BRPI1101998A2

BRPI1101998A2 - sistema de transferência de energia

Info

Publication number: BRPI1101998A2
Application number: BRPI1101998-0A
Authority: BR
Inventors: Kalaga Murali Krishna; Adnan Kutubuddin Bohori; Lohit Matani; Somakumar Ramachandrapanicker; Suma Memana Narayana Bhat; Jay Chakraborty
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2012-12-04
Also published as: JP2011239671A; JP5813364B2; US20110278941A1; SG176378A1; US8968609B2; EP2386531A1; EP2386531B1; EP3116002A1; CN102340185A; BRPI1101998B1; CN102340185B; EP3116002B1

Abstract

SISTEMA DE TRANSFERêNCIA DE ENERGIA Um sistema de transferência de energia sem contato é propQStO. O sistema de transferência de energia compreende um elemento de focalização de campo que compreende um material dielétrico. O material dielétrico compreende uma composição que é selecionada a partir da família de (Ba,Sr)TiO~ 3~ ou CaCu~ 3~Ti~ 4~O~ 12~. As composições de (Ba, Sr)TiO~ 3~ incluem os materiais como Ca~ 1~-~ x~- ~ y~Ba~ x~Sr~ y~Ti~ 1~-~ z~Cr~ z~O~ 3-<syn> em que O < x < 1; O < y < 1; 0 <243> z <243> 0,01; 0 <243> <syn> <243> 1; e 0 <243>p<243>1. As composições de CaCu3Ti4Oi2 incluem os materiais como Cav~ 1-x-y-Ba~ x~Sr~ y~ (Cal.~ 1-z~Cu~ z~)Cu~ 2~Ti~ 4-<syn>Al<syn>O~ 12-0,5<syn>, em que O <243>x< 0,5; O <243>y < 0,5; 0 <243>z<243> 1; e O <243><syn> <243> 0,1.

Description

"SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA" Referência cruzada a pedidos relacionados

Este pedido é relacionado ao Pedido de Patente US co-pendente, Número de Advogado 238312-1, Número de série, 12/778166, intitulado "DIELECTRIC MATERIALS FOR POWER TRANSFER SYSTEM" depositado simultaneamente a este, cujo pedido está aqui incorporado a título de referência.

Antecedentes A invenção refere-se, em geral, a sistemas de transferência de energia e, em particular, a sistemas de transferência de energia sem contato baseados em ressonância.

Em certos pedidos, onde a transferência de energia instantânea ou contínua é necessária, mas fios interconectados são inconvenientes, a transferência de energia sem contato é desejável. Um método de transferência de energia sem contato é um método de indução eletromagnética.que funciona- no princípio de uma bobina transformadora primária gera um campo magnético dominante e uma bobina transformadora secundária nas proximidades da bobina transformadora primária gera uma voltagem correspondente. O campo magnético recebido pela bobina transformadora secundária diminui conforme a 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.

Outro método de transferência de energia sem contato procura aumentar a eficiência da transferência de energia indutora por acoplamento indutor ressonante. Os elementos transmissor e receptor ressonam na mesma freqüência e ~â indução máxima ocorre na freqüência ressonante. Entretanto, tal indução ressonante é sensível a variações de carga e intervalo.

Há uma necessidade por um sistema de transferência de energia sem contato eficiente que possa operar com bobinas separadas por distâncias mais longas do que as atualmente aceitáveis e seja eficiente quando submetido ao alinhamento incorreto ou variações de carga. Além disso, há uma necessidade por materiais acomodados e eficientes, que tenham altas propriedades dielétricas e baixos fatores de perda dielétrica que possam ser usados nos sistemas de transferência de energia nas faixas de freqüência exigidas.

