基于移位平板的无线电能传输线圈装置的制作方法

本发明涉及电磁设计领域与无线电能传输技术，具体地，涉及基于移位平板的(可有效增强磁耦合效果)的无线电能传输线圈装置。
背景技术：
：近些年，无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注。传统电能传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。这种“有线”的传输方式带来了不少问题。由于存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全。另外，传统的有线电力传输方式不能满足一些特殊应用场合的需要，如矿井，水中，植入式医疗设备等。这些问题都在呼唤一种脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输。无线电能传输技术涉及了电力电子电路、线圈电磁设计、自动控制、通信协议等多方面内容，其中线圈电磁设计尤为重要。超材料是一种介电常数或磁导率为负的人工结构材料。利用超材料可以实现对电磁场的控制。近十年来，国内外学者利用变换光学理论设计出了各种各样的功能性超材料电磁器件，包括“完美棱镜”、隐身斗篷、电磁吸收器、超散射体等。移位介质是一种特殊的超材料器件，它可以将介质作用的物体或区域在光学上等效移位到指定位置。均匀、各向同性的超材料可以利用周期性排列的亚波长结构，如开口谐振环来实现。中短距离无线输电大多采用近场磁耦合方式，然而，随着发射线圈与接收线圈之间的传输距离增加，系统的电能传输效率急剧下降。现有的研究大多通过线圈优化设计和控制算法改进来解决这一问题，但上述方法无法改变线圈间磁场的倏逝波特性，因此对效率增强效果有限。超材料对电磁场的控制作用使其在无线电能传输领域展现出巨大潜力。现有的研究大多基于“磁性完美棱镜”。“磁性完美棱镜”是磁导率为-1的超材料平板，它可以将发射线圈产生的磁场重新汇聚，从而增强发射线圈和接收线圈间的互感和磁耦合。然而，为了实现更远的传输距离，通常需要进一步增加平板的厚度，使装置变得更加笨重。并且，平板通常放在两线圈中间的位置，当平板靠近线圈时会因为过耦合使效果明显减弱，这也大大限制了它的应用场合。技术实现要素：针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种的基于移位平板的无线电能传输线圈装置。为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于移位平板的无线电能传输线圈装置，包括发射线圈、接收线圈、负磁性移位平板及正磁性移位平板；其中所述负磁性移位平板位于所述发射线圈与所述接收线圈之间，所述正磁性移位平板位于所述发射线圈或所述接收线圈外侧。优选地，所述发射线圈与所述接收线圈之间的距离大于所述发射线圈及所述接收线圈的直径。优选地，所述正磁性移位平板及所述负磁性移位平板均平行于所述发射线圈及所述接收线圈所在平面。优选地，所述正磁性移位平板及所述负磁性移位平板与所述发射线圈及所述接收线圈同轴设置。优选地，所述正磁性移位平板与所述发射线圈之间的距离等于所述负磁性移位平板与所述发射线圈之间的距离；或所述正磁性移位平板与所述接收线圈之间的距离等于所述负磁性移位平板与所述接收线圈之间的距离。优选地，所述正磁性移位平板及所述负磁性移位平板为尺寸相同的正方形。优选地，所述正磁性移位平板及所述负磁性移位平板的最大尺寸小于工作波长的十分之一。优选地，所述正磁性移位平板及所述负磁性移位平板的边长大于所述发射线圈与所述接收线圈的直径。优选地，所述负磁性移位平板的磁导率参数μ1和所述正磁性移位平板的磁导率参数μ2分别满足：其中，w为所述正磁性移位平板或所述负磁性移位平板的厚度，d为所述正磁性移位平板和负磁性移位平板共同作用，使内部线圈在光学上等效移动的距离。