本發(fā)明屬于電工新技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于13.56MHz超材料的無(wú)線電能傳輸裝置。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的用電器的充電和供電技術(shù)主要是靠導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行，這種方式不夠便捷，在某些情況下存在安全隱患。1889年物理學(xué)家特斯拉最早開始無(wú)線電能傳輸技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，百年來(lái)早期無(wú)線電能傳輸技術(shù)集中在電磁感應(yīng)式無(wú)線充電領(lǐng)域，感應(yīng)式無(wú)線充電裝置的電能傳輸距離較短，只能達(dá)到幾毫米或幾厘米的范圍，該特點(diǎn)使得傳統(tǒng)的感應(yīng)式充電應(yīng)用具有很大的局限性。2007年以來(lái)新型的電磁諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的興起，大大提高了無(wú)線電能傳輸裝置的有效傳輸距離，但是該方法在較遠(yuǎn)的傳輸距離下，裝置傳輸效率急劇下降，很難做到較遠(yuǎn)的傳輸距離和高效的傳輸效率兼顧。同時(shí)，電能傳輸裝置的發(fā)散磁場(chǎng)對(duì)周圍環(huán)境可能存在較大的電磁污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于13.56MHz超材料的無(wú)線電能傳輸裝置，旨在解決由于線圈激發(fā)的磁場(chǎng)隨距離呈指數(shù)衰減現(xiàn)有的無(wú)線電能傳輸裝置中無(wú)法兼顧較遠(yuǎn)的傳輸距離和高效的傳輸效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種基于13.56MHz超材料的無(wú)線電能傳輸裝置，包括第一饋電線圈、發(fā)射線圈、超材料、接收線圈和第二饋電線圈。

第一饋電線圈，用于當(dāng)接通中心頻率為13.56MHz的射頻電源時(shí)，產(chǎn)生頻率為13.56MHz的第一交變磁場(chǎng)；

發(fā)射線圈，與第一饋電線圈同軸布置，通過與第一饋電線圈電磁耦合，在發(fā)射線圈中激發(fā)產(chǎn)生并輻射第二交變磁場(chǎng)；

超材料，與發(fā)射線圈同軸布置，對(duì)發(fā)射線圈輻射第二交變磁場(chǎng)進(jìn)行聚焦；

接收線圈，與超材料同軸布置，經(jīng)由超材料聚焦后的第二交變磁場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生并輻射第三交變磁場(chǎng)；

第二饋電線圈，與接收線圈同軸布置，通過與接收線圈電磁耦合，在第二饋電線圈產(chǎn)生交變電流。

在第一饋電線圈中注入13.56MHz高頻交流電，在第一饋電線圈中產(chǎn)生13.56MHz的第一交變磁場(chǎng)，發(fā)射線圈在第一饋電線圈產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生并輻射第二交變磁場(chǎng)，當(dāng)?shù)诙蛔兇艌?chǎng)發(fā)射到超材料上，超材料改變第二交變磁場(chǎng)的分布，實(shí)現(xiàn)將入射的第二交變磁場(chǎng)聚焦，使得發(fā)射線圈與接收線圈的耦合強(qiáng)度增加，使得發(fā)射線圈與接收線圈的能量傳輸效率增大，由第二交變磁場(chǎng)在接收線圈中激發(fā)并產(chǎn)生第三交變磁場(chǎng)，第二饋電線圈通過與接收線圈電磁耦合，由第三交變磁場(chǎng)在第二饋電線圈中產(chǎn)生交變電流，通過第二饋電線圈與負(fù)載連接，實(shí)現(xiàn)向負(fù)載傳輸電能，由于超材料增加了發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合強(qiáng)度，使得在增大發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離的時(shí)，能量傳輸效率不會(huì)驟減，無(wú)線電能傳輸裝置能夠兼顧大的傳輸距離增大和高的能量傳輸效率。

