CN112259341A - 具有自闭合磁路的磁结构 - Google Patents

Abstract

一种结构，包括由多个第一金属块形成的第一金属迹线，所述多个第一金属块中的每个包括在第一上层中形成的上部、在第一下层中形成的下部以及在所述第一上层和所述第一下层之间形成的多个第一互连，其中所述多个第一金属块形成具有第一环形形状的第一磁通路径。本发明通过相较于现有绕组结构具有更好的磁通及磁通分布的绕组结构，提高了无线电力传输系统的性能。

Description

具有自闭合磁路的磁结构

本申请是申请号为201680062570.0的专利申请的分案申请。原申请的发明名称为《具有自闭合磁路的磁结构》，申请日为2016年10月26日。

技术领域

本发明涉及一种绕组结构，并且，在特定的实施例中，涉及一种无线电力传输系统的绕组结构。

背景技术

许多功率电感，包括那些用于功率转换器、EMI滤波器、无线电力传输(WPT)系统中的发射线圈和接收线圈中的，都需要在1MHz到几百MHz的高频范围内工作。为了获得更好的效率，这种电感器的绕组需要仔细设计。由于磁性材料的性能在较高频率下不佳，可能不得不使用空芯电感器。然而，空芯电感器的电感值通常很小。

现有空心电感器通常体积大且功耗高。而且，现有空心电感器可能会对附近元件造成严重的磁干扰。尤其是，使用现有空芯电感器时，空芯电感器和周边元件之间的相互作用可能产生严重的磁干扰问题，诸如磁干扰会扰乱周边元件的工作及会增加由于相邻金属元件、金属迹线等类似物内的感应涡流造成的能量损失。

图1示出了现有空芯电感器或线圈的各种不同的实施方式。图1的(A)示出了一包括单匝线圈且位于一印刷电路板(PCB)上的空芯电感器。所述单匝线圈可以由一导线或一PCB的迹线形成。众所周知，电流流过空芯电感器的单匝线圈可以产生磁场。

图1的(B)和(C)示出了一具多匝线圈的空心电感器。所述多匝线圈由导线或PCB迹线形成。如图1的(B)和图1的(C)所示，每匝线圈是形成于PCB的一层或多层中的环形或螺旋形。这些环形或螺旋形的线圈可以由金属迹线或金属块形成。此外，如有必要，可以使用过孔或其他合适的连接元件来连接位于PCB不同层中的金属迹线。

图1所示的电感器结构可以提供所需的电感值。然而，由电感器结构产生的磁场的很大一部分可能会位于绕组区域之外。图2示出了图1所示的电感器的磁通分布。如图2所示，磁通的很大一部分位于图1的(A)所示的电感器结构的周围区域，特别是在线圈上方或下方的空间。由于图1所示的绕组结构不是自闭合的，因此所述电感器产生的磁通会位于所述电感器的外部。电感器外部的磁场会对附近的金属或其他元件造成磁干扰，从而产生不必要的能量损失。

因此，有必要提供一种减少空心磁性件对周边元件(如金属元件)的影响的电感器或线圈结构，尤其是线圈上方或下方的空间。这种减少对周边元件的影响的空心电感器也可以应用于无线电力传输系统中的发射线圈和接收线圈，其中磁场应尽可能地被约束在一通电区域。

发明内容

本发明优选实施例提供了一种具有更好磁耦合的绕组结构，能够解决或克服上述或其他问题并基本达成技术效果。

根据一个实施例，一种结构包括由多个第一金属块形成的第一金属迹线，所述多个第一金属块中的每个包括在第一上层中形成的上部、在第一下层中形成的下部以及在所述第一上层和所述第一下层之间形成的多个第一互连，其中所述多个第一金属块形成具有第一环形形状的第一磁通路径。

根据另一个实施例，一种系统包括：发射线圈，所述发射线圈具有第一绕组结构，所述第一绕组结构包括由多个第一金属块形成的第一金属迹线，其中每个第一金属块包括在第一上层中形成的上部、在第一下层中形成的下部以及在所述第一上层和所述第一下层之间形成的多个第一互连；接收线圈，所述接收线圈具有与所述发射线圈类似的绕组结构，其中所述接收线圈被配置为与所述发射线圈磁耦合；和有开口的金属板，放在所述发射线圈和所述接收线圈之间。

