本發(fā)明涉及電磁設(shè)計(jì)領(lǐng)域與無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)，具體地，涉及基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，尤其是涉及基于正、負(fù)磁性材料的(可有效增強(qiáng)磁耦合效果)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展十分迅速。無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端與接收端之間沒(méi)有任何電氣連接，擺脫了有線(xiàn)的束縛，可以減少設(shè)備的物理磨損，延長(zhǎng)使用壽命。因此，該技術(shù)在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)、植入式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)及電子、汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域的企業(yè)都紛紛加入到這項(xiàng)技術(shù)的研究中來(lái)。該技術(shù)涉及了電力電子電路、線(xiàn)圈電磁設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、通信協(xié)議等多方面內(nèi)容，其中線(xiàn)圈電磁設(shè)計(jì)尤為重要。

超材料是一種介電常數(shù)或磁導(dǎo)率為負(fù)的人工結(jié)構(gòu)材料，在自然界中不存在。利用超材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場(chǎng)的控制。近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用超材料設(shè)計(jì)出了各種各樣的功能性電磁器件，包括“完美棱鏡”、隱身斗篷、電磁吸收器、超散射體等。但這些電磁器件通常由非均勻、各向異性的材料構(gòu)成，制作起來(lái)十分困難。均勻、各向同性的超材料可以利用周期性排列的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，如開(kāi)口諧振環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。磁性超材料是指介電常數(shù)為正、磁導(dǎo)率為負(fù)的超材料。

大多數(shù)短距離和中等距離的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)根據(jù)近場(chǎng)磁耦合原理設(shè)計(jì)而成，工作頻率大多在10kHz至13.56MHz之間。但是隨著線(xiàn)圈之間的傳輸距離增加，系統(tǒng)的電能傳輸效率急劇下降。現(xiàn)有的研究多集中于線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制方法的改進(jìn)，對(duì)效率的增強(qiáng)效果十分有限。將開(kāi)口諧振環(huán)等單元結(jié)構(gòu)周期性排列起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)等效磁導(dǎo)率為負(fù)的磁性超材料。在過(guò)去幾年里，理論研究、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果表明，微波射頻段的磁性超材料在無(wú)線(xiàn)電能傳輸領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。然而，相關(guān)的研究大多基于“完美棱鏡”?！巴昝览忡R”的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為-1，具有負(fù)折射效，它可以將發(fā)射線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)重新匯聚到接收線(xiàn)圈的位置。但是，這種方案通常將磁導(dǎo)率為-1的超材料平板放在兩線(xiàn)圈中間的位置，大大限制了它的應(yīng)用場(chǎng)合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，包括發(fā)射線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈、磁性超材料平板、正磁性材料平板，所述磁性超材料平板放置在所述發(fā)射線(xiàn)圈與所述接收線(xiàn)圈之間，所述正磁性材料平板放置在所述發(fā)射線(xiàn)圈或所述接收線(xiàn)圈的外側(cè)。

優(yōu)選地，均靠近一耦合線(xiàn)圈放置的磁性超材料平板與正磁性材料平板構(gòu)成一個(gè)磁性材料平板組，同一個(gè)磁性材料平板組中的磁性超材料平板、正磁性材料平板均平行于該耦合線(xiàn)圈，且與該耦合線(xiàn)圈同軸放置，所述磁性材料平板與該耦合線(xiàn)圈平行的截面為正方形；

所述耦合線(xiàn)圈是指發(fā)射線(xiàn)圈或者接收線(xiàn)圈。

優(yōu)選地，所述磁性超材料平板均勻、各向同性，且磁導(dǎo)率μ₁為負(fù)值；所述正磁性材料平板均勻、各向同性，且磁導(dǎo)率μ₂為正值。

優(yōu)選地，利用一個(gè)磁性材料平板組作用于所述耦合線(xiàn)圈，以匯聚所述發(fā)射線(xiàn)圈產(chǎn)生的發(fā)散的磁場(chǎng)，從而增強(qiáng)發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的互感和磁耦合。

