CN108599391A - 一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置 - Google Patents

一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置，包括同轴设置的驱动线圈、发射线圈、负载线圈、接收线圈以及屏蔽结构；屏蔽结构的材料为近零磁导率超材料；发射线圈和接收线圈的谐振频率均与屏蔽结构中超材料的磁导率为0时的工作频率相同；由于电磁耦合及谐振耦合，驱动线圈中产生的交变磁场最终传输至负载线圈；屏蔽结构的两个面或多个面以发射线圈和接收线圈之间的能量传输通道为中心轴对称设置；交变磁场入射到屏蔽结构的面时，会发生偏折，使得接收线圈接收到的磁场较多，并且传输通道外的磁场减弱，从而屏蔽传输通道外的磁场。本发明能够有效抑制能量传输过程中的电磁干扰和电磁辐射并提高能量传输的效率。

Description

一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置
技术领域
本发明属于电磁屏蔽领域，更具体地，涉及一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置。
背景技术
相对于接触式充电方式，无线电能传输技术在便利性及安全性方面都有着明显的优势，因而得到了广泛的应用。近年来，无线电技术被广泛应用于便携式电子设备、人体植入仪器、家用电器等商业化应用，但无线传输线圈的电磁耦合产生的电磁辐射对人类和环境都产生了不利影响。同时，较强的电磁辐射使得无线输电设备无法正常工作。
解决电磁辐射对人类和环境的影响问题是各国关注的焦点。目前，广泛使用的屏蔽材料为金属和高磁导率铁磁性材料，对于高频电磁波，金属有很好的电磁屏蔽效果，但金属材料上产生感应涡流，同时会产生大量热量，从而破坏了金属的屏蔽效果。虽然铁磁性材料能通过引导磁场达到屏蔽效果，但是其工作时，无法避免地会产生滞后损耗。尽管上述两种材料具备一定的电磁屏蔽效能，但在保护人类电磁辐射危害的同时，也屏蔽了其它所需要的频率。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置，旨在有效抑制能量传输过程中的电磁干扰和电磁辐射并提高能量传输的效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置，包括同轴设置的驱动线圈、发射线圈、负载线圈、接收线圈以及屏蔽结构；屏蔽结构的材料为近零磁导率超材料，且超材料的磁导率为0时屏蔽结构的工作频率为f0；发射线圈和接收线圈的谐振频率均为f0；驱动线圈外接一个工作频率为f0的射频电源，用于产生高频的第一交变磁场；发射线圈与驱动线圈形成电磁耦合，使得第一交变磁场转移至发射线圈，激发发射线圈产生第二交变磁场；接收线圈和发射线圈形成谐振耦合，两个线圈之间形成一条能量传输通道，使得第二交变磁场传输至接收线圈，激发接收线圈产生第三交变磁场，从而实现能量的传输；负载线圈与接收线圈形成电磁耦合，使得第三交变磁场转移至负载线圈，从而实现磁能到电能的转换；屏蔽结构包含两个面或多个面，且两个面或多个面以能量传输通道为中心轴线对称设置；屏蔽结构用于使得第二交变磁场在传输的过程中发生偏折，从而传输到能量传输通道之外的磁场减弱，接收线圈接收到的磁场增多，进而能量传输效率增大。
进一步地，构成屏蔽结构的近零磁导率超材料由多个阵列排布的超材料单元构成；超材料单元包括：介质基板、谐振电容以及附着于介质基板上的谐振结构；谐振电容位于介质基板的背面，并与谐振结构相连；谐振结构为方形开口谐振环金属线圈并用金属线连接。
进一步地，屏蔽结构的每一个面与能量传输通道的距离设定使得无线输电装置的传输效率最大同时屏蔽效果最好。
进一步地，谐振电容为高压直插CBB电容；高压直插CBB电容的绝缘阻抗高，因而抗压和耐流能力强，且介质损耗小，能够减小超材料自身的损耗。
进一步地，谐振电容的大小、谐振结构中金属线圈的宽度以及谐振结构中金属线圈的线间距的设定使得屏蔽结构中超材料的磁导率为0。
