基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置製造方法
2023-06-01 16:03:01
基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置，包括低頻電磁能量發射器、低頻電磁能量接收器和低頻電磁超材料陣列，電磁發射線圈處設置有正磁導率低頻電磁超材料陣列或/和負磁導率低頻電磁超材料陣列，功率信號發生器輸出的50Hz-200kHz的低頻信號給電磁發射線圈，電磁發射線圈通過正磁導率電磁低頻超材料陣列或/和負磁導率低頻電磁超材料陣列的作用將電磁信號以磁場的形式發射給電磁能量接收器。本實用新型利用的共振頻率點與傳統完全不同，傳統磁共振要求發射端和接收端頻率完全相同，而本實用新型複合使用亞臨界諧振區和超臨界諧振區，可以使無線電能傳輸系統性能得到較大提升，提高傳輸距離和傳輸效率，降低工作頻率，控制電磁能量方向，避免電磁對人體的輻射。
【專利說明】基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及無線電能傳輸裝置，尤其涉及一種基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置。
【背景技術】
[0002]目前，電磁超材料是人工材料的一種，屬於自然界不存在的具有特殊性能的人工複合材料，其在電磁學領域有極為特殊的性能。研究表明，使用電磁超材料可以對近場進行聚焦，製作出完美透鏡，也有可能用於核磁共振成像。介電常數ε和磁導率μ是描述介質電磁特性最基本的兩個物理量，通常情況下，材料的ε和μ均為正數。通過人工構造的方法，人們通過在傳統的介質材料中嵌入某種結構的單元，可以構造出自然媒介不具備的具有新型電磁特性的人工材料，稱之為電磁超材料(Metamaterials)。
[0003]電磁超材料的典型構造有兩種。1996年,J.B.Pendry等提出了金屬線周期排布的結構(Rod),實現了微波頻率的等效負介電常數,如圖1所示。1999年，J.B.Pendry等人又提出了開路電流環諧振器(SRR)，實現了等效負磁導率，如圖2所示。
[0004]電磁超材料具有近場放大特性，因此可以在磁共振無線輸電、核磁共振等領域獲得應用。利用瑞士環(Swiss Roll)的磁場放大作用，Μ.C.K.Wiltshire等人利用「無磁性」磁性瑞士環的高磁導率、低損耗特性構造出一種近場成像的內窺鏡。
[0005]劍橋大學的三菱電子研究所最新研究則涉及超材料在無線輸電領域的應用。Bingnan Wang、Koon Hoo Teo等人使用類似SRR環結構的磁感應放大器大大加強了無線輸電的距離，並提高了無線輸電的效率。這項研究於2011年6月份發表。
[0006]此外，電磁超材料可以轉變電磁波的方向，實現電磁波的完美吸收和反射。東南大學崔鐵軍研究組在微波段實現了全方位電磁波吸收器。研究顯示，在微波頻段其吸收率可達到99%，被稱為「電磁黑洞」。因此，有充分證據表明，電磁超材料可以應用於無線電能傳輸領域，並獲得有益效果。
[0007]美國麻省理工學院根據「磁場耦合共振」原理，在2米的距離上點亮了一盞60W的燈泡，並且傳輸效率大於40%，工作頻率為10MHz，其工作成果於2007年6月發表於《科學》雜誌在線版。Intel公司於也於2008年8月展示了基於磁共振原理的無線電力傳輸系統，在0.6米的距離內點亮了一盞60W的燈泡，其效率達到了 75%。
[0008]傳統的無線電能傳輸技術是利用電磁感應，這種電力傳輸技術成熟，但是電力傳輸距離非常短，通常只有幾個釐米，效率也極低，無法滿足現在的社會需求。美國和日本的一些企業將這項技術用於手機充電，其重點解決的技術問題是不同手機的自動識別和電壓自動調整，不適合中遠距離的大功率電力傳輸。
[0009]微波傳輸曾經是無線電力傳輸的發展方向之一:美國科學家曾經試圖通過衛星收集太陽能，然後通過微波送到地面並進行接收，微波電力傳輸的問題在於，方向性太強，能量密度很大，而且即使沒有接收電器，發射器也在消耗能量。雷射傳輸的方向性更強，對人的傷害很大，也沒有大規模推廣應用。因此利用微波或雷射技術進行電力傳輸雖然距離較遠，但是只能直線傳播，且輻射很大，只能在特定場合應用。
