磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面，由能量發(fā)射源(1)及設(shè)置在其中的發(fā)射端磁美特材料(2)、能量接收源(4)及設(shè)置在其中的接收端磁美特材料(3)組成，發(fā)射端磁美特材料(2)和接收端磁美特材料(3)由于磁諧振倏逝場線相互耦合來進(jìn)行無線能量傳輸，在系統(tǒng)工作頻率處具有最大等效磁導(dǎo)率實(shí)部。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用這兩個具有相同特定諧振頻率的美特材料部件，在中近距離時，由于諧振頻率相同而產(chǎn)生諧振，進(jìn)行能量傳遞，加入美特材料部件后，新的系統(tǒng)的傳輸效率會有顯著的提升；該系統(tǒng)在存在一定位錯的情況下也能具有良好的傳輸效果；該系統(tǒng)中的美特材料具有亞波長特性，且獲得的表面磁場相對較為均勻，有利于實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)高效充電。
【專利說明】磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線電能傳輸系統(tǒng)，尤其是涉及一種磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面。

【背景技術(shù)】
[0002]很早之前，利用電磁感應(yīng)進(jìn)行能量傳輸就已經(jīng)存在并應(yīng)用，如公交車上的自動刷卡機(jī)，又如學(xué)校里的校園一卡通讀卡系統(tǒng)，以及現(xiàn)在我們的二代身份證等都有類似機(jī)制:讀取設(shè)備附近會產(chǎn)生一個高頻磁場，一旦芯片進(jìn)入其中周圍的線圈內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而激活芯片并把所攜帶信息通過線圈發(fā)射出去被讀取設(shè)備接收。最為典型的一種純電磁感應(yīng)能量傳輸?shù)睦颖闶亲儔浩鳎蓛蓚€金屬螺線環(huán)不接觸的排列在一次，內(nèi)部通過一根鐵芯相互關(guān)聯(lián)。但是，電磁感應(yīng)式能量傳輸也有十分不利的因素:首先，其發(fā)射端磁感應(yīng)線迅速的發(fā)散特性使其只能實(shí)現(xiàn)非常近的高效能量傳輸，距離一旦擴(kuò)大至中距離甚至中近距離，其傳輸效率會隨著距離的三次方快速下降；其次，電磁感應(yīng)式能量傳輸對發(fā)射端與接收端之間的位錯程度很敏感，因?yàn)榇艌龃蠖喽季钟蛟诮饘俑浇?，一旦有一定位錯存在，將會影響接收端所收到的磁通量，從而降低效率。
[0003]直至2007年，非輻射無線能量傳輸迎來了新的發(fā)展前景。一批來自MIT的科學(xué)家提出了依靠磁諧振在中距離所實(shí)現(xiàn)高效無線能量傳輸。這一理論主要是依靠具有相同諧振頻率的發(fā)射端與接收端之間的磁諧振倏逝場線相互耦合來實(shí)現(xiàn)兩端之間的快速能量交換，由于電磁諧振的存在，兩端聚集大量的電磁能量，從而使倏逝磁場延生得更遠(yuǎn)，以高效地實(shí)現(xiàn)中距離能量傳輸。此外，這種傳能方式對周邊環(huán)境的影響也非常小，因?yàn)檎麄€傳輸過程中只有磁場。然而，磁諧振無線能量傳輸也有其缺點(diǎn)，它對發(fā)射端與接收端存在的位錯位移也十分敏感，會極大影響效率，原因和之前電磁感應(yīng)式的基本一致，這樣也不利于實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)大范圍能量傳輸。目前無線電能傳輸遇到的難題是傳輸距離近，效率低，方向性差，這是亟待解決的技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種有效地提高非輻射電磁感應(yīng)無線能量傳輸系統(tǒng)的效率與距離的磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面，由能量發(fā)射源及設(shè)置在其中的發(fā)射端磁美特材料、能量接收源及設(shè)置在其中的接收端磁美特材料組成，
[0007]所述的發(fā)射端磁美特材料由第一介質(zhì)板、設(shè)置在第一介質(zhì)板上下表面的發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)陣列和發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)陣列組成，發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)陣列與發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)陣列相對第一介質(zhì)板相互平行且位置相反；
[0008]所述的接收端磁美特材料由第二介質(zhì)板設(shè)置在第二介質(zhì)板上下表面的接收端第一金屬銅螺線環(huán)陣列和接收端第二金屬銅螺線環(huán)陣列組成，接收端第一金屬銅螺線環(huán)陣列和接收端第二金屬銅螺線環(huán)陣列相對第二介質(zhì)板相互平行且位置相反；
[0009]發(fā)射端磁美特材料和接收端磁美特材料由于磁諧振倏逝場線相互耦合來進(jìn)行無線能量傳輸，在系統(tǒng)工作頻率處具有最大等效磁導(dǎo)率實(shí)部。
[0010]所述的能量發(fā)射源和發(fā)射端磁美特材料是具有定向且相對均勻發(fā)射倏逝磁場的驅(qū)動天線。
[0011]所述的接收端磁美特材料和能量接收源是能量接收天線。
[0012]所述的第一介質(zhì)板和第二介質(zhì)板為聚四氟乙烯玻璃纖維制成的介質(zhì)板，介電常數(shù)為 2.65。
