[发明专利]用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法

权利要求书

1.用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定电磁超材料单元晶格的边长和所述电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长；

(2)对所述方形螺旋线圈的匝数优化设计；

(3)基于有限元仿真确定电磁超材料的谐振频率并验证负磁导率特性；

(4)利用不同浓度的磁流变液和/或不同粒径磁纳米粒的磁流变液对电磁超材料相对磁导率进行调控；

(5)评估磁流变液浓度和/或磁流变液中磁纳米粒粒径对电磁超材料的谐振频率的影响。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(1)中，所述方形螺旋结构为平面螺旋结构。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(1)中，根据公式(1)确定单元内方形螺旋线圈的最大边长；所述公式(1)如下：

其中，其中ω₀为电磁超材料谐振频率，单位是rad/s；L_eff为等效电感值，单位是H；C为电磁超材料电容值，单位是F。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(2)中，根据方形螺旋线圈的谐振器单元等效磁导率计算公式对方形螺旋结构的匝数优化设计；所述方形螺旋线圈的谐振器单元等效磁导率计算公式为：

其中，a为超材料单元晶格的边长,单位是m；b为电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长，单位是m；σ是绕制线圈材料的电导率，单位是S/m，i是虚部单位，σi表示模值为σ的一个纯虚数；μ₀是真空磁导率，单位是H/m；ω是电磁超材料的工作频率；ε₀表示真空介电常数，单位是F/m；C为材料电容值，单位是F；N为线圈匝数，s为线圈匝间距，单位是m；根据公式(2)和公式(3)对方形螺旋线圈的匝数进行计算。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(3)中，电磁超材料结构参数确定后根据有限元仿真确定电磁超材料的谐振频率；所述结构参数为：电磁超材料单元晶格的边长a；电磁超材料单元内方形螺旋线圈的最大边长b；线圈中导线宽度w和线圈匝间距s。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(4)中，所述浓度和磁纳米粒粒径不同时，磁流变液的磁导率也在改变，磁导率的变化会改变磁阻分布，进而改变电磁超材料的等效电感值，实现对谐振频率的动态调控。

7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(5)中，所述评估磁流变液浓度和/或磁流变液中磁纳米粒粒径对电磁超材料的谐振频率的影响通过如下进行：建立磁流变液的特性参数与所述磁流变液BH曲线的关系，采用BH曲线进行磁流变液和电磁超材料的数值建模分析，所采用计算公式如下：

B＝μ₀(1+X)H (4)

M₀＝N×m₀ (6)

B表示磁感应强度，单位是T；H表示磁场强度，单位是A/m；μ₀真空磁导率，单位是H/m；X表示磁化率，单位是m^3·kg^-1；M₀是单位体积磁纳米粒的最大磁化强度,单位是A/m；N是单位体积内磁纳米粒个数；m_o等于磁畴磁化强度与磁纳米粒体积的乘积，单位是A*m^2；Ms是饱和磁化强度,单位是A/m；M_d是磁畴磁化强度,单位是A/m；M是磁化强度,单位是A/m；V_M是磁纳米粒体积，单位是m^3；K是玻尔兹曼常数，是一个物理常数，无量纲；T是绝对温度，单位是℃；L(ξ)是郎之万函数，ξ为由磁畴磁化强度M_d、磁场强度H、磁纳米粒体积V_M、玻尔兹曼常数K、绝对温度T表示的一个变量，无实际意义。