一种基于电磁超材料的无线电能传输谐振器结构的制作方法

本发明涉及空间中距离无线电能传输技术，特别是涉及一种基于电磁超材料的无线电能传输谐振器结构，属于输变电工程状态监测传感器无线供电的技术领域。

背景技术：

随着输变电工程的规模化发展，其周围的状态监测传感器的供电安全性、持续性、稳定性等问题已成为国内外专家学者研究的热点问题，该问题现有的解决方式为：一是分布式能源供电；二是光纤激光供能；三是利用电流和电压互感器线路供能；虽然每个方法有各自独特的优势，但由于供电不够稳定，成本较高，可靠性低等原因，得不到良好的推广与应用，无线电能传输技术因其对电能传输的技术经济性、灵活性、安全性受到了广泛关注；但该技术仍存在一系列的瓶颈问题，如谐振器收发线圈产生的空间磁场会出现衰减过快、分布不均匀，导致传输距离短、传输效率低、稳定性差以及能量传输中电磁泄露引起的电磁污染、电磁干扰等问题日益凸显，从而限制了输变电工程状态监测传感器中距离无线供电的推广以及其他应用的发展。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术的不足，提供了一种基于电磁超材料的无线电能传输谐振器结构，实现了电磁超材料和电磁能量收发线圈的高效结合，提升了中距离无线电能传输系统的效率，为输变电工程状态监测传感器的可靠供电提供了一种有效的解决方案。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于电磁超材料的无线电能传输谐振器结构，包括：壳体和设置于壳体内部的电磁能量收发线圈，壳体包括顶板、底板和四个侧板，其中，顶板为汇聚型电磁超材料层，底板和四个侧板为屏蔽型电磁超材料层；屏蔽型电磁超材料层和汇聚型电磁超材料层不仅用于调控电磁能量收发线圈在空间中产生的电磁波，还用于对电磁能量收发线圈起到外壳防护的作用。

可选的，汇聚型电磁超材料层由负磁导率的电磁超材料构成，其是通过在fr-4、亚克力或者rogersr04232板材上印刷铜导线形成的电磁谐振材料结构。

可选的，汇聚型电磁超材料层包括若干谐振图案构成的细胞单元结构，其上表面的细胞单元结构为三明治形、开口谐振环或十字形：下表面的单元结构为单条铜带结构。

可选的，屏蔽型电磁超材料层由零磁导率的电磁超材料构成，其是通过在fr-4、亚克力或者rogersr04232板材上印刷铜导线形成的电磁谐振材料结构。

可选的，屏蔽型电磁超材料层包括若干谐振图案构成的细胞单元结构，屏蔽型电磁超材料层的细胞单元结构为开口谐振环或十字形。

可选的，电磁能量收发线圈的绕制样式包括平面、螺线管、方形、圆形或者dd线圈。

可选的，电磁能量收发线圈固定于线圈托板上，线圈托板卡合在侧板的凹槽中，并通过贯穿顶板-侧板-托板-底板的非金属螺丝进行固定；线圈的接线端通过侧板的引线孔引出。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的一种基于电磁超材料的无线电能传输谐振器结构，通过将电磁超材料、谐振器线圈、中距离无线供电技术完美的结合起来，使得输变电工程状态监测传感器中距离无线供电系统的供电效率和功率大幅提升，同时有效节省无线供电系统的体积，投入成本低、可靠性高、实用性较强。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是图1中a-a方向剖视图；

图3是固定线圈的托板示意图；

图4是汇聚型电磁超材料层结构示意图；

图5是汇聚型电磁超材料层上表面的单元结构示意图；

图6是汇聚型电磁超材料层下表面的单元结构示意图；

图7是屏蔽型电磁超材料层结构示意图；

图8是屏蔽型电磁超材料层的单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1、图2和图3所示，基于电磁超材料的无线电能传输谐振器结构，包括：壳体1和设置于壳体内部的电磁能量收发线圈2，壳体包括顶板、底板和四个侧板，其中，顶板为汇聚型电磁超材料层，底板和四个侧板为屏蔽型电磁超材料层，电磁能量收发线圈固定于线圈托板3上，其接线端通过侧板的引线孔引出；线圈托板卡合在侧板的凹槽中；整个壳体通过贯穿于顶板、侧板、线圈托板和底板的非金属螺丝4固定；屏蔽型电磁超材料层和汇聚型电磁超材料层不仅用于调控电磁能量收发线圈在空间中产生的电磁波，还用于对电磁能量收发线圈起到外壳防护的作用；电磁超材料层对电磁波调控的原理是通过在特定电磁波频率下，超材料细胞单元的尺寸远小于电磁波波长，此时相对于波长长度，电磁超材料可以被视为“分子”或“原子”，其通过自身内部发生的谐振状态，呈现“左手效应”，从而展现零磁导率和负磁导率的特性，进而对空间中的电磁波进行调控，使其发生反射或折射。

