CN106160255B - 基于超材料的无线电能传输线圈装置 - Google Patents

基于超材料的无线电能传输线圈装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于超材料的无线电能传输线圈装置，包括：发射线圈、接收线圈、圆锥形移位介质壳体，所述圆锥形移位介质壳体将所述发射线圈或所述接收线圈包裹在其空气腔内；所述发射线圈和所述接收线圈之间的距离分别大于所述发射线圈、接收线圈的直径；所述圆锥形移位介质壳体包括底部壳体和侧面壳体；所述底部壳体和侧面壳体分别包括若干种均匀且各向同性的磁性材料层。本发明中的圆锥形移位介质壳体能够将其空气腔内的线圈从光学上移动到壳体外部指定的位置，即改变所述发射线圈与所述接收线圈之间相对位置，从而显著地增强发射线圈和接收线圈的互感和磁耦合。

Description

基于超材料的无线电能传输线圈装置
技术领域
本发明涉及电磁设计领域与无线电能传输技术，具体地，涉及基于超材料的(可有效增强磁耦合效果)的无线电能传输线圈装置。
背景技术
近年来，消费类电子产品、电动汽车、植入式医疗设备对无线电能传输技术日益增长的需求极大地促进了这项技术的研究和发展，国内外各大研究机构及电子、汽车、医疗等领域的企业都纷纷加入到这项技术的研究中来。该技术涉及了电力电子电路、线圈电磁设计、自动控制、通信协议等多方面内容，其中线圈电磁设计尤为重要。超材料是一种介电常数或磁导率为负的，具有特殊电磁特性的材料，在自然界中不存在，只能通过人工制造。对周期性排列的亚波长结构如开口谐振环、光子超材料的研究使均匀、各向同性的超材料的制作得以实现。
无线电能传输技术是对充电方式的一种革命性升级，采用无线电能传输技术的充电装置不需要插拔充电器，充电过程更加便捷、安全；同时，可以减少设备的物理磨损，延长使用寿命，取消了金属触点从而避免了触电风险。此外，采用无线电能传输技术的植入式医疗设备可以避免频繁地更换电池，减轻病人的痛苦。大多数无线电能传输系统根据近场磁耦合原理设计而成。但是随着线圈之间的传输距离增加，系统的电能传输效率急剧下降。现有的研究多集中于线圈结构的优化设计和控制方法的改进，对效率的增强效果十分有限。超材料在射频领域的进展使其在无线电能传输领域的应用成为了可能。在过去几年里，理论研究、数值仿真和实验验证的结果表明，超材料在无线电能传输领域具有良好的应用前景。然而，相关的研究大多基于“完美棱镜”。“完美棱镜”是一种具有负折射效应的超材料平板，它可以将发射线圈产生的磁场重新汇聚到接收线圈的位置。但是，这种方案也具有一定的局限性。为了实现更远的传输距离，通常需要进一步增加平板的厚度，使装置变得更加笨重。并且，平板通常放在两线圈中间的位置，当平板靠近线圈时会因为过耦合使效果明显减弱，这也大大限制了它的应用场合。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于超材料的无线电能传输线圈装置。
根据本发明提供的基于超材料的无线电能传输线圈装置，包括发射线圈、接收线圈、圆锥形移位介质壳体，所述圆锥形移位介质壳体将所述发射线圈或所述接收线圈包裹在圆锥形移位介质壳体的空气腔内，所述圆锥形移位介质壳体包括底部壳体和侧面壳体。
优选地，所述发射线圈和所述接收线圈之间的距离分别大于所述发射线圈、接收线圈的直径。
优选地，所述底部壳体和侧面壳体分别包括若干种均匀且各向同性的磁性材料层。
优选地，所述底部壳体包括：若干层同心环形磁性材料，每层材料沿底部径向的厚度相同，由内部向外依次为第一环形磁性材料层、第二环形磁性材料层等，直至第N环形磁性材料层，其中N为大于或等于3的自然数，且至少有一个环形磁性材料层是磁导率为负的超材料。
优选地，所述侧面壳体包括：两种等厚的交替分布的磁导率为正的材料层，且两种材料层均与圆锥形移位介质壳体的轴线方向呈一定的夹角θ。
优选地，所述圆锥形移位介质壳体能够在电磁场中沿轴线方向将所述空气腔中的发射线圈或接收线圈移动一定的距离d；且d>t1，t1表示所述内部线圈与底部壳体的外表面之间的距离，等效于所述圆锥形移位介质壳体能够将所述内部线圈从光学上移动到壳体外部指定的位置，即改变所述发射线圈与所述接收线圈之间相对位置。
优选地，所述圆锥形移位介质壳体的尺寸能够根据实际应用中需要移动的线圈的尺寸灵活设计，但需满足所述圆锥形移位介质壳体的最大尺寸小于工作波长的十分之一。
优选地，所述内部线圈与所述圆锥形移位介质壳体的内壁之间保持一定的间距，所述内部线圈在所述空气腔中的位置和方向不影响所述圆锥形移位介质壳体对所述内部线圈整体的移位效果。