進(jìn)一步地，超材料包括多個(gè)呈陣列式排列的超材料單元，超材料單元包括諧振線圈、介質(zhì)基板和諧振電容；

諧振電容與諧振線圈連接，諧振線圈固定在介質(zhì)基板的一面，諧振電容固定在介質(zhì)基板的另一面；

諧振線圈為呈平面方形螺旋狀的金屬線，線圈圈數(shù)為2～6圈，金屬線寬度為0.5mm～5.0mm，金屬線間距為0.2mm～4.0mm；諧振電容的大小為10pF～100pF。

當(dāng)?shù)诙蛔兇艌?chǎng)入射到超材料上，超材料中的諧振線圈與諧振電容發(fā)生電磁反應(yīng)，使得超材料呈現(xiàn)等效的負(fù)磁導(dǎo)率，具有負(fù)磁導(dǎo)率的超材料能放大入射磁場(chǎng)的倏逝場(chǎng)部分，使得傳輸通道內(nèi)空間磁場(chǎng)分布得到人工調(diào)控，達(dá)到磁場(chǎng)聚焦的效應(yīng)，超材料的工作頻率由諧振線圈的等效電感以及諧振電容的大小決定，通過控制諧振線圈為平面方形螺旋狀的金屬線，控制線圈圈數(shù)為2～6圈，金屬線寬度為0.5mm～5mm，金屬線間距為0.2mm～4mm，實(shí)現(xiàn)控制諧振線圈的等效電感，使得在向超材料的工作頻率為13.55MHz～14.47MHz，使得接收線圈耦合到更多的磁場(chǎng)能量，發(fā)射線圈和接收線圈的耦合強(qiáng)度增加，無(wú)線電能傳輸裝置能夠兼顧大的傳輸距離增大和高的能量傳輸效率。

進(jìn)一步地，超材料中諧振電容為高頻貼片電容，高頻貼片電容體積小，能夠有效降低無(wú)線電能傳輸裝置的體積。

進(jìn)一步地，超材料中諧振電容的大小為39pF，諧振線圈中金屬線的寬度為3.0mm，金屬線的間距為2.0mm，超材料的工作頻率在13.56MHz，該頻率為ISM標(biāo)準(zhǔn)頻率，有利于將超材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

進(jìn)一步地，超材料中介質(zhì)基板為環(huán)氧樹脂介質(zhì)基板，環(huán)氧樹脂易成型，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量大、耐腐蝕性好、電性能優(yōu)異，能夠降低超材料的制作成本。

進(jìn)一步地，金屬線為銅線，選用銅線可以采用PCB板印刷技術(shù)加工該超材料，有利于將超材料產(chǎn)業(yè)化。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的13.56MHz無(wú)線電能傳輸裝置，通過在發(fā)射線圈和接收端線圈之間加入超材料，實(shí)現(xiàn)改變發(fā)射線圈輻射的13.56MHz的交變磁場(chǎng)分布并將其聚焦，使得接收線圈遠(yuǎn)距離情況下能夠接收到更躲由發(fā)射線圈輻射的磁場(chǎng)能，實(shí)現(xiàn)13.56MHz無(wú)線電能傳輸裝置能夠在長(zhǎng)距離下高效率的傳輸電能。

2、本發(fā)明提供的基于13.56MHz超材料的無(wú)線電能傳輸裝置能在100W以下的功率、13.56MHz的頻率條件下進(jìn)行電能的無(wú)線傳輸，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，便于操作，電磁輻射較低，13.56MHz電源是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)電源，該頻段源能夠廣泛應(yīng)用于可移動(dòng)便攜式電子設(shè)備無(wú)線充電和中小功率用電器的無(wú)線供電，使得無(wú)線充電的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用成為可能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的基于13.56MHz超材料的無(wú)線電能傳輸裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中超材料的工作原理圖；

圖3是本發(fā)明中發(fā)射線圈和接收線圈距離固定為30cm時(shí)，超材料位于發(fā)射線圈和接收線圈中不同位置時(shí)，裝置能量傳輸效率變化規(guī)律圖；

