專利名稱：感應充電器和充電方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種感應充電器和充電方法。該充電器適用于使用在充電器與裝置之 間的無接觸感應耦合來同時對一個或者多個電池供電裝置進行充電。
背景技術：
許多如今的便攜裝置并入可再充電電池。示例裝置包括電動牙刷、電動剃須刀、胡 須修剪器和/或脫毛設備。該裝置也可以包括其它可充電裝置，比如蜂窩電話或者膝上型 計算機。在這些設備中的一些設備中，經(jīng)由感應耦合而不是直接電連接對電池進行再充 電。例子包括飛利浦Sonicare 牙刷、松下數(shù)字無繩電話方案KX-PH15AL和松下男士剃須 刀ES70/40系列。這些設備中的各設備通常具有適配器或者充電器，其從電網(wǎng)、汽車點煙器或者其 它電源取得功率，并且將它轉換成適合于對電池進行充電的形式。存在與對這些裝置進行 供電或者充電的常規(guī)手段關聯(lián)的諸多問題。在各裝置內的電池的特性和與它們連接的手段均隨著制造商的不同和設備的不 同而顯著變化。因此，擁有若干這樣的裝置的用戶必須也擁有若干不同適配器。如果用戶 旅行外出，那么如果他們希望在這一段時間內使用他們的設備，則他們將不得不攜帶他們 的一大堆充電器。充電器無論使用直接電連接還是感應耦合都經(jīng)常要求用戶將小型連接器插入裝 置中或者將設備準確對準地放入支架中，因而引起不便。此外，多數(shù)適配器和充電器不得不插入電網(wǎng)電源插座中，因此如果若干適配器和 充電器一起使用，則它們占據(jù)插線板的空間并且引起接線的無序和凌亂。除了上述問題之外，還有與具有開放式電接觸的充電器關聯(lián)的附加實際問題。例 如，這樣的充電器由于有可能腐蝕或者短接接觸而不能使用于潮濕環(huán)境中，并且它們由于 有可能引起電火花而不能使用于易燃氣體環(huán)境中。使用感應充電的充電器無需具有開放式電接觸，因此允許適配器和設備被密封以 及在潮濕環(huán)境中使用。例如，如上文提到的電動牙刷、剃須刀和脫毛設備被設計成使用于浴 室中。然而這樣的充電器仍然受如上文所述的所有其它問題困擾。例如，設備仍需準確放 入充電器中以使得設備和充電器處于預定相對位置。適配器仍然僅被設計為特別用于某個 設備式樣和機型，并且仍然僅能一次對一個設備進行充電。因而用戶仍需擁有和管理一大 堆不同適配器。Splashpower Limited(UK)名下的US-7M8017-B2認識到上述問題，并且描述多 種克服要求裝置與充電器軸向對準的感應功率傳送系統(tǒng)的限制的解決方案。一種相對簡單的解決方案是使用感應功率傳送系統(tǒng)，其中初級單元能夠在大區(qū)域 內發(fā)射電磁場。用戶可以簡單地將一個或者多個要進行再充電的設備放置在初級單元的范 圍內，而無需準確放置它們。例如，這一初級單元可以包括環(huán)繞大區(qū)域的初級線圈。當電流流過初級線圈時，產生在大區(qū)域內延伸的電磁場，并且具有次級拾波線圈的設備可以放置 于這一區(qū)域內任一處。這一方法受諸多弊端困擾。首先，電磁發(fā)射強度受到管制限制。因 而這一方法僅能以有限速率傳送功率。其次，由于拾波線圈按照定義將環(huán)繞比初級線圈小 得多的區(qū)域，所以拾波線圈將僅環(huán)繞由初級線圈生成的磁場的對應一小部分。這種所謂磁 耦合例如依賴于拾波線圈相對于初級線圈的距離、橫截面和定向。次級線圈與初級線圈的磁耦合系數(shù)k21表示為次級線圈所環(huán)繞的通量Φ2與初級 線圈所環(huán)繞的通量^之比Ii21 = O2ZO1耦合系數(shù)越小，磁耦合就越弱，而為了傳送相同量的能量在初級線圈中的電流就 必須越高。增加初級線圈中的電流由于電阻而增加能量損耗。為了使能量傳送高效并且限 制能量損耗，希望優(yōu)化在初級線圈與拾波線圈之間的磁耦合。為了優(yōu)化磁耦合，可以建議使用初級線圈陣列，其中僅激活所需的線圈。