优选地，所述圆锥形移位介质壳体的尺寸已经确定的情况下，所述圆锥形移位介质壳体对所述内部线圈的移位距离d由所述底部壳体的磁导率、所述侧面壳体的磁导率及θ共同决定。
具体地，所述底部壳体与侧面壳体的材料参数按照如下方法计算：
给定所述圆锥形移位介质壳体的尺寸a1，a2，h1，h2和期望达到的移位距离d。满足条件a1:a2＝h1:h2，即侧面壳体的厚度均匀，其中：a1表示所述圆锥形移位介质壳体的中心点(原点O)到所述底部壳体内表面的距离(与原点O到所述圆锥形移位介质壳体内表面顶点的距离相同)，a2表示原点O到所述底部壳体外表面的距离(与原点O到所述圆锥形移位介质壳体外表面顶点的距离相同)，h1表示所述底部壳体内表面的半径，h2表示所述底部壳体外表面的半径。
侧面壳体可分为等厚的若干层，每层由两种等厚的材料II-1和材料II-2组成，II-1和II-2的磁导率计算方法如下：
其中，
式中：分别表示组成所述侧面壳体的两种磁性材料II-1和II-2的磁导率，ζ1、ζ2分别表示计算的中间结果，k＝h2/(2a2)表示侧面壳体外表面相对于轴线方向的斜率，k0＝(a2-a1)/(a2-a1+d)和m＝a2-a1+d分别为定义的中间变量，用来简化表达式。
夹角θ可由公式计算得到。
底部壳体可划分为N(N≥3)层同心圆环，每层材料沿底部径向的厚度相同，为h2/N。定义N层环形磁性材料层的磁导率为[μ1,μ2,...,μN]。为了实现等效移位的效果，在Comsol软件中建立包含圆锥形移位介质壳体的装置模型，并采用如下优化算法：
μi(i＝1,2,...,N)在[-10,10]区间内随机取初值，μi表示所述底部壳体中第i环形磁性材料层的磁导率。
建立目标函数：
其中，Em＝Li2/2是求解域内的总磁场能量，反映了发射线圈的自感；M是发射线圈与接收线圈之间的互感，反映了线圈之间的相对位置，Em(d)表示移位距离为d时包含圆锥形移位介质壳体的装置模型中的总磁场能量，M(d)表示移位距离为d时包含圆锥形移位介质壳体的装置模型中发射线圈与接收线圈之间的互感；表示移位距离为d时等效移动的发射线圈与接收线圈的总磁场能量，Meq(d)表示移位距离为d时等效移动的发射线圈与接收线圈之间的互感。目标函数值越小，表示圆锥形移位介质壳体对线圈的作用效果与线圈等效移动的情况越接近。
采用Nelder-Mead算法最小化目标函数，限制条件是μi∈[-10,10]。取目标函数最优值对应的μi为底部壳体的材料参数。
优选地，所述侧面壳体的两种材料层的厚度越薄，所述圆锥形移位介质壳体对所述内部线圈的移位效果与线圈等效移动的情况越接近。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明中的基于超材料的无线电能传输线圈装置能够在电磁场中等效地移动内部线圈，从而改变发射线圈与接收线圈之间的相对位置，显著地增强发射线圈和接收线圈的互感和磁耦合。
2、本发明提供的基于超材料的无线电能传输线圈装置结构紧凑，能够根据应用需求选择作用于发射线圈或接收线圈；同时作用于两线圈时，对互感和磁耦合的增强效果更加显著。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于超材料的无线电能传输线圈装置(作用于发射线圈)的结构图；其中底部壳体分为五层环形磁性材料层，即N＝5，I-2、I-3、I-5表示三种磁导率为负的超材料，I-1、I-4表示两种磁导率为正的材料；侧面壳体由10层磁性材料II-1和10层磁性材料II-2交替组合而成，II-1、II-2的磁导率均为正。
图2为传统的无线电能传输线圈装置的结构图。
图3为使用超材料平板的无线电能传输线圈装置的结构图。
图4为t2＝0.3m时，基于超材料的无线电能传输线圈装置(作用于发射线圈)的磁场分布图。
图5为t2＝0.15m时，基于超材料的无线电能传输线圈装置(作用于发射线圈)的磁场分布图。
图6为传统的无线电能传输线圈装置的磁场分布图。
图7为使用超材料平板的无线电能传输线圈装置的磁场分布图。
图8为t2＝0.3m时，基于超材料的无线电能传输线圈装置(作用于接收线圈)的磁场分布图。
图中：
1-接收线圈；
2-发射线圈；
3-圆锥形位移介质壳体；
4-底部壳体；
5-侧面壳体；
6-超材料平板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的基于超材料的无线电能传输线圈装置，包括：发射线圈、接收线圈、圆锥形移位介质壳体，所述发射线圈与所述接收线圈同轴放置，且所述圆锥形移位介质壳体将所述发射线圈或所述接收线圈包围在其空气腔内。
