基于超材料的无线电能传输线圈装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于超材料的无线电能传输线圈装置，包括：发射线圈、接收线圈、圆锥形移位介质壳体，所述圆锥形移位介质壳体将所述发射线圈或所述接收线圈包裹在其空气腔内；所述发射线圈和所述接收线圈之间的距离分别大于所述发射线圈、接收线圈的直径；所述圆锥形移位介质壳体包括底部壳体和侧面壳体；所述底部壳体和侧面壳体分别包括若干种均匀且各向同性的磁性材料层。本发明专利技术中的圆锥形移位介质壳体能够将其空气腔内的线圈从光学上移动到壳体外部指定的位置，即改变所述发射线圈与所述接收线圈之间相对位置，从而显著地增强发射线圈和接收线圈的互感和磁耦合。

Wireless energy transmission coil device based on metamaterials

The invention provides a super material based on wireless power transmission coil device includes: transmitting coil and receiving coil, a shift medium shell, the conical shell will shift medium the transmitter coil or the receiving coil wrapped in the air cavity; the receiving coil of the radiation ring and the distance were larger than that of the transmitting coil and receiving coil diameter; the conical shell comprises a bottom shell and a displacement medium side of the shell; the shell bottom and side shell respectively include a magnetic material layer of homogeneous and isotropic. The invention of the conical shell can be displaced medium coils in the air cavity from the optical mobile shell to specify the location of the change of the transmitting coil and the relative position between the receiving coil, thus significantly enhance the transmitting and receiving coils and magnetic coupling transformer.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电磁设计领域与无线电能传输技术，具体地，涉及基于超材料的(可有效增强磁耦合效果)的无线电能传输线圈装置。
技术介绍
近年来，消费类电子产品、电动汽车、植入式医疗设备对无线电能传输技术日益增长的需求极大地促进了这项技术的研究和发展，国内外各大研究机构及电子、汽车、医疗等领域的企业都纷纷加入到这项技术的研究中来。该技术涉及了电力电子电路、线圈电磁设计、自动控制、通信协议等多方面内容，其中线圈电磁设计尤为重要。超材料是一种介电常数或磁导率为负的，具有特殊电磁特性的材料，在自然界中不存在，只能通过人工制造。对周期性排列的亚波长结构如开口谐振环、光子超材料的研究使均匀、各向同性的超材料的制作得以实现。无线电能传输技术是对充电方式的一种革命性升级，采用无线电能传输技术的充电装置不需要插拔充电器，充电过程更加便捷、安全；同时，可以减少设备的物理磨损，延长使用寿命，取消了金属触点从而避免了触电风险。此外，采用无线电能传输技术的植入式医疗设备可以避免频繁地更换电池，减轻病人的痛苦。大多数无线电能传输系统根据近场磁耦合原理设计而成。但是随着线圈之间的传输距离增加，系统的电能传输效率急剧下降。现有的研究多集中于线圈结构的优化设计和控制方法的改进，对效率的增强效果十分有限。超材料在射频领域的进展使其在无线电能传输领域的应用成为了可能。在过去几年里，理论研究、数值仿真和实验验证的结果表明，超材料在无线电能传输领域具有良好的应用前景。然而，相关的研究大多基于“完美棱镜”。“完美棱镜”是一种具有负折射效应的超材料平板，它可以将发射线圈产生的磁场重新汇聚到接收线圈的位置。但是，这种方案也具有一定的局限性。为了实现更远的传输距离，通常需要进一步增加平板的厚度，使装置变得更加笨重。并且，平板通常放在两线圈中间的位置，当平板靠近线圈时会因为过耦合使效果明显减弱，这也大大限制了它的应用场合。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于超材料的无线电能传输线圈装置。根据本专利技术提供的基于超材料的无线电能传输线圈装置，包括发射线圈、接收线圈、圆锥形移位介质壳体，所述圆锥形移位介质壳体将所述发射线圈或所述接收线圈包裹在圆锥形移位介质壳体的空气腔内，所述圆锥形移位介质壳体包括底部壳体和侧面壳体。优选地，所述发射线圈和所述接收线圈之间的距离分别大于所述发射线圈、接收线圈的直径。优选地，所述底部壳体和侧面壳体分别包括若干种均匀且各向同性的磁性材料层。优选地，所述底部壳体包括：若干层同心环形磁性材料，每层材料沿底部径向的厚度相同，由内部向外依次为第一环形磁性材料层、第二环形磁性材料层等，直至第N环形磁性材料层，其中N为大于或等于3的自然数，且至少有一个环形磁性材料层是磁导率为负的超材料。优选地，所述侧面壳体包括：两种等厚的交替分布的磁导率为正的材料层，且两种材料层均与圆锥形移位介质壳体的轴线方向呈一定的夹角θ。优选地，所述圆锥形移位介质壳体能够在电磁场中沿轴线方向将所述空气腔中的发射线圈或接收线圈移动一定的距离d；且d>t1，t1表示所述内部线圈与底部壳体的外表面之间的距离，等效于所述圆锥形移位介质壳体能够将所述内部线圈从光学上移动到壳体外部指定的位置，即改变所述发射线圈与所述接收线圈之间相对位置。优选地，所述圆锥形移位介质壳体的尺寸能够根据实际应用中需要移动的线圈的尺寸灵活设计，但需满足所述圆锥形移位介质壳体的最大尺寸小于工作波长的十分之一。优选地，所述内部线圈与所述圆锥形移位介质壳体的内壁之间保持一定的间距，所述内部线圈在所述空气腔中的位置和方向不影响所述圆锥形移位介质壳体对所述内部线圈整体的移位效果。优选地，所述圆锥形移位介质壳体的尺寸已经确定的情况下，所述圆锥形移位介质壳体对所述内部线圈的移位距离d由所述底部壳体的磁导率、所述侧面壳体的磁导率及θ共同决定。具体地，所述底部壳体与侧面壳体的材料参数按照如下方法计算：给定所述圆锥形移位介质壳体的尺寸a1，a2，h1，h2和期望达到的移位距离d。满足条件a1:a2＝h1:h2，即侧面壳体的厚度均匀，其中：a1表示所述圆锥形移位介质壳体的中心点(原点O)到所述底部壳体内表面的距离(与原点O到所述圆锥形移位介质壳体内表面顶点的距离相同)，a2表示原点O到所述底部壳体外表面的距离(与原点O到所述圆锥形移位介质壳体外表面顶点的距离相同)，h1表示所述底部壳体内表面的半径，h2表示所述底部壳体外表面的半径。侧面壳体可分为等厚的若干层，每层由两种等厚的材料II-1和材料II-2组成，II-1和II-2的磁导率计算方法如下： μ I I 1 , 2 = ζ 1 ± ( ζ 1 ) 2 - ζ 1 ζ 2 , ]]>其中，式中：分别表示组成所述侧面壳体的两种磁性材料II-1和II-2的磁导率，ζ1、ζ2分别表示计算的中间结果，k＝h2/(2a2)表示侧面壳体外表面相对于轴线方向的斜率，k0＝(a2-a1)/(a2-a1+d)和m＝a2-a1+d分别为定义的中间变量，用来简化表达式。夹角θ可由公式计算得到。底部壳体可划分为N(N≥3)层同心圆环，每层材料沿底部径向的厚度相同，为h2/N。定义N层环形磁性材料层的磁导率为[μ1,μ2,...,μN]。为了实现等效移位的效果，在Comsol软件中建立包含圆锥形移位介质壳体的装置模型，并采用如下优化算法：μi(i＝1,2,...,N)在[-10,10]区间内随机取初值，μi表示所述底部壳体中第i环形磁性材料层的磁导率。建立目标函数：其中，Em＝Li2/2是求解域内的总磁场能量，反映了发射线圈的自感；M是发射线圈与接收线圈之间的互感，反映了线圈之间的相对位置，Em(d)表示移位距离为d时包含圆锥形移位介质壳体的装置模型中的总磁场能量，M(d)表示移位距离为d时包含圆锥形移位介质壳体的装置模型中发射线圈与接收线圈之间的互感；表示移位距离为d时等效移动的发射线圈与接收线圈的总磁场能量，Meq(d)表示移位距离为d时等效移动的发射线圈与接收线圈之间的互感。目标函数值越小，表示圆锥形移位介质壳体对线圈的作用效果与线圈等效移动的情况越接近。采用Nelder-Mead算法最小化目标函数，限制条件是μi∈[-10,10]。取目标函数最优值对应的μi为底部壳体的材料参数。优选地，所述侧面壳体的两种材料层的厚度越薄，所述圆锥形移位介质壳体对所述内部线圈的移位效果与线圈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，包括发射线圈、接收线圈、圆锥形移位介质壳体，所述圆锥形移位介质壳体将所述发射线圈或所述接收线圈包裹在圆锥形移位介质壳体的空气腔内，所述圆锥形移位介质壳体包括底部壳体和侧面壳体。

