通量耦合装置以及其磁性结构.pdf

一种磁通量耦合器包括：磁导性芯，其具有第一轴；与所述芯磁性相关联的两个线圈，每一线圈限定一个位于所述芯的第一侧上的磁极区域，并且所述磁极区域沿所述第一轴分开，所述线圈各自具有位于所述磁极区域之间的中心区、与所述中心区相对的末端区，和在所述中心区与所述末端区之间的侧面区，其中辅助磁极区域设置在每一线圈的所述末端区之外，所述辅助磁极区域吸收漏通量，否则所述漏通量将在所述末端区附近从正在使用的所述每一线圈散发。

权利要求书
1.  一种磁通量耦合器，其包括：
磁导性芯，其具有第一轴，
与所述芯磁性相关联的两个线圈，每一线圈限定位于所述芯的第一侧上的磁极区 域，并且所述磁极区域沿所述第一轴分开，
所述线圈各自具有位于所述磁极区域之间的中心区、与所述中心区相对的末端 区，和在所述中心区与末端外围之间的侧面区，
其中在每一线圈的所述末端区之外提供辅助磁极区域。

2.  根据权利要求1所述的磁通量耦合器，其中所述辅助磁极区域包括所述芯的一部 分。

3.  根据权利要求1或权利要求2所述的磁通量耦合器，其中所述辅助磁极区域吸收 漏通量，否则所述漏通量将在所述末端区附近从正在使用的所述每一线圈散发。

4.  根据权利要求1或权利要求2所述的磁通量耦合器，其中当沿所述第一轴未对准 时，所述辅助磁极区域将通量耦合到另一通量耦合器设备。

5.  根据以上权利要求中任何一项所述的磁通量耦合器，其中所述辅助磁极区域不延 伸超出每一线圈的所述侧面区。

6.  根据以上权利要求中任何一项所述的磁通量耦合器，其中所述辅助磁极区域包括 邻近于所述末端区的表面。

7.  根据权利要求6所述的磁通量耦合器，其中所述表面限定壁、唇缘或凹座中的一 个。

8.  根据以上权利要求中任何一项所述的磁通量耦合器，其中所述芯包含一个或多个 凹座以接收每一线圈的所述末端区。

9.  根据权利要求8所述的磁通量耦合器，其中所述一个或多个凹座面朝耦合通量被 导引或被接收的区。

10.  根据权利要求8所述的磁通量耦合器，其中所述一个或多个凹座面朝所述中心 区。

11.  根据以上权利要求中任何一项所述的磁通量耦合器，其中所述末端区包括所述线 圈的堆叠的匝。

12.  根据以上权利要求中任何一项所述的磁通量耦合器，其中所述辅助磁极区域设置 成与所述外围区的电流中心成一个角度。

13.  根据以上权利要求中任何一项所述的磁通量耦合器，其中所述辅助磁极区域包括 多个磁极区域。

14.  一种磁通量耦合器，其包括：
线圈，用于产生或拦截磁耦合通量；
磁导性漏通量吸收构件，其位于所述线圈的外围边缘部分之外以便吸收漏通量， 否则所述漏通量将在所述外围边缘部分附近从正在使用的所述线圈散发。

