一種基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線電能傳輸系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的電氣設(shè)備遍布世界的每一個角落，極大地方便了人們的生產(chǎn)和生活。然而，電能傳輸主要利用金屬導(dǎo)線，這種“有線”傳輸在電氣設(shè)備日益增多的今天，弊端越來越明顯。導(dǎo)線的摩擦、老化和裸露等，容易產(chǎn)生接觸火花，降低用電設(shè)備的安全性與可靠性;復(fù)雜龐大的導(dǎo)線排布占用大量空間資源，并且影響了移動設(shè)備的靈活性;近年來，作為科技發(fā)展新方向的無線傳感器、無線終端設(shè)備、人體植入醫(yī)療設(shè)備等方面的應(yīng)用，更是由于受到傳統(tǒng)電能供給方式的限制而陷入了發(fā)展瓶頸。由于上述“有線”電能傳輸?shù)墓逃腥毕?，人們對移動及植入式電子設(shè)備的供電提出了更高的要求，開始逐漸將目光投向到無線電能傳輸技術(shù)。
[0003]無線電能傳輸技術(shù)根據(jù)傳輸機理的不同，可分為輻射型與非輻射型兩種。與利用了遠(yuǎn)場輻射特性的輻射型無線電能傳輸技術(shù)不同，非輻射型無線電能傳輸技術(shù)是依靠電磁場近場的感應(yīng)、親合或遂穿效應(yīng)而實現(xiàn)的一種無線電能傳輸方式。其中，磁親合諧振式無線電能傳輸技術(shù)更是突破了早期基于電磁感應(yīng)技術(shù)傳輸距離極短的限制，從而具有更強的實際應(yīng)用價值。然而該技術(shù)仍存在一些技術(shù)瓶頸。例如，傳統(tǒng)實現(xiàn)多目標(biāo)無線供電一般利用相控陣陣列天線技術(shù)，該技術(shù)雖然可以在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)多點磁場分布，但是復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，增加了設(shè)計難度，同時也降低了實用性。因此，如何利用平板陣列天線實現(xiàn)不需要復(fù)雜饋電網(wǎng)絡(luò)的多點磁場分布，就成為一個亟待解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種利用特異材料實現(xiàn)不需要復(fù)雜饋電網(wǎng)絡(luò)的多點磁場分布的非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案
[0006]—種基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)由非諧振激勵線圈、特異材料和非諧振接收線圈組成，特異材料(2)設(shè)置于非諧振激勵線圈(I)和非諧振接收線圈(3)之間；
[0007]所述的非諧振激勵線圈連接電壓源或者其他激勵源，
[0008]所述的非諧振接收線圈連接負(fù)載或者其他儲能設(shè)備，
[0009]所述的特異材料由介質(zhì)板以及介質(zhì)板上設(shè)置的加載集總電容的金屬諧振環(huán)陣列組成；
[0010]非諧振激勵線圈、特異材料以及非諧振接收線圈之間利用磁場近場相互耦合來進行無線電能傳輸，非諧振接收線圈在特異材料不同位置處接收效率不同。
[0011]所述的非諧振激勵線圈和特異材料組合結(jié)構(gòu)是具有多點磁場近場分布的驅(qū)動天線，其中，特異材料中金屬諧振環(huán)的個數(shù)不少于19個。
[0012]所述的介質(zhì)板為FR_4環(huán)氧樹脂制成的介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.6;(介質(zhì)板厚度只影響特異材料的工作頻率和器件的尺寸，不影響特異材料的性質(zhì)，可任意厚度)作為一個具體的實施方案，本發(fā)明介質(zhì)板厚度為1mm。
[0013]同樣，作為一個具體的實施方案，特異材料的結(jié)構(gòu)大小為240mmX240mm(結(jié)構(gòu)大小與特異材料中金屬諧振環(huán)的大小和個數(shù)有關(guān)，金屬諧振環(huán)越大或者個數(shù)越多結(jié)構(gòu)就越大)；金屬諧振環(huán)外徑為13_，內(nèi)徑為11.5_，厚度為0.0175mm，開口狹縫為1.5_，環(huán)與環(huán)之間的距離為13.5mm;集總電容為表面封裝貼片電容元件，電容數(shù)值大小為15pf (電容數(shù)值大小只影響特異材料的工作頻率，不影響其性質(zhì)，可任意大小)；非諧振激勵線圈及接收線圈均由繞線直徑為30mm，橫截半徑為Imm圓形金屬銅線環(huán)構(gòu)成。非諧振激勵線圈和接收線圈可任意匝數(shù)，本發(fā)明采用單匝線圈。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0015](I)可以通過二維金屬諧振環(huán)陣列這一簡化的平面型特異材料，實現(xiàn)圓斑、雪花、同心圓等多點磁場分布形態(tài)，有利于大面積、多目標(biāo)無線供電等實際應(yīng)用。
