一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置及方法，属于无线输能领域。该装置包括腔体中心放置的两个金属柱，两个金属柱通过柱间电容连通，两个金属柱的另一端由N个金属栅条相连，构成金属栅谐振腔，金属栅谐振腔内设置有发射器与接收器。本发明专利技术采用金属栅条来构成腔体结构，每一个金属栅条通过中心金属柱和柱间电容相接都可以形成一个闭合的RLC回路，此时可以将每一个闭合的RLC回路视为一个单匝的谐振线圈。通过加入这种中间结构可以有效地增大近场，提高传输距离。另外，利用金属栅条来构成腔体结构可以有效解决传统使用封闭金属谐振腔的腔体谐振输能方式所带来的造价高、工程浩大、无法与外界进行无线通信等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置及方法
本专利技术属于无线输能领域，具体涉及一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置及方法。
技术介绍
无线输能(WirelessPowerTransfer，WPT)是指将能量以无线的方式从电源端传输到负载端。近年来，一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备都需要电池和充电。电源电线频繁地拔插，既不安全，也不美观可靠，且容易磨损。一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一，这样既造成了浪费，也形成了对环境的污染。相比于传统的有线能量传输方式，无线输能无需金属电极的直接连接，可避免导体裸露和电火花产生，而且可以用在一些无法架设电线的特殊场合，例如为植入人体的设备充电、为无线传感器网络充电等。这些独特的优势，使得无线输能在智能家居、医疗护理、交通运输等领域具有很高的应用前景。目前的存在的WPT技术有电磁感应耦合技术(InductivelyCoupledPowerTransfer，ICPT)、磁共振耦合技术(MagneticResonanceCoupling，MRC)、微波无线输能传输(MicrowavePowerTransfer，MPT)等。每种方法都各有利弊，如基于ICPT原理的非辐射式无线输能方法，其功率大、效率高、安全性好。但是，受近区场的限制，其输能距离多在厘米量级。针对便携式电子产品应用，ICPT输能距离过短，应用极为不便。基于MRC的无线输能方法，可以在米级范围内达到较高的传输效率，但MRC的输能区域仅限于发射线圈的中心轴线附近，而且对于距离的变化较为敏感。基于电磁辐射式的MPT则可以克服ICPT、MRC等WPT技术在输能距离上的缺陷。MPT采用微波信号进行输能，具有传输距离远、收/发设备布置灵活等优势，但是由于其波束指向性高、电磁安全性低、收/发天线尺寸大、需求额外定位装置等因素，导致MPT一直未能在室内得到广泛的实际应用。为克服ICPT和MRC的不足，国外学者基于非辐射式腔体耦合谐振原理，近期发展出了一种腔体谐振(CavityResonance，CR)输能法。例如文献“ChabalkoMJ,ShahmohammadiM,SampleAP.QuasistaticCavityResonanceforUbiquitousWirelessPowerTransfer[J].PLOSONE,2017,12(2):e0169045.”在一个54m3封闭金属谐振腔内同时对多个目标进行无线输能。就其输能区域范围而言，在所有的耦合谐振WPT技术中，应是目前公开报道中最大的。但是，其需要将现有房屋改造成全金属的封闭式腔体结构，造价高、工程浩大；而且，由于封闭的金属腔不透波，无法与外界进行无线通信。因此，使用封闭金属谐振腔的腔体谐振输能方式仅适用于特殊的室内应用场景。
技术实现思路
本专利技术针对目前常用的几种输能方式的不足，提出了一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置及方法。本专利技术采用金属栅来构成腔体结构，其中金属栅上的每一个金属栅条通过中心金属柱和电容相接都可以形成一个闭合的RLC回路，此时可以将每一个闭合的RLC回路视为一个单匝的谐振线圈。通过加入这种中间结构可以有效地增大近场，提高传输距离。另外，利用金属栅来构成腔体结构可以有效解决传统使用封闭金属谐振腔的腔体谐振输能方式所带来的造价高、工程浩大、无法与外界进行无线通信等问题。本专利技术的一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置，包括腔体中心放置的两个金属柱，两个金属柱通过柱间电容连通，两个金属柱的另一端由N个金属栅条相连，构成金属栅谐振腔，金属栅谐振腔内设置有发射器与接收器。所述接收器包括接收线圈和整流电路，通过整流电路将接收线圈接收到的能量从射频信号转换为直流，并提供给负载。所述发射器为发射线圈，用于发射射频信号，在谐振腔内部与金属栅条产生谐振。进一步地，所述接收线圈内设置有可调电容，可调电容使接收线圈的谐振频率和谐振腔内磁场的频率一致，达到共振将能量传输到接收线圈上。进一步地，所述柱间电容与接收线圈内设置的可调电容可以是自适应电容。