МНОГОСЛОЙНАЯ КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ
MULTILAYER INDUCTANCE COIL

Область техники
Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к катушкам индуктивности, в частности к плоским катушкам индуктивности.
Уровень техники
В настоящее время во многих областях науки и техники находят широкое применение катушки индуктивности: например, в системах беспроводной передачи энергии (таких как Qi, AirFuel), для накопления энергии, в радиотехнике для подавления помех, в резонансных и частотно–избирательных цепях и т.д. При этом основными требованиями, предъявляемыми к катушкам индуктивности, являются высокая добротность (низкое эффективное последовательное сопротивление) и низкие массогабаритные параметры.
Системы беспроводной передачи энергии функционируют на высоких частотах (например, 100кГц для Qi и 7МГц для AirFuel). При работе катушек индуктивности из сплошного проводника на таких частотах существенным становится влияние скин–эффекта (skin effect) и эффекта близости (эффект влияния соседних проводов, proximity effect), что приводит к снижению добротности (Q–factor) катушки и эффективности ее использования. Для устранения влияния упомянутых эффектов в настоящее время широко используется литцендрат. Литцендрат представляет собой многожильный провод, каждая жила которого покрыта изолирующим лаком, и используется в электронике для передачи переменного тока на высоких рабочих частотах (например, радиочастотный диапазон). Жилы литцендрата могут быть скручены друг с другом в соответствии с заданным шаблоном и могут иметь несколько уровней скручивания (группы скрученных жил скручиваются друг с другом и т.д.). Результатом такого скручивания является выравнивание отношения длины каждой жилы, находящей во внешней части литцендрата по всей его длине. Это приводит к более равномерному распределению тока по жилам литцендрата и снижению сопротивления. Катушки индуктивности, выполненные из литцендрата обладают более высокой добротностью и меньшими потерями на нагрев. Однако, литцендрат относительно дорог, сложен в изготовлении и применении вследствие наличия значительного числа тонких жил. Например, его труднее готовить к пайке, чем обычные одножильные и многожильные провода.
Таким образом, существующие катушки индуктивности из сплошных проводников или катушки индуктивности на основе печатных плат (PCB, printed circuit board) имеют высокие потери вследствие скин–эффекта и эффекта близости. В то же время катушки индуктивности на основе литцендрата являются дорогостоящими и сложными в производстве и применении.
В уровне техники известны решения, направленные на решение, описанных выше проблем.
Документ US 2014225705 A1 раскрывает плоскую катушку индуктивности, вблизи которой размещен слой магнитного материала, причем упомянутый слой расположен вплотную к внешней и/или внутренней границе катушки и имеет предварительно заданные размеры. Это обеспечивает более равномерное распределение тока по сечению катушки и снижает влияние внешних металлических объектов на параметры катушки. Однако, упомянутое решение раскрывает только однослойную плоскую катушку индуктивности, обладающую относительно низкой добротностью. Кроме того, упомянутый документ раскрывает только круглую геометрию катушки индуктивности.
Документ US 9,712,209 B2 раскрывает плоскую спиральную катушку индуктивности, витки которой выполнены из проводника в виде полосы. Упомянутая катушка имеет по меньшей мере один виток. Ширина полосы проводника изменяется с расстоянием от начала катушки в направлении длины. Каждый виток имеет соответствующую ширину, обеспечивающую протекание равного тока через каждый виток. Однако, упомянутое решение раскрывает только однослойную плоскую катушку индуктивности, обладающую относительно низкой добротностью.
Документ GB 2528788 A раскрывает беспроводное зарядное устройство для передачи энергии в батарею электронного устройства, которое содержит передатчик, резонатор, антенну и проводящий путь, по меньшей мере, с двумя контурами в плоскости с противоположными направлениями протекания тока по часовой стрелке или против часовой стрелки. Контуры расположены так, что ток, протекающий по проводящему пути, течет вокруг первого из упомянутых контуров в первом направлении и вокруг второго из упомянутых контуров во втором направлении противоположном первому направлению. В данном решении под контурами может быть расположен феррит для их экранирования от воздействия проводящих объектов под системой катушек. Однако, резонатор в упомянутом устройстве для передачи энергии обладает относительно низкой добротностью вследствие неравномерного распределения тока по сечению провода контура.
