專利名稱：共振器和無(wú)線電力傳輸設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在此所述的實(shí)施方式總體上涉及共振器和無(wú)線電力傳輸設(shè)備，尤其涉及利用例如磁性線圈的共振器和利用所述共振器的無(wú)線電力傳輸設(shè)備。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的電力傳輸設(shè)備中，為了加強(qiáng)抵抗初級(jí)側(cè)線圈和次級(jí)側(cè)線圈的左右方向上的位置偏移，以面對(duì)面的關(guān)系布置初級(jí)和次級(jí)側(cè)共振器，其中，初級(jí)和次級(jí)側(cè)共振器是用線圈纏繞的基本上扁平的磁芯。然而，由于磁芯的扁平表面的放大面積，出現(xiàn)了重量增加的問(wèn)題。為了避免關(guān)于重量的缺陷，在傳統(tǒng)的無(wú)線電力傳輸設(shè)備中，為了減小重量，各個(gè)線圈的磁芯涉及使用按一定間隔放置的多個(gè)磁芯，而且初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)是以面對(duì)面的關(guān)系設(shè)置的。用于補(bǔ)償磁芯到磁芯間隙的磁力線是從纏繞有線圈的多個(gè)磁芯輸出的，而且因此初級(jí)側(cè)磁芯和次級(jí)側(cè)磁芯被配置成充當(dāng)具有放大尺寸的磁芯，在其尺寸當(dāng)中包括磁芯到磁芯間隙。然而，在所述多個(gè)磁芯當(dāng)中，磁通量在左右兩端都大部分集中在磁芯的被線圈纏繞的部分上。由此，劃分成多個(gè)磁芯可能造成磁芯截面積減小、集中程度下降和磁芯損耗增加的問(wèn)題。出于以下將要說(shuō)明的原因，磁芯損耗增加。通常，磁芯損耗，S卩，在AC磁場(chǎng)中利用磁性體作為磁芯的情況下的損耗被分成滯后損耗、渦流損耗和其它殘余損耗。根據(jù)Steinmetz的經(jīng)驗(yàn)公式，如果磁通量密度B在大約
0.1-1特斯拉的范圍內(nèi)，那么滯后損耗與磁通量密度B的1.6次方成比例。另外，渦流損耗與磁通量密度B的2次方成比例。附帶地，在大約MHz或者更高的頻率，已知其它殘余損耗增大。相應(yīng)地，在利用例如IMHz或更低頻率的情況下，其它殘余損耗可被近似成比滯后損耗和渦流損耗小得多。在這種情況下，例如，如果磁芯的截面積減半并且如果近似成通過(guò)該磁芯的磁通量沒(méi)有變化，那么磁通量密度增加成兩倍，而且由此每單位截面積的磁芯損耗增加到大約
2.56倍到4倍。甚至當(dāng)關(guān)于整個(gè)磁芯的磁芯損耗考慮時(shí)，并且如果磁芯的截面積減半，也可以假設(shè)磁芯損耗增加到大約1.28倍到2倍。考慮當(dāng)在多個(gè)磁芯中磁通量大部分集中在左右兩側(cè)磁芯被線圈纏繞的部分上時(shí)所產(chǎn)生的效果，預(yù)測(cè)磁芯損耗將進(jìn)一步增加。此外，如果增加的磁通量密度達(dá)到一個(gè)高到足以造成磁性體磁飽和的值，那么問(wèn)題就是磁性體的效果突然消失并且共振器的電感急劇減小。另外，如果線圈一直纏到鄰近磁芯上端和下端的部分，那么，由于抗磁性，等效磁導(dǎo)率在臨近上端和下端的位置會(huì)有很大程度的減小，并因此存在線圈的電感難以上升的問(wèn)題。而且，采取面對(duì)面關(guān)系的磁芯塊中沒(méi)有繞組纏繞的部分被縮短，由此存在磁通環(huán)的路徑被縮短從而減小耦合的問(wèn)題。另一方面，在另一種傳統(tǒng)的無(wú)線電力傳輸設(shè)備中，線圈塊是按H形狀布置的，以便提高初級(jí)側(cè)線圈和次級(jí)側(cè)線圈之間的耦合系數(shù)。然而，在這種情況下，線圈塊的面積增加了，導(dǎo)致重量增加的問(wèn)題。因此，傳統(tǒng)的無(wú)線電力傳輸設(shè)備具有由于使用基本上扁的磁芯而使得纏繞有線圈的共振器的重量變重的問(wèn)題。此外，如果為了減小重量而使用以一定間隔放置的多個(gè)磁芯，那么磁通量大部分集中在磁芯中左右兩端纏繞有線圈的部分上，由此存在集中度下降和磁芯損耗上升的問(wèn)題。而且，在把線圈一直纏到臨近磁芯上端和下端的部分的情況下，由于抗磁性，等效磁導(dǎo)率在臨近上端和下端的位置有很大程度的減小，并因此存在線圈電感難以上升的問(wèn)題。還給出了其它問(wèn)題，例如減小設(shè)備的尺寸、降低損耗、減小設(shè)備的厚度、減小整個(gè)設(shè)備的重量、簡(jiǎn)化熱輻射機(jī)制、增加電力和減小損耗。