一種基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的製作方法

2024-04-13 14:58:05

1.本發明屬於無線電磁能量傳輸技術領域，尤其涉及一種基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置。


背景技術：

2.電能是人們主要利用的能源之一，其主要以有線的方式進行傳播。然而，傳統的有線能量傳輸存在諸多問題，如電線太多難以收納、線纜易老化、在某些特殊場合如水下作業、醫療等方面難以運用。近些年來，無線電磁能量傳輸技術發展迅猛，憑藉良好的位置靈活性，在生產生活中得到了廣泛的應用。
3.根據傳輸原理的不同，無線電磁能量傳輸方式可分為非輻射式和輻射式，前者通過磁場或電場進行能量的傳輸，後者以電磁波作為能量的載體。對於非輻射式無線電磁能量傳輸，根據具體是以磁場還是電場的形式進行能量傳輸，又可劃分為磁耦合式和電耦合式。相比磁耦合式無線電磁能量傳輸而言，電耦合式無線電磁能量傳輸目前存在諸多缺點，具體表現為傳輸效率隨距離衰減快、輻射安全標準下的功率容量小、受周圍電磁環境影響大。因此，磁耦合式無線電磁能量傳輸是一種主流的無線電磁能量傳輸方案，相應的傳輸裝置多由一對磁耦合結構組成。但是，目前的磁耦合式無線無法在體積和傳輸效率上得到均衡，要麼體積大，要麼傳輸效率隨距離衰減快。對於小尺寸磁耦合式無線電磁能量傳輸裝置，因其傳輸效率低還無法很好地滿足使用要求。
4.如2021年5月發表於ieee電力電子彙刊(ieee transactions on power electronics)上的論文《緊湊型感應功率傳輸系統中的自諧振反對稱平面線圈》(《self resonant antisymmetric planar coil for compact inductive power transfer system avoiding compensation circuits》)提到一種方式，採用「自諧振非對稱平面結構」；尺寸為10cm
×
10cm
×
1mm，在10cm下的傳輸效率為50％。不能很好地滿足使用要求。ieee一般指電氣與電子工程師協會。電氣與電子工程師協會(institute of electrical and electronics engineers)，簡稱ieee。


