无线供能线圈及无线供能装置的制作方法

1.本发明涉及无线充电技术领域，特别是涉及无线供能线圈及无线供能装置。


背景技术：

2.磁耦合共振式无线充电技术是一种通过非实体介质实现电能传输的一种充电技术，这种无线充电技术使得人们能够摆脱充电线的束缚而对电子设备灵活地充电。
3.然而，现有的磁耦合共振式无线充电的传输系统中，发射线圈和接收线圈大多以平绕式线圈为主，这种传输系统对发射线圈和接收线圈的相对姿态的要求十分高，通常是要求接收线圈正对着发射线圈，这样才能保证较高的无线能量传输效率。如果接收线圈与发射线圈的相对姿态发生变化，接收线圈接收到的磁场能会显著减少，接收线圈转换成的电能便会显著减少，传输系统的无线能量传输效率会显著降低。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述问题，提供一种无线供能线圈，该无线供能线圈能够用作接收线圈，无论该无线供能线圈与发射线圈的相对姿态怎么变化，该无线供能线圈都能接收到较多的磁场能。
5.为了解决上述问题，本发明提供技术方案如下：
6.一种无线供能线圈，包括三个线圈，三个所述线圈均呈中空柱状且环绕同一中心轴依次套设，其中任意一个所述线圈的每匝线圈均与其他两个所述线圈的每匝线圈之间的夹角介于60
°
到120
°
之间。
7.在其中一个实施例中，三个所述线圈中任意一个所述线圈的每匝线圈均与其他两个所述线圈的每匝线圈正交。
8.在其中一个实施例中，每个所述线圈具有正交于每匝线圈所在平面的第一平面，三个所述第一平面均相交于所述中心轴，设定任一垂直于所述中心轴的平面为第二平面，三个所述第一平面在所述第二平面上的正投影夹角两两成60
°
。
9.在其中一个实施例中，每个所述线圈的每匝线圈均呈椭圆形，所述每匝线圈的长轴均与所述中心轴相交且夹角为α，满足：52.7
°
≤α≤56.7
°
。
10.在其中一个实施例中，每个所述线圈的每匝线圈均呈矩形，所述每匝线圈所在的平面与所述中心轴之间的夹角为β，满足：52.7
°
≤β≤56.7
°
。
11.在其中一个实施例中，三个所述线圈依次层叠贴合。
12.在其中一个实施例中，每个所述线圈的相邻两匝线圈之间贴合。
13.本发明还提供一种无线供能装置，该无线供能装置包括磁芯和上述的无线供能线圈，最内侧的所述线圈套设于所述磁芯。
14.在其中一个实施例中，所述磁芯包括磁芯本体和三组安装台阶，三组所述安装台阶分别对应三个所述线圈，每组所述安装台阶均包括两个台阶，每组所述安装台阶的两个台阶分别与对应的所述线圈的两端仿形适配，每个所述线圈安装于对应的所述安装台阶的
两个台阶之间，每个所述线圈的两端分别贴合于对应的所述安装台阶的两个台阶；最内侧的所述线圈套设于所述磁芯本体。
15.在其中一个实施例中，最内侧的所述线圈贴合地套设于所述磁芯本体的外周面。
16.本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明提供的无线供能线圈中，任意一个线圈的每匝线圈均与其他两个线圈的每匝线圈之间的夹角介于60
°
到120
°
之间，这使无线供能线圈具备了方向适应性：当无线供能线圈用作接收线圈时，在无线供能线圈与发射线圈的相对姿态发生变化的过程中，无线供能线圈中至少有一个线圈能够接收到较多的磁场能，从而保证三个线圈叠加后的电能不发生较大变化，进而避免传输系统出现无线能量传输效率显著降低的情形。
附图说明
18.图1为本发明一个实施例的无线供能线圈的结构示意图；
19.图2为图1所示实施例每个线圈的单匝线圈之间的位置关系示意图；
20.图3为图2所示结构在另一个视角下的示意图；
21.图4为本发明一个实施例的无线供能装置的结构示意图；
22.图5为图4所示实施例中磁芯的结构示意图；
23.图6为图5所示结构在另一个视角下的结构示意图。
24.附图标记：
25.1、无线供能线圈；11、线圈；111、抽头；2、磁芯；21、磁芯本体；22、安装台阶；221、台阶。
具体实施方式
26.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
31.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
