CN106532976A - 一种基于13.56MHz超材料的无线电能传输装置 - Google Patents
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Classifications
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Abstract
本发明公开了一种基于13.56MHz超材料的无线电能传输装置，包括第一馈电线圈、发射线圈、接收线圈、超材料和第二馈电线圈，第一馈电线圈用于将频率为13.56MHz的交流电转化为13.56MHz的交变电磁场，发射线圈中的交变磁场射入到等效负磁导率的超材料后，超材料改变交变磁场的分布，实现将入射交变磁场聚焦，使得接收线圈在远距离能接收到由发射线圈辐射的交变磁场中携带更多的能量，从而使得无线电能传输装置的传输距离增大的同时能量传输效率大幅度提高，再通过电磁耦合，将接收线圈中的电磁能传输给第二馈电线圈，第二馈电线圈将电能传输到负载。13.56MHz属于ISM标准，使得无线电能传输装置有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明属于电工新技术领域，更具体地，涉及一种基于13.56MHz超材料的无线电能传输装置。
背景技术
传统的用电器的充电和供电技术主要是靠导线直接接触进行，这种方式不够便捷，在某些情况下存在安全隐患。1889年物理学家特斯拉最早开始无线电能传输技术的实验，百年来早期无线电能传输技术集中在电磁感应式无线充电领域，感应式无线充电装置的电能传输距离较短，只能达到几毫米或几厘米的范围，该特点使得传统的感应式充电应用具有很大的局限性。2007年以来新型的电磁谐振式无线电能传输技术的兴起，大大提高了无线电能传输装置的有效传输距离，但是该方法在较远的传输距离下，装置传输效率急剧下降，很难做到较远的传输距离和高效的传输效率兼顾。同时，电能传输装置的发散磁场对周围环境可能存在较大的电磁污染。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于13.56MHz超材料的无线电能传输装置，旨在解决由于线圈激发的磁场随距离呈指数衰减现有的无线电能传输装置中无法兼顾较远的传输距离和高效的传输效率。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于13.56MHz超材料的无线电能传输装置，包括第一馈电线圈、发射线圈、超材料、接收线圈和第二馈电线圈。
第一馈电线圈，用于当接通中心频率为13.56MHz的射频电源时，产生频率为13.56MHz的第一交变磁场；
发射线圈，与第一馈电线圈同轴布置，通过与第一馈电线圈电磁耦合，在发射线圈中激发产生并辐射第二交变磁场；
超材料，与发射线圈同轴布置，对发射线圈辐射第二交变磁场进行聚焦；
接收线圈，与超材料同轴布置，经由超材料聚焦后的第二交变磁场激发产生并辐射第三交变磁场；
第二馈电线圈，与接收线圈同轴布置，通过与接收线圈电磁耦合，在第二馈电线圈产生交变电流。
在第一馈电线圈中注入13.56MHz高频交流电，在第一馈电线圈中产生13.56MHz的第一交变磁场，发射线圈在第一馈电线圈产生的交变电磁场作用下产生并辐射第二交变磁场，当第二交变磁场发射到超材料上，超材料改变第二交变磁场的分布，实现将入射的第二交变磁场聚焦，使得发射线圈与接收线圈的耦合强度增加，使得发射线圈与接收线圈的能量传输效率增大，由第二交变磁场在接收线圈中激发并产生第三交变磁场，第二馈电线圈通过与接收线圈电磁耦合，由第三交变磁场在第二馈电线圈中产生交变电流，通过第二馈电线圈与负载连接，实现向负载传输电能，由于超材料增加了发射线圈与接收线圈之间的耦合强度，使得在增大发射线圈与接收线圈之间的传输距离的时，能量传输效率不会骤减，无线电能传输装置能够兼顾大的传输距离增大和高的能量传输效率。