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一方面，提供了一種共振器，包括:磁芯，包括第一磁芯塊和第二磁芯塊，第二磁芯塊距離第一磁芯塊一定間隔放置；以及線圈，在第一和第二磁芯塊的橫向方向上纏繞在所述磁芯上，其中，第一磁芯塊包括第一部分和沿第一磁芯塊的縱向方向在第一部分的側(cè)面上的第二部分，以及，在與第一磁芯塊的縱向方向正交的方向上，第一部分的截面積大于第二部分的每個(gè)截面積，其中，第二磁芯塊包括第三部分和沿第二磁芯塊的縱向方向在第三部分的側(cè)面上的第四部分，以及，在與第二磁芯塊的縱向方向正交的方向上，第三部分的截面積大于第四部分的每個(gè)截面積，以及其中，所述線圈被纏繞在第一磁芯塊的第一部分和第二磁芯塊的第三部分上。根據(jù)第二方面，提供了一種共振器，包括:磁芯；以及在第一方向上纏繞在所述磁芯上的線圈，其中，所述磁芯包括線圈纏繞在其上的第一部分、第二部分和第三部分，在第一部分的一個(gè)邊緣，第二部分沿與第一方向不同的第二方向跨第一部分彼此面對(duì)，在第一部分的其它邊緣，第三部分沿第二方向跨第一部分彼此面對(duì)，第一部分在第一方向上的截面積大于第二部分在第一方向上的每個(gè)截面積，而且大于第三部分在第一方向上的每個(gè)截面積。根據(jù)第三方面，提供了一種無(wú)線電力傳輸設(shè)備，包括:根據(jù)上述第一方面的初級(jí)側(cè)共振器，被配置成從外部電力發(fā)送電路接收交流信號(hào)并且生成對(duì)應(yīng)于所述交流信號(hào)的磁場(chǎng)；以及根據(jù)上述第一方面的次級(jí)側(cè)共振器，被配置成與初級(jí)側(cè)共振器以面對(duì)面的關(guān)系放置并且通過(guò)與初級(jí)側(cè)共振器的磁耦合來(lái)接收所述交流信號(hào)。
圖1說(shuō)明了根據(jù)第一種實(shí)施方式的共振器。圖2示出了在把圖1中說(shuō)明的共振器應(yīng)用到無(wú)線電力傳輸設(shè)備的初級(jí)側(cè)共振器和次級(jí)側(cè)共振器的情況下的布局的例子。圖3示出了利用圖1中說(shuō)明的共振器的無(wú)線電力傳輸設(shè)備的框圖。圖4說(shuō)明了減小磁芯塊上端和下端厚度的配置。圖5示出了在把圖4中的共振器應(yīng)用到初級(jí)側(cè)共振器和次級(jí)側(cè)共振器的情況下的布局。圖6示出了其中與其它部分相比，線圈纏繞部分的寬度在線圈的左右側(cè)向外放大的例子。圖7示出了其中與其它部分相比，線圈纏繞部分的寬度在線圈的左右側(cè)都放大的例子。圖8示出了其中線圈纏繞部分在左右側(cè)向內(nèi)放大，而沒(méi)有線圈纏繞的部分的寬度以錐形形狀朝向上端和下端逐步變窄的例子。圖9示出了其中線圈纏繞的部分在線圈的左右側(cè)向外放大，而沒(méi)有線圈纏繞的部分的寬度以錐形形狀朝向上端和下端逐步變窄的例子。圖10示出了其中線圈纏繞的部分在線圈的左右側(cè)都放大，而沒(méi)有線圈纏繞的部分的寬度以錐形形狀朝向上端和下端逐步變窄的例子。圖11說(shuō)明了其中與其它部分相比，線圈纏繞部分的厚度以兩階逐步改變的例子。圖12說(shuō)明了其中與其它部分相比，線圈纏繞部分的厚度以三階逐步改變的例子。圖13說(shuō)明了在與其它部分相比以三階逐步改變線圈纏繞部分的厚度的情況下，關(guān)于上部和下部不對(duì)稱地對(duì)配置進(jìn)行改變的例子。圖14示出了設(shè)置多個(gè)用線圈纏繞的位置的配置的例子。圖15示出了一個(gè)例子，其中按錐形形狀改變沒(méi)有用線圈纏繞的向外部分的寬度，以便在左右磁芯塊中朝向磁芯塊的上端和下端逐步變窄。圖16說(shuō)明了把線圈纏繞部分集中在中心部分處具有指定長(zhǎng)度的部分上的例子。圖17示出了把鰭片添加到左右磁芯塊的例子。圖18示出了在與圖17不同的方向上添加鰭片的例子。圖19說(shuō)明了把線圈纏繞部分集中在中心部分處具有指定長(zhǎng)度的部分上并且在厚度方向上改變形狀的配置的例子。圖20說(shuō)明了把線圈纏繞部分集中在中心部分處具有指定長(zhǎng)度的部分上并且在厚度方向上改變形狀的配置的另一個(gè)例子。圖21示出了基于圖19中的配置的耦合系數(shù)的增加效果。圖22示出了基于圖20中的配置的耦合系數(shù)的增加效果。圖23示出了其中線圈截面是橢圓形的例子。圖24示出了在線圈呈現(xiàn)最大曲率的部分放置磁芯塊的例子。圖25是由于添加第三磁芯塊的電抗增加效果的第一解釋圖。圖26是由于添加第三磁芯塊的電抗增加效果的第二解釋圖。圖27是由于添加第三磁芯塊的電抗增加效果的第三解釋圖。圖28示出了添加第三磁芯塊的配置的例子。圖29不出了當(dāng)添加第三磁芯塊時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。圖30示出了集成各個(gè)磁芯塊的具有寬截面積的部分的例子。圖31示出了集成各個(gè)磁芯塊的具有寬截面積的部分的另一個(gè)例子。圖32示出了共振器的尺寸的一個(gè)例子。圖33示出了初級(jí)和次級(jí)側(cè)共振器的位置偏移與耦合系數(shù)k之間的關(guān)系的圖。圖34不出了拉長(zhǎng)磁芯塊的例子。圖35示出了在圖34的配置的情況下，初級(jí)和次級(jí)側(cè)共振器位置偏移與耦合系數(shù)之間的關(guān)系的圖。
