用于实现电磁能量传递的装置、系统和方法.pdf

用于电磁能量传递的装置10包括充电固定机构1，其具有接触面4和发生器线圈2，发生器线圈2与电容构成谐振器电路。充电固定机构1优选地布置为伸长的棒，在其上可以布置多个可充电电子设备5。为了实现从充电固定机构1到电子设备5的电磁能量传递，必须将后者布置为具有拾取电路，用于在环路中，优选地在次级谐振器电路中，产生次级交流电。为了在充电棒1上固定电子设备5的位置，优选地将充电棒布置为具有在接触面4的平面中延伸的凸起部3。可以改变电子设备5的形状以便悬挂在凸起部上，并按照箭头6从其移去。

1、  一种装置(10)，具有充电固定机构(1)，所述充电固定机构(1)具有接触面(4)，用于经由所述接触面向多个电子设备(5)传递电磁能量，其中，将所述电子设备布置为具有各自的拾取电路，用于当所述电子设备位于所述接触面上时接收所述电磁能量，所述装置包括基本上配套于所述接触面布置的初级绕组(2)，其特征在于，
将所述初级绕组(2)布置为谐振器电路的一部分，所述谐振器电路被设计为能够实现到各个拾取电路的电磁能量传递。

2、  如权利要求1所述的装置，其中，将所述初级绕组(2)布置在所述充电固定机构(1)中，所述充电固定机构(1)在一个尺寸(L)上充分伸长。

3、  如权利要求1或2所述的装置，其中，所述初级绕组(2)包括唯一的伸长的线圈，其被布置为产生基本上在整个所述接触面(4)内的交变磁场。

4、  如权利要求1或2所述的装置，其中，所述初级绕组包括多个线圈元件(22)，其被布置为产生基本上在整个所述接触面(27)内的网状交变磁场。

5、  如权利要求4所述的装置，其中，以交叠方式布置所述线圈元件，每一个线圈元件的区域还布置有传感器(24)，用于检测所述电子设备在该线圈元件的所述区域中的存在，以便按需要选择性地激活该线圈元件。

6、  如权利要求5所述的装置，其中，将所述传感器布置为检测所述电子设备的电磁反馈，所述电子设备被设计为从所述装置接收所述电磁能量。

7、  如权利要求5所述的装置，其中，将所述传感器布置为检测所述电子设备的软磁心，所述电子设备被设计为从所述装置接收所述电磁能量。

8、  如前述任意一项权利要求所述的装置，其中，所述充电固定机构(1)被布置为充分超过所述电子设备的额定尺寸(R)，并且还包括用于将所述电子设备(5)定位在所述接触面(4)上的部件，用于定位的所述部件被布置为在所述接触面上固定所述电子设备的停留位置。

9、  如权利要求8所述的装置，其中，用于定位的所述部件包括在被设计用于接纳所述电子设备(5)的所述接触面的平面中的凸起部(3)。

10、  如权利要求8所述的装置，其中，用于定位的所述部件包括碰锁机构。

11、  如权利要求8所述的装置，其中，用于定位的所述部件包括永磁体，其被布置为与所述电子设备交互作用，从而以磁力将其吸引到所述接触面。

12、  一种用于电磁能量传递的系统(40)，包括：根据前述任意一项权利要求所述的装置(41)；以及电子设备(42)，其被布置为具有用于接收所述电磁能量的拾取电路。

13、  如权利要求12所述的系统，其中，所述电子设备仅当位于所述充电固定机构上时，才是电可操作的。

14、  如权利要求12所述的系统，其中，所述系统还包括充电指示器(a、b、c、d)。

15、  如权利要求12所述的系统，其中，将所述电子设备和/或所述充电固定机构的所述初级绕组布置在印刷电路板上。

16、  如权利要求12、13、14或15中任意一项所述的系统，其中，将所述充电固定机构布置为具有安装部件，用于将所述充电固定机构安装在基本上垂直的表面上。

17、  如权利要求12、13、14或15中任意一项所述的系统，其中，将所述充电固定机构集成到另一设备中。

18、  一种用于实现电磁能量传递的方法，包括以下步骤：
提供具有充电固定机构的装置，所述充电固定机构具有接触面，用于实现经由所述接触面向多个电子设备的电磁能量传递，所述装置包括基本上配套于所述接触面布置的初级绕组，其中，将所述初级绕组布置为谐振器电路的一部分，所述谐振器电路被设计为以感应方式传递能量；
将至少一个电子设备放置在所述接触面上，将所述电子设备布置为具有用于接收所述电磁能量的拾取电路；
激活所述谐振器电路，从而实现到所述电子设备的所述电磁能量传递。