Breve Descrição

Brevemente, em uma modalidade, um sistema de transferência de energia é fornecido. O sistema de transferência de energia compreende um elemento de focalização de campo que compreende um material dielétrico. O material dielétrico compreende uma composição com a <formula>formula see original document page 3</formula>

Em uma modalidade, um sistema de transferência de energia é fornecido. O sistema de transferência de energia compreende uma primeira bobina acoplada a uma fonte de energia e uma segunda bobina acoplada a uma carga; e um elemento de focalização de campo que compreende um material dielétrico e é disposto entre a primeira bobina e a segunda bobina. O material dielétrico compreende uma composição com a <formula>formula see original document page 3</formula>

Em outra modalidade, um sistema de transferência de energia é fornecido. O sistema de transferência de energia compreende um elemento de focalização de campo que compreende um material dielétrico. O material dielétrico compreende <formula>formula see original document page 4</formula>

Em uma modalidade, um sistema de transferência de energia é fornecido. O sistema de transferência de energia compreende uma primeira bobina acoplada a uma fonte de energia e uma segunda bobina acoplada a uma carga e um elemento de focalização de campo disposto entre a primeira bobina e a segunda bobina. O elemento de focalização de campo compreende um material dielétrico de modo que o material dielétrico compreenda <formula>formula see original document page 4</formula>

Em uma modalidade, um sistema de transferência de energia é fornecido. O sistema de transferência de energia compreende uma primeira bobina acoplada a uma fonte de energia, uma segunda bobina acoplada a uma carga, e um elemento de focalização de campo disposto entre a primeira bobina e a segunda bobina. O elemento de focalização de campo compreende um material dielétrico, em que o material dielétrico compreende <formula>formula see original document page 4</formula>

Desenhos

Estas e outras características, aspectos, e vantagens da presente invenção se tornarão mais bem compreendidas quando a seguinte descrição detalhada for lida com referência aos desenhos em anexo nos quais caracteres similares representam partes similares pelos desenhos, em que:

A Figura 1 ilustra um sistema de transferência de energia sem contato exemplificador de acordo com uma modalidade da invenção;

A Figura 2 ilustra um elemento de focalização de campo exemplificador de acordo com uma modalidade da invenção;

A Figura 3 ilustra múltiplas estruturas de elementos de focalização de campo exemplificadoras de acordo com várias modalidades da invenção;

A Figura 4 ilustra uma modalidade em que uma pluralidade de ressonadores são dispostos em um arranjo e implementados como um elemento de focalização de campo; e

A Figura 5 ilustra múltiplas estruturas de materiais de encaixe exemplificadoras de acordo com uma modalidade da invenção.

Descrição Detalhada As modalidades da presente invenção incluem sistemas de transferência de energia e os materiais dielétricos que podem ser usados para os sistemas de transferência de energia. No relatório descritivo a seguir e nas reivindicações que seguem,

as formas singulares "um", "uma" e "o", "a" incluem plurais referentes a não ser que o contexto estabeleça de outra forma.

Sistemas de transferência de energia sem contato são, tipicamente, caracterizados pela transferência de energia a curta distância entre bobinas primária e secundária. Por exemplo, uma modalidade de um sistema de transferência de energia indutora usa uma bobina primária e uma bobina secundária para transferir energia entre dois circuitos em isolamento galvânico. Um campo magnético é estabelecido em volta da bobina primária quando acoplada a uma fonte de energia. A quantidade de energia transferida da bobina primária para a bobina secundária é proporcional ao nível de campo magnético primário que liga a bobina secundária. Os transformadores elétricos usam núcleos magnéticos de alta permeabilidade para ligar o campo magnético entre bobinas primária e secundária e, portanto, alcança as eficiências na ordem de pelo menos cerca de 98%. Entretanto, quando tais sistemas são configurados para a transferência de energia sem contato, o intervalo de ar entre as duas bobinas reduz o acoplamento do campo magnético. Tal acoplamento reduzido afeta a eficiência de sistemas de transferência de energia sem contato.

Certas modalidades apresentadas aqui fornecem um sistema de transferência de energia sem contato robusto com sensibilidade reduzida às variações de carga, transferência de energia eficiente durante o alinhamento incorreto das bobinas, e uma estrutura de focalização de campo que melhora a eficiência de transferência de energia.