进一步地，超材料包括多个呈阵列式排列的超材料单元，超材料单元包括谐振线圈、介质基板和谐振电容；
谐振电容与谐振线圈连接，谐振线圈固定在介质基板的一面，谐振电容固定在介质基板的另一面；
谐振线圈为呈平面方形螺旋状的金属线，线圈圈数为2～6圈，金属线宽度为0.5mm～5.0mm，金属线间距为0.2mm～4.0mm；谐振电容的大小为10pF～100pF。
当第二交变磁场入射到超材料上，超材料中的谐振线圈与谐振电容发生电磁反应，使得超材料呈现等效的负磁导率，具有负磁导率的超材料能放大入射磁场的倏逝场部分，使得传输通道内空间磁场分布得到人工调控，达到磁场聚焦的效应，超材料的工作频率由谐振线圈的等效电感以及谐振电容的大小决定，通过控制谐振线圈为平面方形螺旋状的金属线，控制线圈圈数为2～6圈，金属线宽度为0.5mm～5mm，金属线间距为0.2mm～4mm，实现控制谐振线圈的等效电感，使得在向超材料的工作频率为13.55MHz～14.47MHz，使得接收线圈耦合到更多的磁场能量，发射线圈和接收线圈的耦合强度增加，无线电能传输装置能够兼顾大的传输距离增大和高的能量传输效率。
进一步地，超材料中谐振电容为高频贴片电容，高频贴片电容体积小，能够有效降低无线电能传输装置的体积。
进一步地，超材料中谐振电容的大小为39pF，谐振线圈中金属线的宽度为3.0mm，金属线的间距为2.0mm，超材料的工作频率在13.56MHz，该频率为ISM标准频率，有利于将超材料产业化应用。
进一步地，超材料中介质基板为环氧树脂介质基板，环氧树脂易成型，质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异，能够降低超材料的制作成本。
进一步地，金属线为铜线，选用铜线可以采用PCB板印刷技术加工该超材料，有利于将超材料产业化。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的13.56MHz无线电能传输装置，通过在发射线圈和接收端线圈之间加入超材料，实现改变发射线圈辐射的13.56MHz的交变磁场分布并将其聚焦，使得接收线圈远距离情况下能够接收到更躲由发射线圈辐射的磁场能，实现13.56MHz无线电能传输装置能够在长距离下高效率的传输电能。
2、本发明提供的基于13.56MHz超材料的无线电能传输装置能在100W以下的功率、13.56MHz的频率条件下进行电能的无线传输，传输距离远，传输效率高，结构简单，体积小，便于操作，电磁辐射较低，13.56MHz电源是标准的工业电源，该频段源能够广泛应用于可移动便携式电子设备无线充电和中小功率用电器的无线供电，使得无线充电的大规模生产应用成为可能。
附图说明
图1是本发明提供的基于13.56MHz超材料的无线电能传输装置的结构示意图；
图2是本发明中超材料的工作原理图；
图3是本发明中发射线圈和接收线圈距离固定为30cm时，超材料位于发射线圈和接收线圈中不同位置时，装置能量传输效率变化规律图；
图4是本发明装置在超材料位于发射线圈和接收线圈中间位置时，能量传输效率随传输距离的变化关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的13.56MHz无线电能传输装置，包括第一馈电线圈，在注入中心频率为13.56MHz交变电流后，产生频率为13.56MHz的第一交变磁场，第一馈电线圈与发射线圈同轴布置，通过第一馈电线圈与发射线圈电磁耦合，在发射线圈激发并辐射第二交变磁场，发射线圈与超材料同轴，使得第二交变磁场射入超材料上，超材料能够改变频率为14.56MHz的第二交变磁场分布，实现对由发射线圈辐射的频率为13.56MHz的第二交变磁场聚焦，增加了发射线圈与接收线圈之间的耦合强度，使得接收线圈在距离发射线圈较远的而距离下仍能够耦合到更多电磁能，超材料与接收线圈同轴，聚焦后的第二交变磁场在接收线圈内激发并辐射第三交变磁场，接收线圈与第二馈电线圈同轴，接收线圈通过电磁耦合在第二馈电线圈中产生交变电流，并通过与负载连接实现对负载传输电能，由于超材料增加了发射线圈与接收线圈之间的耦合强度，使得本发明提供的无线电能传输装置能够兼顾远的传输距离和高的传输效率。
