CN108233548A - 基于磁美特材料的磁场产生装置及无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于磁美特材料的磁场产生装置及无线电能传输系统，其主要由能量发射端以及加载在能量发射端上具有亚波长特性的磁美特材料集成组成，所述磁美特材料集成包括多个磁美特材料单元，借此，本发明通过发射线圈激励频率调谐范围在千赫兹频段的磁美特材料单元，使各个磁美特材料单元通过磁场耦合形成特殊通带，在所述通带内的不同频率点能够被对应激发出不同的磁场分布，从而达到通过调控频率得到一种在千赫兹低频段大面积相对均匀分布的磁场，实现一种有利于和多个目标进行无线电能传输的磁场产生装置及包括所述磁场产生装置的无线电能传输系统。

Description

基于磁美特材料的磁场产生装置及无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及磁场共振式耦合无线电能传输的技术领域，具体来说涉及基于磁美特材料的磁场产生装置及无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)是通过发射器将电能转化为其它形式的中继能量，如电磁场能、激光、微波及机械波等，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现电能无线传输。根据能量传输过程中，中继能量形式的不同，可分为磁(场)耦合式、电(场)耦合式、电磁辐射式和机械波耦合(超声波耦合)式。因传输功率大、效率高，磁耦合式无线电能传输应用较其它方式更为广泛。
目前，美国科学家已提出了一种新型的基于磁场共振式耦合无线电能传输的技术，该技术与传统的磁场感应式耦合技术相比，有许多优势，例如，自然界中的大部分的材料，包括生物体，对于磁场几乎没有响应，因此所述整个磁场共振式的无线电能传输系统在传输过程仅借助磁场，保证了在日常使用环境中的安全性；此外，系统周围磁场由于共振而大大加强，其作用范围可拓展到中距离，即能量传输距离约为10倍线圈尺寸大小。
然而，在实际的无线电能传输过程中，由于发射线圈本身的结构限制，其产生的磁场分布往往不均匀，导致能量传输效率空间波动较大。例如，接收线圈和发射线圈放在不同位置会有不同程度的耦合，两者必须严格对准，否则能量传输效率下降非常快。因此，为了使能量传输效率不因发射端和接收端摆放位置的变化而变化，均匀性强的大面积磁场将有助于提高无线电能传输过程中设备之间的兼容性。另一方面自然界中可用于kHz至MHz低频段的天然磁性材料相对较少，为实现对低频无线电能传输过程中磁场近场的有效控制，小型化且电磁场调控手段丰富的新型电磁材料的引入十分必要。
值得注意的是，美特材料是一类其电磁特性与天然材料完全不同的亚波长人工微结构材料，其负的磁响应、深亚波长特性及一定的拼装性可以让人们自由调控电磁场，在大面积内实现均匀的磁场分布。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提供一种基于磁美特材料的磁场产生装置及无线电能传输系统，其主要由能量发射端以及加载在能量发射端上具有亚波长特性的磁美特材料集成组成，所述磁美特材料集成包括多个磁美特材料单元，借此，本发明通过发射线圈激励频率调谐范围在千赫兹频段的磁美特材料单元，使各个磁美特材料单元通过磁场耦合形成特殊通带，在所述通带内的不同频率点能够被对应激发出不同的磁场分布，从而达到通过调控频率得到一种在千赫兹低频段大面积相对均匀分布的磁场，实现一种有利于和多个目标进行无线电能传输的磁场产生装置及包括所述磁场产生装置的无线电能传输系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种基于磁美特材料的磁场产生装置，其包括发射线圈，具有金属导线绕制形成单匝方形线圈；磁美特材料集成，包括多个在平面内周期性复制组成的磁美特材料单元；所述磁美特材料单元结构体的尺寸为其工作波长的1/20000，且所述磁美特材料单元的频率调谐范围是千赫兹频段；所述磁美特材料集成的形状及尺寸与所述发射线圈相匹配且放置于所述发射线圈之中；各所述磁美特材料单元包括绝缘介质板、金属导线以及集总参数元件，其中，所述金属导线多重绕匝于所述绝缘介质板上；所述集总参数元件与所述金属导线连接并装配于所述绝缘介质板上。