根据又一个实施例，一种系统包括：发射线圈，所述发射线圈具有第一绕组结构，所述第一绕组结构包括：由多个第一金属块形成的第一金属迹线，其中每个第一金属块包括在第一上层中形成的上部、在第一下层中形成的下部以及在所述第一上层和所述第一下层之间形成的多个第一互连，所述多个第一金属块形成具有第一环形形状的第一磁通路径，和由多个第二金属块形成的第二金属迹线，其中每个第二金属块包括在第二上层中形成的上部，在第二下层中形成的下部以及在所述第二上层和所述第二下层之间形成的多个第二互连，其中所述多个第二金属块形成具有第二环形形状的第二磁通路径。

本发明的优选实施例的优点在于：通过相较于现有绕组结构具有更好的磁通及磁通分布的绕组结构，提高了无线电力传输系统的性能。

前面已经广义地概括了本发明的特征和技术效果，以方便更好地理解下文本发明的详细描述。下面将描述构成本发明权利要求保护主题的具体特征和优点。本领域技术人员应该理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地进行修改或设计后作为实现本发明的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应该认识到，这样的等同构造不脱离所附权利要求所保护的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本发明及本发明的益处，请参阅以下结合附图的说明，其中：

图1示出了现有空心电感器的各种实施例；

图2示出了图1的(A)中的电感器的磁通分布；

图3示出了根据本公开的各种实施例的具有自闭合磁路的电感器结构的两种不同实施方式；

图4A示出了根据本公开的各种实施例的图3的(A)中所示的电感器结构的X-Y平面的磁通分布；

图4B示出了电感器结构的X-Z平面；

图4C示出了根据本公开的各种实施例的图1的(A)中所示的电感器结构的X-Z平面的磁通分布；

图4D示出了根据本公开的各种实施例的图3的(A)中所示的电感器结构的X-Z平面的磁通分布；

图5示出了根据本公开的各种实施例的具有自闭合磁路的电感器结构的实施方式；

图6示出了根据本公开的各种实施例的无线电力传输系统的绕组结构；

图7示出了根据本公开的各种实施例的图6中所示的绕组结构的第一实施方式；

图8示出了根据本公开的各种实施例的图6中所示的绕组结构的第二实施方式；

图9示出了根据本公开的各种实施例的图6中所示的绕组结构的第三实施方式；

图10示出了根据本公开的各种实施例的发射线圈和接收线圈的各种实施方式的耦合系数的模拟结果；

图11示出了根据本公开的各种实施例的图9所示的金属盖的各种实施方式；及

图12示出了根据本公开的各种实施例的利用金属盖的开口周围的涡流的一种结构。

除非另外指明，否则不同附图中的数字及符号一般是指相应的元件。附图的绘制是为了清楚地显示各实施例的相关方面，并非按比例绘制。

具体实施方式

下面将详细讨论本发明优选实施例的制作和使用。可以理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种各样的具体情况中。以下讨论的具体实施例仅仅是说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

将用具体文字描述优选实施例来说明本发明，即应用于无线电力传输系统中的绕组结构。所述绕组结构，能够提高空心电感器的性能。本公开描述的绕组结构可以通过各种合适的材料和结构来实现。例如，绕组结构可以被集成到基板(如印刷电路板(PCB))中。然而，本发明也可以应用于各种电力系统。下面将参考附图详细说明本发明的各种实施例。

图3示出了根据本公开的各种实施例的具有自闭合磁路的电感器结构的两种不同实施方式。图3所示的电感器结构用来减小空心电感外部的磁通。图3的(A)示出了具有自闭合磁路的电感器结构的单匝结构。图3的(B)示出了具有自闭合磁路的电感器结构的多匝结构。

如图3的(A)所示，螺旋形的绕组被分成两部分，即第一部分302和第二部分304。每个部分包括一直线和一弧线。第一部分的直线和第二部分的直线彼此相邻设置，以增强螺旋形的绕组的磁通分布。所述特征将参照图4进行详细描述。每一部分的弧线在一确定的区域以较短的长度连接直线的两端。这种相对较短的长度有助于降低螺旋形的绕组的电阻值。

如图3的(A)所示，第一部分302和第二部分304之间略微分开。如图3的(A)所示，这两个部分之间的距离在图3的(A)中被定义为X。在一些实施例中，X略大于零。基于改善图3的(A)中所示的结构的参数的设计需要，可以调整X。例如，可以通过调整X的值来改变图3的(A)中示出的结构的电感值、电阻值、以及电感值与电阻值的比值。此外，为了增加绕组的电感值，可以采用更多的迹线来绕制如图3的(B)所示的多匝结构。另外，形成在不同的层(未示出)的迹线可以并联连接以降低绕组的电阻值而不明显影响绕组的电感值。