Таким образом, в настоящее время существует потребность в создании катушки индуктивности, обладающей высокой добротностью, в том числе, при работе на высоких частотах, выполненной с возможностью минимизировать влияние скин–эффекта и эффекта близости, имеющей простую, компактную и недорогую конструкцию для реализации массового производства таких катушек.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из приведенных выше проблем.
В соответствии с первым аспектом изобретения предложена плоская катушка индуктивности, содержащая многослойную обмотку катушки возбуждения, каждый слой которой выполнен на основе печатной платы, и магнитный компенсатор из магнитомягкого материала, причем магнитный компенсатор включает в себя две стенки, расположенные с двух сторон от обмотки в плоскости катушки индуктивности.
Согласно одному варианту осуществления катушки индуктивности магнитный компенсатор дополнительно содержит нижнюю часть, соединяющую стенки компенсатора, на которую укладывается обмотка катушки индуктивности.
Согласно другому варианту осуществления катушки индуктивности магнитомягкий материал магнитного компенсатора представляет собой феррит.
Согласно другому варианту осуществления катушки индуктивности стенки магнитного компенсатора расположены вплотную к краям обмотки катушки индуктивности.
Согласно другому варианту осуществления катушки индуктивности между стенкой магнитного компенсатора и обмоткой катушки индуктивности присутствует зазор, причем зазор представляет собой воздушный зазор, либо зазор, заполненный диэлектриком печатной платы слоя обмотки, либо их сочетание.
Согласно другому варианту осуществления катушки индуктивности стенки магнитного компенсатора параллельны друг другу и расположены под прямым углом к плоскости катушки индуктивности.
Согласно другому варианту осуществления катушки индуктивности стенки магнитного компенсатора расположены под наклонным углом к плоскости катушки индуктивности.
Согласно другому варианту осуществления катушки индуктивности слои многослойной обмотки соединены между собой посредством металлизированных переходных отверстий (VIA).
Согласно второму аспекту изобретения предложена система беспроводной передачи мощности, включающая в себя передатчик мощности, содержащий катушку индуктивности для беспроводной передачи мощности, и приемник мощности, содержащий катушку индуктивности для беспроводного приема мощности, причем катушка индуктивности передатчика мощности и/или приемника мощности представляет собой упомянутую выше плоскую катушку индуктивности в соответствии с настоящим изобретением.
Настоящее изобретение позволяет повысить добротность катушки индуктивности при работе на высоких рабочих частотах, обеспечивает простую, компактную и недорогую конструкцию упомянутой катушки индуктивности.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
На фиг. 1 изображен вид сверху примерных вариантов осуществления катушки индуктивности в соответствии с настоящим изобретением, а также поперечное сечение участка упомянутой катушки индуктивности.
На фиг. 2 изображен график, демонстрирующий влияние магнитного компенсатора на распределение электрического тока, протекающего в слое обмотки катушки индуктивности, по ширине обмотки.
На фиг. 3 изображено поперечное сечение участка катушки индуктивности в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 изображен альтернативный примерный вариант осуществления многослойной обмотки катушки индуктивности и варианты соединения слоев многослойной обмотки.
На фиг. 5 изображен принцип действия магнитной стенки.
На фиг. 6 изображены варианты моделирования распределения плотности тока в плоских проводниках в различных случаях.
На фиг. 7 изображен пример моделирования зависимости погонного сопротивления проводника от высоты стенок магнитного компенсатора и от магнитной проницаемости стенок магнитного компенсатора.
На фиг. 8 изображены результаты моделирования зависимости добротности катушки от числа витков в случае наличия и отсутствия магнитного компенсатора.
Подробное описание
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в данной области техники на основе информации изложенной в описании и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения предложена плоская катушка возбуждения, содержащая многослойную обмотку катушки возбуждения, каждый слой которой выполнен на основе печатной платы (PCB), и магнитный компенсатор из магнитомягкого материала. Компенсатор из магнитомягкого материала представляет собой две стенки, расположенные возле края с двух сторон от обмотки катушки индуктивности.