優(yōu)選地，所述磁性材料平板的最大尺寸小于工作波長(zhǎng)的十分之一。

優(yōu)選地，磁性超材料平板的磁導(dǎo)率μ₁的取值范圍是[-1,0)。

優(yōu)選地，磁性超材料是指介電常數(shù)為正、磁導(dǎo)率為負(fù)的超材料。

優(yōu)選地，正磁性材料是指磁導(dǎo)率為正的磁性材料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明中的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，能夠?qū)⒋判圆牧掀桨蹇拷€(xiàn)圈放置，不會(huì)過(guò)多占用線(xiàn)圈之間的空間，保證傳輸線(xiàn)圈裝置與接收線(xiàn)圈裝置之間有足夠的傳輸距離；同時(shí)，能顯著地增強(qiáng)發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的互感和磁耦合。

2、本發(fā)明中的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，使用的超材料平板具有均勻、各向同性的特征，在工業(yè)上便于設(shè)計(jì)和制作。

3、本發(fā)明提供的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，能夠根據(jù)應(yīng)用需求選擇作用于發(fā)射線(xiàn)圈或接收線(xiàn)圈；同時(shí)作用于兩線(xiàn)圈時(shí)，對(duì)互感和磁耦合的增強(qiáng)效果更加顯著。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置(作用于發(fā)射線(xiàn)圈)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖3為μ₁＝-0.5時(shí)，基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置(作用于發(fā)射線(xiàn)圈)的磁場(chǎng)分布圖。

圖4為μ₁＝-1時(shí)，基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置(作用于發(fā)射線(xiàn)圈)的磁場(chǎng)分布圖。

圖5為傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置的磁場(chǎng)分布圖(d＝0.60m)。

圖6為傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置的磁場(chǎng)分布圖(d＝0.49m)。

圖7為μ₁＝-0.5時(shí)，基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置(作用于接收線(xiàn)圈)的磁場(chǎng)分布圖。

圖8為μ₁＝-0.5時(shí)，基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置(同時(shí)作用于發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈)的磁場(chǎng)分布圖。

圖中：

1-發(fā)射線(xiàn)圈；

2-接收線(xiàn)圈；

3-磁性超材料平板；

4-正磁性材料平板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，包括：發(fā)射線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈、磁性超材料平板、正磁性材料平板，所述磁性超材料平板放置在所述發(fā)射線(xiàn)圈與所述接收線(xiàn)圈之間，所述正磁性材料平板放置在所述發(fā)射線(xiàn)圈或所述接收線(xiàn)圈的外側(cè)。

所述發(fā)射線(xiàn)圈和所述接收線(xiàn)圈之間的距離d分別大于所述發(fā)射線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈的直徑。

靠近同一個(gè)線(xiàn)圈放置的磁性超材料平板與正磁性材料平板構(gòu)成一組磁性材料平板組，同一組磁性材料平板組平行于中間的線(xiàn)圈且同軸放置，所述磁性材料平板組與線(xiàn)圈平行的截面為正方形。

所述磁性超材料平板均勻、各向同性，且磁導(dǎo)率μ₁為負(fù)值；所述正磁性材料平板均勻、各向同性，且磁導(dǎo)率μ₂為正值。

當(dāng)一個(gè)磁性材料平板組作用于所述發(fā)射線(xiàn)圈或所述接收線(xiàn)圈時(shí)，能夠匯聚所述發(fā)射線(xiàn)圈產(chǎn)生的發(fā)散的磁場(chǎng)，從而顯著地增強(qiáng)發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的互感和磁耦合。