绕组的第一部分302形成一第一半圈。同样地，第二部分304形成一第二半圈。当电流流经绕组时，绕组的每个部分都会产生磁通。第一半圈中的磁通的方向与第二半圈中的磁通方向沿垂直于绕组的垂直轴线且相反。相反方向的磁通形成一自闭合的磁路。这样的自闭合磁路通过适当的设置如图3的(A)所示的这两部分的结构有助于增强这两部分的内部磁场及减少电感器结构外部的磁通。

在一些实施例中，设置绕组使得第一部分302的内部磁通的方向与绕组的第二部分304的内部磁通方向相反。换句话说，第一部分和第二部分产生的磁通在紧邻电感器结构的空间内形成闭合磁路，并且绕组的每个部分中的电流会增强所述磁通。相比之下，对于所述空间之外的点，由于来自第一部分302的磁通和来自第二部分304的磁通趋于互相抵消，所述点的磁通被减弱。

图3的(A)示出的电感器结构可以形成于一PCB的至少两个不同层中。例如，黑色迹线可以形成在PCB的第一层；灰色迹线可以形成在PCB的第二层中。PCB的第一层可以紧邻第二层。或者，第一层和第二层可以被PCB的多层分开。在一些实施例中，第一层中的迹线通过合适的连接元件(例如过孔等)连接到第二层中的迹线。

除了每一部分具有多匝数线圈外，图3的(B)示出的电感器结构与图3的(A)示出的电感器结构相似。第一部分312包括沿顺时针方向绕制的迹线或线圈。第二部分314包括沿逆时针方向绕制的迹线或线圈。电流流过图3的(B)所示的电感器结构之后，分别在第一部分312和第二部分314产生磁场。具体地，在第一部分312中产生的磁场方向和在第二部分314中产生的磁场方向沿所述垂直轴线且相反。对于紧邻图3的(B)所示的电感器结构的空间之外的一点，这两个磁场可彼此抵消或者至少部分磁场可相互抵消。

图3的(B)示出的电感器结构可以形成在一PCB的至少两个不同层中。例如，黑色迹线可以形成在PCB的第一层；灰色迹线可以形成在PCB的第二层。第一层可以紧邻PCB中的第二层。或者，第一层和第二层可以被PCB的多层分开。在一些实施例中，第一层中的迹线通过合适的连接元件(例如过孔等)连接到第二层中的迹线。

图4A示出了根据本公开的各种实施例的图3的(A)的电感器结构的磁通分布。图4A示出的是电流流过图3的(A)的电感器结构之后产生的磁通分布。采用图3的(A)中所示的线圈结构，绕组的外部磁场被约束在绕组周围较小的区域内。尤其是，图3的(A)所示的线圈结构有助于改善X-Z平面中的磁通分布。

图4B示出了电感器结构的X-Z平面。在一些实施例中，电感器结构是位于X-Y平面。Z轴垂直X-Y平面，如图4B所示。图4C示出了根据本公开的各种实施例的图1的(A)的电感器结构在X-Z平面的磁通分布。图4D示出了根据本公开的各种实施例的图3的(A)中所示的电感器结构的X-Z平面的磁通分布。采用图3的(A)所示的电感器结构，图4D所示的电感器结构在Z方向的磁通密度明显小于图3的(C)的电感器结构。

另外，如图4A所示的线圈内的许多区域的磁通密度明显大于图2所示的线圈内的磁通密度。特别是，由于电感器结构的中心的两条直线流经的电流方向一致，电感器结构的中心的磁通密度明显增强。换而言之，相较于图1所示的现有电感器结构，图3所示的结构在两个相邻空间内具有更大的磁场能量，从而可以获得更高的电感值并减少对所述相邻空间外部的磁干扰。在图4A、4C和4D中，颜色的亮度反映了磁场强度以及磁通密度的大小。

采用图3的电感器结构，其他金属迹线或元件放置在空芯线圈附近，不会有产生如干扰、涡流损耗等问题。例如，近场通信线圈(NFC)可以放置在本发明的电感器结构附近而不会有被损坏的风险。

应该说明的是，绕组的形状不一定是环形或螺旋形。绕组的不同部分可以具有不同的形状。例如，可以用一系列直线或者用直线连接的一段或多段弧线代替弧线。图3所示的直线可以用一段或多段弧线或直线和弧线的组合代替。只要是闭合的形状，绕组的两部分或多或少相对于中心对称，并且中心区域的线通过的电流方向大致相同，所述发明构思同样起作用。电感器结构的形状也不一定要分成两部分。如有必要，电感器结构可以分成两部分以上。所述结构适用于各种应用，例如具有受限磁场的空芯电感器的绕组和发射线圈/接收线圈。此外，具有磁屏蔽功能的磁性材料(诸如磁性板或膜)可以放置在PCB设有线圈结构或线圈一侧作为磁屏蔽件。

