一种基于超材料的变向无线电能传输方法及系统

本发明涉及无线电能传输，尤其涉及一种基于超材料的变向无线电能传输方法及系统。

背景技术：

1、煤矿井有各种电气设备，而有线电缆、蓄电池、电缆与蓄电池相结合是常用的3种供电方式；有线电缆易磨损、断裂且不能到达所有区域，蓄电池在充电和更换电池时易产生电火花，这使得井下安全生产存在着不便与隐患；而通过使用无线电能传输技术，不仅能够灵活得为井下设备供电，还能避免电火花的产生，将为矿井安全生产提供有效的技术保障手段。

2、但在矿井下，横井与竖井是相互垂直的，发射线圈放置在罐笼中，罐笼则在竖井中上下移动为井壁上的设备供电；若用电设备位于横井中，则发射线圈与接收线圈相互垂直，严重影响传输效果；为了提高此场景下的传输效果，需要改变能量的传输方向；尽管全向无线电能传输也能够改善该场景下的传输效果，但其向四周发散的磁场过于均匀，导致各个方向上的接收功率都较小，且无法在指定方向上提升传输效果。

3、近些年的研究成果表明，电磁超材料具有负折射和负磁导率的特性，能够改变能量的传输方向；为了提高发射线圈与接收线圈垂直时的功率，需要在两个线圈中间放置变向超材料线圈阵列改变传输方向，进而改善传输效果。

技术实现思路

1、针对现有方法的不足，本发明解决现有无线电能传输中发射线圈与接收线圈相互垂直且接收线圈的位置产生偏移时系统能量传输效果不佳的问题。

2、本发明所采用的技术方案是：一种基于超材料的变向无线电能传输方法包括以下步骤：

3、步骤一、根据发射线圈、接收线圈和超材料线圈阵列的位置关系，利用hfss仿真拟合得到超材料线圈阵列的外接电容与等效磁导率的关系；

4、步骤二、根据入射角、折射角与等效磁导率关系、超材料线圈阵列的外接电容与等效磁导率的关系，得到入射角、折射角与超材料线圈阵列的外接电容的关系；通过调整外接电容的值使入射角和折射角改变，从而改变接收线圈的接收功率。

5、在发射线圈、接收线圈和超材料线圈阵列位置关系固定情况下，通过调整外接电容的大小仿真计算得与折射角度关系，从改变接收线圈的传输效率。

6、作为本发明的一种优选实施方式，接收线圈的接收功率最大时，折射角度满足无线电能垂直入射到接收线圈。

7、无线电能垂直入射接收线圈时，无线电能传输的损耗最小，此时接收线圈的接收功率最大。

8、作为本发明的一种优选实施方式，入射角、折射角与等效磁导率关系的公式为：

9、θ1＝arctan(tanθ2/μ2)  (2)

10、其中，μ2为超材料线圈阵列的等效磁导率，θ1为入射角，θ2为折射角。

11、作为本发明的一种优选实施方式，当发射线圈与接收线圈垂直设置、且超材料线圈阵列处于发射线圈和接收线圈延长线的角平分线上、且超材料线圈阵列的中心与发射线圈的中心的距离等于超材料线圈阵列的中心与接收线圈的中心的距离时，接收线圈的功率最大。

12、作为本发明的一种优选实施方式，超材料线圈阵列包括若干个形状相同的超材料线圈两两之间等距离设置构成正方形阵列。

13、通过调整超材料线圈的个数，满足不同传输要求。

14、作为本发明的一种优选实施方式，超材料线圈包括基板和铜线构成，基板正面为一根铜线绕制螺旋外、中、内三圈正方形，铜线的接头处有两个通孔，用于在基板背面焊接外接电容。

15、作为本发明的一种优选实施方式，超材料线圈的铜线厚度为0.035mm；铜线宽度为4mm；最外层铜线外径为106mm，最内层铜线内径为70mm，外中内线圈的间距为3mm。

16、作为本发明的一种优选实施方式，基于超材料的变向无线电能传输系统，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现基于超材料的变向无线电能传输方法。

17、作为本发明的一种优选实施方式，存储有计算机程序代码的计算机可读介质，计算机程序代码在由处理器执行时实现基于超材料的变向无线电能传输方法。

18、本发明的有益效果：

19、1、本发明在发射线圈、接收线圈和超材料线圈阵列位置固定时，通过改变超材料线圈阵列的外接电容值，从而改变超材料线圈阵列的折射方向的等效磁导率值，使接收线圈的接收效率提升，控制方法简单，适应不同的应用场景；

20、2、本发明仅需将变向超材料放置在设计位置，便能改变无线电能传输方向，提高传输功率；

21、3、当接收线圈与发射线圈的角度发生变化时，可根据本方案重新设计变向超材料板，使能量偏转至其它方向。

技术特征：

1.一种基于超材料的变向无线电能传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于超材料的变向无线电能传输方法，其特征在于，接收线圈的接收功率最大时，折射角度满足无线电能垂直入射到接收线圈。

3.根据权利要求1所述的基于超材料的变向无线电能传输方法，其特征在于，入射角、折射角与等效磁导率关系的公式为：

4.根据权利要求1所述的基于超材料的变向无线电能传输方法，其特征在于，当发射线圈与接收线圈垂直设置、且超材料线圈阵列处于发射线圈和接收线圈延长线的角平分线上、且超材料线圈阵列的中心与发射线圈的中心的距离等于超材料线圈阵列的中心与接收线圈的中心的距离时，接收线圈的功率最大。

5.根据权利要求1所述的基于超材料的变向无线电能传输方法，其特征在于，超材料线圈阵列包括若干个形状相同的超材料线圈两两之间等距离设置，构成正方形阵列。

6.根据权利要求1所述的基于超材料的变向无线电能传输方法，其特征在于，超材料线圈包括基板和铜线构成，基板正面为一根铜线绕制螺旋外、中、内三圈正方形，铜线的接头处有两个通孔，用于在基板背面焊接外接电容。

7.根据权利要求1所述的基于超材料的变向无线电能传输方法，其特征在于，超材料线圈的铜线厚度为0.035mm；铜线宽度为4mm；最外层铜线外径为106mm，最内层铜线内径为70mm，外中内线圈的间距为3mm。

8.基于超材料的变向无线电能传输系统，其特征在于，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现如权利要求1-8任一项所述的基于超材料的变向无线电能传输方法。

9.存储有计算机程序代码的计算机可读介质，其特征在于，计算机程序代码在由处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的基于超材料的变向无线电能传输方法。

技术总结
本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于超材料的变向无线电能传输方法及系统，包括根据发射线圈、接收线圈和超材料线圈阵列的位置关系，利用HFSS仿真拟合得到超材料线圈阵列的外接电容与等效磁导率的关系；根据入射角、折射角与等效磁导率关系、超材料线圈阵列的外接电容与等效磁导率的关系，得到入射角、折射角与超材料线圈阵列的外接电容的关系；通过调整外接电容的值使入射角和折射角改变，从而改变接收线圈的接收功率。本发明解决现有无线电能传输中发射线圈与接收线圈相互垂直且接收线圈的位置产生偏移时系统能量传输效果不佳的问题。

技术研发人员：肖菲杭,强浩
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24