CN109038840A - 一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种无线电能传输系统，公开了一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，包括人工磁导体、非谐振激励线圈和非谐振接收线圈，人工磁导体的上方依次设有非谐振激励线圈和非谐振接收线圈，非谐振激励线圈和非谐振接收线圈通过近磁场耦合进行无线能量传输；人工磁导体由贴片电容、方形铜贴片、镀铜孔、介质板以及底铜组成，相邻的两个方形铜贴片的间隙上加载贴片电容，底铜与方形铜贴片之间铺设有介质板。本发明多个模式，这些模式对应无线电能传输整个系统的多个工作频率。从而无线电能传输系统可以有多个高效率的工作频率。多工作频率意味着无线电能传输系统可以多频工作，调频工作。

Description

一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及到一种无线电能传输系统，特别涉及一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统。

背景技术

近年来，无线传输信息的通讯业发展迅速，移动通讯可以直接无线传输大量的数据供我们使用电脑，智能设备。在已有信息通讯技术、计算机技术、互联网技术和大数据应用的基础上，物联网和人工智能将成为今后很有潜力的应用。而物联网和人工智能离不开能源供应，而物联网和人工智能对供电的便捷性提出更高的要求。我们需要的物联网和人工智能不是设备自己拿着插头去充电，还要我们去等待或多备份设备，理想的状态是他们可以及时的不受空间限制的补充能源。要实现及时无空间限制的能量补充，无线电能传输无疑是一种实用合适的解决方法。相比于传统的电线供能方式，无线电能传输有很多优势。其优势主要为便捷性、供电能力的扩展性、某些方面独有的安全性。关于便捷性，这个最为明显，用电设备不受电线长短数量、电池容量和电池充电时间等时空上的束缚，自然会灵活便捷很多。关于供电能力的扩展性，用传统方式供电成本太大、不方便或有困难，而通过无线供电可以很好的解决。如医学电子治疗设备的植入和大数量分布式无线传感微器件，关于安全性，主要体现在可以避免裸露在外的电线和接口在通电时产生电火花。

无线能量传输有多种方式，以无线传播媒质主要分为磁场耦合式、电场耦合式、电磁波耦合式、机械波耦合式。电场耦合式和磁场耦合式主要用于近距离无线电能传输，一般同样强度的场强，磁场比电场安全很多，且非辐射场比辐射场安全，故磁场耦合式无线电能传输相关内容甚广。电磁波耦合式，有微波、激光等多种无线传能方式，主要应用于远距离无线电能传输。机械波耦合式无线电能传输主要用于前三种方式不太合适的无线电能传输情况。如今磁谐振耦合式无线电能传输是最具应用价值的无线电能传输技术。无线电能传输技术的应用从大的方面要考虑到传输效率、传输距离、传输功率、安全隐患、成本等多方面的因素。而对于具体的应用细节则需要更多的技术支持。如无线电能可以传输后确实方便了，但还要考虑能源归属及能源使用权限的问题。再如，有很多谐振条件下的磁耦合式无线电能传输，则需要考虑工作环境的物体不应有金属环。尤其当一些意外物体的谐振频率等于无线电能传输系统的频率时，需要相关技术做出防护。以免意外的谐振受损、或浪费能源、或过热造成火灾。

发明内容

发明的目的在于提供一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，本系统有多个模式可以同时工作或切换工作，以应对上述提到的意外谐振物体进入无线供电区域，避免意外损失，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，包括人工磁导体、非谐振激励线圈和非谐振接收线圈，所述人工磁导体的上方依次设有非谐振激励线圈和非谐振接收线圈，非谐振激励线圈和非谐振接收线圈通过近磁场耦合无线能量传输；

所述人工磁导体由贴片电容、方形铜贴片、镀铜孔、介质板以及底铜组成，所述方形铜贴片相互排列贴合成正方形块，相邻的两个所述方形铜贴片的间隙上加载贴片电容，所述方形铜贴片组成的正方形块和底部的底铜之间排列有镀铜孔，所述底铜与方形铜贴片之间铺设有介质板。

