本发明涉及无线充电领域， 尤其涉及一种薄型高效率充电线圈以及使用该 线圈的无线充电系统。 技术背景

近年来， 随着电子消费产品如手机、 电脑、 照相机的发展与普及， 为各 种电子产品充电的适配器也发展成为一个庞大 的行业。 然而， 各种各样的适配 器也为人们的生活带来不便， 比如接口不通用、 电线过多使用不方便、 产生电 子垃圾等等， 人们也越来越希望能够自由的为各种设备充电 。 在科技发展的带 领下， 无线电力传输这样的想法， 已经慢慢成为现实， 并在我们生活中扮演至 关重要的一部分。 例如美国公司 Palm, 它最早将无线充电应用在手机上， 以电 磁感应原理推出了 "触摸石" 为手机进行充电。 中国的海尔公司推出的概念性 "无尾电视" ， 不需要电源线、 信号线和网线。 日本的富士通公司磁共振传输 电量， 传输距离能有几米远之多。

面向无线充电的技术大致有以下几种： 电磁感应方式、 电磁共振方式、 无线电波方式和电场耦合方式。 其中电磁感应方式是目前商业化较为成功的无 线充电技术， 如图 1所示， 为目前电磁感应方式的电路架构框图。 发射线圈 Tx 具有电感 L _s 和等效电阻 R _s ， 与谐振电容 C _s 串联， 接收线圈 Rx具有电感 L _D 和等 效电阻 R _D ， 与谐振电容 C _D 串联。 图中可以看出， 发射线圈 Tx和接收线圈 Rx之 间隔开距离为 D， 两者通过耦合电感 M传递能量， 线圈的设计变得至关重要。 工程上一般定义发射线圈 Tx的品质因数为 Q _s =coL _s /R _s ， 接收线圈 Rx的品质因数 为 Q _D =coL _D /R _D ， 其中 ω=2πί·为圆频率。

电磁感应原理实现无线供电其谐振频率一般在 1 10〜205ΚΗζ之间， 如果磁 辐射屏蔽不好会对产品带来潜在安全隐患， 因充电线圈一般是贴在产品上， 产 品中的电池及其它导电体都会吸收发射线圈 Tx辐射过来电磁能量，时间长了温 度会慢慢增高， 进而会烧坏产品而对人体造成安全危害， 因此无线充电方案线 圈上原则上是一定要附上隔磁片， 隔磁片的应用可以说在无线充电方案中是尤 为重要的， 它不仅是为了隔磁避免辐射产品， 更是为整个产品的综合效率性能 发挥重要作用， 隔磁片通常分别是被放置在两线圈的底面和顶 面， 这样使电磁 能量被包裹在中间， 进而也提高了效率降低了温度。 如图 2所示， 无线充电线 圈由盘绕形成的发射线圈 Tx和接收线圈 Rx两部分组成，发射线圈 Tx中心有加 入定位永磁体 22以保证接收线圈 Rx能够和发射线圈 Tx对齐， 隔磁片 23能有 效防止磁通切割到接收线圈 Rx背后的电池 21。

隔磁片 23的材质目前主要使用的有铁氧体片、 金属粉芯片、 非晶叠片等， 基本上这几种材质的特性各有优点， 铁氧体片的导磁率高损耗低， 屏蔽效果较 好； 金属粉芯片的饱和磁通密度较高； 非晶叠片的工艺性较好， 可以做到很薄 的叠片厚度。 我们知道， 无线充电线圈分为发射线圈 Tx和接收线圈 Rx， 由于 发射线圈 Tx往往内置在单独的无线充电底座中， 对厚度的要求比较低， 所以目 前的设计和制造来讲都比较简单；而接收线圈 Rx往往需要内置在被充电的电子 设备中如手机、 照相机等， 所以对厚度的要求比较高， 往往需要 lmm或者更薄 的尺寸， 这样在实际使用时就会带来效率不高、 发热等情况。