用于实现电磁能量传递的装置、系统和方法
技术领域
本发明涉及一种装置，具有充电固定机构(fixture)，该充电固定机构具有接触面，用于经由该接触面向多个电子设备传递电磁能量，其中，所述多个电子设备被布置为具有各自的拾取电路，用于当所述电子设备位于接触面上时接收电磁能量，所述装置包括初级绕组，其被布置为基本上配套于接触面。
本发明还涉及一种用于电磁能量传递的系统，其包括如前文所述的设备。
本发明还涉及一种用于实现电磁能量传递的方法。
背景技术
由US 2005/0189910 A1了解了如开始段中所述的一种装置。已知的装置涉及一种电池充电器系统，其包括充电模块，该充电模块具有初级充电电路，其被布置为基本上平行于该已知装置的平坦接触面。该初级电路包括变压器的初级绕组。该已知装置被布置为，当配有次级电路的电子设备位于该已知装置的接触面上时，以感应方式对该电子设备进行充电，其中该次级电路被设计为充当该变压器的次级绕组。该已知装置还包括高频电流源，其将该电流输入到初级绕组。所用的初级变压器电路通过包含初级变压器绕组的接触面以高频发射电磁能量。由电子设备的拾取电路构成的次级变压器绕组耦合该能量，并产生次级高频交变电压，其随后由适合的整流器进行整流，并输入到电子设备的电池中，用于充电的目的。以此方式，在初级充电器电路与电子设备之间无需电接触。
该已知装置的缺点在于，必须采用特定手段来确保通过变压器的初级绕组的恒定通量，因为对于平面形螺旋绕组，磁通量分布沿着初级绕组的横截面是不均匀的。这就使得该已知装置更昂贵，并需要精心设计的电子电路来补偿磁通量的不均匀性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电磁能量传递的装置，其是简单、廉价且操作可靠的。
为此，在根据本发明的装置中，将初级绕组布置为谐振电路的一部分，该谐振电路被设计为能够实现到各个拾取电路的电磁能量传递。
本发明的技术措施基于这样的领悟：即，通过将初级绕组布置为包含电容性和电感性元件的谐振电路的一部分，充分简化了电子设备的架构。作为优点，即使对于脉冲AC电源，谐振电路也能够如同可以由开关模式电源便利地产生的那样，提供接近于正弦曲线形的电压和电流形状。此外，克服了在磁通量中的不均匀性问题。
根据本发明的装置适于充电许多种电子设备的可充电电池，特别是移动电子设备，包括移动电话，家庭设备，医学设备，健康监控设备，个人护理单元等。可替换地或者附加地，可以将电子设备布置为不具有任何能量存储单元，以便只有当其位于充电固定机构上时才可操作。例如，这种电子设备可以是灯，或者任何其它适合的设备。具体地，根据本发明的装置适于对用于在重病特别护理病区中进行患者监控的智能无线医学传感器进行再次充电，该传感器应当是被气密密封的。这种设备需要电池，其必须是可再次充电的。在医学护理情况下，具有电接触的常规解决方案易于被污染。因此，电磁充电方法是优选的。现有的解决方案需要规定的固定机构来实现明确定义的磁电路，例如在本身已知的牙刷中实现。但这个固定机构仍不便操纵。而且，在医学环境中，必须操纵几个相似的设备。因此，需要一种无线感应解决方案，其不需要设备的准确定位，并能够操纵多个设备。在根据本发明的装置中，将电子设备放置在接触面上，特别是充电固定机构上。优选地，充电固定机构实现为伸长的组件，具有基本上大于其它尺寸的接触面尺寸。在优选实施例中，充电固定机构实现为棒形。在这个实施例中，获得了使用便利性的实质改善，因为用户能够简单地将电子设备最终定位在棒上的任何位置，且仍能达到预期的技术效果。因此，根据本发明的装置提供了一种对移动电子设备简便可靠的充电，尤其是当需要这种设备气密密封而不存在与电源的任何电接触时。
在该装置的一个实施例中，初级绕组包括唯一的伸长的线圈，其被布置为产生基本上在整个接触面内的交变磁场。
优选地，充电固定机构，特别是棒，包含长的发生器线圈，其产生沿着棒的长度方向是均匀的交变磁场。每一个移动电子设备都包含接收器线圈，交变磁场在其中产生用于对电池进行充电的电压。因此，可以在充电固定机构的任意位置上对任何电子设备进行充电。
在本发明进一步的实施例中，初级绕组包括多个线圈元件，其被布置为产生基本上在整个接触面内的网状交变磁场。