[0013]所述的能量發(fā)射源及能量接收源為正方形金屬銅線環(huán)。
[0014]發(fā)射端及接收端的金屬銅螺線環(huán)陣列厚度相同，由平均分布的數(shù)個金屬銅螺線構(gòu)成，每個金屬銅螺線均構(gòu)成13圈螺線環(huán)。
[0015]作為一個具體的實(shí)施方案，能量發(fā)射源、能量接收源是邊長80mm、橫截半徑0.5mm的正方形金屬銅線環(huán)，第一介質(zhì)板、第二介質(zhì)板厚度均為0.25mm ;發(fā)射端及接收端的金屬銅螺線環(huán)陣列的厚度均為0.035mm,每個單元對應(yīng)的介質(zhì)板的邊長為為26mm,單元最外圈銅帶圍成的正方形的邊長為25mm,銅帶寬度均為0.21mm,銅帶間隔均為0.32mm,金屬銅螺線環(huán)均為13圈，中心正方銅塊邊長均為1.9mm。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0017](I)利用磁美特材料的磁場放大效應(yīng)可以有效地提高非輻射電磁感應(yīng)無線能量傳輸系統(tǒng)的效率與距尚。
[0018](2)磁美特材料的深亞波長特性有利于非輻射無線能量傳輸系統(tǒng)的小型化。
[0019](3)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)即時傳輸，即當(dāng)接收端一旦關(guān)閉，發(fā)射端立即能感知到，并停止能量傳輸。
[0020](4)該系統(tǒng)具有較好的磁場分布均勻性，對位錯較為不敏感，并可支持多目標(biāo)能量傳輸。
[0021](5)本發(fā)明工藝簡單，成本低廉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為發(fā)射端磁美特材料或接收端磁美特材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3為正方形金屬銅線環(huán)與基板的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4為磁美特材料等效磁導(dǎo)率實(shí)部與虛部隨頻率變化關(guān)系圖；
[0026]圖5為有無美特材料時非輻射無線充電平面在2cm傳輸距離下的效率隨頻率變化關(guān)系圖；
[0027]圖6為基于美特材料非輻射無線充電平面在工作頻率上能量發(fā)射源上方4cm處磁場強(qiáng)度分布圖；
[0028]圖7為基于美特材料非輻射無線充電平面在4cm傳輸距離下隨位錯位移變化的效率圖。
[0029]圖中，I為能量發(fā)射源，2為發(fā)射端磁美特材料，3為接收端磁美特材料,4為能量接收源，5為第一介質(zhì)板，6為發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)陣列，7為發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)陣列，8為第二介質(zhì)板，9為接收端第一金屬銅螺線環(huán)陣列，10為接收端第二金屬銅螺線環(huán)陣列。

【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0031]實(shí)施例
[0032]一種基于磁美特材料磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面，其結(jié)構(gòu)如圖1-4所示，主要由能量發(fā)射源I,發(fā)射端磁美特材料2，接收端磁美特材料3，能量接收源4組成。發(fā)射端磁美特材料2與接收端磁美特材料3分別位于能量發(fā)射源I與能量接收源4中心，發(fā)射端磁美特材料2和接收端磁美特材料3由于磁諧振倏逝場線相互耦合來進(jìn)行無線能量傳輸:發(fā)射端磁美特材料2和接收端磁美特材料3在系統(tǒng)工作頻率處具有最大等效磁導(dǎo)率實(shí)部。能量發(fā)射源I與能量接收源4均為非諧振正方形金屬銅環(huán)。
[0033]發(fā)射端磁美特材料2由第一介質(zhì)板5、發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)陣列6和發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)陣列7組成。發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)陣列6排列在第一介質(zhì)板5正面，發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)陣列7排列在第一介質(zhì)板底面5 ;發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)陣列6與發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)陣列7關(guān)于第一介質(zhì)板5反平行對稱放置。
[0034]接收端磁美特材料3由第二介質(zhì)板8、接收端第一金屬銅螺線環(huán)陣列9和接收端第二金屬銅螺線環(huán)陣列10組成。接收端第一金屬銅螺線環(huán)陣列9排列在第二介質(zhì)板8正面，接收端第二金屬銅螺線環(huán)陣列10排列在第二介質(zhì)板8底面；接收端第一金屬銅螺線環(huán)陣列9與接收端第二金屬銅螺線環(huán)陣列10關(guān)于第二介質(zhì)板8反平行對稱放置。
[0035]第一介質(zhì)板5和第二介質(zhì)板8均為聚四氟乙烯玻璃纖維制成的介質(zhì)板，介電常數(shù)為均為2.65，板厚均為0.25mm ;發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)陣列6和第二金屬銅螺線環(huán)陣列7與接收端第一金屬銅螺線環(huán)陣列9和第二金屬銅螺線環(huán)陣列10的厚度均為0.035mm,單元周期均為26mm,單元最外圈銅帶長度均為25mm,銅帶寬度均為0.21mm,銅帶間隔均為0.32mm,金屬銅螺線環(huán)均為13圈，中心正方銅塊邊長均為1.9mm。