所述发射线圈和所述接收线圈之间的距离分别大于所述发射线圈、接收线圈的直径。
所述圆锥形移位介质壳体包括底部壳体和侧面壳体，并与所述内部线圈同轴放置，且圆锥形移位介质壳体的底面与所述内部线圈所在的平面相互平行。
所述底部壳体和侧面壳体分别包括若干种均匀且各向同性的磁性材料层。
所述底部壳体包括：五层同心环形磁性材料，每层材料沿底部径向的厚度相同，其中由内部向外的第二环形磁性材料层、第三环形磁性材料层、第五环形磁性材料层为磁导率为负的超材料，第一环形磁性材料层、第四环形磁性材料层为磁导率为正的材料。
所述侧面壳体包括：两种等厚的交替分布的磁导率为正的材料层，且两种材料层均与圆锥形移位介质壳体轴线方向呈一定的夹角θ。
所述发射线圈和所述接收线圈之间的轴向距离记为D，且D>d，d表示所述圆锥形移位介质壳体对所述内部线圈磁场的移位距离；d>t1，t1表示所述内部线圈与底部壳体的外表面之间的距离，等效于所述圆锥形移位介质壳体能够将所述内部线圈从光学上移动到壳体外部指定的位置，即所述发射线圈与所述接收线圈之间的等效传输距离为D’，D’＝D-d。
所述圆锥形移位介质壳体的尺寸已经确定的情况下，所述圆锥形移位介质壳体对所述内部线圈磁场的移位距离d由所述底部壳体的磁导率、所述侧面壳体的磁导率及θ共同决定。
具体地，在所述圆锥形移位介质壳体的尺寸和d已经确定的情况下，所述内部线圈与底部壳体内表面之间的距离t2越小，所述圆锥形移位介质壳体能够容纳的线圈尺寸越大，所述内部线圈的磁场移出所述圆锥形移位介质壳体的距离也会越大，但t2太小可能会导致所述内部线圈与所述圆锥形移位介质壳体之间的过耦合，故实际设计中应兼顾装置的紧凑性和磁耦合增强效果选择t2的大小，亦即选择所述内部线圈在所述移位介质壳体中的位置。
所述II-1、II-2材料层厚度越薄，所述发射线圈与所述接收线圈之间的互感越接近线圈等效移动时的互感值。
但所述II-1、II-2材料层厚度越薄，材料层数越多，会增加材料的加工制作难度和成本；且材料层厚度小于一定值后，继续减小材料层厚度，所述发射线圈和所述接收线圈的互感变化不大。
更进一步地，所述内部线圈在所述空气腔中的位置和方向不影响所述圆锥形移位介质壳体对所述内部线圈整体的移位距离，所述圆锥形移位介质壳体分别作用于发射线圈和接收线圈时可产生同样的移位效果。
实施例1：
如图1所示，本实施案例提供一种基于超材料的无线电能传输线圈装置，包括发射线圈、接收线圈、圆锥形移位介质壳体。其中发射线圈的半径和接收线圈的半径均为0.2m，线圈截面半径均为0.02m，线圈的匝数均为1；圆锥形移位介质壳体的内部放置发射线圈，且壳体的中心点(原点O)与接收线圈之间的距离为2m，圆锥形移位介质壳体的尺寸为a1＝0.3m，a2＝0.6m，h1＝0.5m，h2＝1m，如图1所示，设计的移位距离d为0.9m，计算得到底部和侧面壳体的磁导率如表1所示。底部壳体分为5层，每层厚度为0.2m，侧面壳体采用10层II-1和10层II-2交替排列，每层厚度为0.0159m。
表1圆锥形移位介质壳体的材料参数
多耦合物理场仿真软件Comsol Multiphysics可以对实际系统中电磁元件进行仿真，该仿真软件已经得到很多研究学者的认可和广泛使用。为了验证本发明提供的基于超材料的无线电能传输线圈装置的效果，通过Comsol进行电磁仿真，计算发射线圈与接收线圈之间的互感，并绘制系统的磁场强度分布图。
针对上述参数，采用本发明提供的基于超材料的无线电能传输线圈装置，保持圆锥形移位介质壳体与接收线圈的位置不变，当发射线圈与底部内表面的距离t2＝0.3m(即位于原点O)时，发射线圈和接收线圈间的互感约为1.86nH，磁场强度分布如图4所示；当发射线圈与底部内表面的距离t2＝0.15m时，发射线圈和接收线圈间的互感约为3.11nH，磁场强度分布如图5所示。
传统的无线电能传输线圈装置的结构图如图2所示，为了验证本发明提供的基于超材料的无线电能传输线圈装置在提高互感和磁耦合上的显著效果，保证发射线圈和接收线圈的大小不变，两线圈之间的距离为2m。采用该传统的无线电能传输线圈装置，发射线圈和接收线圈间的互感约为0.33nH，磁场强度分布如图6所示。
