[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

说明书

本发明公开用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法，包括以下步骤：(1)根据需求评估方形螺旋结构的最大尺寸，确定超材料单元晶格的边长a和单元内方形螺旋线圈的最大边长b；根据实际制作工艺确定线圈导线宽度w以及匝间距s；(2)对方形螺旋结构的匝数优化设计；(3)基于有限元仿真确定谐振频率并验证负磁导率特性；(4)添加不同浓度或粒径的磁流变液；(5)评估浓度以及粒径对谐振频率的影响；(6)满足系统实际尺寸需求并实现频率漂移范围内谐振频率动态可调。本发明的设计方法将谐振频率定位在kHz‑MHz频段，对于无线充电应用场景具有普适性；实现谐振频率动态可调，同时兼顾低频和小型化设计，提高系统结构的集成度和紧凑性。

技术领域

本发明涉及超材料领域，具体涉及一种用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法。

背景技术

无线充电技术支持负载设备以非接触方式获取电能，在电力设备供电领域得到了广泛应用。磁耦合谐振式无线充电技术由于具有传能效率高、传输功率大、传能距离远、无严格的方向性等优点，作为新的电能存储和传输技术已经受到人们的普遍关注，为电力设备供电提供了新方案，有着广阔的工程应用前景，如变电站巡检机器人无线充电、SF6气体绝缘全封闭组合电器(GIS)无线充电、高压一次设备射频功放电源无线充电及中高压电气设备在线监测系统无线充电等。

在实际工程应用中，高效、远距离、小型化依然是无线充电技术领域仍需突破的关键问题。电磁超材料的负磁导率特性可调控磁场，为突破现有无线充电技术瓶颈提供了可能。

目前基于电磁超材料的无线充电技术研究都是基于定频设计开展的，电磁超材料制作完成后，谐振频率点无法调整。无线电能传输系统对谐振频率的变化十分敏感，电路的温升、内阻、寄生参数和负载的改变，以及线圈间轴向距离、径向位移和角度偏转等都会影响谐振频率，造成频率漂移。其谐振频率与无线电能传输系统的谐振频率变化一致。

电磁超材料的奇异电磁特性来源于超材料的电磁谐振，而电磁谐振由基元结构的电感和电容产生。目前，电磁超材料的研究和应用主要集中于GHz高频领域，如微波工程和光学领域。在高频电磁超材料设计领域，最经典的电磁超材料结构为开口谐振环，若直接将这种结构应用于谐振频段分布在kHz-MHz的电力设备无线充电系统中的电磁超材料，系统尺寸较大，难以在实际工程中应用。因此需要设计兼顾低频和小型化的电磁超材料。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，针对频率漂移的实际工况，提出一种用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法，是一种谐振频率可动态调节的电磁超材料设计方法，本发明电磁超材料设计方法可应用于无线电能传输系统，可减少无线充电系统漏磁，增加传输效率和距离，为促进无线充电技术的发展和应用开辟了新方向。

本发明电磁超材料设计方法是在基于印刷电路板技术的平面螺旋结构电磁超材料基础上，提出一种基于磁流变液的旨在实现谐振频率动态可调并兼顾低频和小型化的电磁超材料设计。

本发明采用如下技术方案：

用于电力设备无线充电的可调电磁超材料设计方法，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。

进一步地，步骤(1)中，所述方形螺旋结构为基于印刷电路板技术的平面螺旋结构。