的，而发送线圈和接收线圈之间的位置是变化的。由于相对位置的不确定引起的耦合系数不确定，将使充电系统不能达到最优效率传输效率，甚至有可能由于接收电压的波动而损坏系统。虽然在某一固定耦合系数下，通过合理的补偿电路设计，并使电路工作在谐振状态下可以使传输效率达到最大，但是耦合系数的不确定将使补偿电路失效，除非补偿电路能根据耦合系数的变化进行调整，这大大加大了电路设计的难度，甚至变得不能实现。 

如果能使发送线圈在接收线圈工作的区域内产生均匀的磁场，接收线圈在这个区域内与发送线圈之间的耦合系数也将是固定的，则可以解决上述问题。 

发明内容

为解决电磁感应耦合无线充电设备中，由于发送线圈和接收线圈之间相对位置不确定使得系统传输效率不能达到最优甚至系统不能正常工作的问题，本发明设计了一种能产生均匀磁场的发送线圈。 

本发明所采用的技术方案是：发送线圈可采用印刷电路板或绕制线圈实现，由N个单圈的圆形线圈并联组成。每个圆形线圈的半径r_n 为nR/N，其中R为最外层的线圈半径，n＝1,2…N。每个线圈上串联两个电容，电容的值的选择要求满足如下条件：在线圈工作频率下，电容阻抗远大于线圈的阻抗。此时，每个线圈上的电流主要由电容决定，由于这N个线圈是并联的，线圈两端的电压都相等，因此各线圈间的电流比例就是各线圈所串联的电容值的比例。为满足发送线圈表面能产生均匀磁场，各线圈间的比例通过如下方式得到。 

由于圆形线圈的对称性，在离圆心距离相等处的圆上的磁场相等，因此只需选择不同半径处的点进行分析。离发送线圈表面高度为h处，选取半径p_i分别为(i-0.5)R/N的N个点(i＝1,2…N)，则发送线圈中的第n个线圈中的电流为单位电流大小时，对上述第i个点产生的垂直于发送线圈平面的磁场大小可用a_ni表示，a_ni的表达式为0.5×10^-7(m/r_n/p_i)^0.5/p_i{p_iK－[r_nm-(2-m)p_i]E/(2-2m)},其中K和E分别是以m为模数的第一类和第二类完全椭圆积分，m的表达式为4r_np_i/[(r_n+p_i)²+h²]。则所选取的N个点的垂直于发送线圈平面的磁场与N个线圈电流之间的关系可得到，用矩阵可表示为[B]＝[A][J]。当所选取的N个点的垂直于发送线圈平面的磁场为均匀磁场时，即[B]中元素都相等时，可以得到N个线圈的电流矩阵[J]，[J]＝[A]-¹[B]，其中[A]-¹是[A]的逆。 

本发明具有如下优点： 

(1)在发送线圈表面线圈能产生均匀的磁场，可以使接收线圈在发送线圈尺寸范围内任意放置，两者的耦合系数保持稳定，利于系统的整体设计。 

(2)产生均匀磁场的线圈设计方法简单。传统的发送线圈中各线圈之间采用串联连接，因此各线圈流过的电流相等，需要通过设计各线圈的半径来产生均匀磁场，存在两个缺点：一方面确定各线圈半径大小的方法复杂，得到的磁场均匀性较差，尤其是发送线圈边缘处为防止磁场下降迅速，需要在边缘处放置多个或多层线圈；另一方面设计好的发送线圈若用印制电路板等形式设计固定后，无法进行微调。如，当接受线圈离发送线圈的距离有变化时，无法对发送线圈中各线圈的半径进行调节使其在接收线圈所在高度处产生更均匀的磁场。本 发明采用的并联连接形式不仅可以产生更均匀的磁场，而且可以较为方便地通过调节线圈上所串联的电容，来满足离发送线圈不同高度处均匀磁场的要求。 

附图说明