CN104362767A - 磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面 - Google Patents

磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面 Download PDF

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吴谦
陈永强
陈梓漳
方恺
张冶文
陈鸿
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    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings

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Abstract

本发明涉及磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面，由能量发射源(1)及设置在其中的发射端磁美特材料(2)、能量接收源(4)及设置在其中的接收端磁美特材料(3)组成，发射端磁美特材料(2)和接收端磁美特材料(3)由于磁谐振倏逝场线相互耦合来进行无线能量传输，在系统工作频率处具有最大等效磁导率实部。与现有技术相比，本发明利用这两个具有相同特定谐振频率的美特材料部件，在中近距离时，由于谐振频率相同而产生谐振，进行能量传递，加入美特材料部件后，新的系统的传输效率会有显著的提升；该系统在存在一定位错的情况下也能具有良好的传输效果；该系统中的美特材料具有亚波长特性，且获得的表面磁场相对较为均匀，有利于实现多目标高效充电。

Description

磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输系统，尤其是涉及一种磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面。
背景技术
很早之前，利用电磁感应进行能量传输就已经存在并应用，如公交车上的自动刷卡机，又如学校里的校园一卡通读卡系统，以及现在我们的二代身份证等都有类似机制：读取设备附近会产生一个高频磁场，一旦芯片进入其中周围的线圈内就会产生感应电压，从而激活芯片并把所携带信息通过线圈发射出去被读取设备接收。最为典型的一种纯电磁感应能量传输的例子便是变压器，由两个金属螺线环不接触的排列在一次，内部通过一根铁芯相互关联。但是，电磁感应式能量传输也有十分不利的因素：首先，其发射端磁感应线迅速的发散特性使其只能实现非常近的高效能量传输，距离一旦扩大至中距离甚至中近距离，其传输效率会随着距离的三次方快速下降；其次，电磁感应式能量传输对发射端与接收端之间的位错程度很敏感，因为磁场大多都局域在金属附近，一旦有一定位错存在，将会影响接收端所收到的磁通量，从而降低效率。
直至2007年，非辐射无线能量传输迎来了新的发展前景。一批来自MIT的科学家提出了依靠磁谐振在中距离所实现高效无线能量传输。这一理论主要是依靠具有相同谐振频率的发射端与接收端之间的磁谐振倏逝场线相互耦合来实现两端之间的快速能量交换，由于电磁谐振的存在，两端聚集大量的电磁能量，从而使倏逝磁场延生得更远，以高效地实现中距离能量传输。此外，这种传能方式对周边环境的影响也非常小，因为整个传输过程中只有磁场。然而，磁谐振无线能量传输也有其缺点，它对发射端与接收端存在的位错位移也十分敏感，会极大影响效率，原因和之前电磁感应式的基本一致，这样也不利于实现多目标大范围能量传输。目前无线电能传输遇到的难题是传输距离近，效率低，方向性差，这是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效地提高非辐射电磁感应无线能量传输系统的效率与距离的磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面，由能量发射源及设置在其中的发射端磁美特材料、能量接收源及设置在其中的接收端磁美特材料组成，
所述的发射端磁美特材料由第一介质板、设置在第一介质板上下表面的发射端第一金属铜螺线环阵列和发射端第二金属铜螺线环阵列组成，发射端第一金属铜螺线环阵列与发射端第二金属铜螺线环阵列相对第一介质板相互平行且位置相反；
所述的接收端磁美特材料由第二介质板设置在第二介质板上下表面的接收端第一金属铜螺线环阵列和接收端第二金属铜螺线环阵列组成，接收端第一金属铜螺线环阵列和接收端第二金属铜螺线环阵列相对第二介质板相互平行且位置相反；
发射端磁美特材料和接收端磁美特材料由于磁谐振倏逝场线相互耦合来进行无线能量传输，在系统工作频率处具有最大等效磁导率实部。
所述的能量发射源和发射端磁美特材料是具有定向且相对均匀发射倏逝磁场的驱动天线。
所述的接收端磁美特材料和能量接收源是能量接收天线。
所述的第一介质板和第二介质板为聚四氟乙烯玻璃纤维制成的介质板，介电常数为2.65。
所述的能量发射源及能量接收源为正方形金属铜线环。
