本发明涉及无线充电技术领域，尤其是涉及一种箱式多角度无线充电器及使用方法。
背景技术：
随着智能手机的普及，充电方式也不断更新。当下较为常见的无线充电方式主要分为电磁感应技术、电磁共振技术和无线电波技术。其中，电磁感应技术是应用最多的一种无线充电方式。
利用电磁感应原理进行充电的手机无线充电器，其原理和变压器相似，通过在发送和接收端各安放一个线圈，发送端线圈在电力的作用下向外界发出电磁信号，接收端线圈收到电磁信号并且将电磁信号转变为电流，从而达到无线充电的目的。无线充电技术是一种特殊的供电方式，它不需要电源线，依靠电磁波传播，然后将电磁波能量转化为电能，最终实现无线充电。
现在技术中，对手机进行无线充电的充电器，一般采用磁感应技术，但是，这种无线充电技术的传输距离短，位置要求严格，需要将手机紧贴在充电器的托盘上，一旦手机与充电板之间位置发生偏移，就会降低充电效率或停止充电。常用的技术手段是在充电板上设置限位槽、夹持机构等限位装置，以免手机移动。但是，限位槽难以适配不同型号手机的尺寸，夹持机构难以对手机进行牢固的夹持，当手机受到震动后容易脱落，容易造成手机的损坏，同时对于手机的拆装固定不够方便快捷，给用户带来不便。
技术实现要素：
经过发明人的分析和研究，发现三个相互垂直的发射线圈产生方向相互垂直的磁场，不论接收线圈的角度是多少，总能与其中一个发射线圈处于45度以下的夹角范围，进行相对稳定的无线电能传输；且根据功率分析和电流分析，发现在给定输入电压下，发射线圈与接收线圈的耦合系数越大，发射线圈的输出功率越高，电能传输效率越高，发射线圈的电流越小，因此可以根据发射线圈导通时的电流大小判断耦合系数的大小，从而导通传输效率最高的发射线圈。本发明的目的就是为了提供一种箱式多角度无线充电器及使用方法，在箱式无线充电器内设置3个相互垂直的发射线圈，根据待充电设备的位置，控制器选择电流最小、电能传输效率最高的发射线圈导通，不需要对待充电设备严格限位，待充电设备的位置可以随时改变，适配各种型号的待充电设备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种箱式多角度无线充电器，包括充电器本体、设于充电器本体内的控制器和设于充电器本体上的开关按钮，所述开关按钮与控制器连接，所述充电器本体包括箱体和箱盖，所述箱体包括底板、第一侧板、第二侧板和至少一个连接侧板，所述底板、第一侧板和第二侧板上均设有距离传感器，底板、第一侧板和第二侧板相互垂直，所述箱盖与箱体连接，所述底板上设有第一发射线圈，所述第一侧板上设有第二发射线圈，所述第二侧板上设有第三发射线圈；
所述控制器与距离传感器、电流检测电路和驱动电路连接，所述电流检测电路分别与第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈连接，所述驱动电路分别与第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈连接。
进一步的，所述箱体为顶部敞口的立方体结构。
更进一步的，所述箱盖通过铰轴与第一侧板或第二侧板或连接侧板连接。
更进一步的，所述箱盖与箱体可开合的盖接，所述箱盖上设有把手。
进一步的，所述电流检测电路包括运算器放大电路和采样电路。
进一步的，所述充电器本体外包覆有磁绝缘层。
进一步的，所述充电器本体上还设有充电指示灯，所述充电指示灯与控制器连接。
一种箱式多角度无线充电器的使用方法，基于如上所述的箱式多角度无线充电器，包括以下步骤：
s1：待充电设备放入充电器本体内，将开关按钮打开；
s2：给定输入电压，控制器通过驱动电路导通第一发射线圈，电流检测电路检测第一发射线圈单独导通时的电流i1，控制器通过驱动电路导通第二发射线圈，电流检测电路检测第二发射线圈单独导通时的电流i2，控制器通过驱动电路导通第三发射线圈，电流检测电路检测第三发射线圈单独导通时的电流i3；
s3：控制器比较i1、i2和i3的大小，选取其中的最小电流值，并导通最小电流值所对应的发射线圈，断开其余发射线圈；
s4：控制器持续监测各个距离传感器的实时距离数据，根据实时距离数据判断待充电设备的位置是否发生改变，若待充电设备的位置改变，则执行步骤s2，否则，重复步骤s4，直至开关按钮关闭。
进一步的，所述待充电设备上设有与第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈相配合的接收线圈。
更进一步的，所述待充电设备为手机。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)在箱式无线充电器内设置3个相互垂直的发射线圈，控制器根据发射线圈导通时的电流大小选择传输效率最高的发射线圈导通，不需要对待充电设备严格限位，待充电设备的位置可以随时改变，适配各种型号的待充电设备。
(2)控制器通过电流检测电路检测各个发射线圈导通时的电流，电流最小的发射线圈传输效率最高，控制器选择电流最小的发射线圈导通，结构简单，判断速度快。
