CN105515214B - 一种基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统，由非谐振激励线圈、发射端美特分子(由介质板以及对称放置的两个金属开口方环构成)、接收端美特分子、非谐振接收线圈组成。发射端美特分子和接收端美特分子共同构成具有环磁动量的美特元胞。非谐振激励线圈、发射端美特分子、接收端美特分子以及非谐振接收线圈利用磁场近场相互耦合进行能量传输。该发明通过具有环磁动量的美特元胞使更多的能量积聚在美特分子之间，从而增大系统的传输效率；该发明通过具有环磁动量的美特元胞可以进一步降低系统的辐射，从而使能量传输过程中对人体及环境的极化影响大大减小。该发明具有节能和环境友好，易于小型化和集成化，工艺简单和成本低廉等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输系统，尤其是涉及一种基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统。
背景技术
随着科学技术的不断发展，越来越多的电子产品、设备等逐渐进入人们的日常生活中。在产品质量满足的情况下，人们越来越重视产品的用户体验，即产品的便捷性以及产品人性化设计。传统的电子设备均采用接触式电能传输技术，其错综复杂的电线限制了这些设备移动的灵活性、稳定性，并存在安全隐患，同时也影响了环境的美观。随着人们的环保意识不断增强，节能、绿色、环保、低碳等观念不断深入民心，人们迫切需要一种新型的电能传输技术来满足要求。而无线电能传输方输正是在这样的大环境下应运而生，由于该传能技术能有效解决布线繁乱、设备位置固定化、居室墙面被插座破坏等问题，给人们的生活提供更多的便利。同时，还将大量节省布线所用的铜、塑料等材料，节约了资源，减少了污染，因此该技术目前正成为学术和工程的研究热点。
无线电能传输技术在实际应用中仍存在许多问题。例如，传输距离和传输效率还不够理想。传统磁共振耦合无线传能技术主要是利用发射线圈和接收线圈之间的磁场近场耦合进行能量传递，其传播距离和传输效率受到耦合机制的影响而难于提高。通常情况下，只有在小于线圈口径的传输距离下才能达到较高的传输效率和较大的功率，若增加线圈之间的传输距离则会导致其能量传输效率随着距离的增加而迅速降低。因此，如何实现高效、远距离的无线电能传输方式，是该技术能否在实际环境中得到应用的一个关键。
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，提供一种利用具有环磁动量的美特元胞实现高效、远距离的非辐射无线电能传输系统。
本发明的技术方案
一种基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统，该系统由非谐振激励线圈、发射端美特分子、接收端美特分子和非谐振接收线圈组成，发射端美特分子和接收端美特分子共同构成具有环磁动量的美特元胞，美特元胞设置于非谐振激励线圈和非谐振接收线圈之间，发射端美特分子和接收端美特分子互换位置不影响美特元胞产生环磁动量；
所述的非谐振激励线圈连接电压源或者其他激励源，
所述的非谐振接收线圈连接负载或者其他储能设备，
所述的发射端美特分子由第一介质板以及第一介质板上设置的两个关于xoz面对称放置的金属开口方环组成；
所述的接收端美特分子由第二介质板以及第二介质板上设置的两个关于xoz面对称放置的金属开口方环组成；
发射端美特分子与接收端美特分子关于坐标0点中心对称,此种放置发射端美特分子(2)与接收端美特分子(3)对称性破缺,并相互耦合产生环磁动量,其他放置方式无法产生环磁动量；
非谐振激励线圈、发射端美特分子、接收端美特分子以及非谐振接收线圈之间利用磁场近场相互耦合来进行无线电能传输，传输效率随着传输距离的改变而改变。
所述的发射端美特分子和接收端美特分子共同构成的美特元胞可以产生环形、强局域的磁场近场分布。
所述的发射端美特分子和接收端美特分子的结构大小与美特分子中金属开口方环的大小有关，金属开口方环越大结构就越大，结构大小只影响美特分子的工作频率和器件的尺寸，不影响美特分子的性质，可任意大小；本发明美特分子的大小选为80mm×40mm。
所述的第一介质板第二介质板均为FR_4环氧树脂制成的介质板，介电常数均为4.75；介质板厚度只影响美特分子的工作频率和器件的尺寸，不影响美特分子的性质，可任意厚度。作为一个具体的实施方案，本发明介质板厚度为1.6mm。