如图2所示，第一屏蔽型型电磁超材料层1b用于屏蔽电磁能量收发线圈产生的近场电磁波，同时放置于电磁能量收发线圈的侧面，用于包裹电磁能量收发线圈，同时用于支撑线圈托板。

第二屏蔽型电磁超材料层1c用于屏蔽电磁能量收发线圈产生的近场电磁波，同时放置于电磁能量收发线圈的底部，用于保护电磁能量收发线圈。屏蔽型电磁超材料的谐振图案包含开口谐振环、十字形。

汇聚型电磁超材料层1a用于将电磁能量收发线圈产生的近场电磁波汇聚到无线电能传输系统的传输通道，同时放置于电磁能量收发线圈的顶部，用于覆盖电磁能量收发线圈。汇聚型电磁超材料的谐振图案包含三明治形、开口谐振环、十字形。

如图4、图5和图6所示，汇聚型电磁超材料层由负磁导率的电磁超材料构成，其是通过在fr-4、亚克力或者rogersr04232等板材上印刷铜导线形成的电磁谐振材料，印刷铜导线包括若干内部细胞单元结构。其内部细胞单元的谐振图案可以通过商业电磁仿真软件ansys进行设计和频率优选，设计时通过ansys-hfss软件绘制单元细胞结构的3d图案，通过设置边界条件和端口模式，仿真计算谐振图案的s参数，进而通过s参数反演法，计算谐振图案的等效磁导率及适用频率。如图4所示，本实施例给出的一种汇聚型电磁超材料层的谐振图案，其上表面的细胞单元结构具体为方形开口多环图案，如图5所示；汇聚型电磁超材料层下表面的细胞单元结构具体为单条铜带结构，如图6所示。

如图7和图8所示，屏蔽型电磁超材料层由零磁导率的电磁超材料构成，其是通过在fr-4、亚克力或者rogersr04232等板材上印刷铜导线形成的电磁谐振材料，印刷铜导线包括若干内部细胞单元结构。其内部细胞单元的谐振图案可以通过商业电磁仿真软件ansys进行设计和频率优选，设计时通过ansys-hfss软件绘制单元细胞结构的3d图案，通过设置边界条件和端口模式，仿真计算谐振图案的s参数，进而通过s参数反演法，计算谐振图案的等效磁导率及适用频率。如图7所示，本实施例给出的一种屏蔽型电磁超材料层的谐振图案，谐振图案之间设有引线孔；其细胞单元结构为方形开口多环图案，如图8所示。

fr-4、亚克力或者rogersr04232等板材通过组装作为外壳，如图2所示，起到保护谐振器线圈的作用，印刷的铜导线谐振图案则通过单元组合，起到调控谐振器线圈电磁场的作用。

电磁能量收发线圈用于无线电能传输系统在空间中产生高频电磁能量；电磁能量收发线圈的绕制样式包含平面或者螺线管，以及方形、圆形、dd线圈。

综上所述，上述基于电磁超材料的无线电能传输谐振器结构综合考虑无线电能传输技术、电磁超材料结构、谐振器外壳结构等因素。本谐振器结构包括电磁能量收发线圈、屏蔽型电磁超材料层、汇聚型电磁超材料层等；电磁能量收发线圈用于在空间中产生高频电磁能量，屏蔽型电磁超材料层和汇聚型电磁超材料层用于调控电磁能量收发线圈在空间中产生的电磁波，还用于电磁能量收发线圈的外壳防护；本发明的谐振器结构适用于输变电工程传感器的中距离无线供电，将电磁超材料、谐振器线圈、中距离无线供电技术完美的结合起来，有效提升中距离无线供电系统的供电效率和功率，同时有效节省无线供电系统的体积，投入成本低、可靠性高、实用性较强。