[发明专利]基于磁美特材料的磁场产生装置及无线电能传输系统

说明书

本发明提供一种基于磁美特材料的磁场产生装置及无线电能传输系统，其主要由能量发射端以及加载在能量发射端上具有亚波长特性的磁美特材料集成组成，所述磁美特材料集成包括多个磁美特材料单元，借此，本发明通过发射线圈激励频率调谐范围在千赫兹频段的磁美特材料单元，使各个磁美特材料单元通过磁场耦合形成特殊通带，在所述通带内的不同频率点能够被对应激发出不同的磁场分布，从而达到通过调控频率得到一种在千赫兹低频段大面积相对均匀分布的磁场，实现一种有利于和多个目标进行无线电能传输的磁场产生装置及包括所述磁场产生装置的无线电能传输系统。

技术领域

本发明涉及磁场共振式耦合无线电能传输的技术领域，具体来说涉及基于磁美特材料的磁场产生装置及无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)是通过发射器将电能转化为其它形式的中继能量，如电磁场能、激光、微波及机械波等，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现电能无线传输。根据能量传输过程中，中继能量形式的不同，可分为磁(场)耦合式、电(场)耦合式、电磁辐射式和机械波耦合(超声波耦合)式。因传输功率大、效率高，磁耦合式无线电能传输应用较其它方式更为广泛。

目前，美国科学家已提出了一种新型的基于磁场共振式耦合无线电能传输的技术，该技术与传统的磁场感应式耦合技术相比，有许多优势，例如，自然界中的大部分的材料，包括生物体，对于磁场几乎没有响应，因此所述整个磁场共振式的无线电能传输系统在传输过程仅借助磁场，保证了在日常使用环境中的安全性；此外，系统周围磁场由于共振而大大加强，其作用范围可拓展到中距离，即能量传输距离约为10倍线圈尺寸大小。

然而，在实际的无线电能传输过程中，由于发射线圈本身的结构限制，其产生的磁场分布往往不均匀，导致能量传输效率空间波动较大。例如，接收线圈和发射线圈放在不同位置会有不同程度的耦合，两者必须严格对准，否则能量传输效率下降非常快。因此，为了使能量传输效率不因发射端和接收端摆放位置的变化而变化，均匀性强的大面积磁场将有助于提高无线电能传输过程中设备之间的兼容性。另一方面自然界中可用于kHz至MHz低频段的天然磁性材料相对较少，为实现对低频无线电能传输过程中磁场近场的有效控制，小型化且电磁场调控手段丰富的新型电磁材料的引入十分必要。

值得注意的是，美特材料是一类其电磁特性与天然材料完全不同的亚波长人工微结构材料，其负的磁响应、深亚波长特性及一定的拼装性可以让人们自由调控电磁场，在大面积内实现均匀的磁场分布。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提供一种基于磁美特材料的磁场产生装置及无线电能传输系统，其主要由能量发射端以及加载在能量发射端上具有亚波长特性的磁美特材料集成组成，所述磁美特材料集成包括多个磁美特材料单元，借此，本发明通过发射线圈激励频率调谐范围在千赫兹频段的磁美特材料单元，使各个磁美特材料单元通过磁场耦合形成特殊通带，在所述通带内的不同频率点能够被对应激发出不同的磁场分布，从而达到通过调控频率得到一种在千赫兹低频段大面积相对均匀分布的磁场，实现一种有利于和多个目标进行无线电能传输的磁场产生装置及包括所述磁场产生装置的无线电能传输系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种基于磁美特材料的磁场产生装置，其包括发射线圈，具有金属导线绕制形成单匝方形线圈；磁美特材料集成，包括多个在平面内周期性复制组成的磁美特材料单元；所述磁美特材料单元结构体的尺寸为其工作波长的1/20000，且所述磁美特材料单元的频率调谐范围是千赫兹频段；所述磁美特材料集成的形状及尺寸与所述发射线圈相匹配且放置于所述发射线圈之中；各所述磁美特材料单元包括绝缘介质板、金属导线以及集总参数元件，其中，所述金属导线多重绕匝于所述绝缘介质板上；所述集总参数元件与所述金属导线连接并装配于所述绝缘介质板上。

本发明的磁场产生装置实施例中，所述发射线圈的金属导线头端及尾端焊接有射频同轴连接器(BNC-KFD)。

本发明的磁场产生装置实施例中，所述发射线圈是每股截面直径0.1mm共200股的利兹线绕匝形成。