进一步地，FR-4介质板具有较高的机械性能，较好的耐热性和耐潮性，并有良好的机械加工性；介质基板为FR-4介质板，且其厚度为2mm，以便于精确调节屏蔽结构的工作频率，使得屏蔽结构中超材料的磁导率为0。
进一步地，谐振结构中，金属线圈和金属线的材料均为铜，使得构成屏蔽结构的超材料可采用PCB板印刷技术加工而成，从而利用PCB板印刷技术加工精度高、成本低的优势，能够小批量生产，且便于超材料单元的组装，从而实现超材料的产业化。
进一步地，负载线圈与驱动线圈均为单匝铜线圈，且发射线圈和接收线圈均为螺旋绕制的铜线圈。
通过设定谐振电容的大小、谐振结构中金属线圈的宽度以及谐振结构中金属线圈的线间距调节屏蔽结构的工作频率，使得屏蔽结构中超材料的磁导率为0；工作时，外接的射频电源使得驱动线圈产生高频的第一交变磁场，第一交变磁场经磁场耦合转移至发射线圈，激发发射线圈产生第二交变磁场；第二交变磁场经发射线圈和接收线圈之间形成的能量传输通道传输，当磁场入射到屏蔽结构的面时，由于近零磁导率超材料的屏蔽作用，磁场会发生偏折，使得接收线圈接收到的磁场较多，能量传输效率增大，并且传输通道外的磁场减弱，从而屏蔽传输通道外的磁场，同时增强传输效率；第二交变磁场经能量传输通道传输至接收线圈后，在接收线圈中产生第三交变磁场，第三交变磁场进一步以电磁耦合的形式转移到负载线圈，从而完成了从磁能到电能的转换，实现了电能的无线传输。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的基于近零磁导率超材料的无线输电装置，包括由近零磁导率超材料构成的屏蔽结构，且屏蔽结构的两个面或多个面以发射线圈和接收线圈之间的能量传输通道为中心轴线对称设置，当发射线圈产生的交变磁场入射到屏蔽结构的面时会发生偏折，使得接收线圈接收到更多的磁场，并且削弱传输通道外的磁场，从而最大程度地消除谐振系统电磁场泄露对人类和环境的影响，改善整个系统电磁兼容性。
(2)本发明提供的基于近零磁导率超材料的无线输电装置，其屏蔽结构由近零磁导率超材料构成，尺寸可调且质量轻，并且在屏蔽无线输电系统特定工作频率的磁场的同时，其他频段的电磁波可不受干扰地通过，因而能有效提升线圈的传输效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于近零磁导率超材料的无线输电装置结构示意图；
图2为TE模式的电磁波射入到超材料的分析模型；
图3为超材料的工作原理图；(a)为未加载近零磁导率超材料时磁场的传输示意图；(b)为加载近零磁导率超材料时磁场的传输示意图；
图4为本发明实施例提供的装置中发射线圈和接收线圈距离为40cm，加载和未加载超材料的传输效率随传输距离的变化的关系图；
图5为本发明实施例提供的装置的测试点的示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为驱动线圈，2为发射线圈，3为负载线圈，4为接收线圈，5为屏蔽结构，51为介质基板，52为谐振结构，53为谐振电容。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明所提供的基于近零磁导率超材料的无线输电装置，如图1所示，包括包括同轴设置的驱动线圈1、发射线圈2、负载线圈3、接收线圈4以及屏蔽结构5；
屏蔽结构5的材料为近零磁导率超材料，且超材料磁导率为0时对应的频率为13.56MHz；驱动线圈1、发射线圈2、负载线圈3以及接收线圈4彼此分离、结构对称，负载线圈3与驱动线圈1均为单匝铜线圈，且发射线圈2和接收线圈4均为螺旋绕制的铜线圈；发射线圈2和接收线圈4的谐振频率均为13.56MHz；
驱动线圈1外接一个工作频率为13.56MHz的射频电源，用于产生高频的第一交变磁场；发射线圈2与驱动线圈1形成电磁耦合，使得第一交变磁场转移至发射线圈2，激发发射线圈2产生第二交变磁场；接收线圈4和发射线圈2形成谐振耦合，两个线圈之间形成一条能量传输通道，使得第二交变磁场传输至接收线圈4，激发接收线圈4产生第三交变磁场，从而实现能量的传输；负载线圈3与接收线圈4形成电磁耦合，使得第三交变磁场转移至负载线圈3，从而实现磁能到电能的转换；屏蔽结构5包含两个面，且两个面以能量传输通道为中心轴线对称设置；屏蔽结构5用于使得第二交变磁场在传输的过程中发生偏折，从而传输到能量传输通道之外的磁场减弱，接收线圈接收到的磁场增多，进而能量传输效率增大。