32.本发明提供一种无线供能线圈，该无线供能线圈可以用作接收线圈。该无线供能线圈用作接收线圈时是搭配发射线圈一起使用的，发射线圈产生磁场能，无线供能线圈接收磁场能并将磁场能转化为电能。对于图1所示实施例，发射线圈可以与无线供能线圈1的外圆周面相对。
33.现有的磁耦合共振式无线充电的传输系统中，发射线圈和接收线圈大多以平绕式线圈为主，这种传输系统对发射线圈和接收线圈的相对姿态的要求十分高，通常是要求接收线圈正对着发射线圈，这样才能保证较高的无线能量传输效率。如果接收线圈与发射线圈的相对姿态发生变化，接收线圈接收到的磁场能会显著减少，接收线圈转换成的电能便会显著减少，传输系统的无线能量传输效率会显著降低。
34.为方便下文叙述，作出如下定义：接收线圈正对着发射线圈时，两者的相对姿态为预设姿态。可以理解，在现有的磁耦合共振式无线充电的传输系统中，接收线圈与发射线圈的相对姿态偏离预设姿态的程度越大，传输系统的无线能量传输效率越低。尤其是当接收线圈中每匝线圈几乎平行于发射线圈产生的磁场时，接收线圈接收到的磁场能极少，传输系统的无线能量传输效率极低。
35.为了解决上述问题，请参阅图1至图4，本发明提供的无线供能线圈1包括三个线圈11，这三个线圈11均呈中空柱状，三个线圈11分别接收磁场能并将磁场能转化为电能后进行叠加。三个线圈11环绕同一中心轴依次套设，其中任意一个线圈11的每匝线圈均与其他两个线圈11的每匝线圈之间的夹角介于60
°
到120
°
之间，该夹角可以等于60
°
或等于120
°
。这使得无线供能线圈1具备了方向适应性：当无线供能线圈1用作接收线圈时，在无线供能线圈与发射线圈的相对姿态发生变化的过程中，无线供能线圈1中至少有一个线圈11能够接收到较多的磁场能，从而保证三个线圈叠加后的电能不发生较大变化，进而避免传输系统出现无线能量传输效率显著降低的情形。
36.参阅图3，在一些实施例中，三个线圈11中任意一个线圈11的每匝线圈均与其他两个线圈的每匝线圈正交。换言之，三个线圈11中任意一个线圈11的的每匝线圈与其他两个线圈11的每匝线圈之间的夹角均为90
°
。由此，在无线供能线圈与发射线圈的相对姿态发生变化的过程中，无线供能线圈能够尽量多地接收磁场能。可以理解的是，在实际生产中，由于加工误差、装配误差的存在，三个线圈11在装配到一起后，很难保证严格地满足：三个线圈11中任意一个线圈11的每匝线圈均与其他两个线圈的每匝线圈正交。因此，对于这些实
施例，在实际生产中，任意一个线圈11的每匝线圈与其他两个线圈11的每匝线圈只能基本正交。
37.参阅图1、图2和图4，为了在使三个线圈11环绕同一中心轴依次套设的同时，还能够使其中任意一个线圈11的每匝线圈均与其他两个线圈11的每匝线圈正交，这三个线圈11的每匝线圈均相对中心轴倾斜绕制。
38.需要说明的是，图2中的三圈封闭实线分别代表三个线圈11中的一匝线圈，图2中的虚线示意的是上述中心线；图3是将图2转换一个视角得到的示意图，但图3中未示意出上述中心线，图3中的虚线示意的是三匝线圈所在的平面相交的交线的一部分，以便示意出三匝线圈之间的正交关系；为便于理解，图2和图3均进行了简化处理，具体是将每匝线圈简化为一圈封闭实线。可以理解，因为线圈11是绕制的，每匝线圈需要与相邻匝的线圈连续地连接在一起，所以每匝线圈实际上并非一圈首尾相连的封闭结构。
39.在无线供能线圈1绕着上述中心轴转动的过程中，三个线圈11相对发射线圈的姿态均会改变，每个线圈11所接收的磁场能便会发生变化，导致传输系统的无线能量传输功率出现波动。
40.参阅图1、图2和图4，在一些实施例中，为了减小这种波动，三个线圈11环绕着上述中心轴均匀分布。具体地：无线供能线圈1的每个线圈11均具有第一平面。对于每个线圈11，其第一平面正交于每匝线圈。三个线圈11的第一平面均相交于上述的中心轴。设定任一垂直于上述中心轴的平面为第二平面，三个第一平面在第二平面上的正投影均为直线，并且三个第一平面在第二平面上的正投影的夹角两两成120
°
。
41.可以理解，每个线圈11的第一平面均为其对称面，换言之，每个线圈11的位于第一平面两侧的部分关于第一平面对称。第一平面和第二平面都是虚体而不是实体。