圖4是本發(fā)明裝置在超材料位于發(fā)射線圈和接收線圈中間位置時(shí)，能量傳輸效率隨傳輸距離的變化關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供的13.56MHz無(wú)線電能傳輸裝置，包括第一饋電線圈，在注入中心頻率為13.56MHz交變電流后，產(chǎn)生頻率為13.56MHz的第一交變磁場(chǎng)，第一饋電線圈與發(fā)射線圈同軸布置，通過第一饋電線圈與發(fā)射線圈電磁耦合，在發(fā)射線圈激發(fā)并輻射第二交變磁場(chǎng)，發(fā)射線圈與超材料同軸，使得第二交變磁場(chǎng)射入超材料上，超材料能夠改變頻率為14.56MHz的第二交變磁場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)由發(fā)射線圈輻射的頻率為13.56MHz的第二交變磁場(chǎng)聚焦，增加了發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合強(qiáng)度，使得接收線圈在距離發(fā)射線圈較遠(yuǎn)的而距離下仍能夠耦合到更多電磁能，超材料與接收線圈同軸，聚焦后的第二交變磁場(chǎng)在接收線圈內(nèi)激發(fā)并輻射第三交變磁場(chǎng)，接收線圈與第二饋電線圈同軸，接收線圈通過電磁耦合在第二饋電線圈中產(chǎn)生交變電流，并通過與負(fù)載連接實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載傳輸電能，由于超材料增加了發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合強(qiáng)度，使得本發(fā)明提供的無(wú)線電能傳輸裝置能夠兼顧遠(yuǎn)的傳輸距離和高的傳輸效率。

如圖1所示，本發(fā)明提供的13.56MHz無(wú)線電能傳輸裝置的第一實(shí)施例，包括第一饋電線圈2，為開口圓環(huán)形銅線圈，通過向第一饋電線圈2中注入頻率為13.56MHz的交流電，使得第一饋電線圈2中輸出頻率在13.56MHz的第一交變磁場(chǎng)，第一饋電線圈2與發(fā)射線圈3同軸布置，第一饋電線圈2與發(fā)射線圈3電磁耦合，使得發(fā)射線圈3產(chǎn)生并輻射頻率為13.56MHz的第二交變磁場(chǎng)，發(fā)射線圈3為平面方形螺旋線，銅線規(guī)格為線徑1.0mm～2.5mm，銅線繞制于基板表面，發(fā)射線圈3與超材料5同軸布置，超材料5與接收線圈6同軸布置，超材料5包括多個(gè)呈陣列排列的超材料單元，超材料單元包括諧振線圈51、介質(zhì)基板52以及諧振電容53，諧振線圈51與諧振電容53連接，諧振線圈51固定在介質(zhì)基板52的一面，諧振電容53固定在介質(zhì)基板52的另一面，頻率為13.56MHz的第二交變磁場(chǎng)射入超材料5表面，每個(gè)超材料單元中諧振線圈與諧振電容產(chǎn)生電磁響應(yīng)，使得電磁波的反射和透射具有一定規(guī)律，對(duì)外宏觀上展現(xiàn)出在電磁波的頻率在工作頻率時(shí)超材料具有等效的負(fù)磁導(dǎo)率特性，具有等效的負(fù)磁導(dǎo)率特性的超材料能放大入射磁場(chǎng)的倏逝場(chǎng)部分，使得磁場(chǎng)分布得到人工調(diào)控，達(dá)到磁場(chǎng)聚焦的效應(yīng)，諧振線圈為呈平面方形螺旋狀的金屬線，線圈圈數(shù)為2～6圈，金屬線寬度為0.5mm～5.0mm，金屬線間距為0.2mm～4.0mm，諧振電容的大小為10pF～100pF，使得超材料在13.55MHz～14.47MHz具有等效的負(fù)磁導(dǎo)率特性，增加了發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合強(qiáng)度，接收線圈能夠接收到更多的由發(fā)射線圈輻射的第二交變磁場(chǎng)中磁場(chǎng)能量，使得在增大發(fā)射線圈與接收線圈之間距離同時(shí)能夠提高能量傳輸效率。接收線圈6與第二饋電線圈7同軸布置，接收線圈6通過電磁耦合將其中的電磁能傳輸給第二饋電線圈7，在第二饋電線圈7內(nèi)產(chǎn)生交變電流，接收線圈6為平面方形螺旋銅線圈，銅線規(guī)格為線徑1.0mm～2.5mm，銅線繞制于基板表面；第二饋電線圈7通過與負(fù)載連接，實(shí)現(xiàn)向負(fù)載傳輸電能。負(fù)載可以是阻抗50歐的常用負(fù)載裝置，包括燈泡負(fù)載、電池組負(fù)載、可變電子負(fù)載等。