如图1所示，本发明提供的13.56MHz无线电能传输装置的第一实施例，包括第一馈电线圈2，为开口圆环形铜线圈，通过向第一馈电线圈2中注入频率为13.56MHz的交流电，使得第一馈电线圈2中输出频率在13.56MHz的第一交变磁场，第一馈电线圈2与发射线圈3同轴布置，第一馈电线圈2与发射线圈3电磁耦合，使得发射线圈3产生并辐射频率为13.56MHz的第二交变磁场，发射线圈3为平面方形螺旋线，铜线规格为线径1.0mm～2.5mm，铜线绕制于基板表面，发射线圈3与超材料5同轴布置，超材料5与接收线圈6同轴布置，超材料5包括多个呈阵列排列的超材料单元，超材料单元包括谐振线圈51、介质基板52以及谐振电容53，谐振线圈51与谐振电容53连接，谐振线圈51固定在介质基板52的一面，谐振电容53固定在介质基板52的另一面，频率为13.56MHz的第二交变磁场射入超材料5表面，每个超材料单元中谐振线圈与谐振电容产生电磁响应，使得电磁波的反射和透射具有一定规律，对外宏观上展现出在电磁波的频率在工作频率时超材料具有等效的负磁导率特性，具有等效的负磁导率特性的超材料能放大入射磁场的倏逝场部分，使得磁场分布得到人工调控，达到磁场聚焦的效应，谐振线圈为呈平面方形螺旋状的金属线，线圈圈数为2～6圈，金属线宽度为0.5mm～5.0mm，金属线间距为0.2mm～4.0mm，谐振电容的大小为10pF～100pF，使得超材料在13.55MHz～14.47MHz具有等效的负磁导率特性，增加了发射线圈与接收线圈之间的耦合强度，接收线圈能够接收到更多的由发射线圈辐射的第二交变磁场中磁场能量，使得在增大发射线圈与接收线圈之间距离同时能够提高能量传输效率。接收线圈6与第二馈电线圈7同轴布置，接收线圈6通过电磁耦合将其中的电磁能传输给第二馈电线圈7，在第二馈电线圈7内产生交变电流，接收线圈6为平面方形螺旋铜线圈，铜线规格为线径1.0mm～2.5mm，铜线绕制于基板表面；第二馈电线圈7通过与负载连接，实现向负载传输电能。负载可以是阻抗50欧的常用负载装置，包括灯泡负载、电池组负载、可变电子负载等。
本发明提供的13.56MHz无线电能传输装置的第二实施例种，超材料包括多个呈阵列排列的超材料单元，超材料单元包括谐振线圈，谐振线圈为平面方形螺旋形金属线，线圈圈数为4圈，金属线的宽度为3.0mm，金属线的间距为2.0mm，金属线为铜线，介质基板为介质基板为环氧树脂介质基板，环氧树脂易成型，质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异，能够降低超材料的制作成本，谐振线圈固定在介质基板的一面，可以采用PCB板印刷技术加工该超材料，谐振电容为高频贴片电容，高频贴片电容体积小，能够有效降低无线电能传输装置的体积，谐振电容与谐振线圈连接，谐振电容固定在介质基板的另一面，谐振电容的大小为39pF，超材料的工作频率在13.56MHz，该频率为ISM标准频率，有利于将超材料产业化应用。