目前， 现有技术在线圈的薄型化设计上显得不足， 如图 3 ( 1 ) 和 3 ( 2 ) 分 别示意了现有技术接收线圈 Rx的俯视图和平视图。 图中可以看出， 因为薄型化 的原因， 接收线圈 Rx采用了两根方形线并绕一层的绕法。 问题在于， 此种绕法 导致必定有一端子 31从线圈绕组 32内部飞线至外部， 这样的话， 整个接收线 圈 Rx的厚度除了隔磁片 33和线圈绕组 32的厚度之外，其实还需要额外增加一 层出线端子 31的厚度， 与薄型化的需求并不吻合。 另外， 对于无线充电应用来 讲， 发射线圈 Tx和接收线圈 Rx之间是开放且无导磁材料的自由空间， 此空间 中磁通量较大且极易切割铜导体， 故接收线圈 Rx采用两根方形线并绕的做法， 其实也会带来相当大的铜线的涡流损耗， 降低传输系统的效率。 根据技术分析，无线充电线圈的功率损耗优值 系数 λ定义了充电线圈的损耗

P _s 与输出功率 P。 _ut 的比值。而最小功率损耗优值系数 λ„ _ιη 则与接收线圈 Rx和发 射线圈 Tx之间的耦合系数 Κ以及系统品质因数 Q的乘积相关。

其中系统品质因数 Q即为发射线圈 Tx品质因数 ¾和接收线圈 Rx品质因数 Q _D 的几何平均值。

我们定义充电线圈的传输效率为输出功率 P。 _ut 与输入功率 Ρ _ιη 的比值， 最大 传输效率 也可以通过计算最小功率损耗优值系数 λ„ _η 得到。

一 ^F QUt一 1 由上述分析可知， 由于接收线圈 Rx的薄型化需求， 使得接收线圈 Rx的品 质因数 远小于发射线圈 Tx的品质因数 Q _s ，成为充电系统的瓶颈。如何因应接 收线圈 Rx 的薄型化需求并有效改善充电线圈的 K 值以提高传输系统的效率 η ， 是本发明的主要挑战。 发明内容

本发明之目的为获得薄型高效率之充电线圈， 通过合理的磁路设计以及磁 性材料选择和相应制程的配合， 本发明可以在保持薄型尺寸的条件下， 得到比 现有技术更高的耦合系数 Κ与系统品质因数的乘积 K ， 亦即更好的传输效率。

为了实现上述发明目的， 本发明公开了一种薄型高效率无线充电线圈， 其 特征在于， 包括：

一隔磁片；

一楔形截面绕组， 所述楔形截面绕组包括一内沿、 一外沿、 一外沿平台和 一外沿平台底座， 所述内沿的厚度 ^小于所述外沿的厚度 h ₂ ， 所述外沿平台的 宽度 d小于所述外沿平台底座的宽度 D;

一容置空间， 由所述隔磁片紧贴所述楔形截面绕组的外沿平 台， 并与所述 内沿共同形成， 所述容置空间内填充磁性粉胶；

其中， 所述内沿距离所述容置空间最近， 所述外沿距离所述容置空间最远， 所述楔形截面绕组的外沿厚度与内沿厚度满足 ：

h ₂ /h l . 5。

比较好的是，本发明进一歩包括的薄型高效率 无线充电线圈，其特征在于， 所述楔形截面绕组的外沿平台底座的宽度 D与所述外沿平台的宽度 d的 关系满足：

比较好的是，本发明进一歩包括的薄型高效率 无线充电线圈，其特征在于， 所述楔形截面绕组采用多股利兹线绕制形成。

比较好的是，本发明进一歩包括的薄型高效率 无线充电线圈，其特征在于， 所述隔磁片为平面隔磁片， 所述隔磁片材质包括导磁率大于等于 50 的

NiZn铁氧体或者 MnZn铁氧体。

比较好的是，本发明进一歩包括的薄型高效率 无线充电线圈，其特征在于， 所述磁性粉胶包括铁基金属合金粉末与树脂胶 体混合组成，其导磁率大于等 于 5。

比较好的是，本发明进一歩包括的薄型高效率 无线充电线圈，其特征在于， 所述铁基金属合金包括 FeSiAl、 FeSi、 FeSiCr、 FeNi、 FeNiMo。