本发明的磁场产生装置实施例中，所述发射线圈的金属导线头端及尾端焊接有射频同轴连接器(BNC-KFD)。
本发明的磁场产生装置实施例中，所述发射线圈是每股截面直径0.1mm共200股的利兹线绕匝形成。
本发明的磁场产生装置实施例中，所述磁美特材料单元的绝缘介质板是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板；所述磁美特材料单元的金属导线是每股截面直径0.1mm共50股的利兹线；所述磁美特材料单元的集总参数元件是金属化聚酯膜电容。
本发明的磁场产生装置实施例中，所述磁美特材料单元的绝缘介质板的侧面上绕设有79匝的所述金属导线，所述金属导线顺时针方向绕线且其头端与尾端与所述集总参数元件焊接。
本发明的磁场产生装置实施例中，所述磁美特材料集成具有八个所述磁美特材料单元，所述八个磁美特材料单元紧凑拼装组成2×4的长方形阵列。
本发明的磁场产生装置实施例中，所述发射线圈的包围区域的长度为480mm、宽度为240mm；所述磁美特材料集成的长度为480mm、宽度为240mm、厚度为31mm；所述电能拾取线圈是直径为40mm的圆形线圈。
本发明另提供一种无线电能传输系统，其包括前述本发明的基于磁美特材料的磁场产生装置以及电能拾取线圈，所述电能拾取线圈具有金属导线绕制形成圆形线圈，所述电能拾取线圈与所述发射线圈相对应地设于所述发射线圈一侧。
本发明的无线电能传输系统实施例中，所述电能拾取线圈是每股截面直径0.1mm共50股的利兹线绕匝形成。
本发明的无线电能传输系统实施例中，所述电能拾取线圈是直径为40mm的圆形线圈。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
(1)本发明磁场产生装置中的每个磁美特材料单元可以看作是一个谐振单元，由于每个谐振单元的尺寸约为电磁波波长(即工作波长)的1/20000，可以激发出极深亚波长的磁共振模式。从而，当所有谐振单元被激发后，能够使各个谐振单元之间通过磁场耦合在共振频率附近形成比较宽的特殊通带；在该通带内，不同频率点被激发出的二维磁场分布也不一样；是以，本发明在以上技术方案的基础上，能够通过调控频率在某一频率附近得到相对均匀分布的大面积磁场；实现对低频无线电能传输过程中磁场近场的有效控制。
(2)本发明通过采用具有极深亚波长特征的磁美特材料，使材料单元尺寸小于电磁波真空波长的1/20000，有利于实现本发明磁场产生装置在小型化的无线电能传输系统的应用。
(3)本发明的磁场产生装置可以随着磁美特材料周期数的增加，来扩大均匀磁场的面积，能够根据不同使用场景的需求进行调配，有利于所述磁场产生装置或包括所述磁场产生装置的无线电能传输系统的推广应用。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明和权利要求得以充分体现，并可通过所附权利要求中特地指出的手段、装置和它们的组合得以实现。
附图说明
图1是本发明磁美特材料单元的绝缘介质板平面结构示意图。
图2是本发明磁美特材料单元的绝缘介质板侧视结构示意图。
图3是本发明磁美特材料单元的绝缘介质板上设有金属导线的平面结构示意图。
图4是本发明磁美特材料单元的绝缘介质板上设有金属导线的侧视结构示意图。
图5是本发明磁美特材料集成的平面结构示意图。