所述磁性材料平板的尺寸小于工作波長(zhǎng)的十分之一。

考慮磁性超材料平板的損耗系數(shù)為σ₁，即μ′₁＝μ₁*(1+σ₁*i))，保持其他參數(shù)不變，所述磁性超材料平板距相鄰線(xiàn)圈的距離d₁越小，對(duì)互感的增強(qiáng)效果越明顯；保持其他參數(shù)不變，所述磁性超材料平板的厚度w₁越大時(shí)，對(duì)互感的增強(qiáng)效果越明顯；保持其他參數(shù)不變，所述磁性超材料平板正方形截面的邊長(zhǎng)h₁存在最優(yōu)值，且最優(yōu)值略大于線(xiàn)圈的直徑；當(dāng)h₁小于最優(yōu)值時(shí)，互感隨著h₁增加而增加，當(dāng)h₁大于最優(yōu)值時(shí)，互感隨著h₁增加而減小。其中，μ′₁表示考慮磁損耗的磁性超材料平板的磁導(dǎo)率，i表示虛部，即材料的磁損耗。

考慮正磁性材料平板的損耗σ₂，即μ′₂＝μ₂*(1-σ₂*i)，保持其他參數(shù)不變，所述正磁性材料平板距相鄰線(xiàn)圈的距離d₂越小，對(duì)互感的增強(qiáng)效果越明顯；保持其他參數(shù)不變，所述正磁性材料平板的厚度w₂越大時(shí)，對(duì)互感的增強(qiáng)效果越明顯；保持其他參數(shù)不變，所述正磁性材料平板正方形截面的邊長(zhǎng)h₂越大時(shí)，對(duì)互感的增強(qiáng)效果越明顯。其中，μ′₂表示考慮磁損耗的正磁性材料平板的磁導(dǎo)率，i表示虛部，即材料的磁損耗。

為增強(qiáng)超材料對(duì)磁場(chǎng)的作用效果，減小材料的損耗，磁性超材料平板的磁導(dǎo)率μ₁的取值范圍是[-1,0).

具體地，當(dāng)μ₁∈[-1,0)時(shí)，μ₁越大，對(duì)互感的增強(qiáng)效果越明顯；當(dāng)μ₁小于-1時(shí)，μ₁越小，制作的超材料的損耗越大，會(huì)抵消一部分對(duì)互感的增強(qiáng)效果。因此實(shí)際制作時(shí)，宜選取較大的μ₁值。

所述發(fā)射線(xiàn)圈與所述接收線(xiàn)圈之間的互感隨著μ₂的增加而增加，但當(dāng)μ₂達(dá)到一定值后繼續(xù)增加，互感的變化不再明顯。

實(shí)施例1：

如圖1所示，本實(shí)施案例提供一種基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，包括發(fā)射線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈、一組靠近發(fā)射線(xiàn)圈放置的磁性材料平板組。其中發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的半徑均為0.25m，線(xiàn)圈截面半徑均為0.005m；線(xiàn)圈材料為銅，匝數(shù)為1，線(xiàn)圈之間的距離d＝0.60m。磁性超材料平板的磁導(dǎo)率μ₁∈[-1,0)，損耗系數(shù)為σ₁＝0.1，且放置在發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈之間，與發(fā)射線(xiàn)圈之間的距離為d₁＝0.05m，磁性超材料平板的尺寸為w₁＝0.06m，h₁＝0.60m；正磁性材料平板的磁導(dǎo)率μ₂＝2000，損耗系數(shù)為σ₂＝0.01，且放置在發(fā)射線(xiàn)圈外側(cè)，與發(fā)射線(xiàn)圈之間的距離為d₂＝0.015m，正磁性材料平板的尺寸為w₂＝0.02m，h₂＝0.60m。

多耦合物理場(chǎng)仿真軟件Comsol Multiphysics可以對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中電磁元件進(jìn)行仿真，該仿真軟件已經(jīng)得到很多研究學(xué)者的認(rèn)可和廣泛使用。為了驗(yàn)證本發(fā)明提供的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置的效果，通過(guò)Comsol進(jìn)行電磁仿真，計(jì)算發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈之間的互感，并繪制系統(tǒng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。

