BR102015027730B1

BR102015027730B1 - Método para transmitir energia sem fio para um dispositivo elétrico e sistema para transmissão de energia sem fio

Info

Publication number: BR102015027730B1
Application number: BR102015027730-0A
Authority: BR
Inventors: Brian J. Tillotson; Peng Zeng
Original assignee: The Boeing Company
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2021-12-28
Also published as: US20180175632A1; JP2016093097A; KR102488951B1; JP6553465B2; KR20160055058A; CN105591473B; US10320201B2; US10608441B2; US20190252887A1; US20160134126A1; AU2015230697A1; CN105591473A; AU2015230697B2; US9929569B2; EP3018797A1; BR102015027730A2; EP3018797B1

Abstract

método para transmitir energia sem fio para um dispositivo elétrico e sistema para transmissão de energia sem fio sistemas e métodos para mitigar restrições associadas com a transmissão de energia sem fio em aplicações onde a posição e a orientação do campo magnético desejado mudam durante o tempo, por exemplo, em virtude da posição e a orientação do receptor sendo energizadas mudarem com o tempo ou em virtude de diferentes receptores com diferentes posições e orientações estarem sendo energizados em diferentes tempos. de acordo com algumas modalidades, o sistema emprega uma pluralidade de transmissores de energia sem fio em um espaço definido, cada transmissor consistindo em bobinas individuais orientadas ortogonalmente umas em relação às outras. usando a interferência de campo entre estas bobinas individuais, bem como entre os transmissores que elas formam, pode-se controlar ativamente a intensidade e a orientação do campo de energia sem fio em qualquer dado ponto no espaço definido. isto permite métodos para conduzir a transmissão de energia na direção de um alvo específico em um ângulo específico.

Description

FUNDAMENTOS

[001] Esta descrição, no geral, refere-se a sistemas e métodos para transmissão de energia sem fio. Em particular, esta descrição refere-se a transmissão de energia sem fio por meio de transmissores e receptores ressonantes indutivamente acoplados.

[002] Acoplamento ressonante indutivo é a transmissão sem fio de campo próximo de energia elétrica entre duas bobinas que são sintonizadas para ressonar na mesma frequência. Transferência ressonante funciona fazendo um anel de bobina primário com uma corrente oscilante, que gera um campo magnético oscilante. Uma bobina secundária em proximidade com a bobina primária pode captar energia a partir do campo magnético oscilante. Se as bobinas primárias e secundárias forem ressonantes em uma frequência comum, significativa energia pode ser transmitida da bobina primária para a bobina secundária em uma faixa de poucas vezes os diâmetros da bobina em eficiência razoável.

[003] Um conhecido método de acoplamento ressonante indutivo exige tanto uma correspondência de frequência ressonante quanto uma correspondência de orientação entre o transmissor e o receptor para que significativa transmissão de energia ocorra. Este conhecido método corresponde frequências, mas, em virtude de o sistema ter constantes posição e orientação relativas do transmissor / receptor, ele não precisa abordar correspondência de orientação.

[004] No caso de um receptor móvel, a orientação do receptor móvel em relação ao transmissor de energia pode mudar. Entretanto, o receptor móvel e, sinonimamente, o objeto alvo no qual este receptor é incorporado, devem se alinhar com a linha do campo magnético para receber energia sem fio eficientemente. O fato de que transmissores estacionários produzem o mesmo campo magnético limita a liberdade espacial do objeto alvo. O objeto alvo pode mudar a posição e a orientação em algum grau em relação aos transmissores de energia, mas o custo é a eficiência da transmissão de energia.

[005] Na indústria de energia sem fio, uma estratégia foi colocar o transmissor no mesmo plano da típica mesa na qual os dispositivos ficam. Cada dispositivo tem uma bobina de recepção interna alinhada com um campo magnético produzido pelo transmissor. Isto permite carregamento eficiente. Entretanto, uma vez que o consumidor pegar o dispositivo para usá- lo, a ligação de energia sem fio desliga e o dispositivo para de carregar. Em outras palavras, a disponibilidade desta fonte de energia é limitada.

[006] Além do mais, qualquer tecnologia sem fio, seja ela de transmissão de dados ou de energia, exige consideração da interferência. Um conhecido método de transmissão de energia sem fio usa diferentes frequências (por exemplo, 44, 62 e 77 kHz) para cada um de três receptores (por exemplo, enrolamentos) em um motor. Diferentes frequências foram usadas de forma que a diferenciação tanto da frequência quanto da orientação do campo magnético possa ser usada para minimizar a diafonia, ou a interferência, entre cada uma das três fases no motor. A desvantagem desta abordagem é que ela ocupa uma banda de frequência que pode resultar em interferência com outros sistemas sem fio nas cercanias.

[007] O problema da diafonia entre fases pode ser resolvido pelo uso de diferenciação de frequência mais ampla, além da diferenciação da orientação para produzir um "filtro duplo". Esta é uma abordagem efetiva, mas a desvantagem é que a energia transmitida ocupa uma ampla banda de frequência, que pode resultar na interferência com outros sistemas sem fio nas cercanias. Uma outra maneira de visualizar este fato é, cada tal sistema ocupa uma ampla largura banda, de forma que poucos sistemas possam operar em um dado volume de espaço.

[008] Um melhor método para aumentar a liberdade espacial do objeto alvo e reduzir a diafonia entre fases durante o acoplamento ressonante indutivo de transmissores e receptores de energia é desejado.

SUMÁRIO

[009] O assunto em questão aqui descrito é direcionado para sistemas e métodos para mitigar restrições associadas com a transmissão de energia sem fio em aplicações em que a posição e a orientação do campo magnético desejado mudam durante o tempo, por exemplo, em virtude de a posição e a orientação do receptor que é energizado mudarem durante o tempo ou em virtude de diferentes receptores com diferentes posições e orientações estarem sendo energizados em diferentes tempos. Os sistemas e métodos aqui descritos também são aplicáveis na indústria de transmissão de energia sem fio, no geral. De acordo com algumas modalidades descritas com detalhes a seguir, o sistema emprega uma pluralidade de transmissores de energia sem fio em um espaço definido, cada qual consistindo em bobinas individuais orientadas ortogonalmente uma em relação à outra. Usando a interferência de campo entre estas bobinas individuais, bem como entre os transmissores que elas formam, pode-se controlar ativamente a intensidade e a orientação do campo de energia sem fio em qualquer dado ponto no espaço definido. Isto permite métodos para acionar a transmissão de energia na direção de um alvo específico em um ângulo específico.

[0010] Os sistemas e métodos aqui descritos proveem correspondência de orientação com os propósitos de aumentar a liberdade espacial de um objeto alvo (tal como um motor trifásico) e reduzir a diafonia entre fases. No processo, é oferecido um método viável para melhorar a transmissão de energia sem fio, no geral, em virtude de a orientação ter sido um desafio na indústria de transmissão de energia sem fio.

[0011] Um aspecto do assunto em questão descrito com detalhes a seguir é um método para transmitir energia sem fio para um dispositivo elétrico, que compreende: prover um transmissor com pelo menos duas bobinas do transmissor arranjadas em posições e orientações fixas uma em relação à outra; localizar o transmissor em relação a um espaço que contém o dispositivo elétrico com uma bobina do receptor; e prover respectivas correntes elétricas para respectivas bobinas de transmissor do transmissor que produz um campo magnético resultante com uma linha do campo magnético que fica localizada ao longo do eixo geométrico da bobina do receptor do dispositivo elétrico. Este método pode compreender adicionalmente: determinar uma orientação de um eixo geométrico da bobina do receptor do dispositivo elétrico em relação a uma armação de referência do transmissor; e computar amplitudes para as respectivas correntes elétricas com base, pelo menos em parte, na orientação do eixo geométrico da bobina do receptor do dispositivo elétrico.