进一步地，所述人工磁导体示例结构大小为348mm×348mm，对于具体应用，根据所需求的大小和频段进行调节。

进一步地，所述贴片电容示例中的容值为4.7nf，对于具体应用，根据所需求无线电能传输系统的工作频段选择其他容值的电容。

进一步地，所述方形铜贴片的边长为57mm，相邻两个方形铜贴片之间的缝隙宽度为1mm,铜贴片数量为36个，铜箔厚度为0.035mm。

进一步地，所述镀铜孔的直径为1mm，镀铜厚度为0.0175mm。

进一步地，所述介质板可以为市面上的任意一种介质板，示例所用介质板为F4B250。

进一步地，所述底铜的大小为348mm×348mm，铜箔厚度为0.035mm。

进一步地，所述非谐振激励线圈和非谐振接收线圈均为非谐振圆形金属铜环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，加载有贴片电容的人工磁导体，在非谐振的激励线圈发射近场磁场激励下，人工磁导体的每个谐振单元会产生震荡，然后人工磁导体的这些谐振单元间会相互耦合，耦合后会得到多个模式。这些模式对应无线电能传输整个系统的多个工作频率。本发明的系统可以有多个无线供电模式同时工作，多设备接收可以接入不同的模式进行电能接收，以免多个设备共用一个工作频率时造成的低效率工作，从而无线电能传输系统可以有多个高效率的工作频率，多工作频率意味着无线电能传输系统可以多频工作，调频工作。

2、基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，系统的工作模式有多个谐振模式，对于意外的谐振频率与工作频率相同的物体可以通过，切换系统的工作频率，从而避免意外物体的谐振受损、或浪费能源、或过热造成火灾。

3、基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，本发明只要需要该系统的这些功能，则可以结合到磁耦合式无线电能传输系统的应用中，且其工艺简单。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的人工磁导体的结构示意图；

图3为本发明的人工磁导体的单元结构示意图；

图4为本发明的人工磁导体实物图；

图5为本发明的仿真计算和实验测试得到的特异材料的反射系数图；

图6为本发明的仿真计算和实验测试得到的特异材料的透射系数图；

图7为本发明的不同模式下的AMC表面磁场强度分布仿真图；

图8为本发明的不同模式下的AMC表面磁场强度分布实验图；

图9为本发明的不同模式下的AMC侧面的磁场强度分布仿真图。

图中：1、人工磁导体；11、贴片电容；12、方形铜贴片；13、镀铜孔；14、介质板；15、底铜；2、非谐振激励线圈；3、非谐振接收线圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，包括人工磁导体1、非谐振激励线圈2和非谐振接收线圈3，人工磁导体1的上方依次设有非谐振激励线圈2和非谐振接收线圈3，人工磁导体1在非谐振激励线圈2和非谐振接收线圈3的同一侧，且人工磁导体1与非谐振激励线圈2较近，非谐振激励线圈2和非谐振接收线圈3均为非谐振圆形金属铜环，非谐振激励线圈2和非谐振接收线圈3尺寸相同，环径为150mm，线径为2mm，人工磁导体1示例结构大小为348mm×348mm，对于具体应用，可以根据所需求的大小和频段进行调节，非谐振激励线圈2和非谐振接收线圈3是通过近磁场耦合实现无线能量传输，人工磁导体1的存在同时受到非谐振激励线圈2产生磁场的激发，非谐振线激励线圈2产生的磁场激发人工磁导体1个单元的谐振，可以调控磁近场的分布区域和强度，从而实现多种模式的无线电能传输，人工磁导体每一谐振单元会受到电磁震荡，从而谐振单元间相互耦合，在不同的频率下的耦合结果会得到不同的的磁场分布状况，其中一些频段的磁场分布非常相近，对于这样的频段归属于一个模式，其中无线电能传输系统里所用的工作频率是模式中传输效率对应最高的频率。在此后模式指一频率段时，是指磁场分布非常相近的一个频率段，所诉模式值一个频率值时，则对应在无线电能传输效率最高的的那一工作频率。需要指出在不同场分布对应多个模式，同时对应无线电能传输的不同工作频率，所对应无线电能传输系统的效率不同。

人工磁导体1由贴片电容11、方形铜贴片12、镀铜孔13、介质板14以及底铜15组成，双面覆铜板单面刻蚀得到单面方形周期排列的方形铜贴片12，方形铜贴片12相互排列贴合成正方形块，正方形块与底铜15大小相同，相邻的两个方形铜贴片12的间隙上加载贴片电容11，贴片电容11示例中的容值为4.7nf，对于具体应用，可以根据所需求无线电能传输系统的工作频段选择其他容值的电容，方形铜贴片12的边长为57mm，相邻两个方形铜贴片12之间的缝隙宽度为1mm,铜贴片数量为36个，铜箔厚度为0.035mm，方形铜贴片12组成的正方形块和底部的底铜15之间排列有镀铜孔13，镀铜孔13的直径为1mm，镀铜厚度为0.0175mm，底铜15与方形铜贴片12之间铺设有介质板14，介质板14可以为市面上的任意一种介质板，介电常数无需做特定要求，其功能就是做介质，介电常数的高低并不重要。实际选用以耗费成本低为原则，示例所用介质板为F4B250，介电常数为2.5，底铜15的大小为348mm×348mm，铜箔厚度为0.035mm。

