本發(fā)明屬于電工新技術領域，更具體地，涉及一種基于13.56MHz超材料的無線電能傳輸裝置。

背景技術：

傳統(tǒng)的用電器的充電和供電技術主要是靠導線直接接觸進行，這種方式不夠便捷，在某些情況下存在安全隱患。1889年物理學家特斯拉最早開始無線電能傳輸技術的實驗，百年來早期無線電能傳輸技術集中在電磁感應式無線充電領域，感應式無線充電裝置的電能傳輸距離較短，只能達到幾毫米或幾厘米的范圍，該特點使得傳統(tǒng)的感應式充電應用具有很大的局限性。2007年以來新型的電磁諧振式無線電能傳輸技術的興起，大大提高了無線電能傳輸裝置的有效傳輸距離，但是該方法在較遠的傳輸距離下，裝置傳輸效率急劇下降，很難做到較遠的傳輸距離和高效的傳輸效率兼顧。同時，電能傳輸裝置的發(fā)散磁場對周圍環(huán)境可能存在較大的電磁污染。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述技術問題，本發(fā)明提供一種基于13.56MHz超材料的無線電能傳輸裝置，旨在解決由于線圈激發(fā)的磁場隨距離呈指數(shù)衰減現(xiàn)有的無線電能傳輸裝置中無法兼顧較遠的傳輸距離和高效的傳輸效率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種基于13.56MHz超材料的無線電能傳輸裝置，包括第一饋電線圈、發(fā)射線圈、超材料、接收線圈和第二饋電線圈。

第一饋電線圈，用于當接通中心頻率為13.56MHz的射頻電源時，產生頻率為13.56MHz的第一交變磁場；

發(fā)射線圈，與第一饋電線圈同軸布置，通過與第一饋電線圈電磁耦合，在發(fā)射線圈中激發(fā)產生并輻射第二交變磁場；

超材料，與發(fā)射線圈同軸布置，對發(fā)射線圈輻射第二交變磁場進行聚焦；

接收線圈，與超材料同軸布置，經(jīng)由超材料聚焦后的第二交變磁場激發(fā)產生并輻射第三交變磁場；

第二饋電線圈，與接收線圈同軸布置，通過與接收線圈電磁耦合，在第二饋電線圈產生交變電流。

在第一饋電線圈中注入13.56MHz高頻交流電，在第一饋電線圈中產生13.56MHz的第一交變磁場，發(fā)射線圈在第一饋電線圈產生的交變電磁場作用下產生并輻射第二交變磁場，當?shù)诙蛔兇艌霭l(fā)射到超材料上，超材料改變第二交變磁場的分布，實現(xiàn)將入射的第二交變磁場聚焦，使得發(fā)射線圈與接收線圈的耦合強度增加，使得發(fā)射線圈與接收線圈的能量傳輸效率增大，由第二交變磁場在接收線圈中激發(fā)并產生第三交變磁場，第二饋電線圈通過與接收線圈電磁耦合，由第三交變磁場在第二饋電線圈中產生交變電流，通過第二饋電線圈與負載連接，實現(xiàn)向負載傳輸電能，由于超材料增加了發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合強度，使得在增大發(fā)射線圈與接收線圈之間的傳輸距離的時，能量傳輸效率不會驟減，無線電能傳輸裝置能夠兼顧大的傳輸距離增大和高的能量傳輸效率。

進一步地，超材料包括多個呈陣列式排列的超材料單元，超材料單元包括諧振線圈、介質基板和諧振電容；

諧振電容與諧振線圈連接，諧振線圈固定在介質基板的一面，諧振電容固定在介質基板的另一面；

諧振線圈為呈平面方形螺旋狀的金屬線，線圈圈數(shù)為2～6圈，金屬線寬度為0.5mm～5.0mm，金屬線間距為0.2mm～4.0mm；諧振電容的大小為10pF～100pF。

當?shù)诙蛔兇艌鋈肷涞匠牧仙?，超材料中的諧振線圈與諧振電容發(fā)生電磁反應，使得超材料呈現(xiàn)等效的負磁導率，具有負磁導率的超材料能放大入射磁場的倏逝場部分，使得傳輸通道內空間磁場分布得到人工調控，達到磁場聚焦的效應，超材料的工作頻率由諧振線圈的等效電感以及諧振電容的大小決定，通過控制諧振線圈為平面方形螺旋狀的金屬線，控制線圈圈數(shù)為2～6圈，金屬線寬度為0.5mm～5mm，金屬線間距為0.2mm～4mm，實現(xiàn)控制諧振線圈的等效電感，使得在向超材料的工作頻率為13.55MHz～14.47MHz，使得接收線圈耦合到更多的磁場能量，發(fā)射線圈和接收線圈的耦合強度增加，無線電能傳輸裝置能夠兼顧大的傳輸距離增大和高的能量傳輸效率。