[0012] Um outro aspecto do assunto em questão aqui descrito é um sistema para transmissão de energia sem fio que compreende: uma bobina do receptor com um eixo geométrico; primeiro, segundo e terceiro componentes da bobina do transmissor com eixos geométricos que são mutuamente ortogonais; um sistema de computador programado para computar respectivas amplitudes das respectivas correntes a serem supridas para os primeiro, segundo e terceiro componentes da bobina do transmissor para gerar um campo magnético resultante com uma linha do campo magnético que fica localizada ao longo do eixo geométrico da bobina do receptor; e meio para suprir as respectivas correntes com as respectivas amplitudes para os primeiro, segundo e terceiro componentes da bobina do transmissor, respectivamente.

[0013] Um aspecto adicional é um método para transmitir energia sem fio para um dispositivo elétrico, que compreende: prover um primeiro transmissor com pelo menos duas bobinas do transmissor arranjadas em posições e orientações fixas uma em relação à outra; prover um segundo transmissor com pelo menos duas bobinas do transmissor arranjadas em posições e orientações fixas uma em relação à outra; localizar os primeiro e segundo transmissores em diferentes lados de um espaço que contém um primeiro dispositivo elétrico com uma bobina do receptor; e prover respectivas correntes elétricas para respectivas bobinas do transmissor dos primeiro e segundo transmissores que produzem um campo magnético resultante com uma linha do campo magnético que fica localizada ao longo do eixo geométrico da bobina do receptor do dispositivo elétrico. Em casos em que o espaço contém um segundo dispositivo elétrico com um local diferente do local do primeiro dispositivo elétrico, o campo magnético resultante produzido pode ter zero fluxo magnético no local do segundo dispositivo elétrico.

[0014] Ainda um outro aspecto do assunto em questão descrito a seguir é um sistema para transmissão de energia sem fio que compreende: uma bobina do receptor com um eixo geométrico; um arranjo de gimbal; uma bobina do transmissor com um eixo geométrico e montada no arranjo de gimbal; um primeiro atuador acoplado no arranjo de gimbal para mudar um ângulo de azimute do eixo geométrico da bobina do transmissor; um segundo atuador acoplado no arranjo de gimbal para mudar um ângulo de elevação do eixo geométrico da bobina do transmissor; um sistema de computador (que compreende um computador ou processador ou que compreende computadores ou processadores separados) programado para controlar o primeiro e o segundo atuadores para gerar um campo magnético resultante com uma linha do campo magnético que fica localizada ao longo do eixo geométrico da bobina do receptor e programado para computar uma amplitude de corrente a ser suprida para a bobina do transmissor; e meio para suprir a dita corrente com a dita amplitude para a bobina do transmissor.

[0015] Outros aspectos de sistemas para transmissão de energia sem fio e métodos de operação dos mesmos são descritos a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0016] A figura 1 é um diagrama que mostra uma vista plana de quatro receptores e um transmissor arranjados no mesmo plano, alguns dos receptores sendo orientados em diferentes ângulos em relação ao transmissor.

[0017] A figura 2 é um diagrama que mostra uma vista em elevação de um transmissor posicionado e orientado para prover carregamento sem fio para componentes eletrônicos do consumidor de acordo com tecnologia conhecida.

[0018] A figura 3 é um diagrama de blocos que representa alguns componentes de um transmissor de energia de acordo com algumas modalidades.

[0019] A figura 4 é um diagrama que mostra uma vista plana de um transmissor e um receptor de duas bobinas no espaço bidimensional. O suplemento na figura 4 provê uma vista ampliada de campos magnéticos interferentes produzidos pelos transmissores e acoplados em uma bobina ou enrolamento no receptor.

[0020] A figura 4A é um diagrama que mostra uma vista plana de um campo magnético resultante alinhado com o eixo geométrico da bobina do receptor quando o receptor for orientado da forma mostrada na figura 4 (a figura 4A é igual ao suplemento da figura 4).

[0021] A figura 4B é um diagrama que mostra uma vista plana de um campo magnético resultante que foi rotado em 90 ° a fim de alinhar com o eixo geométrico da bobina do receptor, que foi rotado em 90 °.

[0022] A figura 5 é um diagrama que mostra alguns componentes de um sistema para controlar e energizar sem fio um motor elétrico trifásico de acordo com uma modalidade descrita em Pedido de Patente US 14/199.272.

[0023] A figura 6 é um diagrama que mostra uma vista isométrica de três bobinas mutuamente ortogonais de um transmissor de energia de acordo com uma modalidade.

[0024] A figura 7 é um diagrama que representa uma vista isométrica de um espaço definido no qual linhas do campo magnético estão sendo geradas por três bobinas do transmissor mutuamente ortogonais com uma bobina do receptor alvo no meio do espaço definido. A figura 7 é a analogia da figura 4A em três dimensões.

[0025] A figura 8 é um diagrama que representa uma vista isométrica de um espaço definido no qual linhas do campo magnético estão sendo geradas por dois conjuntos de bobinas do transmissor mutuamente ortogonais colocados e operados de maneira tal que o campo magnético no espaço definido seja intensificado por interferência construtiva.

[0026] A figura 9 é um diagrama que representa uma vista plana X-Y das linhas do campo magnético representadas na figura 8.

[0027] A figura 10 é um diagrama que representa uma vista plana X- Y das linhas do campo magnético produzidas quando as bobinas do eixo geométrico Z de dois transmissores forem desligadas, as bobinas do eixo geométrico X forem ligadas e as bobinas do eixo geométrico Y forem ligadas com um deslocamento de fase de 180 ° em relação às bobinas do eixo geométrico X. A figura 10 é a analogia da figura 4B em três dimensões.

[0028] A figura 11 é um diagrama que representa uma vista isométrica de um espaço definido no qual linhas do campo magnético estão sendo geradas por dois conjuntos de bobinas do transmissor mutuamente ortogonais colocados e operados de maneira tal que o campo magnético tenha uma área no espaço definido no qual o fluxo magnético é zero devido a interferência destrutiva.

[0029] A figura 12 é um diagrama que mostra uma vista isométrica de um espaço definido com dois transmissores e dois receptores localizados no mesmo, cada transmissor compreendendo três bobinas mutuamente ortogonais e cada receptor compreendendo uma única bobina.

[0030] A figura 13 é um diagrama que representa uma vista isométrica de um espaço definido no qual linhas do campo magnético estão sendo geradas por uma única bobina do transmissor montada em um dispositivo mecânico para mudar a orientação da bobina do transmissor.

[0031] A figura 14 é um diagrama de blocos que mostra componentes de um sistema de bobina do transmissor atuado de acordo com uma modalidade alternativa.

[0032] A figura 15 é um diagrama que mostra uma vista isométrica de componentes mutuamente ortogonais de um transmissor de energia de acordo com uma outra modalidade.

[0033] A figura 16 é um diagrama que representa uma vista em elevação de um automóvel com componentes que podem ser energizados por um sistema de transmissão de energia sem fio.

[0034] Referência será feita a seguir aos desenhos nos quais elementos similares em diferentes desenhos portam os mesmos números de referência.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0035] O Pedido de Patente US 14/199.272 descreve um método para controlar e energizar sem fio um motor elétrico trifásico usando um transmissor de energia e um controlador. O motor elétrico compreende uma pluralidade de enrolamentos e um núcleo de alta permeabilidade magnética em um rotor. O transmissor de energia é acoplado de forma indutivamente ressonante nos enrolamentos do motor para acionar o motor. Correntes elétricas apropriadamente temporizadas nos enrolamentos do motor fazem com que o núcleo magnetize e o rotor se mova. Energia mecânica é obtida a partir do motor por uma apropriada conexão mecânica no rotor. Uma pluralidade de transmissores de energia pode ser arranjada de uma maneira apropriada para prover energia sem fio para uma pluralidade de motores elétricos.