На фиг. 1 (слева) изображены два возможных варианта осуществления катушки индуктивности в соответствии с настоящим изобретением. Изображенные катушки индуктивности выполнены в виде круглой катушки индуктивности и прямоугольной катушки индуктивности. Стоит отметить, что в зависимости от назначения, конструктивных особенностей и требуемых параметров катушка индуктивности в соответствии с альтернативными вариантами осуществления настоящего изобретения может иметь любую подходящую геометрическую форму, например, форму треугольника, многоугольника, эллипса и т.д.
На фиг. 1 (справа) изображено поперечное сечение участка катушки индуктивности в соответствии с настоящим изобретением.
Плоская катушка индуктивности, изображенная на фиг. 1, состоит из многослойной обмотки 10 катушки индуктивности, с двух сторон от которой в плоскости катушки индуктивности расположен магнитный компенсатор, выполненный в виде двух стенок 20 из магнитомягкого материала.
Катушка индуктивности содержит многослойную обмотку 10, состоящую из по меньшей мере двух слоев. Каждый слой многослойной обмотки 10 катушки индуктивности выполнен на печатной плате. Выполнение слоев обмотки на печатных платах, когда слой проводника обмотки наносится на слой диэлектрика подложки печатной платы, является простым, обладает низкой стоимостью и хорошо применимо для массового производства.
В примерном варианте осуществления настоящего изобретения компенсатор из магнитомягкого материала изготовлен из магнитомягкого феррита. Компенсатор выполнен в виде двух вертикальных стенок 20 прямоугольного сечения, причем в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения стенки 20 компенсатора расположены вплотную (без зазора) к краю многослойной обмотки 10. В альтернативном варианте осуществления между стенками 20 компенсатора и обмоткой 10 может присутствовать зазор. Зазор между стенками 20 компенсатора и обмоткой 10 может быть представлен в виде воздушного зазора, либо зазора, заполненного диэлектриком печатной платы слоя обмотки, либо их сочетанием в любой пропорции в соответствии с технологическими требованиями. Кроме того, стенки 20 компенсатора могут иметь в сечении форму, отличную от прямоугольной, например, форму трапеции, конуса и т.д. Прямоугольные стенки магнитного компенсатора могут располагаться параллельно друг другу и под прямым углом к плоскости катушки индуктивности. В альтернативном варианте осуществления стенки 20 компенсатора могут быть расположены под наклонным углом к плоскости катушки 10.
В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения магнитный компенсатор может быть выполнен из магнитомягкого материала на основе распыленного железа, либо из магнитомягкого материала на основе аморфных или нанокристаллических сплавов. Такие варианты осуществления магнитного компенсатора могут найти преимущественное применение на рабочих частотах до 100кГц.
Как видно из графика на фиг. 2, в случае отсутствия магнитного компенсатора плотность электрического тока (пунктирная кривая на фиг. 2) в слое обмотки катушки индуктивности распределена неравномерно и имеет два максимума по краям слоя обмотки с «провалом» в средней части слоя обмотки. Это свидетельствует о том, что на высоких рабочих частотах вследствие правила Ленца значительная часть тока в слое обмотки возбуждения протекает у краев слоя, что приводит к уменьшению эффективного сечения проводника и влечет за собой высокие потери и неэффективное использование проводника обмотки.
При наличии магнитного компенсатора, выполненного в виде стенок с двух сторон от обмотки катушки индуктивности в плоскости катушки, плотность электрического тока (сплошная кривая на фиг. 2) в слое обмотки катушки индуктивности распределена более равномерно. Максимумы плотности тока по краям слоя обмотки значительно снижаются по сравнению со случаем отсутствия магнитного компенсатора, при этом плотность тока в средней части слоя обмотки повышается.