在第二解决方案中，充电固定机构，特别是棒，包含多个发生器线圈，其能够产生交变磁场。优选地，以交叠方式布置线圈元件，每一个线圈元件的区域还布置了传感器，用于检测所述电子设备在该线圈元件的所述区域中的存在，以便按需要选择性地激活该线圈元件。在这种布置中，只有在电子设备位于其区域上时才激发线圈元件，从而减小了装置的初级绕组的功耗。可替换地，可以在充电棒上为电子设备提供离散的位置，从而更好地控制在充电固定机构与接收电磁能量的电子设备之间的磁耦合。而且，在该实施例中，仅需较少的冗余线圈。注意在该实施例中，在充电固定机构内的线圈不必交叠。发射器1线圈可以并联或串联或以适合的结合方式连接到彼此的发生器。
在根据本发明的装置的再另一实施例中，将充电固定机构布置为充分超过所述电子设备的额定尺寸，并且还包括用于将所述电子设备定位在所述接触面上的部件，用于定位的所述部件被布置为在所述接触面上固定所述电子设备的停留位置。
优选地，将用于定位的部件布置为以机械方式在所述装置的接触面上固定电子设备的停留位置。优选地，用于定位的部件包括在被设计用于接纳电子设备的所述接触面的平面中的凸起部。这个特征的适合的实施例是钩形凸起部，可以将电子设备悬挂在其上。以此方式，电子设备的重量进一步改善了在充电表面与电子设备之间接触。此外，因为用于定义电子设备在正交方向上的停留位置的定位部件补偿了电子设备在纵向方向上的定位自由度，所以实现了更佳的磁耦合。可替换地或者附加地，用于定位的部件包括碰锁机构。再可替换地或者附加地，用于定位的部件包括永磁体，其被布置为与电子设备交互作用，从而以磁力将其吸引到接触面。再可替换地，用于定位的部件可以包括可释放的销钉，其被布置在充电固定机构的接触面上，以便通过将电子设备放到接触固定机构并且按压销钉，来操作机械开关，从而激活相应的线圈。
一种用于电磁能量传递的系统包括参考前文所述的装置和电子设备，将电子设备布置为具有用于接收电磁能量的拾取电路。还参考图4来进一步论述根据本发明的系统。
一种实现电磁能量传递的方法包括以下步骤：
提供具有充电固定机构的装置，所述充电固定机构具有接触面，所述接触面能够实现经由所述接触面向多个电子设备进行电磁能量传递，所述装置包括基本上配套于所述接触面布置的初级绕组，其中，将所述初级绕组布置为谐振器电路的一部分，所述谐振器电路被设计为以感应方式传递能量，
将至少一个电子设备置于所述接触面上，将所述电子设备布置为具有用于接收所述电磁能量的拾取电路；
激活所述谐振器电路，从而实现到所述电子设备的所述电磁能量传递。
参考在下文中所述的实施例来阐述本发明的这些及其它方面，并由此变得明显。
附图说明
图1显示了根据本发明的装置的第一实施例的示意图。
图2显示了根据本发明的装置的第二实施例的示意图。
图3显示了用于单一发生器线圈系统的电路图的示意图。
图4显示了在根据本发明的系统中电子装置电路图的一个实施例的示意图。
图5显示了根据本发明的系统的一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的装置的第一实施例的示意图。装置10包括充电固定机构1，其具有接触面4。优选地，以平面结构来布置接触面4。配套于接触面4的平面布置了发生器线圈2，其构成初级绕组。发生器线圈2被布置为构成具有电容(未示出)的谐振器电路的一部分，以便在使用中构成具有穿过线圈2横截面的基本上均匀的通量的振荡磁场。将参考图3来论述装置10的操作。优选地，将充电固定机构1布置为在由L示意性给出的方向上的伸长的棒，在其上可以布置多个可充电电子设备5。该实施例的优点在于，可以有效地对电子设备5进行充电，而不用考虑它在棒1上的位置，因为棒的尺寸L充分大于电子设备的额定尺寸(complementarydimension)R。优选地，电子设备5包括开按钮7a和关按钮7b以及该设备的电池(未示出)的充满电的指示器8。为了实现从充电固定机构1到电子设备5的这种电磁能量的传递，必须将电子设备5布置为具有拾取电路(未示出)，用于根据法拉第定律在环路中产生次级交流电流。为了在充电棒1上固定电子设备5的位置，优选地将充电棒布置为具有在接触面4的平面中延伸的凸起部3。可以改变电子设备5的形状以便悬挂在凸起部上，并按照箭头6从凸起部移去。