【技术特征摘要】
1.一种基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，包括发射线圈、接收线圈、圆锥形移位介质壳体，所述圆锥形移位介质壳体将所述发射线圈或所述接收线圈包裹在圆锥形移位介质壳体的空气腔内，所述圆锥形移位介质壳体包括底部壳体和侧面壳体。2.根据权利要求1所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述发射线圈与所述接收线圈之间的距离分别大于所述发射线圈、接收线圈的直径。3.根据权利要求1所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述底部壳体和侧面壳体分别包括若干种均匀且各向同性的磁性材料层。4.根据权利要求3所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述底部壳体包括：若干层同心环形磁性材料，每层材料沿底部径向的厚度相同，由内部向外依次为第一环形磁性材料层、第二环形磁性材料层等，直至第N环形磁性材料层，其中N为大于或等于3的自然数，且至少有一个环形磁性材料层是磁导率为负的超材料。5.根据权利要求3或4所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述侧面壳体包括：两种等厚的交替分布的磁导率为正的材料层，且两种材料层均与圆锥形移位介质壳体的轴线方向呈一定的夹角θ。6.根据权利要求1至4所述的基于超材料的无线电能传输线圈装置，其特征在于，所述圆锥形移位介质壳体...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雯文，姚辰，马殿光，唐厚君，张颖异，蔡位焜，孙龙钊，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31