比较好的是，本发明进一歩包括的薄型高效率 无线充电线圈，其特征在于， 所述楔形截面绕组的出线均为外部出线。

比较好的是，本发明进一歩包括的薄型高效率 无线充电线圈，其特征在于， 所述楔形截面绕组内沿形状包括方形或者圆形 。

本发明还公开了一种无线充电系统， 其特征在于，

所述无线充电系统包括一发射线圈和一接收线 圈， 至少其中之一线圈采用 如权利要求 1所述的薄型高效率无线充电线圈。

比较好的是， 本发明进一歩包括的无线充电系统， 其特征在于，

所述无线充电系统的接收线圈的绕组的最大外 沿平台底座的宽度不大于所 述发射线圈的绕组的最大外沿平台底座的宽度 。

采用上述结构的薄型高效率无线充电线圈及其 无线充电系统可获得更高的 耦合系数与系统品质因数的乘积 K.Q， 亦即更好的传输效率。且本方案空间利用 率较高， 出线方便， 比较适合薄型化需求。 附图说明

下面， 参照附图， 对于熟悉本技术领域的人员而言， 从对本发明的详细描 述中， 本发明的上述和其他目的、 特征和优点将显而易见。

图 1所示为电磁感应方式无线充电的电路架构框� �；

图 2所示为无线充电系统示意图；

图 3 ( 1 ) 和 3 ( 2 ) 所示为现有技术的接收线圈 Rx的俯视图和平视图； 图 4 所示为本发明的高效率薄型充电线圈的截面图 ；

图 5所示为无线充电系统的磁力线分布及接收线� � Rx下沿磁通量随位置的 变化曲线；

图 6所示为第一种较佳的楔形截面绕组 42的截面示意图；

图 7 为图 6所示实施例的的尺寸示意图；

图 8示意了第二种较佳的楔形截面绕组 42的截面示意图；

图 9示意了第三种较佳的楔形截面绕组 42的截面示意图。 表 1为本发明接收线圈 Rx与参照接收线圈 Rx的直流电阻和 100KHz、200KHz 下的交流电阻的比较；

表 2 为本发明传输系统与参照传输系统的参数对比 。 附图标记 21——电池

22 永磁体

23 隔磁片

31 一端子

32 一线圈绕组

33 隔磁片

41 隔磁片

42 楔形截面绕组

421 一楔形截面绕组内沿

422 一楔形截面绕组外沿

423 一楔形截面绕组外沿平台

424 - 楔形截面绕组外沿平台底座

43—一容置空间 具体实施方式

请参考图 2所示的无线充电系统示意图。

为了提高电磁传输系统的 K 值， 在不改变系统谐振圆频率 ω的情况下， 可 以通过提高发射线圈 Τχ和接收线圈 Rx的耦合感量 M， 以及减小两者的等效电 阻 R _D 、 R _s 来达成， 如下式所示：

如前文所述， 本发明的主要目的是提供一种薄型高效率无线 充电线圈。 图

5所示为发射线圈 Tx和接收线圈 Rx组成的无线充电系统的磁力线分布， 以及 接收线圈 Rx下沿的磁通量 Φ随位置的变化曲线。

由此可以看到发射线圈 Tx产生的磁通量在接收线圈 Rx下沿位置存在一处 最大磁通量 Φ _Χ ， 此处磁场强度 Η也应该为 0， 很明显， 如果我们希望此系统能 够获得最大的耦合电感 Μ的话，接收线圈 Rx绕组的位置最好刚好位于发射线圈 Tx磁通量 Φ _ΜΧ 处的正上方。 实际情况是， 由于线圈薄型化的需求， 两个线圈均 平铺为一定宽度的线圈， 接收线圈 Rx 绕组无法保证刚好能够处在对方磁通量 Φ 位置的上方。 而且， 如果接收线圈 Rx绕组缩小宽度， 使其刚好出于对方线 圈 H=0位置的上方附近， 那么也会由于宽度小导致电阻 R _D 变大， 以及双方线圈 宽度差导致较低的耦合系数 K， 增大绕组的涡流损耗和磁泄漏的风险。 但是出 于获得最大耦合电感 Μ 的努力， 我们可以使得接收线圈 Rx绕组在对方磁通量 Φ _Χ 位置处尽量安排多的安匝， 即更多的匝数； 而在远离磁通量 Φ 位置安排较 少的安匝， 即较少的匝数。 而从图中我们也可以看出， 发射线圈 Τχ 的磁通量 Φ 的位置基本都偏向于绕组的外沿 422， 也就意味着， 我们需要在绕组外沿 422有较多匝数， 绕组内沿 421有较少匝数， 即采用楔形截面的绕组结构。

