BRPI1101250B1

BRPI1101250B1 - sistema de transferência de energia sem contato

Info

Publication number: BRPI1101250B1
Application number: BRPI1101250-1A
Authority: BR
Inventors: Adnan Kutubuddin Bohori; James William Bray; Somakumar Ramachandrapanicker; Suma Memana Narayana Bhat
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2020-11-10
Also published as: CN102201704A; EP2903121B1; US8674550B2; US9312063B2; EP2369711A2; EP2369711A3; JP5809822B2; EP2903121A1; US20140139041A1; CN102201704B; BRPI1101250A2; US20110234010A1; JP2011205886A; EP2369711B1

Abstract

SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO E ELEMENTO DE FOCALIZAÇÃO DE CAMPO Trata-se de um sistema de transferência de energia sem contato. O sistema inclui uma primeira bobina acoplada a uma fonte de energia e configurada para produzir um campo magnético. Uma segunda bobina é configurada para receber energia a partir da primeira bobina através do campo magnético. Um elemento de focalizaçâo de campo é disposto entre a primeira bobina e a segunda bobina e configurado como uma bobina auto-ressonante que tem uma distribuição de corrente de onde estacionária. O elemento de focalizaçâo de campo é adicionalmente configurado para focalizar o campo magnético sobre a segunda bobina e aumentar o acoplamento entre a primeira bobina e a segunda bobina.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se geralmente à transferência de energia sem contato e, em particular, à transferência de energia sem contato baseada em ressonância.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Em certas aplicações onde a transferência de energia instantânea ou contínua é necessária, porém, fios de interconexão são inconvenientes, a transferência de energia sem contato é desejável. Uma transferência de energia sem contato método consiste em um método de indução eletromagnética que funciona no princípio de uma bobina transformadora primária que gera um campo magnético dominante e uma bobina transformadora secundária nas proximidades da bobina transformadora primária que gera uma voltagem correspondente. O campo magnético recebido pela bobina transformadora secundária diminui como uma função do quadrado da distância entre as duas bobinas e, portanto, o acoplamento entre as bobinas primária e secundária é fraco para distâncias maiores que alguns milímetros.

[003] Outro método de transferência de energia sem contato tenta aumentar a eficiência da transferência de energia indutiva através do acoplamento indutivo ressonante. Os elementos transmissores e receptores ressonam na mesma frequência, e a indução máxima ocorre na frequência ressonante. Entretanto, tal indução ressonante é sensível às variações de carga e folga.

[004] Existe uma necessidade de um sistema de transferência de energia sem contato eficiente que possa operar com bobinas separadas em distâncias mais longas do que presentemente aceitável e seja eficiente quando submetida às variações de desalinhamento ou carga.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[005] De maneira resumida, propõe-se um sistema de transferência de energia sem contato. De acordo com uma realização preferencial, o sistema inclui uma primeira bobina acoplada a uma fonte de energia e configurado para produzir um campo magnético. Uma segunda bobina é configurada para receber energia a partir da primeira bobina através do campo magnético. Um elemento de focalização de campo é disposto entre a primeira bobina e a segunda bobina e configurado como uma bobina auto- ressonante que tem uma distribuição de corrente de onda estacionária. O elemento de focalização de campo é adicionalmente configurado para focalizar o campo magnético sobre a segunda bobina e aumentar o acoplamento entre a primeira bobina e a segunda bobina.

