CN108281266B - 低频磁美特材料单元结构体及其组合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低频磁美特材料单元结构体及其组合装置，通过采用金属导线多重绕匝并与集总参数电子元件相结合的工艺，所述磁美特材料单元结构体成形为深亚波长尺度，使磁美特材料单元结构体通过加载所述集总参数电子元件调谐频率，以及通过具有等效磁导率的所述金属导线谐振所述磁美特材料单元结构体；解决了现有的美特材料应用时所能支持功率级别不高的技术问题，实现将磁美特材料应用于一百瓦以上大功率且低频的无线电能传输的目的。

Description

低频磁美特材料单元结构体及其组合装置

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体来说涉及用于大功率无线电能传输的低频磁美特材料单元结构体及其组合装置。

背景技术

近些年来，无线电能传输的技术在便携式移动设备、电动汽车等领域得到了不断发展和推广。然而，在此过程中碰到的一些实际问题需要更为精确地调控电磁近场。例如，智能手机无线充电过程中需要提供稳定、均匀性强的大面积磁场，以提高能量传输效率。

在这方面，传统的铜导线绕制的线圈还存在一些问题：一方面，虽然市场上绕制多匝线圈的工艺已十分成熟，但是线圈结构比较简单，线圈产生的磁场往往分布不均匀，如果发射线圈和接收线圈没有严格对准，充电效率非常低；另一方面，自然界中存在的可在低频段(一般是1MHz以下)工作的磁性材料非常少，电磁参数的可用范围相对较小。因此，急需引入易于小型化、电磁场调控手段丰富的新型电磁材料。

值得注意的是，美特材料指一类具有天然材料所不具备的物理性质的人工电磁微结构材料，其具有亚波长特征，所述亚波长特征是指材料尺寸一般小于电磁波真空波长的1/1000。美特材料在电磁波的发射与接收、存储与调控等方面可以实现常规材料所不能实现的功能，例如，可以实现人工设计的负的相对磁导率。此外，美特材料负的磁响应可以带来独特的磁场近场调控特性，例如，美国杜克大学的D.R.Smith教授即利用了完美透镜成像的现象来实现无线电能传输过程中的磁场近场放大，使得传输效率提高了将近3倍。

然而，目前美特材料的制备大多基于印刷电路板工艺，其应用主要还在兆赫兹频段，支持的功率级别不高。例如，当前的印刷电路(PCB)加工技术制备的兆赫兹(MHz)美特材料，难以承受220V高电压以及5A以上的大电流。再者，在大功率(100瓦以上)低频支持无线电能传输的美特材料的设计与制备方面，目前还处于空白阶段，有待进一步开发。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提供一种低频磁美特材料单元结构体及其组合装置，通过采用金属导线多重绕匝并与集总参数电子元件相结合的工艺，解决了现有的美特材料应用时所能支持功率级别不高的技术问题，实现将磁美特材料应用于一百瓦以上大功率且低频的无线电能传输的目的。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种低频磁美特材料单元结构体，其包括绝缘介质板以及支持瓦级以上功率的金属导线和集总参数电子元件，所述磁美特材料单元结构体成形为深亚波长尺度；其中：所述金属导线，多重绕匝于所述绝缘介质板上；所述集总参数电子元件，与所述金属导线连接并装配于所述绝缘介质板上；所述磁美特材料单元结构体通过加载所述集总参数电子元件调谐频率，以及通过具有等效磁导率的所述金属导线谐振所述磁美特材料单元结构体。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述磁美特材料单元结构体的频率调谐范围是1kHz至100MHz。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述磁美特材料单元结构体的等效磁导率调谐范围是-100至100。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述磁美特材料单元结构体的等效磁导率具有小于1的特殊响应。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述绝缘介质板是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述金属导线选自实心铜导线、利兹线或紫铜管。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述集总参数电子元件与所述金属导线的首尾端焊接以装配于所述绝缘介质板上。所述集总参数电子元件是金属化聚酯膜电容。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述金属导线及所述集总参数电子元件为支持100瓦以上功率以上的元件。