[0036] Acoplamento ressonante indutivo exige tanto uma correspondência de frequência ressonante quanto uma correspondência de orientação entre o transmissor e o receptor para que significativa transmissão de energia ocorra. O Pedido de Patente US 14/199.272 descreve correspondência de frequência e como alcançá-la, mas, em virtude de o sistema que ele descreve ter posição e orientação relativas constantes do transmissor / receptor, nenhum meio ou método para abordar correspondência de orientação são descritos. Ao contrário, as modalidades do sistema e do método descritas com detalhes a seguir buscam expandir aplicações para motores elétricos energizados sem fio pela abordagem da correspondência de orientação.

[0037] A figura 1 é um diagrama que mostra bobinas do receptor 6A- 6D em proximidade com uma bobina do transmissor 4. A bobina do transmissor 4 e cada uma das bobinas do receptor 6A-6D podem compreender respectivos enrolamentos de fios condutores elétricos e capacitores para criar circuitos ressonantes. No exemplo representado na figura 1, os eixos geométricos da bobina do transmissor 4 e das bobinas do receptor 6A-6D são coplanares. As bobinas do receptor 6A-6D têm diferentes posições e orientações em relação à bobina do transmissor 4. As linhas pontilhadas 2a e 2b formam uma representação parcial simplificada do campo magnético que a bobina do transmissor 4 produz quando corrente elétrica passa através da mesma. A bobina do receptor 6A pode receber energia sem fio a partir da bobina do transmissor 4 em virtude de ela ficar ao longo da linha do campo magnético 2a que passa através do eixo geométrico central da bobina do transmissor 10. As bobinas do receptor 6B e 6C podem, ambas, receber energia em virtude de elas ficarem ao longo da linha do campo magnético 2b. Entretanto, a bobina do receptor 6D recebe pouca ou nenhuma energia em virtude de sua orientação ser divergente da linha do campo magnético 2b. No caso em que a bobina do receptor 6D for parte de um objeto móvel alvo, o eixo geométrico da bobina do receptor 6D deve se alinhar com a linha do campo magnético 2b para receber energia sem fio eficientemente. Isto limita os graus de liberdade espacial do objeto alvo em três translações e uma rotação.

[0038] Para a indústria de energia sem fio, no geral, uma estratégia foi colocar uma bobina do transmissor 4 no mesmo plano da típica mesa 14 na qual os dispositivos a serem energizados sem fio ficam, da forma ilustrada na figura 2. Neste exemplo, os dispositivos a serem energizados sem fio incluem um telefone celular 8, um computador laptop 10 e um computador tablet 12. Cada dispositivo na figura 2 tem uma bobina do receptor interna (não mostrada) situada da mesma maneira que a bobina do receptor 6C da figura 1. Isto permite carregamento eficiente. Entretanto, uma vez que o consumidor pegar o dispositivo para usá-lo, a ligação de energia sem fio desliga e o dispositivo para de carregar.

[0039] Os sistemas e métodos para correspondência de orientação descritos com detalhes a seguir são fundamentados na ideia de usar bobinas do transmissor arranjadas ortogonalmente uma em relação à outra de forma que, quando corrente passar através das mesmas, as bobinas do transmissor gerem campos magnéticos separados que interferem construtivamente uns com os outros para criar um campo magnético resultante desejado.

[0040] A figura 3 é um diagrama de blocos que representa alguns componentes eletrônicos de um sistema de transmissão de energia sem fio de acordo com algumas modalidades. Este sistema de transmissão de energia sem fio compreende um microcontrolador 50 que é programado para fazer computações para exigências de corrente, etc. O microcontrolador 50, então, transmite as exigências de corrente (isto é, amplitude e fase) para cada bobina do transmissor para um regulador de energia 52, que garante que a energia com corretas amplitude e fase será transmitida para cada uma de três bobinas 4A, 4B e 4C de um transmissor 22. O microcontrolador 50 também transmite comandos de frequência para um acionador de frequência variável 54. Com base nas exigências de corrente recebidas a partir do microcontrolador 50, o regulador de energia 52 transmite três diferentes correntes contínuas para o acionador de frequência variável 54. Com base nos comandos de frequência recebidos a partir do microcontrolador 50, o acionador de frequência variável 54 converte cada corrente contínua em uma corrente alternada com uma respectiva frequência especificada.

[0041] De acordo com outras modalidades, o sistema pode compreender respectivos geradores de sinal de frequência variável para produzir pequenas correntes alternadas de frequência apropriada para cada bobina do transmissor, cada gerador de sinal de frequência variável sendo seguido por um respectivo amplificador de energia variável que amplifica as pequenas correntes para maiores correntes de acordo com as respectivas amplitudes computadas pelo sistema de computador.

[0042] O sistema representado na figura 3 é capaz de controlar o campo magnético líquido produzido em um local especificado pelas bobinas do transmissor 4A-4C. As bobinas do transmissor 4A-4C recebem respectivas correntes alternadas durante respectivos períodos de tempo, as amplitudes e as fases destas correntes alternadas sendo desenhadas para alcançar correspondência de orientação das linhas do campo magnético com o eixo geométrico de uma bobina do receptor. De acordo com uma modalidade, as bobinas do transmissor 4A-4C são arranjadas para ser mutuamente ortogonais, de forma que, quando corrente alternada passa através das mesmas, as bobinas do transmissor 4A-4C gerem campos magnéticos separados que interferem construtivamente uns com os outros para criar um campo magnético resultante desejado.

[0043] Para melhor entender este conceito, esta descrição discutirá a teoria, primeiro, em espaço bidimensional e, então, em espaço tridimensional. Teoria no Espaço Bidimensional

[0044] A figura 4 é um diagrama que mostra uma vista plana de um arranjo que compreende duas bobinas do transmissor 4A e 4B e uma bobina do receptor 6D no espaço bidimensional. As bobinas do transmissor 4A e 4B são arranjados de maneira tal que seus respectivos eixos geométricos sejam ortogonais um em relação ao outro. O suplemento da figura 4 provê uma vista ampliada das linhas do campo magnético interferentes 2a e 2b produzidas por bobinas do transmissor 4A e 4B, respectivamente, linhas do campo magnético 2a e 2b estas que fazem interseção ao longo do eixo geométrico da bobina do receptor 6D.

[0045] Este arranjo permite que os campos magnéticos respectivamente gerados pelas bobinas do transmissor 4A e 4B interfiram uns com os outros, de forma que, no local (isto é, posição mais orientação) da bobina do receptor 6D, suas somas de vetor se alinhem com o eixo geométrico da bobina do receptor 6D. Esta situação é representada no suplemento ampliado da figura 4 pelos vetores 16 e 18 (que representam os respectivos campos magnéticos no ponto de interseção) e pela soma de vetor 20, que é alinhada com o eixo geométrico da bobina do receptor 6D.

[0046] A fim de que o transmissor acione e regule o campo magnético líquido efetivamente, o microcontrolador (não mostrado na figura 4) que controla o transmissor deve encontrar as amplitudes de corrente ideais para alimentar em cada bobina do transmissor e o ângulo de fase ideal, que são determinados pelos seguintes fatores: (1) a posição e a orientação (isto é, o local) da bobina do receptor alvo; (2) vetores de unidade de cada campo magnético que faz interseção neste local; (3) a amplitude necessária para que cada vetor obtenha um campo magnético resultante desejado neste local; e (4) a frequência do campo magnético oscilante.

Posição e Orientação

[0047] A posição e a orientação de um objeto móvel alvo, com um ou mais bobinas ou enrolamentos do receptor (por exemplo, um motor elétrico), em relação a um transmissor fixo podem ser determinadas usando qualquer um dos seguintes métodos.