[006] Em outra realização, propõe-se um elemento de focalização de campo. O elemento de focalização de campo inclui uma pluralidade de ressonadores configurada para focalizar um campo magnético mediante a excitação e formar uma distribuição de corrente de onda estacionária. Um conjunto de ressonadores entre a pluralidade de ressonadores é excitado na fase diferente de outros ressonadores. O elemento de focalização magnético compreende adicionalmente pelo menos duas frequências ressonantes exclusivas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[007] Estes e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção serão mais bem entendido quando a seguinte descrição detalhada for lida com referência aos desenhos e anexo em que caracteres similares representam partes similares em todos os desenhos, em que: - A Figura 1 ilustra um sistema de transferência de energia sem contato, de acordo com uma realização preferencial da invenção; - A Figura 2 ilustra um elemento de focalização de campo, de acordo com uma realização preferencial da invenção; - A Figura 3 ilustra múltiplas estruturas dos elementos de focalização de campo, de acordo com diversas realizações da invenção; - A Figura 4 ilustra uma realização em que uma pluralidade de ressonadores é disposta em uma matriz e implementada como um elemento de focalização de campo; - A Figura 5 ilustra uma distribuição de campo magnético ao redor do elemento de focalização de campo, de acordo com uma realização preferencial da invenção; - A Figura 6 é uma simulação de um perfil de campo magnético como uma função da distância entre a bobina primária e as bobinas secundárias; - A Figura 7 ilustra uma simulação de um perfil de eficiência como uma função da distância entre as bobinas primária e secundária; - A Figura 8 ilustra uma simulação do perfil de eficiência como uma função do desalinhamento entre a bobina primária e a bobina secundária; - A Figura 9 ilustra uma realização da invenção em que o sistema de transferência de energia sem contato inclui elementos capacitares; - A Figura 10 ilustra uma realização preferencial da invenção em que o elemento de focalização de campo acopla uma única bobina primária a uma pluralidade de bobinas secundárias; - A Figura 11 ilustra uma realização preferencial, de acordo com a invenção, em que pelo menos uma das bobinas e/ou o elemento de focalização de campo gira ao longo de um eixo geométrico de simetria; e - A Figura 12 ilustra uma matriz passiva de ressonadores, de acordo com uma realização preferencial da invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[008] Os sistemas de transferência de energia sem contato são tipicamente caracterizados pela transferência de energia de curta distância entre as bobinas primária e secundária. Por exemplo, uma realização preferencial de um sistema de transferência de energia indutiva usa uma bobina primária e uma bobina secundária para transferir energia entre dois circuitos em isolamento galvânico. Um campo magnético é estabelecido ao redor da bobina primária quando acoplada a uma fonte de energia. A quantidade de energia transferida a partir da bobina primária para a bobina secundária é proporcional à quantidade de campo magnético primário que liga a bobina secundária. Os transformadores elétricos usam núcleos magnéticos de alta permeabilidade para ligar o campo magnético entre as bobinas primária e secundária e, deste modo, atingem eficiências da ordem de pelo menos cerca de 98%. Entretanto, quando tais sistemas são configurados para transferência de energia sem contato, a folga de ar entre as duas bobinas reduz o acoplamento de campo magnético. Tal acoplamento reduzido afeta a eficiência dos sistemas de transferência de energia sem contato.

[009] Certas realizações descritas no presente documento proporcionam um sistema de transferência de energia sem contato robusto com sensibilidade reduzida a variações de carga, a transferência de energia eficiente durante o desalinhamento das bobinas, e/ou uma estrutura de focalização de campo que aumenta a eficiência de transferência de energia.

[0010] A Figura 1 ilustra um sistema de transferência de energia sem contato 10, de acordo com uma realização preferencial da invenção, que inclui uma primeira bobina 12 acoplada a uma fonte de energia 14 e configurada para produzir um campo magnético (não mostrado). Uma segunda bobina 16 é configurada para receber energia a partir da primeira bobina 12. Conforme usado no presente documento, o termo “primeira bobina” também pode ser referido como uma “bobina primária”, e o termo “segunda bobina” também pode ser referido como uma “bobina secundária”. O elemento de focalização de campo 18 é disposto entre a primeira bobina 12 e a segunda bobina 16 para focalizar o campo magnético a partir da fonte de energia 14. Em outra realização, o elemento de focalização de campo pode ser usado para focalizar os campos elétricos e/ou campos eletromagnéticos. Os termos “elemento de focalização de campo magnético” e o “elemento de focalização de campo” são usados de maneira intercambiável. Em uma realização preferencial, o elemento de focalização de campo magnético 18 é configurado como uma bobina auto-ressonante e tem uma distribuição de corrente de onda estacionária quando excitado através da primeira bobina. Em outra realização, o elemento de focalização de campo magnético 18 é configurado como um ressonador de sub-comprimento de onda. Ainda em outra realização, o elemento de focalização de campo magnético inclui múltiplos ressonadores que operam como uma matriz ativa ou uma matriz passiva e cada ressonador configurado como uma bobina auto-ressonante com uma distribuição de corrente de onda estacionária. Ainda em outra realização, o elemento de focalização de campo magnético inclui múltiplos conjuntos de tais ressonadores, cada tal conjunto de ressonador excitado como uma fase particular. Pode-se avaliar que, quando excita os conjuntos de ressonadores através de fases diferentes, a focalização de campo pode ser aumentada em uma direção desejada.