在發(fā)表 于 Journal of the Magnetics Society of Japan、f示IS為 “Coil Shape in a Desk-type Contactless Power Station System，，中描述這一方法(2001年11月四日)。在多線圈概 念的一個實施例中，感測機構感測次級設備相對于初級單元的相對位置?？刂葡到y(tǒng)繼而激 活適當線圈以局部化方式向次級設備遞送功率。雖然這一方法提供一種對前文列舉的問題 的解決方案，但它是以復雜和高成本的方式做到這一點的。初級場可以局部化的程度受初 級線圈數(shù)目并且因此受所使用的驅動電路數(shù)目的限制。與多線圈系統(tǒng)關聯(lián)的成本將嚴重限 制這一概念的商業(yè)應用。非均勻場分布也是一個弊端。當在初級單元中激活所有線圈時， 它們合計為如下大線圈的等效，該線圈的磁場分布被視為在線圈的中心表現(xiàn)出最小值。US-7248017-B2公開一種包括磁芯材料薄片和纏繞于薄片周圍的拾波線圈的可再 充電電池。拾波線圈適合于從外部單元感應地接收功率。外部單元在場生成表面處或者在 其上生成電磁場。為了對電池進行充電，線圈放置于場生成表面附近，使得片的縱軸和線圈 的中心軸各自與表面平行延伸。外部單元包括用于沿著場生成表面生成旋轉磁偶極子的多 個導體，使得線圈無論它的旋轉定向如何都可以接收功率。不同于多線圈設計，這一解決方 案需要更簡單的控制系統(tǒng)和更少的部件。US-7248017-B2的解決方案盡管有它的優(yōu)點，但由于在場生成表面與拾波線圈之 間的弱耦合以及由此產生的功率損耗和低效率而存在不利。外部單元的導體環(huán)繞比拾波線 圈環(huán)繞的區(qū)域大得多的區(qū)域。為了增加磁耦合，US-7M8017-B2教導在次級設備中包括高 導磁率的磁材料，以通過賦予低磁阻的路徑來增加感應通量。由于弱磁耦合而向導體提供 相對高的電流。為了補償由這一電流生成的磁通量，在充電區(qū)域下面提供磁材料層以提供 用于該通量的返回路徑。

發(fā)明內容
鑒于上述情況，需要一種通用感應充電器，其中單個初級單元可以向不同次級設 備供電，由此消除了對一大堆不同適配器和充電器的需要，從而具有增加的磁耦合效率。本發(fā)明因此提供一種用于向一個或者多個電池供電裝置感應供電的感應充電器， 各裝置包括次級線圈，該次級線圈包圍磁場的部分并且作為響應生成用于對裝置的電池進 行充電的電流，該充電器包括
-兩個或者更多初級線圈對，以圓形圖案布置，其中圓形圖案適合于包圍裝置的一 個或者多個次級線圈，以及-AC電源，用于向初級線圈對提供交流電流(AC)，以用于在初級線圈對的相應初 級線圈之間生成旋轉磁場。本發(fā)明的感應充電器具有以下特征。它是通用的，即單個充電器可以向具有不同 功率要求的不同裝置供應功率，由此消除了對一大堆不同適配器和充電器的需要。它是便 利的，因為充電器允許將裝置放置于初級線圈的圓形圖案內任一處，由此消除了對相對于 充電器準確插入或者放置裝置的需要。充電器可以同時向具有不同功率要求的多個裝置供 應功率。充電器賦予用于在不同環(huán)境中使用的靈活性，因為無需直接電接觸，由此允許在潮 濕、氣體、潔凈和其它非典型環(huán)境中使用。US-2007-0057581-A1公開一種用于發(fā)電的系統(tǒng)。多個超導磁體對以圓形圖案設置 于固定線圈周圍?？刂铺幚砥魇┘与娏σ园凑疹A定序列接通和關斷電磁體對。生成旋轉磁 場并且在固定線圈中感應出電流。電磁體包括包裹于軟鐵心周圍的線圈。包括鐵心的電磁 體由DC驅動電流驅動。雖然令人關注，但是US-2007/0057581-A1的系統(tǒng)將由于缺乏細節(jié) 和實用性而為本領域技術人員所忽略。例如其建議感應電流可以用來為住戶、企業(yè)產生電 力，或者可以是電動車輛的部分，由此無需補給燃料。為了增加系統(tǒng)的效率，其建議使用超 導電磁體，這些電磁體必須冷卻至迫近絕對零(OK)的溫度?？