CN107124044A - 基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置及其能量传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置及其能量传输方法；无线能量发射装置由多个通过金属柱相连的结构相同、且均为支持磁偶极子模式的金属螺旋结构；无线能量发射装置两个磁谐振腔的固有频率相同，因而发生了共振。上下两个金属螺旋结构中通过金属柱产生强烈的电流交换，从而在上下两个磁谐振腔中间的空间中产生一种非辐射的螺旋磁场，从而把电能转换成交变磁场并充满整个空间。随着每一次共振，放置在两个谐振腔中间任意位置的接收线圈中会有更多的电压产生。经过产生多次共振，接收线圈表面就会集聚足够的能量，这样接收端在此非辐射磁场中接收能量，从而完成了磁能到电能的转换，实现了广域自由空间电能的无线传输。

Description

基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置及其能 量传输方法

技术领域

本发明属于无线能量传输或无线功率传输领域，具体涉及一种新型基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置及其能量传输方法。

背景技术

无线能量传输或无线功率传输，是指能量从能量源传输到电负载的一个过程，这个过程不是传统的用有线来完成，而是通过无线传输实现。无线能量传输的关键技术在于高效的发射和接收天线装置，以使得无限能量传输的距离最大化，同时无线能量传输的位置自由化。馈入发射天线中的能量能够被高效的发射出去，经过一定距离的无线传输被接收天线装置在自由空间中高效的接收。

现有无线能量传输的发射和接收天线装置主要是谐振线圈，通过线圈电磁互感的原理或磁共振原理实现能量的无线传输。电能发射线圈安装在充电底座内，接收线圈则安装在电子设备中。这种原理的无线输电方式市场上已经存在。该无线充电装置要求发射线圈和接收线圈的距离很小，极大地限制了电子产品的活动半径。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明主要基于另一种无线能量传输机制，即开放式谐振腔原理来提供一种新型的广域自由空间无线能量传输发射天线装置以实现无线能量传输的自由化。

本发明的基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置，包括多个结构相同、且均为支持磁偶极子模式的金属螺旋结构，相邻两个金属螺旋结构的螺旋中心通过金属柱相互连接。本发明的多个金属螺旋结构会相互谐振同时通过金属柱产生强烈的交换电流，在金属螺旋结构之间的自由空间中产生交变的螺旋磁场，从而实现电能到充满整个空间交变磁场的转换。调整激发源，使该无线能量发射装置以某一频率振动；其产生的非辐射螺旋磁场即把电能转换成磁场，在多个金属螺旋结构间形成无所不在的能量通道；当作为无线能量接收端的金属线圈放置在该自由空间任意位置并和螺旋磁场有一定的夹角时，随着每一次共振，接收线圈中会有更多的电压产生，从而实现广域自由空间能量的无线传输。

优选的，所述的金属螺旋结构为金属平面螺旋结构，相邻两个金属螺旋结构的相互设置方式为任意相对位置。更进一步的，所述的相邻两个金属螺旋结构的相互设置方式为对称设置或反对称设置。

优选的，所述的金属螺旋结构包含一个螺旋中心和若干根金属螺旋臂；当螺旋中心连接多根金属螺旋臂时，所述的多根金属螺旋臂旋向和结构相同，并均匀连接在螺旋中心上。

优选的，所述的发射天线装置包括两个结构相同、且均为支持磁偶极子模式的金属螺旋结构，两个金属螺旋结构的螺旋中心通过金属柱相互连接。

优选的，所述的金属螺旋结构为金属平面螺旋结构，所述的两个金属螺旋结构的相互设置方式为对称设置或反对称设置。

更加优选的，所述的两个金属螺旋结构上下设置且螺旋中心线重合。

所述广域自由空间无线能量传输发射天线装置的无线能量传输方法如下：

设置激发源在下端的金属螺旋结构附近，由于两个金属螺旋结构结构相同并支持磁耦极子模式，因此两者的磁耦合模式的谐振频率一样，两个金属螺旋结构之间发生谐振并通过金属柱产生强烈的电流交换；