请参见图 4所示的本发明的高效率薄型充电线圈的截面� �意图。

其中应用了楔形截面绕组结构。

具体而言，本发明的薄型高效率无线充电线圈 包括以下部件，一隔磁片 41， 一粘附在隔磁片 41中心位置的楔形截面绕组 42， 以及隔磁片 41和楔形截面绕 组 42之间填充的磁性粉胶。将制好的楔形截面绕� �� 42黏附在隔磁片 41的中央 位置， 并在两者内部形成一容置空间 43 ; 将调配好的磁性粉胶注入该容置空间 43， 并加热固化形成高效率薄型充电线圈。

回到图 1所示的电磁感应方式无线充电的电路架构框� �， 由前述无线充电 系统的效率分析可知， 为获取最大传输效率， 除了尽量获得最大的耦合电感 Μ 之外， 我们还需要尽量获得更低的等效电阻 R _D 、 R _s ， 其代表了本发明薄型高效 率无线充电线圈的损耗。而薄型高效率无线充 电线圈的损耗包含隔磁片 41等磁 性材料的铁芯损耗以及楔形截面绕组 42被磁力线切割的涡流损耗。

由于本发明的薄型高效率无线的实际应用环境 ， 发射线圈 Tx 和接收线圈 Rx之间隔开有相当的距离， 导致整个变压器的激磁感量较小， 这样在实际应用 条件下， 变压器传输系统的交流磁通密度摆幅 ΔΒ实际很小。 在这样的条件下， 磁性材料的铁芯损耗实际上也由铁芯的涡流损 耗占主要地位。 在本发明中， 铁 氧体和磁性粉胶均有很高的电阻率， 所以其涡流损耗也很小， 那么等效电阻 RD、

R _s 主要由线圈绕组被磁力线切割的涡流损耗 决定。

众所周知， 多股利兹线可以有效地抑制高频绕组涡流损耗 ， 是一个很好的 选择。 我们采用多股利兹线来制备所述楔形截面绕组 ， 除了基于减小铜线涡流 损耗以获得更小等效电阻的原因之外， 还基于如下的制程考虑： 多股利兹线具 有一定的塑性变形性， 有助于获得较高的铜线窗口填充率； 同样基于塑性变形， 在线圈绕组内沿 421和外沿 422厚度不同的情况下， 帮助我们获得从外部出线 的可能。

如图 6所示， 在楔形截面绕组内沿 421和外沿 422， 多股利兹线通过绕线 时的张力自然变形为不同的形状， 从而获得不错的填充率， 同时两层线圈同时 从内沿 421绕向外沿 422， 最后同时在外部出线， 避免了现有技术中需要增加 飞线厚度的尴尬。 在实际制造中， 该多股利兹线可以使用自粘线， 并在绕制完 成后加热定型， 以方便下一歩的组装。

对于本发明设计的楔形截面绕组 42， 如图 6〜9所示， 给出了本发明的楔 形截面绕组的多种实现方式，三种不同截面绕 组均包括一内沿 421、一外沿 422、 一外沿平台 423和一外沿平台底座 424， 内沿 421的厚度 1^小于外沿 422的厚 度 h ₂ ， 外沿平台 423的宽度 d小于外沿平台底座 424的宽度 D， 且内沿 421距 离容置空间 43最近， 外沿 422距离容置空间 43最远。 从制程角度考虑， 我们 希望该楔形截面绕组 42绕制时具有较好的张力以增大绕组填充密度� ��所以外沿 422厚度 h ₂ 与内沿 421 厚度的比值 /^应不小于 1. 5， 优选的， 应不小于 2。 从效率角度考虑， 我们为获得尽量大的耦合电感 M， 希望外沿 422 的匝数尽量 多一些， 所以外沿平台 424宽度 D与绕组底座宽度 d的比值 d/D应不小于 10%， 优选的， 应不小于 20%。