梢詫⒘鞒鱿到y(tǒng)的電流朝著用 于冷卻超導磁體的冷卻元件和控制處理器而引回至系統(tǒng)中?？刂铺幚砥鞅旧硪暈楣⑶?未完全加以公開。由于類似永動的描述，本領域技術人員將忽略US-2007-0057581-A1。在實踐中，例 如由于為了控制超導磁體而需要的功率，US-2007-0057581-A1的系統(tǒng)將比引言中公開的用 于無接觸能量傳送的任何系統(tǒng)更低效。此外，US-2007-0057581-A1的系統(tǒng)涉及的是大規(guī)模 應用，比如向建筑物或者車輛供電。在一個實施例中，各初級線圈對配備有用于將相應初級線圈對短路的一個或者多 個開關?？蛇x地，充電器包括用于驅動AC電源的處理器，其中處理器適合于使用對應開關 將至少一個初級線圈對短路并且向其余初級線圈對供應交流電流。將一些初級線圈對短路 提供更均勻的磁場。這增加了效率和磁耦合，因此限制了能量損耗。與缺乏適當電路的充 電器相比，該磁耦合可以增加例如高達三倍。在一個實施例中，充電器包括包圍初級線圈外部的高導磁率材料的蓋。雖然上述 充電器的電磁輻射在管制限制內，但是蓋可以降低電磁輻射下至預定水平，因此在充電器 以外實現(xiàn)更低電磁發(fā)射。根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種用于向一個或者多個電池供電裝置感應供電的方 法，各裝置包括次級線圈，該次級線圈包圍磁場的部分并且作為響應生成用于對裝置的電 池進行充電的電流，該方法包括以下步驟-提供充電器，該充電器包括以圓形圖案布置的兩個或者更多初級線圈對，其中該 圓形圖案適合于包圍裝置的一個或者多個次級線圈，以及-使用AC電源向初級線圈對提供交流電流(AC)，以用于在初級線圈對的相應初級 線圈之間生成旋轉磁場。該方法提供與上文公開的充電器有關的所有優(yōu)點。
結合附圖根據(jù)下文具體描述將清楚本發(fā)明的充電器的附加特征和優(yōu)點。


圖1示出了本發(fā)明的系統(tǒng)的感應充電器的透視圖；圖2示出了圖1的充電器的剖視透視圖；圖3A-圖3D示出了本發(fā)明的系統(tǒng)的頂視圖，這些圖包括旋轉磁場的連續(xù)步驟；圖4示出了本發(fā)明的系統(tǒng)的圖示；圖5A-圖5C示出了本發(fā)明的電池供電裝置的示例剖視側視圖；圖6示出了在電池供電裝置中包括的電路；圖7示出了本發(fā)明一個實施例的磁場線的圖示；圖8示出了本發(fā)明的感應充電器的另一實施例的圖示；圖9示出了充電器的驅動信號的時序圖；圖10示出了圖8的充電器的更詳細的圖示；圖11示出了用于將初級線圈短路的電路的圖示；圖12示出了包括本發(fā)明的一個充電器實施例的磁場線的俯視圖；圖13示出了本發(fā)明的系統(tǒng)的一個實施例的透視圖；以及圖14示出了本發(fā)明的系統(tǒng)的另一實施例的透視圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的無接觸感應充電器10包括容器12。該容器例如是包括外部杯形構 件14和內部杯形構件16的杯狀物。多個初級線圈沿著圓周并且在杯形構件14與16的壁 之間中以圓形圖案布置。初級線圈成對布置，其中各初級線圈對包括兩個相對線圈，即第一 對包括線圈Ll和L5、第二對包括線圈L2和L6等。圖1的實施例包括八個線圈L至L8和 四個線圈對。杯形構件16在它的內部限定空間18，一個或者多個電池供電裝置可以布置于 該空間中進行充電。各初級線圈為線盤而無磁材料心部。否則，心部將由于磁材料的剩磁而抵制AC驅 動電流。為了感應地傳送功率，包括次級線圈20的裝置布置于初級線圈對的圓形內(圖 3A)。相繼向初級線圈對提供用于生成旋轉磁場的交流電流(AC)。在圖3A至圖3D中示出 了磁場線22。通過依次驅動線圈對L1/L5、L2/L6、L3/L7和L4/L8，磁場在次級線圈20周圍 旋轉。例如相繼如下驅動線圈1.線圈L1-L4生成朝向相對線圈L5-L8的磁場(圖3A)；2.線圈L2-L5生成朝向相對線圈L6-L1的磁場(圖；3.線圈L3-L6生成朝向相對線圈L7-L2的磁場(圖3C)；4.線圈L4-L7生成朝向相對線圈L8-L3的磁場(圖3D)等。圖4示出了微控制器30，其連接到可由該微控制器操作的功率轉換電路32、電流 分路器34、邏輯異或O(OR) 36和四個驅動器38。也稱為異或(例如符號化為XOR或者E0R) 的邏輯運算異或是對兩個輸入運算對象的一類邏輯或，該運算僅且僅在恰好有一個運算對 象具有真值時才獲得真值。
