[发明专利]一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置

说明书

本发明公开了一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置，包括同轴设置的驱动线圈、发射线圈、负载线圈、接收线圈以及屏蔽结构；屏蔽结构的材料为近零磁导率超材料；发射线圈和接收线圈的谐振频率均与屏蔽结构中超材料的磁导率为0时的工作频率相同；由于电磁耦合及谐振耦合，驱动线圈中产生的交变磁场最终传输至负载线圈；屏蔽结构的两个面或多个面以发射线圈和接收线圈之间的能量传输通道为中心轴对称设置；交变磁场入射到屏蔽结构的面时，会发生偏折，使得接收线圈接收到的磁场较多，并且传输通道外的磁场减弱，从而屏蔽传输通道外的磁场。本发明能够有效抑制能量传输过程中的电磁干扰和电磁辐射并提高能量传输的效率。

技术领域

本发明属于电磁屏蔽领域，更具体地，涉及一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置。

背景技术

相对于接触式充电方式，无线电能传输技术在便利性及安全性方面都有着明显的优势，因而得到了广泛的应用。近年来，无线电技术被广泛应用于便携式电子设备、人体植入仪器、家用电器等商业化应用，但无线传输线圈的电磁耦合产生的电磁辐射对人类和环境都产生了不利影响。同时，较强的电磁辐射使得无线输电设备无法正常工作。

解决电磁辐射对人类和环境的影响问题是各国关注的焦点。目前，广泛使用的屏蔽材料为金属和高磁导率铁磁性材料，对于高频电磁波，金属有很好的电磁屏蔽效果，但金属材料上产生感应涡流，同时会产生大量热量，从而破坏了金属的屏蔽效果。虽然铁磁性材料能通过引导磁场达到屏蔽效果，但是其工作时，无法避免地会产生滞后损耗。尽管上述两种材料具备一定的电磁屏蔽效能，但在保护人类电磁辐射危害的同时，也屏蔽了其它所需要的频率。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置，旨在有效抑制能量传输过程中的电磁干扰和电磁辐射并提高能量传输的效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于近零磁导率超材料的无线输电装置，包括同轴设置的驱动线圈、发射线圈、负载线圈、接收线圈以及屏蔽结构；屏蔽结构的材料为近零磁导率超材料，且超材料的磁导率为0时屏蔽结构的工作频率为f₀；发射线圈和接收线圈的谐振频率均为f₀；驱动线圈外接一个工作频率为f₀的射频电源，用于产生高频的第一交变磁场；发射线圈与驱动线圈形成电磁耦合，使得第一交变磁场转移至发射线圈，激发发射线圈产生第二交变磁场；接收线圈和发射线圈形成谐振耦合，两个线圈之间形成一条能量传输通道，使得第二交变磁场传输至接收线圈，激发接收线圈产生第三交变磁场，从而实现能量的传输；负载线圈与接收线圈形成电磁耦合，使得第三交变磁场转移至负载线圈，从而实现磁能到电能的转换；屏蔽结构包含两个面或多个面，且两个面或多个面以能量传输通道为中心轴线对称设置；屏蔽结构用于使得第二交变磁场在传输的过程中发生偏折，从而传输到能量传输通道之外的磁场减弱，接收线圈接收到的磁场增多，进而能量传输效率增大。

进一步地，构成屏蔽结构的近零磁导率超材料由多个阵列排布的超材料单元构成；超材料单元包括：介质基板、谐振电容以及附着于介质基板上的谐振结构；谐振电容位于介质基板的背面，并与谐振结构相连；谐振结构为方形开口谐振环金属线圈并用金属线连接。

进一步地，屏蔽结构的每一个面与能量传输通道的距离设定使得无线输电装置的传输效率最大同时屏蔽效果最好。

进一步地，谐振电容为高压直插CBB电容；高压直插CBB电容的绝缘阻抗高，因而抗压和耐流能力强，且介质损耗小，能够减小超材料自身的损耗。

进一步地，谐振电容的大小、谐振结构中金属线圈的宽度以及谐振结构中金属线圈的线间距的设定使得屏蔽结构中超材料的磁导率为0。

进一步地，FR-4介质板具有较高的机械性能，较好的耐热性和耐潮性，并有良好的机械加工性；介质基板为FR-4介质板，且其厚度为2mm，以便于精确调节屏蔽结构的工作频率，使得屏蔽结构中超材料的磁导率为0。