[发明专利]基于低频复合电磁超材料的无线电能传输装置

说明书

技术领域

本发明涉及无线电能传输装置，尤其涉及一种基于低频复合电磁超材料的无线电能传输装置。

背景技术

目前,电磁超材料是人工材料的一种，属于自然界不存在的具有特殊性能的人工复合材料，其在电磁学领域有极为特殊的性能。研究表明，使用电磁超材料可以对近场进行聚焦，制作出完美透镜，也有可能用于核磁共振成像。介电常数                                                和磁导率是描述介质电磁特性最基本的两个物理量，通常情况下，材料的和均为正数。通过人工构造的方法，人们通过在传统的介质材料中嵌入某种结构的单元，可以构造出自然媒介不具备的具有新型电磁特性的人工材料，称之为电磁超材料(Metamaterials)。

电磁超材料的典型构造有两种。1996年，J.B.Pendry等提出了金属线周期排布的结构（Rod），实现了微波频率的等效负介电常数，如图1所示。1999年，J.B.Pendry等人又提出了开路电流环谐振器（SRR），实现了等效负磁导率，如图2所示。

电磁超材料具有近场放大特性，因此可以在磁共振无线输电、核磁共振等领域获得应用。利用瑞士环（Swiss Roll）的磁场放大作用，M. C. K. Wiltshire等人利用“无磁性”磁性瑞士环的高磁导率、低损耗特性构造出一种近场成像的内窥镜。

剑桥大学的三菱电子研究所最新研究则涉及超材料在无线输电领域的应用。Bingnan Wang、 Koon Hoo Teo等人使用类似SRR环结构的磁感应放大器大大加强了无线输电的距离，并提高了无线输电的效率。这项研究于2011年6月份发表。

此外，电磁超材料可以转变电磁波的方向，实现电磁波的完美吸收和反射。东南大学崔铁军研究组在微波段实现了全方位电磁波吸收器。研究显示, 在微波频段其吸收率可达到99% ，被称为“电磁黑洞”。因此，有充分证据表明，电磁超材料可以应用于无线电能传输领域，并获得有益效果。

美国麻省理工学院根据“磁场耦合共振”原理，在2米的距离上点亮了一盏60W的灯泡，并且传输效率大于40%，工作频率为10MHz，其工作成果于2007年6月发表于《科学》杂志在线版。Intel公司于也于2008年8月展示了基于磁共振原理的无线电力传输系统，在0.6米的距离内点亮了一盏60W的灯泡，其效率达到了75%。

传统的无线电能传输技术是利用电磁感应，这种电力传输技术成熟，但是电力传输距离非常短，通常只有几个厘米，效率也极低，无法满足现在的社会需求。美国和日本的一些企业将这项技术用于手机充电，其重点解决的技术问题是不同手机的自动识别和电压自动调整，不适合中远距离的大功率电力传输。

微波传输曾经是无线电力传输的发展方向之一：美国科学家曾经试图通过卫星收集太阳能，然后通过微波送到地面并进行接收，微波电力传输的问题在于，方向性太强，能量密度很大，而且即使没有接收电器，发射器也在消耗能量。激光传输的方向性更强，对人的伤害很大，也没有大规模推广应用。因此利用微波或激光技术进行电力传输虽然距离较远，但是只能直线传播，且辐射很大，只能在特定场合应用。

根据已有的资料，现在最先进的无线电力传输技术是基于磁场共振原理，采用分布式耦合谐振系统，工作频率偏高，对人体有可能产生辐射危害。而且无法控制能量的传播方向，无法实现能量的聚焦和定向传播。传统上电磁超材料的应用集中于微波，研究热点集中在高频，研究方法使用场的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于低频复合电磁超材料的无线电能传输装置，能够提高磁共振无线电能传输系统的性能。

本发明采用下述技术方案：一种基于低频复合电磁超材料的无线电能传输装置，包括低频电磁能量发射器、低频电磁能量接收器和低频电磁超材料阵列，所述的低频电磁能量发射器包括功率信号发生器和电磁发射线圈，所述的电磁发射线圈处设置有正磁导率电磁超材料阵列或/和负磁导率电磁超材料阵列，所述的功率信号发生器输出的50Hz～200kHz的低频信号给电磁发射线圈，电磁发射线圈通过正磁导率电磁超材料阵列或/和负磁导率电磁超材料阵列的作用将电磁信号以磁场的形式发射给电磁能量接收器。

所述的低频电磁超材料阵列由多个电磁超材料单元组成阵列结构，所述的电磁超材料单元包括螺旋电感、低损耗电容和铁氧体柱，所述的螺旋电感绕设在铁氧体柱周围，螺旋电感的两端连接低损耗电容。