此外，在诸如无线电力传输系统的某些应用中，较强的外部磁场可能存在于无线电力传输系统的磁性元件周围，例如EMI滤波器或阻抗匹配电路的电感器。外部磁通可以与无线电力变压器系统的磁性元件耦合并影响其工作。如果磁性元件是空心电感器，则这种影响更为严重。因此需要设计一种不易受放置在附近的其他元件所产生的磁场影响的空心电感器。将参考图6-12详细介绍这种应用于无线电力传输系统的绕组结构。

图5示出了根据本公开的各种实施例的具有自闭合磁路的电感器结构的实施方式。图5中的(A)示出了环形的电感器结构。图5中的(B)示出了正方形的电感器结构。

图5(B)中所示的电感器结构的组成和工作原理与图5的(A)中所示的电感器结构类似。为了简单起见，以下仅对5(A)中所示的电感器结构的组成及工作原理进行详细介绍，以避免赘述。

图5中的(A)示出了位于PCB的一层且具有一定宽度的环形金属迹线。如图5的(A)所示，所述环形金属迹线被分成几段，每段都是单匝绕组的一部分。图5(A)中所示的段也可被为金属块。

在PCB的第一层上的这些段共同形成绕组的一部分。同样地，在PCB的第二层上由类似的金属迹线形成的金属块形成绕组的另一部分。在一些实施例中，PCB的这两层上的金属轨迹在竖直方向是对齐的。如果需要，PCB的两层的金属块可以并联连接，以减少绕组结构的电阻值。

可以使用过孔或其他方法(例如边缘电镀)来连接绕组的两个部分以形成完整的绕组，绕组可以包括一匝或式匝线圈。以这种方式，位于PCB的两个不同层上的金属块及过孔形成的空间呈环形。因此，当电流流过绕组时，这种环形结构可以在产生强磁场。

如图5的(A)所示，PCB的第一层上形成多个间隙。间隙(例如间隙504)将绕组的相邻金属块(例如，金属块502和506)分开。由于在金属块502与其相邻的金属块之间存在间隙504，当电流在PCB的第一层的金属块502中流动时，其必须通过所述过孔503流入金属块502下方的金属块。类似地，由于间隙508，电流不能进入第二层中的相邻金属块。电流必须通过所述过孔507后流入金属块506。因此，电流流动路径是一环形形状。

图5的(A)中所示的环形的空芯磁结构在多层PCB的不同层之间的具有闭合的磁通路径。图5的(A)中所示的绕组结构具有各种优点。首先，这个闭合的磁通路径减小了所述电感器产生的磁场对其他元件或PCB迹线的影响。其次，它还减少了外部磁场与所述电感器之间的耦合。

应该说明的是，图5中所示的金属块及绕组的形状仅仅是示例。本领域技术人员可以理解，金属块及绕组也可以使用其他形状，只要是闭合的几何形状并且由绕组结构产生的磁场相应地闭合即可。

应该说明的是，图5所示的这种结构在环形空间外仍然产生一些磁通。对于环形空间外的一个点，绕组形成一个单匝电感器，类似于图1(A)中所示的电感器。这种单匝电感器可能会对附近的元件造成一定的干扰，并且还会加强对外部磁场的影响。

为了减小这种影响，电感器(图5的(A)中的环形和图5的(B)中的正方形)的形状可以分成两个或更多部分，以形成如图3的(A)和图3的(B)所示的更复杂的形状。因此沿着这样的形状可以形成一闭合的磁路。因此，也可以是几何闭合及各部分大致对称的其他几何形状。

金属后盖因美观、耐用和强度好而被用于高端移动设备。磁场不能轻易地穿透金属后盖，当使用金属后盖后，移动设备内部的绕组与移动设备外部的绕组之间的磁耦合太弱而不能传递大量的能量或信号。这对于设计高性能无线电力传输系统或其他无线信号传输系统来说是一个挑战。解决这个问题的一种方法是在金属后盖上开一个开口。

对于现有的发射绕组，开口中的大部分磁通的方向相同，并且穿过开口的磁通将在开口周围的金属元件中引起明显的涡电流，由此导致金属元件中的高能量损耗并且产生对抗发射线圈的磁通的反磁场。由此，即使金属后盖设置开口，磁通仍然不能容易地穿过金属后盖，并且高端移动设备内部和外部的绕组之间的磁耦合仍然非常弱。

