[发明专利]低频磁美特材料单元结构体及其组合装置

说明书

本发明提供一种低频磁美特材料单元结构体及其组合装置，通过采用金属导线多重绕匝并与集总参数电子元件相结合的工艺，所述磁美特材料单元结构体成形为深亚波长尺度，使磁美特材料单元结构体通过加载所述集总参数电子元件调谐频率，以及通过具有等效磁导率的所述金属导线谐振所述磁美特材料单元结构体；解决了现有的美特材料应用时所能支持功率级别不高的技术问题，实现将磁美特材料应用于一百瓦以上大功率且低频的无线电能传输的目的。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体来说涉及用于大功率无线电能传输的低频磁美特材料单元结构体及其组合装置。

背景技术

近些年来，无线电能传输的技术在便携式移动设备、电动汽车等领域得到了不断发展和推广。然而，在此过程中碰到的一些实际问题需要更为精确地调控电磁近场。例如，智能手机无线充电过程中需要提供稳定、均匀性强的大面积磁场，以提高能量传输效率。

在这方面，传统的铜导线绕制的线圈还存在一些问题：一方面，虽然市场上绕制多匝线圈的工艺已十分成熟，但是线圈结构比较简单，线圈产生的磁场往往分布不均匀，如果发射线圈和接收线圈没有严格对准，充电效率非常低；另一方面，自然界中存在的可在低频段(一般是1MHz以下)工作的磁性材料非常少，电磁参数的可用范围相对较小。因此，急需引入易于小型化、电磁场调控手段丰富的新型电磁材料。

值得注意的是，美特材料指一类具有天然材料所不具备的物理性质的人工电磁微结构材料，其具有亚波长特征，所述亚波长特征是指材料尺寸一般小于电磁波真空波长的1/1000。美特材料在电磁波的发射与接收、存储与调控等方面可以实现常规材料所不能实现的功能，例如，可以实现人工设计的负的相对磁导率。此外，美特材料负的磁响应可以带来独特的磁场近场调控特性，例如，美国杜克大学的D.R.Smith教授即利用了完美透镜成像的现象来实现无线电能传输过程中的磁场近场放大，使得传输效率提高了将近3倍。

然而，目前美特材料的制备大多基于印刷电路板工艺，其应用主要还在兆赫兹频段，支持的功率级别不高。例如，当前的印刷电路(PCB)加工技术制备的兆赫兹(MHz)美特材料，难以承受220V高电压以及5A以上的大电流。再者，在大功率(100瓦以上)低频支持无线电能传输的美特材料的设计与制备方面，目前还处于空白阶段，有待进一步开发。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提供一种低频磁美特材料单元结构体及其组合装置，通过采用金属导线多重绕匝并与集总参数电子元件相结合的工艺，解决了现有的美特材料应用时所能支持功率级别不高的技术问题，实现将磁美特材料应用于一百瓦以上大功率且低频的无线电能传输的目的。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种低频磁美特材料单元结构体，其包括绝缘介质板以及支持瓦级以上功率的金属导线和集总参数电子元件，所述磁美特材料单元结构体成形为深亚波长尺度；其中：所述金属导线，多重绕匝于所述绝缘介质板上；所述集总参数电子元件，与所述金属导线连接并装配于所述绝缘介质板上；所述磁美特材料单元结构体通过加载所述集总参数电子元件调谐频率，以及通过具有等效磁导率的所述金属导线谐振所述磁美特材料单元结构体。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述磁美特材料单元结构体的频率调谐范围是1kHz至100MHz。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述磁美特材料单元结构体的等效磁导率调谐范围是-100至100。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述磁美特材料单元结构体的等效磁导率具有小于1的特殊响应。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述绝缘介质板是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板。

本发明低频磁美特材料单元结构体的实施例中，所述金属导线选自实心铜导线、利兹线或紫铜管。