進一步地，超材料中諧振電容為高頻貼片電容，高頻貼片電容體積小，能夠有效降低無線電能傳輸裝置的體積。

進一步地，超材料中諧振電容的大小為39pF，諧振線圈中金屬線的寬度為3.0mm，金屬線的間距為2.0mm，超材料的工作頻率在13.56MHz，該頻率為ISM標準頻率，有利于將超材料產業(yè)化應用。

進一步地，超材料中介質基板為環(huán)氧樹脂介質基板，環(huán)氧樹脂易成型，質量輕、強度高、模量大、耐腐蝕性好、電性能優(yōu)異，能夠降低超材料的制作成本。

進一步地，金屬線為銅線，選用銅線可以采用PCB板印刷技術加工該超材料，有利于將超材料產業(yè)化。

通過本發(fā)明所構思的以上技術方案，與現(xiàn)有技術相比，能夠取得以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的13.56MHz無線電能傳輸裝置，通過在發(fā)射線圈和接收端線圈之間加入超材料，實現(xiàn)改變發(fā)射線圈輻射的13.56MHz的交變磁場分布并將其聚焦，使得接收線圈遠距離情況下能夠接收到更躲由發(fā)射線圈輻射的磁場能，實現(xiàn)13.56MHz無線電能傳輸裝置能夠在長距離下高效率的傳輸電能。

2、本發(fā)明提供的基于13.56MHz超材料的無線電能傳輸裝置能在100W以下的功率、13.56MHz的頻率條件下進行電能的無線傳輸，傳輸距離遠，傳輸效率高，結構簡單，體積小，便于操作，電磁輻射較低，13.56MHz電源是標準的工業(yè)電源，該頻段源能夠廣泛應用于可移動便攜式電子設備無線充電和中小功率用電器的無線供電，使得無線充電的大規(guī)模生產應用成為可能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的基于13.56MHz超材料的無線電能傳輸裝置的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明中超材料的工作原理圖；

圖3是本發(fā)明中發(fā)射線圈和接收線圈距離固定為30cm時，超材料位于發(fā)射線圈和接收線圈中不同位置時，裝置能量傳輸效率變化規(guī)律圖；

圖4是本發(fā)明裝置在超材料位于發(fā)射線圈和接收線圈中間位置時，能量傳輸效率隨傳輸距離的變化關系圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供的13.56MHz無線電能傳輸裝置，包括第一饋電線圈，在注入中心頻率為13.56MHz交變電流后，產生頻率為13.56MHz的第一交變磁場，第一饋電線圈與發(fā)射線圈同軸布置，通過第一饋電線圈與發(fā)射線圈電磁耦合，在發(fā)射線圈激發(fā)并輻射第二交變磁場，發(fā)射線圈與超材料同軸，使得第二交變磁場射入超材料上，超材料能夠改變頻率為14.56MHz的第二交變磁場分布，實現(xiàn)對由發(fā)射線圈輻射的頻率為13.56MHz的第二交變磁場聚焦，增加了發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合強度，使得接收線圈在距離發(fā)射線圈較遠的而距離下仍能夠耦合到更多電磁能，超材料與接收線圈同軸，聚焦后的第二交變磁場在接收線圈內激發(fā)并輻射第三交變磁場，接收線圈與第二饋電線圈同軸，接收線圈通過電磁耦合在第二饋電線圈中產生交變電流，并通過與負載連接實現(xiàn)對負載傳輸電能，由于超材料增加了發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合強度，使得本發(fā)明提供的無線電能傳輸裝置能夠兼顧遠的傳輸距離和高的傳輸效率。