使用超材料平板的无线电能传输线圈装置的结构图如图3所示，为了验证本发明基于超材料的无线电能传输线圈装置在提高互感和磁耦合上的显著效果，保证发射线圈和接收线圈的大小不变，两线圈之间的距离为2m，超材料平板的磁导率为-1，尺寸为0.3m×2m×2m，放置在发射线圈与接收线圈的中间位置，超材料平板的厚度与图1中的圆锥形移位介质底部的厚度相同。使用超材料平板的无线电能传输线圈装置，发射线圈和接收线圈间的互感约为0.91nH，磁场强度分布如图7所示。
实施例2：
本实施案例的基于超材料的无线电能传输线圈装置，包括发射线圈、接收线圈、圆锥形移位介质壳体，圆锥形移位介质壳体的内部放置接收线圈。其他参数均与实施例1中的相同。
针对上述参数，采用实施例2提供的基于超材料的无线电能传输线圈装置，发射线圈和接收线圈间的互感约为1.86nH，磁场强度分布如图8所示。
可以看出，使用超材料平板的无线电能传输线圈装置较传统的无线电能传输线圈装置相比，发射线圈和接收线圈的互感增大为原来的2.76倍；而本发明给出的基于超材料的无线电能传输线圈装置与传统的无线电能传输线圈装置相比，发射线圈产生的磁场中心向左平移，发射线圈和接收线圈的互感可增大为原来的9.42倍；其他条件相同时，圆锥形移位介质壳体的内部放置发射线圈或接收线圈，互感的增强效果一致。本装置提高互感和磁耦合的效果非常显著，因而可以显著地提高整个无线电能传输系统的传输效率。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，包括发射线圈、接收线圈、圆锥形移位介质壳体，所述圆锥形移位介质壳体将所述发射线圈或所述接收线圈包裹在圆锥形移位介质壳体的空气腔内，所述圆锥形移位介质壳体包括底部壳体和侧面壳体；
所述圆锥形移位介质壳体能够在电磁场中沿轴线方向将所述空气腔中的发射线圈或接收线圈移动一定的距离d；且d>t1，t1表示所述发射线圈或所述接收线圈与底部壳体的外表面之间的距离，等效于所述圆锥形移位介质壳体能够将所述发射线圈或所述接收线圈从光学上移动到壳体外部指定的位置，即改变所述发射线圈与所述接收线圈之间相对位置。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述发射线圈与所述接收线圈之间的距离分别大于所述发射线圈、接收线圈的直径。
3.根据权利要求1所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述底部壳体和侧面壳体分别包括若干种均匀且各向同性的磁性材料层。
4.根据权利要求3所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述底部壳体包括：若干层同心环形磁性材料，每层材料沿底部径向的厚度相同，由内部向外依次为第一环形磁性材料层、第二环形磁性材料层等，直至第N环形磁性材料层，其中N为大于或等于3的自然数，且至少有一个环形磁性材料层是磁导率为负的超材料。
5.根据权利要求3或4所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述侧面壳体包括：两种等厚的交替分布的磁导率为正的材料层，且两种材料层均与圆锥形移位介质壳体的轴线方向呈一定的夹角θ。
6.根据权利要求1所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述圆锥形移位介质壳体的尺寸能够根据实际应用中需要移动的线圈的尺寸灵活设计，但需满足所述圆锥形移位介质壳体的最大尺寸小于工作波长的十分之一。
7.根据权利要求1所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述发射线圈或所述接收线圈与所述圆锥形移位介质壳体的内壁之间保持一定的间距，所述发射线圈或所述接收线圈在所述空气腔中的位置和方向不影响所述圆锥形移位介质壳体对所述发射线圈或所述接收线圈整体的移位效果。
8.根据权利要求1所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述圆锥形移位介质壳体的尺寸已经确定的情况下，所述圆锥形移位介质壳体对所述发射线圈或所述接收线圈的移位距离d由所述底部壳体的磁导率、所述侧面壳体的磁导率及θ共同决定。
9.根据权利要求5所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，两种材料层的厚度越薄，所述圆锥形移位介质壳体对所述发射线圈或所述接收线圈的移位效果与线圈等效移动的情况越接近。
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