[0048] Um primeiro método para determinar a posição e a orientação da bobina do receptor envolve usar um sistema de posicionamento global diferencial (DGPS), sensores ultrassônicos ou câmeras Vicon (captura de movimento) para adquirir e enviar informação de posição e orientação para o controlador do transmissor. Estes métodos serão especialmente úteis para aplicações em que a transmissão de energia deve ser altamente responsiva.

[0049] Um segundo método para determinar a posição e a orientação da bobina do receptor envolve buscar o espaço físico no qual o objeto alvo fica residente. For cada coordenada (x, y, z) no espaço tridimensional (3-D) e ecfc qtkgpVc>«q *θ, h) no espaço 3-D nestas coordenadas, cria-se um forte vetor de campo magnético local. A energia no transmissor diminuirá quando a bobina do receptor receber a energia. O controlador pode usar isto como um sinal de que ele descobriu a posição e a orientação da bobina do receptor. Embora simples para entender e desenvolver, este método é lento na prática em virtude de ele envolver a resolução de um problema pentadimensional.

[0050] Um terceiro método para determinar a posição e a orientação da bobina do receptor envolve buscar um espaço de parâmetro. Para todo (Pi, Pj, Pk), em que P é a energia em cada bobina de um transmissor, encontra-se a máxima energia recebida pela bobina do receptor pela varredura das razões entre (Pi, Pj, Pk) até que o controlador detecte um dreno de energia. Este método resolve um problema tridimensional e é, assim, mais rápido que o segundo método.

Vetores de Unidade

[0051] Antes de executar este sistema, uma ferramenta de simulação pode gerar e armazenar, em uma tabela de busca na memória exclusiva de leitura, vetores de unidade de cada campo magnético em qualquer dada posição em um espaço definido. Em duas dimensões, isto consiste em dois vetores para cada posição. Em três dimensões, em virtude de haver três campos magnéticos, isto consiste em três vetores para cada posição. Alternativamente, um computador mais poderoso pode calcular os vetores de unidade em tempo real, embora ele deva alcançar o resultado na curta quantidade de tempo exigida para esta etapa.

Amplitude

[0052] Uma vez que o microcontrolador ou o computador conhecem a posição, a orientação e os vetores de unidade, então, eles podem determinar a amplitude exigida para multiplicar cada vetor de unidade a fim de alcançar a orientação e a intensidade do campo desejadas. Por exemplo, se a bobina do receptor 6D da figura 4A fosse rotada em 90 ° (da forma mostrada na figura 4B), o sistema determinaria que a amplitude do vetor de unidade 18 da figura 4A precisa ser multiplicado por -3 rctc fotoct wo pqxq xgVqt i:'. Q pqxq xgVqt i:'. swcpfq uqocfq eqo q xgVqt i8. fotoctá q pqxq xgVqt 42'. swg fi alinhado com o eixo geométrico da bobina do receptor 6D rotada, da forma vista na figura 4B. Similarmente, se o microcontrolador 50 (veja a figura 3) decidir rotar adicionalmente o campo magnético resultante em mais alguns graus, ele comandará o regulador de energia 52 a enfraquecer o campo magnético gerado pela bobina do transmissor 4B e intensificar o campo magnético gerado pela bobina do transmissor 4A.

Frequência

[0053] Antes de discutir o espaço tridimensional, pode ser instrutivo revisar um importante conceito do acoplamento ressonante indutivo. Com propósitos de simplicidade, os diagramas desta descrição ilustram campos magnéticos CC. Pc rtáVkec, qu ecorqu fgxgo ugt EC pc freswêpekc Â rctc que eficiente transmissão de energia sem fio ocorra. Portanto, quando esta descrição declarou anteriormente que "a amplitude do vetor de unidade 18 ... precisa ser multiplicada por -1," na prática, se adicionaria um deslocamento fg hcug fg i:0 0 pc eqttgpVg rqtVcfqtc fc freswêpekc Â cpVgu fg guVc eqttgpVg CA com fase deslocada ser alimentada na bobina do transmissor 4A. Para um motor elétrico trifásico que é energizado sem fio usando respectivas frequências ressonantes, seleciona-ug c eqttgVc ftgswêpekc Â fgrgpfgpfq fg qual fase está atualmente em vigor.

[0054] No tópico de comutação de um motor elétrico trifásico que é energizado sem fio usando respectivas frequências ressonantes, pode-se usar o mesmo método descrito no Pedido de Patente US 14/199.272 para descobrir a informação do rotor, tais como posição, direção de rotação e velocidade. Isto indicará quando enviar energia para qual bobina do receptor (estator). Então, pode-se sobrepor o método de correspondência de orientação aqui descrito para garantir que o campo magnético seja acionado na direção desta bobina do receptor.

[0055] A figura 5 é um diagrama que mostra alguns componentes de um sistema para controlar e energizar sem fio um motor elétrico de acordo com uma modalidade descrita no Pedido de Patente US 14/199.272. Neste exemplo, energia é provida para um motor elétrico trifásico 200 sem fio por um transmissor de energia 202. Em outras modalidades, o transmissor de energia 202 pode ser desenhado para prover energia sem fio para motores elétricos com qualquer outro número de fases.

[0056] Da forma vista na figura 5, o motor elétrico 200 compreende um rotor 204, um primeiro enrolamento 206, um segundo enrolamento 208 e um terceiro enrolamento 210. Os enrolamentos 206, 208 e 210 são configurados para ter diferentes frequências ressonantes respectivamente referidas a seguir como primeira, segunda e terceira frequências ressonantes.

[0057] O transmissor de energia 202 compreende uma primeira bobina de transmissão 212, uma segunda bobina de transmissão 214 e uma terceira bobina de transmissão 216. Bobinas de transmissão 212 214 e 216 são configuradas para ter diferentes frequências ressonantes correspondentes às frequências ressonantes dos enrolamentos 206, 208 e 210. Por exemplo, a bobina de transmissão 212 pode ter frequência ressonante 218 correspondente à primeira frequência ressonante do enrolamento 206; a bobina de transmissão 214 pode ter frequência ressonante 220 correspondente à segunda frequência ressonante do enrolamento 208; e a bobina de transmissão 216 pode ter frequência ressonante 222 correspondente à terceira frequência ressonante do enrolamento 210.

[0058] Energia elétrica pode ser provida para bobinas de transmissão 212, 214 e 216 a partir de uma fonte de energia 224 por meio do sistema de comutação 226. Para operar o motor elétrico 200, corrente é enviada através de cada um dos enrolamentos 206, 208 e 210 em uma sequência apropriada para fazer o rotor 204 girar. Um controlador 228 é configurado para determinar qual dos enrolamentos 206, 208 e 210 deve ser provido com energia em qualquer ponto na sequência. O controlador 228 pode operar dispositivos de comutação no sistema de comutação 226 para prover energia proveniente da fonte de energia 224 para cada uma das bobinas de transmissão 212, 214 e 216 na sequência apropriada. Por sua vez, cada uma das bobinas de transmissão 212, 214 e 216 induz uma mudança no fluxo magnético em correspondentes frequências ressonantes 218, 220 e 222. Estas mudanças no fluxo magnético em frequências ressonantes 218, 220 e 222 na sequência apropriada induzem as correntes desejadas nos enrolamentos 206, 208 e 210 na sequência apropriada para girar o rotor 204. Em virtude de os enrolamentos 206, 208 e 210 terem diferentes frequências ressonantes, a transmissão de energia a partir do transmissor de energia 202 em uma das frequências ressonantes 218, 220 ou 222 apenas induzirá corrente em um dos enrolamentos 206, 208 ou 210 com a correspondente frequência ressonante. Isto permite que energia seja provida para cada um dos enrolamentos 206, 208 e 210 individualmente na sequência apropriada.

