一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置及方法与流程

本发明属于无线输能领域，具体涉及一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置及方法。

背景技术：

无线输能(wirelesspowertransfer，wpt)是指将能量以无线的方式从电源端传输到负载端。近年来，一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备都需要电池和充电。电源电线频繁地拔插，既不安全，也不美观可靠，且容易磨损。一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一，这样既造成了浪费，也形成了对环境的污染。相比于传统的有线能量传输方式，无线输能无需金属电极的直接连接，可避免导体裸露和电火花产生，而且可以用在一些无法架设电线的特殊场合，例如为植入人体的设备充电、为无线传感器网络充电等。这些独特的优势，使得无线输能在智能家居、医疗护理、交通运输等领域具有很高的应用前景。目前的存在的wpt技术有电磁感应耦合技术(inductivelycoupledpowertransfer，icpt)、磁共振耦合技术(magneticresonancecoupling，mrc)、微波无线输能传输(microwavepowertransfer，mpt)等。每种方法都各有利弊，如基于icpt原理的非辐射式无线输能方法，其功率大、效率高、安全性好。但是，受近区场的限制，其输能距离多在厘米量级。针对便携式电子产品应用，icpt输能距离过短，应用极为不便。基于mrc的无线输能方法，可以在米级范围内达到较高的传输效率，但mrc的输能区域仅限于发射线圈的中心轴线附近，而且对于距离的变化较为敏感。基于电磁辐射式的mpt则可以克服icpt、mrc等wpt技术在输能距离上的缺陷。mpt采用微波信号进行输能，具有传输距离远、收/发设备布置灵活等优势，但是由于其波束指向性高、电磁安全性低、收/发天线尺寸大、需求额外定位装置等因素，导致mpt一直未能在室内得到广泛的实际应用。

为克服icpt和mrc的不足，国外学者基于非辐射式腔体耦合谐振原理，近期发展出了一种腔体谐振(cavityresonance，cr)输能法。例如文献“chabalkomj,shahmohammadim,sampleap.quasistaticcavityresonanceforubiquitouswirelesspowertransfer[j].plosone,2017,12(2):e0169045.”在一个54m³封闭金属谐振腔内同时对多个目标进行无线输能。就其输能区域范围而言，在所有的耦合谐振wpt技术中，应是目前公开报道中最大的。但是，其需要将现有房屋改造成全金属的封闭式腔体结构，造价高、工程浩大；而且，由于封闭的金属腔不透波，无法与外界进行无线通信。因此，使用封闭金属谐振腔的腔体谐振输能方式仅适用于特殊的室内应用场景。

技术实现要素：

本发明针对目前常用的几种输能方式的不足，提出了一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置及方法。本发明采用金属栅来构成腔体结构，其中金属栅上的每一个金属栅条通过中心金属柱和电容相接都可以形成一个闭合的rlc回路，此时可以将每一个闭合的rlc回路视为一个单匝的谐振线圈。通过加入这种中间结构可以有效地增大近场，提高传输距离。另外，利用金属栅来构成腔体结构可以有效解决传统使用封闭金属谐振腔的腔体谐振输能方式所带来的造价高、工程浩大、无法与外界进行无线通信等问题。

本发明的一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能的装置，包括腔体中心放置的两个金属柱，两个金属柱通过柱间电容连通，两个金属柱的另一端由n个金属栅条相连，构成金属栅谐振腔，金属栅谐振腔内设置有发射器与接收器。

