CN109038867A - 基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，应用于包括发射装置和接收装置的无线电能传输系统，属于无线电能传输性能领域，它包括负磁导率超材料和近零磁导率超材料，其中，负磁导率超材料放置于发射装置和接收装置之间；近零磁导率超材料有两个，分别放置于发射装置的前面和接收装置的后面，用于接收入射的泄露的磁场，并使磁力线发生反射。本发明装置能够可在有效降低无线电能传输系统的磁场泄露的同时，提升系统的传输效率，且易于实施、成本较低。

Description

基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置
技术领域
本发明属于无线电能传输性能领域，更具体地，涉及一种基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置。
背景技术
随着人类社会现代化与电气化程度不断加深，无线电能传输技术为克服“有线”传输过程中的缺点提供了新的思路，它的引入使得电能的生产和使用途径更加宽广、方式更加多样化。
近年来，除了在电力工业中的应用，无线电能传输技术在交通运输、医疗电子设备、消费电子设备、空间太阳能卫星等领域应用前景广阔，但是该技术仍存在技术瓶颈问题。一方面，由于发射、接收线圈本身拓扑结构的限制，其产生的空间磁场衰减过快、分布不均匀，从而导致传输距离短，效率低；另一方面，无线电能传输技术在传输过程中电磁泄露严重，从而对人体造成伤害，对其它工作器件产生电磁干扰等问题。
为了尽可能提升系统的传输效率，增大线圈的品质因子是一个普遍手段，但是其也增大了线圈的体积，降低了无线电能传输的实用性。同时电磁泄露问题也成为各国关注的焦点。目前，广泛使用的屏蔽材料为金属和高磁导率铁磁性材料，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，且金属具有质量重、感应涡流会产生大量热量从而降低屏蔽性能，而且铁氧体体积大、价格高、易碎等不足。
因此，如何在不增大系统体积、质量等情况下，同时提升无线电能传输的效率和对电磁泄露的屏蔽性能，成为本领域的技术难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，其目的在于有效提升无线电能传输系统的效率，改善输电过程的电磁安全性，由此解决无线电能传输的效率低和电磁泄露严重的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案。
基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，应用于包括发射装置和接收装置的无线电能传输系统，其特征在于，包括负磁导率超材料和近零磁导率超材料，其中，
所述负磁导率超材料放置于所述发射装置和所述接收装置之间；
所述近零磁导率超材料有两个，分别放置于所述发射装置的前面和所述接收装置的后面，用于接收入射的泄露的磁场，并使磁力线发生反射；
所述负磁导率超材料和所述近零磁导率超材料的等效磁导率在所述无线电能传输系统的谐振频率处分别为-1和0，且所述近零磁导率超材料的工作频率与所述无线电能传输系统的谐振频率相同。
优选地，所述负磁导率超材料用于接收所述发射装置产生的交变磁场，并使发散的交变磁场重新聚焦到所述接收装置上，使所述接收装置处耦合磁场强度增加。
优选地，所述负磁导率超材料由1个或多个阵列排布的电磁超材料单元构成；所述近零磁导率超材料由1个或多个阵列排布的电磁超材料单元构成。
负磁导率超材料和近零磁导率超材料均由电磁超材料单元阵列组成，结构简单、统一，具有良好的机械加工性能，易于调节。
优选地，所述电磁超材料单元包括介质基板、螺旋线圈和集总电容，其中，所述集总电容焊接在所述介质基板的背面，并与设置在所述介质基板正面的所述螺旋线圈相连。
集总电容焊接在介质基板的背面，因为后面有焊盘，焊接上后就会和正面的螺旋线圈成为整体、与螺旋线圈相连，增大电容值。
优选地，通过设定集总电容的大小、螺旋线圈的结构尺寸以及介质基板材料的类型和厚度调节负磁导率超材料和近零磁导率超材料的电磁特性，使其等效磁导率分别为-1和0。
设计优化性能较好的两种电磁超材料，可大幅度缩短设计及加工的时间。
优选地，所述介质基板材料为硬性PCB板。
PCB板具有较高的机械性能，较好的耐热性，良好的机械加工性；PCB板厚度可以调节，便于应用于不同的无线输电设备，并且可以精确调节电磁超材料的工作频率，提升电磁超材料性能。
优选地，所述螺旋线圈由铜制成，通过刻蚀工艺设置于所述介质基板上。该技术加工精确度高、成本低，能够小批量生产，且便于电磁超材料单元的组装。
优选地，所述电磁超材料单元可选择地排布组合成一维、二维或三维(1D、2D或3D)的负磁导率超材料和近零磁导率超材料。