功率轉換電路32是用于將來自外部電源如電網(wǎng)電壓的電力轉換成適合于充電器 10的格式的輸入電路。在一個實際實施例中，功率轉換電路32例如將交流電網(wǎng)電壓(例如 110-130或者220-240VAC)轉換成范圍例如為5至15V的DC電壓。DC電壓向微控制器30 供電，并且供給驅動器38。微控制器30生成方波電壓100。向邏輯M)R 36供應電壓100。微控制器驅動XOR 36以控制M)R 36的方波電壓102的相位。X0R36向驅動器38供應方波電壓102。各驅動 器38將方波電壓102轉換成方波電壓104。驅動器38向電容器與線圈對的串聯(lián)連接供應 方波電壓104。電流分路器34在一端連接到微控制器30和功率轉換電路32。在另一端，電流分 路器連接到驅動器38。電流分路器向微控制器提供與驅動器38的交流輸出電流106有關 的信息(例如幅度)。可以使用本發(fā)明的充電器來充電的電池供電裝置包括一個或者多個電池40。一般 而言，電池40為圓柱形并且沿著該裝置的長度延伸(圖5A、圖5B、圖5C)。圖5A示出了包 括一個電池的飛利浦Sonicare電動牙刷42。圖5B示出了包括一個電池的飛利浦電動胡須 修剪器。圖5C示出了包括兩個電池的飛利浦電動剃須刀44。包括電池和例如印刷電路板等的電池隔室46 —般位于設備的基部或者柄部。電 池隔室是設備的最重部分，并且它因此形成設備的如下部分，用戶將在使用期間將該部分 握持于他的手中。由于電池隔室為最重部分，所以它將也是放入充電器10中進行充電的部 分。為了能夠向次級線圈傳送能量，它們必須與豎直布置的初級線圈L1-L8 (圖2)對 準。然而現(xiàn)有技術的裝置一般具有另外布置的次級線圈。根據(jù)本發(fā)明，修改設備的本體48，并且次級線圈20包圍電池的長度(圖5A、圖 5B)。次級線圈20占用相對小的空間，并且本體48的尺寸將與現(xiàn)有技術的設備相當。次級 線圈20的寬度受本體48的內徑限制。次級線圈的長度可以沿著本體48的內壁的長度延 伸。次級線圈20越大，它可以包圍的磁通量就越多并且磁耦合系數(shù)就可以越高。已經(jīng)適合于無接觸充電的裝置，如飛利浦Sonicare牙刷，可以配備有豎直布置的 次級線圈20。此外，該裝置還可以配備有與次級線圈20串聯(lián)布置的電容器50 (圖6)。電容 器50與次級線圈20 —起形成具有一個或者多個諧振頻率的諧振電路。向初級線圈L1-L8 提供的交流電壓將具有與所述諧振頻率之一基本上對應的頻率。因此，可以補償驅動電路 中的(寄生)阻抗從而減少能量損耗并且提高效率。尚不適合于無接觸充電的裝置配備有與線圈20和電容器50串聯(lián)的整流器52。用 于電壓限制的齊納二極管M連接到整流器52的輸出?？蛇x地，緩沖電容器56與二極管M 并聯(lián)布置(圖6)。在一個改進實施例(未示出)中，裝置42、44可以具有兩個或者更多次級線圈， 各次級線圈具有另一定向。例如，兩個次級線圈可以相互垂直。在磁場旋轉時(圖3A-圖 3D)，次級線圈中總有一個將包圍磁通量，因此減少對電池完全充電所需要的時間。在一個改進實施例中，將一個或者多個線圈對短路，而其余初級線圈對具有交流 電流。在圖7中示出了當初級線圈L1/L5短路而其余初級線圈具有交流電流時的磁場線 22。
