一種無線能量傳輸系統的制作方法

專利名稱：一種無線能量傳輸系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及無線能量傳輸領域，具體地涉及一種基于磁共振原理的無線能量傳輸系統。
背景技術：
目前，無線能量傳輸技術主要基于三種原理，分別是電磁感應式、磁共振式以及輻射式，電磁感應式(非接觸感應式)電能傳輸電路的基本特征是原副邊電路分離，原邊電路與副邊電路之間有一段空隙，通過磁場耦合感應相聯系。電磁感應式的特點是有較大氣隙存在，使得原副邊無電接觸，彌補了傳統接觸式電能的固有缺陷；但是，較大氣隙的存在也 使得系統漏磁與激磁相當，甚至比激磁高；因此，基于磁感應技術的原因，充電線圈基板與接收線圈基板之間的實際有效充電空間距離大約為5mm，當兩者之間的空間距離超過5mm時則無法進行充電工作。磁共振式(又稱WiTricity技術)是由麻省理工學院(MIT)物理系、電子工程、計算機科學系，以及軍事奈米技術研究所(Institute for Soldier Nanotechnologies)的研究人員提出的。系統采用兩個相同頻率的諧振物體產生很強的相互耦合，能量在兩物體間交互，利用線圈及放置兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實現能量的無線傳輸。2007年6月，來自麻省理工學院的研究人員通過電磁線圈實現了距離2米的60W電力的傳輸，他們采用了全新的思考方式，采用了兩個能夠實現共振的銅線圈，依靠共振進行能量的傳輸。磁共振式雖然能實現較長距離的能量傳輸，但是其傳輸效率較低。福射式又分為無線電波式、微波方式、激光方式等，如，Powercast公司基于無線電波式研制出可以將無線電波轉化成直流電的接收裝置，可在約I米范圍內為不同電子裝置的電池充電。其缺點是能夠傳輸的能量小，應用范圍有限。超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。超材料的性質和功能主要來自于其內部的結構而非構成它們的材料，因此，為設計和合成超材料，人們進行了很多研究工作。2000年，加州大學的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開環共振器(SRR)的復合結構可以實現介電常數ε和磁導率μ同時為負的雙負材料，也稱左手材料。之后他們又通過在印刷電路板(PCB)上制作金屬線和SRR復合結構實現了二維的雙負材料。現有的負磁導率人工材料中，單個人造微結構(一般稱為cell)均為單個開口環結構或開口環的衍生結構，包括方形結構、圓形結構或多邊形結構，其微結構的尺寸很大，特別是對于低頻波段的應用，其微結構的大小達到了分米級，這使得超材料的整體體積過大，給應用帶來困難。

發明內容本發明所要解決的技術問題是基于超材料技術提供一種傳輸距離長，傳輸效率高的無線能量傳輸系統。本發明實現發明目的所采用的技術方案是，一種無線能量傳輸系統，包括電源模塊、磁共振發射模塊、磁共振接收模塊以及與磁共振接收模塊連接的負載，所述磁共振發射模塊與所述磁共振接收模塊之間通過共振場倏逝線的耦合進行能量傳遞，其特征在于所述磁共振發射模塊與所述磁共振接收模塊之間設置有一超材料，所述超材料具有負磁導率，所述具有負磁導率的超材料的頻率與所述磁共振發射線圈以及磁共振接收線圈的諧振頻率相同。優選地，所述超材料的磁導率為-I。具體實施時，所述超材料包括介質基板以及陣列在介質基板上的多個微結構，所述微結構為磁性微結構，所述介質基板為的介電材料，所述微結構為導電材料。 具體實施時，所述磁性微結構為開口諧振環或開口諧振環的衍生結構。
具體實施時，所述磁共振發射模塊包括發射電路、發射天線和磁共振發射線圈，所述發射電路連接所述電源模塊，所述磁共振接收模塊包括磁共振接收線圈、接收天線和接收電路，所述接收電路連接所述負載。具體實施時，所述發射電路為磁場諧振激發電路，所述磁場諧振激發電路產生一個頻率與所述磁共振發射線圈的諧振頻率相同的驅動信號，所述驅動信號由所述發射天線進行發射。具體實施時，所述接收電路為整流電路，所述整流電路將所述接收天線接收到的能量轉換為電能所需的信號輸出。具體實施時，單個所述微結構由一根金屬線通過多重繞線的方式形成多重嵌套的開口諧振環或開口諧振環的衍生結構。具體實施時，所述開口諧振環或開口諧振環的衍生結構為矩形、圓形或多邊形。具體實施時，所述單個所述微結構為5-80圈多重嵌套的開口諧振環或開口諧振環的衍生結構。