圖36示出了取不同值作為兩個(gè)磁芯塊的長(zhǎng)度的例子。圖37示出了在圖36的配置的情況下，初級(jí)和次級(jí)側(cè)共振器位置偏移與耦合系數(shù)之間的關(guān)系的圖。圖38示出了把鰭片添加到總長(zhǎng)度較短的磁芯塊的例子。圖39示出了把鰭片添加到總長(zhǎng)度較短的磁芯塊的另一個(gè)例子。圖40示出了把彼此不同的值設(shè)置為三個(gè)磁芯塊當(dāng)中的至少兩個(gè)磁芯塊的總長(zhǎng)度的第一個(gè)例子。圖41示出了把彼此不同的值設(shè)置為三個(gè)磁芯塊當(dāng)中的至少兩個(gè)磁芯塊的總長(zhǎng)度的第二個(gè)例子。圖42示出了把彼此不同的值設(shè)置為三個(gè)磁芯塊當(dāng)中的至少兩個(gè)磁芯塊的總長(zhǎng)度的第三個(gè)例子。圖43說(shuō)明了兩個(gè)磁芯塊之間的距離如何改變。圖44說(shuō)明了當(dāng)改變兩個(gè)磁芯塊之間的距離時(shí)的電感波動(dòng)的圖。圖45示出了在使用傳統(tǒng)共振器的情況下磁芯塊內(nèi)部的磁通量密度分布圖。圖46示出了在使用圖1中所說(shuō)明的共振器的情況下磁芯塊內(nèi)部的磁通量密度分布圖。圖47示出了在使用圖28中所說(shuō)明的共振器的情況下磁芯塊內(nèi)部的磁通量密度分布圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)一種實(shí)施方式，提供了 一種包括磁芯和線圈的共振器。所述磁芯包括第一磁芯塊和第二磁芯塊。第二磁芯塊距離第一磁芯塊一定間隔放置。線圈在第一和第二磁芯塊的橫向方向上被纏繞在磁芯上。第一磁芯塊包括第一部分和沿第一磁芯塊的縱向方向在第一部分的側(cè)面上的第二部分。在與第一磁芯塊的縱向方向正交的方向上，第一部分的截面積大于第二部分的每個(gè)截面積。第二磁芯塊包括第三部分和沿第二磁芯塊的縱向方向在第三部分的側(cè)面上的第四部分。在與第二磁芯塊的縱向方向正交的方向上，第三部分的截面積大于第四部分的每個(gè)截面積。線圈被纏繞在第一磁芯塊的第一部分和第二磁芯塊的第三部分上。下文中，將參考附圖具體描述實(shí)施方式。圖1說(shuō)明了第一種實(shí)施方式中的用于無(wú)線電力傳輸設(shè)備的共振器。圖1(A)是頂視圖；圖1(B)是沿紙面從下面看時(shí)的側(cè)視圖；而圖1(C)是沿所述紙面從右側(cè)看時(shí)的側(cè)視圖。這種共振器包括線圈11和包括磁芯塊12、13的磁芯。線圈11是整體上扁的線圈并且具有包括曲率大于其它部分的曲率的兩個(gè)部分的側(cè)截面。磁力線集中在具有較大曲率的部分上，并且在圖1中，具有較大曲率的這兩個(gè)部分位于左右兩端。至少兩塊磁芯塊(即磁芯塊(第一磁芯塊)12和另一個(gè)磁芯塊(第二磁芯塊)13)放置成在線圈11內(nèi)部穿過(guò)。線圈11在磁芯塊12、13的橫向方向上被纏繞在磁芯上。使得磁芯塊12、13在線圈11的內(nèi)部最接近左右兩端。磁芯塊12包括第一部分12A和沿磁芯塊12的縱向方向在第一部分12A的兩端提供的第二部分12B、12B。在與該縱向方向正交的方向上,第一部分12A的截面積大于第二部分12B的截面積。應(yīng)當(dāng)注意，所述縱向方向與線圈的孔穿過(guò)的方向一致。磁芯塊13包括第三部分13A和沿磁芯塊13的縱向方向在第三部分13A的兩端提供的第四部分13B、13B。在與該縱向方向正交的方向上，第三部分13A的截面積大于第四部分13B的截面積。線圈11被纏繞在每個(gè)具有大截面積的部分上，即，被纏繞在第一部分12A和第三部分13A上。磁芯塊12、13中的每一個(gè)的厚度是固定的，并且第一部分12A和第三部分13A中的每一個(gè)的寬度LA被設(shè)置成大于第二部分12B和第四部分13B中的每一個(gè)的寬度LB。即，截面積是通過(guò)在固定厚度的同時(shí)放大寬度來(lái)擴(kuò)大的。厚度是固定的，由此使得磁芯塊的厚度能夠統(tǒng)一并且使得共振器能夠變薄。通過(guò)這樣配置共振器，放大了磁通量大部分集中在其上的線圈纏繞部分的截面積，磁芯損耗被降低，并且除線圈纏繞部分以外的磁性體的量被大大減少，由此使得重量能夠被減小。圖44關(guān)于圖43中所說(shuō)明的扁共振器示出了指示當(dāng)改變兩個(gè)磁芯塊62、63之間的距離時(shí)電感的波動(dòng)的圖。