图2显示了根据本发明的装置的第二实施例的示意图。装置20包括充电固定机构21，具有接触面27。优选地，以平面结构布置接触面27。配套于接触面27的平面布置了多个交叠的发生器线圈22，发生器线圈22构成初级绕组。发生器线圈22被布置为每一个都构成具有电容(未示出)或者一组电容(未示出)的谐振器电路的一部分，以便在使用中构成具有穿过线圈22横截面的基本上均匀的通量的振荡磁场。由虚线示意性显示的走线25表示部分重叠的电感线圈的电感线圈走线。所述装置的这个实施例的操作类似于参考图3所述的。优选地，将充电固定机构21布置为伸长的棒，在其上可以布置多个可充电电子设备28。这个实施例的优点在于，可以有效地对电子设备28进行充电，而不用考虑它在棒21上的位置。再优选地，充电棒21包括一组传感器24，其被布置为仅激发在其区域中设置了电子设备28的线圈。传感器24优选地是压力传感器或亮度传感器。再优选地，传感器被布置为检测电子设备28的电磁反馈。这种传感器的适合的实例包括铁氧体(ferrite)传感器和RF-ID传感器。为了实现从充电固定机构21到电子设备28的电磁能量传递，必须将电子设备28布置为具有拾取电路(未示出)，用于根据法拉第定律在环路中产生次级交流电流。为了在充电棒21上固定电子设备28的位置，优选地将充电棒布置为具有在接触面27的平面中延伸的凸起部23。可以改变电子设备28的形状以便悬挂在凸起部上，并按照箭头26从凸起部其移去。
图3显示了用于单一发生器线圈系统的电路图30的示意图，其可以用于产生穿过发生器线圈35的交变电流。它包括两个开关33a和33b，依次开关以便将输入电压31输入到线圈35，从而在输出上产生矩形交变电压。开关33a、33b的操作受控制器32控制，从而控制工作频率。串联的电容器34与发生器线圈35的电感性一起构成谐振电路。选择电容器34以便使这个谐振电路的谐振频率与所述工作频率匹配。这样，交变电流是正弦曲线，并具有低成分的高次谐波，高次谐波会干扰其它电子设备。发射器和/或接收器中的谐振电路可以包括与电感器绕组并联的电容。除了串联电容器34之外还可以使用它。在发射器中，它可以补偿电感器电流，以便驱动器发现较少的感应电流，并从而具有较少的损耗。还可以用它代替串联电容器34。尤其是在电子设备中，并联电容器对于具有较高电阻率的负载是有利的，因为在此情况下更好地匹配了阻抗且电子设备对于较高输出电压需要较少的线箍。
优选地，由印刷电路板(PCB)走线来制造发生器线圈35。发生器电路可以有利地位于同一个PCB上。将软磁板设置在发生器线圈后面是有利的。这将在固定机构后面的装置和人与磁场屏蔽，并改善了与接收器设备的磁耦合。如此构成的用于电磁能量传递的装置包括接触面36，从而将发生器线圈35的绕组布置为配套于接触面36的平面。该装置可以用于对多个电子装置进行充电。在这个具体实施例中只显示了两个这种设备(A、B)。每一个设备都布置为具有拾取电路，分别包括次级线圈37、38和负载A、B。负载可以是任何电子设备或者可充电电池。在图4中示意性的显示了能够实现这种无线充电的典型电子设备的电路图。
在图4中，次级线圈51和电容52构成了次级谐振电路，其产生交变电压，它受到交变磁场的影响。交变电压由整流器53整流，以形成直流电，随后将直流电提供给可充电电池54。负载电阻器55代表电子设备的电子电路。
图5显示了根据本发明的系统的实施例的示意图。系统40包括用于根据本发明进行电磁能量传递的装置41以及电子设备42。提供了该装置的递升视图，以便易于理解其架构。电子设备42包括印刷电路板47，在其上布置了接收器绕组46。设备42优选地包括软磁板45，其被布置为使磁场与包括接收器电路基板44的该设备内部屏蔽，并被布置用于增强磁耦合。再优选地，电子设备42可以布置在平面电路板44上。将充电固定机构的初级绕组布置在其自身的平面电路板上也是有利的。可以串联电容器49，以补偿该排列的泄露感应率。由整流器48将交变电压整流为DC电压，并馈入电池43中。优选地，将发生器和接收器线圈的软磁层层叠到印刷电路板，以便简化制造工艺
优选地，电子设备42包括多个指示器a、b、c、d，其被布置为指示电磁能量传递的状态。便利的是，指示器“a”可以被布置为向用户显示可以获得电能，指示器“b”可以被布置为显示充电进行中，指示器“c”可以被布置为显示充电结束，指示器“d”可以被布置为显示充电过程进行了多少。还可以设想在本领域技术人员的技术知识范围内的其它功能。可替换地，指示器可以位于充电固定机构41上。
方便的是，将根据本发明的系统40的充电固定机构41布置在垂直表面的一部分上，特别是在墙壁上。为此，可以便利地为充电固定机构提供安装部件(未示出)，如钩子、销钉等。在根据本发明的系统进一步的实施例中，充电固定机构41可以被布置为某种设备的一部分，该设备可以是一件家具，例如家具的边缘、垂直桌面的一部分、或者医学设备(例如X光机)的适合部分。
尽管已经在附图和前文描述中详细显示并说明了本发明，但这种显示和说明应认为是说明性或示范性的，不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。