本發(fā)明涉及電磁設(shè)計(jì)領(lǐng)域與無線電能傳輸技術(shù)，具體地，涉及基于超材料的(可有效增強(qiáng)磁耦合效果)的無線電能傳輸線圈裝置。

背景技術(shù)：

近年來，消費(fèi)類電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、植入式醫(yī)療設(shè)備對(duì)無線電能傳輸技術(shù)日益增長(zhǎng)的需求極大地促進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展，國內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)及電子、汽車、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。該技術(shù)涉及了電力電子電路、線圈電磁設(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，具有特殊電磁特性的材料，在自然界中不存在，只能通過人工制造。對(duì)周期性排列的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)如開口諧振環(huán)、光子超材料的研究使均勻、各向同性的超材料的制作得以實(shí)現(xiàn)。

無線電能傳輸技術(shù)是對(duì)充電方式的一種革命性升級(jí)，采用無線電能傳輸技術(shù)的充電裝置不需要插拔充電器，充電過程更加便捷、安全；同時(shí)，可以減少設(shè)備的物理磨損，延長(zhǎng)使用壽命，取消了金屬觸點(diǎn)從而避免了觸電風(fēng)險(xiǎn)。此外，采用無線電能傳輸技術(shù)的植入式醫(yī)療設(shè)備可以避免頻繁地更換電池，減輕病人的痛苦。大多數(shù)無線電能傳輸系統(tǒng)根據(jù)近場(chǎng)磁耦合原理設(shè)計(jì)而成。但是隨著線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。超材料在射頻領(lǐng)域的進(jìn)展使其在無線電能傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用成為了可能。在過去幾年里，理論研究、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果表明，超材料在無線電能傳輸領(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”。“完美棱鏡”是一種具有負(fù)折射效應(yīng)的超材料平板，它可以將發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)重新匯聚到接收線圈的位置。但是，這種方案也具有一定的局限性。為了實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，通常需要進(jìn)一步增加平板的厚度，使裝置變得更加笨重。并且，平板通常放在兩線圈中間的位置，當(dāng)平板靠近線圈時(shí)會(huì)因?yàn)檫^耦合使效果明顯減弱，這也大大限制了它的應(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超材料的無線電能傳輸線圈裝置。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置，包括發(fā)射線圈、接收線圈、圓錐形移位介質(zhì)殼體，所述圓錐形移位介質(zhì)殼體將所述發(fā)射線圈或所述接收線圈包裹在圓錐形移位介質(zhì)殼體的空氣腔內(nèi)，所述圓錐形移位介質(zhì)殼體包括底部殼體和側(cè)面殼體。

優(yōu)選地，所述發(fā)射線圈和所述接收線圈之間的距離分別大于所述發(fā)射線圈、接收線圈的直徑。

優(yōu)選地，所述底部殼體和側(cè)面殼體分別包括若干種均勻且各向同性的磁性材料層。

優(yōu)選地，所述底部殼體包括：若干層同心環(huán)形磁性材料，每層材料沿底部徑向的厚度相同，由內(nèi)部向外依次為第一環(huán)形磁性材料層、第二環(huán)形磁性材料層等，直至第N環(huán)形磁性材料層，其中N為大于或等于3的自然數(shù)，且至少有一個(gè)環(huán)形磁性材料層是磁導(dǎo)率為負(fù)的超材料。

優(yōu)選地，所述側(cè)面殼體包括：兩種等厚的交替分布的磁導(dǎo)率為正的材料層，且兩種材料層均與圓錐形移位介質(zhì)殼體的軸線方向呈一定的夾角θ。

優(yōu)選地，所述圓錐形移位介質(zhì)殼體能夠在電磁場(chǎng)中沿軸線方向?qū)⑺隹諝馇恢械陌l(fā)射線圈或接收線圈移動(dòng)一定的距離d；且d>t₁，t₁表示所述內(nèi)部線圈與底部殼體的外表面之間的距離，等效于所述圓錐形移位介質(zhì)殼體能夠?qū)⑺鰞?nèi)部線圈從光學(xué)上移動(dòng)到殼體外部指定的位置，即改變所述發(fā)射線圈與所述接收線圈之間相對(duì)位置。

優(yōu)選地，所述圓錐形移位介質(zhì)殼體的尺寸能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中需要移動(dòng)的線圈的尺寸靈活設(shè)計(jì)，但需滿足所述圓錐形移位介質(zhì)殼體的最大尺寸小于工作波長(zhǎng)的十分之一。

優(yōu)選地，所述內(nèi)部線圈與所述圓錐形移位介質(zhì)殼體的內(nèi)壁之間保持一定的間距，所述內(nèi)部線圈在所述空氣腔中的位置和方向不影響所述圓錐形移位介質(zhì)殼體對(duì)所述內(nèi)部線圈整體的移位效果。