因?yàn)楫?dāng)位于左右兩端時(shí)(這對(duì)應(yīng)于圖中的最右側(cè))，磁性體施加大的影響，所以能夠獲得較大的電感值。圖2是繪出在圖1中所說(shuō)明的共振器應(yīng)用到無(wú)線電力傳輸設(shè)備的初級(jí)側(cè)共振器21和次級(jí)側(cè)共振器22的情況下的布局例子的側(cè)視圖。初級(jí)側(cè)共振器和次級(jí)側(cè)共振器是以面對(duì)面的關(guān)系放置的。具有垂直面對(duì)面關(guān)系的磁芯塊中沒(méi)有繞組的部分變得比現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)例子(從上端附近到下端附近用線圈纏繞的磁芯)中的更長(zhǎng)，并由此能夠確保磁通環(huán)的更長(zhǎng)路徑，以使得垂直耦合能夠被增加。另外，與現(xiàn)有技術(shù)的這個(gè)例子相比，在本實(shí)施方式中，用線圈纏繞的部分集中在中心部分。特別地，從線圈纏繞部分的上端延伸到線圈纏繞部分的下端的長(zhǎng)度被設(shè)置成等于或者小于磁芯塊的長(zhǎng)度L_C0re的1/3。通常，在用于磁路徑不像圖2中的兩個(gè)共振器的磁芯塊中那樣閉合的狀態(tài)的情況下(為了給出一個(gè)可以比較的例子，例如，通過(guò)一個(gè)變壓器的例子，磁芯采取環(huán)形，而且，在這種情況下，可以說(shuō)磁路徑是閉合的)，由于抗磁性的影響，當(dāng)它關(guān)于磁芯的長(zhǎng)度方向離開(kāi)中心時(shí)，呈現(xiàn)出實(shí)際效果的等效磁導(dǎo)率逆著由磁性體保留的主磁導(dǎo)率大大地減小。如在所給出的工作示例中，線圈被纏繞在更靠近中心的部分上，等效磁導(dǎo)率變得甚至更大，因此，在布線具有相同長(zhǎng)度的線圈時(shí)，產(chǎn)生仍然能夠獲得較高電感值的效果。即，增大共振器之間的耦合并且抑制線圈纏繞部分的等效磁導(dǎo)率由于抗磁性而減小是可行的。圖3示出了第一種實(shí)施方式中的無(wú)線電力傳輸設(shè)備的框圖，該設(shè)備使用圖1中說(shuō)明的共振器。電力發(fā)送電路31向初級(jí)側(cè)共振器32提供其頻率使得能夠有效發(fā)送的電力信號(hào)。由于初級(jí)側(cè)共振器32和次級(jí)側(cè)共振器33之間的耦合，該電力信號(hào)被無(wú)線地發(fā)送。次級(jí)側(cè)共振器33所接收的電力信號(hào)被發(fā)送給電力接收電路34。注意，當(dāng)需要的時(shí)候，電力發(fā)送電路31的控制單元和電力接收電路34的控制單元通過(guò)使用電力發(fā)送電路31和電力接收電路34之間的無(wú)線信號(hào)相互執(zhí)行通信，由此開(kāi)始、完成和停止電力的發(fā)送和接收并且改變電力傳輸?shù)碾娔堋Ｈ鐖D4中所繪出的，還可以考慮通過(guò)減小左右磁芯塊的上端41、43和下端42、44的厚度來(lái)減小重量。圖4(A)是頂視圖；圖4(B)是沿紙面從下面看時(shí)的側(cè)視圖；而圖4(C)是沿所述紙面從右側(cè)看時(shí)的側(cè)視圖。圖5說(shuō)明了其中圖4中所說(shuō)明的共振器被應(yīng)用于初級(jí)側(cè)共振器51和次級(jí)側(cè)共振器52的情況的布局。如在圖5中，共振器之間磁通量的耦合發(fā)生在磁芯塊的上端和下端，并且由此那里的磁芯內(nèi)磁通量的密度與中心部分相比減小了，而且，甚至當(dāng)減小厚度時(shí)，造成磁飽和的可能性也很小。附帶地，如圖5中所示，還可以考慮通過(guò)以關(guān)于上部和下部不對(duì)稱地減小厚度以使得磁芯的上端和下端彼此靠近的方式，按面對(duì)面的關(guān)系放置兩個(gè)共振器，來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)共振器之間的耦合。注意，在左右磁芯塊的配置中把線圈纏繞部分的寬度設(shè)置得比其它部分的寬度大的情況下，除圖1的配置之外，圖6和7中所繪出的配置也被認(rèn)為是可用的。在圖6中，線圈纏繞的部分61、62的每一個(gè)的寬度都被設(shè)置成在線圈的左右側(cè)向外比其它部分的寬度大。在圖7中，線圈纏繞的部分71、72的每一個(gè)的寬度都被設(shè)置成在線圈的左右側(cè)都比其它部分的寬度大。另外，如在圖8中，線圈纏繞部分81、82可在左右側(cè)向內(nèi)放大，而沒(méi)有線圈纏繞的部分83、84的寬度可以按錐形形狀朝向上端和下端逐步變窄。可選地，如在圖9中，線圈纏繞部分91、92可在線圈的左右側(cè)向外放大，而沒(méi)有線圈纏繞的部分93、94的寬度可以按錐形形狀朝向上端和下端逐步變窄。