具體實施時，所述電源模塊為電源轉換電路，所述電源轉換電路將交流電轉換為直流電。本發明的有益效果是，通過在無線能量傳輸系統的磁共振發射線圈和磁共振接收線圈之間設置超材料，使整個無線能量傳輸系統的能量傳輸效率得到了提高，對于整個系統而言，不但能量傳輸距離遠，接收端的設備不需要緊貼發射端，就能實現能量傳輸，并且能應用于功耗較大的用電設備上。通過對超材料的設計，以多重繞線的方式將超材料微結構設計為多重嵌套的開口諧振環或開口諧振環的衍生結構，一方面能通過繞線的圈數對諧振頻率進行調節，另一方面能極大地降低諧振頻率，減小無線能量傳輸系統對環境的影響，提高安全性能。

圖1，本發明無線能量傳輸系統的結構示意圖。圖2，超材料的整體結構示意圖。圖3，金屬銅微結構的放大圖。圖4，超材料諧振頻率的特征曲線圖。
圖5，具有超材料的無線能量傳輸系統磁場能量圖。圖6，沒有超材料的無線能量傳輸系統磁場能量圖。圖7，開口環衍生結構圖。圖8，六邊形開口環結構圖。
具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。一種無線能量傳輸系統，其系統結構示意圖參看附圖1，包括電源轉換電路I、磁場諧振激發電路2、發射天線3、磁共振發射線圈4、磁共振接收線圈5、接收天線6、整流電路7以及設置在磁共振發射線圈4和磁共振接收線圈5之間的超材料8，電源轉換電路I將交流電轉換為直流電后為磁場諧振激發電路2提供直流電源，磁場諧振激發電路2產生一個頻率與磁共振發射線圈4的諧振頻率相同的驅動信號，該驅動信號由發射天線3進行發射，整流電路7將接收天線6接收到的磁場能量轉換為電能并輸出到負載上，磁共振發射線圈4和磁共振接收線圈5之間的超材料8具有負磁導率，負磁導率條件下的超材料8的頻率與磁共振發射線圈4以及磁共振接收線圈5的諧振頻率相同，磁共振發射線圈4以及磁共振接收線圈5之間通過共振場倏逝線的耦合進行能量傳遞，由于超材料8具有負磁導率，能對磁共振發射線圈4以及磁共振接收線圈5之間的磁場起到磁場增強的作用，進而提高系統的能量傳輸效率。下面首先就如何得到負磁導率的超材料，以及如何使負磁導率條件下的超材料的頻率與磁共振發射線圈以及磁共振接收線圈的諧振頻率相同進行詳細說明。采用PCB制造技術，在環氧樹脂玻璃纖維板上覆銅，通過印刷電路的方法制備出金屬銅微結構陣列，得到超材料，超材料的整體結構示意圖參看附圖2，包括環氧樹脂玻璃纖維板101和陣列的金屬銅微結構102，金屬銅微結構102的放大圖參看附圖3，微結構102由一根首尾不相接的銅絲多重繞線而成，繞線在整體上呈正方形，繞線為37圈，線寬
O.1mm，通過仿真測試得到其諧振峰頻率為32MHz。對于開口諧振環微結構而言，在電路上可以等效為LC電路，環形金屬線等效電感
L，線間電容等效電容C，因此，根據諧振頻率的公式O)=―，對微結構進行多重繞線后，線
圈的長度增長，等效地增大了電感L，線間電容C增加，從而降低了微結構的諧振頻率，通過調整繞線的圈數可以對微結構的諧振頻率進行調節，進而可以調節整個超材料的諧振頻率。根據超材料諧振頻率的特征曲線圖，參看附圖4，從圖中可以看出，在諧振峰后面的一段頻率范圍內，超材料的磁導率為負。超材料磁導率為負的頻率段與超材料的諧振頻率密切相關，即隨著超材料諧振頻率的變化而變化，因此通過對超材料諧振頻率的調節，可以得到在負磁導率條件下頻率與無線能量傳輸系統中的磁共振發射線圈和磁共振接收線圈的諧振頻率相同的超材料。當然，通過改變微結構的形狀以及選擇合適的介質基板材料等方法，都可以對超材料的諧振頻率進行調節，從而選擇得到負磁導率條件下頻率與磁共振發射線圈和磁共振接收線圈的諧振頻率相同的超材料。下面就負磁導率的超材料對磁場的增強效果進行測試。
將上述超材料置于無線能量傳輸系統的磁共振發射線圈4和磁共振接收線圈5之間，在仿真軟件Comsol 3. 5中對其磁場增強的效果進行仿真測試，得到的磁場能量圖參看附圖5，無線能量傳輸系統在沒有加入超材料的磁場能量圖參看附圖6，對比圖5和圖6可以很明顯地看出，加入超材料后，磁場能量增加了大約3dR。由于通過超材料的加入，能增強磁共振發射線圈4和磁共振接收線圈5之間交變磁場強度，所以整個無線能量傳輸系統的能量傳輸效率得到了提高，對于整個系統而言，能量傳輸距離遠，接收端的設備不需要緊貼發射端，就能實現能量傳輸，并且能應用于功耗較大的用電設備上。