CN103366936A - 一种无线能量接收线圈及无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明为克服现有共振式无线能量传输系统系统能量传输效率低的缺点，提供一种系统能量传输效率更高的无线能量接收线圈以及具有该无线能量接收线圈的无线能量传输系统。

Description

一种无线能量接收线圈及无线能量传输系统

【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。系统采用两个固有频率相同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为绕制的单匝或多匝铜线圈，在实际应用中，铜线圈的固有频率往往不易调节，并且很难与系统工作频率完全相等，因而系统能量传输效率较低。

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。

【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系统能量传输效率低的缺点，提供一种系统能量传输效率更高的无线能量接收线圈以及具有该无线能量接收线圈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，所述接收线圈由基材和固定在基材上的金属线结构组成，所述金属线结构包括馈线、共振金属线圈以及多个磁性微结构，所述馈线包围所述共振金属线圈，所述多个磁性微结构设置在所述共振金属线圈的中心区域，所述磁性微结构具有负磁导率，所述具有负磁导率的磁性金属微结构的频率与所述共振金属线圈的谐振频率相同。

优选地，所述共振金属线圈为方形螺绕线圈。

优选地，所述共振金属线圈包括第一方形螺旋线、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，所述第一方形螺旋线和第二方形螺旋线的螺旋中心区域内设置有多个阵列的磁性微结构，所述磁性微结构具有负磁导率，所述具有负磁导率的磁性微结构的频率与所述共振金属线圈的谐振频率相同。

优选地，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。

优选地，所述磁性微结构的磁导率为-1。

具体地，所述磁性微结构为开口谐振环结构。

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螺绕的开口谐振环结构。

优选地，所述开口谐振环结构为凹字形、矩形、圆形或多边形。

优选地，单个所述磁性微结构为2-40圈螺绕的开口谐振环结构。

优选地，所述基材为有机树脂材料或陶瓷材料。

本发明还提供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、磁共振接收模块和接收电路，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，所述磁共振接收模块连接接收电路以为负载设备提供电能，所述磁共振发射模块为平面螺绕导电线圈，所述磁共振接收模块为前述的无线能量接收线圈，所述平面螺绕导电线圈与所述无线能量接收线圈具有相同的共振频率，所述无线能量接收线圈的馈线与接收电路连接。

优选地，所述平面螺绕导电线圈为阿基米德螺旋线导电线圈。

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，所述接收电路为整流电路，所述整流电路将所述无线能量接收线圈接收到的能量转换为电能输出。

本发明的有益效果是：

1、通过一块基材和固定在基材上的金属线结构来实现磁共振无线能量的接收功能，所述金属线结构包括馈线、共振金属线圈以及多个磁性微结构，所述馈线包围所述共振金属线圈，所述多个磁性微结构设置在所述共振金属线圈的中心区域，所述磁性微结构具有负磁导率，所述具有负磁导率的磁性金属微结构的频率与所述共振金属线圈的谐振频率相同，通过上述负磁导率磁性微结构的设计，能增强无线能量传输过程中共振场倏逝线的耦合，使系统的能量传输效率得到提高，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；

2、同时，通过将无线能量传输系统的磁共振发射模块设计为平面螺绕导电线圈，优选为阿基米德螺旋线，通过调节螺绕导电线圈的螺绕圈数和螺绕起点，可以方便地对平面螺绕导电线圈的固有频率进行大范围的精确调节，使平面螺绕导电线圈的固有频率与系统工作频率完全匹配，进而能较大地提高系统的能量传输效率。