15.  根据权利要求14所述的磁通量耦合器，其中所述耦合器进一步包括与所述线圈 磁性相关联的磁导性芯，并且所述漏通量吸收构件与所述芯相关联。

16.  一种包括根据前述权利要求中任何一项所述的磁通量耦合器的感应电力传递系 统。

17.  一种基本上如本文中参照附图中示出的任何实施例所描述的磁通量耦合器。

说明书通量耦合装置以及其磁性结构
技术领域
本发明涉及用于产生或接收磁通量的设备。本发明特别适用于使用感应电力传递 (IPT)系统的无线电力传递，但并不是仅适用于此。
背景技术
我们的公开国际专利申请WO 2008/14033中描述了IPT系统和使用包含一个或多个 绕组(可包括初级或二级绕组)的衬垫形式的耦合装置进行感应电力传递，所述国际专 利申请的内容通过引用结合在此。
IPT电力传递衬垫的一个特定应用是电动车辆充电，并且这个部分中论述所述应用 以便提供本发明的一个应用的背景。但是，电动车辆充电是仅仅一个应用的实例，并且 本发明总的来说可以应用于感应电力传递。电动车辆充电可以在车辆固定的同时发生， 或者替代地(举例来说)在车辆沿一条道路移动的同时发生。IPT电力传递衬垫既可以 用在车辆中作为电力“拾取器”(即，IPT系统的二级侧绕组)，又可以用在例如(举例来 说)车库或道路等固定位置上作为“充电垫”(即，初级侧绕组)，电力从所述充电垫中 流出。
IPT道路系统的用途是向固定或移动的车辆无线地传递电力，而无需与车辆物理接 触。系统的发射部分由为集总线圈(举例来说，如上所述的衬垫)或具有许多类似集总 线圈的轨道供电的电源组成，其中此系统经过调谐以用于在合适的频率下操作，所述频 率通常为从10kHz到150kHz的任何值。接收器放置在车辆下面，并且经耦合以在车辆 固定在初级发射器上方时或者靠近(充分紧密地接近而足以耦合电力)初级发射器时接 收电力。拾取接收器通常还包括集总线圈(例如上述衬垫)，所述集总线圈连接到车辆 内的转换器和适当的控制器上以调节电力。为方便起见，可以从其感应地接收电力的道 路部分在本文中称作轨道。
可以通过沿道路中的一条车道的中间放置多个衬垫来形成轨道。这样就能使得车辆 在沿紧邻所述轨道的道路移动时向车辆基本上连续地供电成为可能。
近年来，此类系统由于有允许可持续无线供电个人交通的潜能而受到越来越多的关 注。此系统要能够使用，不仅必须能够经由合理大小(例如，100-300mm)的气隙传递 充分的电力，而且还必须证明能容受轨道与拾取器之间的任何位移，以免依赖于车辆到 轨道导引系统。在道路系统中，此位移将最可能发生在侧向方向上(正交于竖直方向和 移动方向)以用于移动车辆。对于固定车辆充电而言，在合适的纵向位移的情况下传递 可接受的水平的电力的能力特定受到关注，以便确保容易停车。拾取器衬垫的电力传递 曲线理想地是平滑的功率曲线，所述平滑的功率曲线在横向地尽可能宽的距离上基本上 是恒定的(并且充分的)，并且每一端具有平滑的下降。此电力传递曲线减轻了对于系 统中的电子(初级和二级)调节器的需求，从而使得在一个系统上的可比耦合的操作性 能能够得到改进，在所述可比的耦合中，在操作期间，初级衬垫与接收器衬垫之间的耦 合会经历相当大的变化。
在通量耦合装置用于例如车辆充电等应用中的电力传递的实际使用中，减少杂散磁 场(即，漏通量)是至关重要的。具体来说，考虑到装置之间的很可能的相对位移，期 望使漏通量最小化，而不会明显地损害衬垫装置的耦合通量(即，实施电力传递的通量)。
目的
本发明的一个目的是减少磁通量耦合装置中的漏通量，而不会明显地损害装置的耦 合。
本发明的另一或替代的目的是考虑到装置之间的很可能的相对位移，减少磁耦合装 置中的漏通量，而不会明显地损害装置的耦合。
本发明的另一或替代的目的是提供一种改进的耦合装置，或者至少提供已知装置的 有用的替代装置。
发明内容
在一个方面中，本发明提供了一种磁通量耦合器，其包括：
磁导性芯，其具有第一轴，
与所述芯磁性相关联的两个线圈，每一线圈限定位于所述芯的第一侧上的磁极区 域，并且所述磁极区域沿所述第一轴分开，
所述线圈各自具有位于所述磁极区域之间的中心区、与所述中心区相对的末端外 围，和在所述中心区与所述末端外围之间的侧面外围，
其中辅助磁极区域设置在每一线圈的所述末端外围之外。
在一个实施例中，所述辅助磁极区域包括所述芯的一部分。
所述辅助磁极区域吸收漏通量，否则所述漏通量将在所述末端外围附近从正在使用 的每一线圈散发。当沿所述第一轴未对准时，所述辅助磁极区域可以将通量耦合到另一 通量耦合器设备。
在一个实施例中，所述辅助磁极区域不延伸超出每一线圈的侧面外围。其可包括邻 近于末端外围的表面。此外，所述磁极区域可以限定壁、唇缘或凹座中的一个。
所述芯可包含一个或多个凹座以接收每一线圈的末端外围。所述凹座可以面朝其中 耦合通量被导引或接收的区，或者面朝中心区。
在一个实施例中，所述末端外围包括线圈的堆叠匝。
所述辅助磁极区域可以设置成与外围区的电流中心成一个角度。在另一个实施例 中，所述辅助磁极区域包括多个磁极区域。
在另一方面中，本发明提供了一种磁通量耦合器，其包括：
线圈，用于产生或拦截磁耦合通量；
磁导性漏通量吸收构件，位于所述线圈的外围边缘部分之外，以便吸收漏通量，否 则所述漏通量将在所述外围边缘部分附近从正在使用的所述线圈散发。
在另一方面中，本发明提供一种感应电力传递系统，其包括根据前述中的任一者的 磁通量耦合器。
在另一方面中，本发明提供了一种磁通量耦合器，其包括：
磁导性芯，其具有第一轴；
与所述芯磁性相关联的两个线圈，每一线圈限定位于所述芯的第一侧上的磁极区 域，并且所述磁极区域沿所述第一轴分开，
所述线圈各自具有位于所述磁极区域之间的中心区、与所述中心区相对的末端区， 和在所述中心区与末端区之间的侧面区，
所述芯具有通量引导构件，借此促进末端区中的磁通量进入所述芯中，并且促进每 一侧面区处的磁通量延伸到离侧面区最远的磁极区域。
在另一方面中，本发明提供了一种磁通量耦合器，其包括：
磁导性芯，其具有第一轴；
与所述芯磁性相关联的两个线圈，每一线圈限定位于所述芯的第一侧上的磁极区 域，并且所述磁极区域沿所述第一轴分开，
所述线圈各自具有位于所述磁极区域之间的中心区、与所述中心区相对的末端外 围，和在所述中心区与所述末端外围之间的侧面外围，
其中所述芯延伸超出每一线圈的末端外围，而不延伸超出每一线圈的侧面外围。
在另一方面中，本发明大体上提供一种磁通量耦合器，其包括：
磁导性芯，其具有第一末端和第二末端以及设置在两者之间的第一轴，
与所述芯磁性相关联的两个线圈，每一线圈限定位于所述芯的第一侧上的磁极区 域，并且所述磁极区域沿所述第一轴分开，
所述第一和第二末端延伸超出磁极区域，
所述芯具有横向于磁极区域之间的第一轴的第一横截面，所述第一横截面具有低磁 阻区以促进磁通量在平行于第一轴的方向上在磁极区域之间延伸，
所述芯在超出磁极区域的点处具有平行于第一轴的第二横截面，所述第二横截面具 有低磁阻区以促进邻近于芯的末端的磁通量进入芯。
在另一方面中，本发明提供了一种磁通量耦合器，其包括：
磁导性芯，其具有第一末端和第二末端以及设置在两者之间的第一轴，
与所述芯磁性相关联的两个线圈，每一线圈限定位于所述芯的第一侧上的磁极区 域，并且所述磁极区域沿所述第一轴分开，
所述第一和第二末端延伸超出磁极区域，
所述芯具有横向于磁极区域之间的第一轴的横截面，所述横截面具有低磁阻区以促 进磁通量在平行于第一轴的方向上在磁极区域之间延伸，
并且通量引导构件在芯的每一末端处或邻近于芯的每一末端设置成横向于第一轴， 以促进邻近于芯的末端的磁通量进入芯。
所述横截面可包含由高磁阻区分开的多个低磁阻区。
所述通量引导构件可包括一定长度的高度磁导性材料，其具有横向于第一轴的纵 轴。
在一个实施例中，通量引导构件接合到芯上。替代地，通量引导构件设置成邻近于 芯的每一末端。
在一个实施例中，所述线圈重叠。
在另一个实施例中，提供三个线圈，所述线圈中的一者与其它两个线圈重叠。
在一个实施例中，所述通量引导构件实质性减少漏通量。
在另一个实施例中，所述通量引导构件将来自另一耦合器装置的通量引导到为其提 供通量引导构件的芯中。
从以下描述中本发明的其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1是具有铁氧体薄片制成的高磁导性表面上的共面线圈的一种形式的耦合器设备 的图解透视图。
图2是具有改进形式的磁导性表面的另一种形式的耦合器设备的图解透视图，示出 了电力传递系统的模拟模型中使用的通量“发射”装置和“接收”装置两者。
图3示出了用于图2中示出的布置的模拟磁通量向量，具体来说是(a)yz平面中 的磁通量密度向量(x＝200)，和(b)xz平面中的通量密度向量(y＝0)(I1＝23A/coil)。
图4示出了穿过铁氧体薄片中间的xy平面(z＝-16)中的模拟磁通量密度向量，其 中左线圈受到激励，并且右开路(a)完整大小的薄片和(b)铁氧体从线圈下方移除(I1＝23A/coil)。
图5示出了本文档中称为DD衬垫的另一耦合器构造的简化模型的透视图，其中线 圈a、b和线圈之间的互耦合所产生的主通量路径分别是Φal、Φbl和Φip。
图6示出了图5的DD衬垫系统的xz平面中的模拟磁通量密度向量，其具有叠加的 理想化通量路径(这些通量路径是：顶部、气隙和背面泄漏(Φlt，Φla，Φlb))，以及相 互通量(ΦM)。I1＝23A，20匝/线圈和“接收器”衬垫是开路。
图7示出了具有DD结构的初级(发射器或Tx)衬垫和具有DD加正交线圈布置的 二级(接收器或Rx)衬垫。