调整激发源频率，使该广域自由空间无线能量传输发射天线装置以某一频率振动；其金属柱中的交换电流产生的非辐射螺旋磁场即把电能转换成交变磁场并充满两个金属螺旋结构之间的整个空间；当接收线圈放置在该自由空间的任意位置并和螺旋磁场有夹角时，作为无线能量接收端的接收线圈会随着每一次共振产生更多的电压，从而实现广域自由空间能量的无线传输。

优选的，所述的接收线圈的谐振频率和该谐振金属螺旋结构的其中一个产生涡旋磁场的谐振模式的频率相同。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于开放式谐振腔原理的新型广域自由空间无线能量传输发射天线装置及其能量传输方法。解决了现有技术中要求发射线圈和接收线圈的距离很小的问题，同时也解决了现有技术的无线能量传输装置自由移动化的问题，这与传统的线圈耦合式(第一代无线能量传输原理)以及磁谐振式(第二代无线能量传输原理)有重大区别。

本发明的磁耦合谐振的频率由金属螺旋结构的几何参数决定，这样就为无限能量传输接受发射天线装置提供了更加自由的设计方法。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的通过金属柱垂直互连的金属螺旋结构示意图；

图2为两个垂直电耦合的金属螺旋结构的近场耦合频谱；

图3为两个垂直耦合金属螺旋结构的谐振模式的电流，磁场分布。(a)为呈对称位型垂直耦合金属螺旋结构的一个分裂模式的电流分布；(b)为呈对称位型垂直耦合金属螺旋结构的一个分裂模式磁场分布。

具体实施方式

本发明的基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置需要两个或更多个互连的共振系统，分别由一种新型的金属螺旋磁共振结构制成，而不是传统的谐振线圈。通过调整发射频率使该无线能量发射装置以某一频率振动，其产生的不是弥漫于各处的普通电磁波，而是一种非辐射的充满上两个金属螺旋结构之间整个空间的螺旋磁场，即把电能转换成交变磁场，在两个或多个金属螺旋磁共振结构之间的自由空间内形成一种能量通道。当接收端的金属线圈放置在该自由空间的任意位置并和螺旋磁场成一定夹角，随着每一次共振，接收端线圈中会有更多的电压产生。经过产生多次共振，接收端线圈表面就会集聚足够的能量，这样接收端在此非辐射螺旋磁场中接收能量，从而完成了磁能到电能的转换，实现了电能的无线传输。

实施例1

上下的磁谐振腔都是由四条金属螺旋臂构成的支持磁偶极子模式的金属螺旋结构。该金属螺旋结构的磁偶极子模式的谐振频率由金属螺旋结构的几何参数决定。在该文中金属螺旋结构的几何参数为：金属螺旋臂宽w＝0.5m,绕着中心旋转1.5圈，外径R＝12.5m，金属螺旋臂之间的距离为d＝1.5m。如图1所示。上下两个金属螺旋结构通过高h＝6m的金属柱相连。

由于该金属结构是一种螺旋结构，所以垂直放置的上下磁谐振腔有各种不同的位型，分别为对称结构和反对称结构或者任意相对位置。在本发明中我们取上下对称结构作为示例，如图1所示。图1为基于金属螺旋结构呈对称位型的广域自由空间无线能量传输发射天线装置。黑色箭头表示激发源和探针。上下两层金属螺旋结构通过金属柱相连。上下金属螺旋结构之间的垂直距离为h＝6m。整个上下互连的金属螺旋结构作为无线能量发射装置，激发源放置在下端金属螺旋臂旁边。探针放在上下金属螺旋结构之间的空间中。由于上下磁谐振腔是同一种金属螺旋结构并支持磁耦极子模式，所以他们的磁耦合模式的谐振频率是一样的。这样上下金属螺旋结构通过金属柱相互耦合并产生强烈的电流交换，从而把电能转换成充满整个空间的交变螺旋磁场。当作为接受端的线圈被放置在上下金属螺旋结构之间的空间中任意位置并和螺旋磁场成一定的夹角，随着每一次共振，接收端线圈中会有更多的电压产生。经过产生多次共振，接收端线圈表面就会集聚足够的能量，这样接收端在此非辐射螺旋磁场中接收能量，从而完成了磁能到电能的转换，实现了电能的无线传输。

