CN103296770A - 一种无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线能量传输系统，通过对磁共振发射模块和磁共振接收模块进行简化设计，以一个天线结构同时实现了信号发射或接收功能以及磁共振的功能，通过对天线结构的金属线结构进行优化设计，实现了高效、远距离的能量传输。同时，在磁共振接收模块的前端固定设置超材料，使整个无线能量传输系统的能量传输效率得到了提高，对于整个系统而言，不但能量传输距离远，接收端的设备不需要紧贴发射端，就能实现能量传输，大大提高了接收端负载设备的使用自由度，给用户带来方便。

Description

一种无线能量传输系统

【技术领域】

本发明涉及无线能量传输领域，具体地涉及一种基于磁共振原理的无线能量传输系统。

【背景技术】

目前，无线能量传输技术主要基于三种原理，分别是电磁感应式、磁共振式以及辐射式，电磁感应式(非接触感应式)电能传输电路的基本特征是原副边电路分离，原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合感应相联系。电磁感应式的特点是：有较大气隙存在，使得原副边无电接触，弥补了传统接触式电能的固有缺陷；但是，较大气隙的存在也使得系统漏磁与激磁相当，甚至比激磁高；因此，基于磁感应技术的原因，充电线圈基板与接收线圈基板之间的实际有效充电空间距离大约为5mm，当两者之间的空间距离超过5mm时则无法进行充电工作。

磁共振式(又称WiTricity技术)是由麻省理工学院(MIT)物理系、电子工程、计算机科学系，以及军事奈米技术研究所(Institutefor Soldier Nanotechnologies)的研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物体间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。2007年6月，来自麻省理工学院的研究人员通过电磁线圈实现了距离2米的60W电力的传输，他们采用了全新的思考方式，采用了两个能够实现共振的铜线圈，依靠共振进行能量的传输。现有的基于磁共振的无线能量传输系统包括电源模块、信号激励电路、磁共振发射模块和设置在负载设备内的磁共振接收模块，磁共振发射模块通常包括发射天线和磁共振发射线圈，磁共振接收模块同样也包括磁共振接收线圈和接收天线，磁共振发射线圈和磁共振接收线圈通常为绕制的铜线圈，整个系统的结构比较复杂，给设计预定的系统工作频率带来很大难度，所以目前该技术仅仅停留在技术解决方案阶段，还没有成熟的产品。

辐射式又分为无线电波式、微波方式、激光方式等，如，Powercast公司基于无线电波式研制出可以将无线电波转化成直流电的接收装置，可在约1米范围内为不同电子装置的电池充电。其缺点是能够传输的能量小，应用范围有限。

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料，因此，为设计和合成超材料，人们进行了很多研究工作。2000年，加州大学的Smith等人指出周期性排列的金属线和开环共振器(SRR)的复合结构可以实现介电常数ε和磁导率μ同时为负的双负材料，也称左手材料。之后他们又通过在印刷电路板(PCB)上制作金属线和SRR复合结构实现了二维的双负材料。

现有的负磁导率人工材料中，单个人造微结构(一般称为cell)均为单个开口环结构或开口环的衍生结构，包括方形结构、圆形结构或多边形结构，其微结构的尺寸很大，特别是对于低频波段的应用，其微结构的大小达到了分米级，这使得超材料的整体体积过大，给应用带来困难。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：基于超材料技术提供一种系统结构简单，传输距离长，传输效率高的无线能量传输系统。

本发明实现发明目的所采用的技术方案是，一种无线能量传输系统，包括电源模块、信号激励电路、磁共振发射模块和设置在负载设备内的磁共振接收模块，所述信号激励电路连接所述磁共振发射模块并提供激励信号，所述磁共振接收模块电连接所述负载设备，所述磁共振发射模块与所述磁共振接收模块之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，所述磁共振发射模块和磁共振接收模块结构相同且均为由基材和固定在基材上的金属线结构组成的天线结构，所述金属线结构包括馈线、第一方形螺旋线、第二方形螺旋线、连接线和口字型闭合线，所述第一方形螺旋线和第二方形螺旋线的外端头分别连接所述连接线的一端，所述连接线的另一端连接所述口字型闭合线，所述口字型闭合线包围所述第一方形螺旋线和第二方形螺旋线，所述馈线包围所述口字型闭合线，所述磁共振接收模块的前端还固定设置有超材料，所述超材料具有负磁导率，所述具有负磁导率的超材料的频率与所述磁共振发射模块以及磁共振接收模块的谐振频率相同。