技術實現要素：

5.本發明的目的在於提供一種基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置，可在一定距離上實現高傳輸效率的無線電磁能量傳輸，其中在10cm
×
10cm
×
1mm的尺寸和10cm的傳輸距離下，達到了70％的傳輸效率，相較上述論文結果提升了40％，有效的解決了目前小尺寸磁耦合式無線電磁能量傳輸裝置傳輸效率低的缺點。
6.本發明提供的技術方案如下：
7.一種基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置，包括發射端1和接收端2，所述的發射端1和接收端2的電磁線圈3均包括：兩層平行設置的多臂螺旋金屬層31與設於兩層金屬間的絕緣介質基板32；
8.所述的多臂螺旋金屬層31由多支臂螺旋金屬線311由共同的圓心由內向外同步螺
旋展開；
9.所述的兩層多臂螺旋金屬層31結構相同，兩層間對應的各條螺旋金屬線311在同一方向的平面投影重疊，且相互重疊的兩層所述的螺旋金屬線311內端在圓心處短路連接，外端在邊緣分別短路連接；
10.所述的兩層所述的螺旋金屬線311其中一層的內端分別設有集總參數電容5。
11.所述的螺旋金屬線311的螺旋臂的圈數為2至8圈。
12.所述的螺旋金屬線311的螺旋臂的圈數為4.75圈。
13.所述的螺旋金屬線311的線寬0.5～3mm；間距0.5～10mm；厚度25～2000um。
14.所述的螺旋金屬線311的間距是等間距的；
15.或者；
16.所述的螺旋金屬線311的間距等差增加或等差減少。
17.所述的絕緣介質基板32適用介質損耗角正切值小於等於0.001的材料。
18.所述的電磁線圈3為印刷線路板pcb；pcb介質基板為絕緣介質基板32，通過刻蝕工藝於pcb介質基板刻蝕多支臂螺旋金屬線311；
19.所述的螺旋金屬線311內端在圓心處短路連接通過pcb過孔實現，外端在邊緣分別短路連接通過pcb過孔實現。
20.所述的螺旋金屬線311的線寬1～2mm；間距2～5mm；厚度35～70um。
21.所述的電磁線圈3的螺旋金屬層31螺旋形狀為圓形或多邊形。
22.所述的設有集總參數電容5這一層螺旋金屬線311的中心為十字連接結構，十字連接結構的四個分枝長度為6mm；分別連接4條螺旋金屬線311的螺旋臂，十字連接結構的每一個分枝上設有集總參數電容5；
23.另一層，中心為圓環結構，圓環結構內圓半徑2.2mm，外圓半徑4.6mm；外圓邊緣十字延伸分別連接4條螺旋金屬線311的螺旋臂。
24.由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的一種基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置，其中在10cm
×
10cm
×
1mm的尺寸和10cm的傳輸距離下，達到了70％的傳輸效率，相較上述論文結果提升了40％，有效的解決了目前小尺寸磁耦合式無線電磁能量傳輸裝置傳輸效率低的缺點。
附圖說明
25.為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
26.圖1為本發明實施例一的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置結構示意圖；
27.圖2為本發明實施例一的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的電磁線圈立體結構示意圖；
28.圖3為本發明實施例一的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的電磁線圈平面結構示意圖一；
29.圖4為本發明實施例一的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的電磁線圈平面結構示意圖二；
30.圖5為本發明實施例一的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的電磁線圈平面結構示意圖三；
31.圖6為本發明實施例一的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的電磁線圈平面結構示意圖四；
32.圖7為本發明實施例一的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的電磁線圈平面結構示意圖五；
33.圖8為本發明實施例一的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的電磁線圈平面結構示意圖六；
34.圖9為本發明實施例一的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的電磁線圈的連接結構示意圖；
35.圖10為本發明實施例一的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的電磁線圈平面結構示意圖七；
36.圖11為本發明實施例二的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的pcb結構示意圖；
37.圖12為本發明實施例的基於平面四臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的hfss仿真傳輸效率隨傳輸距離變化的折線圖。
具體實施方式
38.下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。
39.首先對本文中可能使用的術語進行如下說明：
40.術語「和/或」是表示兩者任一或兩者同時均可實現，例如，x和/或y表示既包括「x」或「y」的情況也包括「x和y」的三種情況。
41.術語「包括」、「包含」、「含有」、「具有」或其它類似語義的描述，應被解釋為非排它性的包括。例如：包括某技術特徵要素(如原料、組分、成分、載體、劑型、材料、尺寸、零件、部件、機構、裝置、步驟、工序、方法、反應條件、加工條件、參數、算法、信號、數據、產品或製品等)，應被解釋為不僅包括明確列出的某技術特徵要素，還可以包括未明確列出的本領域公知的其它技術特徵要素。
42.術語「由
……
組成」表示排除任何未明確列出的技術特徵要素。若將該術語用於權利要求中，則該術語將使權利要求成為封閉式，使其不包含除明確列出的技術特徵要素以外的技術特徵要素，但與其相關的常規雜質除外。如果該術語只是出現在權利要求的某子句中，那麼其僅限定在該子句中明確列出的要素，其他子句中所記載的要素並不被排除在整體權利要求之外。
43.術語「質量份」是表示多個組分之間的質量比例關係，例如：如果描述了x組分為x質量份、y組分為y質量份，那麼表示x組分與y組分的質量比為x:y；1質量份可表示任意的質
量，例如：1質量份可以表示為1kg也可表示3.1415926kg等。所有組分的質量份之和並不一定是100份，可以大於100份、小於100份或等於100份。除另有說明外，本文中所述的份、比例和百分比均按質量計。