本发明通过cst仿真和实验测试得到的系统的反射曲线和透射曲线，分别如图5和图6所示，仿真和实验的频率范围在20-40MHz。从反射曲线可以看出有5个谷对应5个模式频带。每一个模式选择谷最低值对应的频率为无线电能传输的工作频率时，源端馈入的能量最多。从透射曲线可以看出，馈入能量最多的频率对应的透射系数并不是对应模式中最高的，但总体趋势是反射曲线值低的频率对应的反射系数会大一些，因具体的磁场分布导致最高的透射系数值会有偏差。在具体应用中，每一个模式中透射系数最高的频率为无线电能传输对应模式的工作频率。

本发明每一个无线电能传输模式有多个，由图7、图8和图9可以看出，不同模式下的AMC正面表面场分布各有不同，在同一模式下频段对应的场分布非常接近，不同模式下的场分布差异明显比较大。

本发明每一个无线电能传输模式中对应的频率均是AMC各单元耦合后所的谐振频率。无线电能传输系统工作在这些谐振频率可以很好的提高传输效率，加长传输距离。对于其中每一种模式都可以有效的进行无线电能传输。

综上所述，本发明提出的基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，加载有贴片电容11的人工磁导体1，在非谐振的激励线圈发射近场磁场激励下，人工磁导体1的每个谐振单元会产生震荡。然后人工磁导体1的这些谐振单元间会相互耦合，耦合后会得到多个模式。这些模式对应无线电能传输整个系统的多个工作频率。从而无线电能传输系统可以有多个高效率的工作频率，多工作频率意味着无线电能传输系统可以多频工作，调频工作。本发明的系统可以有多个无线供电模式同时工作，多设备接收可以接入不同的模式进行电能接收，以免多个设备共用一个工作频率是造成的低效率工作。该系统的工作模式有多个谐振模式，对于意外的谐振频率与工作频率相同的物体可以通过，切换系统的工作频率，从而避免意外物体的谐振受损、或浪费能源、或过热造成火灾。只要需要该系统的这些功能，可以结合到磁耦合式无线电能传输系统的应用中，工艺简单，成本低廉。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，包括人工磁导体(1)、非谐振激励线圈(2)和非谐振接收线圈(3)，其特征在于，所述人工磁导体(1)的上方依次设有非谐振激励线圈(2)和非谐振接收线圈(3)，非谐振激励线圈(2)和非谐振接收线圈(3)通过近磁场耦合进行无线能量传输；

所述人工磁导体(1)由贴片电容(11)、方形铜贴片(12)、镀铜孔(13)、介质板(14)以及底铜(15)组成，所述方形铜贴片(12)相互排列贴合成正方形块，相邻的两个所述方形铜贴片(12)的间隙上加载贴片电容(11)，所述方形铜贴片(12)组成的正方形块和底部的底铜(15)之间排列有镀铜孔(13)，所述底铜(15)与方形铜贴片(12)之间铺设有介质板(14)。

2.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，其特征在于，所述人工磁导体(1)示例结构大小为348mm×348mm，对于具体应用，根据所需求的大小和频段进行调节。

3.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，其特征在于，所述贴片电容(11)示例中的容值为4.7nf，对于具体应用，根据所需求无线电能传输系统的工作频段选择其他容值的电容。

4.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，其特征在于，所述方形铜贴片(12)的边长为57mm，相邻两个方形铜贴片(12)之间的缝隙宽度为1mm,铜贴片数量为36个，铜箔厚度为0.035mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，其特征在于，所述镀铜孔(13)的直径为1mm，镀铜厚度为0.0175mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，其特征在于，所述介质板(14)可以为市面上的任意一种介质板，示例所用介质板为F4B250。

7.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，其特征在于，所述底铜(15)的大小为348mm×348mm，铜箔厚度为0.035mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的多模式可调频无线电能传输系统，其特征在于，所述非谐振激励线圈(2)和非谐振接收线圈(3)均为非谐振圆形金属铜环。