【附图说明】

图1，无线能量接收线圈的结构图。

图2，第二实施例无线能量接收线圈的结构图。

图3，方形螺绕线的结构图。

图4，超材料谐振频率的特征曲线图。

图5，第二实施例无线能量接收线圈S11和S21的仿真曲线图。

图6，凹字形开口环结构图。

图7，六边形开口环衍生结构图。

图8，无线能量传输系统的整体结构示意图。

图9，磁共振发射模块结构图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图1为无线能量接收线圈3的结构图，由基材31和固定在基材31上的金属线结构组成，其基本结构类似于PCB天线，基材在选用上可以是环氧树脂类基板，根据应用需求还可以采用陶瓷类基板，与PCB天线所不同的是，金属线结构包括馈线32、共振金属线圈33以及多个磁性微结构34，馈线32的输入端连接接收电路的信号输入端，馈线32包围共振金属线圈33用以将接收到的信号馈入接收电路，多个磁性微结构34设置在共振金属线圈33的中心区域，磁性微结构34具有负磁导率，且具有负磁导率的磁性微结构34的频率与共振金属线圈33的谐振频率相同。

对于无线电磁能量而言，此处的具有负磁导率的磁性微结构34的频率实际上由磁性微结构34以及其附着的基材31所共同决定，本实施例中，多个磁性微结构34及其附着的基材31所构成的材料相当于一种超材料，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，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，进而加强共振场倏逝线的耦合，提高能量接收效率。

作为第二实施例，无线能量接收线圈还可以采用以下结构，参看附图2，无线能量接收线圈由基材31和固定在基材上的金属线结构组成，金属线结构包括馈线32、共振金属线圈以及多个磁性微结构34，共振金属线圈由第一方形螺旋线35、第二方形螺旋线35′、连接线36和口字型闭合线37组成，第一方形螺旋线35和第二方形螺旋线35′的外端头分别连接连接线36的一端，连接线36的另一端连接口字型闭合线37，口字型闭合线37包围第一方形螺旋线35和第二方形螺旋线35′，馈线32包围口字型闭合线37，馈线32的输入端连接接收电路的信号输入端，馈线32包围共振金属线圈用以将接收共振金属线圈的信号，第一方形螺旋线35和第二方形螺旋线35′以连接线36为轴对称设置，多个磁性微结构34设置在第一方形螺旋线35和第二方形螺旋线35′的中心区域，磁性微结构34具有负磁导率，且具有负磁导率的磁性微结构34的频率与共振金属线圈的谐振频率相同。

对于上述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，进而可以调节整个磁性微结构阵列的谐振频率。由于磁性微结构阵列的负磁导率与其谐振频率存在特定的关系，即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4，图中，横坐标为频率、纵坐标为磁导率，由图可知负磁导率总会在谐振峰后面的一段频率范围内，并且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模块和磁共振接收模块的谐振频率相同的磁性微结构阵列。

下面对上述第二实施例的无线能量接收线圈的能量传输效率进行仿真测试，无线能量接收线圈的尺寸大小为125mm*125mm，在Comsol 3.5的软件中进行仿真测试，得到其S11和S21的曲线图，参看图5，由图中可以看出，在系统谐振频率633MHz处具有最高的能量传输效率。

对于无线能量传输而言，由于无线能量接收线圈的周围能量传输介质为空气，为提高能量传输效率，需要设计磁性微结构阵列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的磁性微结构阵列作为磁场增强器件。

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，本发明通过对无线能量接收线圈的磁性微结构进行设计，以多重绕线的方式将磁性微结构设计为多重嵌套的开口谐振环结构，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。

在上述磁性微结构的实施例中，仅仅给出了一种正方形的开口环结构，应当理解的是，将开口环设计为凹字形、任意多边形、圆形或其他衍生结构，并通过多重绕线的方式设计为多重绕线的结构，均能实现本发明的有益效果。作为具体实施方式，图6、图7分别给出了另外两种磁性微结构的结构图，图6为凹字形开口环结构图，图7为六边形开口环衍生结构图。

基于上述无线能量接收线圈，本发明还提供一种无线能量传输系统，无线能量传输系统整体结构示意图参看附图8，包括磁信号发射模块1、磁共振发射模块2、无线能量接收线圈3和接收电路4，磁共振发射模块2与无线能量接收线圈3之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，无线能量接收线圈3连接接收电路4以为负载设备(图中未示出)以提供电能，磁共振发射模块2为平面螺绕导电线圈，平面螺绕导电线圈与无线能量接收线圈3具有相同的共振频率。