图8示出了用于图7的布置的在(a)xz和(b)yz平面中的通量密度。
图9(a)示出了理想的铁氧体芯结构，(b)具有延伸超出线圈的末端外围的铁氧体 的D11衬垫结构，和(b)用于(b)中示出的衬垫的铁氧体结构。
图10示出了用于图9(D11)布置的在(a)xz和(b)yz平面中的通量密度。
图11示出了具有铝屏蔽环的另一结构(称作D12结构)的透视图。
图12示出了用于图11的布置的在(a)xz和(b)yz平面中的通量密度。
图13示出了(a)具有放大铁氧体延伸部的另一DD衬垫结构的平面图，和(b)铁 氧体布置的平面图。
图14示出了用于图13的布置的在(a)xz和(b)yz平面中的通量密度。
图15示出了(a)另一耦合器结构的平面图，和(b)示出了初级和二级布置的实 例的透视图。
图16示出了用于图15的布置的在(a)xz和(b)yz平面中的通量密度。
图17示出了(a)具有放大铁氧体延伸部的另一DD衬垫结构的平面图，和(b)铁 氧体布置的平面图。
图18示出了用于图17的布置的在(a)xz和(b)yz平面中的通量密度。
图19示出了(a)具有也延伸超出线圈的侧面外围的放大铁氧体延伸部的另一DD 衬垫结构的平面图，和(b)铁氧体布置的平面图。
图20示出了用于图19的布置的在(a)xz和(b)yz平面中的通量密度。
图21示出了具有铁氧体延伸部的另一DD衬垫结构的平面图，所述铁氧体延伸部 以某种方式延伸方，由此这些铁氧体延伸部与线圈的末端和侧面外围边缘隔开。
图22示出了模拟场强度对距离的曲线图。
图23示出了(a)d9结构、(b)D11结构和(c)D17结构的平面图。
图24示出了用于多个衬垫结构的模拟功率对水平偏移的曲线图。
图25示出了用于多个衬垫结构的模拟场密度对距离的曲线图。
图26示出了(a)D11-2结构、(b)D18结构、(c)用于D18结构的铁氧体布置、 (d)D19结构和(e)用于D19结构的铁氧体布置的平面图。
图27示出了模拟场强度对距离的曲线图，且
图28是包含铁氧体的双极衬垫结构的平面图，所述铁氧体延伸超出线圈的末端外 围。
图29提供了根据现有技术的IPT通量耦合设备的(a)俯视图；和(b)侧视图， 所述IPT通量耦合设备包括单层DD配置的一对线圈；
图30提供了根据现有技术的另一IPT通量耦合设备的(a)俯视图；和(b)侧视 图，所述IPT通量耦合设备包括单层DDQ配置的一对线圈；
图31提供了根据本发明的具有双层DD线圈配置的IPT通量耦合设备的第一实施 例的图的(a)俯视图；和(b)侧视图；
图32提供了具有双层DDQ线圈配置的根据本发明的IPT通量耦合设备的第二实施 例的图的(a)俯视图；和(b)侧视图；
图33提供了根据本发明的具有双层DD线圈配置的IPT通量耦合设备的第三实施 例的图的(a)俯视图；和(b)侧视图；
图34提供了具有双层DDQ线圈配置的根据本发明的IPT通量耦合设备的第四实施 例的图的(a)俯视图；和(b)侧视图；
图35提供了根据本发明的具有三层DD线圈配置的IPT通量耦合设备的第五实施 例的图的(a)俯视图；和(b)侧视图；
图36提供了根据本发明的具有四层DD线圈配置的IPT通量耦合设备的第六实施 例的图的(a)俯视图；和(b)侧视图；
图37提供了根据本发明的具有三层DD线圈配置的IPT通量耦合设备的第七实施 例的图的(a)俯视图；和(b)侧视图；
图38提供了具有DDQ线圈配置的实施例的(a)俯视图和(b)侧视图，以及(c) 沿x轴不对准的初级和二级衬垫结构的图解侧立面图；
图39(a)-(d)提供了用于初级和二级通量耦合设备的多个组合的通量泄漏的等 高线图，其中所述初级和二级通量耦合设备之间沿x轴存在水平位移；
图40提供了现有技术的单层DD初级衬垫与DDQ二级衬垫之间的磁耦合的通量泄 漏的(a)端视图；和(b)侧视图，其中所述DD初级衬垫与DDQ二级衬垫之间沿y 轴存在水平位移；
图41提供了根据本发明的第一实施例的初级衬垫与根据本发明的第二实施例的二 级衬垫之间的磁耦合的通量泄漏的(a)端视图；和(b)侧视图，其中初级衬垫与二级 衬垫之间沿y轴存在水平位移；
图42提供了根据本发明的第七实施例的初级衬垫与类似于第二实施例的二级衬垫 之间的磁耦合的通量泄漏的(a)端视图；和(b)侧视图，其中初级衬垫与二级衬垫之 间沿y轴存在水平位移；
图43是用于图11-13的三种配置中的每一个的在多个距离处的磁通量密度的曲线 图；
图44示出了使用多个铁氧体棒的图9的芯的近似的(a)俯视图；和(b)侧视图， 所述铁氧体棒各自具有三个预定义尺寸中的一个；
图45提供了双极衬垫(BPP)线圈布置的形式的磁性耦合器的(a)俯视图和(b) 侧视图；以及
图46-50示出了磁通量耦合装置的其他实施例的末端或外围区的横截面的部分侧立 面图。
具体实施方式
漏通量往往会在耦合装置的侧面和背面周围发生。使耦合器的背面出来的通量最小 化的一种实用方法是从一开始就避免产生通量。图1中示出了衬垫1的形式的耦合器的 一个实施例。耦合器结构在本文中被称作“衬垫”，但是这个术语并不希望是限制性的。 衬垫1包含一些线圈，这些线圈放置在磁导性芯结构上，所述磁导性芯结构包括铁氧体 薄片2，在每一线圈的中间具有凸起的铁氧体块3。添加凸起块3是为了改进耦合。如 图1所示的铁氧体薄片2上的共面线圈a和b并不产生任何能够驱动通量从衬垫背面出 来的磁动力(mmf)。这允许将铝屏蔽物(未图示)放置在下面(即，与线圈相对的侧上) (类似于我们的国际专利公开案WO2008/140333中所描述的圆形衬垫)，从而产生真正 单侧的通量耦合器。理想的情况是，在衬垫的背面上不需要屏蔽物，但是实际上构成薄 片2的各个铁氧体片之间的边缘通量将导致例如钢等较高电阻率的铁磁性材料中出现损 失。
虽然图1中示出的拓扑产生单侧通量，但是基础通量路径不理想，并且必然将产生 低耦合系数。图1的拓扑的电感(L)是由每一线圈(图1中称作线圈a和线圈b)的电 感以及每一线圈之间的互电感组成，因为这些线圈是并联连接的(图1中示出的绕组方 向上的电流流动)。电感是由于在给定电流下线圈(具有某个数目的匝)中的磁链，并 且因此可以通过考虑以下通量来描述电感：Φa，围绕线圈a的通量，Φb，围绕线圈b的 通量，Φab，线圈b在线圈a中引起的通量，和Φba，线圈a在线圈b中引起的通量。图 1中示出了通量Φa和Φb。
两个线圈之间的互通量被称作衬垫内通量(Φip)，并且在图1中通过大弧形来说明。 当图1的衬垫用作耦合器时，Φip的一部分耦合到接收器衬垫，由此传递电力。因而， 衬垫内通量Φip应当相对较大。用于量化线圈之间的耦合的一个有效的量度是衬垫内耦 合系数(kip)，衬垫内耦合系数是线圈之间的互电感与线圈产生的总通量的比率。在图1 的实施例中，由于线圈之间的物理分离距离并且因为促成Φip的线圈部分较小(如图1 中通过阴影区4所示)，所以Φip必然较小。这将使得产生通量的耦合器与接收通量的耦 合器之间的耦合系数非常低。这些原因表明，虽然图1的衬垫拓扑展现出有用的特征， 但是这个衬垫拓扑并不适合于IPT充电系统，原因在于总耦合量比期望的低。
具有成形线圈的模拟模型
图1的拓扑的表面2的衬垫内耦合系数可以增加，增加的方法是通过将线圈制成正 方形的，并且移动这些线圈使之更接近彼此，从而围绕x轴形成一个不同的中间部分， 如图2所示。现在参看图2，制造了包括相同的耦合衬垫20和21的模拟模型以研究耦 合性能。如图2所示，所使用的是包括铁氧体薄片5的芯结构，铁氧体薄片5的尺寸是 758mm长(x轴)x411mm宽(y轴)x16mm深(z轴)。每一线圈6、7由20匝的4 mm直径的金属丝组成，这些线圈被制成正方形以便简化模型。铁氧体薄片5在x轴和 y轴上延伸超过线圈的末端和侧面外围10mm。磁极区域11沿x轴分开。每一线圈的侧 面8在磁极区域11之间的衬垫中心，这些侧面8包括每一线圈的中心区。这些中心区 共用一个在x＝0上的共同边界，并且因此促成衬垫内耦合系数。每一线圈的其余的三个 侧面被视为返回部分，因为这三个侧面并不促成kip-两个侧面9(侧面区)垂直于中间部 分，并且其余的侧面10(每一线圈的末端或外围区)离得很远，与中心区相对，并且电 流方向是相反的。两个线圈的内部区域11被称作磁极区域，因为衬垫间通量(在衬垫 20和21中的一者与所述衬垫中的另一者之间)穿过这些区域。图2的实施例中的磁极 区域11不凸起，这样能减小每一衬垫的竖直轮廓。
表1中概括了使用衬垫20与21之间的200mm气隙的模拟结果，其中左边一列中 包含与衬垫间耦合(衬垫20与衬垫21之间)有关的数据，并且右边一列中包含衬垫内 耦合(每一衬垫的线圈6与7之间)的数据。衬垫20和21两者是相同的，并且因此具 有相同的789μH的自感(L1＝L2＝L(衬垫))。
请注意，在所述模拟中，线圈是用一根金属丝卷绕而成的，但是实际上将使用双股 绕组以降低电感，并且为了在发射器中维持相同的安培-匝数(NI)，I1需要加倍。0.215 的耦合系数能够得到2.4kVA的未补偿功率，这远远高于使用类似大小的圆形通量管衬 垫可能得到的功率。
图2的实施例的衬垫内耦合系数是0.154，并且这低于衬垫之间的k，这表明，大部 分耦合不是起因于基础通量路径上的通量(图1中示出为Φip)。衬垫之间的相当大比例 的耦合系数是因为每一线圈的返回部分(即，侧面9和10)使得芯结构5用作 WO2008/140333的两个耦合圆形衬垫，这两个衬垫在z轴上对准并且放置成彼此接近。

