CN103296781A - 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，通过在无线能量传输系统的磁共振发射模块并联设置第一可调电容，在磁共振接收模块并联设置第二可调电容，通过对第一可调电容和第二可调电容的电容值的调节，一方面可以改变磁共振发射模块和磁共振接收模块的共振频率，使之与系统的工作频率相等，另一方面可以调节磁共振发射模块和磁共振接收模块自身固有频率的差异，使二者的固有频率相同，最终使整个无线能量传输系统能适应工作频率，达到更为高效的传输效率。本发明进一步地通过在磁共振发射模块和磁共振接收模块之间设置具有负磁导率的超材料，以加强磁场消逝波的耦合，能进一步提高系统的传输效率。

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(Institute for SoldierNanotechnologies)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信号激励电路、发射天线、磁共振发射模块和设置在负载设备内的磁共振接收模块、接收天线和接收电路，磁共振发射模块和磁共振接收模块通常为绕制的铜线圈，只有当磁共振发射模块和磁共振接收模块的固有频率等于系统工作频率时，磁共振发射模块和磁共振接收模块才能产生共振进行能量传输，同时，当磁共振发射模块和磁共振接收模块的固有频率完全相等时，系统的能量传输效率才最高，实际上，由于整个系统的结构比较复杂，磁共振发射模块和磁共振接收模块的固有频率往往不能满足工作频率的要求，适用性差，系统能量传输效率低。

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。对于磁场具有响应的金属线和开环共振器结构，通常称之为磁性微结构。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：克服现有共振式无线能量传输系统适用性差，系统能量传输效率低的缺点，提供一种适用性好，系统能量传输效率更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，包括磁信号发射模块、磁共振发射模块、磁共振接收模块和能量接收模块，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，所述能量接收模块与所述磁共振接收模块耦合并连接负载设备以提供电能，所述磁信号发射模块发射特定工作频率的驱动信号，所述磁共振发射模块并联设置有第一可调电容，所述磁共振接收模块并联设置有第二可调电容，所述磁共振发射模块和所述磁共振接收模块的共振频率相等。

更好地，所述磁共振发射模块和磁共振接收模块之间设置有超材料，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和磁共振接收模块的共振频率相同。

更好地，所述磁共振发射模块和磁共振接收模块均为金属线圈。

更好地，所述金属线圈为圆环形线圈。

具体地，所述磁信号发射模块包括发射电路和发射天线，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特定工作频率的驱动信号，所述驱动信号由所述发射天线进行发射。

具体地，所述能量接收模块包括接收天线和接收电路，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输出。

更好地，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。

具体地，所述磁性微结构为开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。

具体地，所述介质基板为有机树脂材料或陶瓷材料。

本发明的有益效果是：

1、通过在无线能量传输系统的磁共振发射模块并联设置第一可调电容，在磁共振接收模块并联设置第二可调电容，通过对第一可调电容和第二可调电容的电容值的调节，一方面可以改变磁共振发射模块和磁共振接收模块的共振频率，使之与系统的工作频率相等，另一方面可以调节磁共振发射模块和磁共振接收模块自身固有频率的差异，使二者的固有频率相同，最终使整个无线能量传输系统能适应工作频率，达到更为高效的传输效率。

2、本发明进一步地通过在磁共振发射模块和磁共振接收模块之间设置具有负磁导率的超材料，以加强磁场消逝波的耦合，能进一步提高系统的传输效率。

【附图说明】

图1，实施例1整体结构示意图。

图2，圆环形线圈结构图。

图3，实施例2整体结构示意图。

图4，为凹形开口环结构图。

图5，六边形开口环衍生结构图。

图6，超材料谐振频率的特征曲线图。

【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

本实施例无线能量传输系统的整体结构示意图参看附图1，包括磁信号发射模块1、磁共振发射模块2、磁共振接收模块3和能量接收模块4，磁共振发射模块1与磁共振接收模块2之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，能量接收模块4与磁共振接收模块3耦合并连接负载设备(图中未示出)以提供电能，磁信号发射模块1发射特定工作频率的驱动信号，磁共振发射模块2并联设置有第一可调电容22，磁共振接收模块3并联设置有第二可调电容32，磁共振发射模块2和磁共振接收模块3的共振频率相等。

本实施例的磁信号发射模块1为电磁波发射模块，包括发射电路和发射天线，根据无线能量传输系统的应用环境不同，采用不同的磁场谐振激发电路作为发射电路可产生特定工作频率的交流电信号，以交流电信号作为驱动信号通过馈电的方式由发射天线发射出特定频率的磁场信号。