优选地，所述负磁性移位平板的磁导率张量μ‘i满足：μ‘i＝μi*(1+σn*i)；其中，σn为所述负磁性移位平板的损耗系数；i为虚部单位；σn*i为材料的磁损耗；μi为所述负磁性超材料平板的理想磁导率张量，所述正磁性移位平板的磁导率张量μ‘ii满足：μ‘ii＝μii*(1-σp*i)；其中，σp为所述正磁性移位平板的损耗系数；i为虚部单位；σp*i为材料的磁损耗；μii为所述正磁性超材料平板的理想磁导率张量，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1、本发明基于移位平板的无线电能传输线圈装置能够在电磁场中近似等效地移动内部线圈，从而改变发射线圈与接收线圈之间的相对位置，显著地增强发射线圈和接收线圈的互感和磁耦合。2、本发明基于移位平板的无线电能传输线圈装置结构紧凑，能够根据应用需求选择作用于发射线圈或接收线圈；同时作用于两线圈时，对互感和磁耦合的增强效果更加显著。3、本发明基于移位平板的无线电能传输线圈装置结构简单，易于实现，具有广阔的应用前景。说明书附图通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。图1为本发明基于移位平板的无线电能传输线圈装置实施例一的结构图；图2为传统的无线电能传输线圈装置的结构图；图3为基于移位平板的无线电能传输线圈装置实施例一的磁场分布图；图4为传统的无线电能传输线圈装置的磁场分布图；图5为基于移位平板的无线电能传输线圈装置实施例二的磁场分布图；图6为基于移位平板的无线电能传输线圈装置实施例三的磁场分布图。图中：1-发射线圈2-接收线圈3-负磁性移位平板4-正磁性移位平板具体实施方式下面采用具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。本发明提供的一种基于移位平板的无线电能传输线圈装置，包括：发射线圈1、接收线圈2、负磁性移位平板3、正磁性移位平板4，负磁性移位平板3放置在发射线圈1和接收线圈2之间，正磁性移位平板4放置在发射线圈1或接收线圈2外侧。发射线圈1与接收线圈2之间的距离分别大于发射线圈1、接收线圈2的直径。均靠近一耦合线圈(发射线圈1或接收线圈2)放置的正磁性移位平板4与负磁性移位平板3构成一个移位平板组，同一个移位平板组中的正磁性移位平板4、负磁性移位平板3均平行于该耦合线圈，且与该耦合线圈同轴放置，移位平板与该耦合线圈平行的截面为正方形，同一个移位平板组中的正磁性移位平板4和负磁性移位平板3到该耦合线圈的距离相同。负磁性材料均匀、同轴，在z轴向磁导率为μ1，在x轴和y轴向磁导率为1/μ1，μ1为负值；正磁性材料均匀、同轴，在z轴向磁导率为μ2，在x轴和y轴向磁导率为1/μ2，μ2为正值；z轴方向是指由发射线圈1中心指向接收线圈2中心的方向，即轴线方向，x轴、y轴方向即移位平板正方形截面的边长方向，坐标原点为发射线圈1或接收线圈2的中心点。移位平板组能够在电磁场中沿轴线方向将发射线圈1或接收线圈2移动一定的距离d；且d>a，a表示内部线圈与移位平板之间的距离。等效于移位平板组能够将内部线圈从光学上近似移动到平板组外部指定的位置。这种移位效果通过超材料实现，超材料参数利用变换光学计算得到，采用该特定参数的超材料能够按照预期结果调制电磁波。在本发明中，移位平板组能够改变发射线圈1与接收线圈2在电磁场中的相对位置。因此，可以在保持发射线圈1和接收线圈2物理距离不变的情况下，将两者在电磁场中等效拉近，从而增强两线圈的耦合程度，在不改变传输距离的情况下提高无线电能传输效率。正磁性移位平板4和负磁性移位平板3的尺寸能够根据实际应用中需要移动的线圈的尺寸灵活设计，但需满足正磁性移位平板4和负磁性移位平板3的最大尺寸小于工作波长的十分之一。正磁性移位平板4和负磁性移位平板3的磁导率参数μ1、μ2由移位平板的宽度w和耦合线圈的移位距离d共同决定，具体可表示为公式考虑负磁性移位平板3的损耗系数为σn，即μ‘i＝μi*(1+σn*i)，正磁性移位平板4的损耗系数为σp，即μ‘ii＝μii*(1-σp*i)，保持其他参数不变，期望达到的移位距离d越大，对互感的增强效果越明显；移位平板的边长h存在阈值，小于该阈值时，互感随着h的增加而增加，大于该阈值后互感随h的增加变化很小，且该阈值大于线圈的直径。