[0010]根據已有的資料，現在最先進的無線電力傳輸技術是基於磁場共振原理，採用分布式耦合諧振系統，工作頻率偏高，對人體有可能產生輻射危害。而且無法控制能量的傳播方向，無法實現能量的聚焦和定向傳播。傳統上電磁超材料的應用集中於微波，研究熱點集中在高頻，研究方法使用場的方法。
實用新型內容
[0011]本實用新型的目的是提供一種基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置，能夠提高磁共振無線電能傳輸系統的性能。
[0012]本實用新型採用下述技術方案:一種基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置，包括低頻電磁能量發射器、低頻電磁能量接收器和低頻電磁超材料陣列，所述的低頻電磁能量發射器包括功率信號發生器和電磁發射線圈，所述的電磁發射線圈處設置有正磁導率低頻電磁超材料陣列或/和負磁導率低頻電磁超材料陣列，所述的功率信號發生器輸出的50Hz?200kHz的低頻信號給電磁發射線圈，電磁發射線圈通過正磁導率低頻電磁超材料陣列或/和負磁導率低頻電磁超材料陣列的作用將電磁信號以磁場的形式發射給低頻電磁能量接收器。
[0013]所述的低頻電磁超材料陣列由多個電磁超材料單元組成陣列結構，所述的電磁超材料單元包括螺旋電感、低損耗電容和鐵氧體柱，所述的螺旋電感繞設在鐵氧體柱周圍，螺旋電感的兩端連接低損耗電容。
[0014]所述的低頻電磁超材料陣列由多個電磁超材料單元組成陣列結構，所述的電磁超材料單元包括螺旋電感、低損耗電容，所述的螺旋電感的兩端連接低損耗電容。
[0015]所述的負磁導率低頻電磁超材料陣列的工作頻率A> , /o是功率信號發生
器的發射頻率；所述的正磁導率低頻電磁超材料陣列的工作頻率/2 </o。
[0016]所述的電磁發射線圈的除前側外的周圍均設置有負磁導率低頻電磁超材料陣列，所述電磁發射線圈的前側設置有正磁導率低頻電磁超材料陣列，所述的低頻電磁能量接收器的後側設置有正或負磁導率低頻電磁超材料陣列，其中以電磁發射方向為前方。
[0017]所述的低頻電磁能量接收器為電磁接收線圈，電磁接收線圈的兩端連接負載或經過整流後連接負載。
[0018]所述的鐵氧體柱採用低損耗的Mn-Zn材料。
[0019]本實用新型通過構造可以工作於低頻(kHz)的複合電磁超材料(磁導率可以為正，也可以為負)，並將其按照一定的陣列排列，應用在低頻電磁能量發射器(kHz級別)和電磁能量接收器中，在亞臨界諧振頻率，此結構陣列工作於正磁導率諧振狀態，可以起到引導並加強無線輸電的效果；在超臨界諧振頻率，此陣列工作於負磁導率諧振狀態，可以起到反射磁力線、屏蔽輻射、調整磁場方向的作用。可以增強無線電能傳輸的距離、減少輻射並控制能量傳遞方向，從而提高磁共振無線電能傳輸系統的性能。經過試驗，在相同條件下，增加傳輸距離30%以上；相同條件下，提高傳輸效率20%以上。
【專利附圖】
【附圖說明】[0020]圖1為現有技術中電磁超材料的基本構造Rod結構不意圖；
[0021]圖2為現有技術中電磁超材料的基本構造SRR結構示意圖；
[0022]圖3為本實用新型中電磁超材料單元的結構示意圖；
[0023]圖4為本實用新型中電磁超材料陣列的結構示意圖；
[0024]圖5為本實用新型的【具體實施方式】結構圖；
[0025]圖6為電磁超材料磁導率在諧振點附近跳變的示意圖；
[0026]圖7為傳統無線輸電的示意圖；
[0027]圖8為dl2與傳輸效率的關係圖；
[0028]圖9為發射線圈與負磁導率電磁超材料陣列的位置關係示意圖。
【具體實施方式】
[0029]本實用新型提供了一種基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置，包括低頻電磁能量發射器、低頻電磁能量接收器和低頻電磁超材料陣列(50Hz?200kHz )，所述的低頻電磁能量發射器包括功率信號發生器和電磁發射線圈，所述的電磁發射線圈處設置有正磁導率電磁超材料陣列或/和負磁導率電磁超材料陣列，所述的功率信號發生器輸出的50Hz?200kHz的低頻方波或正弦波信號給電磁發射線圈，電磁發射線圈通過正磁導率電磁超材料陣列或/和負磁導率電磁超材料陣列的作用將電磁信號以磁場的形式將其發射給電磁能量接收器，所述的電磁能量接收器為電磁接收線圈，電磁接收線圈的兩端連接負載。