所述接收器包括接收线圈和整流电路，通过整流电路将接收线圈接收到的能量从射频信号转换为直流，并提供给负载。

所述发射器为发射线圈，用于发射射频信号，在谐振腔内部与金属栅条产生谐振。

进一步地，所述接收线圈内设置有可调电容，可调电容使接收线圈的谐振频率和谐振腔内磁场的频率一致，达到共振将能量传输到接收线圈上。

进一步地，所述柱间电容与接收线圈内设置的可调电容可以是自适应电容。

本发明的基本思路为：在腔体中心放置两个金属柱，在金属柱的中间加入电容，两个金属柱的两端再由n个金属栅条相连构成金属栅谐振腔，这里金属栅谐振腔形状可以是任意的，如矩形金属栅谐振腔、圆柱形金属栅谐振腔，球形金属栅谐振等。发射线圈在腔体内部与金属栅谐振腔产生谐振，在金属栅的每一个金属栅条上产生电流ii,i＝1,2,...,n。由中心金属柱将电流ii传至柱间的电容c0上，这里中心金属柱和金属柱间的电容c0流过的电流通过电容c0的振荡产生环型磁场h，这里环型磁场h场强的计算公式为：

由安培环路定理得所以有这里r为谐振腔内任意一点处到中心金属柱的距离。

最后通过调节接收线圈上的电容使其和磁场的频率一致，达到共振将能量传输到接收线圈上，实现无线输能的过程。

腔体输能提高传输效率和传输距离的实质一是利用腔体结构相当于在发射线圈和接收线圈之间增加一个或多个中间谐振器，二是在金属腔体内部产生的电磁波不会发生泄漏，即电磁波可以被束缚在金属腔体的内部。所以腔体输能可以延长传输距离，提高功率传输效率。本发明采用n个金属栅构成腔体结构，金属栅和中心金属柱以及金属柱之间的电容可以形成n个闭合的rlc回路，可以视为n个中间谐振器，此时金属栅结构也可以起到高通滤波器的作用。因为电磁波在低频情况下，波长较长，电磁波在金属栅谐振腔中遇金属栅发生反射会被束缚在腔中，也不会发生泄露。而且通信信号多为高频信号，波长较短，外界通信信号可以透过金属栅与内部进行通信交互。因此使用金属栅谐振腔可以解决传统腔体输能所带来的造价高、工程浩大、无法与外界进行无线通信等问题，也更加贴合实际的应用。

基于这一思路，本发明提供了一种构建基于非辐射式金属栅腔体无线输能装置的方法，步骤如下：

步骤1、确定所需要的金属栅谐振腔的大小以及输能所需的谐振频率f0，这里金属栅谐振腔可以是矩形金属栅谐振腔、圆柱形金属栅谐振腔，球形金属栅谐振腔等形状。

步骤2、在腔体中心位置加入两个金属柱，利用n根金属栅条连接两个金属柱的两端构成金属栅谐振腔的腔体表面。这里金属栅条均匀的分布在腔体表面，且n＝1,2,3…。

步骤3、在两个金属柱之间加入电容c0，金属柱间的电容c0是可调电容，初始值可以利用hfss软件来确定。在金属柱之间加入电容后，腔体表面的金属栅条和中心的两个金属柱以及柱间的电容就形成了n个rlc回路。

步骤4、初始的金属栅谐振腔搭建完成后，在金属栅谐振腔中加入发射线圈和接收线圈，调节接收线圈上和金属柱间的电容，查看接收线圈是否可以在谐振频率f0处取得最大能量传输效率，若发现取得最大能量传输效率的频率与谐振频率f0不一致时，则需要加密金属栅。

步骤5、加密金属栅并调节接收线圈上和金属柱间的电容，直至接收线圈可以在谐振频率f0处取得最大传输效率ηmax0。若最大传输效率不满足需求，还可继续加密金属栅来提高传输效率，加密方法与步骤4中所述相同，直至最大传输效率满足需求为止。在实际情况下，利用金属栅谐振腔进行无线输能的能量传输效率是与金属栅谐振腔表面的金属栅密度成正比的，即金属栅谐振腔表面的金属栅分布越密集，则传输效率越高，金属栅分布越稀疏，则传输效率越低。