作为具体实施方式，所述第一方形螺旋线和第二方形螺旋线的内端头处延伸有一方形金属片。

作为优选实施方式，所述第一方形螺旋线和第二方形螺旋线以所述连接线为轴对称设置。

具体实施时，所述超材料为平板结构，所述超材料与所述磁共振发射模块相对平行设置。

作为优选实施方式，所述超材料的磁导率为-1。

具体实施时，所述超材料包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个微结构，所述微结构为磁性微结构，所述介质基板为介电材料，所述微结构为导电材料。

具体实施时，所述磁性微结构为开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。

作为优选实施方式，单个所述磁性微结构由一根金属线通过多重绕线的方式形成多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。

作为具体实施方式，所述开口谐振环或开口谐振环的衍生结构为矩形、圆形或多边形。

作为优选实施方式，单个所述磁性微结构为5-80圈多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。

具体实施时，所述电源模块为电源转换电路，所述电源转换电路将交流电转换为直流电。

本发明的有益效果是：

1、通过对磁共振发射模块和磁共振接收模块进行简化设计，以一个天线结构同时实现了信号发射或接收功能以及磁共振的功能，通过对天线结构的金属线结构进行优化设计，实现了高效、远距离的能量传输。

2、通过在无线能量传输系统的磁共振接收模块的前端固定设置超材料，使整个无线能量传输系统的能量传输效率得到了提高，对于整个系统而言，不但能量传输距离远，接收端的设备不需要紧贴发射端，就能实现能量传输，大大提高了接收端负载设备的使用自由度，给用户带来方便。

3、通过对超材料的设计，以多重绕线的方式将超材料微结构设计为多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构，一方面能通过绕线的圈数对超材料的谐振频率进行调节，另一方面能极大地降低谐振频率，减小无线能量传输系统对环境的影响，提高安全性能。

【附图说明】

图1，本发明无线能量传输系统的结构示意图。

图2，磁共振发射模块的金属线结构图。

图3，超材料的整体结构示意图。

图4，金属铜微结构的放大图。

图5，超材料谐振频率的特征曲线图。

图6，具有超材料的无线能量传输系统磁场能量图。

图7，没有超材料的无线能量传输系统磁场能量图。

图8，开口环衍生结构图。

图9，六边形开口环结构图。

图10，另一实施例的金属线结构图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

首先介绍本发明无线能量传输系统的整体结构，其系统结构示意图参看附图1，包括装置外壳1、驱动电路板2、磁共振发射模块3、超材料4、负载设备5和磁共振接收模块6，驱动电路板2、磁共振发射模块3固定在装置外壳1内，驱动电路板2上包括电源模块和信号激励电路，超材料4和磁共振接收模块6一同固定设置在负载设备5内，超材料4设置在磁共振接收模块6的前端并相对平行设置，磁共振发射模块3与磁共振接收模块6之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，超材料4具有负磁导率，通过对超材料4进行设计，使超材料4在具有负磁导率条件下的频率与磁共振发射模块3以及磁共振接收模块6的谐振频率相同。

本发明中，磁共振发射模块3与磁共振接收模块6具有相同的谐振频率并通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，磁共振接收模块6将接收到的能量转换为电流，最终对负载设备5进行供电，固定设置在磁共振接收模块6前端的超材料4由于具有负磁导率，能起到磁场增强作用，因此能提高系统的能量传输效率和增大传输距离。

下面对无线能量传输系统的各个部分进行详细说明。

对于装置外壳1，根据应用场景的不同可进行各种设计，如应用于会议室的会议桌，可以直接设计为盒形装置外壳并固定在会议桌桌面下方，通过整个系统实现对会议桌上的电子产品如笔记本电脑、手机等进行无线充电。装置外壳1的设计能满足固定内部的驱动电路板2和磁共振发射模块3即可。

对于驱动电路板2，包括电源模块和信号激励电路，电源模块为电路转换电路，用于将交流电转换为直流电，信号激励电路用于产生一磁共振驱动信号，该驱动信号的频率与磁共振发射模块3以及磁共振接收模块6的谐振频率相同。