優(yōu)選地，所述圓錐形移位介質(zhì)殼體的尺寸已經(jīng)確定的情況下，所述圓錐形移位介質(zhì)殼體對(duì)所述內(nèi)部線圈的移位距離d由所述底部殼體的磁導(dǎo)率、所述側(cè)面殼體的磁導(dǎo)率及θ共同決定。

具體地，所述底部殼體與側(cè)面殼體的材料參數(shù)按照如下方法計(jì)算：

給定所述圓錐形移位介質(zhì)殼體的尺寸a₁，a₂，h₁，h₂和期望達(dá)到的移位距離d。滿足條件a₁:a₂＝h₁:h₂，即側(cè)面殼體的厚度均勻，其中：a₁表示所述圓錐形移位介質(zhì)殼體的中心點(diǎn)(原點(diǎn)O)到所述底部殼體內(nèi)表面的距離(與原點(diǎn)O到所述圓錐形移位介質(zhì)殼體內(nèi)表面頂點(diǎn)的距離相同)，a₂表示原點(diǎn)O到所述底部殼體外表面的距離(與原點(diǎn)O到所述圓錐形移位介質(zhì)殼體外表面頂點(diǎn)的距離相同)，h₁表示所述底部殼體內(nèi)表面的半徑，h₂表示所述底部殼體外表面的半徑。

側(cè)面殼體可分為等厚的若干層，每層由兩種等厚的材料II-1和材料II-2組成，II-1和II-2的磁導(dǎo)率計(jì)算方法如下：

${\mathrm{\μ}}_{II}^{1,2}={\mathrm{\ζ}}_1\±\sqrt{{\left({\mathrm{\ζ}}_1\right)}^2-{\mathrm{\ζ}}_1{\mathrm{\ζ}}_2},$

其中，

式中：分別表示組成所述側(cè)面殼體的兩種磁性材料II-1和II-2的磁導(dǎo)率，ζ₁、ζ₂分別表示計(jì)算的中間結(jié)果，k＝h₂/(2a₂)表示側(cè)面殼體外表面相對(duì)于軸線方向的斜率，k₀＝(a₂-a₁)/(a₂-a₁+d)和m＝a₂-a₁+d分別為定義的中間變量，用來簡(jiǎn)化表達(dá)式。

夾角θ可由公式計(jì)算得到。

底部殼體可劃分為N(N≥3)層同心圓環(huán)，每層材料沿底部徑向的厚度相同，為h₂/N。定義N層環(huán)形磁性材料層的磁導(dǎo)率為[μ₁,μ₂,...,μ_N]。為了實(shí)現(xiàn)等效移位的效果，在Comsol軟件中建立包含圓錐形移位介質(zhì)殼體的裝置模型，并采用如下優(yōu)化算法：

μ_i(i＝1,2,...,N)在[-10,10]區(qū)間內(nèi)隨機(jī)取初值，μ_i表示所述底部殼體中第i環(huán)形磁性材料層的磁導(dǎo)率。

建立目標(biāo)函數(shù)：

其中，E_m＝Li²/2是求解域內(nèi)的總磁場(chǎng)能量，反映了發(fā)射線圈的自感；M是發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感，反映了線圈之間的相對(duì)位置，E_m(d)表示移位距離為d時(shí)包含圓錐形移位介質(zhì)殼體的裝置模型中的總磁場(chǎng)能量，M(d)表示移位距離為d時(shí)包含圓錐形移位介質(zhì)殼體的裝置模型中發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感；表示移位距離為d時(shí)等效移動(dòng)的發(fā)射線圈與接收線圈的總磁場(chǎng)能量，M^eq(d)表示移位距離為d時(shí)等效移動(dòng)的發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感。目標(biāo)函數(shù)值越小，表示圓錐形移位介質(zhì)殼體對(duì)線圈的作用效果與線圈等效移動(dòng)的情況越接近。

采用Nelder-Mead算法最小化目標(biāo)函數(shù)，限制條件是μ_i∈[-10,10]。取目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值對(duì)應(yīng)的μ_i為底部殼體的材料參數(shù)。

優(yōu)選地，所述側(cè)面殼體的兩種材料層的厚度越薄，所述圓錐形移位介質(zhì)殼體對(duì)所述內(nèi)部線圈的移位效果與線圈等效移動(dòng)的情況越接近。

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)明中的基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置能夠在電磁場(chǎng)中等效地移動(dòng)內(nèi)部線圈，從而改變發(fā)射線圈與接收線圈之間的相對(duì)位置，顯著地增強(qiáng)發(fā)射線圈和接收線圈的互感和磁耦合。

