应用超颖材料提高非接触式电能传输耦合性能的机理研究

Contactless Energy Transfer Technology can supply power "wirelessly", which causes the people's concern and encourages researching enthusiasm. At present, Electromagnetic Induction Theory (EMIT) and Coupled Magnetic Resonances Theory (CMR) are two mainstream technologies used in the Contactless Energy Transfer System. This research uses Coupled Mode Theory (CMT), Theory of Circuit and Theory of Electromagnetic Field to complete the mathematical model of the mutual inductance in EMIT or the coupling coefficient in CMR. We propose a generalized model to unify the models of the two mainstream technologies and raise critical conditions to transform the generalized model to the two existed models. The research may consummate the theories system of Contactless Energy Transfer Technique. Based on the generalized model, we use the notions of perfect lens or superscatterer and manmade metamaterials to theoretically analyze and calculate as well as experimentally verify the parameters of one-dimensional and two-dimensional metamaterials relay unit. With this method, the equivalent distance of primary and secondary coils in the Contactless Energy Transfer System is shorted and the ultimate goal is to improve the efficiency and increase the real distance of primary and secondary coils in the Contactless Energy Transfer System.

非接触式电能传输技术（CETT）可实现"无线"供电的优点引起了人们的广泛关注和研究热情。目前，主流非接触电能传输技术包括基于近场电磁感应原理和基于近场耦合磁共振原理的两种技术。本研究基于耦合模理论、电路理论、电磁场理论，完善电磁感应原理中的互感量或耦合磁共振原理中的耦合系数的数学模型，提出一个能统一两种主流技术的广义模型，并给出广义模型演化为两类主流模型时的临界条件，在完善CETT的理论体系方面进行探索。在此广义模型的基础上，利用完美透镜或超散射体概念，引入人工负折射率超颖材料技术，完成一维、二维超颖材料中继装置的理论分析、设计计算及实验验证，最终达到缩短非接触电能传输系统原、副边线圈的等效距离，从而增加实际传输距离、提高传输效率的目标。

非接触式无线电能传输的本质是借助空间中电磁场的耦合来实现能量的传递，因此，通过合理调控电磁场可以优化非接触式无线电能传输的性能和效率。变换光学是近年来兴起的崭新电磁调控方法，基于变换光学设计的超颖材料已经应用到传统的微波天线领域并取得了良好的效果。本项目旨在引入变换光学和超颖材料的概念，以增强无线电能传输的距离和效率。.项目的研究内容包括：1、寻求谐振式和感应式两种非接触电能传输的统一建模方法；2、设计基于一维超颖材料中继装置并实验验证；3、研究二维超颖材料的理论设计和参数优化方法；4、探究基于变换光学的电磁器件，如：超散射体等在非接触电能传输中应用的可能性。.基于上述研究内容，本项目具体取得成果如下：1、利用变换光学理论，分析了超颖材料层（尤其是超散射体层）对所包裹载流导线的影响，若发射端和接收端均由超散射体层包裹，传输距离可以增加近两倍；2、通过采用精确的多重散射分析方法，从解析角度具体分析了基于超颖材料的无线能量传输系统的作用机理；3、探讨了环境中的障碍物对基于超颖材料（补偿介质）的系统的影响；4、理论设计并实际制作了谐振频率为6.78MHz的磁谐振单元，在接收线圈与发射线圈间加入由此谐振单元构成的三维超材料平板，可将系统效率提高24%；5、设计了一种圆锥形移位介质壳体，其内部空腔可放置线圈并等效地移动线圈产生的电磁场，由此可增强无线电能传输系统的磁耦合；6、理论设计了一组移位平板，该平板组可在磁场中将内部线圈近似移位一定距离，从而在保持发射线圈与接收线圈物理距离不变的情况下，提高耦合效果。.上述研究成果创新性地将超颖材料应用于无线电能传输系统中，有效地提高了无线电能传输的距离和效率，为大功率无线电能传输的研究与应用提供了一种新的研究思路和可行方法。