[0059] O Pedido de Patente US 14/199.272 descreve adicionalmente meio para determinar a posição angular do rotor 204 em relação aos enrolamentos 206, 208 e 210 do motor elétrico 200. Por exemplo, a indutância total das bobinas de transmissão 212, 214 e 216 pode mudar à medida que a posição angular do rotor 204 muda. A posição, a direção de rotação e a velocidade do rotor 204 podem ser determinadas pela detecção do efeito na indutância total das bobinas de transmissão produzidas pelo movimento do rotor. Esta informação pode ser usada pelo controlador para determinar quando enviar energia para qual enrolamento. O método de correspondência de orientação aqui descrito pode, então, ser empregado para garantir que o campo magnético líquido seja acionado na direção deste enrolamento. A seguir estão as etapas para fazê-lo, generalizadas por desenhos de motor com qualquer número de enrolamentos (isto é, estatores):(1) Predeterminar um enrolamento "marcador" posteriormente fgukipcfq eqoq Tz3 eqo ftgswênekc Âi.(2) Encontrar a posição e a orientação de Rx1 usando um ecorq" ocipfivkeq" EC" eqo" htgswêpekc" Â1. Qualquer um dos métodos previamente mencionados funcionará.(3) Já que o desenho do oqVqt fi eqnjgekfq, q âniwnq θ gpVtg Rx1 e o próximo enrolamento é conhecido. Agora, é necessário apenas varrer o ângulo h para confinar a posição e a orientação 3-D do próximo enrolamento. O resultado é um plano 2-D.(4) Para a posição e a orientação encontradas na Etapa (3), vgnvct cu htgswênekcu Â2 g Ân (em que n é o número de enrolamentos no desenho do motor) para determinar se este enrolamento é Rx2 ou Rxn (o último enrolamento).(5) Já que todos os enrolamentos no motor são arranjados em um plano 2-D, pode-se facilmente calcular a posição e a orientação dos enrolamentos restantes a partir da posição e da orientação de Rx1.Ilustrações no Espaço Tridimensional

[0060] A figura 6 é uma vista isométrica de três bobinas mutuamente ortogonais 4A-4C de um transmissor de energia 22 de acordo com uma modalidade. Outros componentes do transmissor, tais como capacitores e osciladores, não são mostrados. Cada bobina compreende um condutor elétrico enrolado na mesma direção, os eixos geométricos das bobinas 4A-4C sendo orientados ortogonais uns aos outros. À medida que quantidades variáveis de corrente são passadas através das bobinas 4A-4C, elas geram campos magnéticos de intensidade e direção variáveis. De acordo com os cálculos, os campos magnéticos gerados por quaisquer duas bobinas sempre serão orientados mais que 53 ° afastados um do outro no campo distante. Isto significa que, em qualquer dado ponto no espaço, uma soma do vetor pode ser usada para chegar em uma intensidade e uma orientação do campo magnético resultantes desejadas. Uma outra explicação é que cada bobina age como um dipolo, que é um vetor. A sobreposição de três vetores (com amplitudes variáveis) permite que o vetor do dipolo total resultante seja apontado em qualquer direção.

[0061] A analogia da figura 4A em três dimensões é mostrada na figura 7, que provê uma vista isométrica de um espaço definido V (neste exemplo, um cubo) no qual linhas do campo magnético estão sendo geradas por três bobinas do transmissor mutuamente ortogonais de um transmissor 22. Uma bobina do receptor alvo 21 fica disposta no meio do espaço definido V. O eixo geométrico da bobina do receptor 21 neste exemplo é colinear com uma diagonal do espaço definido V. Cada uma das bobinas transmissoras, que tem eixos geométricos nas direções X, Y e Z, respectivamente, estão passando correntes iguais (ix = iy = iz). A principal linha do campo magnético resultante, assim, aponta na direção do canto diagonalmente oposto do espaço definido V. Esta é exatamente a orientação que maximizará a energia distribuída para a bobina do receptor 21.

[0062] Ainda em relação à figura 7, também pode-se usar as linhas do campo magnético secundárias, isto é, as linhas que são mais curvas, para transmitir energia. Estas linhas têm, usualmente, menos que a metade da intensidade da linha polar mais reta. Além do mais, os cálculos para usar linhas do campo magnético secundárias para transmitir energia tornam-se mais complicados. Contudo, é uma possibilidade que pode ser útil quando houver muitos receptores (isto é, objetos alvos) no espaço definido.

[0063] Para criar um campo magnético ainda mais forte no objeto alvo, pode-se instalar mais transmissores no espaço definido V. As figuras 8 até 11 demonstram um arranjo como este no qual um par de transmissores de energia 22 e 24 ficam dispostos em cantos diagonalmente opostos de um espaço definido V cúbico. A colocação de múltiplos transmissores (cada qual com duas ou mais bobinas do transmissor) no espaço definido V pode ser otimizada pelas posição e orientação mais comuns do objeto alvo pretendido. Deve ser percebido, entretanto, que as capacidades demonstradas nas figuras 8-11 podem ser alcançadas usando somente um único transmissor de três bobinas.

[0064] A figura 8 é uma vista isométrica de um espaço definido V no qual linhas do campo magnético estão sendo geradas por dois transmissores 22 e 24, cada qual compreendendo um conjunto de três bobinas mutuamente ortogonais, colocados em cantos diagonalmente opostos do espaço definido V e operados de maneira tal que o campo magnético no espaço definido V seja intensificado por interferência construtiva.

[0065] A figura 9 é uma vista plana X-Y das linhas do campo magnético representadas na figura 8. A linha do campo magnético 56 fica disposta ao longo de uma diagonal do espaço definido V.

[0066] A figura 10 é uma vista plana X-Y das linhas do campo magnético produzidas quando as bobinas do eixo geométrico Z dos transmissores 22 e 24 estiverem desligadas, as bobinas do eixo geométrico X estiverem ligadas e as bobinas do eixo geométrico Y estiverem ligadas com um deslocamento de fase de 180 ° em relação às bobinas do eixo geométrico X. A figura 10 é a analogia da figura 4B em três dimensões. O resultado é uma linha do campo magnético 58 que foi rotada em 90 ° em relação à linha do campo magnético diagonal 56 vista na figura 9.

[0067] A figura 11 é uma vista isométrica de um espaço definido V no qual linhas do campo magnético estão sendo geradas por dois transmissores 22 e 24 colocados e operados de maneira tal que o campo magnético resultante tenha uma área no espaço definido V no qual o fluxo magnético é zero devido à interferência destrutiva. A figura 11 demonstra algo que um único transmissor não pode alcançar: formação de pontos negros. Na situação representada na figura 11, o par de transmissores 22 e 24 se opõem um ao outro, assim, gerando uma área no meio que tem zero fluxo magnético devido à interferência destrutiva. Esta área é chamada de um "ponto negro" em virtude de uma bobina do receptor disposta nesta área receber nenhuma energia, ao mesmo tempo em que um receptor em qualquer outro ponto pode receber energia. O ponto negro pode ser deslocado ao longo de uma linha diagonal simplesmente pela variação da intensidade de um transmissor Tx1 em relação a um outro transmissor Tx2 (por exemplo, a intensidade do fluxo de Tx1 fica mais forte com a distância decrescente a partir de Tx1, ao mesmo tempo em que a intensidade do fluxo de Tx2 fica mais fraca, e vice-versa). No geral, pode-se usar o mesmo algoritmo acima descrito, mas adaptado para computar amplitudes e ângulos de fase que produzirão formação de pontos negros quando correntes forem supridas para as bobinas do transmissor: (1) determinar o local da bobina do receptor alvo; (2) computar os vetores de unidade de cada campo magnético que faz interseção neste local para a pluralidade de transmissores; e (3) computar as amplitudes para cada vetor que produzirá zero fluxo neste local.

[0068] De acordo com uma modalidade alternativa, um ponto negro para um motor energizado sem fio pode ser criado pela garantia de que, no local especificado, é criado um campo magnético que não é alinhado com o eixo geométrico da bobina do receptor alvo. Este método também funciona com alguns objetos drenadores de energia.

