一种无线能量传输系统技术方案

本发明专利技术提供了一种无线能量传输系统，通过在无线能量传输系统的磁共振发射模块的后端固定设置超材料，使整个无线能量传输系统的能量传输效率得到了提高，对于整个系统而言，不但能量传输距离远，接收端的设备不需要紧贴发射端，就能实现能量传输，大大提高了接收端负载设备的使用自由度，给用户带来方便。通过对超材料的设计，以多重绕线的方式将超材料微结构设计为多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构，一方面能通过绕线的圈数对超材料的谐振频率进行调节，另一方面能极大地降低谐振频率，减小无线能量传输系统对环境的影响，提高安全性能。

【技术实现步骤摘要】
一种无线能量传输系统
本专利技术涉及无线能量传输领域，具体地涉及一种基于磁共振原理的无线能量传输系统。
技术介绍
目前，无线能量传输技术主要基于三种原理，分别是电磁感应式、磁共振式以及辐射式，电磁感应式(非接触感应式)电能传输电路的基本特征是原副边电路分离，原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合感应相联系。电磁感应式的特点是：有较大气隙存在，使得原副边无电接触，弥补了传统接触式电能的固有缺陷；但是，较大气隙的存在也使得系统漏磁与激磁相当，甚至比激磁高；因此，基于磁感应技术的原因，充电线圈基板与接收线圈基板之间的实际有效充电空间距离大约为5mm，当两者之间的空间距离超过5mm时则无法进行充电工作。磁共振式(又称WiTricity技术)是由麻省理工学院(MIT)物理系、电子工程、计算机科学系，以及军事奈米技术研究所(InstituteforSoldierNanotechnologies)的研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物体间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。2007年6月，来自麻省理工学院的研究人员通过电磁线圈实现了距离2米的60W电力的传输，他们采用了全新的思考方式，采用了两个能够实现共振的铜线圈，依靠共振进行能量的传输。磁共振式虽然能实现较长距离的能量传输，但是其传输效率较低。辐射式又分为无线电波式、微波方式、激光方式等，如，Powercast公司基于无线电波式研制出可以将无线电波转化成直流电的接收装置，可在约1米范围内为不同电子装置的电池充电。其缺点是能够传输的能量小，应用范围有限。超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料，因此，为设计和合成超材料，人们进行了很多研究工作。2000年，加州大学的Smith等人指出周期性排列的金属线和开环共振器(SRR)的复合结构可以实现介电常数ε和磁导率μ同时为负的双负材料，也称左手材料。之后他们又通过在印刷电路板(PCB)上制作金属线和SRR复合结构实现了二维的双负材料。现有的负磁导率人工材料中，单个人造微结构(一般称为cell)均为单个开口环结构或开口环的衍生结构，包括方形结构、圆形结构或多边形结构，其微结构的尺寸很大，特别是对于低频波段的应用，其微结构的大小达到了分米级，这使得超材料的整体体积过大，给应用带来困难。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：基于超材料技术提供一种传输距离长，传输效率高的无线能量传输系统。本专利技术实现专利技术目的所采用的技术方案是，一种无线能量传输系统，包括磁共振发射端装置和设置在负载设备内的磁共振接收端装置，所述磁共振发射端装置包括电源模块和磁共振发射模块，所述磁共振接收端装置包括磁共振接收模块，所述磁共振接收模块电连接所述负载设备，所述磁共振发射模块与所述磁共振接收模块之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，所述磁共振发射端装置还包括超材料，所述超材料固定设置在所述磁共振发射模块的后端，所述超材料具有负磁导率，所述具有负磁导率的超材料的频率与所述磁共振发射模块以及磁共振接收模块的谐振频率相同。优选地，所述超材料为平板结构，所述超材料与所述磁共振发射模块相对平行设置。优选地，所述磁共振发射端装置还包括装置外壳，所述装置外壳内设置有多个定位槽，所述超材料可选择性固定在所述定位槽内。优选地，所述超材料的磁导率为-1。具体地，所述超材料包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个微结构，所述微结构为磁性微结构，所述介质基板为介电材料，所述微结构为导电材料。优选地，所述磁性微结构为开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。优选地，所述磁共振发射模块包括发射电路、发射天线和磁共振发射线圈，所述发射电路连接所述电源模块，所述磁共振接收模块包括磁共振接收线圈、接收天线和接收电路，所述接收电路电连接所述负载设备。优选地，所述发射电路为磁场谐振激发电路，所述磁场谐振激发电路产生一个频率与所述磁共振发射线圈的谐振频率相同的驱动信号，所述驱动信号由所述发射天线进行发射。优选地，所述接收电路为整流电路，所述整流电路将所述接收天线接收到的能量转换为电能所需的信号输出。优选地，单个所述磁性微结构由一根金属线通过多重绕线的方式形成多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。具体地，所述开口谐振环或开口谐振环的衍生结构为矩形、圆形或多边形。