表1经修改的结构的衬垫参数和衬垫内耦合
图3(a)和3(b)中示出了图2的实施例的模拟结果，其中使用yz和zx平面中的 磁通量密度向量来示出衬垫20与21之间的磁场形状。在所述模拟中，衬垫20受到激 励以便产生通量，并且衬垫21拦截或接收从衬垫20产生的通量。x、z和z轴的原点在 衬垫20的耦合表面的中心处。yz平面与x轴在200mm处相交，因而yz平面的位置接 近磁极区域的中心。通量密度级已经调整为最大5mT，以更好地示出衬垫之间的气隙中 的通量。如图3(a)中示出，线圈的返回部分9周围存在大量通量，并且虽然一些通量 的确耦合到接收器(互)通量中的线圈的对应部分，但是很大的比例是漏通量，并且这 会促成不合期望的衬垫漏感。
从图3(b)可以看出，在芯的末端(即，在x轴的任一端)附近存在一些通量抵消， 这是因为线圈的返回部分10中的电流方向与中心部分8中的电流方向相反。由于中心 (即，围绕x轴)的安培-匝数(NI)增加，所以抵消的位置偏置到衬垫的末端。没有通 量直接从衬垫背面出来。但是，存在在衬垫后方行进的通量路径，以便链接线圈绕组的 返回部分，但是这些通量路径较长，并且因此通量密度较低。
图2中示出的耦合器结构的漏感可以减小，减小的方法是通过从所有线圈的返回部 分9和10下方移除铁氧体，并且这样将有利地增加k，因为线圈的电感将减小，但M 基本上保持不受影响。
表2中示出了根据图2的实施例的耦合器布置的结果，但是从线圈的返回部分9和 10的下方移除了铁氧体。表2的第一列中包含用于衬垫间耦合的参数，并且第二列中包 含用于衬垫内耦合的参数。M几乎没有变化，并且L从789μH降低到706μH，这样使k 增加到0.24。
新的衬垫拓扑在耦合器装置之间产生了一个耦合机构，这个耦合机构有显著变化。 耦合的装置上的返回绕组部分9和10并不直接耦合，而是增加了每一耦合器结构周围 的磁势，所述磁势迫使在xz和yz两个平面上产生从产生通量的结构到接收通量的结构 的互通量。所述拓扑具有额外的优点，即仅所增加的电感最小。