采用图3的(A)和图3的(B)所示的自闭合绕组结构，可以解决上述问题。在一通电区域内，自闭合绕组结构的两个部分(如图3所示)产生的磁通的方向是不同的。在一些实施例中，两个部分中的磁通的总和应当为零或非常小。因此，通过金属后盖的开孔的总磁通也很小，并且它不会在邻近自闭合绕组结构的金属元件产生显着的感应电流。因此，金属后盖设置开口，使得磁通容易穿过开口，高端移动设备的内部线圈与外部线圈之间可以良好地磁耦合。再者，设置开口的形状和尺寸以使环绕开口的金属回路具有合适的阻抗，使得所述金属回路中的涡流可以增强磁耦合。将参考图6-1详细描述图3所示的绕组结构应用于无线电力传输系统的优点。

图6示出了根据本公开的各种实施例的无线电力传输系统中的绕组结构。在一些实施例中，图6所示的绕组结构600可以用作发射线圈的绕组结构。在替代实施例中，图6中所示的绕组结构600可以用作接收器的绕组结构。在整个说明书中，根据不同的应用，图6中所示的绕组结构600也可称为发射线圈或接收线圈。

绕组结构600可以分成三部分。绕组结构600的第一部分602具有第一将近闭合形状。绕组结构600的第二部分604具有第二大致将近闭合形状。第三部分606是设置在第一部分602和第二部分604之间作为连接元件。如图6所示，第一部分602和第二部分604以基本对称的方式设置。在一些实施例中，空芯电感器可以由第一部分602、第二部分604和第三部分606形成。

如图6所示，第一部分602包括第一直线612和第一非直线614。第二部分604包括第二直线622和第二非直线624。第一直线612是紧邻第二直线622并且与第二直线622平行。此外，第一非直线614和第二非直线624位于第一直线612和第二直线622之间的中心线610的相对两侧。在整个说明书中，第一非直线614和第二非直线624也可分别被称作第一曲线和第二曲线。第三部分606也可被称为连接元件606。

如图6所示，第三部分606与第二直线622的一部分(黑色)相交。在一些实施例中，绕组结构600形成于一多层PCB中。第三部分606可以形成在PCB的第一层中。第二直线622的部分位于PCB的第二层中。PCB的第一层和第二层堆叠设置。如图6所示，第一部分602、第三部分606，第二部分604的第二非直线624和第二直线622的上部(灰色)形成在PCB的第一层中。第二直线622的下部(黑色)与第三部分606相交。第二直线622的下部形成在PCB的第二层中。第二直线622的下部和第二直线622的上部之间设置有连接元件(例如，过孔)。

应该说明的是，在图6所示的PCB中形成的绕组结构仅仅是一个示例。本领域技术人员可以理解的是，绕组结构可以进行替换、变化和修改。例如，图3的(A)示出了PCB上的相同结构的绕组结构的不同实施方式。

如图6所示，第一直线612的中点与第一非直线614的外边缘之间的距离被定义为D。第一直线612的中点与第一非直线614内边缘之间的距离被定义为d。第一直线612和第二直线622之间的距离被定义为X。通过调整参数D和d以获得理想的电感值与电阻值比。当接收线圈放置在发射线圈上时，距离X可用于调整位置灵敏度。

在一些实施例中，电流流过图6所示的绕组结构。特别是，电流自第一非直线614流向第一直线612；电流自第一直线612流向连接元件606；电流自连接元件606流向第二非直线624；电流自第二非直线流624向第二直线线622第一直线612。当电流流过将近闭合的第一部分602后，电流在第一部分产生一第一磁场。同样的，当电流流过将近闭合的第二部分604后，电流在第二部分产生一第二磁场。由于电流在第一部分602顺时针流动及在第二部分604逆时针流动，第一磁场与第二磁场的方向相反。