实施例2

通过激发下面的金属螺旋结构并探测上下金属螺旋结构之间自由空间中的磁场来说明能量的无线传输。首先测试了单个金属螺旋结构的近场磁谐振频谱，如图2中灰实线所示，该金属螺旋结构在Ω_m＝1.53MHz的谐振频率支持一个磁偶极子谐振模式。然后测试对称结构的近场磁谐振频谱，如图2中黑实线所示，由于上下金属螺旋结构通过金属柱相互耦合，单个金属螺旋结构的磁偶极子谐振模式分裂成为两个模式。两个分裂模式的谐振频率分别为和

为了进一步理解该广域自由空间无线能量传输发射装置怎么实现能量的无线传输，画出了对称结构低频分裂模式的电流，磁场分布图，分别如图 3(a)和图3(b)所示。可以看到，在该谐振模式上，上下两个金属螺旋结构上都支持一个闭合的反向电流环，这样就形成了磁偶极子谐振模式，而且在金属柱中有强烈的电流交换，从而电能在两个金属螺旋结构之间转换成无所不在的螺旋磁场，如图3(b)所示。当接收端金属线圈放置在两个金属螺旋结构之间空间的任意位置并和螺旋磁场成一定的夹角时，该接受金属线圈就会随着谐振而接受能量，从而实现基于开放式磁谐振腔电流交换机制的自由空间任意位置的无线能量传输。

Claims (9)

1.一种基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置，其特征在于包括多个结构相同、且均为支持磁偶极子模式的金属螺旋结构，相邻两个金属螺旋结构的螺旋中心通过金属柱相互连接。

2.根据权利要求1所述的基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置，其特征在于所述的金属螺旋结构为金属平面螺旋结构，相邻两个金属螺旋结构的相互设置方式为任意相对位置。

3.根据权利要求2所述的基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置，其特征在于所述的相邻两个金属螺旋结构的相互设置方式为对称设置或反对称设置。

4.根据权利要求2所述的基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置，其特征在于所述的金属螺旋结构包含一个螺旋中心和若干根金属螺旋臂；当螺旋中心连接多根金属螺旋臂时，所述的多根金属螺旋臂旋向和结构相同，并均匀连接在螺旋中心上。

5.根据权利要求1所述的基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置，其特征在于所述的发射天线装置包括两个结构相同、且均为支持磁偶极子模式的金属螺旋结构，两个金属螺旋结构的螺旋中心通过金属柱相互连接。

6.根据权利要求4所述的基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置，其特征在于所述的金属螺旋结构为金属平面螺旋结构，所述的两个金属螺旋结构的相互设置方式为对称设置或反对称设置。

7.根据权利要求6所述的基于电流交换的自由空间无线能量传输发射天线装置，其特征在于所述的两个金属螺旋结构上下设置且螺旋中心线重合。

8.一种如权利要求5所述广域自由空间无线能量传输发射天线装置的无线能量传输方法，其特征在于：

设置激发源在下端的金属螺旋结构附近，由于两个金属螺旋结构结构相同并支持磁耦极子模式，因此两者的磁耦合模式的谐振频率一样，两个金属螺旋结构之间发生谐振并通过金属柱产生强烈的电流交换；

调整激发源频率，使该广域自由空间无线能量传输发射天线装置以某一频率振动；其金属柱中的交换电流产生的非辐射螺旋磁场即把电能转换成交变磁场并充满两个金属螺旋结构之间的整个空间；当接收线圈放置在该自由空间的任意位置并和螺旋磁场有夹角时，作为无线能量接收端的接收线圈会随着每一次共振产生更多的电压，从而实现广域自由空间能量的无线传输。

9.根据权利要求8所述的无线能量传输方法，其特征在于所述的接收线圈的谐振频率和该谐金属螺旋结构的其中一个产生涡旋磁场的谐振模式的频率相同。