[0011] O elemento de focalização de campo magnético 18 é adicionalmente configurado para focalizar o campo magnético sobre a segunda bobina 16 aumentado o acoplamento entre a primeira bobina 12 e a segunda bobina 16. Na realização preferencial ilustrada, o elemento de focalização de campo 18 é colocado mais próxima à primeira bobina 12, como um exemplo. Pode ser vantajoso em determinados sistemas colocar o elemento de focalizaçâo de campo 18 mais próximo à segunda bobina 16. Uma carga 20 é acoplada à segunda bobina 16 para utilizar a energia transferida a partir da fonte de energia 14. Em determinadas realizações, o sistema de transferência de energia sem contato 10 também pode ser configurado para transferir simultaneamente a energia da segunda bobina para a primeira bobina, de modo que o sistema seja capaz de transferência de energia bidirecional. Os exemplos não limitativos das cargas potenciais incluem uma lâmpada, uma bateria, um computador, um sensor ou qualquer dispositivo que requeira energia elétrica para a operação.

[0012] O sistema de transferência de energia sem contato 10 pode ser usado para transferir energia a partir da fonte de energia 14 para a carga 20. Em uma realização preferencial, a fonte de energia 14 compreende um gerador de energia AC monofásico ou gerador de energia AC trifásico ou um gerador de energia DC em combinação com aparelhos eletrônicos de conversão de energia para converter a energia em uma frequência mais alta. Quando a primeira bobina 12 for excitada na frequência ressonante do elemento de focalizaçâo de campo magnético 18, uma distribuição de corrente de onda estacionária é desenvolvida no elemento de focalizaçâo de campo magnético 18 entre as duas extremidades abertas (22, 24) do elemento de focalizaçâo de campo. A distribuição de corrente de onda estacionária leva a uma distribuição de campo magnético não uniforme ao redor do elemento de focalizaçâo de campo magnético 18. Tal distribuição de corrente não uniforme é configurada para focalizar o campo magnético em qualquer direção desejada, tal como, em uma direção da segunda bobina 16 neste exemplo. Quando opera na frequência ressonante, mesmo uma pequena excitação no elemento de focalizaçâo de campo magnético 18 produz uma grande amplitude de distribuição de corrente ao longo do comprimento 25 do elemento de focalizaçâo de campo magnético. A grande magnitude de corrente de distribuição não uniforme leva a um campo magnético amplificado e focalizado na direção da segunda bobina 16 que resulta na eficiência mais alta da transferência de energia.

[0013] A Figura 2 ilustra um elemento de focalização de campo, de acordo com uma realização preferencial da invenção. Entre as diversas estruturas que podem ser implementadas como o elemento de focalização de campo magnético 18 na Figura 1, uma tal estrutura é ilustrada na Figura 2. Na realização preferencial ilustrada, a referência numérica 30 é uma estrutura de focalização de campo referida no presente documento como uma “estrutura Omega” e opera em uma faixa de alguns megahertz. Tais frequências de operação requerem alta capacitância e indutância. A “estrutura Omega” permite a alta capacitância e indutância e também permite a permeabilidade negativa na frequência ressonante próxima. A permeabilidade negativa ajuda com a resposta de campo dominante e é eficaz no controle do campo magnético. A frequência ressonante de tais estruturas pode ser controlada ao variar o número de voltas (32, 34, 36), a folga entre as voltas (38) e a largura da espiral (40). Com um perímetro aumentado quando comparado a uma estrutura espiral, a “estrutura Omega” requer o tamanho estrutural reduzido para operar na frequência de ressonância mais baixa.