[0016](2)該系統(tǒng)不會造成能量浪費，即接收線圈位置確定時，通過調(diào)控頻率變換特異材料磁場模式，實現(xiàn)能量的定點、多點傳輸。
[0017](3)特異材料的深亞波長特性有利于非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)的小型化、集成化。
[0018](4)本發(fā)明工藝簡單，成本低廉。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明無線電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為特異材料的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0021]圖3為特異材料的實物照片:(a)結(jié)構(gòu)正面，(b)局部放大圖，(C)結(jié)構(gòu)背面非諧振激勵線圈；
[0022]圖4為仿真計算(a)和實驗測試(b)得到的特異材料的反射系數(shù)；
[0023]圖5為通過計算得到的特異材料的二維色散曲線；
[0024]圖6為距離特異材料正上方0.5cm處，在不同工作頻率下，仿真計算(a)和實驗測試(b)得到的磁場強度分布圖；
[0025]圖中，I為非諧振激勵線圈，2為特異材料，3為非諧振接收線圈，4為介質(zhì)板，5為金屬諧振環(huán)，6為集總電容。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
[0027]實施例
[0028]本發(fā)明涉及一種基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，主要由非諧振激勵線圈I，特異材料2，非諧振接收線圈3組成。非諧振激勵線圈I與非諧振接收線圈3位于特異材料2所在平面的兩側(cè)。非諧振激勵線圈1、特異材料2以及非諧振接收線圈3通過磁場近場相互耦合來進行無線電能傳輸;特異材料的電磁模式，在不同頻率下，可以呈現(xiàn)出豐富的場強空間分布狀態(tài)。非諧振激勵線圈I與非諧振接收線圈3均為非諧振圓形金屬銅線環(huán)。
[0029]特異材料2由介質(zhì)板4以及加載集總電容6的金屬諧振環(huán)5組成;非諧振激勵線圈1、非諧振接收線圈3分別置于特異材料兩側(cè)。
[0030]介質(zhì)板4為FR_4環(huán)氧樹脂制成的介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.6，板厚為Imm;金屬諧振環(huán)5外徑為13mm，內(nèi)徑為11.5mm，厚度為0.0175mm，開口狹縫為1.5mm，環(huán)與環(huán)之間的距離為13.5mm;集總電容6數(shù)值大小為15pf;非諧振激勵線圈I及接收線圈3均由繞線直徑為30mm，橫截半徑為Imm圓形金屬銅線環(huán)構(gòu)成。
[0031]采用本發(fā)明非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)通過電磁場全場仿真和實驗測試得到的系統(tǒng)的反射譜線，如圖4所示。仿真和實驗的頻率范圍為200MHz?450MHz。從圖中可以看出，平面金屬諧振環(huán)陣列親合形成一個比較寬的通帶，能帶寬度約為90MHz。此外，通帶內(nèi)存在多個共振模式，選取的5個目標(biāo)頻率點就包含在其中。
[0032]采用本發(fā)明非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)通過理論計算得到的系統(tǒng)的二維色散曲線，如圖5所示。圖中標(biāo)識的5條不同曲線分別對應(yīng)5個不同的頻率，分別為:0.935(0()，0.95300，0.998 ω ο，I.135 ω ο，I.243 ω O。( ω ο為加載集總電容6的金屬諧振環(huán)5的工作頻率，大小為324ΜΗζ)ο
[0033]采用本發(fā)明非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)通過電磁場全場仿真得到的距離特異材料
