CN103811162A - 感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈 - Google Patents

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Abstract

一种感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈。此两用线圈的结构包括一平板线圈。此平板线圈的线材部分，具有一指定宽度，并呈现扁平状，且此平板线圈针对一圆心进行绕线。当在感应耦合电能传输模式时，此平板线圈的第一端输入一第一外部电压，并通过上述平板线圈的第二端的开关切换，以输出磁场电力以对第一外部装置进行充电。当在电场耦合电能传输模式时，上述平板线圈的第一端输入一第二外部电压，且上述平板线圈的第二端开路，通过控制第二外部电压的频率与电压大小，以输出电场电力以对第二外部装置进行充电。

Description

感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈
技术领域
本发明涉及一种无线充电技术，且特别是涉及一种感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈。
背景技术
随着电子装置的轻量化及薄型化，使用者已渐渐习惯随身携带这些电子装置。一般常见的电子装置，例如手机、个人数字助理器（PDA，PersonalDigital Assistance）、笔记型电脑、平板电脑、数字相机与数字摄录像机（digital camcorder）等等，已经普遍为社会大众广泛使用，成为现代信息生活不可或缺的一部分。
为了减少接线充电的麻烦，利用电磁感应原理而提供无线电源的系统的概念，在多前年已经被提出。由于现有感应技术的实际限制，现有的无线充电系统受到相当大的限制。例如，为了提供合理的效率操作，现有技术的无线感应充电系统需要在初级线圈及第二线圈之间密切及精确的对齐，另外，在感应电源供应中的电子装置及远方装置中的电子装置之间，需要高度的调协（coordinated tuning）。由于不同的远方装置可能需要非常不同数量的电源，这些问题更加复杂。
目前的无线充电应用，仅止于一对一应用。换句话说，一个移动装置必须对应一个指定的无线充电装置。然而，当产品不同时，无线充电装置不可以相容使用。因此，申请人提出一种相容于多个产品的无线电源供应系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈，此感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈同时可以在感应耦合电能传输模式时，以磁场传输电力给外部装置，并且在电场耦合电能传输模式时，以电场传输电力给外部装置。
为了达成本发明的上述目的及其他目的，本发明提出一种感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈。此感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈用于在感应耦合电能传输模式时，输出一磁场电力以对一第一外部装置进行充电，并且在电场耦合电能传输模式时，输出一电场电力以对一第二外部装置进行充电，此感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈的特征在于其结构为一平板线圈。此平板线圈的线材部分，具有一指定宽度，并呈现扁平状。且上述平板线圈在一平面上进行绕线，其中，上述平面与上述平板线圈的平板平行。当在感应耦合电能传输模式时，此两用平板线圈的第一端输入一第一外部电压，并通过两用平板线圈的第二端的开关切换，以输出磁场电力以对第一外部装置进行充电。当在电场耦合电能传输模式时，上述两用平板线圈的第一端输入一第二外部电压，且上述两用平板线圈的第二端开路，通过控制第二外部电压的频率与电压大小，以输出电场电力以对第二外部装置进行充电。
本发明的精神主要是将线圈电线的形状改成平板形状，并且把此线圈配置在同一个平面上。因此，当在感应耦合电能传输模式时，此两用平板线圈的第一端输入一第一外部电压，并通过两用平板线圈的第二端的开关切换，以输出磁场电力以对第一外部装置进行充电。当在电场耦合电能传输模式时，上述两用平板线圈的第一端输入一第二外部电压，且上述两用平板线圈的第二端开路，通过控制第二外部电压的频率与电压大小，以输出电场电力以对第二外部装置进行充电。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利要求范围作任何的限制。
附图说明
图1示出本发明第一实施例的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈的俯视图。
图2示出本发明第二实施例的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈应用在感应耦合电能传输（Inductive Coupled PowerTransfer，ICPT）的电路方块示意图。
图3示出本发明第三实施例的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈应用在电场耦合电能传输的电路方块示意图。
图4示出本发明第四实施例的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈的俯视图。
【主要元件符号说明】
101、401：平板线圈
102：平板线圈101的第一端
103：平板线圈101的第二端
104：平板线圈101的间隙
201：开关
202、302：外部装置
301：电场耦合电能传输控制器
402：平板线圈401的第一端
403：平板线圈401的第二端
具体实施方式
在下文中，将通过图式说明本发明的实施例来详细描述本发明，而图式中的相同参考数字可用以表示类似的元件。
（第一实施例）
图1示出本发明第一实施例的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈的俯视图。请参考图1，此感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈包括一平板线圈101，此平板线圈101的绕线配置在一平面上，并且绕线的宽度为L。此平板线圈101的绕线是由内部的第一端102绕到外部的第二端103。由此俯视图可以看出，此平板线圈101的结构非常类似于一个平板。从此平板线圈101的俯视图可以看出，此平板线圈101可以被视为是将一个平板金属的细微线圈（间隙）部分104腐蚀掉后，残留下来的平板。
（第二实施例）
图2示出本发明第二实施例的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈应用在感应耦合电能传输（Inductive Coupled PowerTransfer，ICPT）的电路方块示意图。请参考图2，当此图1的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈被用在感应耦合电能传输的场合时，此平板线圈101是被当作是线圈来使用，因此，电路结构上，线圈的第一端会被用来输入一个整流后的电压VDC（例如台湾市电110V经过桥式整流后的电压）。线圈的第二端会被耦接一个利用脉冲宽度调制（PulseWidth Modulation）控制的开关201。因此，通过控制开关201的导通与截止，可以控制此平板线圈101所输出的磁场，以传输电力给外部装置202。
（第三实施例）
图3示出本发明第三实施例的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈应用在电场耦合电能传输的电路方块示意图。请参考图3，当此图1的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈被用在电场耦合电能传输（Electrical-Field Coupled Power Transfer，ECPT）的场合时，此平板线圈101是被当作是平板使用。此时，平板线圈101的第二端是空接，也就是完全隔绝的。电场耦合电能传输控制器301通过控制电压VIN的频率与电压大小，以输出电场电力以对外部装置302进行充电。
由于电场耦合电能传输模式，在外部装置302必须也要有一个金属平板，为了传输效率，外部装置302上的金属平板与平板线圈101的平板所构成的等效电容的大小会直接的影响到电场耦合电能传输效率。其中，等效电容的计算式如下：
C＝A×ε0×εr／d
其中，C表示等效电容，A表示耦合面积，d表示极板间距，ε0表示绝对介电系数，εr表示相对介电系数。一般来说，绝对介电系数ε0与相对介电系数εr为固定，因此，等效电容的大小由耦合面积A与极板间距d所决定。因此，直接影响到耦合面积A的就是金属平板的面积，在此实施例中，平板线圈101的金属平面部分占据由平板线圈的圆心到平板线圈的半径R构成的圆面积超过80％以上的面积。在此实施例中，通过将上述平板线圈101的线材宽度设计大于等于5mm，并且通过将上述平板线圈101的线材与线材之间的间隙104宽度设计小于1mm，以达成让平板线圈101占据圆面积超过80％以上。如此，可以增加等效电容C，并且增加电场耦合电能传输效率。（第四实施例）
图4示出本发明第四实施例的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈的俯视图。请参考图4，上述实施例虽然是以圆形线圈作为举例，在此实施例特别以矩形线圈做举例。同样的道理，此平板线圈401的绕线配置在一平面上，并且绕线的宽度为L。此平板线圈401的绕线是由内部的第一端402绕到外部的第二端403。并且呈现一矩形形状。此种绕线的好处在于，一般移动装置，基本上都会设计成实质上为矩形结构，因此，若本发明的绕线为矩形，可以与外部装置产品更加吻合，因此，矩形绕线可以增加上述耦合面积A。
上述几个实施例虽然只有举出矩形与圆形绕线，然而所属技术领域的普通技术人员应当知道，绕线形状可以根据不同设计而改变，例如三角形、梯行或椭圆形等等，本发明不以此为限。
综上所述，本发明的精神主要是将线圈电线的形状改成平板形状，并且把此线圈配置在同一个平面上。因此，当在感应耦合电能传输模式时，此两用平板线圈的第一端输入一第一外部电压，并通过两用平板线圈的第二端的开关切换，以输出磁场电力以对第一外部装置进行充电。当在电场耦合电能传输模式时，上述两用平板线圈的第一端输入一第二外部电压，且上述两用平板线圈的第二端开路，通过控制第二外部电压的频率与电压大小，以输出电场电力以对第二外部装置进行充电。
在优选实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及以下申请专利范围的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (7)