图6是本发明磁美特材料集成的侧视结构示意图。
图7是本发明在85KHz工作频率下大测得的磁美特材料集成表面的垂直分量磁场分布图。
附图标记与部件的对应关系如下：
绝缘介质板10；金属导线20；磁美特材料单元结构体100；磁美特材料单元结构体组合装置200。
具体实施方式
在这里将公开本发明的详细的具体实施方案。然而应当理解，所公开的实施方案仅仅是本发明的典型例子，并且本发明可以通过多种备选形式来实施。因此，这里所公开的具体结构和功能细节不是限制性的，仅是以权利要求为原则，作为向本领域技术人员说明不同实施方式的代表性原则。
本发明提供了一种磁场产生装置以及包括所述磁场产生装置的无线电能传输系统，为利于对本发明的了解，以下结合附图1至图7及实施例进行说明。
本发明的磁场产生装置包括发射线圈以及如图5、图6所示的磁美特材料集成200；其中，所述发射线圈具有金属导线绕制形成单匝方形线圈；所述磁美特材料集成200包括多个在平面内周期性复制组成的磁美特材料单元100；各所述磁美特材料单元结构体100的尺寸为其工作波长的1/20000，从而具有极深亚波长特性，且所述磁美特材料单元100的频率调谐范围落在千赫兹频段；所述磁美特材料集成200的形状及尺寸与所述发射线圈相匹配且放置于所述发射线圈之中。
于本发明实施例中，所述发射线圈的金属导线的端及尾端焊接有射频同轴连接器(BNC-KFD)。较佳地，所述发射线圈的金属导线为利兹线，所述利兹线的规格优选为0.1×200股(每股截面直径0.1mm)。
如图1、图2所示，显示了本发明磁美特材料单元100的绝缘介质板10平面结构与侧视结构示意图。如图，所述绝缘介质板10包括相对设置的底板11及顶板12，所述底板11与所述顶板12之间设有立壁13连接，所述立壁13缩进位于所述底板11与所述顶板12的边缘内侧，所述立壁13的外面与所述底板11边缘及所述顶板12边缘共同界定形成所述金属导线20的绕匝空间；所述绝缘介质板10于所述立壁13的内面之间设有贯通所述底板11及所述顶板12的空窗部，所述空窗部包括形成于所述底板11上的底部开口14以及形成于所述顶板12上的顶部开口15。
于本发明实施例中，本发明磁美特材料单元100的绝缘介质板10成形为立体矩形结构。具体地，所述底板11及所述顶板12成形为正方形板，所述立壁13是由四个平面形状呈L形的折板131围立构成，所述折板131的转角处成形为R角结构，使所述金属导线20服贴地绕匝于所述立壁13的外面上；所述折板131的板体端部之间不连接地与所述底板11及所述顶板12构成矩形开口16。
于本发明实施例中，所述绝缘介质板10为本发明磁美特材料单元100的结构衬底。所述绝缘介质板10可由选自有机玻璃的材料制成，所述有机玻璃材料较佳可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
如图3、图4所示，显示了本发明磁美特材料单元100的绝缘介质板10外部绕匝有金属导线20的平面结构与侧视结构示意图。于本发明实施例中，所述磁美特材料单元100的金属导线20多重紧密绕制于所述绝缘介质板10上，用以支持220V以上高电压及5A以上的大电流。所述金属导线20可选自实心铜导线、利兹线或紫铜管。
优选地，所述磁美特材料单元100的绝缘介质板10的侧面上绕设有79匝的所述金属导线20，且各所述磁美特材料单元100上的金属导线20以顺时针方向绕线，且所述金属导线20的头端及尾端与所述集总参数元件焊接。
具体地，本发明磁美特材料单元结构体100的金属导线20较佳采用利兹线，所述利兹线的规格可为0.1×50股(每股截面直径0.1mm)，所述利兹线可采用涤纶丝包线，且较佳选择以聚氨酯漆包线为芯的涤纶丝包线，所述涤纶丝包线的外径约为0.95mm，铜芯截面积约为0.393mm2。