2、本發(fā)明提供的基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置結(jié)構(gòu)緊湊，能夠根據(jù)應(yīng)用需求選擇作用于發(fā)射線圈或接收線圈；同時(shí)作用于兩線圈時(shí)，對(duì)互感和磁耦合的增強(qiáng)效果更加顯著。

附圖說明

通過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為基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置(作用于發(fā)射線圈)的結(jié)構(gòu)圖；其中底部殼體分為五層環(huán)形磁性材料層，即N＝5，I-2、I-3、I-5表示三種磁導(dǎo)率為負(fù)的超材料，I-1、I-4表示兩種磁導(dǎo)率為正的材料；側(cè)面殼體由10層磁性材料II-1和10層磁性材料II-2交替組合而成，II-1、II-2的磁導(dǎo)率均為正。

圖2為傳統(tǒng)的無線電能傳輸線圈裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖3為使用超材料平板的無線電能傳輸線圈裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖4為t₂＝0.3m時(shí)，基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置(作用于發(fā)射線圈)的磁場(chǎng)分布圖。

圖5為t₂＝0.15m時(shí)，基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置(作用于發(fā)射線圈)的磁場(chǎng)分布圖。

圖6為傳統(tǒng)的無線電能傳輸線圈裝置的磁場(chǎng)分布圖。

圖7為使用超材料平板的無線電能傳輸線圈裝置的磁場(chǎng)分布圖。

圖8為t₂＝0.3m時(shí)，基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置(作用于接收線圈)的磁場(chǎng)分布圖。

圖中：

1-接收線圈；

2-發(fā)射線圈；

3-圓錐形位移介質(zhì)殼體；

4-底部殼體；

5-側(cè)面殼體；

6-超材料平板。

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)人員來說，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)明提供的基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置，包括：發(fā)射線圈、接收線圈、圓錐形移位介質(zhì)殼體，所述發(fā)射線圈與所述接收線圈同軸放置，且所述圓錐形移位介質(zhì)殼體將所述發(fā)射線圈或所述接收線圈包圍在其空氣腔內(nèi)。

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

所述圓錐形移位介質(zhì)殼體包括底部殼體和側(cè)面殼體，并與所述內(nèi)部線圈同軸放置，且圓錐形移位介質(zhì)殼體的底面與所述內(nèi)部線圈所在的平面相互平行。

所述底部殼體和側(cè)面殼體分別包括若干種均勻且各向同性的磁性材料層。

所述底部殼體包括：五層同心環(huán)形磁性材料，每層材料沿底部徑向的厚度相同，其中由內(nèi)部向外的第二環(huán)形磁性材料層、第三環(huán)形磁性材料層、第五環(huán)形磁性材料層為磁導(dǎo)率為負(fù)的超材料，第一環(huán)形磁性材料層、第四環(huán)形磁性材料層為磁導(dǎo)率為正的材料。

所述側(cè)面殼體包括：兩種等厚的交替分布的磁導(dǎo)率為正的材料層，且兩種材料層均與圓錐形移位介質(zhì)殼體軸線方向呈一定的夾角θ。

所述發(fā)射線圈和所述接收線圈之間的軸向距離記為D，且D>d，d表示所述圓錐形移位介質(zhì)殼體對(duì)所述內(nèi)部線圈磁場(chǎng)的移位距離；d>t₁，t₁表示所述內(nèi)部線圈與底部殼體的外表面之間的距離，等效于所述圓錐形移位介質(zhì)殼體能夠?qū)⑺鰞?nèi)部線圈從光學(xué)上移動(dòng)到殼體外部指定的位置，即所述發(fā)射線圈與所述接收線圈之間的等效傳輸距離為D’，D’＝D-d。

所述圓錐形移位介質(zhì)殼體的尺寸已經(jīng)確定的情況下，所述圓錐形移位介質(zhì)殼體對(duì)所述內(nèi)部線圈磁場(chǎng)的移位距離d由所述底部殼體的磁導(dǎo)率、所述側(cè)面殼體的磁導(dǎo)率及θ共同決定。

具體地，在所述圓錐形移位介質(zhì)殼體的尺寸和d已經(jīng)確定的情況下，所述內(nèi)部線圈與底部殼體內(nèi)表面之間的距離t₂越小，所述圓錐形移位介質(zhì)殼體能夠容納的線圈尺寸越大，所述內(nèi)部線圈的磁場(chǎng)移出所述圓錐形移位介質(zhì)殼體的距離也會(huì)越大，但t₂太小可能會(huì)導(dǎo)致所述內(nèi)部線圈與所述圓錐形移位介質(zhì)殼體之間的過耦合，故實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)兼顧裝置的緊湊性和磁耦合增強(qiáng)效果選擇t₂的大小，亦即選擇所述內(nèi)部線圈在所述移位介質(zhì)殼體中的位置。