下面详细说明磁共振发射模块3，磁共振发射模块3为由基材和固定在基材上的金属线结构组成的天线结构，基材可选用PCB电路基材，金属线结构图参看附图2，包括馈线31、第一方形螺旋线32、第二方形螺旋线33、连接线34和口字型闭合线35，第一方形螺旋线32和第二方形螺旋线33的外端头分别连接连接线34的一端，连接线34的另一端连接口字型闭合线35，口字型闭合线35包围第一方形螺旋线32和第二方形螺旋线33，馈线31包围口字型闭合线35，馈线31的输入端连接信号激励电路的输出端。

作为接收端的磁共振接收模块6的结构与磁共振发射模块3完全相同，磁共振接收模块6的馈线电连接负载设备5为负载设备提供电流。

磁共振接收模块6的前端平行设置有超材料4，通过设计出具有负磁导率的超材料4，并保证超材料的频率与磁共振发射模块3以及磁共振接收模块6的谐振频率相同，能增加整个系统的能量传输效率和传输距离。超材料属于一种人工合成的复合材料，一般包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，介质基板为介电材料，人造微结构为导电材料，通过将人造微结构设计为磁性微结构，即每个人造微结构(一般称为cell)均为开口环结构或开口环的衍生结构，可以使超材料在某些频率具有负磁导率的特性，由于该类开口环结构或开口环的衍生结构可等效为LC谐振电路，所以通过多个磁性微结构的阵列可实现对磁场的增强。

下面首先就如何得到负磁导率的超材料，以及如何使负磁导率条件下的超材料的频率与磁共振发射线圈以及磁共振接收线圈的谐振频率相同进行详细说明。

采用PCB制造技术，在环氧树脂玻璃纤维板上覆铜，通过印刷电路的方法制备出金属铜微结构阵列，得到超材料，超材料的整体结构示意图参看附图3，包括环氧树脂玻璃纤维板101和阵列的金属铜微结构102，金属铜微结构102的放大图参看附图4，微结构102由一根首尾不相接的铜丝多重绕线而成，绕线在整体上呈正方形，绕线为37圈，线宽0.1mm，通过仿真测试得到其谐振峰频率为32MHz。

对于开口谐振环微结构而言，在电路上可以等效为LC电路，环形金属线等效电感L，线间电容等效电容C，因此，根据谐振频率的公式对微结构进行多重绕线后，线圈的长度增长，等效地增大了电感L，从而降低了微结构的谐振频率，通过调整绕线的圈数以及线圈直径可以对微结构的谐振频率进行调节，进而可以调节整个超材料的谐振频率。超材料的负磁导率与其谐振频率存在特定的关系，即超材料出现负磁导率的频率范围总会在超材料谐振频率附近，根据超材料谐振频率的特征曲线图，参看附图5，图中，横坐标为频率、纵坐标为磁导率，由图可知超材料的负磁导率特性总会在谐振峰后面的一段频率范围内，并且超材料磁导率为负的频率段与超材料的谐振频率密切相关，即随着超材料谐振频率的变化而变化，因此通过对超材料谐振频率的调节，可以得到满足负磁导率条件下的频率与无线能量传输系统中的磁共振发射线圈和磁共振接收线圈的谐振频率相同的超材料。

当然，通过改变微结构的形状以及选择合适的介质基板材料等方法，都可以对超材料的谐振频率进行调节，从而选择得到负磁导率条件下频率与磁共振发射线圈和磁共振接收线圈的谐振频率相同的超材料。

下面就负磁导率的超材料对磁场的增强效果进行测试。

将上述具有超材料的无线能量传输系统在仿真软件Comsol 3.5中对其磁场增强的效果进行仿真测试，得到的磁场能量图参看附图6，无线能量传输系统在没有加入超材料的磁场能量图参看附图7，对比图6和图7可以很明显地看出，加入超材料后，磁场能量增加了大约3dB。

由于通过超材料的加入，能增强超材料4和磁共振接收模块6之间交变磁场强度，所以整个无线能量传输系统的能量传输效率得到了提高，对于整个系统而言，能量传输距离远，接收端的设备不需要紧贴发射端，就能实现能量传输，并且能应用于功耗较大的用电设备上。