[0014] A Figura 3 ilustra múltiplas estruturas dos elementos de focalização de campo, de acordo com diversas realizações da invenção. Em uma realização preferencial, o elemento de focalização de campo inclui uma bobina de circuito único 50. Em outra realização, o elemento de focalização de campo inclui múltiplas voltas, tal como, em uma estrutura de anel fendido 52, estrutura espiral 54, estrutura de rolo suíço 56 ou bobina helicoidal 58. A seleção de uma estrutura para uma aplicação particular é determinada pelo tamanho e a frequência auto-ressonante do elemento de focalização de campo. Por exemplo, em aplicações de baixa energia (menores que cerca de 1 Watt, por exemplo), uma frequência de ressonância de até cerca de 1000 MHz é possível. Em aplicações de energia altas (de cerca de cem Watts a cerca de 500 quilowatts, por exemplo), a frequência de ressonância da ordem de diversas centenas de kHz é possível. Em certas aplicações, a escolha da frequência e, portanto, o projeto do elemento de focalização de campo é acionado pelas restrições à exposição humana aos campos elétricos e magnéticos de alta frequência.

[0015] A bobina de rolo suíço 56 pode ser usada para proporcionar um ressonador compacto que pode ser configurado para operar em frequências de cerca de 100 kHz até cerca de 100 MHz. As realizações de rolo suíço podem ser usadas para proporcionar intensidade de focalização de campo magnético estendido e ajudar a obter capacitância e indutância aumentadas e, portanto, um desenho compacto devido à redução de tamanho na estrutura espacial das bobinas. Espera-se que um único ressonador de rolo suíço seja capaz de focalizar um campo magnético até poucos centímetros (polegadas) de distância.

[0016] Uma estrutura helicoidal consiste em um fio enrolado sob a forma de um hélice. A estrutura helicoidal 58, quando usada como o elemento de focalização de campo magnético, pode obter um fato Q elevado. Em uma realização preferencial, o revestimento da superfície do condutor na estrutura helicoidal com material de alta condutividade ajuda a minimizar efeitos peculiares no elemento de focalização de campo magnético em altas frequências e, portanto, permite o fator Q mais alto. Os ressonadores helicoidais são análogos a uma matriz de dipolo e circuitos. As estruturas helicoidais são projetadas para focalizar o campo magnético em uma direção axial ao otimizar o passo e o número de voltas.

[0017] A Figura 4 ilustra uma realização preferencial em que uma pluralidade de ressonadores é disposta em uma matriz e implementada como um elemento de focalizaçâo de campo. Uma matriz de ressonadores constitui múltiplas bobinas ressonadoras dispostas em disposição de matriz particular, tal como, uma matriz plana ou linear, que é excitada com uma relação de fase específica. Os ressonadores individuais (66-77) ou ressonadores de sub- comprimento de onda são configurados para focalizar o campo magnético em uma direção desejada. Em tal disposição, os campos dos ressonadores na matriz interferem de maneira construtiva (adicionam) em uma direção desejada para obter a focalizaçâo de campo magnético e interferir de maneira destrutiva (cancelar um ao outro) no espaço restante. Em outra realização, os ressonadores são dispostos em pelo menos uma entre uma matriz linear, circular, plana ou tridimensional. Na realização ilustrada, os ressonadores individuais 70-74 são dispostos em uma fileira e quatro tais fileiras 66-69 são dispostas uma embaixo da outra. Os ressonadores individuais que fazem parte da matriz 64 são coletivamente configurados para pelo menos uma ou mais frequências ressonantes. Em uma realização particular, todos os ressonadores individuais da matriz são idênticos.

[0018] Em outra realização, alguns ressonadores individuais, por exemplo, ressonadores 70-74 são excitados em fases diferentes, de modo que a focalizaçâo de campo seja obtida na direção desejada. Os conjuntos de ressonadores adicionais, por exemplo, 70, 75-79 podem ter uma configuração de fase particular. Em qualquer uma destas realizações, o campo total da matriz 64 é determinado pela adição de vetor nos campos dos ressonadores individuais. Quando os parâmetros dos ressonadores individuais ou dos conjuntos de ressonador forem variados, tais variações podem ser selecionadas para conformar o padrão de capo total da matriz. Diferentes modos para proporcionar variação incluem, por exemplo, configurações geométricas (linear, circular, retangular, esférica, etc.), em relação ao deslocamento entre os ressonadores (76, 78), a amplitude de excitação dos ressonadores individuais, a fase de excitação dos ressonadores individuais e o padrão relativo dos ressonadores individuais.