表2用于从线圈的返回部分中移除了铁氧体的衬垫的经修改衬垫参数和衬垫内耦合
如表2中示出，衬垫内耦合系数增加了三倍多变成0.47，这表明衬垫之间的耦合主 要是因为图1中所说明的期望的基础路径Φip上的通量。kip的大幅增加是因为衬垫内互 电感(Mip)增加了不止双倍。考虑到线圈一起闭合从而形成用于这两种类型的衬垫对的 中间部分(具有实心铁氧体薄片，和从返回部分下方移除了铁氧体)，这个增加远远大 于预期。Mip的增加是因为铁氧体芯的有利磁化。参看图4(a)和4(b)可以看出这一 点。
图4(a)示出了用于图2的耦合器衬垫20的穿过铁氧体薄片芯5的中心的xy平面 中的磁通量密度向量。耦合器衬垫21存在200mm的竖直(即z轴)分离，并且是开路。 衬垫20的左侧线圈受到激励，并且右侧线圈保持开路。通量密度级已经设置成最大值 20mT。最大通量密度发生在衬垫的中间部分中，如红色向量所示。这是因为线圈的两 侧上都存在铁氧体，从而能够实现比返回部分上大的磁链。
铁氧体的体积较大，使得来自受激励的线圈的通量能够跨整个板条扩展开来，从而 在邻近的线圈中产生大量的共模通量。跨右侧的线圈区域的共模通量的密度相对均匀， 如绿色到淡蓝色向量所示。因此，衬垫内耦合是通量密度的较小变化引起的，因此kip仅为0.15。
通量密度向量的方向朝受激励线圈的左侧变化，如图4(a)中所标记。这是因为由 于线圈结构的电流方向(标记为I)的有效变化引起的相反通量。这样会产生通量翻转， 并且所述通量翻转定位在衬垫左侧，因为中间部分的通量密度增加，原因在于线圈周围 的路径的磁阻相对低(因为其受到铁氧体包围)。
图4(b)中示出了经修改的等电位表面衬垫的磁通量密度向量，其中从线圈的返回 部分9和10下方移除了铁氧体。同样，左侧线圈是受激励的线圈，而右侧线圈是开路。 铁氧体的磁化是优选的，因为其会穿过相邻线圈引导来自受激励线圈的大量通量，从而 使kip从0.15增加到0.47。并且，受激励的线圈的返回部分9和10周围的通量减小，由 此明显地减小漏感。
铁氧体薄片的中心平面中示出的几乎所有磁通量都是在x轴方向上。薄片末端只有 略微的发散。这与图4(a)的经修改的等电位表面有很大不同，在所述经修改的等电位 表面中，通量从线圈发散。请注意，仅在穿过铁氧体薄片的中心的xy轴中的平面上示 出了通量密度向量；显然z轴中必需磁化，这样才能使通量保留或者返回到铁氧体薄片 的表面。
图4的两个衬垫都具有16mm厚的铁氧体薄片，但是图4(a)的经修改的等电位 表面的铁氧体横截面积明显地大于图4(b)的衬垫，从而得到20mT的较低的最大通量 密度。
但是，如上所述，额外铁氧体区域仅仅促成漏感，并且最终减小了两个衬垫之间的 耦合系数(0.24对0.22)。图4(b)的衬垫具有的铁氧体较少，从而产生60mT的最大 通量密度。以VA耦合/每立方厘米的铁氧体为单位测量铁氧体利用率(在这种情况下是 在200mm的气隙处)，并且对于图4(b)的衬垫，铁氧体利用率是0.6VA/立方厘米。 对于图4(a)的衬垫，铁氧体利用率是0.24VA/立方厘米。
虽然在末端绕组下方移除了铁氧体的衬垫中，铁氧体利用率较高，但是实际值类似 于优化圆形设计(其中对于200mm的气隙，可能得到0.4VA/立方厘米的值)。也就是说， 即使使用高度期望的通量路径，经修改的等电位表面使用的铁氧体实际上仅比先前设计 的圆形衬垫稍多。所述衬垫可以制造得轻得多，并且更经济得多，方法是如下文部分中 所述适当地移除铁氧体。
开发“双D”(DD)型耦合器
在给定所使用的铁氧体材料是在25℃下具有490mT的饱和通量密度的N87的情况 下，图4(b)中示出的60mT的最大通量密度非常低。移除铁氧体和用较高通量密度操 作，将得到较高的铁氧体利用率值。图4(b)的铁氧体板条中的主要磁化发生在x轴中， 因而可使用铁氧体条带30来提供芯结构，如图5的示意图上所示，线圈a和b搁置在 所述芯结构上，同时仍然维持良好的耦合。
图5中的线圈标记为“a”和“b”，并且返回部分产生漏通量(称作Φbl和Φal)以及衬 垫内通量(Φip)，衬垫内通量的一部分耦合到接收器。为了减少金属丝的长度以便使成 本、漏感和铜损最小化，应当将线圈的返回部分制造成大致半圆形，并且因为两个此类 线圈背对背放置，所以这个新的衬垫拓扑在本文档中称为“双D”或DD。衬垫的阴影中 间部分32被称作通量导管(长度为Fl)，其中通量的最大集中度位于衬垫的中心区，原 因在于线圈的几何形状和接近度，而且因为这些线圈磁性串联连接。线圈并联电连接以 便降低电源经历的阻抗。基础通量路径高度hz与衬垫长度的一半(Px/2)成比例，但是 还取决于通量导管的长度(Fl)。
创建一个3D FEM模型以研究在DD衬垫系统中产生的通量路径，所述DD衬垫系 统包括相同的发射器和接收器(这两者都具有图5中示出的结构，并且垂直对准)，并 且具有200mm的气隙。衬垫的尺寸是0.77m乘0.41m，并且厚度是～35mm，而且使 用隔开33mm的四个铁氧体条带30，每个包括六个I93芯；这些被称作4x6衬垫。这个 大小的双D衬垫用200mm的气隙实现耦合系数0.23。只要衬垫与操作气隙正确地匹配， 通量路径将是类似的。
图6中示出了4x6衬垫的模拟模型的横截面，其中叠加了理想的通量路径。每一衬 垫具有例如铝等材料制成的背衬屏蔽物34。240mm长的通量导管将通量引导到磁极面， 在磁极面中，在示出的xz平面上的四个通用路径中的一个上发射通量。大部分通量去往 相对的磁极正面(最短路径)，从而形成气隙漏通量，并且通过Φla轮廓上的最高通量密 度反映气隙漏通量。通量导管上方的此增加的磁通量密度支持互通量(ΦM)，所述互通 量也被部分地吸引到接收器衬垫中的铁氧体。
其余的两个通量路径Φlt和Φlb是很大程度上造成破坏的漏通量，并且这些漏通量理 想地应被减小，以便如下文描述使可以产生的泄漏最小化，因为这些漏通量不会直接或 间接促成耦合，而是导致磁场泄漏。发射器衬垫后方的通量(Φlb)是由于绕组的返回部 分的磁链产生的，而接收器衬垫上方的通量(Φlt)是由于通量导管的磁链产生的。用于 漏通量Φlb和Φlt的通量路径相对较长，正因为如此，这些区域中的通量密度非常低，如 图6所示。
漏通量降低方法
如上所述，例如美国专利4873677(授予精工公司(Seiko))中描述的早期的紧密 耦合系统的设计方式通常类似于变压器和围绕大芯卷绕线圈。如上文所示，这样会明显 地增加线圈的电感，并且降低两个线圈的线圈间耦合，从而产生磁极。这样对变压器型 应用的影响极小，在变压器型应用中，初级系统和二级系统紧密接近，并且展现出低磁 阻路径(并且因此是优选的)，但是对于松散耦合系统(其中气隙较大，并且初级系统 与二级系统之间很可能明显未对准)，如果使用大铁氧体板条的话，则系统耦合系数和 系统传递电力的能力将明显降低。这是因为延伸的铁氧体会提供一个替代的并且合乎需 要的磁阻路径，所述磁阻路径逆着期望的通量路径起作用，所述期望的通量路径在初级 磁性元件与二级磁性元件之间产生互耦合。我们的国际专利公开案WO2010/090539(该 公开案的内容通过引用结合在此)中所提议的DD衬垫结构使用铁氧体条带，在初级系 统上，这些铁氧体条带通常在线圈的返回部分前面结束，而在二级系统上，这些铁氧体 条带可以延伸到线圈的返回部分下面(以便改进第三“正交”线圈的性能)。没有暴露的 铁氧体(磁极上除外)，以便使每一衬垫中的线圈间耦合最大化。
这种后一种构造的局限性是不会包含促成泄漏的破坏性通量(如上所述)，并且在 大多数构造中，由于存在合适的金属(例如铝)屏蔽物，所以这些破坏性通量进一步被 迫离开并且在衬垫后方。在几乎所有设计中，以确保获得电力耦合为目的构造了衬垫， 但是如此处示出，这样得到的设计是次优的，其中的漏通量按照目前的泄漏限制来说可 能是无法接受的。
因此，在至少一个新实施例中，如下减小漏通量：将有限量的磁导性材料(例如铁 氧体)添加到初级和二级衬垫中的一者或两者的末端区段上，并且选择性地暴露特定区 中的铁氧体以便提供辅助磁极区域或磁极面，如下文将进一步描述的。出人意料的是， 基于激活的线圈的拓扑，会得到两个非常独特但是有用的效应。在例如DD等极化结构 中，漏通量明显减小，而在例如正交线圈等圆形结构中，主通量耦合得到改进。
作为有待解决的固有问题的一实例，图7示出了如WO2010/090539中所描述的极 化耦合器的典型布置，其中初级系统70具有两个线圈a和b，这两个线圈串联卷绕，但 是不同相地受到激励，从而产生北磁极和南磁极，而二级结构72具有三个线圈c、d和 e。二级系统的线圈c和d的构造与初级系统的线圈a和b相同，并且第三线圈e放置在 中心，成为正交绕组，如WO2010/090539中所描述。初级和二级系统两者都放置在铁 氧体条带30上方，铁氧体条带30搁置在铝背板34上方。在本申请案中，初级和二级 结构的尺寸略小于500x400mm(下文中将这种设计称为D9)，并且预期所述初级和二 级结构耦合一个区中的完整电力，在x或y方向上有至少150mm的位移，并且衬垫之 间的空隙有75-150mm之间的典型变化。图24中示出了对于140mm的竖直位移的这 种设计的功率曲线，并且同样将其标记为D9。
当初级绕组受到激励时，在所有方向上产生一个场，并且所述场还在初级和二级衬 垫两者周围辐射，所述初级和二级衬垫受到图5中表示的标记为Φal和Φbl的漏通量的驱 动。图8中示出了从DD结构产生的预期泄漏的实例。这里，二级系统在预期的电力传 递区内位移，z方向上的位移是140mm，并且x方向上的横向位移是+100mm，而y方 向上的位移是+50mm。如下确定当仅初级系统受到激励(这里电流在10kHz下插入到 线圈中)时产生的泄漏：取在xz和yz方向上穿过衬垫的竖直平面，并且从表面处的初 级衬垫的中点画1米半径的圆(这里(x,y,z)＝(0,0,0))。所有大于6.25uT(1998年实 施的ICNIRP限制)的场水平用红色示出。可以沿-x和-y方向上在衬垫之间的中间位置 的线(在从初级衬垫的中心点起70mm的高度，如图8中所描绘)明确地计算当二级衬 垫还相对于初级衬垫定位在(x,y,z)＝(100,50,140)处时通量密度的实际值。在这个方 向上，场容量最低，原因在于初级衬垫与二级衬垫的相对位移，如图22中示出。图22 中还示出了从初级衬垫的表面起的z方向上的通量(在(x,y,z)＝(0,0,0)处起始)，所 述通量穿过初级衬垫在-z方向上并且在背面外部延伸(衬垫厚度大概是30mm)，并且 因此这个点处的不连续性表示初级衬垫的实际背面存在于铝屏蔽物的后方的点，这里漏 通量理想地应为零。这个漏通量之所以存在，是因为上文描述的破坏性通量，并且这个 漏通量的值大于期望值，远高于预期水平。