所述的发射端美特分子与接收端美特分子中的金属开口方环结构大小均为30mm*30mm，线宽均为2mm，厚度均为0.0175mm，开口狭缝均为1.5mm，开口狭缝与金属开口方环中心线之间的距离大于0并且小于金属开口方环的结构大小的一半。作为一个具体的实施方案，本发明开口狭缝与金属开口方环中心线之间的距离为8mm。(金属开口方环的结构大小、线宽以及厚度可按实际要求任意赋值)。
所述的构成发射端美特分子的两个金属开口环的间距为0.5mm，构成接收端美特分子的两个金属开口环的间距同为0.5mm。
所述的非谐振激励线圈及非谐振接收线圈结构大小均为12mm*12mm，线宽均为1.5mm，厚度均为0.0175mm的正方形金属铜线圈(非谐振激励线圈及非谐振接收线圈的结构大小、线宽以及厚度可按实际要求赋任意数值)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)该发明通过具有环磁动量的美特元胞使更多的能量积聚在美特分子之间，从而增大系统的传输效率。
(2)该发明通过具有环磁动量的美特元胞可以进一步降低系统的辐射，从而使能量传输过程中对人体及环境的极化影响大大减小。
(3)美特分子的深亚波长特性有利于非辐射无线电能传输系统的小型化、集成化。
(4)本发明具有节能和环境友好，工艺简单和成本低廉等优点。
附图说明
图1为一种基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统的结构示意图；
图2为接收端和发射端美特分子的结构示意图；
图3为电磁场全场仿真得到的美特元胞磁场分布：(a)三维磁场分布图(b)二维磁场截面图；
图4为基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统与传统基于四线圈的磁共振耦合无线电能传输系统在10mm传输距离下的效率对比图；
图5为基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统与传统基于四线圈的磁共振耦合无线电能传输系统，在不同传输距离情况下，传输效率的对比图。
图中，1为非谐振激励线圈，2为发射端美特分子，3为接收端美特分子，4为非谐振接收线圈，5、8为结构参数相同的介质板，6、7、9、10为结构参数相同排布方式不同的金属开口方环。
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
本发明涉及一种基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统，其结构如图1-2所示，主要由非谐振激励线圈1，发射端美特分子2，接收端美特分子3，非谐振接收线圈4组成。发射端美特分子2和接收端美特分子3共同构成美特元胞。美特元胞的电磁模式，在一定频率下，可以呈现出环形、强局域的磁场近场分布。美特元胞设置于非谐振激励线圈1和非谐振接收线圈4之间。非谐振激励线圈1、发射端美特分子2、接收端美特分子3以及非谐振接收线圈4通过磁场近场相互耦合来进行无线电能传输；非谐振激励线圈1与非谐振接收线圈4均为非谐振方形金属铜线环(单匝)。
发射端美特分子2由第一介质板5以及第一介质板5上设置的两个关于xoz面对称放置的金属开口方环6和7组成；接收端美特分子3由第二介质板8以及第二介质板8上设置的两个关于xoz面对称放置的金属开口方环9和10组成；发射端美特分子2和接收端美特分子3关于坐标0点中心对称；即，所述的金属开口方环6与金属开口方环10关于坐标0点中心对称，金属开口方环7与金属开口方环9关于坐标0点中心对称；
非谐振激励线圈1、非谐振接收线圈4分别置于美特元胞两侧。
第一介质板5第二介质板8均为FR_4环氧树脂制成的介质板，结构大小均为80mm×40mm，介电常数均为4.75，厚度均为1.6mm；金属开口方环6、7、9、10结构大小均为30mm*30mm，线宽均为2mm，厚度均为0.0175mm，开口狭缝均为1.5mm，开口狭缝与金属开口方环中心线之间的距离s为8mm处；金属开口方环6与7，9与10的间距均为0.5mm；非谐振激励线圈1及非谐振接收线圈4结构大小均为12mm*12mm，线宽均为1.5mm，厚度均为0.0175mm的正方形金属铜线圈。
