技术领域
[0001] 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
[0002] 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)。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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%。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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，所述的螺旋电感的两端连接低损耗电容。
[0015] 所述的负磁导率电磁超材料阵列的工作频率 ＞ , 是功率信号发生器的发射频率；所述的正磁导率电磁超材料阵列的工作频率 ＜ 。
[0016] 所述的电磁发射线圈的除前侧外的周围均设置有负磁导率电磁超材料阵列，所述电磁发射线圈的前侧设置有正磁导率电磁超材料阵列，所述的电磁能量接收器的后侧设置有正或负磁导率电磁超材料阵列，其中以电磁发射方向为前方。
[0017] 所述的电磁能量接收器为电磁接
收线圈，电磁接收线圈的两端连接负载或经过整流后连接负载。
[0018] 所述的铁氧体柱采用低损耗的Mn-Zn材料。
[0019] 本发明通过构造可以工作于低频（KHz）的复合电磁超材料（磁导率可以为正，也可以为负），并将其按照一定的阵列排列，应用在低频电磁能量发射器（KHz级别）和电磁能量接收器中，在亚临界谐振频率，此结构阵列工作于正磁导率谐振状态，可以起到引导并加强无线输电的效果；在超临界谐振频率，此阵列工作于负磁导率谐振状态，可以起到反射
磁力线、屏蔽辐射、调整磁场方向的作用。可以增强无线电能传输的距离、减少辐射并控制能量传递方向，从而提高磁共振无线电能传输系统的性能。经过试验，在相同条件下，增加传输距离30%以上；相同条件下，提高传输效率20%以上。
附图说明
[0020] 图1为
现有技术中电磁超材料的基本构造Rod结构示意图；图2为现有技术中电磁超材料的基本构造SRR结构示意图；
图3为本发明中电磁超材料单元的结构示意图；
图4为本发明中电磁超材料阵列的结构示意图；
图5为本发明的具体实施方式结构图；
图6为电磁超材料磁导率在谐振点附近跳变的示意图；
图7为传统无线输电的示意图；
图8为d12与传输效率的关系图；
图9为发射线圈与负磁导率电磁超材料阵列的
位置关系示意图。
具体实施方式
[0021] 本发明提供了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（50Hz～200kHz），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的低频方波或
正弦波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将其发射给电磁能量接收器，所述的电磁能量接收器为电磁接收线圈，电磁接收线圈的两端连接负载。
[0022] 受制于材料结构的限制，电磁超材料的研究及实验在微波频段比较成熟，开口谐振环SRR（split ring resonator）是等效负磁导率电磁超材料的典型代表。但是，在本发明的低频段（kHz级别），尚未被构造，更未被实际应用到无线电能传输领域。本发明提出了一种可以工作在低频的复合电磁超材料结构。如图3、图4所示，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L、低损耗电容C和高磁导率功率铁氧体柱Z，所述的螺旋电感L绕设在高磁导率功率铁氧体柱Z周围，螺旋电感L的两端连接低损耗电容C，在频率较高的情况下（30KHz以上），不需要铁氧体柱的情况下也能获得较高的品质因数，则也可以不用铁氧体材料；本
专利申请超材料单元的关键是形成LC谐振，其品质因数越高，无线输电性能越好，为了保证高品质因数的谐振，其中螺旋电感L的内阻尽量小，绕线排列整齐；低损耗电容C采用高频、低ESR电容；铁氧体柱Z采用低损耗的Mn-Zn材料。电磁超材料单元形成LC谐振结构，其谐振频率 ，可以通过调节电感L和电容C调节谐振频率 ， 是功率信号发生器的发射频率，当工作频率略小于 时（即此时工作频率是 ），称为亚临界谐振，此时结构阵列工作于正磁导率谐振状态，磁场强度被增强，共振产生的磁力线方向与信号源一致，可以起到引导并加强无线输电的效果；工作频率 略大于 时（即此时工作频率是 ），称为超临界谐振，此时阵列工作于负磁导率谐振状态，共振产生的磁力线方向信号源相反，可以起到反射磁力线、屏蔽辐射、调整磁场方向的作用。与传统的基于谐振的无线电能传输不同的是，我们复合使用亚临界谐振和超临界谐振频率进行工作，并尽力避开共振中心频率 。其中使用时，将低频电磁超材料阵列固定在