图9(a)中在概念上示出了理想的优选铁氧体结构40。此处，铁氧体成形为捕获末端42 和44处的破坏性泄漏，所述末端42和44经暴露以提供辅助磁极区域，并且增强磁极之间的主 要场，而不会促进线圈外部的额外破坏性通量(如图4中示出)。铁氧体的上面放置有线圈的 顶面(虽然未图示)是扁平的，但是其下方在主通量较高的区域中经过成形并且自然较厚，以 避免饱和。因此，线圈之间的中心中的铁氧体带有主(即耦合)通量，并且需要具有更大的面 积，而发射器的末端仅带有漏通量并且可能非常薄。厚度跨中心线46(表示横向于主轴的横截 面)也变化，因为线圈在边缘处产生的场比在中心产生的场多，并且因此这个区需要更多铁氧 体。实际上，通常这种理想结构是使用容易获得的铁氧体材料(例如铁氧体块)建构的，并且 存在减少铁氧体材料以便减少电感(前提是不会引起饱和)的优点。因而，使用按压在一起的 铁氧体块用图9(b)和9(c)所示的实际形式来构建这个概念性结构。
图9(b)和(c)中示出了这种用于线圈的磁性结构并且在本文中将其称作D11， 所述线圈使用铁氧体块作为一些条带30和末端处的单个铁氧体条带36产生初级系统的 磁极。此处，线圈a和b保持与上文的设计D9相同的大小，但是铝背板34延伸以容纳 铁氧体延伸部36，铁氧体延伸部36存在于初级和二级两个系统中的铁氧体条带30的末 端处。图10和图22中可以立即清楚地看出对场泄漏的影响。这个现象的原因在于，衬 垫末端处的破坏性通量(在x方向上)被辅助磁极区域处的铁氧体捕获，并且受到导引 而穿过衬垫背面。因而，衬垫背面的通量泄漏明显减小，并且辐射出来的泄漏较少。因 此，衬垫背面的场从80uT下降到20uT以下，并且在400mm之后快速降低到6uT以 下，而先前这个场大约在770mm之后才会降低到这个水平。在x和y方向上，对于D11 来说，场分别在800mm和700mm之后下降到6.25uT以下，而在D9中分别是在980mm 和900mm之后。因为衬垫的末端在x方向上大约是245mm并且在y方向上大约是180 mm，于是漏通量将一直到这个点之后才开始降低。在x方向上，D11花费555mm下降 到6.25uT水平，而D9花费735mm(D11减少了25％)。在y方向上，D11结构的场在 520mm而非720mm内下降(减少了28％)。
图24中示出了与D11结构相关联的功率曲线(相较于D9和下文进一步描述的另一 结构)。在这种情况下，铝屏蔽物34略大(图23中描绘了尺寸)，但是这样不会明显地 改变功率曲线。如图所示，添加铁氧体的影响会使DD(D9)的功率曲线稍微减小(减 小不到10％)，但是二级系统中存在铁氧体条带36会明显地增加正交线圈e捕获通量的 能力(图24中称作Q)(几乎使其能力翻倍)，如图所示。因此，x方向上的电力能力明 显地改进，并且在y方向上仅有较小的影响。
尽管如此，如果线圈自身延长(允许磁极移位而稍微进一步分开)以配合D11中的 铁氧体允许的延伸量，那么所耦合的电力也将有改进。图23中将这种结构示出为D17， 其中延长线圈覆盖着铁氧体末端条带36。耦合电力的改进(如图24中示出)看起来相 当大，但是与之伴随的还有，随着线圈进一步外推，漏通量也会对应增加。如图所示， 当二级系统横向地位移125mm时，所传递的电力在D17与D11之间是相同的。因为这 是在预期用于耦合电力的电力区内，所以考虑到D11将明显地减少场泄漏而D17将具有 高于D9的泄漏(因为磁极末端较大)，就没有优点了。
这在图25中得到证实，其中将D17的输出泄漏与D11的输出泄漏进行比较，每一系统的 二级衬垫位移(以MM为单位)到位置(X,Y,Z)＝(100,50,140)。此处，驱动D9和D17的VA 是相同的，并且D17产生的泄漏在X和Y这两个方向上都明显地较大。还示出了当D17以减小 的VA操作时产生的泄漏(这里标记为“D17ADJ”)，D17以减小的VA操作使得耦合到其二级 衬垫中的VA与D11耦合到其二级衬垫中的VA相同。在这种状况下，在衬垫尺寸之外，“D17 ADJ”的泄漏仍然明显地高于D11的泄漏。因此，铁氧体设计的影响是明显的改进，并且出人意 料的是即使在这些减小的操作情况下也好很多。
为了评估其它优选的磁性结构，并且为了评估铝屏蔽物34的影响，考虑多个其它 设计以减少漏通量。图11的D12研究了向初级衬垫添加铝屏蔽环50。图12和图22中 示出了结果。在这种情况下，环与铁氧体端片36的紧密接近会对泄漏造成稍微不利的 影响，因为这会阻挡铁氧体侧面以免吸引漏通量。如果正交线圈e紧密接近的话，则向 二级衬垫添加环还会影响正交线圈e的电力捕获。
在D13(图13中示出的)和D14(图15中示出的)中，铁氧体端片36加宽(在 这个实例中，是加倍)以提供较大的辅助磁极区域，并且铝结构的大小改变—在D13中， 使用较大的背板34，并且存在初级屏蔽环50，而在D14中，使用较小背板且不存在所 述屏蔽环。从图22可以看出，D13显然对泄漏的影响最大，并且与D14的比较示出， 铁氧体延伸部36对捕获x和y方向上的泄漏的影响最大(此处难以看出D13与D14之 间的差异)，而铝34帮助屏蔽-z方向上的泄漏。因此，在端片处添加铁氧体，以使得辅 助磁极具有最明显的影响。所属领域的技术人员应了解，提供辅助磁极区域的磁导性部 件不是必须物理上连接到芯或芯的一部分上。
比较D11与D13(或D14)，显然，考虑到衬垫大小的延伸，泄漏改进较小。在图 22中，泄漏在760mm处在x方向上下降到6.26uT(D13，D14)，而对于D11这个值 是800mm，并且在D9中是980mm。在y方向上，改进甚至更小。因此，在末端处添 加铁氧体36可以经过调整以改进泄漏，但是加宽这些铁氧体延伸部一般不是必需的。
为了进行额外的比较-并且为了进一步证实铁氧体应延伸超出线圈末端，将大块铁氧 体放置在末端处(但是在线圈下面)，如图17的D15所示。图18和22中呈现的结果显 示了这样与D9相比会改进泄漏，但是改进没有从D11看到的那么明显。在横向或y方 向上向末端36添加额外延伸部51从而超出线圈侧面(如图19中的结构D16所示)，会 如图20和22的结果中所示对泄漏有进一步改进，但是同样D9的性能稍微更好。D15 和D16中的额外铁氧体材料会实质性增加衬垫的电感，而其余添加的铁氧体36(与D11 结构中一样)保持作为线圈下方的条带，并且因此不会这么严重地增加电感。因此，D11 添加的铁氧体较少，而具有优越的性能。
图26(b)和(c)中将组合了D11和D16的最佳改进的结构示出为D18。这会使用D11 的铁氧体结构，所添加的铁氧体52的较小片在侧缘处在X方向上向后延伸(类似于汽车保险杆 的形状)大约线圈宽度的一半(如图所示是40MM)。这个铁氧体添加的程度需要受到限制，以 免不利地影响电力耦合和增加衬垫电感，并且将其限制到不超过返回线圈宽度的一半是最佳的。 上文在图4中示出了必须这样小心的原因，此时，沿DD线圈的末端在Y方向上延伸铁氧体， 对于电力耦合有明显的不利影响，因为线圈间耦合会明显地下降，从而使得其将电力耦合到二 级结构的能力减小。当将从D18产生的泄漏与图25所示的D11、D15和D17比较时，显然在X 或Y方向上都未获得优于D11的泄漏的可测量的改进。因而，D11的简单结构显然是优选的。
图26(d)和(e)示出了使用D17的放大线圈对D11的背板的影响。这个经修改的设计在 这里称为D19。将从D19产生的泄漏与具有图27中的经稍微修改的铝背板的D11的泄漏比较 (这个经修改的D11在图26中重新标记为D11-2，但是在图27中简单地标记为D11，因为这些 结构之间实际上差别极小)。因此，D11-2和D19两者的铝背板和其相应线圈搁置在上面的铁氧 体结构现在是相同的。但是线圈大小是仅有的差别。D11-2和D19的功率曲线与D11和D17的 功率曲线(如图24所示)相同，并且因此D19的输出经过调整，使得其在所关注的每一位置 处将与D11系统相同的电力正确地耦合到其二级系统中。当D19以此方式经过调整时从D19 产生的泄漏在图27中标记为“D19ADJ”，并且当D19ADJ与D11-2(标记为D11)的初级和二级 结构完全对准时，将从D19产生的泄漏与从D11-2产生的泄露比较。正如所料，当这些系统处 在这样完全对准的状况下时，这些系统之间的电力耦合的差异最大。实际上，此处D19将明显 更多的电力耦合到其二级系统，因为二级系统的线圈较大(大约大60％)，并且因此其驱动VA 可以缩小到大约66％，以便匹配D11的电力传递，并且这样又减少了所产生的泄漏。因而将预 期在其线圈下面有改进的铁氧体结构的情况下其泄漏将更低，但是如图所示，在X方向上(这 个方向的漏通量最受关注，考虑到这个方向是衬垫的最长长度，并且因此更靠近车辆、AGV或 自动机侧(取决于充电平台)产生的场最高)D11的表现仍然超过D19。如图27中示出，D19 中的泄漏在衬垫尺寸外部差几乎10％。在Y方向上，渗漏是类似的，并且这是因为铁氧体结构 相同。如图所示，Y轴的泄漏稍微较低(考虑到衬垫的这个部分总体上较窄)，并且因此受到的 关注较少。
综上所述，具有通过超出线圈的暴露端片36提供的辅助磁极的铁氧体结构对于满足泄漏减 少来说是一个重要的设计。扩大线圈以覆盖这个改进的结构，虽然会增加耦合，但是即使当用 较低的VA驱动这些线圈时也不会提供任何有用的优点，因为所产生的泄漏即使在理想状况下 也仍然是个问题，并且在X和Y方向上未对准的情况下只会变得更严重。之所以发生这种情况， 是因为D19(D17)和D11的耦合(如通过耦合到二级系统的电力所显示)未对准地聚合，如 图24所示。在这些状况下，D11在泄露方面的表现明显地超过D19和D17，如图25的实例中 所示。
可以如图21所示表明D11的性能的其它改进。此处，衬垫的电感进一步减小，方 法是通过在铁氧体端片36与相应线圈a、b之间放置较小的空隙。这个延伸必须与增加 衬垫大小平衡—但是，放置于道路或停车坪中的初级衬垫的大小可能更大得多，前提是 材料要求不会过分，包含电感(使得衬垫能够受到电源驱动)，并且所传递的电力不会 受到损害，同时渗漏降至最低。另外，端片36可包含延伸部51，使得铁氧体延伸超出 线圈的侧面周边。
