減小充電設(shè)備中的磁場變化的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本文描述的方面一般涉及無線充電設(shè)備。更具體地，本文描述的方面涉及具有充 電站的無線充電設(shè)備，所述充電站具有凹的橫截面以及發(fā)射線圈，所述發(fā)射線圈具有減小 磁場變化的間距（spac ing )。
【背景技術(shù)】
[0002] 由內(nèi)部可再充電的電池所供電的電子設(shè)備一般需要電池的再充電。當前的無線充 電平臺一般具有帶有充電板（pad)的充電設(shè)備，所述充電板具有一般平的、平面的充電表面 和發(fā)射器，所述發(fā)射器發(fā)送由被布置在電子設(shè)備中的接收器所接收的充電信號。然而，使用 這樣的充電板需要將在空間上緊密靠近的電子設(shè)備定向在該板上的特定位置處，以使得其 功率接收器與充電板的功率發(fā)射器適當?shù)夭僮魃蠈省?br>【附圖說明】
[0003] 通過閱讀以下說明書和所附權(quán)利要求，并且通過參考以下附圖，各方面的各種優(yōu) 點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得顯而易見，其中： 圖1是根據(jù)各方面的無線充電設(shè)備的示例的正透視圖； 圖2A、2B和2C各自圖示了磁場分布中特定變量的圖解； 圖3是具有凹形狀的無線充電設(shè)備的橫截面圖解視圖； 圖4是無線充電設(shè)備的曲線的圖解； 圖5是圖示了無線充電設(shè)備的磁場的分布的曲線圖； 圖6是圍繞碗體（bowl)布置的三維發(fā)射器線圈的透視圖； 圖7是具有線圈以及寄生線圈的無線充電設(shè)備的曲線的圖解；以及 圖8是具有線圈以及寄生線圈的無線充電設(shè)備的透視圖。
[0004] 圖9是圖示了形成無線充電設(shè)備的方法的框圖。
【具體實施方式】
[0005] 本文描述的技術(shù)涉及無線充電設(shè)備的示例。無線充電設(shè)備可以包括限定充電區(qū)域 的凹形狀的充電平臺。至少一個發(fā)射器線圈被圍繞平臺布置。三維發(fā)射器線圈可以包括線 圈匝以承載交變電流。還可以包括用以承載交變電流的至少一個附加匝。如以下更詳細描 述的，線圈匝以不均勻的間距而被間隔，以減小與三維發(fā)射器線圈相關(guān)聯(lián)的磁場變化。
[0006] 圖1是根據(jù)各方面的無線充電設(shè)備的示例的正透視圖。無線充電設(shè)備100被配置 成對一個或多個電子設(shè)備(未不出）的內(nèi)部布置的可再充電的電池進行充電，所述電子設(shè)備 被支撐在由半球形或碗狀充電站104所限定的充電區(qū)域102中。半球形或碗狀的充電站104 可以同時為置于充電區(qū)域102中的一個或多個電子設(shè)備進行充電，而不論它們相對于無線 充電設(shè)備100的相對位置和空間定向。設(shè)備可以在尺寸和類型上變化，并且可以具有相同 或不同的功能，諸如例如可變換的平板、電子書（ebook)閱讀器、智能電話、智能手表、或智 能可穿戴設(shè)備。所圖示的充電站104 -般表示通用無線充電解決方案，因為它接受具有不 同功能和/或制造商的設(shè)備，并且不需要設(shè)備被插入充電站104中或以其它方式連接到充 電站104以便它們被充電。如將更詳細討論的，充電站104可以使用電磁能量來為每個相 應(yīng)的電子設(shè)備的電池進行充電。雖然在圖1中未圖示，但充電站104可以包括發(fā)射線圈，所 述發(fā)射線圈在發(fā)射線圈的各匝之間具有不均勻的間距。不均勻的間距可以實現(xiàn)當電流流經(jīng) 發(fā)射線圈時的與發(fā)射線圈相關(guān)聯(lián)的相對均等的磁場分布。當與在線圈之間具有均勻間距的 發(fā)射線圈相比較時，均等的磁場分布可以提供相對一致的充電。
[0007] 磁諧振無線充電(諸如在A4WP標準中所定義的)采用在諧振發(fā)射（TX)線圈和諧振 接收（RX)線圈之間的磁性耦合以實現(xiàn)功率傳遞。在這些類型的無線充電系統(tǒng)中所見的常 見問題是：當RX線圈在充電區(qū)域內(nèi)移動時被遞送到RX線圈的功率的不均勻性質(zhì)。該問題 是由TX線圈所生成的固有不均勻磁場分布所引起的，這在無線功率傳遞系統(tǒng)的TX和RX線 圈非?？拷舜藭r(諸如在碗體的表面上被充電的設(shè)備的配置)尤其顯著。在垂直于線圈匝 而延伸的" z "方向上，磁場均勻性是磁場的Hz分量中的因子。在從線圈的中心點向外延伸 的"R"方向上，磁場均勻性是磁場的札分量中的因子。這些因子可以如下在等式1和等式 2中描述：
[0008] 在等式1和等式2中，K(k)和E(k)是第一類和第二類完全橢圓積分函數(shù)，并且
