[發(fā)明專利]一種無線能量傳輸系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110337683.6
• 申請(qǐng)日: 2011-10-31
• 公開（公告）號(hào): CN102647029A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉若鵬;趙治亞;郭潔;馬偉濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳光啟高等理工研究院;深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): H02J17/00
• 分類號(hào): H02J17/00;H01Q15/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及無線能量傳輸領(lǐng)域，具體地涉及一種基于磁共振原理的無線能量傳輸系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】

目前，無線能量傳輸技術(shù)主要基于三種原理，分別是電磁感應(yīng)式、磁共振式以及輻射式，電磁感應(yīng)式(非接觸感應(yīng)式)電能傳輸電路的基本特征是原副邊電路分離，原邊電路與副邊電路之間有一段空隙，通過磁場(chǎng)耦合感應(yīng)相聯(lián)系。電磁感應(yīng)式的特點(diǎn)是：有較大氣隙存在，使得原副邊無電接觸，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)接觸式電能的固有缺陷；但是，較大氣隙的存在也使得系統(tǒng)漏磁與激磁相當(dāng)，甚至比激磁高；因此，基于磁感應(yīng)技術(shù)的原因，充電線圈基板與接收線圈基板之間的實(shí)際有效充電空間距離大約為5mm，當(dāng)兩者之間的空間距離超過5mm時(shí)則無法進(jìn)行充電工作。

磁共振式(又稱WiTricity技術(shù))是由麻省理工學(xué)院(MIT)物理系、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)系，以及軍事奈米技術(shù)研究所(Institute?for?Soldier?Nanotechnologies)的研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，能量在兩物體間交互，利用線圈及放置兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸。2007年6月，來自麻省理工學(xué)院的研究人員通過電磁線圈實(shí)現(xiàn)了距離2米的60W電力的傳輸，他們采用了全新的思考方式，采用了兩個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)共振的銅線圈，依靠共振進(jìn)行能量的傳輸。磁共振式雖然能實(shí)現(xiàn)較長距離的能量傳輸，但是其傳輸效率較低。

輻射式又分為無線電波式、微波方式、激光方式等，如，Powercast公司基于無線電波式研制出可以將無線電波轉(zhuǎn)化成直流電的接收裝置，可在約1米范圍內(nèi)為不同電子裝置的電池充電。其缺點(diǎn)是能夠傳輸?shù)哪芰啃。瑧?yīng)用范圍有限。

超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，因此，為設(shè)計(jì)和合成超材料，人們進(jìn)行了很多研究工作。2000年，加州大學(xué)的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開環(huán)共振器(SRR)的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的雙負(fù)材料，也稱左手材料。之后他們又通過在印刷電路板(PCB)上制作金屬線和SRR復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的雙負(fù)材料。

現(xiàn)有的負(fù)磁導(dǎo)率人工材料中，單個(gè)人造微結(jié)構(gòu)(一般稱為cell)均為單個(gè)開口環(huán)結(jié)構(gòu)或開口環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)，包括方形結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)或多邊形結(jié)構(gòu)，其微結(jié)構(gòu)的尺寸很大，特別是對(duì)于低頻波段的應(yīng)用，其微結(jié)構(gòu)的大小達(dá)到了分米級(jí)，這使得超材料的整體體積過大，給應(yīng)用帶來困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：基于超材料技術(shù)提供一種傳輸距離長，傳輸效率高的無線能量傳輸系統(tǒng)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是，一種無線能量傳輸系統(tǒng)，包括電源模塊、磁共振發(fā)射模塊、磁共振接收模塊以及與磁共振接收模塊連接的負(fù)載，所述磁共振發(fā)射模塊與所述磁共振接收模塊之間通過共振場(chǎng)倏逝線的耦合進(jìn)行能量傳遞，其特征在于：所述磁共振發(fā)射模塊與所述磁共振接收模塊之間設(shè)置有一超材料，所述超材料具有負(fù)磁導(dǎo)率，所述具有負(fù)磁導(dǎo)率的超材料的頻率與所述磁共振發(fā)射線圈以及磁共振接收線圈的諧振頻率相同。

優(yōu)選地，所述超材料的磁導(dǎo)率為-1。

具體實(shí)施時(shí)，所述超材料包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)為磁性微結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)基板為的介電材料，所述微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料。

具體實(shí)施時(shí)，所述磁性微結(jié)構(gòu)為開口諧振環(huán)或開口諧振環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施時(shí)，所述磁共振發(fā)射模塊包括發(fā)射電路、發(fā)射天線和磁共振發(fā)射線圈，所述發(fā)射電路連接所述電源模塊，所述磁共振接收模塊包括磁共振接收線圈、接收天線和接收電路，所述接收電路連接所述負(fù)載。

具體實(shí)施時(shí)，所述發(fā)射電路為磁場(chǎng)諧振激發(fā)電路，所述磁場(chǎng)諧振激發(fā)電路產(chǎn)生一個(gè)頻率與所述磁共振發(fā)射線圈的諧振頻率相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)由所述發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射。

具體實(shí)施時(shí)，所述接收電路為整流電路，所述整流電路將所述接收天線接收到的能量轉(zhuǎn)換為電能所需的信號(hào)輸出。

具體實(shí)施時(shí)，單個(gè)所述微結(jié)構(gòu)由一根金屬線通過多重繞線的方式形成多重嵌套的開口諧振環(huán)或開口諧振環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施時(shí)，所述開口諧振環(huán)或開口諧振環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)為矩形、圓形或多邊形。

具體實(shí)施時(shí)，所述單個(gè)所述微結(jié)構(gòu)為5-80圈多重嵌套的開口諧振環(huán)或開口諧振環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)。