发射端及接收端的金属铜螺线环阵列厚度相同，由平均分布的数个金属铜螺线构成，每个金属铜螺线均构成13圈螺线环。
作为一个具体的实施方案，能量发射源、能量接收源是边长80mm、横截半径0.5mm的正方形金属铜线环，第一介质板、第二介质板厚度均为0.25mm；发射端及接收端的金属铜螺线环阵列的厚度均为0.035mm，每个单元对应的介质板的边长为为26mm，单元最外圈铜带围成的正方形的边长为25mm，铜带宽度均为0.21mm，铜带间隔均为0.32mm，金属铜螺线环均为13圈，中心正方铜块边长均为1.9mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)利用磁美特材料的磁场放大效应可以有效地提高非辐射电磁感应无线能量传输系统的效率与距离。
(2)磁美特材料的深亚波长特性有利于非辐射无线能量传输系统的小型化。
(3)该系统可以实现即时传输，即当接收端一旦关闭，发射端立即能感知到，并停止能量传输。
(4)该系统具有较好的磁场分布均匀性，对位错较为不敏感，并可支持多目标能量传输。
(5)本发明工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为发射端磁美特材料或接收端磁美特材料的结构示意图；
图3为正方形金属铜线环与基板的放大结构示意图；
图4为磁美特材料等效磁导率实部与虚部随频率变化关系图；
图5为有无美特材料时非辐射无线充电平面在2cm传输距离下的效率随频率变化关系图；
图6为基于美特材料非辐射无线充电平面在工作频率上能量发射源上方4cm处磁场强度分布图；
图7为基于美特材料非辐射无线充电平面在4cm传输距离下随位错位移变化的效率图。
图中，1为能量发射源，2为发射端磁美特材料，3为接收端磁美特材料，4为能量接收源，5为第一介质板，6为发射端第一金属铜螺线环阵列，7为发射端第二金属铜螺线环阵列，8为第二介质板，9为接收端第一金属铜螺线环阵列，10为接收端第二金属铜螺线环阵列。
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。
实施例
一种基于磁美特材料磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面，其结构如图1-4所示，主要由能量发射源1，发射端磁美特材料2，接收端磁美特材料3，能量接收源4组成。发射端磁美特材料2与接收端磁美特材料3分别位于能量发射源1与能量接收源4中心，发射端磁美特材料2和接收端磁美特材料3由于磁谐振倏逝场线相互耦合来进行无线能量传输：发射端磁美特材料2和接收端磁美特材料3在系统工作频率处具有最大等效磁导率实部。能量发射源1与能量接收源4均为非谐振正方形金属铜环。
发射端磁美特材料2由第一介质板5、发射端第一金属铜螺线环阵列6和发射端第二金属铜螺线环阵列7组成。发射端第一金属铜螺线环阵列6排列在第一介质板5正面，发射端第二金属铜螺线环阵列7排列在第一介质板底面5；发射端第一金属铜螺线环阵列6与发射端第二金属铜螺线环阵列7关于第一介质板5反平行对称放置。
接收端磁美特材料3由第二介质板8、接收端第一金属铜螺线环阵列9和接收端第二金属铜螺线环阵列10组成。接收端第一金属铜螺线环阵列9排列在第二介质板8正面，接收端第二金属铜螺线环阵列10排列在第二介质板8底面；接收端第一金属铜螺线环阵列9与接收端第二金属铜螺线环阵列10关于第二介质板8反平行对称放置。
第一介质板5和第二介质板8均为聚四氟乙烯玻璃纤维制成的介质板，介电常数为均为2.65，板厚均为0.25mm；发射端第一金属铜螺线环阵列6和第二金属铜螺线环阵列7与接收端第一金属铜螺线环阵列9和第二金属铜螺线环阵列10的厚度均为0.035mm，单元周期均为26mm，单元最外圈铜带长度均为25mm，铜带宽度均为0.21mm，铜带间隔均为0.32mm，金属铜螺线环均为13圈，中心正方铜块边长均为1.9mm。
采用本发明实验得到的系统在2cm传输距离情况下传输效率如图5所示，实验频率范围为20MHz～26MHz，加入磁美特材料后无线能量传输系统效率得到极大提升，其中效率最高频率为磁美特材料等效磁导率实部最大点所对应频率。
采用本发明实验得到的基于磁美特材料磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面在系统最大效率频率点处于能量发射源上方4cm处磁场强度分布如图6所示，能量发射源所产生的磁场在大部分范围内分布均匀。
采用本发明实验得到的基于磁美特材料磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面在4cm传输距离下随位错位移变化的效率情况如图7所示，当在能量发射源和能量接收源中各加入磁美特材料后，随位错位移逐渐从0.5cm增加至1.5cm时，系统的传输效率下降缓慢，仅从18％降到16％。这种基于磁美特材料磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面可以很好的应用于无线电能传输，多目标传输以及生物医学等领域。