本发明另提供一种低频磁美特材料单元结构体组合装置，其包括多个前述低频磁美特材料单元结构体。

本发明低频磁美特材料单元结构体组合装置的实施例中，所述磁美特材料单元结构体在二维平面或三维空间内以周期性复制排列或者按特定空间分布函数排列形成所述磁美特材料单元结构体组合装置，所述磁美特材料单元结构体组合装置为具有等效磁导率均匀或梯度分布的等效连续磁介质。

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)本发明通过采用金属导线多重绕匝并与集总参数电子元件相结合的工艺，达到提供一种可用于一百瓦以上大功率无线电能传输的低频磁美特材料。

(2)本发明磁美特材料单元通过前述技术方案，能够使材料单元的等效磁导率在所设计的频率范围内具有小于1的特殊响应。

(3)本发明磁美特材料单元具有深亚波长特征，通过使材料单元尺寸小于电磁波真空波长的1/1000，有利于实现本发明磁美特材料单元在小型化的无线电能传输系统的应用。

(4)本发明磁美特材料单元通过前述技术方案，使磁美特材料单元的频率与等效磁导率可以进行人工调谐，且调谐的范围宽。

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是本发明低频磁美特材料单元结构体的绝缘介质板平面结构示意图。

图2是本发明低频磁美特材料单元结构体的绝缘介质板侧视结构示意图。

图3是本发明低频磁美特材料单元结构体的绝缘介质板上设有金属导线的平面结构示意图。

图4是本发明低频磁美特材料单元结构体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单元结构体组合装置的平面结构示意图。

图6是本发明磁美特材料单元结构体组合装置的侧视结构示意图。

图7是本发明磁美特材料单元结构体组合装置应用于85KHz工作频率下大功率电动汽车无线电能传输实施例的等效磁导率的实部与虚部与频率变化图。

附图标记与部件的对应关系如下：

绝缘介质板10；底板11；顶板12；立壁13；折板131；底部开口14；顶部开口15；矩形开口16；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。

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。

请参阅图1至图6所示，本发明提供了一种低频磁美特材料单元结构体及其组合装置；其中，所述低频磁美特材料单元结构体组合装置200是由多个低频磁美特材料单元结构体100组合构成。本发明的磁美特材料单元结构体100包括如绝缘介质板10以及能够支持瓦级以上大功率电压和低频电流的金属导线20与集总参数电子元件(图未示)。其中，所述金属导线20与集总参数电子元件较佳为能够支持100瓦以上功率者。

本发明磁美特材料单元结构体100成形为深亚波长尺度，具有小于电磁波真空波长的1/1000的单元尺寸，从而实现具有深亚波长特征之特性。所述磁美特材料单元结构体100为多重绕匝结构，并可通过加载集总参数电子元件实现磁美特材料单元结构体100的频率调谐，以及通过加载等效磁导率的金属导线20实现所述磁美特材料单元结构体100的谐振；其中，本发明磁美特材料的等效磁导率在所设计的频率范围内具有小于1的特殊响应。

如图1、图2所示，显示了本发明低频磁美特材料单元结构体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，本发明低频磁美特材料单元结构体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结构体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，显示了本发明低频磁美特材料单元结构体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结构体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。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结构体100选自可耐220V以上高电压的集总参数电子元件，所述集总参数电子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)。所述集总参数电子元件具体可以是金属化聚酯膜电容，其规格可为3.6nF/1000V。

本发明通过改变所述金属导线20的总长度、匝数等几何参数，以及加载的集总参数电子元件的参数值，以获得频率与等效磁导率可调谐的磁美特材料单元结构体100。于本发明实施例中，本发明磁美特材料单元结构体100的频率调谐范围可以是但不限于1kHz至100MHz的范围内；本发明磁美特材料单元的等效磁导率调谐范围可以是但不限于-100至100的范围内。

进一步地，于本发明实施例中，具体可通过电磁等效参数反演方法实现本发明磁美特材料单元的频率与等效磁导率的调谐。

应被理解的是，本发明磁美特材料单元采用的金属导线20与集总参数电子元件可以根据具体功率级别及其实际应用场景进行选择，前述实施例仅用于说明本发明磁美特材料单元的其中几种特定应用场景，不应用于限定本发明磁美特材料单元。