构成屏蔽结构5的近零磁导率超材料由多个阵列排布的超材料单元构成；超材料单元包括：介质基板51、谐振电容53以及附着于介质基板51上的谐振结构52；介质基板51为FR-4介质板，且其厚度为2mm，以便于精确调节屏蔽材料5的工作频率，使得屏蔽结构中超材料的磁导率为0；FR-4介质板具有较高的机械性能，较好的耐热性和耐潮性，并有良好的机械加工性；谐振电容53为高压直插CBB电容，其位于介质基板51的背面，且大小为120pf，并与谐振结构52相连；高压直插CBB电容的绝缘阻抗高，因而抗压和耐流能力强，且介质损耗小，能够减小超材料自身的损耗；谐振结构52为方形开口谐振环金属线圈并用金属线连接，开口宽度为10mm，金属线圈的宽度为4mm且金属线圈的线间距为2mm；上述设置，使得构成屏蔽结构5的工作频率为13.56MHz，从而其超材料的磁导率为零；谐振结构52中，金属线圈和金属线的材料均为铜，使得构成屏蔽结构的超材料可采用PCB板印刷技术加工而成，从而利用PCB板印刷技术加工精度高、成本低的优势，能够小批量生产，且便于超材料单元的组装，从而实现超材料的产业化。
屏蔽结构5的每一个面与能量传输通道的距离越小，其屏蔽效果越好，但由于耦合等影响，传输效率反而可能下降；在本实施例中，屏蔽结构5的每一个面与能量传输通道的距离设定使得无线输电装置的传输效率最大同时屏蔽效果最好。
当发射线圈产生的磁场入射到近零磁导率的超材料后，超材料能够改变磁场的方向，使得磁场线会发生反射，少部分磁场透射，实现对磁场的调控作用，对传输通道外的磁场具有很好的屏蔽作用，并且能够提升无线电能的传输效率。因此在无线输电系统中加载近零磁导率的超材料可以屏蔽系统传输通道外的电磁辐射，最大程度地消除谐振系统电磁场泄露对人类和环境的影响，改善整个系统电磁兼容性。
如图2所示，以平面波为例探究电磁波和近零磁导率超材料的作用。TE模式极化波，模型中有三个分量：x方向的磁场Hx、y方向的磁场Hy以及z方向的电场Ez。
入射波透射系数和反射系数为：
其中，kx为自由空间中x方向的波数，ky为自由空间中y方向的波数，d为超材料的厚度,q是超材料内部x方向的波数，μx为超材料在x方向的等效磁导率，μy为超材料在y方向的等效磁导率；q的表达式为：
其中，k0为自由空间的入射波的波数，εx为超材料在x方向的介电常数；假定等效磁导率μx＝Im(μx)，其中Im(μx)为等效磁导率的虚部，μy＝εx＝1，则加入和未加入近零磁导率的超材料的透射系数之比为：
其中T为透射过超材料的传输系数，Tv为自由空间的传输系数；
根据公式(3)中可以看出，当磁场垂直入射或者近似垂直入射到近零磁导率的超材料时，大部分透射过超材料，当存在一定入射角的磁场入射到近零磁导率的超材料时，超过最小入射角时，透射系数可以忽略不计。最小入射角根据如下公式计算：
其中，θmin为入射波与x轴的夹角。
如图3所示为超材料的工作原理图，当发射线圈产生的磁场以电磁辐射的形式传输到接收线圈，如果未加载近零磁导率超材料，磁场会向外发散出去，如图3(a)所示；相反，如果将近零磁导率的超材料加载到线圈两侧，当磁场入射到近零磁导率超材料时，磁场会发生偏转，从而减弱线圈两侧的磁场，进而减少电磁辐射，并且提升了线圈之间的耦合系数，如图3(b)所示。
在图1所示的基于近零磁导率超材料的无线输电装置中，发射线圈2和接收线圈4之间的传输距离为40cm，将两块近零磁导率的超材料放置在发射线圈2和接收线圈4两侧，构成一个屏蔽空间。用HFSS仿真软件对近零磁导率的超材料无线输电系统进行仿真，通过磁场分布可以看出，加载近零磁导率的超材料的无线输电系统比未加载近零磁导率的超材料的传输通道外的磁场减弱。进一步对本发明所提供的基于近零磁导率超材料的无线输电装置进行了实验测试。线圈的实验尺寸和仿真尺寸一致，采用阻抗分析仪测得线圈的电磁参数，发射线圈和接收线圈电感值为3.62uH(3.61uH)，电阻值为0.6Ω(0.57Ω)，将超材料放置在线圈的两侧，并测量了不同距离的传输效率，传输效率变化规律如图4所示，可以看出，加载近零磁导率的超材料后无线输电系统在传输距离为30～50cm时，传输效率明显提升，但是在近距离20cm效率有一定下降，说明在近距离时会影响线圈之间的耦合，由此可知，近零磁导率的超材料放在线圈两侧能够提升无线输电系统的传输效率。