A Figura 1 ilustra um exemplo de um sistema de transferência de energia sem contato 10 de acordo com uma modalidade da invenção, incluindo 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 da primeira bobina 12. Conforme usado aqui, o termo "primeira bobina" também pode ser chamado de uma "bobina primária,!' e o termo "segunda bobina" também pode ser chamado de uma "bobina secundária." As bobinas primária e secundária podem ser feitas de quaisquer materiais condutores elétricos bons como, por exemplo, cobre. O elemento de focalização de campo 18 está disposto entre a primeira bobina 12 e a segunda bobina 16 para focalizar o campo magnético da fonte de energia 14. Em outra modalidade, o elemento de focalização de campo pode ser usado para focalizar os campos elétricos e/ou os campos eletro-magnéticos. Os termos "elemento de focalização de campo magnético" e "elemento de focalização de campo" são usados intercambiavelmente. Em uma modalidade, 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 modalidade, o elemento de focalização de campo magnético inclui múltiplos ressonadores que operam como um arranjo ativo ou um arranjo passivo e cada ressonador é configurado como uma bobina auto-ressonante com uma distribuição de corrente de onda estacionária. Em ainda outra modalidade, o elemento de focalização de campo magnético inclui múltiplo conjuntos de ressonadores, sendo que cada conjunto de ressonador é excitado em uma fase particular. Pode ser apreciado que, ao excitar os conjuntos dos ressonadores através de fases diferentes, a focalização de campo pode ser melhorada em uma direção desejada.

O elemento de focalização de campo magnético 18 é, ainda, configurado para focalizar o campo magnético na segunda bobina 16 melhorando o acoplamento entre a primeira bobina 12 e a segunda bobina 16. Em uma modalidade, uma distribuição de campo magnético não uniforme é desenvolvida em volta do elemento de focalização de campo magnético 18 ao criar uma distribuição de corrente de onda estacionária no elemento de focalização de campo18. Na-modalidade ilustrada, o-elemento de focalização de campo 18 é colocado mais próximo à primeira bobina 12 como um exemplo. Pode, também, ser vantajoso, em certos sistemas, colocar o elemento de focalização de campo 18 mais próximo à segunda bobina 16. Uma carga 20 é acoplada à segunda bobina 16 para utilizar a energia transferida da fonte de energia 14. Em certas modalidades, o sistema de transferência de energia sem contato 10 também pode ser configurado para simultaneamente transferir energia da segunda bobina para a primeira bobina de modo que o sistema seja capaz de uma transferência de energia bidirecional. Exemplos não limitadores de cargas potenciais incluem um bulbo, uma bateria, um computador, um sensor, ou qualquer dispositivo que exija energia elétrica para a operação.

O sistema de transferência de energia sem contato 10 pode ser usado para transferir energia da fonte de energia 14 para a carga 20. Em uma modalidade, a fonte de energia 14 compreende um gerador de energia AC de fase única ou gerador de energia AC de três fases em combinação com eletrônicos de conversão de energia para converter a energia AC para uma freqüência mais alta. Quando a primeira bobina 12 é excitada na freqüência ressonante de elemento de focalização de campo magnético 18, uma distribuição de corrente de onda estacionária é desenvolvida no elemento de focalização de campo magnético 18 entre duas extremidades abertas (22, 24) do elemento de focalização de campo. A distribuição de corrente de onda estacionária leva à distribuição de campo magnético não uniforme em volta do elemento de focalização de campo magnético 18. Tal distribuição de corrente não uniforme é configurada para focalizar o campo magnético em qualquer direção desejada, como, em uma direção da segunda bobina 16 nesse exemplo. Ao operar à freqüência de ressonância, mesmo uma pequena excitação ao elemento de focalização de campo magnético 18 produz uma grande amplitude de distribuição de corrente ao longo do comprimento 25 do elemento de focalização de campo magnético. Essa 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 de transferência de energia.

A Figura 2 ilustra um exemplo de um elemento de focalização de campo de acordo com uma modalidade da invenção. Dentre as várias estruturas que podem ser implementadas como o elemento de focalização de campo magnético 18 na Figura 1, uma estrutura tal é ilustrada na Figura 2. Na modalidade ilustrada, o número de referência 30 é uma estrutura de focalização de campo chama aqui de uma "estrutura Ômega" e opera em uma faixa de alguns megahertz. A "estrutura Ômega" permite a alta capacitância e indutância e também permite uma permeabilidade negativa em freqüência quase ressonante. A permeabilidade negativa ajuda com a resposta de campo dominante e é muito eficaz no controle do campo magnético. A freqüência de ressonância de tais estruturas pode ser controlada ao variar o número de vezes (32, 34, 36), o intervalo entre às vezes (38), e a largura da espiral (40). Comum perímetro aumentado, se comparado à estrutura espiral, a "estrutura Ômega" exige um tamanho estrutural reduzido para operar a uma freqüência de ressonância mais baixa.