另外，在采用上述设计方法构建金属栅谐振腔结构的基础上，本发明还提供了一种基于非辐射式金属栅腔体无线输能装置的输能方法，具体包括以下步骤：

步骤1、确定金属栅谐振腔表面的金属栅条个数n以及谐振频率f0，构建金属栅谐振腔无线输能装置。

步骤2、在金属栅谐振腔内部加入发射线圈和接收线圈，由发射线圈激励整个金属栅谐振腔产生谐振，然后通过调节金属柱间的电容c0和接收线圈上的电容，使接收线圈在谐振频率f0点处与金属栅谐振腔产生共振，即可获得最大能量传输效率ηmax。

步骤3、当接收线圈变换位置时，只需要重新调节柱间电容和接收线圈上的电容，来确保接收线圈可以在谐振频率f0点处与金属栅谐振腔一直产生共振，取得能量传输效率最大。

步骤4、接收线圈接收到能量后，经整流电路得到直流的输出，为负载供电，完成整个输能过程。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用金属栅结构来进行无线能量传输，相比于利用封闭式金属腔体的无线输能方式更加贴合实际应用，且成本和实现难度更低，易于搭建。同时金属栅结构在输能过程中起到了高通滤波器的作用，低频电磁波信号被束缚在腔体内部保证输能效率，高频信号可以在腔体内部和外界之间传递，有效的改善了封闭金属腔所带来的接收器与外界通信困难的问题，实现信能同传。

(2)本发明使用金属栅结构来进行无线能量传输的装置所需要的工作频率比较低，大概在兆赫兹范围内，在低兆赫频率范围内使用磁场的一个关键好处是，它们不会与普通的日常材料相互作用。如充电器外壳、家具、灯管外壳等金属材料与腔体的耦合性不强，当接收器和腔体达到耦合时就可以有比较高的输能效率，同时接收器不受产生的涡流热的影响。

(3)本发明还可以在发射线圈和接收线圈上加入匹配谐振网络，通过调节匹配谐振网络上的电容可以保证当接收线圈在不同位置上时，系统的输能效率都相对该位置是最大的。在实际应用时，可以在匹配谐振网络上使用自适应电容，这样，当接收线圈移动时，自适应的调节电容值大小，保证接收线圈所获得的输能效率最大。

(4)本发明在输能过程中能量只聚焦在谐振频率点上，在其他频率点上能量的强度很低，因此在金属栅谐振腔内因输能产生的电磁波对人体健康的影响很小，电磁辐射的安全性高。

(5)本发明在金属栅谐振腔内所产生的磁场是环形磁场，即在离源相同距离的位置上磁场强度相同。因此，处于金属栅谐振腔内部的接收线圈几乎可以在任何方向和位置与腔体产生谐振，通过匹配谐振网络来保证输能效率，解决了利用磁共振耦合技术输能因方向和距离的敏感性而造成的输能效率下降。同时，本发明也无需复杂的目标定位系统。

附图说明

图1为本发明所述基于金属栅结构腔体无线输能的装置的结构示意图

图2为本发明实例所述矩形金属栅谐振腔的结构分布示意图

图3为本发明所述构建金属栅谐振腔方法的流程图

图4(a)(b)分别为本发明所述金属栅谐振腔的等效电路模型和等效电路图

图5(a)(b)为本发明实例所述基于金属栅结构腔体和封闭金属腔体无线输能的装置输能效率随频率的变化曲线图

图6为本发明实例所述圆柱形金属栅谐振腔的结构分布示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案，以便更清楚的了解本发明的特征和优点。

本实施例提供了一种基于金属栅结构腔体无线输能的装置及方法，其装置的结构示意图如图1所示。该装置包括发射器、金属栅谐振腔、中心铜柱及柱间电容和接收器。

本实例中发射器由一个8匝铜制平面螺旋结构的发射线圈接功率源构成。由发射线圈激励整个金属栅谐振腔，使金属栅谐振腔的内表面上产生电流，然后产生的电流经中心铜柱传至柱间电容上，由电容的振荡产生谐振磁场，最后通过接收器中的接收线圈与磁场的共振向接收器无线输能。