還有可選地，如在圖10中，線圈纏繞部分101、102可在線圈的左右側(cè)都放大，而沒(méi)有線圈纏繞的部分103、104的寬度可以按錐形形狀朝向上端和下端逐步變窄。在圖8-10所說(shuō)明的例子中，根據(jù)制造環(huán)境等，也可以考慮錐形曲線采取其它形狀。注意，在左右磁芯塊的配置中，線圈纏繞部分的厚度大于其它部分的厚度，可以認(rèn)為由此擴(kuò)大了磁通量大部分集中在其上的部分的截面積。圖11-13說(shuō)明了這些例子。圖11說(shuō)明了其中與其它部分113、114相比，線圈纏繞部分111、112的厚度以兩階逐步改變的例子。圖12繪出了其中與其它部分123、124相比，線圈纏繞部分121、122的厚度以三階逐步改變的例子。圖13說(shuō)明了在與其它部分133、134相比以三階逐步改變線圈纏繞部分131、132的厚度的情況下，關(guān)于上部和下部不對(duì)稱地改變配置的例子。當(dāng)然，如圖4中所示，對(duì)錐形形狀進(jìn)行改變不會(huì)造成任何不便。而且，在使大電力流動(dòng)的情況下，如在圖14中，可以考慮通過(guò)提供用線圈纏繞的多個(gè)位置(部分)來(lái)分散其中溫度升高的位置(部分)。而且，在這種情況下，如圖14中所繪出的，在左右磁芯塊的配置中，線圈纏繞部分141、142的寬度設(shè)置得比其它部分143、144的寬度大。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，放大了磁通量大部分集中在其上面的部分的截面積，磁芯損耗降低了，而且除線圈纏繞部分之外的磁性體的量減少了，由此使得重量減小。注意，線圈纏繞部分之間的部分是磁通量大部分集中在其上面的部分，而且因此其截面積也類似于線圈纏繞部分一樣米用寬的。如在圖15中，在左右磁芯塊中，可以考慮沒(méi)有用線圈纏繞的向外部分151、152的寬度按錐形形狀變化，以便朝向磁芯塊的上端和下端逐步變窄。另外，如在圖16中，同樣是在提供用線圈纏繞的位置的情況下，線圈纏繞部分可以集中在中心部分，使得從線圈纏繞部分的上端延伸到線圈纏繞部分的下端的長(zhǎng)度被設(shè)置成等于或者小于磁芯塊長(zhǎng)度L_C0re的1/3。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，類似于圖2中的工作示例，等效磁導(dǎo)率變得更大，而且因此在纏饒具有相同長(zhǎng)度的線圈的情況下獲得仍然較高電感是可行的。此外，如圖17中所說(shuō)明的，還可以考慮通過(guò)把鰭片(擴(kuò)展部分)171、172添加到左右磁芯塊來(lái)改變磁芯的配置，而且通過(guò)進(jìn)一步拉長(zhǎng)采取面對(duì)面關(guān)系的磁芯塊中的沒(méi)有繞組的部分來(lái)確保磁通環(huán)的路徑更長(zhǎng)，由此進(jìn)一步增加以面對(duì)面關(guān)系設(shè)置的共振器之間的耦合系數(shù)。注意，鰭片添加模式不限于圖17中的模式，而且，如在圖18中所繪出的，鰭片181、182可以在與圖17中不同的方向上添加。而且，圖19和20示出了其中關(guān)于圖1工作示例中的左右磁芯塊，形狀在厚度方向上改變并被保持，使得從線圈纏繞部分的上端延伸到線圈纏繞部分的下端的長(zhǎng)度被設(shè)置成等于或者小于磁芯塊長(zhǎng)度L_C0re的1/3的配置的例子。對(duì)于這種配置，如圖21和22中所繪出的，還可以考慮減小形成兩個(gè)共振器的磁芯塊的有些部分之間的距離并且進(jìn)一步增加上端和下端共振器的耦合系數(shù)。圖20中的配置也可被看作在與圖17或18中的方向(寬度方向)不同的方向(厚度方向)上添加鰭片(擴(kuò)展部分)的配置。注意，即使當(dāng)線圈231的截面整體上不是扁的而是橢圓的時(shí)，如圖23中那樣，也可以考慮在這兩個(gè)部分放置磁芯塊232、232，因?yàn)闄E圓包括每個(gè)都呈現(xiàn)大曲率的至少兩個(gè)部分?？蛇x地，如在圖24中那樣，可以考慮線圈241具有部分241A，其撓曲角小于其它兩個(gè)具有大曲率的部分241B中的每一個(gè)的撓曲角，在這種情況下，磁芯塊被放到每個(gè)都具有小撓曲角的兩個(gè)部分241A。而且，磁芯塊被添加到在線圈的左右方向上包括中心的部分的這種配置也是可用的。圖28示出了這種情況下的配置的例子。如在圖1的工作示例中，除了在線圈左右方向上放在兩端的磁芯塊281、282，磁芯塊(第三磁芯塊)283被添加到線圈的中心附近。磁芯塊283包括第五部分283A和沿磁芯塊283的縱向方向在其兩端提供的第六部分283B、283B。在與該縱向方向正交的方向上，第五部分283A的截面積大于第六部分283B的截面積。線圈纏在具有較大截面積的第五部分283A上。注意，上述鰭片(擴(kuò)展部分)也可被添加到各個(gè)第六部分283B的末端部分。下文中給出的是對(duì)磁芯塊283的線圈纏繞部分的截面積被設(shè)置成比其它部分寬的設(shè)計(jì)的描述，這類似于磁芯塊281、282。例如，根據(jù)計(jì)算，圖25中所說(shuō)明的線圈251的線圈電抗值是23 μ H，只在線圈251的兩端提供了磁芯塊252、253，在這種情況下，假設(shè)圖26中所示的附加桿狀磁芯塊261關(guān)于位于橫向末端的磁芯塊253以并排關(guān)系放置。在這種情況下，電抗值是26.5 μ H,而且，相反，如果桿狀磁芯塊261被添加到線圈251的中間，像圖27中那樣，那么電抗值達(dá)到29.4 μ Ho