[0069] De acordo com uma outra modalidade, um método matemáticopode ser aplicado para computar amplitudes de corrente e ângulos de fase do transmissor para energizar um dispositivo em um local, ao mesmo tempo em que cria um ponto negro em um outro local. Este conceito será explicado em relação à figura 12, que mostra um espaço definido V no qual transmissores 22, 24 e dois receptores 23, 25 estão dispostos. transmissor 22, 24 compreende três bobinas mutuamente ortogonais; receptor 23, 25 compreende uma única bobina do receptor.

[0070] Na situação representada na figura 12, o transmissor 22 fica no local x1 e o transmissor 24 fica no local x2 (Fonte em negrito indica um vetor.). Cada transmissor age como um dipolo magnético, m1 ou m2, com amplitude e direção variáveis. Pode-se descrever cada dipolo como a soma de três vetores dipolo ortogonais, por exemplo:

[0071] Em uma tÌpica modalidade, pode-se controlar os valores mx1,my1 e mz1 pela escolha da corrente que flui atravÈs de cada bobina dotransmissor.

[0072] Na situação mostrada na figura 12, considere um local r1 que um campo magnético BA é desejado, tipicamente, para energizar receptor. Considere que também há um local r2 em que se deseja produzir um campo magnético BB. Já que os campos magnéticos em r1 e r2 são a soma dos vetores de campo magnético dos dois dipolos transmissores, pode-se descrever os campos magnéticos desejados como segue:

em que campos B1 e B2 são respectivamente produzidos pordipolos m1 e m2. Estes campos magnéticos podem ser calculados como segue:

em que f(m, r) é uma função que computa o vetor de campo magnético em um local r em relação a um dipolo m:

[0073] A intensidade do campo magnético proveniente de qualquer dipolo é linearmente proporcional à magnitude do dipolo, então, as equações (4) e (5) podem ser expandidas para mostrar cada componente do campo magnético como uma combinação linear dos componentes do dipolo:BAx(r1) = a11m1x + a12m1y + a13m1z + a14m2x + a15m2y + a16m2zBAy(r1) = a21m + a22m1y + a23m1z + a24m2x + a25m2y + a26m2zBAz(r1) = a31m1x + a32m1y + a33m1z + a34m2x + a35m2y + a36m2z BBx(r2) = a41m1x + a42m1y + a43m1z + a44m2x + a45m2y + a46m2z BBy(r2) = a51m1x + a52m1y + a53m1z + a54m2x + a55m2y + a56m2z BBz(r2) = a61m1x + a62m1y + a63m1z + a64m2x + a65m2y + a66m2z(6)em que os coeficientes da matriz a11, a12, etc., são computados a partir da função f (Computação da função f é relativamente simples se a computação usar um sistema de coordenadas com a origem no centro do dipolo m e o eixo geométrico Z paralelo ao vetor do dipolo. Então, dada a "latitude do dipolo", isto é, 90 ° menos o ângulo entre m e r, pode-se armazenar um conjunto de intensidades de campo adimensionais, buscá-las conforme necessário, e escalá-las em proporção de m/r3 para adquirir o real valor do campo, B(r).).

[0074] Há seis equações com seis desconhecidos: os componentes do dipolo m1x, m1y, m1z, m2x, m2y e m2z. Portanto, a equação (7) pode ser resolvida para descobrir os valores do dipolo. Se for definido BB = 0, então, pode-se descobrir os valores do dipolo magnético que acionam um dispositivo no local r1 ao mesmo tempo em que coloca zero campo magnético (isto é, um ponto negro) no local r2. Conhecendo os parâmetros da bobina (por exemplo, diâmetro da bobina, comprimento da bobina, número de voltas, permeabilidade de qualquer material de alta permeabilidade), pode-se computar a corrente elétrica necessária para produzir estes valores do dipolo magnético.

[0075] O exemplo mostrado na figura 12 considera que o projetista do sistema deseja especificar todos os três componentes do campo magnético em cada um de dois locais. Em algumas modalidades, o projetista do sistema, em vez disto, especificará um componente do campo magnético em cada um de dois ou três locais. Por exemplo, uma área de trabalho pode conter uma ou mais folhas planas de material condutor. O projetista do sistema pode desejar que o campo magnético perpendicular à superfície seja zero, de forma que nenhuma corrente parasita seja induzida. Como antes, considere um local r1 em que um campo magnético BA é desejado com o propósito de energizar algum dispositivo. Diferente de antes, neste exemplo, o objetivo é que o campo magnético tenha um componente zero em várias direções vi em três locais ri: na direção v2 no local r2, na direção v3 no local r3 e na direção v4 no local r4. Este conjunto de condições pode ser gravado como:BAx(r1) = a11m1x + a12m1y + a13m1z + a14m2x + a15m2y + a16m2zBAy(r1) = a21m1x + a22m1y + a23m1z + a24m2x + a25m2y + a26m2z BAz(r1) = a31m1x + a32m1y + a33m1z + a34m2x + a35m2y + a36m2z Bv2(r2) = b41m1x + b42m1y + b43m1z + b44m2x + b45m2y + b46m2z Bv3(r3) = c51m1x + c52m1y + c53m1z + c54m2x + c55m2y + c56m2zBv4(r4) = d61m1x + d62m1y + d63m1z + d64m2x + d65m2y + d66m2z (7)em que Bvi é o componente do campo magnético na direção vi, e em que os coeficientes bmn, cmn e dmn são computados a partir da função f e são, no geral, diferentes de amn. Neste exemplo, define-se cada um de Bvi = 0.

[0076] Para outras aplicações, pode-se definir estes Bvi em valores diferentes. Pode-se controlar o campo magnético em direções escolhidas vi em cada uma de seis posições, desde que os componentes do campo perpendiculares a vi em cada posição não sejam relacionados. Já que o acoplamento ressonante indutivo depende da intensidade do campo magnético paralelo ao eixo geométrico da bobina de recepção, dois transmissores 3-D podem energizar até seis dispositivos (E um transmissor 3-D pode energizar três dispositivos, ou dois dispositivos e um ponto negro, ou vice-versa.). Há limites práticos sobre quanta corrente cada bobina de transmissão pode tratar e quão próximas bobinas do receptor diferentemente orientadas podem ficar umas das outras, mas a matemática é bastante geral.

Modalidade Alternativas

[0077] Além do uso de múltiplos transmissores em um espaçodefinido para distribuir mais efetivamente energia para um alvo, outras modalidades alternativas estão no escopo do amplo conceito aqui descrito.

[0078] As modalidades discutidas até aqui usam interferência de campo magnético para direcionar o campo magnético. Em modalidades alternativas, o campo magnético pode ser direcionado para um local desejado mirando mecanicamente uma única bobina para produzir a correta orientação de campo no alvo. A figura 13 é uma vista isométrica de um espaço definido V no qual linhas do campo magnético estão sendo geradas por uma única bobina do transmissor 26 montada em um dispositivo mecânico (não mostrado na figura 13) para mudar a orientação da bobina do transmissor 26. Da forma representada na figura 14, o dispositivo mecânico pode compreender um conjunto de gimbal de dois eixos geométricos 60 no qual os ângulos de azimute e de elevação da bobina do transmissor 26 podem ser variados usando respectivos atuadores 62 e 64. A operação dos atuadores 62 e 64 pode ser controlada pelo microcontrolador 50 na dependência dos ângulos de azimute e de elevação da bobina do transmissor 26, que podem ser computados pelo microcontrolador 50 com base no local do dispositivo elétrico a ser energizado sem fio.