[0019] Ainda em outra realização, um conjunto de ressonadores, por exemplo, 66 é configurado para uma frequência de ressonância particular e outro conjunto de ressonadores 67 é configurado para outra frequência de ressonância. Em tal configuração, a energia pode ser transferida através do primeiro conjunto de ressonadores 66 e os dados no segundo conjunto de ressonadores 67. De maneira alternativa, a energia bidirecional pode ser transferida usando a matriz 64. Por exemplo, a energia é transferida em uma direção através do conjunto de ressonador 66 e a energia na direção oposta é simultaneamente transferida através do conjunto 67.

[0020] Diversos esquemas de excitação podem ser implementados nos ressonadores individuais da matriz. Tal exemplo inclui a excitação de todos os ressonadores individuais na matriz para formar uma matriz ativa. A amplitude e a fase da excitação em cada ressonador pode ser controlada para alterar a direção de um respectivos feixe magnético para atingir o direcionamento de feixe ativo.

[0021] Em outra realização, um único ressonador pode ser excitado enquanto os outros ressonadores são eletromagneticamente acoplados ao ressonador excitado para formar uma matriz passiva. Tais matrizes passivas geram um feixe de focalização de campo magnético alongado que permite a transferência de energia de maneira eficiente até alguns metros de distância.

[0022] Em outra realização, a matriz inclui o ressonador individual da dimensão de sub-comprimento de onda que forma uma estrutura passiva. Nenhum dos ressonadores é especificamente excitado. Entretanto, quando eles são colocados próximos ao campo magnético, a matriz irá focalizar o campo magnético. A disposição espacial de tais estruturas passivas é projetada para resultar em permeabilidade negativa efetiva.

[0023] Se desejado, um ressonador ou uma matriz de ressonadores pode ser incorporada em um material que tem constante dielétrica alta (permissividade dielétrica) ou um material magnético que tem alta permeabilidade ou meio magneto-dielétrico que tem alta permissividade dielétrica e alta permeabilidade para atingir a frequência ressonante mais baixa com um ressonador de tamanho menor. O material de alta permeabilidade aumenta a auto-indutância do ressonador e o material de alta permissividade aumenta a auto-capacitância dos ressonadores para reduzir a frequência da ressonância. Em outra realização, os materiais de alta permeabilidade também são configurados para aumentar o acoplamento entre a bobina primária, o elemento de focalização de campo e a bobina secundária. Os materiais, tais como, porém, não limitados a titanato de bário estrôncio são um exemplo de materiais que exibem constante dielétrica alta.

[0024] A Figura 5 ilustra uma distribuição de campo magnético ao redor do elemento de focalização de campo, de acordo com uma realização preferencial da invenção. Diversos gráficos são referidos pelo numeral 80 que incluem a coluna 82 que mostra a distribuição de corrente no elemento de focalização de campo magnético, a coluna 84 que mostra gráficos de campo magnético bidimensional correspondente e a coluna 86 que ilustra gráficos de campo magnético tridimensional correspondente. Os gráficos ilustrados no presente documento foram obtidos durante uma simulação que inclui um ressonador de único circuito (volta) como um elemento de focalização de campo que tem distribuição de corrente variada. Por exemplo, uma distribuição de corrente uniforme 88 no elemento de focalização de campo que opera em frequência não auto-ressonante pode resultar na distribuição de campo magnético uniforme 90 (que corresponde à ilustração tridimensional em 92) e pode não conduzir a nenhuma focalização de campo. Entretanto, quando o elemento de focalizaçâo de campo for excitado em um ciclo completo de distribuição de corrente de onda estacionária, conforme indicado pela referência numérica 94, resultam em pelo menos dois lobos de distribuição de campo magnético quando operam em uma frequência auto-ressonante, conforme ilustrado pela referência numérica 96. Conforme será mais claro no gráfico tridimensional correspondente 98, a focalizaçâo de campo é obtida ao longo de uma direção axial 99. Em outra realização, quando o elemento de focalizaçâo de campo for excitado em múltiplos ciclos de distribuição de corrente de onda estacionária, por exemplo, dois ciclos, conforme indicado pela referência numérica 100, resultam em uma distribuição de campo magnético, conforme ilustrado pela referência numérica 102. Múltiplos lobos do campo magnético, tais como, 106-108 são obtidos quando operam na frequência auto- ressonante, conforme ilustrado pela referência numérica 104. Dependendo do requisito de transferência de energia sem contato um esquema particular pode ser implementado. Por exemplo, um sistema de transferência de energia sem contato que tem uma bobina primária que transfere energia para uma bobina secundária pode implementar um ciclo completo de distribuição de corrente de onda estacionária no elemento de focalizaçâo de campo magnético. Um sistema de transferência de energia sem contato que tem uma bobina primária que transfere energia para duas ou mais bobinas secundárias pode implementar múltiplos ciclos de distribuição de corrente de onda estacionária no elemento de focalizaçâo de campo magnético.