相應(yīng)地，關(guān)于圖27中的共振器，按與第一種實(shí)施方式中所用的相同方式，以像圖28中所示各個(gè)磁芯塊281、282、283的形狀，線圈纏繞部分的寬度被設(shè)置成進(jìn)一步大于其它部分的寬度。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，放大了磁通量大部分集中在其上面的部分的截面積和呈現(xiàn)出磁通量次最高集中的部分的截面積，磁芯損耗降低了，而且除這些部分之外的磁性體的量有很大程度的減少，因而使得重量能夠減小。即，接著靠近左右兩端的部分，第三磁芯塊被放在包括對(duì)增加線圈電感呈現(xiàn)大效果的中心的部分，而且放大了第三磁芯塊中磁通量大部分集中在其上面的部分的截面積，由此磁性損耗減小了，而且除這些部分之外的磁性體的量大大減少了，因而重量能夠減小。附帶地，作為對(duì)圖28思想的附加，在附加地安裝桿狀磁芯塊的情況下關(guān)于線圈的磁場(chǎng)分布圖中，在緊靠形成線圈的線附近，磁場(chǎng)的強(qiáng)度增加了，如由圖29中的計(jì)算結(jié)果所指示的。通過(guò)使用這一點(diǎn)，可以考慮磁芯塊301、302緊靠線圈的線安裝，如圖30和31中那樣。圖30和31中的配置可以作為集成各個(gè)磁芯塊中具有大截面積的部分的配置。即使當(dāng)采取呈現(xiàn)小抗磁性效果的形狀時(shí)，因?yàn)楸环旁诰哂袕?qiáng)磁場(chǎng)的位置而且能夠增加電抗值，所以這些緊靠線圈的線安裝的磁芯塊具有大的效果。另外，采取短形狀的磁芯塊被放在采取拉長(zhǎng)形狀的磁芯塊附近，由此具有減輕磁通量在采取拉長(zhǎng)形狀的磁芯塊中的集中以及降低磁飽和和磁芯損耗的效果。圖45、46和47關(guān)于專利文檔I中所公開(kāi)的傳統(tǒng)磁芯塊、圖1中所說(shuō)明的第一種實(shí)施方式中的共振器和圖28中所繪出的作為本發(fā)明實(shí)施方式的一個(gè)例子給出的共振器示出了磁性體內(nèi)部的磁通量密度，這是通過(guò)數(shù)值計(jì)算而獲得的。如上所述，如在圖45中看到的，在傳統(tǒng)的磁芯塊中，在長(zhǎng)側(cè)方向上處于中心部分的線圈纏繞部分的磁通量密度在磁芯的整個(gè)寬度上上升。與此相反，在圖1的共振器的情況下，如在圖46中所說(shuō)明的，盡管磁通量密度在某一個(gè)部分的局部凹陷點(diǎn)變大，然而在長(zhǎng)側(cè)方向上處于中心部分的線圈纏繞部分的磁通量密度減小。另外，在圖28的共振器的情況下，如在圖47中所說(shuō)明的，盡管磁通量密度在某一個(gè)部分的局部凹陷點(diǎn)仍然變大，然而在長(zhǎng)側(cè)方向上處于中心部分的線圈纏繞部分的磁通量密度進(jìn)一步減小。注意，如圖46和47中看到的磁通量密度的局部上升被限制在某一個(gè)部分的狹窄區(qū)域而且不太大，由此這個(gè)部分的損耗占整個(gè)磁芯塊的(總)損耗的比率極小。圖32(A)示出了作為本發(fā)明所述實(shí)施方式的一個(gè)例子根據(jù)實(shí)驗(yàn)制造的共振器的尺寸。圖32(B)示出了代表兩個(gè)共振器之間的位置關(guān)系的側(cè)視圖。與繞組平行的方向被設(shè)置成X軸，而與其垂直的方向被設(shè)置成y軸。圖33不出了當(dāng)在X和y方向上偏移時(shí)測(cè)量率禹合系數(shù)的結(jié)果。線圈間效率取決于k和Q的乘積(kXQ)，而且，在使用Q=196的共振器的情況下，當(dāng)耦合系數(shù)k>0.1時(shí)，獲得例如線圈間效率>90%的關(guān)系。當(dāng)粗略地把目標(biāo)定在耦合系數(shù)k=0.1時(shí)，位置偏移的允許范圍在X方向上多達(dá)420mm,在y方向上多達(dá)120_。在圖32所示尺寸的情況下，1和7方向上的位置偏移的允許范圍示出了不平衡的3倍或者更大差別。y方向上的位置偏移的允許范圍小的原因是存在穿過(guò)次級(jí)側(cè)線圈的磁通量的總和變成“O”的點(diǎn)。