经由将多个本发明的磁美特材料单元结构体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。

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1：一种磁美特材料单元结构体。

一种可用于85KHz工作频率下大功率电动汽车无线电能传输的磁美特材料单元结构体，其是由有机玻璃板(绝缘介质板10)、利兹线(金属导线20)和电容(集总参数电子元件)组成。

所述磁美特材料单元结构体的制备主要步骤包括：

采用所述利兹线在所述有机玻璃板侧面进行多重密绕，绕制79匝，再于所述利兹线的首尾端焊接电容。

其中，本发明磁美特材料单元结构体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2：一种由实施例1的磁美特材料单元结构体组成的磁美特材料单元结构体组合装置。

一种可用于85KHz工作频率下大功率电动汽车无线电能传输的低频磁美特整体材料。如图5、图6，显示由25个实施例1的磁美特材料单元结构体，在二维平面上进行周期性复制形成的5×5阵列的低频磁美特材料单元结构体组合装置；其中，所述低频磁美特材料单元结构体组合装置的总长度、总宽度均为600mm，总厚度为31mm。

如图7所示，显示了本发明低频磁美特材料单元结构体组合装置测得的有效磁导率随频率的变化情况。由图7可知，实验频率范围为60KHz至90KHz。于本发明实施例中，发射线圈和接收线圈为25号(直径为2.5mm)的铜丝绕制的单匝正方形线圈，边长为600mm，两线圈之间的距离为50mm，磁美特材料加载在发射线圈上。

如图7显示，当频率为85KHz左右时，即在电动汽车工作频率下，有效磁导率的值实部为-1，虚部为3％左右。

本发明适用于实现本发明的目的并且获得如上所述的优点及其固有的优点。虽然本发明已通过参照提出的特定实施方案而予描述、说明和界定，但是如此提出的参考并不暗示着限制本发明，亦不推测有此种限制。本发明所描述的实施方案只是示例性的，而不能涵盖整个发明的内容。因此，充分考虑所有方面的对等物，本发明仅受所附权利要求的精神和范围的限制。

Claims (8)

1.一种低频磁美特材料单元结构体，其特征在于，包括绝缘介质板以及支持瓦级以上功率的金属导线和集总参数电子元件，所述磁美特材料单元结构体成形为深亚波长尺度；其中：

所述绝缘介质板包括相对设置且皆成形为正方形板的底板及顶板，所述底板与所述顶板之间设有立壁连接，所述立壁是由四个平面形状呈L形的折板围立构成；

所述金属导线，为利兹线，所述利兹线服贴地多重绕匝于所述立壁的外面上；

所述集总参数电子元件，与所述金属导线连接并装配于所述绝缘介质板上；所述集总参数电子元件是金属化聚酯膜电容；

所述磁美特材料单元结构体通过加载所述集总参数电子元件调谐频率，以及通过具有等效磁导率的所述金属导线谐振所述磁美特材料单元结构体。

2.根据权利要求1所述的低频磁美特材料单元结构体，其特征在于：

所述磁美特材料单元结构体的频率调谐范围是1kHz至100MHz。

3.根据权利要求1所述的低频磁美特材料单元结构体，其特征在于：

所述磁美特材料单元结构体的等效磁导率调谐范围是-100至100。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的低频磁美特材料单元结构体，其特征在于：

所述磁美特材料单元结构体的等效磁导率具有小于1的特殊响应。

5.根据权利要求4所述的低频磁美特材料单元结构体，其特征在于：

所述绝缘介质板是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板。

6.根据权利要求4所述的低频磁美特材料单元结构体，其特征在于：

所述集总参数电子元件与所述金属导线的首尾端焊接以装配于所述绝缘介质板上。

7.一种低频磁美特材料单元结构体组合装置，其特征在于，所述组合装置包括多个根据权利要求1至6中任一权利要求所述低频磁美特材料单元结构体。

8.根据权利要求7所述的低频磁美特材料单元结构体组合装置，其特征在于：

所述磁美特材料单元结构体在二维平面或三维空间内以周期性复制排列或者按特定空间分布函数排列形成所述磁美特材料单元结构体组合装置，所述磁美特材料单元结构体组合装置为具有等效磁导率均匀或梯度分布的等效连续磁介质。

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