磁信号发射模块1包括发射电路11和发射天线12，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11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12发射出特定频率的磁场信号发射特定工作频率的驱动信号，该驱动信号为具有特定频率的电磁波。

磁共振发射模块2包括平面螺绕铜线圈21和发射端基板22，结构图参看附图9，平面螺绕铜线圈为阿基米德螺绕线，在制作时，通过调整平面螺绕铜线圈的圈数和螺绕起点，可以对平面螺绕铜线圈的固有频率进行调节，通过调整磁共振发射模块2与无线能量接收线圈3具有相同的共振频率，当满足驱动信号的频率时，磁共振发射模块2与无线能量接收线圈3产生共振，通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递。

接收电路4为整流电路，该整流电路将无线能量接收线圈3接收到的电能输出到负载设备。

应当理解的是，本实施例采用的是平面螺绕铜线圈，作为具体实施方式，能够导电的材料如金属银、铝、各种金属合金等或其它非金属导电材料如导电橡胶、导电塑料、导电陶瓷等。

作为具体实施方式，发射天线12采用单匝的圆环形铜线圈，作为优选实施方式，发射天线12的外径等于平面螺绕导电线圈的外径或者与平面螺绕导电线圈的外径相当。

具体地，作为磁共振发射的平面螺绕铜线圈可分别固定在非磁性基板上，非磁性基板可采用有机树脂材料如广泛应用于PCB领域的FR4环氧树脂玻璃纤维基板、F4B基板等，根据应用环境的不同，还可以采用不含有玻璃纤维的PS基板、陶瓷基板等。

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 (14)

1.一种无线能量接收线圈，其特征在于：所述接收线圈由基材和固定在基材上的金属线结构组成，所述金属线结构包括馈线、共振金属线圈以及多个磁性微结构，所述馈线包围所述共振金属线圈，所述多个磁性微结构设置在所述共振金属线圈的中心区域，所述磁性微结构具有负磁导率，所述具有负磁导率的磁性金属微结构的频率与所述共振金属线圈的谐振频率相同。

2.根据权利要求1所述的无线能量接收线圈，其特征在于：所述共振金属线圈为方形螺绕线圈。

3.根据权利要求2所述的无线能量接收线圈，其特征在于：所述共振金属线圈包括第一方形螺旋线、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，所述第一方形螺旋线和第二方形螺旋线的螺旋中心区域内设置有多个阵列的磁性微结构，所述磁性微结构具有负磁导率，所述具有负磁导率的磁性微结构的频率与所述共振金属线圈的谐振频率相同。

4.根据权利要求3所述的无线能量接收线圈，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。

5.根据权利要求1所述的无线能量接收线圈，其特征在于：所述磁性微结构的磁导率为-1。

6.根据权利要求1所述的无线能量接收线圈，其特征在于：所述磁性微结构为开口谐振环结构。

7.根据权利要求1所述的无线能量接收线圈，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螺绕的开口谐振环结构。

8.根据权利要求6所述的无线能量接收线圈，其特征在于：所述开口谐振环结构为凹字形、矩形、圆形或多边形。

9.根据权利要求6所述的无线能量接收线圈，其特征在于：单个所述磁性微结构为2-40圈螺绕的开口谐振环结构。

10.根据权利要求1所述的无线能量接收线圈，其特征在于：所述基材为有机树脂材料或陶瓷材料。

11.一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、磁共振接收模块和接收电路，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，所述磁共振接收模块连接接收电路以为负载设备提供电能，其特征在于：所述磁共振发射模块为平面螺绕导电线圈，所述磁共振接收模块为权利要求1至10任一项所述的无线能量接收线圈，所述平面螺绕导电线圈与所述无线能量接收线圈具有相同的共振频率，所述无线能量接收线圈的馈线与接收电路连接。

12.根据权利要求11所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述平面螺绕导电线圈为阿基米德螺旋线导电线圈。

13.根据权利要求11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。

14.根据权利要求11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无线能量接收线圈接收到的能量转换为电能输出。

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