采用本发明非辐射无线电能传输系统通过电磁场全场仿真得到的系统的三维磁场和二维截面磁场分布，如图3所示。从中可以明显看出，由美特分子2和美特分子3构成的美特元胞，在传输距离为10mm、工作频率为0.904GHz的情况下，产生了环形、强局域的磁场近场分布。本发明使用的谐振频率，可以根据传输距离及传输功率等方面的需要选择不同的频率点或频率段。
采用本发明非辐射无线电能传输系统通过电磁场全场仿真得到的系统在固定传输距离情况下的传输效率，如图4所示。从中可以明显看出，在传输距离d为10mm的情况下，引入具有环磁动量的美特元胞，能量传输效率提高了50％。
采用本发明非辐射无线电能传输系统通过电磁场全场仿真得到的系统在传输距离改变情况下的传输效率，如图5所示。从中可以明显看出，在传输距离d从4mm～28mm逐渐变化的情况下，引入具有环磁动量的美特元胞，能量传输效率一直远高于传统的基于磁共振耦合的无线电能传输系统。因此，这种基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统在移动设备、植入式医疗设备和电动汽车等领域具有广阔的应用前景。
Claims (7)
1.一种基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统，其特征在于，该无线电能传输系统由非谐振激励线圈(1)、发射端美特分子(2)、接收端美特分子(3)和非谐振接收线圈(4)组成，发射端美特分子(2)和接收端美特分子(3)共同构成具有环磁动量的美特元胞，美特元胞设置于非谐振激励线圈(1)和非谐振接收线圈(4)之间，发射端美特分子(2)和接收端美特分子(3)互换位置不影响美特元胞产生环磁动量；
所述的非谐振激励线圈(1)连接电压源或者其他激励源，
所述的非谐振接收线圈(3)连接负载或者其他储能设备，
所述的发射端美特分子(2)由第一介质板(5)以及第一介质板(5)上设置的两个关于xoz面对称放置的金属开口方环(6和7)组成，直角坐标系0-xyz的坐标0点位于美特元胞的几何中心；
所述的接收端美特分子(3)由第二介质板(8)以及第二介质板(8)上设置的两个关于xoz面对称放置的金属开口方环(9和10)组成；
所述的发射端美特分子(2)与接收端美特分子(3)关于坐标0点中心对称,此种放置发射端美特分子(2)与接收端美特分子(3)对称性破缺,并相互耦合产生环磁动量,其他放置方式无法产生环磁动量；
非谐振激励线圈(1)、发射端美特分子(2)、接收端美特分子(3)以及非谐振接收线圈(4)之间利用磁场近场相互耦合来进行无线电能传输，传输效率随着传输距离的改变而改变。
2.根据权利要求1所述的基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的发射端美特分子(2)和接收端美特分子(3)共同构成的美特元胞能够产生环形、强局域的磁场近场分布。
3.根据权利要求1所述的基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的发射端美特分子(2)和接收端美特分子(3)的结构大小均为80mm×40mm。
4.根据权利要求1所述的基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的第一介质板(5)第二介质板(8)均为FR_4环氧树脂制成的介质板，介电常数均为4.75，厚度均为1.6mm。
5.根据权利要求1所述的基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的发射端美特分子(2)与接收端美特分子(3)中的金属开口方环(6)、(7)、(9)、(10)结构大小均为30mm*30mm，线宽均为2mm，厚度均为0.0175mm；开口狭缝均为1.5mm，开口狭缝与金属开口方环中心线之间的距离为8mm。
6.根据权利要求1所述的基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的发射端美特分子(2)与接收端美特分子(3)中的两个金属开口环(6与7)、(9与10)的间距均为0.5mm。
7.根据权利要求1所述的基于美特元胞环磁动量的非辐射无线电能传输系统，其特征在于，所述的非谐振激励线圈(1)及非谐振接收线圈(4)结构大小均为12mm*12mm，线宽均为1.5mm，厚度均为0.0175的正方形金属铜线圈。
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