如圖33中所說(shuō)明的，當(dāng)y方向上的位置偏移是200mm時(shí)，耦合系數(shù)由于磁通量的抵消而減小。這種減小等效于I方向尺寸的43%。耦合特性取決于共振器外部形狀的尺寸。相應(yīng)地，如由圖34中的341所指示的，如果磁芯塊在y方向上被拉長(zhǎng),如在圖35中說(shuō)明的，耦合系數(shù)減小的位置會(huì)偏移得更遠(yuǎn)。而且，如果位于左右兩端的磁芯塊361、362的長(zhǎng)度L_core (如圖36中那樣)通過(guò)使用以上所述的屬性被設(shè)置成不同值，那么，如在圖37中所說(shuō)明的，由于磁通量抵消而造成的耦合系數(shù)的減小根據(jù)對(duì)應(yīng)于各自長(zhǎng)度的位置偏移而發(fā)生。然而，可以認(rèn)為其減小量能夠被抑制。因此，可以認(rèn)為耦合系數(shù)的大的減小能夠在寬的位置偏移范圍上被抑制。另外，如在圖38中，例如，磁芯塊的形狀可以通過(guò)把鰭片392添加到具有短長(zhǎng)度L_core的磁芯塊381來(lái)改變，或者可選地，如在圖39中，磁芯塊的形狀可以通過(guò)把鰭片393、394添加到左右磁芯塊391、392來(lái)改變。由此，可以認(rèn)為處于面對(duì)面關(guān)系的磁芯塊中的沒(méi)有線圈纏繞的部分被進(jìn)一步拉長(zhǎng)了，確保磁通環(huán)的路徑更長(zhǎng)，而且上部和下部共振器之間的耦合系數(shù)進(jìn)一步增加。而且，如在圖40、41、42中那樣，第三磁芯塊被放在線圈的左右方向上包括中心的部分，而且與在左右端提供的磁芯塊組合的三個(gè)磁芯塊的長(zhǎng)度的至少兩個(gè)被設(shè)置成彼此不同的值，由此可以獲得與圖37中所示相同的效果。如以上所討論的，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，提供能夠減小共振器重量同時(shí)增加電力傳輸效率的無(wú)線電力傳輸設(shè)備是可行的。此外，還有可能提供具有輕重量并且通過(guò)降低磁芯損耗來(lái)呈現(xiàn)更高效率的無(wú)線電力傳輸設(shè)備。應(yīng)當(dāng)指出，到目前為止所討論的實(shí)施方式已經(jīng)描述了使用相同類型共振器作為初級(jí)側(cè)共振器和次級(jí)側(cè)共振器的配置，然而，利用不同類型共振器的配置當(dāng)然也可以考慮。盡管已經(jīng)描述了某些實(shí)施方式，然而這些實(shí)施方式僅僅是作為例子給出的，而不是要限制本發(fā)明的范圍。實(shí)際上，在此所述的創(chuàng)新實(shí)施方式可以在許多其它形式中體現(xiàn)；此夕卜，在不背離本發(fā)明主旨的情況下，可以對(duì)在此所述實(shí)施方式的形式進(jìn)行各種忽略、替換和改變。所附權(quán)利要求及其等價(jià)物是要覆蓋屬于本發(fā)明范圍與主旨的此類形式或者修改。
權(quán)利要求
1.一種共振器，包括: 磁芯，包括第一磁芯塊和第二磁芯塊，第二磁芯塊距離第一磁芯塊一定間隔放置；以及 線圈，在第一和第二磁芯塊的橫向方向上纏繞在所述磁芯上， 其中，第一磁芯塊包括第一部分和沿第一磁芯塊的縱向方向在第一部分的側(cè)面上的第二部分，以及，在與第一磁芯塊的縱向方向正交的方向上，第一部分的截面積大于第二部分的每個(gè)截面積， 其中，第二磁芯塊包括第三部分和沿第二磁芯塊的縱向方向在第三部分的側(cè)面上的第四部分，以及，在與第二磁芯塊的縱向方向正交的方向上，第三部分的截面積大于第四部分的每個(gè)截面積，以及 其中，所述線圈被纏繞在第一磁芯塊的第一部分和第二磁芯塊的第三部分上。
2.如權(quán)利要求1所述的共振器，其中，在第一磁芯塊的橫向方向上，第一部分的寬度比第二部分的寬度寬，以及 在第二磁芯塊的橫向方向上，第三部分的寬度比第四部分的寬度寬。
3.如權(quán)利要求1所述的共振器，其中，所述線圈在與第一磁芯塊和第二磁芯塊相鄰的位置的曲率大于在線圈的其它位置的曲率。
4.如權(quán)利要求1所述的共振器，其中，當(dāng)?shù)谝淮判緣K的第二部分在與第一部分相對(duì)的一側(cè)靠近第二部分的末端時(shí)，第一磁芯塊的第二部分具有更小的寬度或者厚度，以及 當(dāng)?shù)诙判緣K的第四部分在與第三部分相對(duì)的一側(cè)靠近第四部分的末端時(shí)，第二磁芯塊的第四部分具有更 小的寬度或者厚度。
5.如權(quán)利要求1所述的共振器，其中，第一磁芯塊的第一部分和第二磁芯塊的第三部分被形成為一體。
6.如權(quán)利要求1所述的共振器，其中，所述磁芯還包括第一磁芯塊和第二磁芯塊之間的第三磁芯塊， 第三磁芯塊包括第五部分和沿第三磁芯塊的縱向方向在第五部分的側(cè)面上的第六部分，以及，在與第三磁芯塊的縱向方向正交的方向上，第五部分的截面積大于第六部分的每個(gè)截面積，以及 所述線圈被纏繞在第一磁芯塊的第一部分、第二磁芯塊的第三部分和第三磁芯塊的第五部分上。