A Figura 3 ilustra exemplos múltiplos de estruturas para elementos de focalização de campo de acordo com várias modalidades da invenção. Em uma modalidade, o elemento de focalização de campo inclui uma bobina de laço único 50. Em outra modalidade, o elemento de focalização de campo inclui múltiplas vezes como em uma estrutura de anilha dividida 52, estrutura em espiral 54, estrutura em Rolo suiço 56, ou bobina helicoidal 58. A seleção de uma estrutura para uma aplicação particular é determinada pelo tamanho e pela freqüência de auto-ressonância do elemento de focalização de campo. Por exemplo, em aplicações de baixa energia (menos que cerca de 1 Watt, por exemplo), uma freqüência de ressonância de até cerca de 1000 MHz é possível. Em aplicações de alta energia (de cerca de cem Watts a cerca de 500 kilowatts, por exemplo), a freqüência de ressonância da ordem de algumas centenas de kHz é possível.

A Figura 4 ilustra uma modalidade onde uma pluralidade de ressonadores são dispostos em um arranjo e implementados como um elemento de focalização de campo. Um arranjo de ressonadores constitui múltiplas bobinas de ressonador, dispostas em uma disposição de arranjo particular, como um arranjo linear ou plano, que são excitadas com uma relação de fase específica. 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 de ressonadores no arranjo interferem construtivamente (adicionam) em uma direção desejada para alcançar a focalização de campo magnético e interfere destrutivamente (cancelam um ao outro) no espaço remanescente. Em outra modalidade, os ressonadores são dispostos em pelo menos um dentre os arranjos linear, circular, plano ou tri-dimensional. Na modalidade ilustrada, os ressonadores individuais 70-74 são dispostos em uma fileira e quatro dessas fileiras 66 a 69 são dispostas uma abaixo da outra. Os ressonadores individuais que são parte do arranjo 64 são coletivamente configurados para pelo menos uma ou mais freqüências ressonantes. Em uma modalidade particular, todos os ressonadores individuais do arranjo são idênticos no escopo normal da variação esperada para a fabricação e outras fontes comuns de variação. Em uma modalidade do sistema de transferência de energia da presente invenção, o ressonador do elemento de focalização de campo 18 pode ser feito de materiais dielétricos na forma de, por exemplo, ressonadores de cavidade dielétricos. Os materiais dielétricos usados no elemento de focalização de campo têm, desejavelmente, uma constante dielétrica alta (permissividade dielétrica, ε) e tangente de perda baixa. A constante dielétrica- alta ajuda a alcançar a baixa freqüência de ressonância com as dadas dimensões menores do ressonador enquanto a tangente de perda baixa é desejável manter as perdas dielétricas dentro de limites aceitáveis.

Em uma modalidade, o elemento de focalização de campo 18 compreende uma bobina auto-ressonante que focaliza o campo magnético mediante a excitação à freqüência ressonante. O ressonador é uma bobina auto-ressonante de qualquer formato cuja freqüência auto-ressonante depende da auto-capacitância e da auto-indução. A freqüência de auto-ressonância da bobina é dependente dos parâmetros geométricos da bobina. Por exemplo, no caso de uma bobina de ressonador helicoidal, a freqüência de ressonância é tal que o comprimento como um todo dá hélice é meio comprimento de onda ou múltiplos meio comprimentos de onda de excitação eletromagnética. Como conseqüência, o projeto desses ressonadores a baixas freqüências é desafiador graças às limitações de espaço. Um dos métodos de miniaturizar o tamanho dos ressonadores é embutir o ressonador em um meio de constante dielétrica alta.