[0030]受制於材料結構的限制，電磁超材料的研究及實驗在微波頻段比較成熟，開口諧振環SRR (split ring resonator)是等效負磁導率電磁超材料的典型代表。但是,在本實用新型的低頻段(kHz級別)，尚未被構造，更未被實際應用到無線電能傳輸領域。本實用新型提出了一種可以工作在低頻的複合電磁超材料結構。如圖3、圖4所示，低頻電磁超材料陣列由多個電磁超材料單元組成陣列結構，所述的電磁超材料單元包括螺旋電感L、低損耗電容C和高磁導率功率鐵氧體柱Z，所述的螺旋電感L繞設在高磁導率功率鐵氧體柱Z周圍，螺旋電感L的兩端連接低損耗電容C，在頻率較高的情況下(30kHz以上)，不需要鐵氧體柱的情況下也能獲得較高的品質因數，則也可以不用鐵氧體材料；本專利申請超材料單元的關鍵是形成LC諧振，其品質因數越高，無線輸電性能越好，為了保證高品質因數的諧振，其中螺旋電感L的內阻儘量小，繞線排列整齊；低損耗電容C採用高頻、低ESR電容；鐵氧體
柱Z採用低損耗的Mn-Zn材料。電磁超材料單元形成LC諧振結構，其諧振頻率/ =
，可以通過調節電感L和電容C調節諧振頻率/ , Z0是功率信號發生器的發射頻率，當工作
頻率/略小於/d時(即此時工作頻率是/3 )，稱為亞臨界諧振，此時結構陣列工作於正磁導
率諧振狀態，磁場強度被增強，共振產生的磁力線方向與信號源一致，可以起到引導並加強
無線輸電的效果；工作頻車 < 略大於時(即此時工作頻率是A),稱為超臨界諧振，此時
陣列工作於負磁導率諧振狀態，共振產生的磁力線方向信號源相反，可以起到反射磁力線、屏蔽輻射、調整磁場方向的作用。與傳統的基於諧振的無線電能傳輸不同的是，我們複合使用亞臨界諧振和超臨界諧振頻率進行工作，並盡力避開共振中心頻車。其中使用時，將低頻電磁超材料陣列固定在支架上。
[0031]如圖5所示，電磁超材料空間陣列根據需要放在電力發射器和電力接收器之間，合理調節空間陣列位置，利用電磁超材料的近場特性實現無線電力傳輸的近場聚焦，從而實現定向、定點傳輸。信號發生器I的典型電路由大功率三極體、集成電路組成正弦波功率信號發生器，其信號頻率可調(IkHz-1OOkHz);信號發生器I也可以是使用開關管(如IGBT)組成的脈衝方波發生器，其信號頻率可調(IkHz-1OOkHz);典型地，傳統開關電源的互補推挽、半橋、全橋、LLC等電路均可作為功率信號發生器。電磁發射線圈6可以使用低阻抗、大功率的電磁線圈，一個電磁發射線圈6可以對應多個電磁接收線圈5，一個電磁接收線圈5也可以對應多個電磁發射線圈6。如圖8所示，本實施例中所述的電磁發射線圈6的除前側的周圍均設置有負磁導率電磁超材料陣列2，其中電磁發射線圈6後側放置的負磁導率電磁超材料陣列2的鐵氧體柱的軸向與電磁發射方向一致，周圍放置的負磁導率電磁超材料陣列2的鐵氧體柱軸向垂直於電磁發射方向，總之，鐵氧體柱陣列的底面類似於鏡子的反射面。其有益效果是:可以將磁力線反射回去，這樣既可以防止對後方的磁場幹擾，又可以增強前方的磁力線強度，與傳統電磁爐直接使用鐵氧體閉合磁路相比，本專利的方法損耗很低，同時又增加了無線電能傳輸的距離。所述電磁發射線圈6的前側設置有正磁導率電磁超材料陣列3，正磁導率電磁超材料陣列3的鐵氧體柱的軸向與電磁發射方向一致，正磁導率電磁超材料陣列3可以增強磁場的強度，增加無線輸電距離。所述的電磁接收線圈5的後端設置有正或負磁導率電磁超材料陣列4，正或負磁導率電磁超材料陣列4的鐵氧體柱的軸向與電磁發射方向一致，以便於能量的接收。而電磁超材料陣列的整列排列方式由具體情況和要求確定。
[0032]無線輸電的距離和效率與超材料單元的放置位置的確有很大的關係。以傳統的磁共振無線輸電為例(圖7)，dl2的距離改變會影響線圈之間的耦合係數，從而影響無線輸電的性能。從圖8的性能曲線可以看出，在不同的無線輸電距離情況下，存在一個dl2的最佳值。因此，超材料放置的位置與具體使用要求有關。本實用新型中負磁導率電磁超材料陣列2、正磁導率電磁超材料陣列3都應放置在與發射線圈6的距離為lcm-25cm之間；正或負磁導率電磁超材料陣列4距離電磁接收線圈5也為lcm-25cm之間。
[0033]現有技術中的電磁超材料在應用到低頻頻段時遇到了很多實際問題。在kHz及以下頻段，波長將在數十千米以上，經典的負磁導率單元SRR的邊長尺寸將在數百米以上，這在實際應用中是不能被接受的。對於無線電能傳輸領域的應用，本實用新型人認為:系統必須工作低頻(KHz)頻率，這樣可以有效降低輻射危害。可是，沒有人構造過這麼低頻率的電磁超材料，更沒有人將其應用於無線電能傳輸領域。
