CN103296771B - 一种无线能量传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无线能量传输系统，通过在无线能量传输系统的磁共振发射模块的后端固定设置超材料，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。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。
Description
【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。磁共振式虽然能实现较长距离的能量传输，但是其传输效率较低。
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，包括磁共振发射端装置和设置在负载设备内的磁共振接收端装置，所述磁共振发射端装置包括电源模块和磁共振发射模块，所述磁共振接收端装置包括磁共振接收模块，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，所述磁共振发射端装置还包括超材料，所述超材料固定设置在所述磁共振发射模块的后端，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。
优选地，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。
优选地，所述磁共振发射端装置还包括装置外壳，所述装置外壳内设置有多个定位槽，所述超材料可选择性固定在所述定位槽内。
优选地，所述超材料的磁导率为-1。
具体地，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。
优选地，所述磁性微结构为开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。
优选地，所述磁共振发射模块包括发射电路、发射天线和磁共振发射线圈，所述发射电路连接所述电源模块，所述磁共振接收模块包括磁共振接收线圈、接收天线和接收电路，所述接收电路电连接所述负载设备。
优选地，所述发射电路为磁场谐振激发电路，所述磁场谐振激发电路产生一个频率与所述磁共振发射线圈的谐振频率相同的驱动信号，所述驱动信号由所述发射天线进行发射。
优选地，所述接收电路为整流电路，所述整流电路将所述接收天线接收到的能量转换为电能所需的信号输出。
优选地，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。
具体地，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。
优选地，所述单个磁性微结构为5-80圈多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。
优选地，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，通过在无线能量传输系统的磁共振发射模块的后端固定设置超材料，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。
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，实施例1无线能量传输系统的结构示意图。
图2，实施例2无线能量传输系统的结构示意图。
图3，实施例2无线能量传输系统的侧面剖视图。
图4，超材料的整体结构示意图。
图5，金属铜微结构的放大图。
图6，超材料谐振频率的特征曲线图。
图7，具有超材料的无线能量传输系统磁场能量图。
图8，没有超材料的无线能量传输系统磁场能量图。
图9，开口环衍生结构图。
图10，六边形开口环结构图。
【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。
实施例1
一种无线能量传输系统，其系统结构示意图参看附图1，包括磁共振发射端装置和设置在负载设备内的磁共振接收端装置，磁共振发射端装置包括装置外壳1、电源模块2、磁共振发射模块3和超材料4，负载设备5内设置有磁共振接收端装置，磁共振接收端装置包括磁共振接收模块6，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固定设置在磁共振发射模块3的后端，超材料4具有负磁导率，具有负磁导率的超材料4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。
本实施例中，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，最终对负载设备进行供电，固定设置在磁共振发射模块3后的超材料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。
本实施例中具有负磁导率的超材料，包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，人造微结构设计为磁性微结构，即单个人造微结构(一般称为cell)均为单个开口环结构或开口环的衍生结构，介质基板为介电材料，微结构为导电材料，由于该结构可等效为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。
实施例2
一种无线能量传输系统，其系统结构示意图参看附图2，包括磁共振发射端装置和设置在负载设备内的磁共振接收端装置，磁共振发射端装置包括装置外壳1、电源模块2、磁场谐振激发电路31、发射天线32、磁共振发射线圈33和超材料4，负载设备5内设置有磁共振接收端装置，磁共振接收端装置包括磁共振接收线圈61、接收天线62和接收电路63，磁共振发射线圈33与磁共振接收线圈61之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，超材料4固定设置在磁共振发射线圈33的后端，超材料4具有负磁导率，具有负磁导率的超材料4的频率与磁共振发射线圈33以及磁共振接收线圈61的谐振频率相同。
本实施例中，超材料4设计为平板结构，超材料4与磁共振发射线圈33相对平行设置，装置外壳1内还设置有多个定位槽7，超材料4可选择性固定在定位槽7内。通过定位槽7的设置，可以方便地对超材料4相对于磁共振发射线圈33的距离进行调节。附图3为本实施例无线能量传输系统的侧面剖视图。
本实施例的工作原理是：电源模块1将交流电转换为直流电后为磁场谐振激发电路2提供直流电源，磁场谐振激发电路2产生一个频率与磁共振发射线圈33的谐振频率相同的驱动信号，该驱动信号由发射天线32进行发射，磁共振发射线圈33与磁共振接收线圈61发生共振并通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，由于超材料4具有负磁导率，能对磁共振发射线圈33以及磁共振接收线圈61之间的磁场起到磁场增强的作用，进而提高系统的能量传输效率和增大能量传输距离。接收天线6接收到磁共振接收线圈61的磁场能量并通过接收电路63转换为电能，输出到负载设备5，接收电路63采用整流电路，整流电路将接收天线63接收到的能量转换为电能所需的信号输出。
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4，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5，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6，从图中可以看出，在谐振峰后面的一段频率范围内，超材料的磁导率为负。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，可以得到在负磁导率条件下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。
将上述超材料置于无线能量传输系统的磁共振发射线圈33和磁共振接收线圈61之间，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7，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8，对比图7和图8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，能增强磁共振发射线圈33和磁共振接收线圈61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，由于磁共振发射线圈33、超材料4、磁共振接收线圈61三者之间均为空气，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，本发明选择磁导率为-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9、图10分别给出了另外两种超材料微结构的结构图，图9为凹形开口环结构图，图10为六边形开口环衍生结构图。
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 (12)
1.一种无线能量传输系统，包括磁共振发射端装置和设置在负载设备内的磁共振接收端装置，所述磁共振发射端装置包括电源模块和磁共振发射模块，所述磁共振接收端装置包括磁共振接收模块，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，其特征在于：所述磁共振发射端装置还包括超材料，所述超材料固定设置在所述磁共振发射模块的后端，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,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。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述磁共振发射端装置还包括装置外壳，所述装置外壳内设置有多个定位槽，所述超材料可选择性固定在所述定位槽内。
3.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述超材料的磁导率为-1。
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。
5.根据权利要求4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。
6.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述磁共振发射模块包括发射电路、发射天线和磁共振发射线圈，所述发射电路连接所述电源模块，所述磁共振接收模块包括磁共振接收线圈、接收天线和接收电路，所述接收电路电连接所述负载设备。
7.根据权利要求6所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述发射电路为磁场谐振激发电路，所述磁场谐振激发电路产生一个频率与所述磁共振发射线圈的谐振频率相同的驱动信号，所述驱动信号由所述发射天线进行发射。
8.根据权利要求6所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述接收电路为整流电路，所述整流电路将所述接收天线接收到的能量转换为电能所需的信号输出。
9.根据权利要求4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。
10.根据权利要求9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。
11.根据权利要求9或10所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述单个磁性微结构为5-80圈多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。
12.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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