如圖1所示，本發(fā)明提供的13.56MHz無線電能傳輸裝置的第一實施例，包括第一饋電線圈2，為開口圓環(huán)形銅線圈，通過向第一饋電線圈2中注入頻率為13.56MHz的交流電，使得第一饋電線圈2中輸出頻率在13.56MHz的第一交變磁場，第一饋電線圈2與發(fā)射線圈3同軸布置，第一饋電線圈2與發(fā)射線圈3電磁耦合，使得發(fā)射線圈3產生并輻射頻率為13.56MHz的第二交變磁場，發(fā)射線圈3為平面方形螺旋線，銅線規(guī)格為線徑1.0mm～2.5mm，銅線繞制于基板表面，發(fā)射線圈3與超材料5同軸布置，超材料5與接收線圈6同軸布置，超材料5包括多個呈陣列排列的超材料單元，超材料單元包括諧振線圈51、介質基板52以及諧振電容53，諧振線圈51與諧振電容53連接，諧振線圈51固定在介質基板52的一面，諧振電容53固定在介質基板52的另一面，頻率為13.56MHz的第二交變磁場射入超材料5表面，每個超材料單元中諧振線圈與諧振電容產生電磁響應，使得電磁波的反射和透射具有一定規(guī)律，對外宏觀上展現(xiàn)出在電磁波的頻率在工作頻率時超材料具有等效的負磁導率特性，具有等效的負磁導率特性的超材料能放大入射磁場的倏逝場部分，使得磁場分布得到人工調控，達到磁場聚焦的效應，諧振線圈為呈平面方形螺旋狀的金屬線，線圈圈數(shù)為2～6圈，金屬線寬度為0.5mm～5.0mm，金屬線間距為0.2mm～4.0mm，諧振電容的大小為10pF～100pF，使得超材料在13.55MHz～14.47MHz具有等效的負磁導率特性，增加了發(fā)射線圈與接收線圈之間的耦合強度，接收線圈能夠接收到更多的由發(fā)射線圈輻射的第二交變磁場中磁場能量，使得在增大發(fā)射線圈與接收線圈之間距離同時能夠提高能量傳輸效率。接收線圈6與第二饋電線圈7同軸布置，接收線圈6通過電磁耦合將其中的電磁能傳輸給第二饋電線圈7，在第二饋電線圈7內產生交變電流，接收線圈6為平面方形螺旋銅線圈，銅線規(guī)格為線徑1.0mm～2.5mm，銅線繞制于基板表面；第二饋電線圈7通過與負載連接，實現(xiàn)向負載傳輸電能。負載可以是阻抗50歐的常用負載裝置，包括燈泡負載、電池組負載、可變電子負載等。

本發(fā)明提供的13.56MHz無線電能傳輸裝置的第二實施例種，超材料包括多個呈陣列排列的超材料單元，超材料單元包括諧振線圈，諧振線圈為平面方形螺旋形金屬線，線圈圈數(shù)為4圈，金屬線的寬度為3.0mm，金屬線的間距為2.0mm，金屬線為銅線，介質基板為介質基板為環(huán)氧樹脂介質基板，環(huán)氧樹脂易成型，質量輕、強度高、模量大、耐腐蝕性好、電性能優(yōu)異，能夠降低超材料的制作成本，諧振線圈固定在介質基板的一面，可以采用PCB板印刷技術加工該超材料，諧振電容為高頻貼片電容，高頻貼片電容體積小，能夠有效降低無線電能傳輸裝置的體積，諧振電容與諧振線圈連接，諧振電容固定在介質基板的另一面，諧振電容的大小為39pF，超材料的工作頻率在13.56MHz，該頻率為ISM標準頻率，有利于將超材料產業(yè)化應用。

根據(jù)斯涅耳定律，入射磁場從空氣中入射到超材料上時，由于超材料具有等效負磁導率，入射分量和折射分量位于法線同側，透射場具有會聚效應，圖2(a)所示，當入射磁場A從空氣射入到超材料時，并沒有沿著C折射過去，而是與入射磁場A在同一側，沿著B折射出去，實現(xiàn)對透射場的會聚；圖2(b)為超材料的工作作用原理，當磁力線從接收線圈1發(fā)射穿過超材料2時，如果不加超材料，磁力線會沿著虛線a1、虛線a2發(fā)散出去，而如果加載超材料，由于負磁導率的超材料對于透射場有匯聚作用，磁力線會沿著實線b1、實線b2發(fā)射出去，通過超材料實現(xiàn)發(fā)射線圈與接收線圈在更遠的傳輸距離傳輸更多能量。

在本發(fā)明提供的13.56MHz的無線電能傳輸裝置的第一實施例中，發(fā)射線圈3和接收線圈6傳輸距離固定為30cm,超材料位于發(fā)射線圈3和接收線圈6的中間，此時傳輸效率為52.3％，將超材料放置于發(fā)射線圈和接收線圈之間不同位置，無線電能傳輸裝置傳輸效率不同，裝置能量傳輸效率變化規(guī)律如圖3所示，理論值為仿真數(shù)據(jù)，實驗值為實測數(shù)據(jù)，從圖中可以得知，理論值和實驗值均呈現(xiàn)中間高、兩邊低的規(guī)律。

在本發(fā)明提供的13.56MHz的無線電能傳輸裝置的第一實施例中，在傳輸距離大于15cm時，加入超材料的無線電能裝置的傳輸效率總是高于未加入超材料的無線電能裝置的傳輸效率。本發(fā)明提供的加入有超材料的無線電能傳輸裝置在傳輸距離由10cm～50cm變化時，無線電能傳輸裝置能量傳輸效率變化規(guī)律如圖4所示，理論值為仿真數(shù)據(jù)，實驗值為實測數(shù)據(jù)，在傳輸距離為30cm時，加入有超材料的無線電能傳輸裝置傳輸效率為52.3％，未加入超材料的無線電能傳輸裝置傳輸效率為10.6％，效率提升值達到41.7％，傳輸效率提升最大。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。