Claims (8)

1.磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面，其特征在于，该无线充电平面由能量发射源(1)及设置在其中的发射端磁美特材料(2)、能量接收源(4)及设置在其中的接收端磁美特材料(3)组成，
所述的发射端磁美特材料(2)由第一介质板(5)、设置在第一介质板(5)上下表面的发射端第一金属铜螺线环阵列(6)和发射端第二金属铜螺线环阵列(7)组成，发射端第一金属铜螺线环阵列(6)与发射端第二金属铜螺线环阵列(7)相对第一介质板(5)相互平行且位置相反；
所述的接收端磁美特材料(3)由第二介质板(8)设置在第二介质板(8)上下表面的接收端第一金属铜螺线环阵列(9)和接收端第二金属铜螺线环阵列(10)组成，接收端第一金属铜螺线环阵列(9)和接收端第二金属铜螺线环阵列(10)相对第二介质板(8)相互平行且位置相反；
发射端磁美特材料(2)和接收端磁美特材料(3)由于磁谐振倏逝场线相互耦合来进行无线能量传输，在系统工作频率处具有最大等效磁导率实部。
2.根据权利要求1所述的磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面，其特征在于，所述的能量发射源(1)和发射端磁美特材料(2)是具有定向且相对均匀发射倏逝磁场的驱动天线。
3.根据权利要求1所述的磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面，其特征在于，所述的接收端磁美特材料(3)、能量接收源(4)为能量接收天线。
4.根据权利要求1所述的磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面，其特征在于，所述的第一介质板(5)和第二介质板(8)为聚四氟乙烯玻璃纤维制成的介质板，介电常数为2.65，厚度为0.25mm。
5.根据权利要求1所述的磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面，其特征在于，所述的能量发射源(1)及能量接收源(4)均为边长80mm、横截半径0.5mm的正方形金属铜线环。
6.根据权利要求1所述的磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面，其特征在于，发射端及接收端的金属铜螺线环阵列厚度相同，由平均分布的数个金属铜螺线构成，每个金属铜螺线均构成13圈螺线环。
7.根据权利要求6所述的磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面，其特征在于，发射端及接收端的金属铜螺线环阵列由平均分布在介质板上下表面的各9个围成正方形的金属铜螺线环构成。
8.根据权利要求7所述的磁场强度与场分布调控效应的无线充电平面，其特征在于，每个金属铜螺线环中最外圈铜带所围成的边长为25mm，铜带宽度为0.21mm，铜带之间的间隔为0.32mm，螺线环中心为边长1.9mm的正方形铜块。
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