Em uma modalidade, um ressonador ou um arranjo de ressonadores do elemento de focalização de campo 18 é embutido em um material que tem uma constante dielétrica alta ou um material magnético que tem alta permeabilidade ou meio magneto-dielétrico que tem alta permissividade dielétrica e alta permeabilidade magnética para alcançar a freqüência ressonante mais baixa com um ressonador de dimensões menores. O material de alta permeabilidade aumenta a auto-indução do ressonador e o material de alta permissividade melhora a auto-capacitância dos ressonadores par reduzir a freqüência de ressonância. Em outra modalidade, os materiais de alta permeabilidade também são configurados para aumentar o acoplamento entre a bobina primária e o elemento de focalização de campo, e entre o elemento de focalização de -campo e a bobina secundária: A constante dielétrica alta do material para embutir ajuda na diminuição da faixa de freqüência operacional dos ressonadores. O efeito da constante dielétrica na redução de freqüência é apresentada na Tabela 1.

<table>table see original document page 11</column></row><table>

Quando o ressonador é embutido no meio dielétrico, uma capacitância de inter-vez entre as voltas da bobina aumenta que, por sua vez, ajuda a reduzir a freqüência ressonante do ressonador. Com a constante dielétrica alta, a redução de tamanho do ressonador é possível em grandes dimensões. Outra vantagem da constante dielétrica alta é o confinamento do campo elétrico no ressonador, melhorando a eficiência da transferência de energia conforme as perdas de radiação são diminuídas. Mas um dos critérios de projeto cruciais da seleção do material com constante dielétrica alta é a tangente de perda daquele material na freqüência de operação. A tangente de perda dielétrica garante a máxima eficiência de acoplamento. Se a tangente de perda for alta, a perda na forma de calor será alta no ressonador. A questão da perda de calor é importante quando os níveis de energia estão altos. Para níveis de energia mais baixos, os valores de tangente de perda altos são aceitáveis. Uma constante dielétrica alta e uma tangente de perda extremamente baixa de material dielétrico é desejável na aplicação onde os níveis de energia são de mais de um kW. A constante dielétrica alta ajuda a alcançar os ressonadores miniturizados a freqüências de centenas de kHz e a tangente de perda baixa ajuda a reduzir as perdas no dielétrico. Sistemas de transferência de energia capacitados através de

materiais de constante dielétrica alta e de tangente de perda baixa que têm aplicações incluindo carregador de veículos elétricos, transferência de energia a carga de rotação, carregamento sem contato de veículos de mineração; onde os níveis de transferência de energia estão na ordem de alguns kW. Os sistemas de transferência de energia que têm constante dielétrica alta e materiais dielétricos de perdas altas podem ser usados em aplicações como conectores submarinos, onde os níveis de energia são de alguns miliwatts.

Os materiais de constante dielétrica alta com formatos diferentes podem atuar como elementos de focalização de campo. Por exemplo, uma disco dielétrico circular de constante dielétrica alta pode atuar como um ressonador a certas freqüências. A freqüência ressonante nesse caso é determinada pela configuração geométrica do ressonador. Exemplos não limitadores dos diferentes formatos dos ressonadores que podem ser usados como elementos de focalização de campo são dados na Figura 5. O elemento de focalização de campo 18 pode ser empilhado como ressonadores de multi- camada para render múltiplas freqüências ressonantes. Esse tipo de configuração ajuda a transferência de energia multidirecional na qual um dos canais pode ser usado para a transferência de energia e os outros canais podem ser usados para a transmissão de dados de baixa energia entre dispositivos diferentes.

O material de constante dielétrica alta também pode ser usado como um revestimento de filme fino ou de flime espesso em uma superfície metálica para criar estruturas de focalização de campo como estrutura de rolo suíço 56. A constante dielétrica alta entre as diferentes camadas do rolo suiço aumenta a capacitância da estrutura e, através disso, reduz a freqüência consideravelmente.

Os materiais como, mas não se limitando a, titanato de cobre e cálcio e titanato de estrôncio e bário são exemplos-de materiais que exibem uma constante dielétrica alta. Em uma modalidade, o material dielétrico é usado como um material a granel. O termo "material a granel" conforme usado aqui indica qualquer material que tenha uma estrutura tridimensional com todo os lados maiores do que cerca de 1 mm. Em uma modalidade, os materiais dielétricos são usados como revestimentos. O revestimento pode estar em uma forma de filme fino ou em uma forma de filme espesso. Conforme usado aqui, um "filme fino" tem uma espessura de menos que cerca de 100 micra, enquanto um filme espesso tem uma espessura de cerca de cem micra a cerca de um milímetro.