針對(duì)上述參數(shù)，采用本發(fā)明提供的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，保持磁性材料平板與線(xiàn)圈的位置、尺寸不變，當(dāng)μ₁＝-0.5，基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置(作用于發(fā)射線(xiàn)圈)的互感為71.46nH，磁場(chǎng)分布如圖3所示；當(dāng)μ₁＝-1，基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置(作用于發(fā)射線(xiàn)圈)的互感為55.02nH，磁場(chǎng)分布如圖4所示。

當(dāng)μ₁＝-0.5時(shí)，保持其他參數(shù)不變，當(dāng)h₁在0.48至0.84m之間逐漸增加時(shí)，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈間的互感如表1所示，其中最優(yōu)的h₁為0.54m。

當(dāng)μ₁＝-1時(shí)，保持其他參數(shù)不變，當(dāng)h₁在0.48至0.84m之間逐漸增加時(shí)，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈間的互感如表1所示，其中最優(yōu)的h₁為0.60m。

表1互感M與超材料平板尺寸h₁的關(guān)系(μ₁＝-0.5)

表2互感M與超材料平板尺寸h₁的關(guān)系(μ₁＝-1)

傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，為了驗(yàn)證本發(fā)明提供的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置在提高互感和磁耦合上的顯著效果，保證發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的大小不變:當(dāng)兩線(xiàn)圈之間的距離d為0.6m，采用該傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈間的互感約為8.85nH，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖5所示；當(dāng)兩線(xiàn)圈之間的距離d為0.49m(發(fā)射線(xiàn)圈放置在超材料平板的位置)，采用該傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈間的互感約為18.78nH，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖6所示。

實(shí)施例2：

本實(shí)施案例的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，包括發(fā)射線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈、一組靠近接收線(xiàn)圈的磁性材料平板。其他參數(shù)均與實(shí)施例1中的相同。即可以將實(shí)施例2理解為實(shí)施例1的變化例。

針對(duì)上述參數(shù)，采用實(shí)施例2提供的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈間的互感約為71.46nH，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖7所示。

實(shí)施例3：

本實(shí)施案例的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，包括發(fā)射線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈、一組靠近發(fā)射線(xiàn)圈的磁性材料平板、一組靠近接收線(xiàn)圈的磁性材料平板，兩組超材料平板的磁導(dǎo)率均為μ₁＝-0.5。其他參數(shù)均與實(shí)施例1、2中的相同。即可以將實(shí)施例3理解為實(shí)施例1的變化例。

針對(duì)上述參數(shù)，采用實(shí)施例3提供的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈間的互感約為99.09nH，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖8所示。

可以看出，本發(fā)明給出的基于磁性材料平板的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置，使用一組磁性材料平板(μ₁＝-1)作用于發(fā)射線(xiàn)圈，與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置(d＝0.60m)相比，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的互感增大為原來(lái)的6.22倍；使用一組磁性材料平板(μ₁＝-0.5)作用于發(fā)射線(xiàn)圈，與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置相比(d＝0.60m)，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的互感增大為原來(lái)的8.07倍；且μ₁＝-1和μ₁＝-0.5對(duì)應(yīng)的互感均大于直接將線(xiàn)圈移動(dòng)到超材料平板位置(d＝0.49m)時(shí)的互感。與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置相比，發(fā)射線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)向接收線(xiàn)圈匯聚，接收線(xiàn)圈附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯增加，效果比直接移動(dòng)線(xiàn)圈更好。

其他條件相同時(shí)，磁性材料平板作用于發(fā)射線(xiàn)圈或接收線(xiàn)圈，互感的增強(qiáng)效果一致。本裝置提高互感和磁耦合的效果非常顯著，因而可以顯著地提高整個(gè)無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。

兩組磁性材料平板(μ₁＝-0.5)分別同時(shí)作用于發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈時(shí)，與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電能傳輸線(xiàn)圈裝置相比，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的互感增大為原來(lái)的11.20倍。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。