[0025] A alteração da distribuição de corrente (88, 94, 100) no elemento de focalizaçâo de campo altera a distribuição de campo magnético (92, 98, 104). Portanto, a distribuição de corrente nas bobinas do elemento de focalizaçâo de campo magnético determina a distribuição de campo magnético. Conforme anteriormente discutido, outros fatores que influenciam a distribuição de campo magnético incluem a geometria das bobinas e a disposição especial de ressonadores em uma matriz.

[0026] A Figura 6 é uma simulação de um perfil de campo magnético como uma função da distância entre bobina a primária e as bobinas secundárias. Na realização preferencial ilustrada, o gráfico 110 representa a distância medida em milímetros entre as bobinas na abscissa 112 e a intensidade de campo magnético normalizada na ordenada 114. O perfil 116 ilustra a variação de intensidade de campo magnético em um sistema de transferência de energia sem contato que implementa um elemento de focalização de campo magnético, tal como, discutido na Figura 1. O perfil 118 representa a variação da intensidade de campo magnético em um sistema de transferência de energia sem contato indutivo típico que não implementa um elemento de focalização de campo magnético. A intensidade de campo magnético em uma distância de cerca de 17 mm entre as bobinas é de cerca de 0,7 unidades no sistema que implementa um elemento de focalização de campo magnético e apenas cerca de 0,1 unidades em um sistema de transferência de energia sem contato indutivo típico. O elemento de focalização de campo magnético aumenta a intensidade de campo magnético em pelo menos cerca de 15% a cerca de 30% para a mesma distância entre as bobinas. Tal intensidade de campo aumentada aprimora a eficiência da transferência de energia total e permite que o sistema seja mais robusto ao desalinhamento entre as bobinas primária e secundária.

[0027] A Figura 7 ilustra uma simulação de um perfil de eficiência como uma função da distância entre as bobinas primária e secundária. Na realização preferencial ilustrada, o gráfico 122 representa a distância media em milímetros entre as bobinas na abscissa 124 e a eficiência na ordenada 126. O perfil 128 ilustra uma variação de eficiência em um sistema de transferência de energia sem contato que implementa um elemento de focalização de campo magnético, tal como, discutido na Figura 1. O Perfil 130 representa a variação da eficiência em um sistema de transferência de energia sem contato indutivo típico que não implementa um elemento de focalização de campo magnético. A eficiência do sistema de transferência de energia sem contato em uma distância de cerca de 32 mm entre as bobinas é de cerca de 95% no sistema que implementa um elemento de focalização de campo magnético. Entretanto, na mesma distância de cerca de 32 mm entre as bobinas, a eficiência de transferência de energia é de cerca de 55% em um sistema de transferência sem contato indutivo típico. O elemento de focalização de campo magnético aumenta a eficiência em pelo menos cerca 40% a cerca de 50% para a mesma distância entre as bobinas.