將一些初級線圈對短路減少磁通量的短路。經(jīng)過短路線圈的凈磁通量等于零。由 于磁通量O1的較大部分穿過一個或者多個次級線圈，這增加了磁耦合系數(shù)1 21。在一個實際實施例中，將一個或者兩個初級線圈對短路。如果充電器包括三個或 者四個線圈對，則兩個或者三個初級線圈對將被提供交流電流。測試已經(jīng)證明后者更高效， 且提供了最高的耦合系數(shù)和最均勻的磁場。圖8示出了與圖4的充電器相當?shù)某潆娖?，該充電器包括用于將相應初級線圈 L1-L8短路的開關S1-S8。各初級線圈對與電容器化2丄4丄6丄8)、驅動器38和)((《 36串 聯(lián)連接。微處理器30向各M)R 36的第一輸入供應信號100。信號100例如為方波高頻電 壓信號。輸出RB0、RB1、RB2、RB3向驅動器38供應第一定時信號。第一定時信號接通(例 如在相應第一定時信號為高時)和關斷(例如在第一定時信號為低時)驅動器38。也向反相器60供應第一定時信號。各反相器將輸入的第一定時信號反相并且輸 出反相第一定時信號61。在輸入的第一定時信號具有低值時，該反相信號具有高值，而在輸 入的第一定時信號具有高值時，該反相信號具有低值。各反相器60向開關S1-S8供應反相 第一定時信號61。反相第一定時信號61斷開(在信號61為低時)和閉合(在信號61為 高時)開關S1-S8。因而，開關S1-S8在對應驅動器38接通時斷開(不導電)。開關S1-S8 在對應驅動器38關斷時閉合(即導通、因此將線圈L1-L8短路)。輸出RB4、RB5、RB6、RB7向相應M)R 36的第二輸入供應第二定時信號。如果第二 定時信號為低，則XOR 36的輸出信號102對應于輸入信號100。如果第二定時信號為高，則 XOR 36將輸入信號100反相。在后一情況下，在輸入信號100為低時，輸出信號102為高， 而在輸入信號100為高時，輸出信號102為低。向驅動器38供應輸出102，例如方波高頻電壓。驅動器將電壓102變換成與電壓 102具有相同頻率的電壓104?？蛇x地，電容器C2-C8連接于驅動器38和線圈L1-L8之間。驅動器38向電容器 C2、. . C8與對應線圈對的串聯(lián)連接供應電壓104。由于電容器C2、. . C8，向線圈Li、. . L8供 應經(jīng)過濾波的驅動電流106。優(yōu)選地，電壓104和驅動電流106的頻率對應于電容器C2、.. C8與對應線圈L1-L8的串聯(lián)連接的諧振頻率。圖 9 示出 了 RBO、RBI、RB2、RB3 的輸出(第一定時信號)和 RB4、RB5、RB6、RB7 的
輸出(第二定時信號)的例子。在圖9的例子中，在每四個定時單位中的三個定時單位期間 (由第一定時信號)激活初級線圈對的驅動器38。在每第四定時單位(表示于圖的χ軸) 去激活驅動器38。更一般而言，上述示例實施例(圖8、圖9)使用第一和第二定時信號(RBO、. . RB7) 以隨后向相鄰初級線圈對供應高頻電壓104。分別向第一、第二、第三和第四初級線圈對供 應電壓104。隨后，第一定時信號(RB0-RB3)改變M)R 36的電壓102的相位。電壓104和 驅動電流106具有與信號102的相位對應的相位。再次分別向第一、第二、第三和第四初級 線圈對供應電壓104，從而在初級線圈之間生成連續(xù)旋轉磁場。相應信號RBO、. . RB7的頻率(圖9)確定磁場22的旋轉頻率。在一個實際實施例 中，選擇信號RBO、. . RB7的頻率使得磁場以如下速度旋轉，該速度為信號100的頻率的至少 千分之一以下(圖8)。這些頻率使充電器10能夠具有相對高的功率傳輸系數(shù)并且同時具 有便于(即足夠小)在家(比如在浴室中)使用的尺寸。