本發(fā)明提供的13.56MHz無(wú)線電能傳輸裝置的第二實(shí)施例種，超材料包括多個(gè)呈陣列排列的超材料單元，超材料單元包括諧振線圈，諧振線圈為平面方形螺旋形金屬線，線圈圈數(shù)為4圈，金屬線的寬度為3.0mm，金屬線的間距為2.0mm，金屬線為銅線，介質(zhì)基板為介質(zhì)基板為環(huán)氧樹脂介質(zhì)基板，環(huán)氧樹脂易成型，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量大、耐腐蝕性好、電性能優(yōu)異，能夠降低超材料的制作成本，諧振線圈固定在介質(zhì)基板的一面，可以采用PCB板印刷技術(shù)加工該超材料，諧振電容為高頻貼片電容，高頻貼片電容體積小，能夠有效降低無(wú)線電能傳輸裝置的體積，諧振電容與諧振線圈連接，諧振電容固定在介質(zhì)基板的另一面，諧振電容的大小為39pF，超材料的工作頻率在13.56MHz，該頻率為ISM標(biāo)準(zhǔn)頻率，有利于將超材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

根據(jù)斯涅耳定律，入射磁場(chǎng)從空氣中入射到超材料上時(shí)，由于超材料具有等效負(fù)磁導(dǎo)率，入射分量和折射分量位于法線同側(cè)，透射場(chǎng)具有會(huì)聚效應(yīng)，圖2(a)所示，當(dāng)入射磁場(chǎng)A從空氣射入到超材料時(shí)，并沒有沿著C折射過去，而是與入射磁場(chǎng)A在同一側(cè)，沿著B折射出去，實(shí)現(xiàn)對(duì)透射場(chǎng)的會(huì)聚；圖2(b)為超材料的工作作用原理，當(dāng)磁力線從接收線圈1發(fā)射穿過超材料2時(shí)，如果不加超材料，磁力線會(huì)沿著虛線a1、虛線a2發(fā)散出去，而如果加載超材料，由于負(fù)磁導(dǎo)率的超材料對(duì)于透射場(chǎng)有匯聚作用，磁力線會(huì)沿著實(shí)線b1、實(shí)線b2發(fā)射出去，通過超材料實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈與接收線圈在更遠(yuǎn)的傳輸距離傳輸更多能量。

在本發(fā)明提供的13.56MHz的無(wú)線電能傳輸裝置的第一實(shí)施例中，發(fā)射線圈3和接收線圈6傳輸距離固定為30cm,超材料位于發(fā)射線圈3和接收線圈6的中間，此時(shí)傳輸效率為52.3％，將超材料放置于發(fā)射線圈和接收線圈之間不同位置，無(wú)線電能傳輸裝置傳輸效率不同，裝置能量傳輸效率變化規(guī)律如圖3所示，理論值為仿真數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)值為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從圖中可以得知，理論值和實(shí)驗(yàn)值均呈現(xiàn)中間高、兩邊低的規(guī)律。

在本發(fā)明提供的13.56MHz的無(wú)線電能傳輸裝置的第一實(shí)施例中，在傳輸距離大于15cm時(shí)，加入超材料的無(wú)線電能裝置的傳輸效率總是高于未加入超材料的無(wú)線電能裝置的傳輸效率。本發(fā)明提供的加入有超材料的無(wú)線電能傳輸裝置在傳輸距離由10cm～50cm變化時(shí)，無(wú)線電能傳輸裝置能量傳輸效率變化規(guī)律如圖4所示，理論值為仿真數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)值為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在傳輸距離為30cm時(shí)，加入有超材料的無(wú)線電能傳輸裝置傳輸效率為52.3％，未加入超材料的無(wú)線電能傳輸裝置傳輸效率為10.6％，效率提升值達(dá)到41.7％，傳輸效率提升最大。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。