7.如權(quán)利要求6所述的共振器，其中，第一部分、第三部分和第五部分被形成為一體。
8.如權(quán)利要求1所述的共振器，其中，第一磁芯塊包括寬度或厚度比第二部分的寬度或厚度大的第一擴(kuò)展部分，以及第一擴(kuò)展部分是在與第一部分相對(duì)的一側(cè)在第二部分的末端提供的。
9.如權(quán)利要求1所述的共振器，其中，第二磁芯塊包括寬度或厚度比第四部分的寬度或厚度大的第二擴(kuò)展部分，以及第二擴(kuò)展部分是在與第三部分相對(duì)的一側(cè)在第四部分的末端提供的。
10.如權(quán)利要求6所述的共振器，其中，第三磁芯塊包括寬度或厚度比第六部分的寬度或厚度大的第三擴(kuò)展部分，以及第三擴(kuò)展部分是在與第五部分相對(duì)的一側(cè)在第六部分的末端提供的。
11.如權(quán)利要求1所述的共振器，其中，第一和第二磁芯塊的線圈纏繞部分的每個(gè)長(zhǎng)度等于或者小于第一和第二磁芯塊的每一個(gè)的總長(zhǎng)度L_core的1/3。
12.如權(quán)利要求1所述的共振器，其中， 第一磁芯塊和第二磁芯塊中的一個(gè)的總長(zhǎng)度比第一磁芯塊和第二磁芯塊中的另一個(gè)的總長(zhǎng)度短。
13.如權(quán)利要求8所述的共振器，其中， 第一磁芯塊和第二磁 芯塊中的一個(gè)的總長(zhǎng)度比第一磁芯塊和第二磁芯塊中的另一個(gè)的總長(zhǎng)度短。
14.如權(quán)利要求9所述的共振器，其中， 第一磁芯塊和第二磁芯塊中的一個(gè)的總長(zhǎng)度比第一磁芯塊和第二磁芯塊中的另一個(gè)的總長(zhǎng)度短。
15.如權(quán)利要求6所述的共振器，其中， 第一磁芯塊、第二磁芯塊和第三磁芯塊中的兩個(gè)中的一個(gè)的總長(zhǎng)度比第一磁芯塊、第二磁芯塊和第三磁芯塊中的兩個(gè)中的另一個(gè)的總長(zhǎng)度短。
16.如權(quán)利要求10所述的共振器，其中， 第一磁芯塊、第二磁芯塊和第三磁芯塊中的兩個(gè)中的一個(gè)的總長(zhǎng)度比第一磁芯塊、第二磁芯塊和第三磁芯塊中的兩個(gè)的另一個(gè)的總長(zhǎng)度短。
17.如權(quán)利要求1所述的共振器，進(jìn)一步包括在第一和第二磁芯塊的橫向方向上纏繞在磁芯上的第一線圈，其中， 第一線圈被纏繞在第一磁芯塊的第一部分上和第二磁芯塊的第三部分上，以及 第一線圈被布置在與所述線圈隔開(kāi)的位置。
18.如權(quán)利要求4所述的共振器,進(jìn)一步包括在第一和第二磁芯塊的橫向方向上纏繞在磁芯上的第一線圈，其中， 第一線圈被纏繞在第一磁芯塊的第一部分上和第二磁芯塊的第三部分上，以及 第一線圈被布置在與所述線圈隔開(kāi)的位置。
19.一種共振器,包括: 磁芯；以及 在第一方向上纏繞在所述磁芯上的線圈，其中， 所述磁芯包括線圈纏繞在其上的第一部分、第二部分和第三部分， 在第一部分的一個(gè)邊緣，第二部分沿與第一方向不同的第二方向跨第一部分彼此面對(duì)， 在第一部分的其它邊緣，第三部分沿第二方向跨第一部分彼此面對(duì)， 第一部分在第一方向上的截面積大于第二部分在第一方向上的每個(gè)截面積，而且大于第三部分在第一方向上的每個(gè)截面積。
20.一種無(wú)線電力傳輸設(shè)備,包括: 根據(jù)權(quán)利要求1的初級(jí)側(cè)共振器，被配置成從外部電力發(fā)送電路接收交流信號(hào)并且生成對(duì)應(yīng)于所述交流信號(hào)的磁場(chǎng)；以及 根據(jù)權(quán)利要求1的次級(jí)側(cè)共振器，被配置成與初級(jí)側(cè)共振器以面對(duì)面的關(guān)系放置并且通過(guò)與初級(jí)側(cè)共振器的磁耦合來(lái)接收所述交流信號(hào)。
全文摘要
提供了共振器和無(wú)線電力傳輸設(shè)備，所述共振器包括磁芯和線圈，其中，磁芯包括第一磁芯塊和第二磁芯塊，線圈纏繞在磁芯上，第一磁芯塊包括第一部分和第一部分的側(cè)面上的第二部分，第一部分的截面積大于第二部分的每個(gè)截面積，第二磁芯塊包括第三部分和沿其縱向方向在第三部分的側(cè)面上的第四部分，第三部分的截面積大于第四部分的每個(gè)截面積，而且線圈纏繞在第一部分和第三部分上。
文檔編號(hào)H02J17/00GK103107009SQ20121045365
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者司城徹, 山田亞希子, 尾林秀一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