42.在一些实施例中，无线供能线圈1中的每个线圈11的相邻两匝线圈之间贴合设置。一方面，这能使每个线圈11在有限的空间内具有更多的匝数，从而使每个线圈11能够接收到更多的磁场能；另一方面，这也便于实现任意一个线圈11的每匝线圈均与其他两个线圈11的每匝线圈正交。
43.示例性地，参阅图1至图4，在一些实施例中，每个线圈11的每匝线圈均呈椭圆形，每匝线圈的长轴均与中心轴相交且夹角为α，52.7
°
≤α≤56.7
°
，每个线圈11的第一平面经过自身的长轴。由此，可以使任意一个线圈11的每匝线圈与其他两个线圈11的每匝线圈大致正交。特别地，当时，任意一个线圈11的每匝线圈均与其他两个线圈11的每匝线圈正交。
44.示例性地，在另一些实施例中，每个线圈11的每匝线圈均呈矩形，每匝线圈所在的平面与中心轴之间的夹角为β，52.7
°
≤β≤56.7
°
。每匝线圈的两个对称轴可以分为相对中心轴倾斜的对称轴和相对中心轴垂直的对称轴，每个线圈11的第一平面经过相对中心轴倾斜的对称轴。由此，可以使任意一个线圈11的每匝线圈与其他两个线圈11的每匝线圈大致正交。特别地，当时，任意一个线圈11的每匝线圈均与其他两个线圈11的每匝线圈正交。
45.参阅图1和图4，在一些实施例中，三个线圈11依次层叠贴合。一方面，这能使得无
线供能线圈1的结构变得紧凑；另一方面，这能减小三个线圈11在尺寸上的差异，从而使三个线圈11接收磁场能的能力大致相同，由此，在无线供能线圈1与发射线圈的相对姿态变化的过程中，有利于减小传输系统无线能量传输功率的波动。
46.值得一说的是，上述的无线供能线圈1也可以用作传输系统的发射线圈。在用作发射线圈时，无线供能线圈1能够产生三组相交的磁场，这三组磁场的磁感应强度大致相等。对于图1所示实施例，可以让无线供能线圈1的两端与接收线圈相对。由此，即使接收线圈是平绕式线圈11，即使接收线圈与无线供能线圈1的相对姿态发生较大程度的改变，接收线圈都能接收到较多的磁场能。
47.参阅图4至图6，本发明还提供一种无线供能装置，该无线供能装置包括磁芯2和上述的无线供能线圈1。无线供能线圈1中，最内侧的线圈11套设于磁芯2。可以理解，由于无线供能线圈1的三个线圈11环绕同一中心轴依次套设，其他两个线圈11也套设于磁芯2。
48.通过设置无线供能线圈1，无线供能装置具备了方向适应性：在无线供能装置与发射线圈的相对姿态发生变化的过程中，无线供能线圈1中至少有一个线圈11能够接收到较多的磁场能，从而保证三个线圈11叠加后的电能不发生较大变化，进而避免传输系统出现无线能量传输效率显著降低的情形。而且，磁芯2能够增加自身附近的磁场，将三个线圈11套设于磁芯2能够使三个线圈11接收到更多的磁场能。
49.在一些实施例中，磁芯2由锰-锌铁氧体和/或镍-锌铁氧体制作而成。
50.参阅图4至图6，在一些实施例中，磁芯2包括磁芯本体21和三组安装台阶22。三组安装台阶22分别对应三个线圈11，每组安装台阶22均包括两个台阶221，每组安装台阶22的两个台阶221分别与对应的线圈11的两端仿形适配。每个线圈11安装于对应的安装台阶22的两个台阶221之间，每个线圈11的两端分别贴合于对应的安装台阶22的两个台阶221。最内侧的线圈11套设于磁芯本体21。由此，每组安装台阶22的两个台阶221将对应的线圈11夹在中间，这能够防止线圈11相对磁芯2发生移动或转动，起到固定线圈11的作用。
51.在一些实施例中，无线供能线圈1的最内侧线圈11贴合地套设于磁芯本体21的外周面。一方面，这能够使无线供能装置的结构变得紧凑；另一方面，磁芯本体21与最内侧线圈11之间的摩擦力也有利于防止最内侧线圈11相对磁芯2发生移动或转动。
52.值得一说的是，因为每组安装台阶22的两个台阶221分别与对应的线圈11的两端仿形适配，所以可以将磁芯2作为绕制无线供能线圈1的绕线模具。为便于说明绕制无线供能线圈1的步骤，作出如下定义：无线供能线圈1中，最内侧的线圈11为第一线圈，中间的线圈11为第二线圈，最外侧的线圈11为第三线圈。绕制无线供能线圈1的大致步骤是：先贴着磁芯本体21的外周面绕制第一线圈，再贴着绕好的第一线圈的外周面绕制第二线圈，最后贴着绕好的第二线圈的外周面绕制第三线圈。