优选地，所述单个磁性微结构为5-80圈多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。优选地，所述电源模块为电源转换电路，所述电源转换电路将交流电转换为直流电。本专利技术的有益效果是，通过在无线能量传输系统的磁共振发射模块的后端固定设置超材料，使整个无线能量传输系统的能量传输效率得到了提高，对于整个系统而言，不但能量传输距离远，接收端的设备不需要紧贴发射端，就能实现能量传输，大大提高了接收端负载设备的使用自由度，给用户带来方便。通过对超材料的设计，以多重绕线的方式将超材料微结构设计为多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构，一方面能通过绕线的圈数对超材料的谐振频率进行调节，另一方面能极大地降低谐振频率，减小无线能量传输系统对环境的影响，提高安全性能。【附图说明】图1，实施例1无线能量传输系统的结构示意图。图2，实施例2无线能量传输系统的结构示意图。图3，实施例2无线能量传输系统的侧面剖视图。图4，超材料的整体结构示意图。图5，金属铜微结构的放大图。图6，超材料谐振频率的特征曲线图。图7，具有超材料的无线能量传输系统磁场能量图。图8，没有超材料的无线能量传输系统磁场能量图。图9，开口环衍生结构图。图10，六边形开口环结构图。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1一种无线能量传输系统，其系统结构示意图参看附图1，包括磁共振发射端装置和设置在负载设备内的磁共振接收端装置，磁共振发射端装置包括装置外壳1、电源模块2、磁共振发射模块3和超材料4，负载设备5内设置有磁共振接收端装置，磁共振接收端装置包括磁共振接收模块6，磁共振发射模块3与磁共振接收模块6之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，超材料4固定设置在磁共振发射模块3的后端，超材料4具有负磁导率，具有负磁导率的超材料4的频率与磁共振发射模块3以及磁共振接收模块6的谐振频率相同。本实施例中，磁共振发射模块3与磁共振接收模块6具有相同的谐振频率并通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，磁共振接收模块6将接收到的能量转换为电流，最终对负载设备进行供电，固定设置在磁共振发射模块3后的超材料4由于具有负磁导率，能起到磁场增强作用，因此能提高系统的能量传输效率和增大传输距离。本实施例中具有负磁导率的超材料，包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，人造微结构设计为磁性微结构，即单个人造微结构(一般称为cell)均为单个开口环结构或开口环的衍生结构，介质基板为介电材料，微结构为导电材料，由于该结构可等效为LC谐振电路，所以通过多个磁性微结构的阵列可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线能量传输系统，包括磁共振发射端装置和设置在负载设备内的磁共振接收端装置，所述磁共振发射端装置包括电源模块和磁共振发射模块，所述磁共振接收端装置包括磁共振接收模块，所述磁共振接收模块电连接所述负载设备，所述磁共振发射模块与所述磁共振接收模块之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，其特征在于：所述磁共振发射端装置还包括超材料，所述超材料固定设置在所述磁共振发射模块的后端，所述超材料具有负磁导率，所述具有负磁导率的超材料的频率与所述磁共振发射模块以及磁共振接收模块的谐振频率相同。

【技术特征摘要】
1.一种无线能量传输系统，包括磁共振发射端装置和设置在负载设备内的磁共振接收端装置，所述磁共振发射端装置包括电源模块和磁共振发射模块，所述磁共振接收端装置包括磁共振接收模块，所述磁共振接收模块电连接所述负载设备，所述磁共振发射模块与所述磁共振接收模块之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，其特征在于：所述磁共振发射端装置还包括超材料，所述超材料固定设置在所述磁共振发射模块的后端，所述超材料具有负磁导率，所述具有负磁导率的超材料的频率与所述磁共振发射模块以及磁共振接收模块的谐振频率相同,所述超材料为平板结构，所述超材料与所述磁共振发射模块相对平行设置。2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述磁共振发射端装置还包括装置外壳，所述装置外壳内设置有多个定位槽，所述超材料可选择性固定在所述定位槽内。3.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述超材料的磁导率为-1。4.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述超材料包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个微结构，所述微结构为磁性微结构，所述介质基板为介电材料，所述微结构为导电材料。5.根据权利要求4所述的无线能量传输系统，其特征在于：所述磁性微结构为开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘若鹏，赵治亚，郭洁，洪运南，
申请(专利权)人：深圳光启创新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：