[发明专利]基于移位平板的无线电能传输线圈装置

说明书

技术领域

本发明涉及电磁设计领域与无线电能传输技术，具体地，涉及基于移位平板的(可有效增强磁耦合效果)的无线电能传输线圈装置。

背景技术

近些年，无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注。传统电能传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。这种“有线”的传输方式带来了不少问题。由于存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全。另外，传统的有线电力传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如矿井，水中，植入式医疗设备等。这些问题都在呼唤一种脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输。无线电能传输技术涉及了电力电子电路、线圈电磁设计、自动控制、通信协议等多方面内容，其中线圈电磁设计尤为重要。

超材料是一种介电常数或磁导率为负的人工结构材料。利用超材料可以实现对电磁场的控制。近十年来，国内外学者利用变换光学理论设计出了各种各样的功能性超材料电磁器件，包括“完美棱镜”、隐身斗篷、电磁吸收器、超散射体等。移位介质是一种特殊的超材料器件，它可以将介质作用的物体或区域在光学上等效移位到指定位置。均匀、各向同性的超材料可以利用周期性排列的亚波长结构，如开口谐振环来实现。

中短距离无线输电大多采用近场磁耦合方式，然而，随着发射线圈与接收线圈之间的传输距离增加，系统的电能传输效率急剧下降。现有的研究大多通过线圈优化设计和控制算法改进来解决这一问题，但上述方法无法改变线圈间磁场的倏逝波特性，因此对效率增强效果有限。超材料对电磁场的控制作用使其在无线电能传输领域展现出巨大潜力。现有的研究大多基于“磁性完美棱镜”。“磁性完美棱镜”是磁导率为-1的超材料平板，它可以将发射线圈产生的磁场重新汇聚，从而增强发射线圈和接收线圈间的互感和磁耦合。然而，为了实现更远的传输距离，通常需要进一步增加平板的厚度，使装置变得更加笨重。并且，平板通常放在两线圈中间的位置，当平板靠近线圈时会因为过耦合使效果明显减弱，这也大大限制了它的应用场合。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种的基于移位平板的无线电能传输线圈装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于移位平板的无线电能传输线圈装置，包括发射线圈、接收线圈、负磁性移位平板及正磁性移位平板；其中所述负磁性移位平板位于所述发射线圈与所述接收线圈之间，所述正磁性移位平板位于所述发射线圈或所述接收线圈外侧。

优选地，所述发射线圈与所述接收线圈之间的距离大于所述发射线圈及所述接收线圈的直径。

优选地，所述正磁性移位平板及所述负磁性移位平板均平行于所述发射线圈及所述接收线圈所在平面。

优选地，所述正磁性移位平板及所述负磁性移位平板与所述发射线圈及所述接收线圈同轴设置。

优选地，所述正磁性移位平板与所述发射线圈之间的距离等于所述负磁性移位平板与所述发射线圈之间的距离；或所述正磁性移位平板与所述接收线圈之间的距离等于所述负磁性移位平板与所述接收线圈之间的距离。

优选地，所述正磁性移位平板及所述负磁性移位平板为尺寸相同的正方形。

优选地，所述正磁性移位平板及所述负磁性移位平板的最大尺寸小于工作波长的十分之一。

优选地，所述正磁性移位平板及所述负磁性移位平板的边长大于所述发射线圈与所述接收线圈的直径。

优选地，所述负磁性移位平板的磁导率参数μ₁和所述正磁性移位平板的磁导率参数μ₂分别满足：

其中，w为所述正磁性移位平板或所述负磁性移位平板的厚度，d为所述正磁性移位平板和负磁性移位平板共同作用，使内部线圈在光学上等效移动的距离。

优选地，所述负磁性移位平板的磁导率张量μ‘_I满足：

μ‘_I＝μ_I*(1+σ_N*i)；

其中，σ_N为所述负磁性移位平板的损耗系数；i为虚部单位；σ_N*i为材料的磁损耗；μ_I为所述负磁性超材料平板的理想磁导率张量，

所述正磁性移位平板的磁导率张量μ‘_II满足：

μ‘_II＝μ_II*(1-σ_P*i)；