负磁导率电磁结构的设计方法及在无线电能传输中的应用技术

本发明专利技术公开了一种负磁导率电磁结构的设计方法及在无线电能传输中的应用，负磁导率电磁结构包括介质基板、谐振网络和谐振电容，谐振网络由印制在介质基板一侧的第一谐振环、第二谐振环和第三谐振环组成，谐振电容由焊接在第一谐振环开口两端的电容C1、焊接在第二谐振环开口两端的电容C2和焊接在第三谐振环开口两端的电容C3组成，用以提高发射线圈和接收线圈之间的磁耦合作用。本发明专利技术解决了无线电能远距离情况下系统传输耦合性能下降的问题，提高了无线电能传输系统的传输距离和传输效率，而且负磁导率电磁结构制备简单、成本低，能够满足提高无线电能传输系统效率的需求。足提高无线电能传输系统效率的需求。足提高无线电能传输系统效率的需求。

【技术实现步骤摘要】
负磁导率电磁结构的设计方法及在无线电能传输中的应用


[0001]本专利技术属于无线电能传输
，具体涉及一种负磁导率电磁结构的设计方法及在无线电能传输中的应用。

技术介绍

[0002]随着电能传输方式实现从有形介质到无形介质的演变，无线电能传输技术越来越深入人类的生产生活，与传统导线供电相比，无线电能传输技术更安全、可靠。谐振耦合式无线电能传输技术因其传输功率大、对电磁环境影响较小且传输距离较远等特点被广泛应用，但由于该技术存在临界耦合状态，当传输距离超过临界耦合距离时无线电能传输系统的耦合系数会逐渐减弱，进而导致传输效率迅速下降、传输性能恶化，阻碍了无线电能传输技术的应用。针对这一问题，负磁导率电磁结构为提高无线电能传输系统的传输距离和传输效率提供了一种方法，负磁导率电磁结构具有放大倏逝波、改善谐振线圈耦合特性的特点，不仅能够使发射线圈的能量更多的聚焦在接收线圈上，提高无线电能传输的传输效率和传输距离，而且制备简单、成本低廉、易工业化生产。因此，设计负磁导率电磁结构对无线电能传输具有深远意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的技术问题是提供了一种负磁导率电磁结构的设计方法及在无线电能传输中的应用，有效解决了无线电能传输系统远距离传输能量时，由于磁耦合作用减弱导致无线电能传输系统传输效率下降的问题，其目的在于有效提升了无线电能传输系统的传输效率和传输距离。
[0004]本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，负磁导率电磁结构的设计方法，其特征在于：该负磁导率电磁结构包括介质基板及设置于介质基板上的谐振网络和谐振电容，该谐振网络印制于介质基板的一侧，谐振网络由第一谐振环、第二谐振环和第三谐振环组成，谐振网络的材料为金属铜，第一谐振环设置在第二谐振环外围，第二谐振环设置在第三谐振环外围，第一谐振环的铜环宽度为4.8mm、厚度为0.035mm，外半径为44mm，开口宽度为2mm，第二谐振环与第一谐振环之间的间距为1.4mm，第二谐振环的铜环宽度为4.8mm、厚度为0.035mm，开口宽度为2mm，第三谐振环由圆形铜环和方形铜片组成，其中圆形铜环的宽度为4.8mm、厚度为0.035mm，开口宽度为2.4mm，方形铜片的边长为28mm、厚度为0.035mm，圆形铜环和第二谐振环之间的间距为1.6mm，圆形铜环开口的一端与方形铜片相连；谐振电容C1焊接在第一谐振环开口两端，谐振电容C2焊接在第二谐振环开口两端，谐振电容C3焊接在第三谐振环开口两端。
[0005]进一步限定，所述介质基板为正方形，该介质基板的材质为FR4，介电常数ε
r
