负磁导率电磁结构的设计方法及在无线电能传输中的应用

本发明属于无线电能传输，具体涉及一种负磁导率电磁结构的设计方法及在无线电能传输中的应用。

背景技术：

1、随着电能传输方式实现从有形介质到无形介质的演变，无线电能传输技术越来越深入人类的生产生活，与传统导线供电相比，无线电能传输技术更安全、可靠。谐振耦合式无线电能传输技术因其传输功率大、对电磁环境影响较小且传输距离较远等特点被广泛应用，但由于该技术存在临界耦合状态，当传输距离超过临界耦合距离时无线电能传输系统的耦合系数会逐渐减弱，进而导致传输效率迅速下降、传输性能恶化，阻碍了无线电能传输技术的应用。针对这一问题，负磁导率电磁结构为提高无线电能传输系统的传输距离和传输效率提供了一种方法，负磁导率电磁结构具有放大倏逝波、改善谐振线圈耦合特性的特点，不仅能够使发射线圈的能量更多的聚焦在接收线圈上，提高无线电能传输的传输效率和传输距离，而且制备简单、成本低廉、易工业化生产。因此，设计负磁导率电磁结构对无线电能传输具有深远意义。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供了一种负磁导率电磁结构的设计方法及在无线电能传输中的应用，有效解决了无线电能传输系统远距离传输能量时，由于磁耦合作用减弱导致无线电能传输系统传输效率下降的问题，其目的在于有效提升了无线电能传输系统的传输效率和传输距离。

2、本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，负磁导率电磁结构的设计方法，其特征在于：该负磁导率电磁结构包括介质基板及设置于介质基板上的谐振网络和谐振电容，该谐振网络印制于介质基板的一侧，谐振网络由第一谐振环、第二谐振环和第三谐振环组成，谐振网络的材料为金属铜，第一谐振环设置在第二谐振环外围，第二谐振环设置在第三谐振环外围，第一谐振环的铜环宽度为4.8mm、厚度为0.035mm，外半径为44mm，开口宽度为2mm，第二谐振环与第一谐振环之间的间距为1.4mm，第二谐振环的铜环宽度为4.8mm、厚度为0.035mm，开口宽度为2mm，第三谐振环由圆形铜环和方形铜片组成，其中圆形铜环的宽度为4.8mm、厚度为0.035mm，开口宽度为2.4mm，方形铜片的边长为28mm、厚度为0.035mm，圆形铜环和第二谐振环之间的间距为1.6mm，圆形铜环开口的一端与方形铜片相连；谐振电容c1焊接在第一谐振环开口两端，谐振电容c2焊接在第二谐振环开口两端，谐振电容c3焊接在第三谐振环开口两端。

3、进一步限定，所述介质基板为正方形，该介质基板的材质为fr4，介电常数εr＝4.4，厚度h＝1.6mm，边长为90mm。

4、进一步限定，所述谐振网络的具体设计过程为：设介质基板所在平面垂直于水平面，以介质基板几何中心点为原点，定义介质基板上的x轴平行于水平面、介质基板上的y轴垂直于水平面，建立直角坐标系；正对介质基板平面，以介质基板中心点向右的方向设置为x轴正方向，介质基板中心点向上的方向设置为y轴正方向，设直角坐标系的单位长度为1mm；第一谐振环的中心点和原点重合，第一谐振环的开口设置在y轴的负方向且关于y轴对称，具体为：以点o1(0，-41.6)为中心点沿着x轴方向，设置长度为2mm且与铜环宽度等宽的矩形开口；第二谐振环的中心点和原点重合，第二谐振环的开口设置在y轴的正方向且关于y轴对称，具体为：以点o2(0，35.4)为中心点沿着x轴方向，设置长度为2mm且与铜环宽度等宽的矩形开口；第三谐振环的圆形铜环的中心点、方形铜片的中心点和原点重合，第三谐振环的圆形铜环的开口设置在直角坐标系的第四象限，以点o3(28.6，-3.6)为中心点沿着y轴方向设置长度为2.4mm且与铜环宽度等宽的矩形开口，圆形铜环开口的上端与方形铜片的右边中点a(14，0)通过连接线相连，连接线的宽度为4.8mm。