(3)充电器本体外包覆有磁绝缘层，可以减少辐射对人体的伤害，安全性更高。
(4)箱体与箱盖相配合，连接方式多样，可以通过销轴连接，也可以盖接，能够很好地保护待充电设备。
附图说明
图1为实施例中箱式多角度无线充电器的结构示意图；
图2为实施例中箱式多角度无线充电器的整体电路示意图；
图3为实施例中控制器与发射线圈的连接示意图；
图4为实施例中发射线圈工作时的简化电路示意图；
图5为实施例中箱式多角度无线充电器的使用方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种箱式多角度无线充电器，整体结构如图1所示，包括充电器本体、设于充电器本体内的控制器和设于充电器本体上的开关按钮，开关按钮与控制器连接，充电器本体包括箱体和箱盖，箱体包括底板、第一侧板、第二侧板和至少一个连接侧板，底板、第一侧板和第二侧板上均设有距离传感器，底板、第一侧板和第二侧板相互垂直，箱盖与箱体连接，底板上设有第一发射线圈，第一侧板上设有第二发射线圈，第二侧板上设有第三发射线圈；
控制器与距离传感器、电流检测电路和驱动电路连接，电流检测电路分别与第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈连接，驱动电路分别与第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈连接。
本实施例中，无线充电采用磁耦合谐振式方案，通过强磁耦合谐振原理，往原边线圈输入高频交流电压，使谐振频率与原边一样的接收线圈内部产生同样频率谐振电流，从而实现无线电能传输。
本实施例中，箱式多角度无线充电器的整体电路示意图如图2所示，直流电压源通过双e类逆变器产生高频交流电输入3个发射线圈其中之一，接收线圈通过整流桥整流之后接buck电路调压，3个发射线圈之前分别连接一个投切开关之后连接到前面的逆变电路，控制器通过切换开关导通对应的发射线圈。
待充电设备放入箱体内，打开开关按钮，控制器工作，如图3所示，通过投切开关可以分别导通3个发射线圈，电流检测电路包括运算器放大电路和采样电路，用于检测各个线圈单独导通时的电流，并以此为依据选择3个发射线圈中电能传输效率最高的发射线圈。本实施例中，控制器采用stm32f103c8t6芯片，在其他实施方式中，也可以使用其他微处理芯片实现相同的功能。
本实施例中，箱体为顶部敞口的正方体结构，底板为正方体箱体的底面，第一侧板和第二侧板为两个相邻的侧面，此时，底板、第一侧板和第二侧板相互垂直，底板、第一侧板和第二侧板上分别设有平面螺旋线圈作为发射线圈，在充电时，控制器导通其中一个发射线圈。
在其他实施方式中，箱体也可以为顶部敞口的长方体结构或其他立方体结构，只要保证有三个相互垂直的面即可。
箱盖与箱体连接，能够很好地保护待充电设备。本实施例中，箱盖通过铰轴与第一侧板连接。在其他实施方式中，箱盖也可以通过铰轴与第二侧板或连接侧板连接，或者与箱体可开合的盖接，并在箱盖上安装把手，便于取放箱盖。
充电器本体外包覆有磁绝缘层，可以减少辐射对人体的伤害，安全性更高。充电器本体上还设有充电指示灯，充电指示灯与控制器连接，当待充电设备充电时，充电指示灯亮起。
在其他实施方式中，也可以分别为第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈设置充电指示灯，充电指示灯亮起表征其对应的发射线圈工作。此外，也可以在充电器本体设置与控制器连接的显示屏，用于显示当前电能传输效率。
待充电设备上设有与第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈相配合的接收线圈，本实施例中，待充电设备为手机，在其他实施方式中，待充电设备可以为蓝牙耳机等电子设备。
经过发明人的分析和研究，发现三个相互垂直的发射线圈产生方向相互垂直的磁场，不论接收线圈的角度是多少，总能与其中一个发射线圈处于45度以下的夹角范围，进行相对稳定的无线电能传输。因此，当待充电设备放置在箱体内时，总能在第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈中找到一个与接收线圈处于45度以下夹角的发射线圈进行电能传输。
在给定电压下，发射线圈与接收线圈的耦合系数越大，发射线圈的输出功率越高，电能传输效率越高，发射线圈的电流越小，因此可以根据发射线圈导通时的电流大小判断耦合系数的大小，从而导通传输效率最高的发射线圈。分析如下：
本实施例中，发射线圈工作时的简化电路如图4所示，当负载电阻为r0时，根据电路的性质以及整流电路的性质可得副边整流之前的等效电阻rl为：
其中，d为系统工作的占空。
忽略整流桥和boost电路的损耗，可以认为rl上的功率即为输出功率，则发射线圈的输出功率为：
其中，po是系统输出电压，ω为系统工作频率，m为原副边两线圈互感，u1为直流电压源dc在经过双e类逆变器逆变之后的交流电压电压，rl为负载电阻，rp为发射线圈的阻抗，rs为接收线圈的阻抗。