对于无线能量传输而言，由于磁共振发射模块3、超材料4、磁共振接收模块6三者之间的介质均为空气，为提高能量传输效率，需要设计加入的超材料4与空气之间具有良好的阻抗匹配，以减少能量的反射，因此，本发明优选出磁导率为-1的超材料作为磁场增强器件。

出于对无线充电应用过程中对环境的安全性要求，无线充电的频率需要尽可能的降低，从而减少对环境的电磁影响，特别是对人体的电磁影响。因此，对于无线能量传输系统而言，需要尽可能地降低其谐振频率，本发明通过对超材料的设计，以多重绕线的方式将超材料微结构设计为多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构，一方面能通过绕线的圈数对谐振频率进行调节，另一方面能极大地降低谐振频率，减小无线能量传输系统对环境的影响，提高安全性能。

在上述超材料4的实施例中，仅仅给出了一种正方形的开口环结构，应当理解的是，将开口环设计为任意多边形、圆形或其他衍生结构，并通过多重绕线的方式将超材料微结构设计为多重嵌套的结构，均能实现本发明的有益效果。作为具体实施方式，图8、图9分别给出了另外两种超材料微结构的结构图，图8为凹形开口环结构图，图9为六边形开口环衍生结构图。

作为上述磁共振发射模块3和磁共振接收模块6的实施例变形，还可以采用以下结构，磁共振发射模块3和磁共振接收模块6采用包括由基材和固定在基材上的金属线结构组成的天线结构，基材选用PCB电路基材，金属线结构图参看附图10，包括馈线31、第一方形螺旋线32、第二方形螺旋线33、连接线34、口字型闭合线35和方形金属片36，第一方形螺旋线32和第二方形螺旋线33的外端头分别连接连接线34的一端，连接线34的另一端连接口字型闭合线35，第一方形螺旋线32和第二方形螺旋线33的内端头处延伸有方形金属片36，口字型闭合线35包围第一方形螺旋线32和第二方形螺旋线33，馈线31包围口字型闭合线35，馈线31的输入端连接信号激励电路的输出端。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (11)

1.一种无线能量传输系统，包括电源模块、信号激励电路、磁共振发射模块和设置在负载设备内的磁共振接收模块，所述信号激励电路连接所述磁共振发射模块并提供激励信号，所述磁共振接收模块电连接所述负载设备，所述磁共振发射模块与所述磁共振接收模块之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，所述磁共振发射模块和磁共振接收模块结构相同且均为由基材和固定在基材上的金属线结构组成的天线结构，其特征在于：所述金属线结构包括馈线、第一方形螺旋线、第二方形螺旋线、连接线和口字型闭合线，所述第一方形螺旋线和第二方形螺旋线的外端头分别连接所述连接线的一端，所述连接线的另一端连接所述口字型闭合线，所述口字型闭合线包围所述第一方形螺旋线和第二方形螺旋线，所述馈线包围所述口字型闭合线，所述磁共振接收模块的前端还固定设置有超材料，所述超材料具有负磁导率，所述具有负磁导率的超材料的频率与所述磁共振发射模块以及磁共振接收模块的谐振频率相同。

2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述第一方形螺旋线和第二方形螺旋线的内端头处延伸有一方形金属片。

3.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述第一方形螺旋线和第二方形螺旋线以所述连接线为轴对称设置。

4.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述超材料为平板结构，所述超材料与所述磁共振接收模块相对平行设置。

5.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述超材料的磁导率为-1。

6.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述超材料包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个微结构，所述微结构为磁性微结构，所述介质基板为介电材料，所述微结构为导电材料。

7.根据权利要求6所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述磁性微结构为开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。

8.根据权利要求7所述的无线能量传输系统，其特征在于：单个所述磁性微结构由一根金属线通过多重绕线的方式形成多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。

9.根据权利要求7所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述开口谐振环或开口谐振环的衍生结构为矩形、圆形或多边形。

10.根据权利要求8或9所述的无线能量传输系统，其特征在于：单个所述磁性微结构为5-80圈多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。

11.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述电源模块为电源转换电路，所述电源转换电路将交流电转换为直流电。

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