一種無線能量傳輸系統(tǒng)【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，通過磁場耦合感應(yīng)相聯(lián)系。電磁感應(yīng)式的特點是：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、計算機(jī)科學(xué)系，以及軍事奈米技術(shù)研究所(InstituteforSoldierNanotechnologies)的研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個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。其缺點是能夠傳輸?shù)哪芰啃?，?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，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)可以實現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時為負(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)實現(xiàn)了二維的雙負(fù)材料?，F(xiàn)有的負(fù)磁導(dǎo)率人工材料中，單個人造微結(jié)構(gòu)(一般稱為cell)均為單個開口環(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，這使得超材料的整體體積過大，給應(yīng)用帶來困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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)，包括磁共振發(fā)射端裝置和設(shè)置在負(fù)載設(shè)備內(nèi)的磁共振接收端裝置，所述磁共振發(fā)射端裝置包括電源模塊和磁共振發(fā)射模塊，所述磁共振接收端裝置包括磁共振接收模塊，所述磁共振接收模塊電連接所述負(fù)載設(shè)備，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倏逝線的耦合進(jìn)行能量傳遞，所述磁共振發(fā)射端裝置還包括超材料，所述超材料固定設(shè)置在所述磁共振發(fā)射模塊的后端，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)射模塊以及磁共振接收模塊的諧振頻率相同。優(yōu)選地，所述超材料為平板結(jié)構(gòu)，所述超材料與所述磁共振發(fā)射模塊相對平行設(shè)置。優(yōu)選地，所述磁共振發(fā)射端裝置還包括裝置外殼，所述裝置外殼內(nèi)設(shè)置有多個定位槽，所述超材料可選擇性固定在所述定位槽內(nèi)。優(yōu)選地，所述超材料的磁導(dǎo)率為-1。具體地，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)基板為介電材料，所述微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料。優(yōu)選地，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)。優(yōu)選地，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，所述接收電路電連接所述負(fù)載設(shè)備。優(yōu)選地，所述發(fā)射電路為磁場諧振激發(fā)電路，所述磁場諧振激發(fā)電路產(chǎn)生一個頻率與所述磁共振發(fā)射線圈的諧振頻率相同的驅(qū)動信號，所述驅(qū)動信號由所述發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射。優(yōu)選地，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輸出。優(yōu)選地，單個所述磁性微結(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)。具體地，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。優(yōu)選地，所述單個磁性微結(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)。優(yōu)選地，所述電源模塊為電源轉(zhuǎn)換電路，所述電源轉(zhuǎn)換電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。本發(fā)明的有益效果是，通過在無線能量傳輸系統(tǒng)的磁共振發(fā)射模塊的后端固定設(shè)置超材料，使整個無線能量傳輸系統(tǒng)的能量傳輸效率得到了提高，對于整個系統(tǒng)而言，不但能量傳輸距離遠(yuǎn)，接收端的設(shè)備不需要緊貼發(fā)射端，就能實現(xiàn)能量傳輸，大大提高了接收端負(fù)載設(shè)備的使用自由度，給用戶帶來方便。通過對超材料的設(shè)計，以多重繞線的方式將超材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計為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)，一方面能通過繞線的圈數(shù)對超材料的諧振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一方面能極大地降低諧振頻率，減小無線能量傳輸系統(tǒng)對環(huán)境的影響，提高安全性能?！