信號100例如是頻率范圍約為IOkHz至IOMHz (例如約IOOkHz)的方波電壓。可 選地，信號RB0、RB1、RB2、RB3的頻率為高頻信號100的頻率的約千分之一至萬分之一以下， 例如范圍為數(shù)赫茲至數(shù)kHz。第二定時信號RB4、RB5、RB6、RB7具有與信號RBO、RBl、RB2、 RB3對應的頻率。圖10示出了圖8的一個更具體的示例實施例，其中相似元件具有相同參考標號。 各驅動器38包括半橋換向器，該換向器包括開關Tl、..、T8。這些開關例如包括MOSFET或 者晶體管。這些開關連接到DC電壓源，比如功率轉換器32。功率轉換器連接到外部電源 110，比如電力網(wǎng)。電流分路器34可以連接于功率轉換器32與開關之間。電流分路器34 例如是電阻相對較低的電阻器(圖10)。例如包括在控制器30中的伏特計108測量電阻器 34兩端的電壓?？刂破?0使用測量的電壓和電阻器34的電阻來計算輸出驅動電流106。驅動器38向電容器C2、. . C8和初級線圈L1-L8的串聯(lián)連接供應頻率和相位與輸 入信號102相同的驅動電壓104。電容器向初級線圈L1-L8供應經(jīng)過濾波的驅動電流106。圖11示出了開關S1-S8的一個實際的示例實施例。各開關包括反向串聯(lián)連接的 兩個η型MOSFET Μ1、Μ2、Μ3、Μ4，即它們的二極管以相反方向連接。向變換器的初級線圈62 供應反相的第一定時信號，并且MOSFET連接到變換器的次級線圈64。因此，反相第一定時 信號可以同時斷開或者閉合M0SFET。在一個實施例中，微處理器30使用電流分路器34(圖4、圖10)的輸入來確定具有 峰值負載的磁場線22的方向。由于驅動器38并非理想電流源，所以驅動電流106將會在 向次級線圈20的功率傳送增加時增加。測量驅動器38的半橋電路Τ1-Τ8經(jīng)由分路器34 的輸入電流提供了對經(jīng)過濾波的驅動電流106的幅度的便利和適當指示。峰值負載意味著 從初級線圈向一個或者多個次級線圈20的能量傳送具有最大值。最大能量傳送的位置將 對應于經(jīng)過濾波的驅動電流106的幅度并且因而對應于經(jīng)由分路器34的電流的幅度最高 的位置。在確定場線中的能量傳送最大的位置之后，磁場的旋轉基本上暫停于該位置。因 此通過略過磁場的具有最低能量傳送的位置來增加能量傳送的效率。如果兩個或者更多次級線圈布置于杯形充電器10以內，則磁場可能具有其中能 量傳送具有(局部)最大值的兩個或者更多位置。微處理器可以確定所述兩個或者更多位 置，并且在所述位置之間切換磁場。通過略過能量傳送最低的位置，系統(tǒng)的效率得以增加。在使用時，初級線圈生成的磁場如例如圖7中所示在杯狀物10以外延伸。然而可 能希望限制杯狀物10以外的通量密度以保護杯狀物以外的任何物品(例如電路、銀行卡、 電池)免受電磁場影響。圖12示出了杯狀物10和初級線圈L1-L8。外部杯形構件14的外表面由高導磁 率材料70覆蓋。外表面包括外部杯形構件14的壁和/或底部。高導磁率例如是約為100 上至約2000的導磁率μ。高導磁率材料例如包括鋼、鐵氧體(例如S^e2O4或者鐵加上鋇 /鍶氧化物)、坡莫合金(鎳鐵磁合金)和/或高導磁率合金(包括約75%鎳、15%鐵加上 銅和鉬的鎳-鐵合金)。高導磁率材料的蓋70減少杯狀物10以外的通量密度。蓋也增加杯狀物內的通量 密度的均勻性。因此，蓋使本發(fā)明的充電系統(tǒng)能夠增加初級線圈中的充電電流并且因此減 少充電時間，同時仍然將杯狀物10以外的電磁輻射保持在管制限制內?？梢酝ㄟ^選擇適當?shù)母邔Т怕什牧?、蓋的厚度和/或初級線圈電流將杯狀物以外一定距離處的電磁輻射減少 至預定水平?？赡芟Ｍ矊Σ贿m合于或者不兼容于充電杯狀物10的初級線圈的電池供電裝置 進行充電。這樣的裝置包括許多當前常用的浴室裝置，這些裝置包括具有開放式電接觸的 常規(guī)可再充電設備。例子包括飛利浦電動剃須刀。本發(fā)明的充電杯狀物10也可以用來對 在下文給出實例的所述設備進行充電。例如，杯狀物10可以具有用于一個或者多個連接器的插座。連接器可以具有一定 形狀或者設置以標識它所附接的設備。因此可以使用本發(fā)明的充電器經(jīng)由接線以常規(guī)方式 對設備進行充電。在另一實施例(圖13)中，設備(例如剃須刀44)經(jīng)由接線82連接到適配器80。 