CN116526701A - 一种基于四臂螺旋结构人工磁导体的无线能量传输*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于四臂螺旋结构人工磁导体的无线能量传输***，包括，人工磁导体、发射线圈及接收线圈；其中，人工磁导体单侧设置有发射线圈及接收线圈，发射线圈设置与接收线圈与人工磁导体中间；发射线圈及接收线圈通过近磁场耦合进行无线能量传输；人工磁导体由覆铜片、覆铜孔、介质板及底铜组成；其中所述覆铜片刻蚀于介质板上靠近接收线圈的表面，底铜设置于介质板上远离接收线圈的表面，所述覆铜孔设置于介质板中央且对覆铜片及底铜进行连接；覆铜片采用四臂螺旋结构，所述四臂螺旋结构为覆铜孔为中心的“卐”字连续回绕延伸结构。通过上述技术方案，本发明能够提高无线能量的传输效率和传输距离。
Description
技术领域
本发明涉及无线传输技术领域，特别涉及一种基于四臂螺旋结构人工磁导体的无线能量传输***。
背景技术
无线能量传输技术是近些年来研究最为热门的能量传输方式，由于突破了传输线的限制，具有简单方便、不受环境限制、适用性强等诸多优点，在现代电子设备应用的各个方面有着巨大潜力，如在机械制造、能源交通以及生物医学、家用电器等多方面都有着广阔的应用前景。虽然无线传能的研究至今已有几十年，但相较于传统有线能量传输方式，其传输效率依旧不高，传输距离较短，甚至可能产生辐射。因此，对无线传能的研究热点依旧主要集中于提高传输效率及传输距离方面。
现如今，无线传能的方式主要有电磁感应、磁谐振耦合和微波辐射三种传输方式。目前已商业化的是电磁感应式，已广泛应用于日常电子产品及大功率无线供电***，其缺点是传输距离较短，发热严重，安全性差。相较于电磁感应式，虽然磁谐振耦合式实现中距离能量的传输，但其缺点是充电效率低，并且距离越远，传输功率的损耗也就越大。微波辐射式虽然能提供超远距离的电能传输，但传输效率非常低下，而且伴随着辐射，对人体有着巨大的危害。传统的无线能量传输方式传输效率低，能量转化效率不高，而且成本较高，并不能很好地兼顾传输效率和距离。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种基于人工磁导体的能量传输***，将四臂螺旋结构的人工磁导体应用于无线能量传输***以提高传输效率和传输距离。
为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于四臂螺旋结构人工磁导体的无线能量传输***，包括：
人工磁导体、发射线圈及接收线圈；
其中，所述人工磁导体单侧设置有发射线圈及接收线圈，发射线圈设置于接收线圈与人工磁导体中间；
所述发射线圈及接收线圈通过近磁场耦合进行无线能量传输；
所述人工磁导体由覆铜片、覆铜孔、介质板及底铜组成；其中所述覆铜片刻蚀于介质板上靠近接收线圈的表面，所述底铜设置于介质板上远离接收线圈的表面，所述覆铜孔设置于介质板中央且对覆铜片及底铜进行连接；
所述覆铜片采用四臂螺旋结构，所述四臂螺旋结构为覆铜孔为中心的“卐”字连续回绕延伸结构。
可选的，所述发射线圈及接收线圈均采用非谐振圆形金属铜环，所述非谐振圆形金属铜环的直径为100m，线径为2mm。
可选的，所述覆铜片圈数为27圈，螺旋线宽1mm，相邻线圈之间的间距为1mm，覆铜厚度为0.036mm。
可选的，所述覆铜孔的直径为0.5mm，覆铜厚度为0.036mm。
可选的，所述介质板的大小为114mm×114mm，覆铜厚度为0.036mm。
可选的，所述底铜的大小为114mm×114mm，覆铜厚度为0.036mm。
本发明具有如下技术效果：
1、基于人工磁导体以增强传输效率的电能传输***，在无线电能***中引入一种新型的人工磁导体结构，明显提高了传输效率和传输距离。
2、基于人工磁导体的无线能量传输***，通过引入一种新型的人工磁导体结构，能进行有效地磁场屏蔽，防止磁场泄露。
3、基于人工磁导体的无线能量传输***，该人工磁导体工艺简单，体积小巧，造价便宜，实用性更强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的***结构示意图；