[0079] O sistema de bobina do transmissor atuado representado nas figuras 13 e 14 exige atuadores que funcionam em uníssono, e pode aumentar os custos do componente e de manutenção. Entretanto, ele pode ser usado em aplicações em que interferência magnética não é uma opção, ou quando a bobina do transmissor for pesada, mas o sistema atuador for leve. Para acionar um motor elétrico trifásico razoavelmente poderoso em longo alcance, cada uma das três bobinas do transmissor (veja a figura 6) precisará ser razoavelmente grande e pesada. Se a aplicação do motor não exigir que o transmissor de energia reoriente os campos magnéticos muito rapidamente ou funcione sob altas forças gravitacionais, pode-se acionar uma bobina do transmissor com um par de atuadores de 28,35 gramas (uma onça).

[0080] O transmissor de três bobinas 22 representado na figura 6 é usado para explicar o uso do acoplamento ressonante indutivo para dispositivos elétricos de energização sem fio, mas ele não é o desenho ideal em virtude de ele não representar um único dipolo acionável. Isto significa que, quanto mais próximo o receptor chega do transmissor 22, menos direto é o controle. De fato, isto pode ser visto na figura 7, que inclui um ponto negro involuntário inerente próximo do transmissor 22.

[0081] A figura 15 ilustra um transmissor 28 com um melhor desenho, se comparado com o desenho mostrado na figura 6. O transmissor 28 desta modalidade alternativa compreende os seguintes componentes: uma bobina do eixo geométrico Z do transmissor 30 com um eixo geométrico paralelo a uma direção z; primeira e segunda bobinas do transmissor do eixo geométrico x 34a e 34b com eixos geométricos paralelos a uma direção x e dispostas em lados opostos da bobina do eixo geométrico Z do transmissor 30; e primeira e segunda bobinas do transmissor do eixo geométrico y 32a e 32b com eixos geométricos paralelos a uma direção y e dispostas em lados opostos da bobina do eixo geométrico Z do transmissor 30, respectivamente, acima e abaixo da primeira e da segunda bobinas do transmissor do eixo geométrico x 34a e 34b. Todas as bobinas componentes compartilham o mesmo centro, o que leva a um campo distante que fica mais próximo, simplificando o controle e permitindo que o receptor se aproxime do transmissor. No desenho do circuito para alcançar frequências ressonantes desejadas, deve-se levar em consideração o fato de que as indutâncias dos componentes dos eixos geométricos x e y são diferentes daquelas do componente do eixo geométrico z devido ao diferente número de bobinas em cada componente. Da mesma maneira, durante a regulação da energia que vai para o transmissor, o sistema deve ser desenhado para enviar 1X energia para a bobina do eixo geométrico z do transmissor 30 e 1/2X energia para cada uma da primeira e da segunda bobinas do transmissor do eixo geométrico x 34a e 34b e cada uma da primeira e da segunda bobinas do transmissor do eixo geométrico y 32a e 32b.

[0082] Usando o mesmo conceito de direção de campo magnético, mas um algoritmo mais simples, pode-se prover um sistema para transmissão de energia sem fio para uso em veículos, tais como automóveis, ônibus e aviões. Por exemplo, um automóvel tipicamente incorpora um grande número de pequenos motores elétricos distribuídos por todo o automóvel.

[0083] A figura 16 é um diagrama que representa uma vista em elevação de um automóvel 38 que incorpora um motor do limpador de para- brisa 40, um motor do espelho retrovisor 42, um motor / solenoide do porta- malas 44 e um motor do assento 48 para mudar a configuração de um assento 50. Cada um destes motores pode tomar a forma de motores elétricos desenhados para serem energizados sem fio por meio de um transmissor tridimensional 46 incorporado no automóvel 38.

[0084] A maior parte destes motores, com, algumas vezes, a exceção do motor do limpador de para-brisa 40, não opera ao mesmo tempo. Assim, é suficiente colocar um único (ou múltiplos, se desejado) transmissor 3-D 46 no epicentro do carro que pode energizar e comutar sem fio os pequenos motores elétricos. Em virtude de estes menores motores não serem críticos em relação à segurança, esta arquitetura de motor pode agir como a ponte de ligação do teste de campo. Para eliminar a necessidade de todos os fios físicos nestes motores, os botões que os motoristas usam para comandar os motores podem ser botões de coleta de energia que usam a energia de impulso humana para enviar um sinal sem fio para o módulo transmissor 3-D.

[0085] Os benefícios de incluir um sistema de transmissão de energia sem fio como este em um automóvel incluem os seguintes: (1) reduzido tempo de montagem em virtude de chicotes de fios não precisarem penetrar através da íntegra do veículo, e menos furos serem necessários; (2) menor peso; e (3) menos furos perfurados por menos custo e maior integridade estrutural. Atualmente, furos devem ser perfurados no interior da estrutura e da porta do automóvel para alimentação através de fios de energia para motores do espelho retrovisor e do controle deslizante da janela.

[0086] Em virtude de as posições e as orientações dos vários motores elétricos energizados sem fio serem fixas em relação ao transmissor 3-D 46, não é necessário prover um meio ativo para monitorar os locais dos motores elétricos que são energizados. Os vetores de unidade, a amplitude para cada componente do vetor e as frequências podem, todas, ficar residentes em uma tabela de busca da ROM.

[0087] De acordo com algumas das modalidades descritas anteriormente, a sobreposição do campo magnético é usada para controlar uma da orientação do campo magnético em uma posição em particular. O arranjo ortogonal das bobinas do transmissor garante que um receptor possa ter algum campo magnético resultante desejado em algum ponto no espaço 3D, o que permite que o objeto alvo permaneça operacional em todos os tempos mesmo embora móvel. Os sistemas de transmissão de energia sem fio aqui descritos não são limitados em aplicação nas situações em que transmissores fixos transmitem apenas um campo magnético fixo, o que exige que os receptores fiquem fixos na posição e na orientação. Para aplicações de energia sem fio, no geral, os sistemas aqui descritos permitem liberdade de movimento enquanto um dispositivo energizado sem fio está sendo conduzido.

[0088] Direção do campo magnético pode ser usada em conjunto com diferenciação de frequência para criar um filtro duplo. Também pode-se controlar mais precisamente a orientação do campo magnético e, portanto, reduzir ou mesmo eliminar a necessidade de diferenciação de frequência. Isto permite que o sistema ocupe uma banda de frequência mais estreita, portanto, reduzindo a interferência com outros sistemas sem fio na área circundante.

[0089] O campo equatorial, da forma ilustrada na figura 2, é mais fraco em qualquer dada distância. O campo polar, da forma ilustrada pelo local da bobina do receptor 6A na figura 1, é duas vezes mais forte. O uso da sobreposição do campo magnético, da forma ilustrada nas figuras 4 e 7, quase sempre coloca um receptor em uma posição polar em relação ao transmissor, então, transferência de energia é mais eficiente do que no sistema da tecnologia anterior representado na figura 2.

[0090] Com formação de pontos negros, pode-se reduzir ainterferência com objetos em locais conhecidos, assim, melhorando adicionalmente a ocupação da banda de frequência. Além do mais, formação de pontos negros pode ajudar a garantir que objetos involuntários não acoplem com os transmissores. Isto beneficia a segurança e a eficiência de transmissão.

[0091] Durante o uso de energia sem fio em um chão de fábrica ou no interior de um avião, é obrigatório que haja objetos que acoplam involuntariamente em uma ligação sem fio. Na melhor hipótese, isto resulta em energia desnecessariamente dissipada nestes objetos. Na pior hipótese, isto pode resultar em problemas de segurança em virtude de energia desperdiçada usualmente se transformar em calor, o que pode levar a corrosão ou combustão de material. O recurso de "formação de pontos negros" descrito anteriormente pode impedir que isto aconteça.