所述II-1、II-2材料層厚度越薄，所述發(fā)射線圈與所述接收線圈之間的互感越接近線圈等效移動(dòng)時(shí)的互感值。

但所述II-1、II-2材料層厚度越薄，材料層數(shù)越多，會(huì)增加材料的加工制作難度和成本；且材料層厚度小于一定值后，繼續(xù)減小材料層厚度，所述發(fā)射線圈和所述接收線圈的互感變化不大。

更進(jìn)一步地，所述內(nèi)部線圈在所述空氣腔中的位置和方向不影響所述圓錐形移位介質(zhì)殼體對(duì)所述內(nèi)部線圈整體的移位距離，所述圓錐形移位介質(zhì)殼體分別作用于發(fā)射線圈和接收線圈時(shí)可產(chǎn)生同樣的移位效果。

實(shí)施例1：

如圖1所示，本實(shí)施案例提供一種基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置，包括發(fā)射線圈、接收線圈、圓錐形移位介質(zhì)殼體。其中發(fā)射線圈的半徑和接收線圈的半徑均為0.2m，線圈截面半徑均為0.02m，線圈的匝數(shù)均為1；圓錐形移位介質(zhì)殼體的內(nèi)部放置發(fā)射線圈，且殼體的中心點(diǎn)(原點(diǎn)O)與接收線圈之間的距離為2m，圓錐形移位介質(zhì)殼體的尺寸為a₁＝0.3m，a₂＝0.6m，h₁＝0.5m，h₂＝1m，如圖1所示，設(shè)計(jì)的移位距離d為0.9m，計(jì)算得到底部和側(cè)面殼體的磁導(dǎo)率如表1所示。底部殼體分為5層，每層厚度為0.2m，側(cè)面殼體采用10層II-1和10層II-2交替排列，每層厚度為0.0159m。

表1圓錐形移位介質(zhì)殼體的材料參數(shù)

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)明提供的基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置的效果，通過Comsol進(jìn)行電磁仿真，計(jì)算發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感，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)明提供的基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置，保持圓錐形移位介質(zhì)殼體與接收線圈的位置不變，當(dāng)發(fā)射線圈與底部?jī)?nèi)表面的距離t₂＝0.3m(即位于原點(diǎn)O)時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈間的互感約為1.86nH，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖4所示；當(dāng)發(fā)射線圈與底部?jī)?nèi)表面的距離t₂＝0.15m時(shí)，發(fā)射線圈和接收線圈間的互感約為3.11nH，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖5所示。

傳統(tǒng)的無線電能傳輸線圈裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，為了驗(yàn)證本發(fā)明提供的基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置在提高互感和磁耦合上的顯著效果，保證發(fā)射線圈和接收線圈的大小不變，兩線圈之間的距離為2m。采用該傳統(tǒng)的無線電能傳輸線圈裝置，發(fā)射線圈和接收線圈間的互感約為0.33nH，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖6所示。

使用超材料平板的無線電能傳輸線圈裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，為了驗(yàn)證本發(fā)明基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置在提高互感和磁耦合上的顯著效果，保證發(fā)射線圈和接收線圈的大小不變，兩線圈之間的距離為2m，超材料平板的磁導(dǎo)率為-1，尺寸為0.3m×2m×2m，放置在發(fā)射線圈與接收線圈的中間位置，超材料平板的厚度與圖1中的圓錐形移位介質(zhì)底部的厚度相同。使用超材料平板的無線電能傳輸線圈裝置，發(fā)射線圈和接收線圈間的互感約為0.91nH，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖7所示。

實(shí)施例2：

本實(shí)施案例的基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置，包括發(fā)射線圈、接收線圈、圓錐形移位介質(zhì)殼體，圓錐形移位介質(zhì)殼體的內(nèi)部放置接收線圈。其他參數(shù)均與實(shí)施例1中的相同。

針對(duì)上述參數(shù)，采用實(shí)施例2提供的基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置，發(fā)射線圈和接收線圈間的互感約為1.86nH，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖8所示。

可以看出，使用超材料平板的無線電能傳輸線圈裝置較傳統(tǒng)的無線電能傳輸線圈裝置相比，發(fā)射線圈和接收線圈的互感增大為原來的2.76倍；而本發(fā)明給出的基于超材料的無線電能傳輸線圈裝置與傳統(tǒng)的無線電能傳輸線圈裝置相比，發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中心向左平移，發(fā)射線圈和接收線圈的互感可增大為原來的9.42倍；其他條件相同時(shí)，圓錐形移位介質(zhì)殼體的內(nèi)部放置發(fā)射線圈或接收線圈，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)無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率。

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。