Таким образом, наличие магнитного компенсатора обеспечивает более равномерное распределение тока по сечению обмотки катушки индуктивности, что увеличивает эффективное сечение проводника обмотки и снижает потери.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения, изображенным на фиг. 3, магнитный компенсатор может дополнительно содержать нижнюю часть 30 компенсатора, соединяющую стенки 20, на которую укладывается многослойная обмотка катушки индуктивности. Нижняя часть 30 магнитного компенсатора экранирует катушку индуктивности от воздействий внешнего окружения.
Примерный вариант осуществления многослойной обмотки катушки индуктивности, изображенный на фиг. 4, состоит из восьми слоев обмотки, соединенных последовательно, каждый из которых выполнен на основе PCB. Проводник каждого слоя обмотки нанесен на диэлектрик печатной платы, причем слои обмотки отделены друг от друга посредством упомянутого диэлектрика. Проводники различных слоев обмотки могут быть электрически соединены друг с другом, например, посредством металлизированного переходного отверстия (VIA). В качестве альтернативы проводники различных слоев обмотки могут быть соединены посредством любого другого известного в уровне техники подходящего средства соединения в зависимости от конструктивных требований.
На фиг. 4 изображены несколько типов VIA, позволяющих осуществлять соединение различных слоев обмотки в ходе технологического процесса производства катушки индуктивности в соответствии с настоящим изобретением.
Катушка индуктивности в соответствии с примерным вариантом осуществления, изображенным на фиг. 4, содержит многослойную обмотку, выполненную на основании печатных плат. Каждый слой обмотки представляет собой печатную плату, т.е. диэлектрик с нанесенным на него проводником. Для производства многослойной обмотки слои многослойной обмотки соединяют друг с другом посредством сверления и металлизации отверстий в упомянутых печатных платах для формирования пути протекания тока между проводниками слоев обмотки. В соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения, изображенным на фиг. 4, VIA №1 и №3 сверлили в печатных платах на начальном этапе производства до склеивания печатных плат для формирования многослойной обмотки. VIA №2 сверлили после первой склейки слоев M1–M4 и M5–M8. Сквозное отверстие VIA сверлили после финальной склейки.
Слои обмотки и соответствующие VIA, соединяющие упомянутые слои, сконструированы таким образом, чтобы обеспечить требуемое направление протекания тока в многослойной катушке индуктивности для формирования требуемого магнитного поля катушки.
Далее со ссылками на фиг. 5–6 поясняется влияние магнитного компенсатора на электрический ток в обмотке катушки индуктивности.
На фиг. 5а (слева) изображен проводник с током, расположенный по нормали к плоскости фигуры на некотором расстоянии от магнитной стенки. Тангенциальная составляющая магнитного поля, создаваемого проводником на фиг.5, на поверхности магнитной стенки равна нулю. При этом магнитное поле, создаваемое упомянутым проводником с учетом наличия вблизи магнитной стенки, эквивалентно магнитному полю, создаваемому двумя проводниками с током, расположенными параллельно, причем второй проводник расположен симметрично первому проводнику относительно позиции магнитной стенки (см. фиг.5а, справа) и ток протекает в упомянутых проводниках в одном и том же направлении. Тангенциальная составляющая магнитного поля, создаваемого двумя такими проводниками будет равна нулю в позиции, где была расположена магнитная стенка.
В случае наличия некоторого плоского проводника с током, расположенного по нормали к плоскости фигуры вблизи от магнитной стенки (см. фиг. 5б, слева), распределение токов по сечению проводника будет иметь вид, как изображено на графике в прямоугольнике с закругленными краями на фиг. 5б над изображением проводника. Аналогично ситуации, изображенной на фиг. 5а, магнитное поле, создаваемое упомянутым проводником с учетом наличия вблизи магнитной стенки, эквивалентно магнитному полю, создаваемому плоским проводником с током, состоящим из двух частей, расположенных симметрично относительно позиции магнитной стенки (см. фиг.5б, справа).
Случай 1 на фиг. 6 демонстрирует примерный плоский проводник толщиной 60 мкм, шириной 10мм, по которому протекает ток с частотой 100кГц. Распределение плотности тока по сечению проводника в таком случае изображено на графике в правой части фиг. 6 и имеет два максимума у краев проводника с «провалом» в средней части проводника.