53.具体地，在绕制第一线圈时，将第一线圈的第一匝线圈同时抵住相对应的台阶221和磁芯本体21的外周面，然后沿着磁芯本体21的长度方向螺旋绕制更多匝线圈，直至最后一匝线圈抵在相对应的另一个台阶221上；在绕制第二线圈时，将第二线圈的第一匝线圈同时抵住相对应的台阶221和第一线圈的外周面，其他步骤和绕制第一线圈类似；在绕制第三线圈时，将第三线圈的第一匝线圈同时抵住相对应的台阶221和第二线圈的外周面，其他步骤和绕制第一线圈类似。
54.示例性地，在一些实施例中，磁芯本体21为圆柱体，台阶221与磁芯本体21的轴线
之间的夹角为54.74
°
，接近倾斜地绕在磁芯本体21外周面上的每匝线圈均呈椭圆形；在另一些实施例中，磁芯本体21为棱柱，比如长方体、六棱柱，台阶221与磁芯本体21的轴线之间的夹角为54.74
°
，倾斜地绕在磁芯本体21外周面上的每匝线圈均呈多边形。
55.参阅图1和图4，在一些实施例中，无线供能线圈1中的每个线圈11的始端和末端均设置抽头111。无线供能线圈1的三个线圈11之间通过抽头111串联或并联。
56.上述的无线供能装置也可以用作传输系统的发射端，在用作发射端时，无线供能线圈1能够产生三组相交的磁场，这三组磁场的磁感应强度大致相等。对于图4所示实施例，可以让无线供能线圈1的两端与接收线圈相对。磁芯2能够使无线供能线圈1附近的磁场增强，从而使接收线圈接收到更多的磁场能。
57.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
58.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种无线供能线圈，其特征在于，包括三个线圈(11)，三个所述线圈(11)均呈中空柱状且环绕同一中心轴依次套设，其中任意一个所述线圈(11)的每匝线圈均与其他两个所述线圈(11)的每匝线圈之间的夹角介于60
°
到120
°
之间。2.根据权利要求1所述的无线供能线圈，其特征在于，三个所述线圈(11)中任意一个所述线圈(11)的每匝线圈均与其他两个所述线圈(11)的每匝线圈正交。3.根据权利要求2所述的无线供能线圈，其特征在于，每个所述线圈(11)具有正交于每匝线圈所在平面的第一平面，三个所述第一平面均相交于所述中心轴，设定任一垂直于所述中心轴的平面为第二平面，三个所述第一平面在所述第二平面上的正投影夹角两两成60
°
。4.根据权利要求1所述的无线供能线圈，其特征在于，每个所述线圈(11)的每匝线圈均呈椭圆形，所述每匝线圈的长轴均与所述中心轴相交且夹角为α，满足：52.7
°
≤α≤56.7
°
。5.根据权利要求1所述的无线供能线圈，其特征在于，每个所述线圈(11)的每匝线圈均呈矩形，所述每匝线圈所在的平面与所述中心轴之间的夹角为β，满足：52.7
°
≤β≤56.7
°
。6.根据权利要求1所述的无线供能线圈，其特征在于，三个所述线圈(11)依次层叠贴合。7.根据权利要求1所述的无线供能线圈，其特征在于，每个所述线圈(11)的相邻两匝线圈之间贴合。8.一种无线供能装置，其特征在于，包括磁芯(2)和权利要求1至权利要求7中任一项所述的无线供能线圈，最内侧的所述线圈(11)套设于所述磁芯(2)。9.根据权利要求8所述的无线供能装置，其特征在于，所述磁芯(2)包括磁芯本体(21)和三组安装台阶(22)，三组所述安装台阶(22)分别对应三个所述线圈(11)，每组所述安装台阶(22)均包括两个台阶(221)，每组所述安装台阶(22)的两个台阶(221)分别与对应的所述线圈(11)的两端仿形适配，每个所述线圈(11)安装于对应的所述安装台阶(22)的两个台阶(221)之间，每个所述线圈(11)的两端分别贴合于对应的所述安装台阶(22)的两个台阶(221)；最内侧的所述线圈(11)套设于所述磁芯本体(21)。10.根据权利要求9所述的无线供能装置，其特征在于，最内侧的所述线圈(11)贴合地套设于所述磁芯本体(21)的外周面。

技术总结
本发明涉及一种无线供能线圈及无线供能装置，该无线供能线圈包括三个线圈，三个线圈均呈中空柱状且环绕同一中心轴依次套设，其中任意一个线圈的每匝线圈均与其他两个线圈的每匝线圈之间的夹角介于60


技术研发人员：赵奥博 王栋潇 陈风顺 王守东 董亮
受保护的技术使用者：杭州神络医疗科技有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/5