还可以与其它衬垫结构一起使用包含延伸部36的铁氧体芯结构，所述其它衬垫结 构例如在我们的国际专利公开案WO2011/016737中公开的那些衬垫结构。图28中示出 了一个实例，其中WO2011/016737中所描述的双极衬垫包含两个重叠的互相解耦的线圈 a、b，位于由铁氧体条带30和端片36构造的芯上。所述芯提供在铝背板34上。
在初级系统中，D11中提议的铁氧体延伸部不带有明显的通量，因为其主要用途是 捕获漏通量。因此，铁氧体材料可能非常薄。在二级系统中，铁氧体端片提供的辅助磁 极区域具有双重作用。与初级系统中一样，这些辅助磁极区域吸收DD二级系统的漏通 量；但是在正交绕组中，这些辅助磁极区域在二级系统位移时带有主要通量，并且因此 厚度应当类似于衬垫中使用的铁氧体条带，所述铁氧体条带经建构以确保在操作期间很 少或者不会饱和。
现在参看图29-45描述其它实施例。
首先参看图29，所述设备包括在本文中被称作单层双D或DD配置的布置的一对线 圈。所述设备大体上包括一对邻近线圈110、111，在磁导性芯112顶上，磁导性芯112 又提供在铝背板113顶上并且与铝背板113间隔开。所说明的实例中的芯包括多个细长 铁氧体棒112a，与在线圈110、111的中心磁极之间延伸的轴平行。举例来说，铁氧体 棒112a可以至少部分地由锰锌(Mn-Zn)铁氧体材料制成。
出于清楚起见，线圈110、111各自在图式中通过矩形区域表示，但是实际上优选 地包括(例如)李兹线的基本上平面的螺旋形绕组，其基本上占据了所说明的区域。所 述绕组可以实际上(例如)是圆形或椭圆形的，而非恰好像图式中表明的一样是矩形的。
线圈110、111各自具有位于磁极区域之间的中心区110a、111a；与中心区相对的 末端区110b、111b；以及中心和末端区的相应末端之间的侧面区110c、110d、111c、111d。
图30说明了图29的设备的现有技术变化形式，其中除了所述邻近的一对基本上D 形的线圈110、111之外，在线圈110、111与芯112之间还提供一个中心“正交”线圈， 如图所示。这个衬垫配置因而称为DDQ衬垫。
参看图31(a)和31(b)，示出了根据本发明的IPT设备的第一实施例，包括DD 配置的一对线圈。
在这个实例实施例中，所述芯包括多个细长铁氧体棒112a，平行于在线圈110、111 的中心磁极之间延伸的轴，并且在线圈110、111的相对末端处添加了一对横向的铁氧 体棒112b，与线圈的末端区110b、111b平行。棒112b提供辅助磁极区域以吸收、导引 或引导漏通量。芯优选地延伸超出线圈的末端区110b、111b，但是不超出线圈的侧面区 110c、110d、111c、111d。更具体来说，横向铁氧体棒112b优选地设置成完全超出线圈 的末端区110b、111b的外缘，并且更具体地说直接邻近线圈的末端区110b、111b的外 缘，细长铁氧体棒112b在这两者之间延伸。
线圈的末端区处的横向铁氧体棒112b促进磁通量进入芯中，并且每一侧面区处的 磁通量受到细长铁氧体棒112a促进以朝向离侧面区最远的磁极区域延伸。
根据本发明的所说明的实施例，线圈的相对末端区110b、111b的宽度相对于线圈 的中心和侧面区(和图29的现有技术设备的末端区110b、111b)减小，方法是通过在 两个或更多个层之间划分相应末端区110b、111b的邻近绕组。因而，虽然在这个实施 例中中心区110a、111a和侧面区110c、110d、111c、111d的绕组优选地基本上是平面 的，但是末端区的绕组可以堆叠在至少两个基本上平面的层中。线圈的电感保持与绕组 全都在单个平面中的情况下相同，因为线圈所封闭的面积保持相同。
举例来说，可能由于细长铁氧体棒112a的长度的限制而必需限制末端区110b、111b 的外缘之间的线圈的宽度，和/或容纳超出线圈的外缘的横向铁氧体棒112b。举例来说， 可以通过某些尺寸的铁氧体棒的可获得情况以及改变那些尺寸的成本考量或制造困难 来确定细长铁氧体棒112a的长度。
根据IPT设备的应用，可能需要衬垫的顶部尽可能是扁平的，上表面中没有任何突 出。举例来说，在所述设备包括用于为设置成嵌入在车辆停车表面内或顶上的车辆充电 的初级衬垫的情况下，任何突出都可能造成绊倒的危险和/或暴露于损害。因此，末端区 110b、111b中的线圈绕组的额外层优选地提供在中心区110a、111a、侧面区110c、110d、 111c、111d和末端区110b、111b的第一层的平面下面。所述线圈可以如下提供：举例 来说，缠绕平面线圈，并且将末端区110b、111b的外侧的一半折叠在内侧的一半下面。
为了适应末端区中的线圈110、111的额外深度，并且确保衬垫的上表面(在线圈 的与芯和背板相对的侧面上)保持基本上扁平，所述芯优选地包括凹座、槽口或扩孔以 接收末端区110b、111b的与芯的至少一部分的上表面齐平的突出第二层(和/或任何额 外层)。基本上平面的中心区110a、111a、侧面区110c、110d、111c、111d和末端区110b、 111b的第一层因而优选地位于芯的至少一部分顶上的单个平面中。在图31的实施例中， 细长铁氧体棒112a因而各自包括紧邻横向棒112b在相对末端处包括凹座或槽口，如图 3(b)所示。从这个图中还将看到，横向棒112b形成外部唇缘或突出的末端边缘，所 述外部唇缘或突出的末端边缘向上延伸，并且至少部分地与线圈重叠(即，在这个实施 例中是末端区110b、111b的第二层)，这样可以提供下文更详细描述的额外优点。
图32说明了图31的设备的变化形式，其中除了邻近的一对基本上D形的线圈110、 111之外还提供了中心“正交”线圈。这个衬垫配置因而称为DDQ衬垫。
根据图32中所说明的DDQ衬垫的实施例，与根据权利要求1所述的设备中一样， 线圈的末端区110b、111b堆叠在两层绕组中，以便减小横向棒112b之间的设备的总宽 度。但是，不同于图31的实施例，线圈110、111并非部分地凹陷在芯112中。替代地， 末端区110b、111b中的第二层线圈绕组提供了一个空间，用于提供DD线圈110、111 与芯112之间的正交线圈，如图32(b)所示。也就是说，正交线圈与DD线圈110、111 的基本上平面的中心区10a、11a、侧面区10c、10d、11c、11d和末端区110b、111b的 第一层下面的末端区10b、11b的第二层基本上同一平面。
图33和34分别说明图29和32的DD和DDQ衬垫的其它实施例，其中背板113 的大小减小。
在无线电力传递的许多应用中，仅仅需要向受激励的线圈的一个轴向侧面产生磁通 量，或者从受激励的线圈的一个轴向侧面接收磁通量。举例来说，为了给车辆充电，总 体上将把初级线圈设置在地面上或地面中，并且将把具有二级通量耦合设备的车辆停放 在仅仅初级线圈的上方，以便与之磁耦合。因而，初级衬垫的背板113总体上由例如铝 的基本上非磁性材料薄片制成，所述薄片设置在线圈下面，使得所述设备仅仅提供向上 指向二级通量耦合设备的单侧场。类似地，二级通量耦合设备可以具备背板，以便改善 超过所述设备的磁通量。
为了基本上屏蔽线圈的相对侧免受磁通量影响，根据现有技术的通量耦合设备的背 板113总体上延伸超出线圈和芯以提供屏蔽物的延伸区域。但是，已发现这样做会在背 板中产生涡电流，这些涡电流诱发磁场并且可以产生余热。
因此，在本发明的各种实施例中，背板113与线圈110、111、120和/或芯112的外 缘相比未进一步延伸，并且在至少一些实施例中，背板113可以从线圈和/或芯限定的外 部周边凹陷或下沉，以便减少背板中诱发的涡电流间接引起的漏通量。更具体来说，背 板优选地与所述设备的末端处的芯的外缘相比未进一步延伸，借此背板基本上受到芯的 屏蔽。在(例如)图33和34中所说明的实施例中，背板113包括基本上非磁性材料的 矩形薄片，所述矩形薄片在一个方向上仅仅延伸到横向棒112b的外缘，并且在其它方 向上延伸到线圈110、111、120的侧面区110c、110d、111c、111d的外缘。
减小背板113的大小会降低涡电流间接引起的漏通量，方法是通过促进通量进入芯 112而非背板中。但是，在某些应用中，举例来说，出于屏蔽的原因，现有技术的较大 背板113可能是优选的。
图35和36说明了图31的DD实施例的其它变化形式，其中线圈的相对末端区110b、 111b相对于线圈的中心和侧面区进一步缩小，方法是通过分别在相互堆叠的三个层与四 个层之间划分相应末端区110b、111b的邻近绕组。这样有额外的益处，即能实现较宽 的横向铁氧体棒112b，而不会增加衬垫的总大小，从而进一步减小因较低磁阻导致的通 量泄漏。
在末端区110b、111b中具有凹陷到芯中的多层绕组的通量耦合设备的设计中的一 个重要考虑是凹陷区中的芯的高度和横截面积相应地减小。如果在使用时芯的凹进区域 饱和，则所述设计的效率可能会遭到损害，在芯的凹进区域饱和的情况下，芯可能未给 磁通量提供充分低磁阻的路径。举例来说，考虑到锰锌铁氧体的BH特性，任何低于0.3T 的通量密度都可以被视为不饱和，并且对图36的四层设备的测试显示，举例来说最大 通量密度是0.267T。
在所说明的两个实施例中，横向铁氧体棒112b的高度也相对于图31的实施例增加。 在这些实施例中，横向棒112b的高度因而大于细长铁氧体棒112a的高度，借此横向棒 112b各自在芯的相对末端处形成唇缘。更具体来说，如图35(b)和36(b)中示出， 横向棒112b的大小优选设计成使得其顶表面基本上放置成与如上所述凹陷时的线圈 110、111的顶表面齐平。这样的效果是能进一步减小漏通量，方法是通过导引大量漏通 量使之穿过横向铁氧体棒112b。也就是说，设备的相对末端处的芯的唇缘阻止或者至少 改善了来自线圈110、111的末端绕组的泄漏。
图37说明根据本发明的IPT设备的另一优选的实施例，其组合了上述特征中的几 个。具体来说，所述设备包括：一对DD线圈，其在末端区110b、111b中具有凹陷到芯 的细长铁氧体棒112a中的三层绕组；横向铁氧体棒112b，其同样比图35和36的横向 铁氧体棒宽，并且在芯的相对末端处提供唇缘，所述相对末端搁置成与线圈110、111 的顶表面齐平或者在其上方；以及背板113，其延伸超出线圈的侧面区110c、110d、111c、 111d，但是总长度比芯112短，借此背板的相对边缘处在芯的末端区110b、111b的外边 缘与横向铁氧体棒112b的外边缘之间。