本实施例中的金属栅谐振腔选用的是由铜制栅条构成矩形金属栅谐振腔，在实际中，采用其他的如铝、铁、铬等各种金属均可。本实例中的金属栅谐振腔体的尺寸为：a＝4.9m,b＝4.9m,c＝2.3m，是由40个厚度和宽度t＝1cm的金属栅条构成，两个中心铜柱的半径r＝4cm，长度d＝1.1m，该矩形金属栅谐振腔的结构分布如图2所示。

本实例中接收器由接收线圈接整流电路和负载构成，这里的接收线圈也可以是平面螺旋或螺旋电磁线圈等任何形状的线圈。先通过调节接收线圈匹配谐振网络上的电容，使接收线圈的谐振频率和腔体产生的磁场的谐振频率一致，从而达到共振的效果。然后通过整流电路将接收线圈接收到能量从高频电流转换为直流，并提供给负载。

具体地，本实施例所提供的一种构建金属栅谐振腔结构的方法流程图如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1、确定腔体为一个尺寸大小为4.9m×4.9m×2.3m的矩形谐振腔以及谐振频率f0＝1.32mhz和我们所需的的最低效率阈值η＝75％。

步骤2、在金属栅谐振腔中心位置加入两个半径r＝4cm，长度d＝1.1m的铜制圆柱。初始时，铜柱两端分别连接4n0＝12根金属栅条构成腔体金属栅谐振腔腔体表面，这里金属栅条的宽度和厚度t＝1cm，12根金属栅条等间距的分布在腔体的表面。并且在两个铜柱之间加入初始的可变电容c0＝6436.3pf。

步骤3、在金属栅谐振腔内部加入发射线圈和接收线圈，利用发射线圈激励整个金属栅谐振腔，使每一个金属栅条都产生电流，再由中心铜柱将电流传递至铜柱间电容的位置，整个金属栅谐振腔的等效电路模型和等效电路图如图4(a)(b)所示，最后由铜柱间电容的振荡可以产生环形的磁场。

步骤4、确定接收线圈的位置为(0,1m,1.15m)，即离铜柱中心100cm处。调节接收线圈和铜柱间的电容，发现接收线圈在谐振频率f0＝1.32mhz点处，不能取得最大输能效率，故还需加密金属栅结构。加密的方式是减少构成金属栅谐振腔表面的金属栅条在腔体侧面分布的间距d，即按照公式中的n0递增的方式来加密金属栅结构，这里w为腔体侧面边长。直至加密金属栅条数为4n0＝32时，调节接收线圈和铜柱间的电容，发现接收线圈可在谐振频率f0＝1.32mhz点处取得最大能量传输效率为74.56％，传输效率随频率变换的曲线图如图5(a)所示。

步骤5、此时在谐振频率f0＝1.32mhz点处取得最大能量传输效率不满足所设置的效率阈值r＝75％，还可以继续加密金属栅，金属栅加密方式和步骤4相同。

步骤6、当加密金属栅至至金属栅条数为4n0＝40时，其传输效率随频率变换的曲线图如图5(b)所示，我们得到在金属栅谐振腔中距离中心铜柱100cm位置处的最大能量传输效率为76.44％，满足效率阈值，同时也证明了金属栅越密集传输效率越大，即可以选取此种金属栅谐振腔结构来进行无线输能。

以上实例针对的是矩形金属栅谐振腔，对此我们还构建了圆柱形金属栅谐振腔来对该腔体输能方法进行验证。

圆柱形金属栅谐振腔的半径r1＝2.45m，高度h1＝2.3m，由60个宽度为1cm的金属栅条按照等角度间距分布组成，在圆柱形金属栅谐振腔的底面中心位置也加入两个半径r＝4cm，长度d＝1.1m的铜制圆柱，铜柱两端分别连接谐振腔体的上下底面，并且在两个铜柱之间加入电容，圆柱形金属栅谐振腔的结构分布如图6所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。