图2为本发明实施例提供的人工磁导体的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的人工磁导体的侧视图和俯视图；
图4为本发明实施例提供的实验测试得到的人工磁导体透射系数示意图；
图5为本发明实施例提供的无线能量传输***的透射系数与传输距离之间的关系示意图；
图6为本发明实施例提供的人工磁导体在位置a和b处的磁场强度对比结果示意图；
图7为本发明实施例提供的人工磁导体在位置c的磁场强度对比结果示意图；
其中，1-人工磁导体、2-发射线圈、3-接收线圈、11-覆铜片、12-覆铜孔、13-介质板、14-底铜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种基于四臂螺旋结构人工磁导体的无线能量传输***，包括人工磁导体1，非谐振发射线圈2和非谐振接收线圈3；人工磁导体1的上方自下而上依次设有非谐振发射线圈2和非谐振接收线圈3；非谐振发射线圈2和非谐振接收线圈3通过近磁场耦合进行无线能量传输；
所述人工磁导体由四臂螺旋结构的覆铜片11、介质板13、覆铜孔12和底铜14组成；所述人工磁导体1是在双面覆铜板上单面刻蚀四臂螺旋结构，另一面仍为整块底铜14。上下两层覆铜片由穿过中间介质板的覆铜孔12连接。
本发明所说明的覆铜片所对应的四臂螺旋结构包括四条螺旋线，其四条螺旋线以覆铜孔为中心的“卐”字连续回绕延伸；该螺旋结构相邻两臂具有相同的磁场方向，可以增强磁场强度，进而提高无线能量传输***的传输效率。
进一步地，所述人工磁导体1示例结构大小为114mm×114mm,对于具体应用，可根据需求进行大小和圈数的调节。
进一步地，所述四臂螺旋结构的覆铜片11的圈数为27圈，螺旋线宽1mm,相邻线圈之间的间距为1mm，覆铜厚度为0.036mm。
进一步地，所述覆铜孔12的直径为0.5mm，覆铜厚度为0.036mm。
进一步地，所述介质板13大小为114mm×114mm，可以为市面上任意一种介质板，示例所用介质板为罗杰斯(Rogers)Kappa438。
进一步地，所述底铜14的大小为114mm×114mm，覆铜厚度为0.036mm。
进一步地，所述发射线圈与接收线圈均为非谐振圆形金属铜环，示例发射线圈和接收线圈直径都为100mm，线径均为2mm。
结合相关仿真结果对本发明上述内容进行阐述：
参考附图1-3,一种基于四臂螺旋结构人工磁导体的无线能量传输***，包括人工磁导体1、非谐振发射线圈2和非谐振接收线圈3，人工磁导体1的上方自下而上依次设有非谐振发射线圈2和非谐振接收线圈3，人工磁导体1在非谐振发射线圈2和非谐振接收线圈3的同一侧，且人工磁导体1与非谐振发射线圈2较近，非谐振发射线圈2和非谐振接收线圈3均为非谐振圆形金属铜环，非谐振发射线圈2和非谐振接收线圈3尺寸相同，环径为100mm，线径为2mm，人工磁导体1示例结构大小为114mm×114mm，对于具体应用，可以根据所需求的大小和频率进行调节，非谐振发射线圈2和非谐振接收线圈3是通过近磁场耦合实现无线能量传输，人工磁导体1的存在同时受到非谐振发射线圈2产生磁场的激发，非谐振线发射线圈2产生的磁场激发人工磁导体1的谐振，可以调控磁近场的分布区域和强度，增强无线能量传输***的传输效率和传输距离。
人工磁导体1由上表面四臂螺旋结构覆铜片11、覆铜孔12、介质板13以及底铜14组成，该人工磁导体结构是在双面覆铜板上单面刻蚀四臂螺旋结构，另一面仍为整块底铜。上表面覆铜片11为多圈螺旋结构，包括四条螺旋线，其四条螺旋线以覆铜孔为中心的“卐”字连续回绕延伸；螺旋线宽1mm,相邻螺旋线圈之间的间距为1mm，覆铜厚度为0.036mm。上表面覆铜片11和底铜14之间由覆铜孔12相连，覆铜孔12的直径为0.5mm，覆铜厚度为0.036mm。底铜14与上表面覆铜11之间铺设有介质板13，介质板13的大小与底铜14大小一致，介质板13可以为市面上的任意一种介质板，介电常数无需做特定要求，其功能就是做介质，介电常数的高低并不重要。实际选用以耗费成本低为原则，示例所用介质板为罗杰斯(Rogers)Kappa438，介电常数为4.3，厚度为3mm,底铜14的大小为114mm×114mm，铜箔厚度为0.036mm。