適配器80包括次級線圈(未示出)和與圖6中所示電路相當?shù)碾娐贰＿m配器80的次級線 圈具有大約與初級線圈L1-L8相同的尺寸。為了對設備進行充電，適配器布置于杯狀物10 的外部上，其中次級線圈基本上平行于初級線圈之一。使本發(fā)明的充電器后向兼容也用于對當前常用的裝置進行充電(見圖13)將加速 對本發(fā)明系統(tǒng)的公眾接受度。在又一實施例中，杯狀物10的內空間18具有一個或者多個凹陷90(圖14)。凹 陷90機械地迫使裝置如電動牙刷處于預定優(yōu)選位置。優(yōu)選位置例如優(yōu)化次級線圈對于初 級線圈之一的相對位置。此外，凹陷將不同裝置相互分離，以例如防止不干凈的牙刷接觸剃 須刀。在實踐中，充電器例如具有5至15cm這一量級的內徑和5至IOcm這一量級的高 度。初級線圈具有例如約3至7cm的直徑。初級線圈可以例如具有6cm這一量級的高度和 4cm這一量級的寬度。次級線圈與對應裝置允許的尺寸一樣大，以便優(yōu)化耦合系數(shù)。次級線 圈的尺寸可以例如與一個初級線圈的尺寸相當。上述充電器可以包括兩個或者更多初級線圈對。鑒于效率、磁場的均勻性和與驅 動電路有關的成本，優(yōu)選實施例包括三個或者四個初級線圈對。磁耦合系數(shù)可以是約0. 07 (在一次激活一個初級線圈對時)至0. 12 (例如在一次 激活四個線圈對之中的三個時)這一量級?？梢允褂靡恍┥鲜鰧嵤├?比如將未激活的初 級線圈對短路)來進一步提高耦合系數(shù)。當將一個或者多個線圈對短路并驅動所有其余線 圈對時，磁耦合系數(shù)k21可以升至約0. 3。測試已經(jīng)證明在一個或者多個次級線圈中的感應 電流可以在將(例如一個或者兩個)初級線圈對短路時增加高達三倍。此外，由于在充電 器以內的磁場的均勻性提高，將初級線圈對短路使一個或者多個次級線圈在充電器以內的 定位的關鍵性降低。例如向初級線圈供應頻率范圍為約50至150kHz的交流電壓104。增加電壓的頻 率允許使用更小的線圈，這在充電器意于用在浴室中使用時是一個優(yōu)點。初級線圈的交流 驅動電流106例如范圍為0. 5至1A，這足以產生用于對浴室裝置進行充電的磁場。在充電 器10以外的電磁場(初級線圈電流上至1A)將落入(相對嚴格的)歐洲管制限制內。微控制器例如為Microchip PIC16F876。所述微控制器可以在50_150kHz范圍 中生成初級線圈電流的操作頻率。電流放大器例如為來自hternational Rectifier 的 配備有電平移位器的半橋電路。
在一個實施例中，充電器10具有第一模式和第二模式。在第一模式中，充電器從 它的初級線圈向充電器以內的一個或者多個次級線圈傳送能量。第二模式是待命模式，其 中初級線圈電流明顯減少(例如10至100倍)。充電器在能量傳送降至預定水平以下時向 待命模式自動切換。微處理器將降至預定水平以下解釋為無次級線圈。如果隨后具有次級 線圈的裝置布置于充電器以內，則初級線圈電流將突然改變。作為響應，微處理器將初級線 圈電流增高至與充電模式關聯(lián)的水平。在一個改進實施例中，微處理器具有待命模式，即第二模式。微控制器30定期地 從待命模式蘇醒并且檢測充電器10是否包含一個或者多個可充電裝置。如果充電器包括 有可充電裝置，則處理器30開始對其電池進行充電。如果充電器未包括可充電裝置，則處 理器30在預定時段期間返回到待命模式。預定時段例如范圍為數(shù)秒上至數(shù)分鐘，例如2秒 至5分鐘。在待命模式與第一活躍模式之間切換處理器節(jié)省了能量。而且，將總是檢測充 電器內的可充電裝置。本發(fā)明的系統(tǒng)適合于以常見速率對常用的AA類型或者AAA類型可再充電電池進 行充電。充電時間將為若干小時(即5至15小時)這一量級，以便對一個或者多個電池進 行完全充電。這些充電時間與要求準確對準初級線圈與次級線圈的充電器的充電時間相 當。后者例如包括常用電動牙刷，比如Braun Oral B Plak Control。本發(fā)明并不限于如上文所述的實施例，其中在所附權利要求的范圍內可設想許多 修改。