支架上。
[0023] 如图5所示，电磁超材料空间阵列根据需要放在电力发射器和电力接收器之间，合理调节空间阵列位置，利用电磁超材料的近场特性实现无线电力传输的近场聚焦，从而实现定向、定点传输。信号发生器1的典型
电路由大功率
三极管、集成电路组成正弦波功率信号发生器，其信号频率可调（1KHz-100KHz）；信号发生器1也可以是使用
开关管（如IGBT）组成的脉冲方波发生器，其信号频率可调（1KHz-100KHz）；典型地，传统
开关电源的互补推挽、半桥、全桥、LLC等电路均可作为功率信号发生器。电磁发射线圈6可以使用低阻抗、大功率的电磁线圈，一个电磁发射线圈6可以对应多个电磁接收线圈5，一个电磁接收线圈5也可以对应多个电磁发射线圈6。如图8所示，本
实施例中所述的电磁发射线圈6的除前侧的周围均设置有负磁导率电磁超材料阵列2，其中电磁发射线圈6后侧放置的负磁导率电磁超材料阵列2的铁氧体柱的轴向与电磁发射方向一致，周围放置的负磁导率电磁超材料阵列2的铁氧体柱轴向垂直于电磁发射方向，总之，铁氧体柱阵列的底面类似于镜子的反射面。其有益效果是：可以将磁力线反射回去，这样既可以防止对后方的磁场干扰，又可以增强前方的磁力线强度，与传统电磁炉直接使用铁氧体闭合磁路相比，本专利的方法损耗很低，同时又增加了无线电能传输的距离。所述电磁发射线圈6的前侧设置有正磁导率电磁超材料阵列3，正磁导率电磁超材料阵列3的铁氧体柱的轴向与电磁发射方向一致，正磁导率电磁超材料阵列3可以增强磁场的强度，增加无线输电距离。所述的电磁接收线圈5的后端设置有正或负磁导率电磁超材料阵列4，正或负磁导率电磁超材料阵列4的铁氧体柱的轴向与电磁发射方向一致，以便于能量的接收。而电磁超材料阵列的整列排列方式由具体情况和要求确定。
[0024] 无线输电的距离和效率与超材料单元的放置位置的确有很大的关系。以传统的磁共振无线输电为例（图7），d12的距离改变会影响线圈之间的耦合系数，从而影响无线输电的性能。从图8的性能曲线可以看出，在不同的无线输电距离情况下，存在一个d12的最佳值。因此，超材料放置的位置与具体使用要求有关。本发明中负磁导率电磁超材料阵列2、正磁导率电磁超材料阵列3都应放置在与发射线圈6的距离为1cm-25cm之间；正或负磁导率电磁超材料阵列4距离电磁接收线圈5也为1cm-25cm之间。
[0025] 现有技术中的电磁超材料在应用到低频频段时遇到了很多实际问题。在KHz及以下频段，
波长将在数十千米以上，经典的负磁导率单元SRR的边长尺寸将在数百米以上，这在实际应用中是不能被接受的。对于无线电能传输领域的应用，本
发明人认为：系统必须工作低频（KHz）频率，这样可以有效降低辐射危害。可是，没有人构造过这么低频率的电磁超材料，更没有人将其应用于无线电能传输领域。
[0026] 本发明充分利用低频电磁超材料阵列的低频特性，其典型工作频率在50Hz到200KHz之间。这种频率下，电磁波波长很长，能量传输利用的是电磁波中的无辐射近场。使用低频电磁超材料阵列后，传统的LC共振电路性能得到提升，无线电力传输距离和效率大大增加，并能实现在特定距离的无线电力接收，解决了传统的无线电力技术传输距离近且不可控或辐射场大的缺点。本发明的基于低频复合电磁超材料，可按照一定的阵列排列，并在此
基础上，可以使无线电能传输系统性能得到较大提升，提高传输距离，降低工作频率，控制电磁能量方向，避免电磁对人体的辐射，并提高能量传输效率。
[0027] 在低频（kHZ）下，使用电路理论对其进行分析：由低损耗集总参数LC
谐振电路和高磁导率铁氧体材料共同组成的超材料阵列具有以下特性：1、在LC谐振频率附近，磁力线和磁通量的方向会发生跳变，当
输入信号频率 略大于LC谐振频率 时，由多个谐振单元阵列组成的超材料表现出等效正磁导率特性；当输入信号频率 略小于LC谐振频率 时，此结构表现出负磁导率特性，如图6所示；
2、负磁导率特性可以有效反射磁力线，这可以作为一种磁场的屏蔽措施，且效果比传统的铁磁屏蔽效果要好；
3、正磁导率特性可以加强磁场强度，增加无线输电距离；
4、本发明的无线输电利用的共振频率点与传统完全不同，传统磁共振要求发射端和接收端频率完全相同，而本发明则复合使用亚临界谐振区和超临界谐振区。