＝4.4，厚度h＝1.6mm，边长为90mm。
[0006]进一步限定，所述谐振网络的具体设计过程为：设介质基板所在平面垂直于水平面，以介质基板几何中心点为原点，定义介质基板上的x轴平行于水平面、介质基板上的y轴
垂直于水平面，建立直角坐标系；正对介质基板平面，以介质基板中心点向右的方向设置为x轴正方向，介质基板中心点向上的方向设置为y轴正方向，设直角坐标系的单位长度为1mm；第一谐振环的中心点和原点重合，第一谐振环的开口设置在y轴的负方向且关于y轴对称，具体为：以点O1(0，
‑
41.6)为中心点沿着x轴方向，设置长度为2mm且与铜环宽度等宽的矩形开口；第二谐振环的中心点和原点重合，第二谐振环的开口设置在y轴的正方向且关于y轴对称，具体为：以点O2(0，35.4)为中心点沿着x轴方向，设置长度为2mm且与铜环宽度等宽的矩形开口；第三谐振环的圆形铜环的中心点、方形铜片的中心点和原点重合，第三谐振环的圆形铜环的开口设置在直角坐标系的第四象限，以点O3(28.6，
‑
3.6)为中心点沿着y轴方向设置长度为2.4mm且与铜环宽度等宽的矩形开口，圆形铜环开口的上端与方形铜片的右边中点A(14，0)通过连接线相连，连接线的宽度为4.8mm。
[0007]进一步限定，所述谐振电容C1、谐振电容C2和谐振电容C3均为高频贴片电容，且电容值大小均为497pF。
[0008]本专利技术所述的负磁导率电磁结构在无线电能传输中的应用，其特征在于：所述负磁导率电磁结构用于组装无线电能传输系统，具体过程为：在平行相对且同轴放置的发射线圈与接收线圈之间依次放置两个结构完全相同的负磁导率电磁结构，即负磁导率电磁结构一和负磁导率电磁结构二，负磁导率电磁结构一和负磁导率电磁结构二均与发射线圈和接收线圈同轴平行相对放置；两个负磁导率电磁结构位置的确定方法为：设发射线圈与接收线圈之间的传输距离为d、靠近发射线圈的负磁导率电磁结构一与发射线圈之间的距离为d
t
、靠近接收线圈的负磁导率电磁结构二与接收线圈之间的距离为d
r
，发射线圈和接收线圈为结构完全相同的平面圆形螺旋线圈，线圈最大半径为r，定义d的取值范围为[1.5r，4.5r]，d
t
和d
r
的取值范围均为[0，d/2]；在[1.5r，4.5r]的取值范围内，使d按照3r/100的步长从1.5r逐步递增到4.5r，计算当两个负磁导率电磁结构分别被放置在无线电能传输系统的d
r
＝d/3和d
t
＝d/3位置处时无线电能传输系统的S参数值，利用S参数值计算出整个无线电能传输系统的传输效率作为第1列计算结果；之后再次使d按照3r/100的步长从1.5r逐步递增到4.5r，在不加入负磁导率电磁结构时计算不同传输距离下无线电能传输系统的传输效率作为第2列计算结果；将以上两列计算结果按照传输距离相同作为一组的原则，则得到100组数据，每组数据包含相同传输距离下加入负磁导率电磁结构时无线电能传输系统的传输效率和不加入负磁导率电磁结构时无线电能传输系统的传输效率，比较每组数据，获得加入负磁导率电磁结构后无线电能传输系统传输效率提升量最大的数据所对应的传输距离，记为D；计算传输距离为D时，在[0，D/2]的取值范围内按照D/200的步长使d
t
从0逐步递增到D/2，计算d
t
取不同数值时，无线电能传输系统传输效率最大对应的d
r
值，具体求解过程如下：在传输距离为D时，当d
t
为取值范围内的某一数值时，使d
r
在[0，D/2]的取值范围内按照D/200的步长从0逐步递增到D/2，计算d
r
取不同数值时整个无线电能传输系统的S参数值，利用S参数值计算出无线电能传输系统的传输效率，将无线电能传输系统传输效率最大对应的d