[0028] A Figura 8 ilustra uma simulação do perfil de eficiência como uma função do desalinhamento entre a bobina primária e a bobina secundária. Na realização preferencial ilustrada, o gráfico 132 representa o desalinhamento entre as bobinas medidas em milímetros na abscissa 134 e a eficiência na ordenada 136. O perfil 138 ilustra uma variação da eficiência em um sistema de transferência de energia sem contato que implementa um elemento de focalização de campo magnético, tal como, discutido na Figura 1. O perfil 140 representa a variação da eficiência em um sistema de transferência de energia sem contato indutivo típico que não implementa um elemento de focalização de campo magnético. A eficiência do sistema de transferência de energia sem contato para um desalinhamento de cerca de 14 mm entre as bobinas é de cerca de 95% no sistema que implementa um elemento de focalização de campo magnético. Entretanto, para o mesmo desalinhamento de cerca de 14 mm entre as bobinas, a eficiência da transferência de energia indutiva sem contato típica é de cerca de 72%. Conforme é evidente a partir do perfil ilustrado, o elemento de focalização de campo magnético aumenta a eficiência durante desalinhamento.

[0029] A Figura 9 ilustra uma realização preferencial do sistema de transferência de energia sem contato que inclui elementos capacitares. O sistema de transferência de energia sem contato 144 inclui pelo menos um elemento capacitar acoplado a cada uma entre a primeira bobina e a segunda bobina. Os elementos capacitares 146, 148 formam um circuito de ressonância sintonizado com a primeira bobina 12 e a segunda bobina 16 que resultam na primeira bobina, na segunda bobina e no elemento de focalizaçâo de campo magnético 18 que ressona na mesma frequência ressonante.

[0030] A Figura 10 ilustra uma realização preferencial em que o elemento de focalizaçâo de campo acopla uma única bobina primária a uma pluralidade de bobinas secundárias. Por exemplo, o elemento de focalizaçâo de campo 156 exibe múltiplos lobos (153, 155, 157, 159) de distribuição de campo magnético quando submetido a múltiplas distribuições de corrente de ciclo (conforme ilustrado pelo numeral 100 na Figura 5). Na realização preferencial ilustrada, o sistema de transferência de energia sem contato 152 inclui o elemento de focalizaçâo de campo 156 configurado para acoplar uma primeira bobina 154 e pelo menos duas ou mais segundas bobinas 158 - 162. As segundas bobinas 158 - 162 são individualmente acopladas a diversas cargas. Tal configuração permite a transferência de energia a partir de uma fonte de energia para múltiplas cargas de maneira simultânea.

[0031] A Figura 11 ilustra uma realização preferencial em que pelo menos uma das bobinas e/ou o elemento de focalizaçâo de campo gira ao longo de um eixo geométrico de simetria O sistema de transferência de energia sem contato 166 inclui um eixo geométrico de rotação 168 ao longo do qual pelo menos uma a primeira bobina 170, a segunda bobina 172 e o elemento de focalizaçâo de campo 174 são configurados para girar. Na realização preferencial ilustrada, a primeira bobina 170 é fixa e a segunda bobina 172 e o elemento de focalizaçâo de campo 174 são montados em um eixo giratório 176. Em uma realização preferencial, durante uma operação, o elemento de focalização de campo magnético giratório 174 é configurado para focalizar o campo ao longo do eixo geométrico de rotação acoplamento a primeira bobina estacionária 170 e a segunda bobina giratória 172.

[0032] A Figura 12 ilustra uma matriz passiva de ressonadores, de acordo com uma realização preferencial da invenção. A matriz de ressonadores 180 inclui múltiplos ressonadores individuais 182-190, de modo que cada ressonador seja configurado para ter uma distribuição de corrente de onda estacionária diferente, por exemplo, meio ciclo, um ciclo completo ou múltiplos ciclos. Em uma realização preferencial, o ressonador 182 é configurado para ter distribuição de corrente de múltiplos ciclos na frequência ressonante para produzir quatro lobos de distribuição de campo magnético, conforme anteriormente discutido na Figura 10. Consequentemente, quatro ressonadores 184-190 se situam ao redor do ressonador 182, de modo que cada ressonador 184-190 seja magneticamente acoplado ao ressonador central 182. Os ressonadores 184-190 são adicionalmente configurados para ter distribuição de corrente de ciclo único na mesma frequência ressonante, de modo que a soma de vetor destes quatro campos possa ser um campo magnético aumentado focalizado em uma direção axial 192.