现有技术的隔磁片常采用铁氧体片、 金属粉芯片、 非晶叠片等材料， 其中， 金属粉芯片由于尺寸和工艺的限制， 往往导磁率只能够做到 20〜30左右， 导致 在相同的线圈和匝数下， 接收线圈 Rx的感量较小， 其结果是品质因数 较小； 而以非晶叠片为代表的金属叠片作为隔磁片， 虽然其工艺性较好， 而且具有一 定的柔韧性，但是金属叠片的电导率较大，在 现有的传输系统频率约为 110KHz〜 205KHz情况下， 极易产生涡流损耗， 虽然可以抑制磁辐射传递到产品中其他导 电体如电池等， 但是涡流损耗必然导致品质因数 较小； 而铁氧体片的导磁率 相对较高， 且由于其氧化物陶瓷结构， 电导率较低， 也不易产生涡流损耗， 但 铁氧体的饱和磁通密度较前两种材料要低。

对于本发明而言， 为获得更高的传输效率， 本发明的薄型高效率无线充电 线圈中隔磁片 41的材质选择为铁氧体， 即包括锰锌、 镍锌铁氧体， 根据前述的 分析， 铁氧体的导磁率较高且电阻率较大， 比较容易获得较高的品质因数 Q。 当然， 为了这一目的， 我们限定铁氧体的导磁率大于等于 50， 优选的导磁率大 于等于 100， 此时得到的本发明的薄型高效率无线充电线圈 感量较高。 而铁氧 体饱和磁通密度较小的问题， 则可以通过合理的磁路结构安排来得到补偿， 即 在楔形截面绕组内沿 421， 线圈厚度较薄， 而磁性材料较厚； 在楔形截面绕组 外沿 422， 线圈厚度较厚， 而磁性材料较薄。

最后， 将楔形截面绕组 42黏附到隔磁片 41中心位置， 并形成一容置空间 43， 为有效增大此容置空间 43的导磁率， 我们将此空间用磁性粉胶填充， 该磁 性粉胶导磁率大于等于 5， 优选的其导磁率大于等于 10， 以保证增大本发明的 薄型高效率无线充电线圈的感值。

为防止填充部位发生饱和， 所说的磁性粉胶由具有的高饱和磁通密度的铁 基金属合金粉末与树脂胶体混合构成，如 FeSiAl、 FeSi、 FeSiCr, FeNi、 FeNiMo 粉等。 填充磁性粉胶不仅有助于增加感量， 改善绕组内沿 421 附近的磁饱和状 况， 而且胶体固化后将绕组和隔磁片 41粘结成一整体， 使得整个本发明的薄型 高效率无线充电线圈更加坚固不易碎。

此时本发明的薄型高效率无线充电线圈完成， 相对于现有技术， 本发明可 获得更高的耦合系数与系统品质因数的乘积 K ， 亦即更好的传输效率。本方案 空间利用率较高， 出线方便， 比较适合薄型化需求。

需要指出的是， 本发明的薄型高效率无线充电线圈楔形截面绕 组内沿 421 形状可为方形或者圆形， 并不影响上述所描述的技术细节。 使用本发明的薄型 高效率无线充电线圈仅作为接收线圈 Rx， 或仅作为发射线圈 Tx， 或二者同时组 成充电系统， 亦在本发明内容之列。 当然， 使用本发明的薄型高效率无线充电 线圈之无线充电系统， 为获得最大之耦合感量， 我们希望接收线圈 Rx的绕组最 大外沿宽度不大于发射线圈 Tx的绕组最大外沿宽度， 原因已在图 5中揭示。

图 8示意了第二种较佳实施例中的楔形截面绕组 42的截面示意图， 所示 为将每匝利兹线预成型为预定形状后再进行绕 制。

图 9示意了第三种较佳实施例中的楔形截面绕组 42的截面示意图，所示为 内沿 421为一层绕线， 而外沿 422为两层绕线。 关于本发明之技术， 可在下述 实施例得以详细说明。 实施例 1