r
和d
t
分别记录为d
ri
和d
ti
；根据上述的计算，最终得到100组数据，即d
ri
和d
ti
，i＝1，2，3
……
100，比较这100组数据对应的无线电能传输系统的传输效率，获得无线电能传输系统性能最佳时两个负磁导率电磁结构分别对应的d
t
和d...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.负磁导率电磁结构的设计方法，其特征在于：该负磁导率电磁结构包括介质基板及设置于介质基板上的谐振网络和谐振电容，该谐振网络印制于介质基板的一侧，谐振网络由第一谐振环、第二谐振环和第三谐振环组成，谐振网络的材料为金属铜，第一谐振环设置在第二谐振环外围，第二谐振环设置在第三谐振环外围，第一谐振环的铜环宽度为4.8mm、厚度为0.035mm，外半径为44mm，开口宽度为2mm，第二谐振环与第一谐振环之间的间距为1.4mm，第二谐振环的铜环宽度为4.8mm、厚度为0.035mm，开口宽度为2mm，第三谐振环由圆形铜环和方形铜片组成，其中圆形铜环的宽度为4.8mm、厚度为0.035mm，开口宽度为2.4mm，方形铜片的边长为28mm、厚度为0.035mm，圆形铜环和第二谐振环之间的间距为1.6mm，圆形铜环开口的一端与方形铜片相连；谐振电容C1焊接在第一谐振环开口两端，谐振电容C2焊接在第二谐振环开口两端，谐振电容C3焊接在第三谐振环开口两端。2.根据权利要求1所述的负磁导率电磁结构的设计方法，其特征在于：所述介质基板为正方形，该介质基板的材质为FR4，介电常数ε
r
=4.4，厚度h=1.6mm，边长为90mm。3.根据权利要求1所述的负磁导率电磁结构的设计方法，其特征在于：所述谐振网络的具体设计过程为：设介质基板所在平面垂直于水平面，以介质基板几何中心点为原点，定义介质基板上的x轴平行于水平面、介质基板上的y轴垂直于水平面，建立直角坐标系；正对介质基板平面，以介质基板中心点向右的方向设置为x轴正方向，介质基板中心点向上的方向设置为y轴正方向，设直角坐标系的单位长度为1mm；第一谐振环的中心点和原点重合，第一谐振环的开口设置在y轴的负方向且关于y轴对称，具体为：以点O1（0，
‑
41.6）为中心点沿着x轴方向，设置长度为2mm且与铜环宽度等宽的矩形开口；第二谐振环的中心点和原点重合，第二谐振环的开口设置在y轴的正方向且关于y轴对称，具体为：以点O2（0，35.4）为中心点沿着x轴方向，设置长度为2mm且与铜环宽度等宽的矩形开口；第三谐振环的圆形铜环的中心点、方形铜片的中心点和原点重合，第三谐振环的圆形铜环的开口设置在直角坐标系的第四象限，以点O3（28.6，
‑
3.6）为中心点沿着y轴方向设置长度为2.4mm且与铜环宽度等宽的矩形开口，圆形铜环开口的上端与方形铜片的右边中点A（14，0）通过连接线相连，连接线的宽度为4.8mm。4.根据权利要求1所述的负磁导率电磁结构的设计方法，其特征在于：所述谐振电容C1、谐振电容C2和谐振电容C3均为高频贴片电容，且电容值大小均为497pF。5.权利要求1
‑
4中任意一项所述的负磁导率电磁结构在无线电能传输中的应用，其特征在于：所述负磁导率电磁结构用于组装无线电能传输系统，具体过程为：在平行相对且同轴放置的发射线圈与接收线圈之间依次放置两个结构完全相...

【专利技术属性】
技术研发人员：王萌，郭景景，施艳艳，王梦梦，孙熠龙，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：