从上文可以看出，芯的相对末端处的线圈的高度或深度可以被视为具有电流中心， 即，一个中心点，线圈产生的场从这个中心点散发。如果辅助磁极区域(无论是由壁部 分、唇缘、棒还是其它部分形成)是设置在电流中心处或电流中心上方，则线圈产生的 漏通量将倾向于被导引、引导或吸收到辅助磁极面处，否则所述漏通量将表现为漏通量。 在所说明的实例中，凹座示出为面朝耦合通量被导引或被接收的区。但是，在其它实施 例中，所述凹座可以面朝线圈的中心，即，辅助磁极区域可以覆盖辅助磁极区域邻近的 线圈的外围边缘。
举例来说，图46示出了线圈的末端或外围区的部分图解横截面，例如但不限于前 述实施例的线圈110或111。线圈的各个匝210-212示出为邻近于磁导性部件，例如(同 样不限于)芯112。末端或外围区中的匝210-212的群组表示通量产生器，所述通量产 生器具有在中心匝211上或附近的电流中心。辅助磁极区域214设置在电流中心上方， 成大于零的角度216。
图47中示出了另一实例，图47使用相同的参考标号来指代与上文参照图46描述 的相同的特征。虽然匝群组在磁极区域214的高度以上延伸，但是磁极区域214相对于 匝211附近的电流中心成角度216。
图48和49中示出了两个另外的实例。参看图48，辅助磁极区域设置成超出线圈末 端或周边区的成角度的唇缘的一部分。在图49中，提供一个凹座，所述凹座面朝线圈 的中心。
在图50中示出的实施例中，辅助磁极区域实际上是分布式的，使得辅助磁极区域 包括多个磁极区域，所述多个磁极区域由位于线圈外围区处或附近的匝(或匝的群组) 之间的多片磁导性材料形成。
参看图37(a)，本发明的本实例实施例优选地具有：背板113，其尺寸是775x485 x4mm(长度x宽度x深度)；芯112优选地具有826x391x20mm的总尺寸，包括一 对尺寸为391x70x20mm的横向铁氧体棒，和多个尺寸为686x28x16mm的细长铁 氧体棒，所述多个细长铁氧体棒在横向铁氧体棒之间延伸，并且彼此隔开33mm；以及 一对邻近线圈110、111，各自具有大小为391x343mm的外部尺寸，包含宽度为120mm 的中心区110a、111a，宽度为28mm的末端区110b、111b，和宽度为80mm的侧面区 110c、110d、111c、111d。
特别参照图37(b)，所说明的实施例的线圈10、11的每一平面层大约是4mm深， 在三层末端区110b、111b中的总深度是12mm。这需要16mm深的细长铁氧体棒112a 中有一个8mm凹座，以容纳线圈的第二和第三层。在这个实施例中，横向铁氧体棒112b 因而优选地具有20mm的深度以搁置成与线圈110、111齐平。芯112优选地与背板113 隔开6mm，背板113的厚度是4mm。在这个图中还可以看出，背板113的在纵向方向 上的相对边缘从横向铁氧体棒112b的外边缘凹陷或下沉，以便减少因为在背板中诱发 的涡电流而间接引起的漏通量。
仅举例提供以上尺寸，并且这些尺寸不应解释为以任何方式限制根据本发明的设备 的组件的尺寸或相对比例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以合理地改变组件的形 状、规格和相对尺寸。
图38(a)和(b)示出了一个构造，所述构造具有总体上根据相对于图32描述的“正 交”线圈，但是提供辅助磁极区域的末端棒112b较大。这个实施例和图32和图34的实 施例中的辅助磁极区域不仅可以减少来自110和111的漏通量，而且还可以辅助提供一 条路径将通量耦合到正交线圈120或者从正交线圈120耦合通量。在这个实施例中，棒 112b的宽度是30mm并且深度是16mm，并且结构的总尺寸沿y轴是775mm而沿x 轴是485mm。
图38(c)示出了二级衬垫200，二级衬垫200与初级衬垫201在一段沿x轴的距 离202(为200mm)未对准，这就是下文中关于图39和40的曲线图所提到的未对准。
图39用四个曲线图说明了四个不同的初级和二级衬垫组合的模拟通量泄漏，其中 沿与衬垫中的每一个的磁极之间的线平行的x轴有200mm的水平位移—这是用于表示 最差情况的通量泄漏的绝对次优的对准。在衬垫的相应表面之间的125mm气隙处，初 级衬垫与二级衬垫之间的垂直或z轴位移是固定的。用于曲线图的规格的范围是从0到 16.9μT，其中16.9μT是不应被超过以防干扰人工心脏起搏器的磁场。初级衬垫受到激 励，并且二级衬垫保持开路，以便评估泄漏曲线的变化。在图39-42中，衬垫被视为靠 近每一曲线图的中心的水平线。
为了比较，图39(a)示出了与图30的现有技术DDQ二级衬垫电感耦合的图29 的现有技术DD初级衬垫的漏通量。也就是说，两个衬垫都不包括本发明的各种实施例 的横向铁氧体棒112b、凹陷线圈110、111或缩小背板113。图39(b)说明了与根据图 32的实施例的双层DDQ二级衬垫电感耦合的根据图31的双层DD实施例的初级衬垫的 漏通量。图39(c)说明了与根据图34的实施例的双层DDQ二级衬垫电感耦合的根据 图33的双层DD实施例的初级衬垫的漏通量。图39(d)说明了与基本上如图32中所 示的双层DDQ二级衬垫电感耦合的根据图36的四层DD实施例的初级衬垫的漏通量， 但是具有较宽的横向铁氧体棒112b。
从图39的图式可以看出，图39(b)-39(d)的衬垫组合中的每一个相对于就在前 面的图的通量泄漏得到改进。在二级衬垫的中心的正后方800mm处，图39(b)的磁 通量是61.6μT—(举例来说)与图39(a)的80.1μT的磁通量相比降低了23.1％。对 于图39(c)的实施例，磁通量是54.8μT—降低了31.6％。
图40-42用六个曲线图说明了三种不同的初级和二级衬垫组合的模拟通量泄漏，其 中沿水平的y轴有200mm的水平位移(而在x轴上没有位移)。对于所述三种不同的初 级和二级衬垫组合中的每一个，示出了(a)具有y轴的平面中的横截面；以及(b)具 有x轴的平面中的横截面。
首先参看图40，示出了图39(a)中使用的图29和30的相同初级和二级衬垫的磁 通量泄漏。
图41示出了图39(b)中使用的相同初级和二级衬垫的通量泄漏。也就是说，根据 图31的DD实施例的双层初级衬垫与根据图32的实施例的双层DDQ二级衬垫电感耦 合。
图42示出了根据图37的三层实施例的初级衬垫和根据图38的二级衬垫的通量泄 漏。
同样，可以看出，图41和42中所示的本发明的两个实施例相对于图40显示出改 进的通量泄漏。图43的曲线图中示出了这些改进，图43示出了所述三种配置中的每一 种的离中心的多个距离处的磁通量密度的比较。可以看出，图42的三层实施例(代表 图43中最下面的轨迹)在耦合衬垫的远处具有最低的通量密度(即，最低场泄漏)。
实际上，芯布置的设计可以至少在一定程度上取决于具有必需的总尺寸的铁氧体棒 的可获得情况和/或成本。举例来说，可能只有具有116x35x10mm(长度x宽度x深 度)、109x15x8mm和93x28x16mm标准尺寸的铁氧体棒是可以获得的和/或经济的。 可以使用如图44所示的这些尺寸的铁氧体棒来近似于图37的芯，例如，其中芯的所说 明的区中的每一个包括上述尺寸的一者中的多个铁氧体棒。
此外，图45中示出了可以用作初级或二级衬垫的另一磁通量耦合构造。这种构造 非常类似于上文相对于图28描述的构造。在这个实施例中，重叠的线圈110和111堆 叠(即，具有堆叠分层的匝)在线圈的靠近铁氧体部分112b的末端处。这一点在图45 (b)中看得最清楚。同样，部分112b提供如上所述起作用的辅助磁极区域。这种结构 可以用作初级衬垫或二级衬垫，并且与所描述的其它实施例一样，部分112b可以凸起 到堆叠线圈的高度处或堆叠线圈的高度以上的水平，和/或可以凹陷。
尽管已经借助于实例并且参考本发明的可能实施例描述了本发明，但是应理解在不 脱离本发明的范围的情况下可以进行实例的修改或改进。本发明还可以广义地说在于个 别地或共同地在本申请案的说明书中参考或指示的部件、元件以及特征，在于所述部件、 元件或特征中的两者或更多者的任何或所有组合。此外，当已经参考具有已知等效物的 本发明的特定组件或完整物时，那么此类等效物如同个别地阐述一样并入本文中。
具体来说，虽然本文所描述的本发明的实例实施例具有包括多个细长铁氧体棒的 芯，但是本发明并不限于此，并且举例来说可以替代地包括非铁磁导性材料和/或基本上 平面的磁导性材料薄片。薄片可以显著比细长铁氧体棒薄，从而产生一个在至少一些应 用中出于此原因可能优选的低轮廓通量耦合设备。薄片芯还可在芯的邻近于线圈10b、 11b的末端区的每一末端处包括突出区的形式的横向棒，并且那些区可以类似地据说在 芯中提供唇缘。
在一些实施例中，线圈10、11可包括围绕其完整圆周而非仅围绕末端区10b、11b 的多个层。但是，末端区优选地包括至少一个额外层，所述至少一个额外层凹陷到芯中， 以相对于线圈的其它区减小末端区10b、11b的宽度，以考虑到横向铁氧体棒12b。虽然 线圈中的每一个的绕组优选地在所述多个层当中均分，并且直接堆叠在彼此顶上，但是 这些特征对于本发明不是必不可少的，并且在其他实施例中，所述层中的一者或多者可 以各自包括不同数目的绕组和/或相对于绕组的至少一个邻近层偏移或错开。
本发明的各种实施例还可以具备罩盖来保护线圈、芯和/或背板免受例如冲击、碎屑 或短路造成的损害。所述罩盖可以紧靠横向铁氧体棒12b，并且从其向上突出，且跨越 线圈突出到相对的侧面。所述罩盖优选地基本上包括非磁性材料(例如塑料)以便不会 干扰电力的传递，但是在至少一些实施例中，所述罩盖可在芯处或芯附近包括磁导性材 料，以便进一步改善设备侧面和/或后方的通量泄漏，将通量泄漏朝向芯12导引。
在本发明的各种实施例中，芯的唇缘向上延伸超出芯中的凹座，所述凹座接收线圈 10、11的至少一个层；芯的唇缘延伸到线圈10、11的上表面而搁置成与之齐平；或者 突出超出线圈的上表面以进一步促进通量进入芯中。
此外，本发明不限于包括本文中描绘的DD或DDQ线圈配置的应用，并且还可以 应用于任何其它线圈配置，至少包含双极衬垫(BPP)配置，其包括一对重叠线圈。
从上文中将看出，提供一种能够无线地传递电力的通量耦合IPT设备，其中初级和 /或二级衬垫的侧面和/或后方的通量泄漏水平降低。
除非上下文另有明确要求，否则在通篇描述中，“包含”、“包括(comprise)”、“包 括(comprising)”等单词应以与独一或详尽的意义相反的包含性的意义来进行解释，即 作为“包含，但不限于”来进行解释。
在说明书的通篇中的现有技术的任何论述不应被视作承认此类现有技术是广泛地 已知的或构成所述领域中的公共常识的一部分。