[0092] Embora aparelhos e métodos tenham sido descritos em relação a várias modalidades, será entendido por versados na técnica que várias mudanças podem ser feitas, e equivalentes podem ser substituídos por elementos das mesmas sem fugir dos preceitos aqui expostos. Além do mais, muitas modificações podem ser feitas para adaptar os conceitos e as reduções para prática aqui descrita em uma situação em particular. Desta maneira, pretende-se que o assunto em questão coberto pelas reivindicações não seja limitado às modalidades descritas.

[0093] Da forma usada nas reivindicações, o termo "sistema de computador" deve ser interpretado amplamente para abranger um sistema com pelo menos um computador ou processador, e que pode ter múltiplos computadores ou processadores. Da forma usada na sentença anterior, ambos os termos "computador" e "processador" se referem a dispositivos com uma unidade de processamento (por exemplo, uma unidade de processamento central) e alguma forma de memória (isto é, mídia legível por computador) para armazenar um programa que é legível pela unidade de processamento. Por exemplo, o microcontrolador 50 mostrado na figura 3 se qualifica como um sistema de computador sob a definição exposta. Da forma aqui usada, o termo "microcontrolador" refere-se a um pequeno computador em um circuito integrado que contém um núcleo de processador, memória e periféricos de entrada / saída programáveis.

[0094] Além do mais, as reivindicações do método apresentadas a seguir não devem ser interpretadas para exigir que as etapas lá citadas sejam realizadas em ordem alfabética (nenhum ordenamento alfabético nas reivindicações é usado exclusivamente com o propósito de referenciar etapas previamente citadas) ou na ordem na qual elas são citadas. Nem devem elas ser interpretadas para excluir quaisquer partes de duas ou mais etapas que são realizadas concorrentemente ou alternadamente.

[0095] Da forma usada nas reivindicações, o termo "local" inclui posição e orientação.

[0096] A estrutura correspondente ao meio para suprir corrente com uma amplitude, da forma citada nas reivindicações, inclui um regulador de energia em combinação com um acionador de frequência variável, da forma representada na figura 3, ou um gerador de sinal de frequência variável em combinação com um amplificador de energia variável, e equivalentes dos mesmos.

Claims

1. Método para transmitir energia sem fio para um dispositivo elétrico (8, 10, 12), caracterizado pelo fato de que compreende:prover um transmissor (4) com três bobinas do transmissor (4A, 4B, 4C), cada uma bobina do transmissor com um eixo geométrico e arranjada em posições e orientações fixas uma em relação à outra;em que os eixos geométricos das bobinas do transmissor (4A, 4B, 4C) do transmissor (4) são orientados mutuamente ortogonais em relação ao outro, o transmissor (4) sendo completamente contido dentro de um primeiro volume;localizar o primeiro volume contendo o transmissor (4) em um canto de um segundo volume cúbico (V), maior que o primeiro volume, o segundo volume também contendo um primeiro dispositivo elétrico (8, 10, 12) com uma primeira bobina do receptor, em que o primeiro dispositivo elétrico (8, 10, 12) é localizado no centro do segundo volume, remoto do primeiro volume contendo o transmissor (4);determinar uma orientação de um eixo geométrico da primeira bobina do receptor do primeiro dispositivo elétrico (8, 10, 12) em relação a uma armação de referência do transmissor;computar amplitudes para as respectivas correntes elétricas com base, pelo menos em parte, na orientação do eixo geométrico da primeira bobina do receptor do primeiro dispositivo elétrico (8, 10, 12); eprover respectivas correntes elétricas para respectivas bobinas do transmissor (4A, 4B, 4C) do transmissor (4) que produz, em um primeiro tempo, um primeiro campo magnético resultante com uma linha do campo magnético que fica localizada ao longo do eixo geométrico da primeira bobina do receptor do primeiro dispositivo elétrico (8, 10, 12).

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o eixo geométrico da primeira bobina do receptor do primeiro dispositivo elétrico (8, 10, 12) é ausente de colinearidade com um eixo geométrico de qualquer uma das bobinas do transmissor (4A, 4B, 4C).

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de determinação de uma orientação do eixo geométrico da primeira bobina do receptor do primeiro dispositivo elétrico (8, 10, 12) compreende:criar um campo magnético local em cada coordenada e cada orientação em um espaço; edetectar uma diminuição na energia no transmissor (4).

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de determinação de uma orientação do eixo geométrico da primeira bobina do receptor da bobina do primeiro dispositivo elétrico (8, 10, 12) compreende:varrer razões das respectivas energias supridas para cada bobina do transmissor (4); edetectar um dreno de energia no transmissor (4).

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o espaço contém um segundo dispositivo elétrico com uma bobina do receptor e com um local diferente do local do primeiro dispositivo elétrico (8, 10, 12),o método compreendendo adicionalmente prover respectivas correntes elétricas para respectivas bobinas do transmissor (4A, 4B, 4C) do transmissor (4) que produz, em um segundo tempo diferente do dito primeiro tempo, um segundo campo magnético resultante com uma linha do campo magnético que fica localizada ao longo do eixo geométrico da bobina do receptor do segundo dispositivo elétrico.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:recuperar vetores de unidade e amplitudes associados com o dito primeiro campo magnético resultante de uma tabela de busca antes do dito primeiro tempo; erecuperar vetores de unidade e amplitudes associados com o dito segundo campo magnético resultante das ditas tabela de busca antes do dito segundo tempo.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o primeiro dispositivo elétrico (8, 10, 12) tem uma segunda bobina do receptor com um eixo geométrico diferente do eixo geométrico da dita primeira bobina do receptor,o método compreendendo adicionalmente prover respectivas correntes elétricas para respectivas bobinas do transmissor (4A, 4B, 4C) do transmissor (4) que produz, em um segundo tempo diferente do dito primeiro tempo, um segundo campo magnético resultante com uma linha do campo magnético que fica localizada ao longo do eixo geométrico da segunda bobina do receptor do primeiro dispositivo elétrico (8, 10, 12).

8. Sistema para transmissão de energia sem fio, caracterizado pelo fato de que compreende:uma bobina do receptor com um eixo geométrico;primeiro, segundo e terceiro componentes da bobina do transmissor (4A, 4B, 4C) formando um transmissor (4) completamente contido dentro de um primeiro volume, os primeiro, segundo e terceiro componentes da bobina do transmissor (4A, 4B, 4C) com eixos geométricos que são mutuamente ortogonais;em que o transmissor (4) está em um canto de um segundo volume cúbico (V), maior que o primeiro volume, e a bobina do receptor é localizada no centro do segundo volume, remoto do primeiro volume contendo o transmissor (4);um sistema de computador programado para computar respectivas amplitudes das respectivas correntes a serem supridas para os ditos primeiro, segundo e terceiro componentes da bobina do transmissor (4A, 4B, 4C) para gerar um campo magnético resultante com uma linha do campo magnético que fica localizada ao longo do eixo geométrico da dita bobina do receptor; emeios (52) para suprir as ditas respectivas correntes com as ditas respectivas amplitudes para os ditos primeiro, segundo e terceiro componentes da bobina do transmissor (4A, 4B, 4C), respectivamente.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que cada um dos primeiro, segundo e terceiro componentes da bobina do transmissor (4A, 4B, 4C) compreende uma respectiva bobina do transmissor.

10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o primeiro componente da bobina do transmissor compreende uma primeira bobina do transmissor, o segundo componente da bobina do transmissor compreende segunda e terceira bobinas do transmissor mutuamente paralelas, e o terceiro componente da bobina do transmissor compreende quarta e quinta bobinas do transmissor mutuamente paralelas, as ditas segunda e terceira bobinas do transmissor ficando dispostas em lados opostos da dita primeira bobina do transmissor, e as ditas quarta e quinta bobinas do transmissor ficando dispostas em lados opostos da dita primeira bobina do transmissor, respectivamente, acima e abaixo das ditas segunda e terceira bobinas do transmissor.

11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que a dita bobina do receptor é um enrolamento de um motor elétrico.