[0036]采用本發(fā)明實(shí)驗(yàn)得到的系統(tǒng)在2cm傳輸距離情況下傳輸效率如圖5所示，實(shí)驗(yàn)頻率范圍為20MHz?26MHz，加入磁美特材料后無線能量傳輸系統(tǒng)效率得到極大提升，其中效率最高頻率為磁美特材料等效磁導(dǎo)率實(shí)部最大點(diǎn)所對應(yīng)頻率。
[0037]采用本發(fā)明實(shí)驗(yàn)得到的基于磁美特材料磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面在系統(tǒng)最大效率頻率點(diǎn)處于能量發(fā)射源上方4cm處磁場強(qiáng)度分布如圖6所示，能量發(fā)射源所產(chǎn)生的磁場在大部分范圍內(nèi)分布均勻。
[0038]采用本發(fā)明實(shí)驗(yàn)得到的基于磁美特材料磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面在4cm傳輸距離下隨位錯位移變化的效率情況如圖7所示，當(dāng)在能量發(fā)射源和能量接收源中各加入磁美特材料后，隨位錯位移逐漸從0.5cm增加至1.5cm時，系統(tǒng)的傳輸效率下降緩慢，僅從18%降到16%。這種基于磁美特材料磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面可以很好的應(yīng)用于無線電能傳輸，多目標(biāo)傳輸以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
【權(quán)利要求】
1.磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面，其特征在于，該無線充電平面由能量發(fā)射源(I)及設(shè)置在其中的發(fā)射端磁美特材料(2)、能量接收源(4)及設(shè)置在其中的接收端磁美特材料(3)組成， 所述的發(fā)射端磁美特材料(2)由第一介質(zhì)板(5)、設(shè)置在第一介質(zhì)板(5)上下表面的發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)陣列(6)和發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)陣列(7)組成，發(fā)射端第一金屬銅螺線環(huán)陣列(6)與發(fā)射端第二金屬銅螺線環(huán)陣列(7)相對第一介質(zhì)板(5)相互平行且位置相反； 所述的接收端磁美特材料(3)由第二介質(zhì)板(8)設(shè)置在第二介質(zhì)板(8)上下表面的接收端第一金屬銅螺線環(huán)陣列(9)和接收端第二金屬銅螺線環(huán)陣列(10)組成，接收端第一金屬銅螺線環(huán)陣列(9)和接收端第二金屬銅螺線環(huán)陣列(10)相對第二介質(zhì)板(8)相互平行且位置相反； 發(fā)射端磁美特材料(2)和接收端磁美特材料(3)由于磁諧振倏逝場線相互耦合來進(jìn)行無線能量傳輸，在系統(tǒng)工作頻率處具有最大等效磁導(dǎo)率實(shí)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面，其特征在于，所述的能量發(fā)射源(I)和發(fā)射端磁美特材料(2)是具有定向且相對均勻發(fā)射倏逝磁場的驅(qū)動天線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面，其特征在于，所述的接收端磁美特材料(3)、能量接收源(4)為能量接收天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面，其特征在于，所述的第一介質(zhì)板(5)和第二介質(zhì)板(8)為聚四氟乙烯玻璃纖維制成的介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.65，厚度為0.25mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面，其特征在于，所述的能量發(fā)射源(I)及能量接收源(4)均為邊長80mm、橫截半徑0.5mm的正方形金屬銅線環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面，其特征在于，發(fā)射端及接收端的金屬銅螺線環(huán)陣列厚度相同，由平均分布的數(shù)個金屬銅螺線構(gòu)成，每個金屬銅螺線均構(gòu)成13圈螺線環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面，其特征在于，發(fā)射端及接收端的金屬銅螺線環(huán)陣列由平均分布在介質(zhì)板上下表面的各9個圍成正方形的金屬銅螺線環(huán)構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁場強(qiáng)度與場分布調(diào)控效應(yīng)的無線充電平面，其特征在于，每個金屬銅螺線環(huán)中最外圈銅帶所圍成的邊長為25_，銅帶寬度為0.21_，銅帶之間的間隔為0.32_，螺線環(huán)中心為邊長1.9mm的正方形銅塊。
【文檔編號】H01F38/14GK104362767SQ201410549298
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】李云輝, 吳謙, 陳永強(qiáng), 陳梓漳, 方愷, 張冶文, 陳鴻 申請人:同濟(jì)大學(xué)