靖綀D說明】圖1，實施例1無線能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2，實施例2無線能量傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3，實施例2無線能量傳輸系統(tǒng)的側(cè)面剖視圖。圖4，超材料的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖5，金屬銅微結(jié)構(gòu)的放大圖。圖6，超材料諧振頻率的特征曲線圖。圖7，具有超材料的無線能量傳輸系統(tǒng)磁場能量圖。圖8，沒有超材料的無線能量傳輸系統(tǒng)磁場能量圖。圖9，開口環(huán)衍生結(jié)構(gòu)圖。圖10，六邊形開口環(huán)結(jié)構(gòu)圖?！揪唧w實施方式】下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例1一種無線能量傳輸系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖1，包括磁共振發(fā)射端裝置和設(shè)置在負(fù)載設(shè)備內(nèi)的磁共振接收端裝置，磁共振發(fā)射端裝置包括裝置外殼1、電源模塊2、磁共振發(fā)射模塊3和超材料 4，負(fù)載設(shè)備5內(nèi)設(shè)置有磁共振接收端裝置，磁共振接收端裝置包括磁共振接收模塊6，磁共振發(fā)射模塊3與磁共振接收模塊6之間通過共振場倏逝線的耦合進(jìn)行能量傳遞，超材料4固定設(shè)置在磁共振發(fā)射模塊3的后端，超材料4具有負(fù)磁導(dǎo)率，具有負(fù)磁導(dǎo)率的超材料4的頻率與磁共振發(fā)射模塊3以及磁共振接收模塊6的諧振頻率相同。本實施例中，磁共振發(fā)射模塊3與磁共振接收模塊6具有相同的諧振頻率并通過共振場倏逝線的耦合進(jìn)行能量傳遞，磁共振接收模塊6將接收到的能量轉(zhuǎn)換為電流，最終對負(fù)載設(shè)備進(jìn)行供電，固定設(shè)置在磁共振發(fā)射模塊3后的超材料4由于具有負(fù)磁導(dǎo)率，能起到磁場增強(qiáng)作用，因此能提高系統(tǒng)的能量傳輸效率和增大傳輸距離。本實施例中具有負(fù)磁導(dǎo)率的超材料，包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計為磁性微結(jié)構(gòu)，即單個人造微結(jié)構(gòu)(一般稱為cell)均為單個開口環(huán)結(jié)構(gòu)或開口環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板為介電材料，微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料，由于該結(jié)構(gòu)可等效為LC諧振電路，所以通過多個磁性微結(jié)構(gòu)的陣列可實現(xiàn)對磁場的增強(qiáng)。實施例2一種無線能量傳輸系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖2，包括磁共振發(fā)射端裝置和設(shè)置在負(fù)載設(shè)備內(nèi)的磁共振接收端裝置，磁共振發(fā)射端裝置包括裝置外殼1、電源模塊2、磁場諧振激發(fā)電路31、發(fā)射天線32、磁共振發(fā)射線圈33和超材料4，負(fù)載設(shè)備5內(nèi)設(shè)置有磁共 振接收端裝置，磁共振接收端裝置包括磁共振接收線圈61、接收天線62和接收電路63，磁共振發(fā)射線圈33與磁共振接收線圈61之間通過共振場倏逝線的耦合進(jìn)行能量傳遞，超材料4固定設(shè)置在磁共振發(fā)射線圈33的后端，超材料4具有負(fù)磁導(dǎo)率，具有負(fù)磁導(dǎo)率的超材料4的頻率與磁共振發(fā)射線圈33以及磁共振接收線圈61的諧振頻率相同。本實施例中，超材料4設(shè)計為平板結(jié)構(gòu)，超材料4與磁共振發(fā)射線圈33相對平行設(shè)置，裝置外殼1內(nèi)還設(shè)置有多個定位槽7，超材料4可選擇性固定在定位槽7內(nèi)。通過定位槽7的設(shè)置，可以方便地對超材料4相對于磁共振發(fā)射線圈33的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。附圖3為本實施例無線能量傳輸系統(tǒng)的側(cè)面剖視圖。本實施例的工作原理是：電源模塊1將交流電轉(zhuǎn)換為直流電后為磁場諧振激發(fā)電路2提供直流電源，磁場諧振激發(fā)電路2產(chǎn)生一個頻率與磁共振發(fā)射線圈33的諧振頻率相同的驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號由發(fā)射天線32進(jìn)行發(fā)射，磁共振發(fā)射線圈33與磁共振接收線圈61發(fā)生共振并通過共振場倏逝線的耦合進(jìn)行能量傳遞，由于超材料4具有負(fù)磁導(dǎo)率，能對磁共振發(fā)射線圈33以及磁共振接收線圈61之間的磁場起到磁場增強(qiáng)的作用，進(jìn)而提高系統(tǒng)的能量傳輸效率和增大能量傳輸距離。接收天線6接收到磁共振接收線圈61的磁場能量并通過接收電路63轉(zhuǎn)換為電能，輸出到負(fù)載設(shè)備5，接收電路63采用整流電路，整流電路將接收天線63接收到的能量轉(zhuǎn)換為電能所需的信號輸出。