[发明专利]一种无线能量传输系统

说明书

【技术领域】

本发明涉及无线能量传输领域，具体地涉及一种基于磁共振原理的无线能量传输系统。

【背景技术】

目前，无线能量传输技术主要基于三种原理，分别是电磁感应式、磁共振式以及辐射式，电磁感应式(非接触感应式)电能传输电路的基本特征是原副边电路分离，原边电路与副边电路之间有一段空隙，通过磁场耦合感应相联系。电磁感应式的特点是：有较大气隙存在，使得原副边无电接触，弥补了传统接触式电能的固有缺陷；但是，较大气隙的存在也使得系统漏磁与激磁相当，甚至比激磁高；因此，基于磁感应技术的原因，充电线圈基板与接收线圈基板之间的实际有效充电空间距离大约为5mm，当两者之间的空间距离超过5mm时则无法进行充电工作。

磁共振式(又称WiTricity技术)是由麻省理工学院(MIT)物理系、电子工程、计算机科学系，以及军事奈米技术研究所(Institute for Soldier Nanotechnologies)的研究人员提出的。系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，能量在两物体间交互，利用线圈及放置两端的平板电容器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。2007年6月，来自麻省理工学院的研究人员通过电磁线圈实现了距离2米的60W电力的传输，他们采用了全新的思考方式，采用了两个能够实现共振的铜线圈，依靠共振进行能量的传输。磁共振式虽然能实现较长距离的能量传输，但是其传输效率较低。

辐射式又分为无线电波式、微波方式、激光方式等，如，Powercast公司基于无线电波式研制出可以将无线电波转化成直流电的接收装置，可在约1米范围内为不同电子装置的电池充电。其缺点是能够传输的能量小，应用范围有限。

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料，因此，为设计和合成超材料，人们进行了很多研究工作。2000年，加州大学的Smith等人指出周期性排列的金属线和开环共振器(SRR)的复合结构可以实现介电常数ε和磁导率μ同时为负的双负材料，也称左手材料。之后他们又通过在印刷电路板(PCB)上制作金属线和SRR复合结构实现了二维的双负材料。

现有的负磁导率人工材料中，单个人造微结构(一般称为cell)均为单个开口环结构或开口环的衍生结构，包括方形结构、圆形结构或多边形结构，其微结构的尺寸很大，特别是对于低频波段的应用，其微结构的大小达到了分米级，这使得超材料的整体体积过大，给应用带来困难。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：基于超材料技术提供一种传输距离长，传输效率高的无线能量传输系统。

本发明实现发明目的所采用的技术方案是，一种无线能量传输系统，包括电源模块、磁共振发射模块、磁共振接收模块以及与磁共振接收模块连接的负载，所述磁共振发射模块与所述磁共振接收模块之间通过共振场倏逝线的耦合进行能量传递，其特征在于：所述磁共振发射模块与所述磁共振接收模块之间设置有一超材料，所述超材料具有负磁导率，所述具有负磁导率的超材料的频率与所述磁共振发射线圈以及磁共振接收线圈的谐振频率相同。

优选地，所述超材料的磁导率为-1。

具体实施时，所述超材料包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个微结构，所述微结构为磁性微结构，所述介质基板为的介电材料，所述微结构为导电材料。

具体实施时，所述磁性微结构为开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。

具体实施时，所述磁共振发射模块包括发射电路、发射天线和磁共振发射线圈，所述发射电路连接所述电源模块，所述磁共振接收模块包括磁共振接收线圈、接收天线和接收电路，所述接收电路连接所述负载。

具体实施时，所述发射电路为磁场谐振激发电路，所述磁场谐振激发电路产生一个频率与所述磁共振发射线圈的谐振频率相同的驱动信号，所述驱动信号由所述发射天线进行发射。

具体实施时，所述接收电路为整流电路，所述整流电路将所述接收天线接收到的能量转换为电能所需的信号输出。

具体实施时，单个所述微结构由一根金属线通过多重绕线的方式形成多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。

具体实施时，所述开口谐振环或开口谐振环的衍生结构为矩形、圆形或多边形。

具体实施时，所述单个所述微结构为5-80圈多重嵌套的开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。