于本发明实施例中，本发明磁美特材料单元100选自可耐220V以上高电压的集总参数元件，所述集总参数元件经由与金属导线20的首尾端焊接以装配于所述绝缘介质板10上(图未示)。所述集总参数元件具体可以是金属化聚酯膜直插电容，并可采用3.6nF/1000V的规格。
经由将多个本发明的磁美特材料单元100在二维平面或三维空间内进行周期性复制，或者按特定空间分布函数排列以形成等效磁导率均匀或梯度分布的等效连续磁介质。如图5、图6即显示了其中一种二维排列布置结构的实施例。
本发明的无线电能传输系统包括前述磁场产生装置以及电能拾取线圈，所述电能拾取线圈与所述发射线圈相对应地设于所述发射线圈一侧，用以测量所述磁场产生装置的发射线圈附近垂直分量磁场分布。
于本发明实施例中，所述电能拾取线圈具有金属导线绕制形成圆形线圈，所述圆形电能拾取线圈的尺寸远小于所述磁美特材料集成200的尺寸，以避免对磁美特材料的谐振产生影响。
具体地，所述电能拾取线圈的金属导线为利兹线，所述利兹线的规格优选为0.1×50股(每股截面直径0.1mm)。
以下请复配合参阅图1至图6以及图7说明本发明低频磁美特材料单元结构体及其组合装置具体应用实施例。
实施例1：一种基于磁美特材料的磁场产生装置。
一种磁场产生装置，其包括发射线圈以及如图5、图6所示的磁美特材料集成200。其中：
所述发射线圈采用规格为0.1×200股的利兹线绕制形成；所述发射线圈成形为单匝方形线圈，且其金属导线的首尾两端与阻抗为50欧姆的射频同轴连接器(BNC-KFD)焊接；所述射频同轴连接器的方板座可焊接母头。
于实施例1中，所述发射线圈的利兹线是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线；所述发射线圈的利兹线的几何参数如下：利兹线的外径约为1.92mm，内部每根铜芯截面积约为1.57mm2，绕制发射线圈所使用的利兹线总长度约为1440mm。所述发射线圈的包围区域的长度为480mm、宽度为240mm。
所述磁美特材料集成200具有八个磁美特材料单元100紧凑拼装组成，如图5、图6所示，所述磁美特材料集成200的排列形态为2×4的长方形阵列。于实施例1中，所述的磁美特材料单元100的长度与宽度均为120mm，所述磁美特材料单元100的厚度约为31mm(相当于绝缘介质板10的板厚)；借此，所述排列形态为2×4的磁美特材料集成200的长度为480mm、宽度为240mm、厚度为31mm。
具体地，各所述磁美特材料单元100是由有机玻璃板(绝缘介质板10)、利兹线(金属导线20)和电容(集总参数元件)组成。其中，所述磁美特材料单元100的制备步骤包括：采用0.1×50股的利兹线在所述有机玻璃板的侧面多重密绕；经绕制79匝后，在利兹线的首尾端焊接电容，以形成如图3、图4所示的磁美特材料单元100。
其中，所述磁美特材料单元100较佳都是顺时针方向绕线，且所述磁美特材料单元100拼装形成的磁美特材料集成200尺寸正好能放置在所述发射线圈之中。
其中，本发明磁美特材料单元100采用的有机玻璃板结构如图1所示，其材质为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。该有机玻璃板的几何参数如下：板的长度为120mm，板的宽度为120mm，板的总厚度为31mm；其中，顶板、底板的厚度均为3mm，可用于绕匝金属导线20的厚度为19mm；且板中间部位挖空形成边长为76mm、厚度为31mm的空窗部。
其中，所述磁美特材料单元100的利兹线是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线，所述利兹线的规格为0.1×50股。于本发明实施例中，利兹线的几何参数如下：每股导线的截面直径约为0.95mm，铜芯截面积约为0.393mm2；且本发明实施例1中所使用的利兹线总长度约为34m。