Случай 2 на фиг.6 демонстрирует тот же самый проводник с приложенной к его краю магнитной стенкой. Магнитная стенка устраняет резкий рост плотности электрического тока в проводнике ближе к точке контакта с магнитной стенкой.
Случай 3 на фиг.6 демонстрирует проводник с двумя магнитными стенками. Две магнитные стенки с двух сторон от проводника устраняют резкий рост плотности электрического тока в проводнике ближе к точкам контакта с магнитными стенками. Смоделированный идеальный случай плоского проводника с двумя магнитными стенками эквивалентен бесконечному по ширине плоскому проводнику и поэтому плотность электрического тока по ширине проводника распределена равномерно. Таким образом, достигается максимальная эффективность использования сечения проводника и минимизируются потери в проводнике.
Раскрытые со ссылками на фиг.5–6 идеальные магнитные стенки при реализации настоящего изобретения заменяются стенками из магнитомягкого материала с конечными размерами и магнитной проницаемостью. Конечные геометрические размеры и магнитная проницаемость снижают эффект устранения резкого роста плотности тока вблизи края проводника.
На фиг. 7 изображен плоский проводник из меди толщиной 60 мкм, шириной 10 мм, по которому протекает ток с частотой 100 кГц. С двух сторон от проводника расположены стенки магнитного компенсатора. В данном примерном варианте осуществления настоящего изобретения стенки магнитного компенсатора выполнены из феррита.
Для определения зависимости погонного сопротивления проводника от высоты стенок магнитного компенсатора принимаем, что стенки имеют толщину 2 мм и магнитную проницаемость 1000. Из графика в левой части фиг. 7 видно, что для данного примерного варианта осуществления настоящего изобретения, начиная с высоты стенки магнитного компенсатора равной примерно 4 мм, достигается практически минимальное погонное сопротивление проводника.
Для определения зависимости погонного сопротивления проводника от магнитной проницаемости стенок магнитного компенсатора принимаем, что стенки имеют толщину 2 мм и высоту 4 мм. Из графика в правой части фиг. 7 видно, что для данного примерного варианта осуществления настоящего изобретения, уже при значении магнитной проницаемости равном 30 достигается практически минимальное погонное сопротивление проводника.
Вследствие снижения активного сопротивления проводника обмотки катушки индуктивности снижаются и потери на нагрев при работе катушки индуктивности.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет получить плоскую многослойную катушку индуктивности с магнитным компенсатором, имеющую простую конструкцию и высокую добротность.
Стоит отметить, что магнитный компенсатор позволяет повысить коэффициент роста добротности катушки с увеличением количества витков (слоев обмотки). В отсутствие магнитного компенсатора этот коэффициент значительно ниже, что проиллюстрировано на фиг. 8. Т.е. при наличии магнитного компенсатора добротность с увеличением числа витков значительно повышается, в то время как при отсутствии магнитного компенсатора добротность практически не меняется с ростом числа слоев, поскольку во внутренних слоях ток распределен очень неравномерно.
Настоящее изобретение может найти применение в системах беспроводной передачи мощности. В частности, система беспроводной передачи мощности может включать в себя передатчик мощности, содержащий катушку индуктивности для беспроводной передачи мощности, и приемник мощности, содержащий катушку индуктивности для беспроводного приема мощности, причем катушка индуктивности передатчика мощности и/или приемника мощности может быть выполнена в соответствии с настоящим изобретением. Такая система беспроводной передачи мощности имеет простую конструкцию и демонстрирует высокую эффективность (КПД) передачи мощности.
Описанная выше система беспроводной передачи мощности, в частности, может найти преимущественное применение в системах беспроводной зарядки мобильных электронных устройств, для которых определяющими характеристиками являются эффективность передачи мощности и массогабаритные параметры системы беспроводной передачи мощности.
В примерном варианте осуществления описанная выше система беспроводной передачи мощности может применяться для передачи мощности между разными частями робота, связанными друг с другом посредством шарнирных или иных подвижных сочленений, для исключения проводного соединения, обладающего низкими механическими и прочностными характеристиками.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.
Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также реализации, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.