本实施例的磁共振发射模块2包括第一金属线圈21，磁共振接收模块3包括第二金属线圈31，通常情况下第一金属线圈21和第二金属线圈31具有相同的固有频率，当二者的固有频率与磁信号发射模块1发射的磁场信号频率相同时，第一金属线圈21和第二金属线圈31发生磁共振，第一金属线圈21和第二金属线圈31通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递的效率达到最高，但是现有技术的难题在于受加工工艺的影响，金属线圈的固有频率往往不能满足特定的工作频率，第一金属线圈21和第二金属线圈31往往具有不同的固有频率，为此，本发明通过与第一金属线圈21并联设置第一可调电容22，与第二金属线圈31并联设置第二可调电容32，这样磁共振发射模块2为由第一金属线圈21与第一可调电容22共同组成的系统，磁共振接收模块3为由第二金属线圈31和第二可调电容共同组成的系统，根据共振频率的公式

通过第一可调电容22和第二可调电容32电容值的调节，一方面可以改变磁共振发射模块2和磁共振接收模块3的共振频率，使之与系统特定的工作频率相等，另一方面可以调节磁共振发射模块2和磁共振接收模块3自身固有频率的差异，使二者的固有频率相同，最终使整个无线能量传输系统能适应工作频率，达到更为高效的传输效率。

作为优选实施方式，本实施例中第一金属线圈21和第二金属线圈31采用圆环形线圈，圆环形线圈结构图参看附图2。

本实施例的能量接收模块4包括接收天线和接收电路，接收天线通过与磁共振接收模块的耦合接收到磁场信号并馈入接收电路，接收电路为整流电路，该整流电路将接收天线接收到的能量转换为电能输出。

实施例2

本实施例的整体结构示意图参看附图3，包括磁信号发射模块1、磁共振发射模块2、磁共振接收模块3、能量接收模块4和超材料5，磁共振发射模块2与磁共振接收模块3之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，能量接收模块4与磁共振接收模块3耦合并连接负载设备(图中未示出)以提供电能，磁信号发射模块1发射特定工作频率的驱动信号，磁共振发射模块2并联设置有第一可调电容22，磁共振接收模块3并联设置有第二可调电容32，磁共振发射模块2和磁共振接收模块3的共振频率相等，超材料5设置在磁共振发射模块2与磁共振接收模块3之间，超材料5具有负磁导率，在负磁导率条件下的超材料的频率与磁共振发射模块和磁共振接收模块的共振频率相同，以起到增强磁共振场的作用。

与实施例1的工作原理基本相同，本实施例的无线能量传输系统仅在磁共振发射模块2与磁共振接收模块3之间增加了超材料5，下面对超材料5进行详细说明。

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。图4、图5分别给出了两种磁性微结构的结构图，图4为凹形开口环结构图，图5为六边形开口环衍生结构图。对于超材料的制造，现有技术一般采用PCB加工工艺，在环氧树脂基板上印制出多个结构相同的金属铜磁性微结构组成的阵列，以形成超材料，通过对金属铜磁性微结构的单元大小、磁性微结构本身的结构设计等可以改变超材料的谐振频率，得到具有不同谐振频率的超材料。

对于已经制造出来的超材料而言，其磁导率是与外界磁场频率相关的函数，不同的外界磁场频率下超材料表现出不同的磁导率，其磁导率与外界磁场频率的函数特征曲线图参看附图6，图中，横坐标为频率、纵坐标为磁导率，由图可知负磁导率在谐振峰后面的一段频率范围内。对于超材料而言，磁导率为负的频率段与谐振频率密切相关，即随着超材料谐振频率的变化而变化，因此通过对谐振频率的调节，可以满足负磁导率条件下的频率与无线能量传输系统的工作频率相同。

对于无线能量传输而言，由于磁共振发射模块2和磁共振接收模块3之间的能量传输介质均为空气，为提高能量传输效率，需要设计超材料5与空气之间具有良好的阻抗匹配，以减少能量的反射，因此，本实施例优选出磁导率为-1的超材料5作为磁场增强器件。

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 (10)

1.一种无线能量传输系统，包括磁信号发射模块、磁共振发射模块、磁共振接收模块和能量接收模块，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，所述能量接收模块与所述磁共振接收模块耦合并连接负载设备以提供电能，其特征在于：所述磁信号发射模块发射特定工作频率的驱动信号，所述磁共振发射模块并联设置有第一可调电容，所述磁共振接收模块并联设置有第二可调电容，所述磁共振发射模块和所述磁共振接收模块的共振频率相等。

2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述磁共振发射模块和磁共振接收模块之间设置有超材料，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和磁共振接收模块的共振频率相同。

3.根据权利要求1或2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和磁共振接收模块均为金属线圈。

4.根据权利要求3所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述金属线圈为圆环形线圈。

5.根据权利要求1或2所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述磁信号发射模块包括发射电路和发射天线，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特定工作频率的驱动信号，所述驱动信号由所述发射天线进行发射。

6.根据权利要求1或2所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述能量接收模块包括接收天线和接收电路，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输出。

7.根据权利要求2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。

8.根据权利要求2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。

9.根据权利要求8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。

10.根据权利要求8所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述介质基板为有机树脂材料或陶瓷材料。

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