44.除另有明確的規定或限定外，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如：可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本文中的具體含義。
45.當濃度、溫度、壓力、尺寸或者其它參數以數值範圍形式表示時，該數值範圍應被理解為具體公開了該數值範圍內任何上限值、下限值、優選值的配對所形成的所有範圍，而不論該範圍是否被明確記載；例如，如果記載了數值範圍「2～8」時，那麼該數值範圍應被解釋為包括「2～7」、「2～6」、「5～7」、「3～4和6～7」、「3～5和7」、「2和5～7」等範圍。除另有說明外，本文中記載的數值範圍既包括其端值也包括在該數值範圍內的所有整數和分數。
46.術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述和簡化描述，而不是明示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本文的限制。
47.下面將結合附圖對本發明實施例作進一步地詳細描述。
48.實施例一
49.如圖1所示，一種基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置，包括發射端1和接收端2，當然發射端1還包括集總參數元件與饋源，接收端2還包括集總參數元件與負載。
50.集總參數元件包括集總參數電容器件和電感器件，所述集總參數電容器件和電感器件的元件值應根據需要選擇以確保結構的諧振。這屬於公知的技術不再贅述。
51.本例中，如圖2所示，所述的發射端1和接收端2的電磁線圈3均包括：兩層平行設置的多臂螺旋金屬層31與設於兩層金屬間的絕緣介質基板32。螺旋金屬層31由銅等良導電材料製成。
52.如圖3與4所示，所述的多臂螺旋金屬層31由多支臂螺旋金屬線311由共同的圓心由內向外同步螺旋展開；為描述方便可以定義為圖3為正面，圖4為背面。多支臂螺旋金屬線311的螺旋臂的條數為2至8條，更多也可以，也是本專利的保護範圍，不過可能結構上過於複雜。優選4條，即可達到專利的效果也保證結構儘量的簡單。
53.所述的螺旋金屬線311的線寬0.5～3mm；間距0.5～10mm；厚度25～2000um。
54.所述的螺旋金屬線311一般的螺旋圈數為2至20圈，依據外形尺寸與線寬間距的不同可以自行設計選取。本例，優選4.75圈。
55.同時，依據結構尺寸，一般的電磁線圈3為圓形則半徑為20mm至100mm，或電磁線圈3為方形尺寸為20
×
20mm至100
×
100mm，優選的半徑為50mm圓形。
56.如圖3與4所示，所述的兩層多臂螺旋金屬層31結構相同，兩層間對應的各條螺旋金屬線311在同一方向的平面投影重疊，對圖3與圖4則可以認為螺旋臂繞向相反。同時，且
相互重疊的兩層所述的螺旋金屬線311內端在圓心處短路連接，外端在邊緣分別短路連接。
57.如圖3與4所示，所述的螺旋金屬線311的間距是等間距的；或者；如圖5與6所示，所述的螺旋金屬線311的間距等差增加或等差減少。
58.同時，所述的絕緣介質基板32適用介質損耗角正切值小於等於0.001的材料。如所述絕緣介質基板32的型號為羅傑斯rogers rt/duroid 5880(tm)、泰康利tly-5、特氟龍或及其他介質損耗角正切值小於等於0.001的材料。絕緣介質基板32的厚度為0.5～5mm。
59.羅傑斯(rogers)rt/duroid 5870、rt/duroid 5880高頻板材料是ptfe(含隨機填充玻璃或陶瓷)的複合層壓板，具有低介電常數(dk)的特點，可提供出色的高頻性能。材料中填加的隨機微玻纖確保產品具有出眾的dk均勻性。
60.泰康利tly-5也是一種高頻線路板材料。
61.所述的兩層所述的螺旋金屬線311其中一層的內端分別設有集總參數電容5。所述集總參數電容5的容值均為6.8pf
62.如圖7與8所示，本例給出優選的例子，電磁線圈3圓形半徑為50mm；其上螺旋金屬線311佔用的範圍為半徑48mm，螺旋金屬線311的螺旋臂的條數為4條，分別為311-1，311-2，311-3與311-4，螺旋圈數為4.75圈，螺旋金屬線311的線寬1.25mm；間距1mm；厚度35um。
63.相互重疊的兩層所述的螺旋金屬線311內端在圓心處短路連接，具體的在中心處的過孔6短路連接；外端在邊緣分別短路連接，具體通過邊緣的其它的4個過孔6短路連接，邊緣的過孔6分別為6-1，6-2，6-3與6-4。
64.具體的如圖3與圖7所示，其中一面，也就是其中一層，這一面的螺旋金屬線311內端分別設有集總參數電容5，為描述方便，已經定義為正面，其中心為十字連接結構，十字連接結構的四個分枝長度為6mm；分別連接4條螺旋金屬線311的螺旋臂，十字連接結構的每一個分枝上設有集總參數電容5。
65.具體的如圖4與圖8所示，其中另一面，也就是其中另一層，已經定義為背面，其中心為圓環結構，圓環結構內圓半徑2.2mm，外圓半徑4.6mm；外圓邊緣十字延伸分別連接4條螺旋金屬線311的螺旋臂。具體饋電結構如圖9所示，上方的結構為微波領域的通用饋源sma接頭4，sma接頭4的內針和周圍四腳分別為相互絕緣的兩極，sma接頭4的內針與中心的過孔6相連接，而所述過孔6又連接至正面的螺旋金屬線311的四條螺旋臂，sma接頭4的周圍四腳與所述圓環結構相連接，而所述圓環結構又連接至背面的螺旋金屬線311的四條螺旋臂。因此，最終能夠實現對上下兩層平面多臂螺旋結構的中心饋電。
66.同時，本例中，所述的電磁線圈3的螺旋金屬層31螺旋形狀為圓形或多邊形。如圖10所示，為方形，雙螺旋臂，其它形狀不再列舉。
67.實施例二
68.參考圖1至9，本例的基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置，為了製作方便，還可以實現實施例一的所有結構特徵，所述的電磁線圈3為印刷線路板pcb；pcb介質基板為絕緣介質基板32，通過刻蝕工藝於pcb介質基板刻蝕多支臂螺旋金屬線311；所述的螺旋金屬線311內端在圓心處短路連接通過pcb過孔6實現，外端在邊緣分別短路連接通過pcb過孔6實現。
69.所述的螺旋金屬線311的線寬1～2mm；間距2～5mm；厚度35～70um。
70.優選的，如圖11所示，也就是最佳的，依據常用的pcb板，板厚的1mm，螺旋金屬線
311的線寬1.25mm；間距1mm；厚度35um。
71.如圖12所示，是本發明的一種基於平面四臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置的hfss仿真傳輸效率隨傳輸距離變化的折線圖。
72.可見，本技術提供了一種基於平面多臂螺旋結構的無線電磁能量傳輸裝置，該裝置包括發射端與接收端。通過調節螺旋臂的數目、寬度及間距，該裝置可在一定距離上實現高傳輸效率的無線電磁能量傳輸，其中在10cm
×
10cm
×
1mm的尺寸和10cm的傳輸距離下，達到了70％的傳輸效率，相較上述論文結果提升了40％，有效的解決了目前小尺寸磁耦合式無線電磁能量傳輸裝置傳輸效率低的缺點。
73.以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。