1.一种感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈，其特征在于，用于在感应耦合电能传输模式时，输出一磁场电力以对一第一外部装置进行充电，并且在电场耦合电能传输模式时，输出一电场电力以对一第二外部装置进行充电，其特征在于，所述感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈包括：
一平板线圈，所述平板线圈的线材具有一指定宽度，并呈现扁平状，且所述平板线圈在一平面上进行绕线，其中，所述平面与所述平板线圈的平板平行，
其中，当在所述感应耦合电能传输模式时，所述平板线圈的第一端输入一第一外部电压，并通过所述平板线圈的第二端的开关切换，以输出所述磁场电力以对所述第一外部装置进行充电，
其中，当在所述电场耦合电能传输模式时，所述平板线圈的第一端输入一第二外部电压，且所述平板线圈的第二端开路，通过控制所述第二外部电压的频率与电压大小，以输出所述电场电力以对所述第二外部装置进行充电。
2.根据权利要求1所述的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈，其特征在于，所述平板线圈的线材的宽度大于等于5毫米。
3.根据权利要求1所述的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈，其特征在于，所述平板线圈的线材与线材之间的间隙的宽度小于1毫米。
4.根据权利要求1所述的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈，其特征在于，所述平板线圈具有一圆心，且所述平板线圈的绕线为通过所述圆心成同心圆放射式绕线。
5.根据权利要求4所述的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈，其特征在于，所述平板线圈的金属平面部分占据由所述平板线圈的圆心到所述平板线圈的半径构成的圆面积80％以上的面积。
6.根据权利要求1所述的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈，其特征在于，所述平板线圈具有一中心点，且所述平板线圈的绕线为通过所述中心点成矩形放射式绕线。
7.根据权利要求6所述的感应耦合电能传输与电场耦合电能传输的两用线圈，其特征在于，所述平板线圈的金属平面部分占据由所述平板线圈的外围所围成的矩形面积80％以上的面积。
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