其中，所述电容为3.6nF、可耐220V以上高电压的金属化聚酯膜直插电容。
实施例2：一种包括实施例1中磁场产生装置的无线电能传输系统。
所述无线电能传输系统包括实施例1的磁场产生装置以及电能拾取线圈。所述电能拾取线圈的制备步骤包括：采用0.1×50股的利兹线绕制3匝，以形成直径约为4cm的圆环。其中，所述电能拾取线圈的利兹线是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线。
如图7所示，显示了本发明在85KHz工作频率下大测得的磁美特材料集成表面的垂直分量磁场分布图。图7是通过将发射线圈连接在Keysight E5071C网络分析仪的Port 1端口，将电能拾取线圈连接至Port 2端口，并在480mm×240mm范围内扫描12×12个格点，经记录透射参数S21进行归一化后测得的结果。由图7可知，在85KHz时，本发明磁场产生装置表面较具有为均匀的垂直分量磁场分布。
以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于磁美特材料的磁场产生装置，其特征在于，包括：
发射线圈，具有金属导线绕制形成单匝方形线圈；以及
磁美特材料集成，包括多个在平面内周期性复制组成的磁美特材料单元；所述磁美特材料单元结构体的尺寸小于其工作波长的1/100，且所述磁美特材料单元的频率调谐范围是1kHz至100MHz；所述磁美特材料集成的形状及尺寸与所述发射线圈相匹配且放置于所述发射线圈之中；各所述磁美特材料单元包括绝缘介质板、金属导线以及集总参数元件，其中，所述金属导线多重绕匝于所述绝缘介质板上，所述集总参数元件与所述金属导线连接并装配于所述绝缘介质板上。
2.根据权利要求1所述的基于磁美特材料的磁场产生装置，其特征在于：所述发射线圈的金属导线头端及尾端焊接有射频同轴连接器。
3.根据权利要求2所述的基于磁美特材料的磁场产生装置，其特征在于：所述发射线圈是是由选自实心铜导线、利兹线或紫铜管的金属导线绕匝形成。
4.根据权利要求1所述的基于磁美特材料的磁场产生装置，其特征在于：
所述磁美特材料单元的绝缘介质板是聚甲基丙烯酸甲酯板；
所述磁美特材料单元的金属导线是是选自实心铜导线、利兹线或紫铜管的金属导线材料；
所述磁美特材料单元的集总参数元件是金属化聚酯膜电容。
5.根据权利要求4所述的基于磁美特材料的磁场产生装置，其特征在于：所述磁美特材料单元的绝缘介质板的侧面上绕设有79匝的所述金属导线，所述金属导线顺时针方向绕线且其头端及尾端与所述集总参数元件焊接。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的基于磁美特材料的磁场产生装置，其特征在于：
所述磁美特材料集成具有八个所述磁美特材料单元，所述八个磁美特材料单元紧凑拼装组成2×4的长方形阵列。
7.根据权利要求6所述的基于磁美特材料的磁场产生装置，其特征在于：
所述发射线圈的包围区域的长度为480mm、宽度为240mm；
所述磁美特材料集成的长度为480mm、宽度为240mm、厚度为31mm。
8.一种无线电能传输系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1至7中任一权利要求所述的基于磁美特材料的磁场产生装置以及电能拾取线圈，所述电能拾取线圈具有金属导线绕制形成圆形线圈，所述电能拾取线圈与所述发射线圈相对应地设于所述发射线圈一侧。
9.根据权利要求8所述的基于磁美特材料的磁场产生装置，其特征在于：所述电能拾取线圈是每股截面直径0.1mm共50股的利兹线绕匝形成。
10.根据权利要求8或9所述的基于磁美特材料的磁场产生装置，其特征在于：所述电能拾取线圈是直径为40mm的圆形线圈。
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