下面首先就如何得到負(fù)磁導(dǎo)率的超材料，以及如何使負(fù)磁導(dǎo)率條件下的超材料的頻率與磁共振發(fā)射線圈以及磁共振接收線圈的諧振頻率相同進(jìn)行詳細(xì)說明。采用PCB制造技術(shù)，在環(huán)氧樹脂玻璃纖維板上覆銅，通過印刷電路的方法制備出金屬銅微結(jié)構(gòu)陣列，得到超材料，超材料的整體結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖4，包括環(huán)氧樹脂玻璃纖維板101和陣列的金屬銅微結(jié)構(gòu)102，金屬銅微結(jié)構(gòu)102的放大圖參看附圖5，微結(jié)構(gòu)102由一根首尾不相接的銅絲多重繞線而成，繞線在整體上呈正方形，繞線為37圈，線寬0.1mm，通過仿真測試得到其諧振峰頻率為32MHz。對于開口諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)而言，在電路上可以等效為LC電路，環(huán)形金屬線等效電感L，線間電容等效電容C，因此，根據(jù)諧振頻率的公式對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行多重繞線后，線圈的長度增長，等效地增大了電感L，從而降低了微結(jié)構(gòu)的諧振頻率，通過調(diào)整繞線的圈數(shù)可以對微結(jié)構(gòu)的諧振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)整個超材料的諧振頻率。超材料的負(fù)磁導(dǎo)率與諧振頻率存在特定的關(guān)系，即超材料出現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的頻率范圍總會在超材料諧振頻率附近，根據(jù)超材料諧振頻率的特征曲線圖，參看附圖6，從圖中可以看出，在諧振峰后面的一段頻率范圍內(nèi)，超材料的磁導(dǎo)率為負(fù)。超材料磁導(dǎo)率為負(fù)的頻率段與超材料的諧振頻率密切相關(guān)，即隨著超材料諧振頻率的變化而變化，因此通過對超材料諧振頻率的調(diào)節(jié)，可以得到在負(fù)磁導(dǎo)率條件下頻率與無線能量傳輸系統(tǒng)中的磁共振發(fā)射線圈和磁共振接收線圈的諧振頻率相同的超材料。當(dāng)然，通過改變微結(jié)構(gòu)的形狀以及選擇合適的介質(zhì)基板材料等方法，都可以對超材料的諧振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而選擇得到負(fù)磁導(dǎo)率條件下頻率與磁共振發(fā)射線圈和磁共振接收線圈的諧振頻率相同的超材料。下面就負(fù)磁導(dǎo)率的超材料對磁場的增強(qiáng)效果進(jìn)行測試。將上述超材料置于無線能量傳輸系統(tǒng)的磁共振發(fā)射線圈33和磁共振接收線圈61之間，在仿真軟件Comsol3.5中對其磁場增強(qiáng)的效果進(jìn)行仿真測試，得到的磁場能量圖參看附圖7，無線能量傳輸系統(tǒng)在沒有加入超材料的磁場能量圖參看附圖8，對比圖7和圖8可以很明顯地看出，加入超材料后，磁場能量增加了大約3dB。由于通過超材料的加入，能增強(qiáng)磁共振發(fā)射線圈33和磁共振接收線圈61之間交變磁場強(qiáng)度，所以整個無線能量傳輸系統(tǒng)的能量傳輸效率得到了提高，對于整個系統(tǒng)而言，能量傳輸距離遠(yuǎn)，接收端的設(shè)備不需要緊貼發(fā)射端，就能實現(xiàn)能量傳輸，并且能應(yīng)用于功耗較大的用電設(shè)備上。對于無線能量傳輸而言，由于磁共振發(fā)射線圈33、超材料4、磁共振接收線圈61三者之間均為空氣，為提高能量傳輸效率，需要設(shè)計加入的超材料4與空氣之間具有良好的阻抗匹配，以減少能量的反射，因此，本發(fā)明選擇磁導(dǎo)率為-1的超材料作為磁場增強(qiáng)器件。出于對無線充電應(yīng)用過程中對環(huán)境的安全性要求，無線充電的頻率需要盡可能的降低，從而減少對環(huán)境的電磁影響，特別是對人體的電磁影響。因此，對于無線能量傳輸系統(tǒng)而言，需要盡可能地降低其 諧振頻率，本發(fā)明通過對超材料的設(shè)計，以多重繞線的方式將超材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計為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)，一方面能通過繞線的圈數(shù)對諧振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一方面能極大地降低諧振頻率，減小無線能量傳輸系統(tǒng)對環(huán)境的影響，提高安全性能。在上述實施例中，僅僅給出了一種正方形的開口環(huán)結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)理解的是，將開口環(huán)設(shè)計為任意多邊形、圓形或其他衍生結(jié)構(gòu)，并通過多重繞線的方式將超材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計為多重嵌套的結(jié)構(gòu)，均能實現(xiàn)本發(fā)明的有益效果。作為具體實施方式，圖9、圖10分別給出了另外兩種超材料微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，圖9為凹形開口環(huán)結(jié)構(gòu)圖，圖10為六邊形開口環(huán)衍生結(jié)構(gòu)圖。在上述實施例中，僅對本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進(jìn)行各種修改。