權利要求
1.一種用于向一個或者多個電池供電裝置感應供電的感應充電器(10)，各裝置包括 次級線圈，所述次級線圈用于包圍磁場的部分并且作為響應生成用于對所述裝置的電池進 行充電的電流，所述充電器包括-兩個或者更多初級線圈對，以圓形圖案布置，其中所述圓形圖案適合于包圍所述裝置 的所述一個或者多個次級線圈(20)，以及-AC電源，用于向所述初級線圈對提供交流電壓(104)，以用于在所述初級線圈對的相 應初級線圈(Li，L2，. . .，L8)之間生成旋轉磁場02)。
2.根據(jù)權利要求1所述的充電器，其中各初級線圈對配備有用于將相應初級線圈對短 路的一個或者多個開關(Si，S2，…，S8)。
3.根據(jù)權利要求2所述的充電器，包括用于驅動所述AC電源的處理器(30)，其中所述 處理器適合于使用所述對應開關(Si，S2，. . .，S8)將所述初級線圈對中的至少一對短路并 且向其余初級線圈對供應所述交流電壓(104)。
4.根據(jù)任一前述權利要求所述的充電器，包括四個初級線圈對。
5.根據(jù)任一前述權利要求所述的充電器，其中所述交流電壓(104)具有約IOkHz或者 更高的頻率。
6.根據(jù)任一前述權利要求所述的充電器，所述充電器(10)適合于以如下頻率旋轉所 述磁場(22)，所述頻率為所述交流電壓(104)的頻率的千分之一以下。
7.根據(jù)任一前述權利要求所述的充電器，所述充電器(10)適合于以與電容器(C2-C8) 和對應初級線圈對的串聯(lián)連接的諧振頻率基本上對應的頻率來提供所述交流電壓(104)。
8.根據(jù)任一前述權利要求所述的充電器，所述充電器(10)適合于以與所述一個或者 多個裝置的諧振頻率基本上對應的頻率來提供所述交流電壓(104)。
9.根據(jù)任一前述權利要求所述的充電器，包括包圍所述初級線圈外部的高導磁率材料 的蓋(70)。
10.一種用于向一個或者多個電池供電裝置感應供電的方法，各裝置包括次級線圈 (20)，所述次級線圈用于包圍磁場02)的部分并且作為響應生成用于對所述裝置的電池 (40)進行充電的電流，所述方法包括步驟-提供充電器(10)，所述充電器包括以圓形圖案布置的兩個或者更多初級線圈對，其 中所述圓形圖案適合于包圍所述裝置的所述一個或者多個次級線圈00)，以及-將AC電源用于向所述初級線圈對提供交流電壓(104)，以用于在所述初級線圈對的 相應初級線圈(Li，L2，. . .，L8)之間生成旋轉磁場02)。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，包括步驟-將所述初級線圈對中的至少一對短路；以及-向其余初級線圈對供應所述交流電壓(104)。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中各初級線圈對配備有用于將所述相應初級線圈 對短路的一個或者多個開關(Si，S2，…，S8)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于對一個或者多個電池供電裝置同時感應充電的充電器。該充電器包括適合于向電池供電裝置感應供電的外部單元，該外部單元包括以圓形圖案布置的兩個或者更多初級線圈對；AC電源，用于向初級線圈對提供交流電流(AC)，以用于在初級線圈對的相應初級線圈之間生成旋轉磁場；以及處理器，用于驅動AC電源，其中一個或者多個電池供電裝置適合于布置在外部單元的圓形圖案以內，各裝置包括次級線圈，該次級線圈用于包圍磁場的部分并且作為響應生成用于對裝置的電池進行充電的電流。
文檔編號H02J7/02GK102144347SQ200980134768
公開日2011年8月3日 申請日期2009年9月1日 優(yōu)先權日2008年9月5日
發(fā)明者J·A·范德林登, R·P·維瑟, W·埃特斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司