0.5 cm處的磁場分布，如圖6 (a)所不。從中可以很明顯的看到，5個頻率點所對應(yīng)的磁場分布各不相同，有圓斑、雪花、同心圓等多點磁場分布形態(tài)。這是由于每個諧振單元具有很小的電尺寸(1/100于工作波長)，所以可以激發(fā)出深亞波長的磁共振模式。其中在0.935W0頻率點處，由于帶邊效應(yīng)，較為均勻的磁場分布可以被觀察到，均勻場強面積占到整個樣品面積的80%以上。
[0034]本發(fā)明通過實驗測試得到的距離特異材料0.5cm處的磁場分布，如圖6(b)所示。我們在24cmX 24cm(樣品的尺寸)的范圍內(nèi)等間距掃描了49 X49個格點。從圖中可以看出，通帶內(nèi)不同頻率電磁模式呈現(xiàn)出豐富的場強空間分布狀態(tài)。
[0035]因此，這種基于特異材料的非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)在移動設(shè)備，植入式醫(yī)療設(shè)備，電動汽車大面積、多目標(biāo)的無線供電等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項】
1.一種基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，該無線電能傳輸系統(tǒng)由非諧振激勵線圈(I)、特異材料(2)和非諧振接收線圈(3)組成，特異材料(2)設(shè)置于非諧振激勵線圈(I)和非諧振接收線圈(3)之間； 所述的非諧振激勵線圈(I)連接電壓源或者其他激勵源， 所述的非諧振接收線圈(3)連接負(fù)載或者其他儲能設(shè)備， 所述的特異材料(2)由介質(zhì)板(4)以及介質(zhì)板(4)上設(shè)置的加載集總電容(6)的金屬諧振環(huán)(5)陳列組成； 非諧振激勵線圈(I)、特異材料(2)以及非諧振接收線圈(3)之間利用磁場近場相互耦合來進行無線電能傳輸，非諧振接收線圈在特異材料不同位置處接收效率不同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述的非諧振激勵線圈(I)和特異材料(2)組合結(jié)構(gòu)是具有多點磁場近場分布的驅(qū)動天線，特異材料(2)中金屬諧振環(huán)(5)的個數(shù)不少于19個。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述的特異材料(2)結(jié)構(gòu)大小為240mm X 240mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述的介質(zhì)板(4)為FR_4環(huán)氧樹脂制成的介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.6，厚度為1_。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述的金屬諧振環(huán)(5)外徑為13_，內(nèi)徑為11.5_，厚度為0.0175mm，開口狹縫為1.5_，環(huán)與環(huán)之間的距離為13.5mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述的集總電容(6)為表面封裝貼片電容元件，電容數(shù)值大小為15pf。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述的非諧振激勵線圈(I)及非諧振接收線圈(3)繞線直徑均為30_，橫截半徑為Imm圓形金屬銅線環(huán)。
【專利摘要】一種基于特異材料的多目標(biāo)非輻射無線電能傳輸系統(tǒng)，由非諧振激勵線圈、特異材料(由介質(zhì)板以及加載集總電容的金屬諧振環(huán)構(gòu)成)、非諧振接收線圈組成。非諧振激勵線圈、特異材料以及非諧振接收線圈之間利用磁場近場相互耦合來進行無線電能傳輸。加載集總電容的金屬諧振環(huán)間耦合可形成特殊通帶，通帶內(nèi)不同頻率電磁模式呈現(xiàn)出豐富的場強空間分布狀態(tài)。該發(fā)明通過探測負(fù)載所在位置以此來決定特異材料中哪些諧振環(huán)工作，因此不會造成能量浪費；該發(fā)明利用二維金屬諧振環(huán)陣列這一簡化的平面型特異材料，可實現(xiàn)圓斑、雪花、同心圓等多點磁場分布形態(tài)，有利于多目標(biāo)無線供電等應(yīng)用；該發(fā)明中的特異材料具有深亞波長特性，有利于器件的小型化和集成化。
【IPC分類】H02J50/10, H02J50/50
【公開號】CN105515213
【申請?zhí)枴緾N201610040214
【發(fā)明人】陳永強, 董麗娟, 劉艷紅, 劉麗想, 鄧富勝, 石云龍
【申請人】山西大同大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2016年1月21日