其中图3展示了人工磁导体的侧视图和俯视图，其中侧视图中的人工磁导体高度为3mm，覆铜孔直径d为0.5mm，覆铜厚度w为0.036mm，俯视图中的人工磁导体其长度t为114mm，螺旋线最外圈长度u为108mm，螺旋线宽g为1mm，螺旋线圈间距m为1mm。
本发明采用的实验仪器为矢量网络分析仪，实验测得***的透射曲线,如图4所示，实验的频率范围在15-35MHz。实验测得的透射系数达到了70％。由于实验需要考虑到材料的损耗，测试环境等因素的影响，实验结果与仿真结果会有些偏差。
本发明通过实验测试得到***的透射曲线与发射线圈和接收线圈之间距离的关系，如图5所示，虽然随着传输距离的增加，透射曲线呈指数降低，但在10mm的传输距离下，透射系数依旧达到了70％。
本发明的人工磁导体能够明显增强无线能量传输***的传输效率，如图6所示，通过对位置a及位置b的磁场检测，拥有人工磁导体的无线能量传输***在发射线圈附近位置a的磁场强度达到了32.8A/m，明显高于两个单线圈***的12.4A/m。有无人工磁导体的两个***在接收线圈附近b位置的磁场强度分别为25.2A/m和10.6A/m，这表明了引入人工磁导体可以将更多的能量聚集到接收线圈，提高传输效率。由图7可以看出，通过对位置c的磁场检测，人工磁导体下方位置的磁场强度为1.6A/m，要远远低于单线圈***的3.2A/m，这表明了引入该结构的人工磁导体能够进行有效地磁场屏蔽，减少磁泄露。
在基于人工磁导体的无线传能***中，使用两个线圈作为发射和接收线圈用于激发和接收磁场，人工磁导体的作用是反射磁场，并且底部铜层可以实现屏蔽磁场的效果，从而减少磁场能量的损耗，进而使接收线圈处具有更强的磁场。现有天线与无线传输设备间存在小部分的相似结构，但是现有的天线本身作为信号的接收源和激发源，其作为与人工磁导体的无线传输设备相比，其所发挥的作用完全不同，但是现有天线结构其功能中不需要且无法提供屏蔽磁场的效果，本领域技术人员应熟知其无线传输设备与天线之间的领域及技术差异，此处不在赘述。
综上所述，本发明的基于人工磁导体的无线能量传输***，极大地提高传输效率和传输距离，并对磁场空间起到明显的屏蔽作用以防止不必要的磁泄露。在本发明中，人工磁导体放置于发射线圈一侧，以减少对接收线圈位置的限制。与传统材料相比，该人工磁导体简单小巧，工艺简单，造价廉价，实用性更强。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于四臂螺旋结构人工磁导体的无线能量传输***，其特征在于，包括：
人工磁导体、发射线圈及接收线圈；
其中，所述人工磁导体单侧设置有发射线圈及接收线圈，发射线圈设置与接收线圈与人工磁导体中间；
所述发射线圈及接收线圈通过近磁场耦合进行无线能量传输；
所述人工磁导体由覆铜片、覆铜孔、介质板及底铜组成；其中所述覆铜片刻蚀于介质板上靠近接收线圈的表面，所述底铜设置于介质板上远离接收线圈的表面，所述覆铜孔设置于介质板中央且对覆铜片及底铜进行连接；
所述覆铜片采用四臂螺旋结构，所述四臂螺旋结构为覆铜孔为中心的“卐”字连续回绕延伸结构。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输***，其特征在于：
所述发射线圈及接收线圈均采用非谐振圆形金属铜环，所述非谐振圆形金属铜环的直径为100m，线径为2mm。
3.根据权利要求1所述的无线能量传输***，其特征在于：
所述覆铜片圈数为27圈，螺旋线宽1mm，相邻线圈之间的间距为1mm，覆铜厚度为0.036mm。
4.根据权利要求1所述的无线能量传输***，其特征在于：
所述覆铜孔的直径为0.5mm，覆铜厚度为0.036mm。
5.根据权利要求1所述的无线能量传输***，其特征在于：
所述介质板的大小为114mm×114mm，覆铜厚度为0.036mm。
6.根据权利要求1所述的无线能量传输***，其特征在于：
所述底铜的大小为114mm×114mm，覆铜厚度为0.036mm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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