负磁导率超材料和近零磁导率超材料可具有多种组合排布结构，使加工工艺更加多选、易于实现。
优选地，所述负磁导率超材料放置于所述发射装置和所述接收装置的中间；所述两个近零磁导率超材料分别靠近所述发射装置和接收装置放置。
通过将所述负磁导率超材料放置于所述发射装置和所述接收装置的中间，使得无线电能传输系统的传输效率最大；实验结果表明，近零磁导率超材料越接近接收装置，屏蔽效越好，放置位置对于降低磁泄露是至关重要的；通过将两个近零磁导率超材料分别靠近所述发射装置和接收装置放置，使得无线电能传输的屏蔽效果最好，进而最大限度的提升无线电能传输系统的性能。
优选地，所述负磁导率超材料和近零磁导率超材料与发射装置、接收装置同轴放置。
通过同轴放置，使负磁导率超材料和近零磁导率超材料与发射装置、接收装置之间的能量传输通道同轴设置，从而进一步提高能量传输效率，提升对装置外侧泄露的磁场的屏蔽效果。
优选地，所述发射装置包括同轴设置的电源线圈和发射线圈；所述接收装置包括同轴设置的接收线圈和负载线圈。
本发明通过将负磁导率超材料放置于发射装置和接收装置之间，发射装置产生的交变磁场入射到负磁导率超材料上，能够使发散的磁场重新聚焦到接收装置，使得接收装置处耦合磁场强度增加；通过将两个近零磁导率超材料分别放置于所述发射装置的前面和所述接收装置的后面，泄露的磁场入射到近零磁导率超材料后，会使磁力线发生反射，实现对磁场的调控作用，从而能够削弱装置外侧泄露的磁场。
无线电能传输系统的谐振频率设为f0，将近零磁导率超材料的工作频率设置为与无线电能传输系统的谐振频率f0相同，因为只有相同才会有屏蔽效果，在谐振频率f0近零磁导率超材料的等效磁导率为0，最大限度削弱装置外侧泄露的磁场；对于负磁导率超材料，在无线电能传输系统的谐振频率f0时等效磁导率为-1，此时提升传输效率的效果最好。本发明中两种超材料的结合能够实现提升效率和电磁屏蔽方面的双重应用，为提升和优化无线电能传输系统性能奠定基础。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过无线电能传输系统与负磁导率超材料和近零磁导率超材料的集成，既可以提高线圈耦合磁场的功率密度，显著提升耦合系数，从而提高传输效率、拓展系统有效的传输距离；又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体和源端及负载端电路的影响，改善系统的电磁兼容性；近零磁导率电磁超材料仅屏蔽无线电能传输系统的特定工作频率，允许其它频段的电磁波不受干扰的通过；装置易于实施，成本较低，无线电能传输系统与两种电磁超材料的集成为实用化奠定基础；
2、负磁导率超材料接收所述发射装置产生的交变磁场，并使发散的交变磁场重新聚焦到所述接收装置上，使接收装置处耦合磁场强度增加；
3、负磁导率超材料和近零磁导率超材料尺寸可调，组合形状可变，可适合不同的无线电能传输设备中；
4、通过设定集总电容的大小、螺旋线圈的结构尺寸以及介质基板材料的类型和厚度调节负磁导率超材料和近零磁导率超材料的电磁特性，两种电磁超材料设计优化性能较好，可大幅度缩短设计及加工的时间。
附图说明
图1是本发明较佳实施例中基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置的示意图；
图2是本发明较佳实施例中电磁超材料单元的结构示意图；
图3是本发明较佳实施例中负磁导率超材料和近零磁导率超材料在无线电能传输系统中的工作原理图；
图4是本发明较佳实施例中测试点距离接收装置为33cm时，近零磁导率电磁超材料与发射装置的距离的变化对磁场强度的影响；
图5是本发明较佳实施例中负磁导率超材料和近零磁导率超材料在无线电能传输系统中的四种加载方式时传输效率随传输距离变化的关系图。
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。
如图1所示，本发明实施例提供的基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，应用于无线电能传输系统，无线电能传输系统包括同轴设置的发射装置1和接收装置2，
其中，发射装置1包括电源线圈11和发射线圈12，接收装置2包括接收线圈21和负载线圈22。
本实施例中，无线电能传输系统的谐振频率f0为13.56MHz。电源线圈11、发射线圈12、接收线圈21和负载线圈22的直径为20cm、由直径为2.5mm的铜线构成，发射线圈12和接收线圈21为3圈，线间距为1cm。发射线圈12和接收线圈21的传输距离可变。
无线输电系统性能提升装置包括负磁导率超材料3以及近零磁导率超材料4，其中，
发射装置1、接收装置2、负磁导率超材料3以及近零磁导率超材料4同轴设置，使得它们之间的能量传输通道同轴设置。
