[发明专利]基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统

权利要求书

1.基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，包括高频电源（1）、第一功率检测模块（2）、第一通讯模块（3）、发射线圈（4）、超材料耦合度调整装置（5）、接收线圈（6）、第二功率检测模块（7）、第二通讯模块(8)、负载（9）、效率与功率计算模块(10)和电机控制与驱动模块（11）；

所述高频电源（1）的输出端连接第一功率检测模块（2）与发射线圈（4）；

所述第一功率检测模块（2），分别与高频电源（1）和发射线圈（4）进行连接，对发射端电压与电流的数值进行测量并将其发送给第一通讯模块（3）；

所述第一通讯模块（3），与第一功率检测模块（2）连接，将第一功率检测模块（2）采集的电压电流数据无线传输给效率与功率计算模块（10）；

所述发射线圈（4），分别与高频电源（1）和第一功率检测模块（2）连接；

所述超材料耦合度调整装置（5），包括超材料耦合度调整结构（51）、滑动轨道（52）、电机（53），其中，超材料耦合度调整结构（51）与发射线圈（4）同轴布置，对发射线圈（4）辐射的交变磁场进行汇聚，下方设置滑动轨道（52），电机（53）与滑动轨道（52）相连，控制超材料耦合度调整结构（51）沿滑动轨道（52）左右移动；

所述接收线圈（6），与超材料耦合度调整结构（51）同轴布置，与发射线圈（4）进行谐振耦合；

所述第二功率检测模块（7），与接收线圈（6）和负载（9）相连接，对接收端的电压、电流数值进行测量并将其发送给第二通讯模块（8）；

所述第二通讯模块（8），与第二功率检测模块（7）连接，将第二功率检测模块（7）采集的电压电流数据无线传输给效率与功率计算模块（10）；所述效率与功率计算模块（10），和电机控制与驱动模块（11）连接；

所述电机控制与驱动模块（11），分别与效率与功率计算模块（10）和电机（53）连接，控制电机（53）在初始化时移动至滑动轨道最左侧，调节开始后，控制电机（53）以设定的最小移动距离向右侧移动，选择最大传输效率模式或最大功率模式后，接收效率与功率计算模块（10）发送的左移距离，驱动电机（53）左移相应距离。

2.根据权利要求1中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述超材料耦合度调整结构中的超材料单元结构参数根据线圈参数确定的工作频率设计。

3.根据权利要求1中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述超材料耦合度调整结构中的超材料单元的组合排列情况根据发射线圈或接收线圈直径进行排列。

4.根据权利要求1 中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，磁耦合谐振式无线电能传输结构为双线圈结构。

5.根据权利要求1中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，发射线圈（4）与接收线圈（6）通过串联谐振电容实现两传输线圈之间的谐振。

6.根据权利要求1中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述效率与功率计算模块（10）包括通讯单元（101）、效率和功率计算单元（102）和模式选择单元（103），内置通讯单元（101）接收第一通讯模块（3）和第二通讯模块（8）发送的数据，效率和功率计算单元（102）根据接收的数据对超材料耦合度调整结构（51）位移后各点的发射端功率、接收端功率和传输效率进行计算并存储各点对应移动距离、接收端功率和传输效率，模式选择单元（103）提供最大传输效率或最大功率调节模式选择，模式选择后对比相应效率或功率的各点储存数据，选取最大值及其对应移动距离，计算左移距离并将其发给电机控制与驱动模块（11）。

7.根据权利要求1中所述的基于电磁超材料的磁耦合谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述效率与功率计算模块（10）和电机控制与驱动模块（11）的控制流程，包括以下步骤：

（1）对系统进行初始化，驱动电机（53）带动超材料耦合度调整结构（51）移动至滑动轨道（52）最左侧，靠近发射线圈；

（2）设定移动距离x₁=0，n=0，电机转动后超材料耦合调整结构最小移动距离为∆x，传输距离为x；

（3）接收第一通讯模块（3）与第二通讯模块（8）发送的发射端与接收端的电压电流数值U₁、I₁、U₂、I₂；

（4）对此时的发射端功率P₁，接收端功率P₂，传输效率η进行计算，计算公式为P₁=U₁I₁，P₂=U₂I₂，η=P₂/P₁;

（5）分别储存移动距离x₁，接收端功率P₂，传输效率η的数值；

（6）判断移动距离之和x₁是否小于传输距离x，若是，继续判断传输距离与移动距离之差是否大于∆x，若是则驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向右侧移动∆x，令n=n+1，移动距离x₁=n×∆x，并返回步骤（4）；

（7）若移动距离之和x₁等于传输距离x或传输距离与移动距离之差小于∆x，则进入模式选择状态，可分别选择最大传输效率模式或最大功率模式；

（8）选择最大功率模式，比较储存的各位移点的接收端功率P₂的大小，选取接收端功率P₂的最大值及其对应的移动距离x₁，驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向左侧移动（x-x₁），最大功率模式调节结束；

（9）选择最大传输效率模式，比较储存的各位移点的传输效率η的大小，选取接传输效率η的最大值及其对应的移动距离x₁，驱动电机转动，带动超材料耦合度调整结构向左侧移动（x-x₁），最大传输效率模式调节结束。