采用 66股 0. 05mm的多股利兹线， 绕制 15Ts形成一楔形截面绕组， 该楔形 截面绕组的内沿 421直径为 15讓， 内沿 421厚度 1^为 0. 3mm， 外沿 422厚度 h ₂ 为 0. 7mm, 该绕组底座宽度 D为 10. 5mm, 外沿平台 424宽度 D为 2. 8mm ₀ 该多 股利兹线采用自粘线绞制而成， 从内沿 421开始从内向外分为两层绕线， 由于 受到张力产生形变， 在模具中慢慢挤压成楔形截面绕组。 该楔形截面绕组绕制 完成后使用热风烘烤即可定型， 且两出线端子均在绕组外沿 422顺绕出线。 将 该烘烤后的绕组固定在尺寸为 44mm*40mm*0. 4mm的隔磁片 41中间位置，此隔磁 片 41为 NiZn材质， 导磁率为 120。 此隔磁片 41 自带有背胶， 有助于将楔形截 面绕组 42固定在隔磁片 41中心位置上。将平均粒径约为 5μηι的 FeSiCr粉末与 环氧树脂混合， 调制成导磁率为 12的磁性粉胶。 该磁性粉胶具有流动性， 将磁 性粉胶注入到隔磁片 41 与楔形截面绕组之间形成的容置空间 43， 待流平后整 体放入烘箱烘烤固化即得到完成后之无线充电 接收线圈 Rxl。

另一参照接收线圈 Rx2， 隔磁片 41 尺寸为 44mm*40mm*0. 4mm， 绕组采用 0. 32mm的方形线双线并绕 15Ts， 绕组宽度为 10mm， 其中柱直径为 15mm。 由于 绕组仅为 1层， 所以有一端子需从内沿 421飞线出来， 增大了整个绕组的厚度。 此参照接收线圈 Rx2与本发明之接收线圈 Rxl均可将整体厚度尺寸控制在 1. 2mm 以下。

如表 1所示， 为本发明之接收线圈 Rxl与参照接收线圈 Rx2的直流电阻和 100KHz、 200KHz下的交流电阻的比较。 在图中可以看出， Rx2的方形铜线线圈 受到磁力线切割后产生的涡流损耗是较大的， 则相应的 100KHz、 200KHz的交流 电阻均远大于其直流电阻， 而采用多股利兹线之接收线圈 Rxl则可以有效抑制 铜线涡流损耗， 其交流电阻和直流电阻相差并不大。

表 1

实施例 2

一发射线圈 Tx， 其绕组采用 105股 0. 05mm的多股利兹线两层绕制， 每层 绕制 10Ts， 共 20Ts。 绕组尺寸大小为 20. 5mm*43mm*2. lmm。 隔磁片 41尺寸为 53讓 *53mm*3mm， 材质采用锰锌功率铁氧体 PC44， 导磁率约为 2000u。 将该线圈 粘结在隔磁片 41中心位置， 即构成了发射线圈 Tx。 将此发射线圈 Τχ分别与实 施例 1中之本发明接收线圈 Rxl和参照接收线圈 Rx2中心对称， 且间距设定为 4. 5mm, 组成传输系统。 为协助发射线圈 Tx和接收线圈 Rx对齐， 可在发射线圈 Tx的中心位置设置定位磁铁。 如表 2所示为本发明传输系统与参照传输系统的参� �对比， 为两传输系统 分别在 l OOKHz及 200KHz频率的参数对比。 可以明显地看出， 使用本发明的接 收线圈 Rxl 的传输系统， 其耦合感量 M比参照传输系统要高 1 1%， 说明即使在 相同厚度条件下， 楔形截面绕组具有更高的耦合感量； 而无论是 l OOKHz , 还是 200KHz , 都可以确定采用多股利兹线具有更小的涡流损 耗， 亦即更小的等效电 阻 R _D 。 由于耦合电感 M更大， 等效电阻 R _D 更小， 意味着采用本发明之接收线圈 Rx具有更高的 K.Q值。 由此可见， 本案之发明相对于现有技术来讲， 在保持薄 型尺寸的要求下， 能够有效地提升传输系统的效率。

表 2

前面提供了对较佳实施例的描述， 以使本领域内的任何技术人员可使用或 利用本发明。 对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人 员是显而易见的， 可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而 不使用创造性。 因而， 本发明将 不限于这里所示的实施例， 而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最 宽范 围。