[0034]本實用新型充分利用低頻電磁超材料陣列的低頻特性，其典型工作頻率在50Hz到200KHZ之間。這種頻率下，電磁波波長很長，能量傳輸利用的是電磁波中的無輻射近場。使用低頻電磁超材料陣列後，傳統的LC共振電路性能得到提升，無線電力傳輸距離和效率大大增加，並能實現在特定距離的無線電力接收，解決了傳統的無線電力技術傳輸距離近且不可控或輻射場大的缺點。本實用新型的基於低頻複合電磁超材料，可按照一定的陣列排列，並在此基礎上，可以使無線電能傳輸系統性能得到較大提升，提高傳輸距離，降低工作頻率，控制電磁能量方向，避免電磁對人體的輻射，並提高能量傳輸效率。[0035]在低頻(kHZ)下，使用電路理論對其進行分析:由低損耗集總參數LC諧振電路和高磁導率鐵氧體材料共同組成的超材料陣列具有以下特性:
[0036]1、在LC諧振頻率附近，磁力線和磁通量的方向會發生跳變，當輸入信號頻率X1略大於LC諧振頻車時，由多個諧振單元陣列組成的超材料表現出等效正磁導率特性；當輸入信號頻率J0略小於LC諧振頻率/時，此結構表現出負磁導率特性，如圖6所示；
[0037]2、負磁導率特性可以有效反射磁力線，這可以作為一種磁場的屏蔽措施，且效果比傳統的鐵磁屏蔽效果要好；
[0038]3、正磁導率特性可以加強磁場強度，增加無線輸電距離；
[0039]4、本實用新型的無線輸電利用的共振頻率點與傳統完全不同，傳統磁共振要求發射端和接收端頻率完全相同，而本實用新型則複合使用亞臨界諧振區和超臨界諧振區。
【權利要求】
1.一種基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置，其特徵在於:包括低頻電磁能量發射器、低頻電磁能量接收器和低頻電磁超材料陣列，所述的低頻電磁能量發射器包括功率信號發生器和電磁發射線圈，所述的電磁發射線圈處設置有正磁導率低頻電磁超材料陣列或/和負磁導率低頻電磁超材料陣列，所述的功率信號發生器輸出的50HZ?200kHz的低頻信號給電磁發射線圈，電磁發射線圈通過正磁導率低頻電磁超材料陣列或/和負磁導率低頻電磁超材料陣列的作用將電磁信號以磁場的形式發射給低頻電磁能量接收器。
2.根據權利要求1所述的基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置，其特徵在於:所述的低頻電磁超材料陣列由多個電磁超材料單元組成陣列結構，所述的電磁超材料單元包括螺旋電感、低損耗電容和鐵氧體柱，所述的螺旋電感繞設在鐵氧體柱周圍，螺旋電感的兩端連接低損耗電容。
3.根據權利要求1所述的基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置，其特徵在於:所述的低頻電磁超材料陣列由多個電磁超材料單元組成陣列結構，所述的電磁超材料單元包括螺旋電感、低損耗電容，所述的螺旋電感的兩端連接低損耗電容。
4.根據權利要求2所述的基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置，其特徵在於:所述的鐵氧體柱採用低損耗的Mn-Zn材料。
5.根據權利要求2或3或4所述的基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置，其特徵在於:所述的負磁導率低頻電磁超材料陣列的工作頻率.Λ > /0，/0是功率信號發生器的發射頻率；所述的正磁導率低頻電磁超材料陣列的工作頻率/2 < J0。
6.根據權利要求5所述的基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置，其特徵在於:所述的電磁發射線圈的除前側外的周圍均設置有負磁導率低頻電磁超材料陣列，所述電磁發射線圈的前側設置有正磁導率低頻電磁超材料陣列，所述的低頻電磁能量接收器的後側設置有正或負磁導率低頻電磁超材料陣列，其中以電磁發射方向為前方。
7.根據權利要求6所述的基於低頻複合電磁超材料的無線電能傳輸裝置，其特徵在於:所述的低頻電磁能量接收器為電磁接收線圈，電磁接收線圈的兩端連接負載或經過整流後連接負載。
【文檔編號】H02J17/00GK203589850SQ201320363432
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年6月24日 優先權日:2013年6月24日
【發明者】樊京, 王軍, 張剛, 張金超, 孟萌, 王英英 申請人:南陽防爆電氣研究所有限公司