图6中所示的磁场结构的一个优点在于：对于绕组结构600附近空间外的点，第一磁场和第二磁场可以彼此抵消，由此减少了绕组结构600对所述点造成的磁干扰。

应该说明的是，尽管图6示出了绕组结构600的每个部分是单匝线圈，但是磁干扰减小结构可以应用于多匝线圈的绕组结构。例如，再次参考图3(B)，绕组结构的第一部分是沿顺时针方向绕制的多匝的第一线圈。第一部分的每一匝都具有将近闭合的形状。绕组结构的第二部分是沿逆时针方向绕制的多匝的第二线圈。第二部分的每一圈都具有将近闭合的形状。此外，第一部分和第二部分相对于第一部分与第二部分之间的中心线基本对称。当电流流过图3(B)所示的绕组结构的第一部分和第二部分时，第一部分及第二部分中的产生磁场方向相反。因此，对于图3(B)所示的绕组结构外的一点，第一部分产生的磁场和第二部分产生的磁场可相互抵消。虽然图6示出了绕组结构包括两个将近闭合的部分，但是在本发明的精神下，绕组结构包括多于两个的部分。此外，绕组结构的各部分可以具有不同的形状并且可以不是对称的。另外，根据需要，可以将磁性材料添加到绕组结构以形成磁屏蔽件。

图7示出了根据本公开的各种实施例的图6中所示的绕组结构的第一实施方式。图7是一个组件示例，所述组件包括一接收线圈、发射线圈及能够组装在接收线圈及发射线圈的磁屏蔽件。图7的上部是包括磁屏蔽件、接收器绕组(又称线圈)和发射器绕组构成的一系统的立体图。图7的下部是所述系统的剖视图。

在一些实施例中，图7中所示的发射线圈和接收线圈均具有图6中所示的结构。在一些实施例中，发射线圈与接收线圈磁耦合。能量在发射线圈和接收线圈之间无线传输。由于绕组结构中心附近的磁通密度很高，即使接收线圈与发射线圈没有很好地对齐，也可以保持较强的能量传输能力。所述特征有助于提高无线电力传输系统的空间自由度。另外，图6所示的距离X可用于调整无线电力传输的空间自由度。

图8示出了根据本公开的各种实施例的图6中所示的绕组结构的第二实施方式。除了在接收线圈和发送线圈之间插入了一金属后盖，图8与图7相似。在一些实施例中，金属后盖可以机械地组装到接收线圈或发送线圈。金属后盖也可以是单独的元件。在整个说明书中，金属后盖可以可选地称为金属盖或金属板。

应该说明的是，上述金属盖的形状仅仅是一个例子。本领域技术人员可以将其进行修改、替代和变化。例如，金属盖可以是矩形的。此外，在本发明的范围和精神内，金属盖可以包括其他形状，例如但不限于椭圆形、正方形等。

图9示出了根据本公开的各种实施例的图6中所示的绕组结构的第三实施方式。除了金属盖设置有开口外，图9与图8类似。如图9所示，开口的形状是环形的，并且位于金属盖的中部。在一些实施例中，如图9所示尺寸和形状的开口用来提高发送线圈和接收线圈之间的磁耦合。

如图9所示，开口的形状可以是基本上是环形的。在本发明的范围和精神内，开口包括其他形状，例如但不限于椭圆形、矩形等。

应该说明的是，开口的面积基本小于接收线圈的面积和/或发送线圈的面积。在一些实施例中，开口的面积等于或小于接收线圈/发射线圈的面积的70％。

图10示出了根据本公开的各种实施例的发射线圈和接收线圈的几种实施方式的耦合系数的仿真结果。图10显示了发射线圈和接收线圈之间的模拟磁耦合系数。未设置金属盖(对应于图7所示的实施方式)时，磁耦合系数大约等于0.39，这对于无线电力传输系统是合适的。

使用完整的金属盖(对应于图8所示的组件)，磁耦合较差。如图10所示，图8所示的组件的磁耦合系数小于0.05。因此，这样低的磁耦合系数的发射线圈和接收线圈之间进行无线电力传输变得非常困难。然而，当在金属盖设置一合适的开口(对应于图9所示的组件)时，发射线圈与接收线圈之间的磁耦合高于没有设置开口的金属盖。如图10所示，图9中的组件的磁耦合系数在约0.42～0.43的范围内。换句话说，金属盖上的开口可以改善发射线圈和接收线圈之间的无线电力传输。

图11示出了根据本公开的各种实施例的图9中所示的金属盖的各种实施方式。在一些实施例中，金属盖可以包括如图11的(a)所示的一个开口。在替代实施例中，金属盖可以包括若干个开口。如图11的(b)所示，这些开口可以排列成行和列。或者，如图11(c)所示，这些开口也可以平行设置。如上所述，上述形状和尺寸的开口可以用于增强发射线圈和接收线圈之间的磁耦合，和/或增强无线电力传输系统的其他方面。

在一些实施例中，明显的感应涡流可能在金属盖中流动并造成不必要的能量损失。为了减小感应涡流，如图11的(d)、图11的(e)和图11的(f)所示，可以在金属盖中设置小的切口。在整个说明书中，这些小的切口可以也可以被称为沟槽。