根据斯涅耳定律，入射磁场从空气中入射到超材料上时，由于超材料具有等效负磁导率，入射分量和折射分量位于法线同侧，透射场具有会聚效应，图2(a)所示，当入射磁场A从空气射入到超材料时，并没有沿着C折射过去，而是与入射磁场A在同一侧，沿着B折射出去，实现对透射场的会聚；图2(b)为超材料的工作作用原理，当磁力线从接收线圈1发射穿过超材料2时，如果不加超材料，磁力线会沿着虚线a1、虚线a2发散出去，而如果加载超材料，由于负磁导率的超材料对于透射场有汇聚作用，磁力线会沿着实线b1、实线b2发射出去，通过超材料实现发射线圈与接收线圈在更远的传输距离传输更多能量。
在本发明提供的13.56MHz的无线电能传输装置的第一实施例中，发射线圈3和接收线圈6传输距离固定为30cm,超材料位于发射线圈3和接收线圈6的中间，此时传输效率为52.3％，将超材料放置于发射线圈和接收线圈之间不同位置，无线电能传输装置传输效率不同，装置能量传输效率变化规律如图3所示，理论值为仿真数据，实验值为实测数据，从图中可以得知，理论值和实验值均呈现中间高、两边低的规律。
在本发明提供的13.56MHz的无线电能传输装置的第一实施例中，在传输距离大于15cm时，加入超材料的无线电能装置的传输效率总是高于未加入超材料的无线电能装置的传输效率。本发明提供的加入有超材料的无线电能传输装置在传输距离由10cm～50cm变化时，无线电能传输装置能量传输效率变化规律如图4所示，理论值为仿真数据，实验值为实测数据，在传输距离为30cm时，加入有超材料的无线电能传输装置传输效率为52.3％，未加入超材料的无线电能传输装置传输效率为10.6％，效率提升值达到41.7％，传输效率提升最大。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于13.56MHz超材料的无线电能传输装置，其特征在于，包括第一馈电线圈(2)、发射线圈(3)、超材料(5)、接收线圈(6)和第二馈电线圈(7)；
所述第一馈电线圈(2)用于当接通中心频率为13.56MHz的射频电源时，产生频率为13.56MHz的第一交变磁场；
所述发射线圈(3)，与所述第一馈电线圈(2)同轴布置，通过与第一馈电线圈(2)电磁耦合，在发射线圈(3)中激发产生并辐射第二交变磁场；
所述超材料(5)，与所述发射线圈(3)同轴布置，对发射线圈(3)辐射第二交变磁场进行聚焦；
所述接收线圈(6)，与所述超材料(5)同轴布置，经由超材料(5)聚焦后的第二交变磁场激发产生并辐射第三交变磁场；
所述第二馈电线圈(7)，与所述接收线圈(6)同轴布置，通过与接收线圈(6)电磁耦合，在第二馈电线圈(7)产生交变电流。
2.根据权利要求1中所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述超材料包括多个呈阵列式排列的超材料单元，所述超材料单元包括谐振线圈(51)、介质基板(52)和谐振电容(53)；
所述谐振电容(53)与所述谐振线圈(51)连接，所述谐振线圈(51)固定在所述介质基板(52)的一面，所述谐振电容(53)固定在所述介质基板(52)的另一面；
所述谐振线圈(51)为呈平面方形螺旋状的金属线，线圈圈数为2～6圈，金属线宽度为0.5mm～5.0mm，金属线间距为0.2mm～4.0mm；谐振电容(53)的大小为10pF～100pF。
3.根据权利要求2中所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述超材料中谐振电容(53)为高频贴片电容。
4.根据权利要求2中所述的无线电能传输装置，其特征在于，超材料中谐振电容(53)的大小为39pF，谐振线圈(51)中金属线的宽度为3.0mm，金属线的间距为2.0mm。
5.根据权利要求2中所述的无线电能传输装置，其特征在于，超材料中介质基板(52)为环氧树脂介质基板。
6.根据权利要求2中所述的无线电能传输装置，其特征在于，金属线为铜线。
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