其中，μ‘i表示考虑磁损耗的负磁性超材料平板的磁导率张量，μ‘ii表示考虑磁损耗的正磁性超材料平板的磁导率张量，i表示虚部，即材料的磁损耗，μi为所述负磁性超材料平板的理想磁导率张量：μii为所述正磁性超材料平板的理想磁导率张量：为了保证负磁性移位平板3可以用开口谐振环实现，负磁性移位平板3磁导率参数μ1的取值范围是[-10，-0.1]。耦合线圈在移位平板组间的位置和方向不影响移位平板组对耦合线圈整体的移位距离，移位平板组分别作用于发射线圈1和接收线圈2时可产生同样的移位效果。实施例1：如图1所示，本实施案例提供一种基于移位平板的无线电能传输线圈装置，发射线圈1、接收线圈2、负磁性移位平板3、正磁性移位平板4。其中发射线圈1和接收线圈2的半径均为0.15m，线圈截面半径均为0.002m，线圈的匝数均为1；负磁性移位平板3放置在发射线圈1和接收线圈2之间，正磁性移位平板4放置在发射线圈1的外侧；且发射线圈1的中心点(原点o)和接收线圈2的中心点之间的距离为1m，移位平板组的尺寸为a＝0.14m，w＝0.15m，h＝1.3m，如图1所示，设计的移位距离d为0.5m，计算得到负磁性移位平板3和正磁性移位平板4的磁导率如表1所示。表1方向x轴y轴z轴负磁性移位平板磁导率-2.33-2.33-0.43正磁性移位平板磁导率4.334.330.23多耦合物理场仿真软件comsolmultiphysics可以对实际系统中电磁元件进行仿真，该仿真软件已经得到很多研究学者的认可和广泛使用。为了验证本发明提供的基于移位平板的无线电能传输线圈装置的效果，通过comsol进行电磁仿真，计算发射线圈1与接收线圈2之间的互感，并绘制系统的磁场强度分布图。针对上述参数，采用本发明提供的基于移位平板的无线电能传输线圈装置，保持发射线圈1与接收线圈2的位置不变，当移位距离d＝0.5m时，发射线圈1和接收线圈2间的互感约为5.03nh，磁场强度分布如图3所示。传统的无线电能传输线圈装置的结构图如图2所示，为了验证本发明提供的基于超材料的无线电能传输线圈装置在提高互感和磁耦合上的显著效果，保证发射线圈1和接收线圈2的大小不变，两线圈之间的距离为1m。采用该传统的无线电能传输线圈装置，发射线圈1和接收线圈2间的互感约为0.76nh，磁场强度分布如图4所示。实施例2：本实施案例的基于移位平板的无线电能传输线圈装置，包括发射线圈1、接收线圈2、负磁性移位平板3、正磁性移位平板4，移位平板组放置在接收线圈2两侧。其他参数均与实施例1中的相同。针对上述参数，采用实施例2提供的基于移位平板的无线电能传输线圈装置，发射线圈1和接收线圈2间的互感约为5.03nh，磁场强度分布如图5所示。实施例3：本实施案例的基于移位平板的无线电能传输线圈装置，包括发射线圈1、接收线圈2、一组靠近发射线圈1的移位平板组、一组靠近接收线圈2的移位平板组。其他参数均与实施例1、2中的相同。即可以将实施例3理解为实施例1的变化例。针对上述参数，采用实施例3提供的基于磁性材料平板的无线电能传输线圈装置，发射线圈1和接收线圈2间的互感约为49.63nh，磁场强度分布如图6所示。可以看出，本发明给出的基于磁性材料平板的无线电能传输线圈装置，使用一组移位平板组作用于发射线圈1，与传统的无线电能传输线圈装置相比，发射线圈1和接收线圈2的互感增大为原来的6.62倍；其他条件相同时，将移位平板组作用于接收线圈2，互感的增强效果一致；其他条件相同时，采用两组移位平板组，一组作用于发射线圈1，一组作用于接收线圈2，与传统的无线电能传输线圈装置相比，发射线圈1和接收线圈2的互感增大为原来的65倍。本装置提高互感和磁耦合的效果非常显著，因而可以显著地提高整个无线电能传输系统的传输效率。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。当前第1页12