图11(d)示出了在金属盖中形成的沟槽。沟槽连接开口。图11(e)示出了金属盖形成的四个沟槽。四个沟槽连接开口并相对于开口对称设置。图11的(f)示出了金属盖设有多个开口及多个沟槽。这些开口成行及成列设置。沟槽连接在开口之间。

开口的形状、位置、尺寸和/或数量可以全部用于进一步改善在发射线圈或接收器设置有金属盖的无线电力系统的性能。另外，可以将切口设置在金属盖的不同位置，不论附近是否设有较大的开口可进一步减小这些位置周围的涡流。

图12示出了根据本公开的各种实施例的用于利用金属盖的开口周围的涡流的结构。利用开口周围的涡流的另一种方法是使用电容器来调整涡流回路的阻抗。图12显示了多个电容器跨接于较大开口周围的切口。值得指出的是，尽管图12示出了与四个电容器耦合的开口，但所述开口可以与任何数量的电容器相耦合。此外，根据不同的设计需求和应用，电容器可以与一个以上的开口相耦合。在一些实施例中，电容器可以包括放置在切口内部或周围的电介质材料。此外，电容器可以由切口的侧壁和填充在切口的侧壁之间的电介质材料形成。

图12中所示的电容器可相对于开口的磁场的大小和相位控制环路中的涡流的大小和相位。通过这种方式，可以对涡流进行整形，从而增强开口中的原始磁场的强度，从而增加发射线圈和接收线圈之间的磁耦合。

如上所述，涡流回路成为发射线圈和接收线圈之间的中间线圈。这种中间线圈能够增强耦合并提高无线电力传输的系统性能。尤其是，如果涡流回路的电感值(Lr)和电容器的电容值(Cr)具有近似等于无线电力传输系统的频率的谐振频率：

其中f是无线电力传输系统的频率(例如，发射线圈的主磁通的频率)，Lr是涡流回路的电感值，Cr是涡流回路的电容值(包括图12所示的附加电容器的等效电容值)。

需要说明的是，不一定需要使谐振频率与无线电力传输频率相同才能使所述技术有效。进一步需要说明的是，如果金属板设有多个开口及相应产生多个涡流电流回路，虽然可以用电容器与所有电流回路相连，但也不是所有回路都需要设置如图12所示的电容。另外，根据不同的应用和设计需要，也可以使用不同的绕组结构，包括图1所示的现有绕组结构。

非导电材料可以全部或部分填充在全部或部分开口和切口中。填充材料可以是磁性材料(例如具有大于1的磁导率的铁氧体化合物)或非磁性材料。只要填充材料的电阻值很高(远高于铜或铝的电阻值)，电磁性能就不会受到影响。此外，如有需要，全部或部分开口/切口可形成特定图案、文字、形状或甚至标志。

以上的描述，示出了构造具有自闭合或将近自闭合磁场的空心磁元件的方法。它可以集成到系统印刷电路板中，而不会与周边元件发生干扰，从而达成紧凑控制、稳定电感值和低传导损耗。图3-12所述的结构和方法也可以用于高频直流功率转换器，以实现小体积、高功率高密度的转换。例如，图3和图6所示的结构可用于构造高频降压型直流转换器的输出滤波电感。

尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但可以理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变、替换和更改。

此外，本申请的范围并非局限于说明书中描述的过程、机器、制造品、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员从本发明的公开内容中很容易获悉目前存在或将来开发的过程、机器、制造品、物质组成、手段、方法或步骤，其执行基本上相同的功能或实现与根据本发明所描述的对应实施例基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括这样的过程、机器、制造品、物质组成、手段、方法或步骤。

Claims (20)

1.一种结构，包括：

由多个第一金属块形成的第一金属迹线，所述多个第一金属块中的每个包括在第一上层中形成的上部、在第一下层中形成的下部以及在所述第一上层和所述第一下层之间形成的多个第一互连，其中所述多个第一金属块形成具有第一环形形状的第一磁通路径。

2.根据权利要求1所述的结构，还包括：

由多个第二金属块形成的第二金属迹线，所述多个第二金属块中的每个包括在第二上层中形成的上部，在第二下层中形成的下部以及在所述第二上层和所述第二下层之间形成的多个第二互连，其中所述多个第二金属块形成具有第二环形形状的第二磁通路径，并且所述第二金属迹线连接到所述第一金属迹线。