對于無線能量傳輸而言，由于磁共振發射線圈4、超材料8、磁共振接收線圈5三者之間均為空氣，為提高能量傳輸效率，需要設計加入的超材料8與空氣之間具有良好的阻抗匹配，以減少能量的反射，因此，本發明選擇磁導率為-I的超材料作為磁場增強器件。出于對無線充電應用過程中對環境的安全性要求，無線充電的頻率需要盡可能的降低，從而減少對環境的電磁影響，特別是對人體的電磁影響。因此，對于無線能量傳輸系統而言，需要盡可能地降低其諧振頻率，本發明通過對超材料的設計，以多重繞線的方式將超材料微結構設計為多重嵌套的開口諧振環或開口諧振環的衍生結構，一方面能通過繞線的圈數對諧振頻率進行調節，另一方面能極大地降低諧振頻率，減小無線能量傳輸系統對環境的影響，提高安全性能。在上述實施例中，僅僅給出了一種正方形的開口環結構，應當理解的是，將開口環設計為任意多邊形、圓形或其他衍生結構，并通過多重繞線的方式將超材料微結構設計為多重嵌套的結構，均能實現本發明的有益效果。作為具體實施方式
，圖7、圖8分別給出了另外兩種超材料微結構的結構圖，圖7為八邊形開口環結構圖，圖8為矩形開口環衍生結構圖。在上述實施例中，僅對本發明進行了示范性描述，但是本領域技術人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發明的精神和范圍的情況下對本發明進行各種修改。權利要求
1.一種無線能量傳輸系統，包括電源模塊、磁共振發射模塊、磁共振接收模塊以及與磁共振接收模塊連接的負載，所述磁共振發射模塊與所述磁共振接收模塊之間通過共振場倏逝線的耦合進行能量傳遞，其特征在于所述磁共振發射模塊與所述磁共振接收模塊之間設置有超材料，所述超材料具有負磁導率，所述具有負磁導率的超材料的頻率與所述磁共振發射線圈以及磁共振接收線圈的諧振頻率相同。
2.根據權利要求I所述的無線能量傳輸系統，其特征在于所述超材料的磁導率為-I。
3.根據權利要求I所述的無線能量傳輸系統，其特征在于所述超材料包括介質基板以及陣列在介質基板上的多個微結構，所述微結構為磁性微結構，所述介質基板為介電材料，所述微結構為導電材料。
4.根據權利要求3所述的無線能量傳輸系統，其特征在于所述磁性微結構為開口諧振環或開口諧振環的衍生結構。
5.根據權利要求I所述的無線能量傳輸系統，其特征在于所述磁共振發射模塊包括發射電路、發射天線和磁共振發射線圈，所述發射電路連接所述電源模塊，所述磁共振接收模塊包括磁共振接收線圈、接收天線和接收電路，所述接收電路連接所述負載。
6.根據權利要求5所述的無線能量傳輸系統，其特征在于所述發射電路為磁場諧振激發電路，所述磁場諧振激發電路產生一個頻率與所述磁共振發射線圈的諧振頻率相同的驅動信號，所述驅動信號由所述發射天線進行發射。
7.根據權利要求5所述的無線能量傳輸系統，其特征在于所述接收電路為整流電路，所述整流電路將所述接收天線接收到的能量轉換為電能所需的信號輸出。
8.根據權利要求2所述的無線能量傳輸系統，其特征在于單個所述微結構由一根金屬線通過多重繞線的方式形成多重嵌套的開口諧振環或開口諧振環的衍生結構。
9.根據權利要求2所述的無線能量傳輸系統，其特征在于所述開口諧振環或開口諧振環的衍生結構為矩形、圓形或多邊形。
10.根據權利要求8或9所述的無線能量傳輸系統，其特征在于所述單個所述微結構為5-80圈多重嵌套的開口諧振環或開口諧振環的衍生結構。
11.根據權利要求I所述的無線能量傳輸系統，其特征在于所述電源模塊為電源轉換電路，所述電源轉換電路將交流電轉換為直流電。
全文摘要
本發明提供了一種無線能量傳輸系統，通過在無線能量傳輸系統的磁共振發射線圈和磁共振接收線圈之間設置超材料，使整個無線能量傳輸系統的能量傳輸效率得到了提高，對于整個系統而言，不但能量傳輸距離遠，接收端的設備不需要緊貼發射端，就能實現能量傳輸，并且能應用于功耗較大的用電設備上。通過對超材料的設計，以多重繞線的方式將超材料微結構設計為多重嵌套的開口諧振環或開口諧振環的衍生結構，一方面能通過繞線的圈數對諧振頻率進行調節，另一方面能極大地降低諧振頻率，減小無線能量傳輸系統對環境的影響，提高安全性能。
文檔編號H01Q15/00GK102647029SQ20111033768
公開日2012年8月22日 申請日期2011年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者劉若鵬, 趙治亞, 郭潔, 馬偉濤 申請人:深圳光啟創新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院