负磁导率超材料3放置于发射装置1和接收装置2之间，发射装置1产生的交变磁场入射到负磁导率超材料3上，能够使发散的磁场重新聚焦到接收装置2，使得接收装置2处耦合磁场强度增加。
近零磁导率超材料4有两块，分别设置于发射装置1前面和接收装置2后面，泄露的磁场入射到近零磁导率电磁超材料4后，会使磁力线发生反射，实现对磁场的调控作用，从而削弱了装置外侧泄露的磁场。
本实施例中，磁导率超材料3和近零磁导率超材料4由3×3阵列排布的电磁超材料单元构成；可选地，阵列排布的方式可以变化，不局限于3×3，还可以排布为1D、2D、3D(一维、二维、三维)形式；磁导率超材料3和近零磁导率超材料4可以有相同或不同的阵列排布。
如图2所示，电磁超材料单元包括介质基板31(41)、螺旋线圈32(42)、集总电容33(43)；集总电容33(43)焊接在介质基板31(41)的背面，并与设置在介质基板31(41)正面的螺旋线圈32(42)相连。
本实施例中，介质基板31(41)选用材料为硬性PCB板，FR-4板，具有较高的机械性能，较好的耐热性，良好的机械加工性；PCB板厚度可以调节，设计的厚度为2mm，应用于中距离无线电能传输系统，并且可以精确调节电磁超材料的工作频率，提升电磁超材料性能。
本实施例中，螺旋线圈32(42)的材料是由铜制成的，开口宽度为10mm，线圈的宽度为4mm，线间距为2mm，厚度为0.07mm；螺旋线圈32(42)通过刻蚀工艺设置于所述基底材料上，该技术加工精确度高、成本低，能够小批量生产，且便于电磁超材料单元的组装。
本实施例中，负磁导率超材料3中电磁超材料单元加载90pf的集总电容33，使得设计的负磁导率超材料3的等效磁导率在无线电能传输系统谐振频率13.56MHz时为-1；近零磁导率超材料4中电磁超材料单元加载120pf的集总电容43，使得设计的近零磁导率超材料4的等效磁导率在无线电能传输系统谐振频率13.56MHz时为0，且近零磁导率电磁超材料4的工作频率与无线电能传输系统的谐振频率13.56MHz相同。
通过焊接不同的集总电容调节负磁导率超材料3和近零磁导率超材料4的电磁特性，在此基础上，微调PCB板厚度可以精确调节电磁超材料的工作频率，进一步提升电磁超材料性能。所设计优化的两种电磁超材料性能较好，可大幅度缩短设计的时间。
进一步地，如图3所示为负磁导率超材料和近零磁导率超材料在无线电能传输系统中的工作原理图，当发射装置产生的交变磁场传输到负磁导率超材料时，入射磁力线和折射磁力线位于法线的同侧，从而能够放大倏逝波，使得磁场分布得到人工调控，进而达到磁场聚焦的效应，使得发散的磁场重新聚焦到接收装置；接收装置后面泄露的磁场入射到近零磁导率超材料后，磁力线会发生偏折，从而进一步抑制了电磁泄露，最大程度地消除电磁泄露对人类和环境的影响。
进一步地，调节负磁导率超材料3在发射装置1和接收装置2之间的距离使得系统的传输效率最大，调节近零磁导率超材料4在发射装置1和接收装置2后面的距离设定使得所述无线电能传输的屏蔽效果最好，进而最大限度的提升无线电能传输系统的性能。
对于负磁导率超材料，之前的研究表明负磁导率超材料放置在无线电能传输的中间位置时传输效率最高，为了得到较高的传输效率，本实施例中将负磁导率超材料放在发射装置1和接收装置2中间的位置。
对于近零磁导率超材料，为了探究其屏蔽规律，我们先将近零磁导率超材料放置在接收装置后面，设置测试点A，测试点A距离接收线圈的距离设定为固定为33cm，近零磁导率超材料到接收线圈的距离分别从11cm变化到19cm，步长为2cm，利用电磁辐射分析仪测试A点的磁场强度。A点的磁场强度随近零磁导率超材料位置变化的曲线图如图4所示，从图中可以看出，近零磁导率超材料越靠近接收装置屏蔽效越好，其放置位置对于降低磁泄露是至关重要的。
进一步地，基于以上实验测试装置，分别测试原无线电能传输系统，仅将近零磁导率超材料放置在无线电能传输系统两侧，仅将负磁导率超材料放置在无线电能传输系统中间，负磁导率超材料和近零磁导率超材料相结合的磁场强度，以上四种情况测量的磁场强度如表1所示。
表1四种情况测量的磁场强度
与原无线电能传输系相比，加载负磁导率超材料和近零磁导率超材料情况下，发射装置外侧的磁场强度明显降低了62.09％(从52.48uG到20.03uG)，接收装置外侧的磁场强度降低了25.73％(从22.5uG降低到16.71uG)。本发明中磁场泄露情况得到了极大的控制。
如图5所示，为四种情况下测量的传输效率与传输距离的关系，可以看出，
当仅加载负磁导率超材料时，除了30cm的传输距离以外，传输效率在其他传输距离处都增加。
当仅将近零磁导率超材料放置在系统两侧距离发射线圈和接收线圈都为15cm时，与原无线电能传输系统相比，传输距离在40cm时的传输效率从36.24％降低到30.91％；其中主要原因是近零磁导率超材料严重影响了负载线圈和接收线圈之间的耦合，而且近零磁导率超材料自身也有一定的损耗。