5、进一步限定，所述谐振电容c1、谐振电容c2和谐振电容c3均为高频贴片电容，且电容值大小均为497pf。

6、本发明所述的负磁导率电磁结构在无线电能传输中的应用，其特征在于：所述负磁导率电磁结构用于组装无线电能传输系统，具体过程为：在平行相对且同轴放置的发射线圈与接收线圈之间依次放置两个结构完全相同的负磁导率电磁结构，即负磁导率电磁结构一和负磁导率电磁结构二，负磁导率电磁结构一和负磁导率电磁结构二均与发射线圈和接收线圈同轴平行相对放置；两个负磁导率电磁结构位置的确定方法为：设发射线圈与接收线圈之间的传输距离为d、靠近发射线圈的负磁导率电磁结构一与发射线圈之间的距离为dt、靠近接收线圈的负磁导率电磁结构二与接收线圈之间的距离为dr，发射线圈和接收线圈为结构完全相同的平面圆形螺旋线圈，线圈最大半径为r，定义d的取值范围为[1.5r，4.5r]，dt和dr的取值范围均为[0，d/2]；在[1.5r，4.5r]的取值范围内，使d按照3r/100的步长从1.5r逐步递增到4.5r，计算当两个负磁导率电磁结构分别被放置在无线电能传输系统的dr＝d/3和dt＝d/3位置处时无线电能传输系统的s参数值，利用s参数值计算出整个无线电能传输系统的传输效率作为第1列计算结果；之后再次使d按照3r/100的步长从1.5r逐步递增到4.5r，在不加入负磁导率电磁结构时计算不同传输距离下无线电能传输系统的传输效率作为第2列计算结果；将以上两列计算结果按照传输距离相同作为一组的原则，则得到100组数据，每组数据包含相同传输距离下加入负磁导率电磁结构时无线电能传输系统的传输效率和不加入负磁导率电磁结构时无线电能传输系统的传输效率，比较每组数据，获得加入负磁导率电磁结构后无线电能传输系统传输效率提升量最大的数据所对应的传输距离，记为d；计算传输距离为d时，在[0，d/2]的取值范围内按照d/200的步长使dt从0逐步递增到d/2，计算dt取不同数值时，无线电能传输系统传输效率最大对应的dr值，具体求解过程如下：在传输距离为d时，当dt为取值范围内的某一数值时，使dr在[0，d/2]的取值范围内按照d/200的步长从0逐步递增到d/2，计算dr取不同数值时整个无线电能传输系统的s参数值，利用s参数值计算出无线电能传输系统的传输效率，将无线电能传输系统传输效率最大对应的dr和dt分别记录为dri和dti；根据上述的计算，最终得到100组数据，即dri和dti，i＝1，2，3……100，比较这100组数据对应的无线电能传输系统的传输效率，获得无线电能传输系统性能最佳时两个负磁导率电磁结构分别对应的dt和dr值。

7、相比于传统的无线电能传输系统，本发明具有以下优点和有益效果：本发明为无线电能传输系统提供了一种可实行的无线电能传输方法，以改善无线电能传输系统的传输特性。通过加载负磁导率电磁结构，改变了无线电能传输系统发射线圈辐射的13.56mhz的交变磁场分布并将磁场聚焦，使得无线电能传输系统接收线圈在远距离情况下能够接收到更多由发射线圈辐射的磁场能量，从而增大了接收线圈的磁场强度，增强了两线圈之间的磁耦合作用，大幅度提高了系统的传输效率和传输距离。本发明的负磁导率电磁结构可以采用pcb板印刷技术加工，体积小、厚度薄、工艺简单、成本低，且能够进行工业化生产。