本专利技术的基本思路为：在腔体中心放置两个金属柱，在金属柱的中间加入电容，两个金属柱的两端再由N个金属栅条相连构成金属栅谐振腔，这里金属栅谐振腔形状可以是任意的，如矩形金属栅谐振腔、圆柱形金属栅谐振腔，球形金属栅谐振等。发射线圈在腔体内部与金属栅谐振腔产生谐振，在金属栅的每一个金属栅条上产生电流Ii,i＝1,2,...,N。由中心金属柱将电流Ii传至柱间的电容C0上，这里中心金属柱和金属柱间的电容C0流过的电流通过电容C0的振荡产生环型磁场H，这里环型磁场H场强的计算公式为：由安培环路定理得所以有这里R为谐振腔内任意一点处到中心金属柱的距离。最后通过调节接收线圈上的电容使其和磁场的频率一致，达到共振将能量传输到接收线圈上，实现无线输能的过程。腔体输能提高传输效率和传输距离的实质一是利用腔体结构相当于在发射线圈和接收线圈之间增加一个或多个中间谐振器，二是在金属腔体内部产生的电磁波不会发生泄漏，即电磁波可以被束缚在金属腔体的内部。所以腔体输能可以延长传输距离，提高功率传输效率。本专利技术采用N个金属栅构成腔体结构，金属栅和中心金属柱以及金属柱之间的电容可以形成N个闭合的RLC回路，可以视为N个中间谐振器，此时金属栅结构也可以起到高通滤波器的作用。因为电磁波在低频情况下，波长较长，电磁波在金属栅谐振腔中遇金属栅发生反射会被束缚在腔中，也不会发生泄露。而且通信信号多为高频信号，波长较短，外界通信信号可以透过金属栅与内部进行通信交互。因此使用金属栅谐振腔可以解决传统腔体输能所带来的造价高、工程浩大、无法与外界进行无线通信等问题，也更加贴合实际的应用。基于这一思路，本专利技术提供了一种构建基于非辐射式金属栅腔体无线输能装置的方法，步骤如下：步骤1、确定所需要的金属栅谐振腔的大小以及输能所需的谐振频率f0，这里金属栅谐振腔可以是矩形金属栅谐振腔、圆柱形金属栅谐振腔，球形金属栅谐振腔等形状。步骤2、在腔体中心位置加入两个金属柱，利用N根金属栅条连接两个金属柱的两端构成金属栅谐振腔的腔体表面。这里金属栅条均匀的分布在腔体表面，且N＝1,2,3…。步骤3、在两个金属柱之间加入电容C0，金属柱间的电容C0是可调电容，初始值可以利用HFSS软件来确定。在金属柱之间加入电容后，腔体表面的金属栅条和中心的两个金属柱以及柱间的电容就形成了N个RLC回路。步骤4、初始的金属栅谐振腔搭建完成后，在金属栅谐振腔中加入发射线圈和接收线圈，调节接收线圈上和金属柱间的电容，查看接收线圈是否可以在谐振频率f0处取得最大能量传输效率，若发现取得最大能量传输效率的频率与谐振频率f0不一致时，则需要加密金属栅。步骤5、加密金属栅并调节接收线圈上和金属柱间的电容，直至接收线圈可以在谐振频率f0处取得最大传输效率ηmax0。若最大传输效率不满足需求，还可继续加密金属栅来提高传输效率，加密方法与步骤4中所述相同，直至最大传输效率满足需求为止。在实际情本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置，其特征在于，包括腔体中心放置的两个金属柱，两个金属柱通过可调柱间电容连通，两个金属柱的另一端由N个金属栅条相连，构成金属栅谐振腔，金属栅谐振腔内设置有发射器与接收器；/n所述接收器包括接收线圈和整流电路，通过整流电路将接收线圈接收到的能量从射频信号转换为直流，并提供给负载；/n所述发射器为发射线圈，用于发射射频信号，在谐振腔内部与金属栅条产生谐振。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置，其特征在于，包括腔体中心放置的两个金属柱，两个金属柱通过可调柱间电容连通，两个金属柱的另一端由N个金属栅条相连，构成金属栅谐振腔，金属栅谐振腔内设置有发射器与接收器；
所述接收器包括接收线圈和整流电路，通过整流电路将接收线圈接收到的能量从射频信号转换为直流，并提供给负载；
所述发射器为发射线圈，用于发射射频信号，在谐振腔内部与金属栅条产生谐振。


2.如权利要求1所述的一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置，其特征在于，所述接收线圈内设置有可调电容，可调电容使接收线圈的谐振频率和谐振腔内磁场的频率一致，达到共振将能量传输到接收线圈上。


3.如权利要求1所述的一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置，其特征在于，所述柱间电容与接收线圈内设置的可调电容为自适应电容。


4.如权利要求1所述的一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置，其特征在于，所述金属栅谐振腔为矩形金属栅谐振腔或圆柱形金属栅谐振腔或球形金属栅谐振腔。


5.一种构建基于非辐射式金属栅腔体无线输能装置的方法，步骤如下：
步骤1、确定所需要的金属栅谐振腔的大小以及输能所需的谐振频率f0；
步骤2、在腔体中心位置加入两个金属柱，利用N根均匀分布的金属栅条连接两个金属柱的两端构成初始的金属栅谐振腔的腔体表面，N＝1,2,3；
步骤3、在两个金属柱之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：张巧利，岳震，赵德双，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51