[0009] 圖2A、2B和2C各自圖示了磁場分布中的特定變量的圖解。在202處，圖示了由 單環(huán)路(柱面坐標）生成的z方向磁場（H z)，在204處，圖示了在各種垂直間隔（vertical separation) (z)處的Hz分布，并且在206處，圖示了在各種垂直間隔（R)處的Hz分布。在 204處，圖示了在不同高度（z)處的單環(huán)路所生成的z方向磁場（H z)的分布。常規(guī)地，三維 Tx線圈可以被設(shè)計成具有以不均勻間距的多匝，以使得組合的z方向磁場可以在距離線圈 固定距離處的表面上被優(yōu)化。對于彎曲表面，尤其是用于為小型可穿戴設(shè)備充電，在距離表 面的某個距離處的磁場的法向方向必須為跨彎曲表面的均勻性而被優(yōu)化，這通過引入 在不同高度處由三維Tx線圈所生成的R方向分量而顯著地使問題復(fù)雜化，法向分量的組成 還隨表面曲線而改變。
[0010] 圖3是具有凹形狀的無線充電設(shè)備的橫截面圖解視圖。如圖3中所圖示的，描繪 了碗狀無線充電發(fā)射器、諸如圖1的碗狀充電站104的橫截面視圖300。碗狀充電站104可 以具有彎曲表面半徑"R"，和位于角位置"?"處的單線圈匝302,如圖3中所圖示的。碗狀 充電站104的厚度是"t"?；谝陨厦枋龅拈]型表達式，在具有角位置"爭"的內(nèi)表面位置 處的組合法向方向磁場"我1:"可以在等式3、等式4和等式5中表述：
等式5。
[0011] 線圈的對應(yīng)半徑可以由R*sin0來表示。
[0012] 利用等式3-5的該閉型表達式，可以計算沿著碗狀充電站104的曲線的不同角位 置處所布置的線圈的多匝的組合。此外，針對碗體表面的給定區(qū)域內(nèi)的法向磁場的最小變 化的匝之中的電流的位置和電流分布可以為最小磁場變化而被優(yōu)化。
[0013] 遵循公式，通過為最小的組合表面法向H場變化的優(yōu)化而執(zhí)行具有多個連接的匝 的線圈設(shè)計。根據(jù)等式1和等式2中的推導(dǎo)，沿著碗體的內(nèi)表面的總法向場可以由等式6 來描述：
[0014] 優(yōu)化過程通過各種角.:|竊|彳._.儀,/議^處的Bi的初始群體（population)而開 始。然后，沿碗體的內(nèi)表面(變化的f )而計算這樣的組合的i:-，且識-的方差被計 算為優(yōu)化的成本函數(shù)（cost function)。線圈位置組合的新群體被生成以供評估。遺傳算 法可以用于重復(fù)該過程直到成本函數(shù)的結(jié)果被最小化，或者停止減小為止。在各方面中，遺 傳算法可以是模仿自然選擇的過程的搜索啟發(fā)法。在一些方面中，遺傳算法可以用于重復(fù) 該過程直到滿足預(yù)定義的閾值，其由成本函數(shù)中的改變小于某個閾值來定義。
[0015] 優(yōu)化變量是線圈匝角位置等％飫...04。為了形成優(yōu)化問題，存在應(yīng) 當被限定的針對每個優(yōu)化變量的約束。例如，在該特定設(shè)計中，最大角偏移是60度，所以 所有線圈被該大小所限制。另外，對于每個內(nèi)匝，其尺寸不應(yīng)當超過下一個較大環(huán)路的尺 寸，并且應(yīng)當存在t (在該示例中5mm)的間距以留出用于跡線寬度和間隙的間距(例如，
[0016] 優(yōu)化問題由等式7和等式8來定義：
[0017] 圖4是無線充電設(shè)備的曲線的圖解。本文描述的線圈設(shè)計可以包括連續(xù)的三維螺 旋結(jié)構(gòu)400。線圈可以由14AWG導(dǎo)線組成以最小化跡線電阻。在該示例中，在各匝之間的最 小間距可以是5毫米（mm) (3度角間距）以最小化匝間電容。
[0018] 在圖4中所圖示的示例中，三維Tx線圈具有IOcm半徑的碗體，其具有120度的跨 度。通過優(yōu)化而實現(xiàn)間距和線圈半徑的不均勻分布以提供最大的表面法向H場均勻性。
[0019] 三維螺旋結(jié)構(gòu)400可以包括同軸的八個圓形線圈匝。例如，線圈匝可以包括具有 大約173mm的直徑的三維發(fā)射器線圈的第一線圈匝402，以及耦合到第一線圈匝402的具有 大約164. 6mm的直徑的第二線圈匝404。第三線圈匝406可以耦合到第二線圈匝404并且 可以具有大約155. 2mm的直徑。第四線圈匝408可以耦合到第三線圈匝406,并且可以具 有大約144. 8mm的直徑。第五線圈匝410可以耦合到第四線圈匝408,并且可以具有大約 133. 5的直徑。第六線圈匝412可以耦合到第五線圈匝410,并且可以具有大約121mm的直 徑。第七線圈匝414可以耦合到第六線圈匝412,并且可以具有大約98. 3mm的直徑。第八 線圈匝416可以耦合到第七線圈匝412,并且可以具有大約66mm的直徑。
[0020] 在圖4中，具體尺寸不限于本文描述的方面?；谏鲜鰞?yōu)化過程，可以使用其它尺 寸。
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