设发射线圈与接收线圈的自感分别为lp、ls，耦合系数为k，发射线圈的电流为i，输出功率po可表示为：
其中，lp为发射线圈的自感，ls为接收线圈的自感。
发射线圈的电流i可表示为:
根据上述公式可以看出，输出功率po随耦合系数k的增大而增大，发射线圈的电流i随耦合系数k的增大而减小。故可以通过监测发射线圈的电流i的大小来判断耦合系数k的大小，发射线圈的电流i越小，说明耦合系数k越大，耦合系数k越大，则输出功率po越大。
基于此，提出了一种箱式多角度无线充电器的使用方法，给定输入电压，轮流导通3个发射线圈，分别测得各个发射线圈单独导通时的发射线圈电流i1、i2、i3，比较它们大小，选取最小电流值对应的发射线圈并导通，即选取了具有最大耦合系数的发射线圈并导通，电能传输效率最高。
一种箱式多角度无线充电器的使用方法，如图5所示，包括以下步骤：
s1：待充电设备放入充电器本体内，将开关按钮打开；
s2：给定输入电压，控制器通过驱动电路导通第一发射线圈，电流检测电路检测第一发射线圈单独导通时的电流i1，控制器通过驱动电路导通第二发射线圈，电流检测电路检测第二发射线圈单独导通时的电流i2，控制器通过驱动电路导通第三发射线圈，电流检测电路检测第三发射线圈单独导通时的电流i3；
s3：控制器比较i1、i2和i3的大小，选取其中的最小电流值，并导通最小电流值所对应的发射线圈，断开其余发射线圈；
s4：控制器持续监测各个距离传感器的实时距离数据，根据实时距离数据判断待充电设备的位置是否发生改变，若待充电设备的位置改变，则执行步骤s2，否则，重复步骤s4，直至开关按钮关闭。
开关按钮处于打开状态时，控制器会开始工作，执行步骤s2，如果此时箱体内没有待充电设备，则3个发射线圈导通时的电流是一样的，且都等于无接收线圈时的电流。可以在充电器本体上设置报警器，如led报警灯，遇到上述状况时报警，提醒用户放入待充电设备或关闭开关按钮。也可以通过报警器，在遇到其他异常情况时报警。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
1.一种箱式多角度无线充电器，包括充电器本体、设于充电器本体内的控制器和设于充电器本体上的开关按钮，所述开关按钮与控制器连接，其特征在于，所述充电器本体包括箱体和箱盖，所述箱体包括底板、第一侧板、第二侧板和至少一个连接侧板，所述底板、第一侧板和第二侧板上均设有距离传感器，底板、第一侧板和第二侧板相互垂直，所述箱盖与箱体连接，所述底板上设有第一发射线圈，所述第一侧板上设有第二发射线圈，所述第二侧板上设有第三发射线圈；
所述控制器与距离传感器、电流检测电路和驱动电路连接，所述电流检测电路分别与第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈连接，所述驱动电路分别与第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈连接。
2.根据权利要求1所述的一种箱式多角度无线充电器，其特征在于，所述箱体为顶部敞口的立方体结构。
3.根据权利要求2所述的一种箱式多角度无线充电器，其特征在于，所述箱盖通过铰轴与第一侧板或第二侧板或连接侧板连接。
4.根据权利要求2所述的一种箱式多角度无线充电器，其特征在于，所述箱盖与箱体可开合的盖接，所述箱盖上设有把手。
5.根据权利要求1所述的一种箱式多角度无线充电器，其特征在于，所述电流检测电路包括运算器放大电路和采样电路。
6.根据权利要求1所述的一种箱式多角度无线充电器，其特征在于，所述充电器本体外包覆有磁绝缘层。
7.根据权利要求1所述的一种箱式多角度无线充电器，其特征在于，所述充电器本体上还设有充电指示灯，所述充电指示灯与控制器连接。
8.一种箱式多角度无线充电器的使用方法，基于如权利要求1-8中任一所述的箱式多角度无线充电器，其特征在于，包括以下步骤：
s1：待充电设备放入充电器本体内，将开关按钮打开；
s2：给定输入电压，控制器通过驱动电路导通第一发射线圈，电流检测电路检测第一发射线圈单独导通时的电流i1，控制器通过驱动电路导通第二发射线圈，电流检测电路检测第二发射线圈单独导通时的电流i2，控制器通过驱动电路导通第三发射线圈，电流检测电路检测第三发射线圈单独导通时的电流i3；
s3：控制器比较i1、i2和i3的大小，选取其中的最小电流值，并导通最小电流值所对应的发射线圈，断开其余发射线圈；
s4：控制器持续监测各个距离传感器的实时距离数据，根据实时距离数据判断待充电设备的位置是否发生改变，若待充电设备的位置改变，则执行步骤s2，否则，重复步骤s4，直至开关按钮关闭。
9.根据权利要求8所述的一种箱式多角度无线充电器的使用方法，其特征在于，所述待充电设备上设有与第一发射线圈、第二发射线圈和第三发射线圈相配合的接收线圈。
10.根据权利要求9所述的一种箱式多角度无线充电器的使用方法，其特征在于，所述待充电设备为手机。
技术总结