2012 十二月

无线电力传输线圈

在旅途中智能充电

如今,无线充电最终使得移动设备完全不受制于最后一根电线-这必然会令智能手机用户感到非常欣喜。TDK已经开发出了超平的电力传输线圈,这款线圈能满足无线充电联盟(WPC)要求最严格的Qi规格。

无须使用电线或连接器的电力传输已经广泛地应用于各种产品,例如牙刷、LED蜡烛、遥控器、医疗设备或电磁炉,这种电力传输方法既可靠又方便。然而,直到现在,无线充电系统智能用于特殊的产品或应用,它不能普遍地用于其它各种尺寸大小和形状各异的设备。如今,用户要求充电站能普遍对来自不同制造商的产品进行充电,并同时能对下一代的产品模型充电。

未来的移动设备用于在使用他们的设备时再也不需要担心电池消耗问题,因为他们所到之处的很多地方几乎都能提供通用无线充电。现在,全球有超过120家公司参与WPC,以创建和推广标准化无线电力传输。按照WPC的Qi规格,TDK已经开发出新款超低剖面的无线电力传输线圈,它能使移动设备获得标准化的无线充电。

TDK的愿景是开发出一个绝对平整的能为所有符合WPC规格的设备充电的表面,以便提供一个操作方便且随处可用的充电平台。

无线电力传输基本原理
电磁感应是无线电力传输使用最广泛的方法,这种方法的基本原理是传送和转换磁通量(图1)。在此,初级线圈(Tx线圈)和次级线圈(Rx)之间的电磁感应把电磁能由初级线圈(Tx线圈)传送到次级线圈(Rx)。

图1:移动设备无线充电基本原理


通过采用电磁感应方法,无线电力传输能对尺寸和形状各异的不同设备进行无线充电。通用系统将需要兼容Tx和Rx线圈的绕组数以及它们整体的几何形状。


无线充电技术需要面临的一个技术难题就是对准Tx 和Rx线圈,以使它们实现最高效率的电力传输。为了帮助尺寸和形状各异的设备设计出通用充电板,我们必须避免使用机械定位辅助,例如设备支架或类似结构的设备。

WPC已经提出并指定了三种定位方法,以便用最佳方式对准充电线圈:

  • 使用Tx线圈中心的磁铁和Rx线圈中心的磁性材料进行导向定位(图2)
  • 使用能发现Rx线圈位置的移动Tx线圈进行自由定位
  • 使用选择性激活最接近Rx线圈的线圈阵列中的多个Tx线圈之一进行自由定位


图2:使用磁铁进行导向定位


为了能实现磁场能量的最有效的转移,准确对准Tx 和Rx线圈是非常重要的。导向定位方法是使用Tx线圈中的一块磁铁把Rx线圈吸引到正确的位置。



WPC已经采用了一套认证体系,以便为上述对准方法验证Rx和Tx两侧边的相互操作。除非该线圈能对所有Tx线圈进行准确操作,否则无法获得Rx线圈认证,因此,TDK已经设计了真正的Rx线圈装置,为用户提供最灵活操作最简便的解决方案。通过在Tx线圈中心放置一块磁铁并且在Rx线圈中心放磁性材料,就可以实现这个方案。

图3:Tx 和Rx线圈之间的磁通量


使用Rx线圈的进行导向定位时需要进行磁屏蔽,以防止高频率的磁通量出现。还要特别设计Rx侧边上的磁片材料和厚度,以便该磁片没有达到磁化饱和点。


磁片面临的挑战
每一种方法都有各自的优点和缺点。例如,尽管导向定位方法对于Tx侧边的设计更简单,但是,它须要考虑磁屏蔽问题。

为了防止由Tx线圈产生的高频率磁通量(超过100 kHz)到达铝电池外壳以及产生不必要的会被转化为多余热量的涡电流,在按照上述描述的导向定位方法设计Rx线圈时就非常须要考虑磁屏蔽问题。

因此,我们必须要设计Rx侧边的磁片材料和厚度,以便该磁片不会达到磁化饱和点。在这样的情况下,磁铁的磁通量将会穿过Rx侧边的磁片(图3)。假如磁片太薄的话,它就会变成磁偏置元件并被磁化到饱和点,导致线圈电感大大降低。在这种情况下,根本不可能正常地供应无线电源-根据TDK在这一领域拥有的丰富经验,TDK已经解决了一个非常复杂的设计难题。这包括磁性材料技术和工艺技术、从制造的各种线圈中获得绕线图技术专长以及磁图设计技术。


TDK线圈设计
考虑到评估和上述的设计,TDK开发的超低剖面无线充电线圈满足了WPC制定的最严格规格要求(图4)。TDK的智能手机接收线圈装置被安装在智能手机里通过接收磁通量对手机进行充电,它采用了专有的灵活的薄磁片,磁片的厚度只有0.57 mm,处于行业的领先地位。TDK也已经在开发出厚度只有0.50 mm的磁片,以使得智能手机拥有更薄的充电装置设计。在这一点上,厚度为0.57 mm的薄磁片的输出电流大约为0.5 A 到 0.6 A,而能提供相同或更好的输出电流甚至更薄的0.50 mm的磁片也已经在开发当中,预计2013年可以开始批量生产。

这些发展都反应出了TDK在磁材料技术和工艺技术以及有关创造独特、极其纤薄且灵活的金属磁片等领域拥有丰富的专业知识。因此,线圈装置不仅变得超薄、重量轻,同时也高度耐冲击,因为它能提供出色的可靠性。TDK将会继续提供低成本、高性能、高可靠性的产品和能满足所有这些要求的全面的解决方案,从而为无线充电电力传输技术的发展和普遍使用做出贡献。

图4:超低剖面TDK充电线圈


TDK开发的超低剖面无线充电线圈满足了WPC制定的最严格规格要求。TDK的智能手机接收线圈装置(右图)被安装在智能手机里通过接收磁通量对手机进行充电,它采用了专有的灵活的薄磁片,磁片的厚度只有0.57 mm,处于行业的领先地位。

未来的设计师将获得的好处
无线电力并不仅仅是能帮助设备免去电源线并提供方便;它同时也改变了制造商设计设备的方式。去掉电源插座为实现开发出密封的甚至更纤薄的防水防尘的智能手机目标迈开了重要的一步。这样的手机同时会变得更可靠更坚固,并且不再需要一个平坦的边缘来安装电源插座。

随处可得的无线充电将会进一步允许设计师考虑设计出更小的电池,因为用户可视需要就能很简单地把手机电池充满电。

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