将负磁导率超材料和近零磁导率超材料与无线电能传输系统相结合时，传输效率提升了12.06％。
通过图5可以看出，传输效率随着发射线圈和接收线圈之间传输距离的增大降低较缓慢，这说明了随着传输距离的增大，近零磁导率超材料对系统的传输效率影响较小。
综合理论分析、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；负磁导率超材料能够提升传输效率；二者结合，通过设定它们的特定的工作频率和磁导率，调整其放置位置，可在有效降低无线电能传输系统的磁场泄露的同时，提升系统的传输效率。
本发明提供的基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，装置易于实施，成本较低，并能够有效地提升系统的传输效率，抑制电磁泄露对器件的电磁干扰，无线电能传输系统与两种电磁超材料的集成为实用化奠定基础。
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 (10)

1.基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，应用于包括发射装置(1)和接收装置(2)的无线电能传输系统，其特征在于，包括负磁导率超材料(3)和近零磁导率超材料(4)，其中，
所述负磁导率超材料(3)放置于所述发射装置(1)和所述接收装置(2)之间；
所述近零磁导率超材料(4)有两个，分别放置于所述发射装置(1)的前面和所述接收装置(2)的后面，用于接收入射的泄露的磁场，并使磁力线发生反射；
所述负磁导率超材料(3)和所述近零磁导率超材料(4)的等效磁导率在所述无线电能传输系统的谐振频率处分别为-1和0，且所述近零磁导率超材料(4)的工作频率与所述无线电能传输系统的谐振频率相同。
2.如权利要求1所述的基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，其特征在于，所述负磁导率超材料(3)用于接收所述发射装置(1)产生的交变磁场，并使发散的交变磁场重新聚焦到所述接收装置(2)上，使所述接收装置(2)处耦合磁场强度增加。
3.如权利要求1所述的基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，其特征在于，所述负磁导率超材料(3)由1个或多个阵列排布的电磁超材料单元构成；所述近零磁导率超材料(4)由1个或多个阵列排布的电磁超材料单元构成。
4.如权利要求3所述的基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，其特征在于，所述电磁超材料单元包括介质基板、螺旋线圈和集总电容，其中，所述集总电容焊接在所述介质基板的背面，并与设置在所述介质基板正面的所述螺旋线圈相连。
5.如权利要求4所述的基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，其特征在于，通过设定集总电容的大小、螺旋线圈的结构尺寸以及介质基板材料的类型和厚度调节负磁导率超材料(3)和近零磁导率超材料(4)的电磁特性，使其等效磁导率分别为-1和0。
6.如权利要求4所述的基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，其特征在于，所述介质基板材料为硬性PCB板。
7.如权利要求4所述的基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，其特征在于，所述螺旋线圈由铜制成，通过刻蚀工艺设置于所述介质基板上。
8.如权利要求3所述的基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，其特征在于，所述电磁超材料单元可选择地排布组合成一维、二维或三维的负磁导率超材料(3)和近零磁导率超材料(4)。
9.如权利要求1-8任一所述的基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，其特征在于，所述负磁导率超材料(3)放置于所述发射装置(1)和所述接收装置(2)的中间；所述两个近零磁导率超材料(4)分别靠近所述发射装置(1)和接收装置(2)放置。
10.如权利要求1-9任一所述的基于负磁和零磁超材料结合的无线输电系统性能提升装置，其特征在于，所述负磁导率超材料(3)和近零磁导率超材料(4)与发射装置(1)、接收装置(2)同轴放置。
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