在图1所示的基于近零磁导率超材料的无线输电装置中，利用电磁辐射分析仪测试了A，B，C三个点的磁场强度，测试位置如5所示。固定发射线圈2和接收线圈4的距离为40cm，未加载超材料板和加载超材料板的无线传输系统的磁场强度如表1所示：
表1
综合近零磁导率超材料的理论分析、仿真模拟和实验验证，可证明近零磁导率超材料因能够改变磁场的方向，实现对磁场的调控作用，即能有效的屏蔽传输通道外的磁场，解决电磁辐射对人类和环境的影响问题。
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 (7)

1.一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置，其特征在于，包括同轴设置的驱动线圈(1)、发射线圈(2)、负载线圈(3)、接收线圈(4)以及屏蔽结构(5)；
所述屏蔽结构(5)的材料为近零磁导率超材料，且所述超材料的磁导率为0时所述屏蔽结构(5)的工作频率为f0；所述发射线圈(2)和所述接收线圈(4)的谐振频率均为f0；
所述驱动线圈(1)外接一个工作频率为f0的射频电源，用于产生高频的第一交变磁场；所述发射线圈(2)与所述驱动线圈(1)形成电磁耦合，使得所述第一交变磁场转移至所述发射线圈(2)，激发所述发射线圈(2)产生第二交变磁场；所述接收线圈(4)和所述发射线圈(2)形成谐振耦合，两个线圈之间形成一条能量传输通道，使得所述第二交变磁场传输至所述接收线圈(4)，激发所述接收线圈(4)产生第三交变磁场，从而实现能量的传输；所述负载线圈(3)与所述接收线圈(4)形成电磁耦合，使得所述第三交变磁场转移至所述负载线圈(3)，从而实现磁能到电能的转换；
所述屏蔽结构(5)包含两个面或多个面，且所述两个面或多个面以所述能量传输通道为中心轴线对称设置；所述屏蔽结构(5)用于使得所述第二交变磁场在传输的过程中发生偏折，从而传输到所述能量传输通道之外的磁场减弱，所述接收线圈(4)接收到的磁场增多，进而能量传输效率增大。
2.如权利要求1所述的基于近零磁导率超材料的无线输电装置，其特征在于，构成所述屏蔽结构(5)的近零磁导率超材料由多个阵列排布的超材料单元构成；所述超材料单元包括：介质基板(51)、谐振电容(53)以及附着于所述介质基板(51)上的谐振结构(52)；所述谐振电容(53)位于所述介质基板(51)的背面，并与所述谐振结构(52)相连；所述谐振结构(52)为方形开口谐振环金属线圈并用金属线连接。
3.如权利要求1或2所述的基于近零磁导率超材料的无线输电装置，其特征在于，所述屏蔽结构的每一个面与所述能量传输通道的距离设定使得所述无线输电装置的传输效率最大同时屏蔽效果最好。
4.如权利要求2所述的基于近零磁导率超材料的无线输电装置，其特征在于，所述谐振电容(53)为高压直插CBB电容。
5.如权利要求2所述的基于近零磁导率超材料的无线输电装置，其特征在于，所述谐振电容(53)的大小、所述谐振结构(52)中金属线圈的宽度以及所述谐振结构(52)中金属线圈的线间距的设定使得所述屏蔽结构(5)中超材料的磁导率为0。
6.如权利要求2所述的基于近零磁导率超材料的无线输电装置，其特征在于，所述介质基板(51)为FR-4介质板，且其厚度为2mm，以便于精确调节所述屏蔽结构(5)的工作频率，使得所述屏蔽结构中超材料的磁导率为0。
7.如权利要求2所述的基于近零磁导率超材料的无线输电装置，其特征在于，所述谐振结构(52)中，金属线圈和金属线的材料均为铜。
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