3.根据权利要求2所述的结构，其中：

通过所述第一金属迹线的第一磁通量和通过所述第二金属迹线的第二磁通量彼此垂直相反。

4.根据权利要求1所述的结构，其中：

所述第一金属迹线形成第一将近闭合形状。

5.根据权利要求1所述的结构，其中：

所述第一上层和所述第一下层位于印刷电路板中。

6.根据权利要求1所述的结构，其中：

所述多个第一互连是边缘电镀互连。

7.根据权利要求1所述的结构，其中：

第一金属块的所述上部从所述第一上层的第一端延伸到第二端，且

第一金属块的所述下部从所述第一下层的第三端延伸到第四端；其中所述第一上层的所述第二端通过至少一个互连连接到所述第一下层的所述第三端。

8.根据权利要求7所述的结构，其中：

所述第一上层的所述第一端通过至少一个互连连接到第一相邻金属块的下部，且

所述第一下层的所述第四端通过至少一个互连连接到第二相邻金属块的上部。

9.根据权利要求1所述的结构，其中：

在电流流过所述第一金属迹线之后，所述第一金属迹线形成自封闭的磁通路径。

10.根据权利要求1所述的结构，其中：

所述多个第一互连是导孔。

11.一种系统，包括：

发射线圈，所述发射线圈具有第一绕组结构，所述第一绕组结构包括由多个第一金属块形成的第一金属迹线，其中每个第一金属块包括在第一上层中形成的上部、在第一下层中形成的下部以及在所述第一上层和所述第一下层之间形成的多个第一互连；

接收线圈，所述接收线圈具有与所述发射线圈类似的绕组结构，其中所述接收线圈被配置为与所述发射线圈磁耦合；和

有开口的金属板，放在所述发射线圈和所述接收线圈之间。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一绕组结构包括：

由多个第二金属块形成的第二金属迹线，其中每个第二金属块包括在第二上层中形成的上部、在第二下层中形成的下部以及在所述第二上层和所述第二下层之间形成的多个第二互连。

13.根据权利要求12所述的系统，其中：

所述多个第一金属块中的每个包括在第一PCB层中形成的上部和在第二PCB层中形成的下部，且

所述多个第二金属块中的每个包括在所述第一PCB层中形成的上部和在所述第二PCB层中形成的下部。

14.根据权利要求11所述的系统，还包括：

与所述开口连接的沟槽；和

与所述沟槽耦合的电容器，其中所述电容器被配置为使得由在所述金属板上流动的感应涡流所产生的电感以及所述电容器的电容形成的谐振频率近似等于所述发射线圈中流过的电流的频率，所述电容器由所述沟槽的侧壁和填充在所述沟槽的所述侧壁之间的介电材料形成。

15.根据权利要求11所述的系统，还包括：

磁屏蔽件，所述磁屏蔽件机械地附接到所述发射线圈和所述接收线圈中的一个。

16.根据权利要求11所述的系统，还包括：

与所述开口连接的四个沟槽，其中所述四个沟槽相对于所述开口对称地放置，和

四个电容器，其中每个电容器与相应的沟槽耦合，所述四个电容器由填充在所述沟槽的侧壁之间的介电材料形成。

17.一种系统，包括：

发射线圈，所述发射线圈具有第一绕组结构，所述第一绕组结构包括：

由多个第一金属块形成的第一金属迹线，其中每个第一金属块包括在第一上层中形成的上部、在第一下层中形成的下部以及在所述第一上层和所述第一下层之间形成的多个第一互连，所述多个第一金属块形成具有第一环形形状的第一磁通路径，和

由多个第二金属块形成的第二金属迹线，其中每个第二金属块包括在第二上层中形成的上部，在第二下层中形成的下部以及在所述第二上层和所述第二下层之间形成的多个第二互连，其中所述多个第二金属块形成具有第二环形形状的第二磁通路径。

18.根据权利要求17所述的系统，还包括：

接收线圈，所述接收线圈具有与所述发射线圈类似的绕组结构，其中所述接收线圈被配置为与所述发射线圈磁耦合；和

金属板，所述金属板在所述发射线圈和所述接收线圈之间，所述金属板包括多个开口和多个沟槽。

19.根据权利要求18所述的系统，其中：

所述多个开口按行和列排列，和

所述多个沟槽与各自的开口连接，每个开口的沟槽相对于开口对称地放置。

20.根据权利要求18所述的系统，还包括：

所述多个第一金属块中的每个包括在第一PCB层中形成的上部和在第二PCB层中形成的下部，和

所述多个第二金属块中的每个包括在所述第一PCB层中形成的上部和在所述第二PCB层中形成的下部。

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