[0033] De maneira vantajosa, os sistemas de transferência de energia sem contato, conforme descrito em determinadas realizações no presente documento são configurados para incluir os elementos de focalização de campo e são menos sensíveis às variações na carga como a frequência de ressonância de tais sistemas são determinados pela estrutura do elemento de focalização de campo e independente dos parâmetros de circuito e carga nas bobinas primária e secundária. A eficiência de um sistema de transferência de energia sem contato baseado em acoplamento indutivo ressonante típico é sensível às variações na carga. À medida que a carga varia em tais sistemas indutores, a frequência de ressonância do circuito secundário é alterada e causa desalinhamento de impedância que resulta na capacidade e eficiência de transferência de energia reduzida. Conforme descrito no presente documento, o elemento de focalização de campo pode ser usado para aumentar a focalização e eficiência de campo magnético do sistema de transferência de energia sem contato. Ademais, um único ressonador ou uma matriz de ressonadores, conforme anteriormente discutido, pode incluir múltiplas freqüências de ressonância para permitir a transferência de energia e/ou dados em ambos ou cada uma das freqüências de ressonância. Por exemplo, uma frequência pode ser usada para transferir a energia a partir da bobina primária até a bobina secundária para energizar o equipamento conectado à bobina secundária e outra frequência pode ser usada para transmitir um sinal de dados entre a bobina primária e a bobina secundária. A transmissão de energia e dados pode ser simultaneamente atingida através da bobina primária, elemento de focalização de campo e bobina secundária.

[0034] Embora apenas determinados recursos da invenção tenham sido ilustrados e descritos no presente documento, muitas modificações e alterações irão ocorrer para aqueles técnicos no assunto. Portanto, deve-se entender que as reivindicações em anexo são destinadas a cobrir todas as tais modificações e alterações que se encontrem dentro do escopo da invenção.

Claims

1. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO (10) que compreende: uma primeira bobina (12) acoplada a uma fonte de energia (14) e configurada para produzir um campo magnético; uma segunda bobina (16) configurada para receber energia a partir da primeira bobina (12) através do campo magnético; e um elemento de focalização de campo (18) disposto entre a primeira bobina (12) e a segunda bobina (16) e configurado como uma bobina auto-ressonante que tem uma distribuição de corrente de onda estacionária, o sistema sendo caracterizado pelo elemento de focalização de campo (18) compreender uma pluralidade de ressonadores (66 - 77) disposta em uma matriz, em que cada um da pluralidade de ressonadores (66 - 77), por excitação, interfere de maneira construtiva na direção da segunda bobina (16) e interfere de maneira destrutiva no espaço, o elemento de focalização de campo (18) sendo configurado para focalizar o campo magnético sobre a segunda bobina (16) e aumentar o acoplamento entre a primeira bobina (12) e a segunda bobina (16).

2. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente uma ou mais segunda bobinas (16) configuradas para receber potência da primeira bobina (12).

3. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pela primeira bobina (12) ser acoplada a uma fonte de energia (14) e a segunda bobina (16) ser acoplada a uma fonte de carga (20).

4. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela pluralidade de ressonadores (66 - 77) ser excitada na fase diferente para focalizar o campo magnético na segunda bobina (16).

5. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por um campo magnético total focalizado na segunda bobina (16) ser uma adição vetorial dos campos magnéticos da pluralidade de ressonadores (66 - 77) excitados em diferentes fases.

6. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela pluralidade de ressonadores (66 - 77) ser configurado para operar a duas ou mais frequências ressonantes únicas simultaneamente.

7. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO (10), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelas duas ou mais frequências ressonantes únicas serem configuradas para transferir simultaneamente sinais de energia e dados.

8. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pela pluralidade de ressonadores (66 - 77) ser configurada para operar em duas ou mais frequências ressonantes únicas para transferência bidirecional de energia, dados e uma combinação dos mesmos simultaneamente.

9. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pela pluralidade de ressonadores (66 - 77) estarem dispostos dentro de pelo menos um dentre um meio dielétrico, um meio magnético ou um meio magneto-dielétrico.

10. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por pelo menos um dentre a primeira bobina (12), a segunda bobina (16) ou o elemento de focalização de campo (18) estar configurado para girar um em relação ao outro ao longo de um eixo de rotação.

11. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA SEM CONTATO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo elemento de focalização de campo (18) ser adicionalmente configurado para focalizar o campo magnético ao longo do eixo de rotação.