Em uma modalidade, uma combinação de materiais pode ser usada para embutir os ressonadores. Por exemplo, uma mistura de dois ou mais materiais que têm uma constante dielétrica alta ou dois ou mais materiais que têm alta permeabilidade pode ser usada como o material para embutir. Em outra modalidade, uma mistura de dois ou mais materiais, cada um tendo uma constante dielétrica alta ou uma permeabilidade alta podem ser usados como o material para embutir.

Titanato de estrôncio e bário - (Ba, Sr)Ti03 - e titanato de cobre e cálcio - CaCu3TÍ40i2 - têm estruturas de cristal diferentes e apresentam características dependentes de temperatura diferentes. Por exemplo, (Ba, Sr)Ti03 pertence a uma família perovskita e é um material ferroelétrico com uma transição de estrutura de cristal de cúbica a tetragonal acerca da temperatura de cerca de 120°C. CaCu3Ti4Oi2 não é um material ferroelétrico e tem uma estrutura cúbica centrada em corpo (b.c.c). Os fatores que influenciam nas propriedades dielétricas como a constante dielétrica e tangente de perda dielétrica nos sistemas (Ba, Sr)Ti03 e CaCu3Ti4Oi2 podem, também, ser diferentes. Por exemplo, acredita-se que a geração e a ordenação dos dipolos é uma razão para a ferroeletricidade e a constante dielétrica alta no sistema (Ba, Sr)Ti03, enquanto pensa-se que o sistema CaCu3Ti4Oi2 tem os efeitos surgindo da capacitância de camada de barreira ao ter contornos de grão isolante e grãos semi-condutores.

Em uma modalidade, é desejável usar materiais dielétricos cujas propriedades dielétricas como a constante dielétrica e a tangente de perda sejam substancialmente estáveis em uma determinada faixa de freqüência das aplicações desejadas. O termo "substancialmente estável" significa, aqui, que a mudança nos valores não leva a mais que cerca de 10% da variação de desempenho do sistema de transferência de energia. Portanto, o valor exigido e a largura das faixas de freqüência podem variar, dependendo das aplicações para as quais o elemento de focalização de campo é usada. Em uma modalidade, a faixa de freqüência desejada é de cerca de 100Hz a cerca de 100 MHz. Em algumas modalidades, a faixa de freqüência desejada é de cerca de 1kHz a cerca de 100 kHz. Em outra modalidade, a faixa de freqüência desejada é de cerca de 100 kHz a cerca de 1 MHz. Em mais uma modalidade, a faixa de freqüência desejada é de cerca de 1 MHZ a cerca de 5 MHz.

Os materiais que têm uma tangente de perda dielétrica baixa junto com uma constante dielétrica alta funcionarão eficientemente ao aumentar a auto-capacitância dos ressonadores quando usados como os materiais para embutir ou como ressonadores de cavidade, se comparado aos materiais que têm uma constante dielétrica baixa e tangente de perda alta. Portanto, os materiais que têm ambas uma constante dielétrica alta e uma tangente de perda dielétrica baixa na freqüência da operação dos ressonadores são desejáveis para serem usados no elemento de focalização de campo 18.

Um material dielétrico a ser usado em um elemento de focalização de campo 18 do sistema de transferência de energia exigiria, em geral, uma constante dielétrica alta que fosse igual ou maior que cerca de 100 e uma tangente de perda que fosse a mais baixa o possível. Em uma modalidade, uma tangente de perda igual ou menor que cerca de 0,T pode ser aceitável para um material dielétrico a ser usado no elemento de focalização de campo. Em uma modalidade subsequente, uma tangente de perda igual ou menor que cerca de 0,01 é desejável para o material dielétrico.

Os inventores estudaram maneiras diferentes de melhorar as propriedades dielétricas desejáveis dos materiais dielétricos pertencentes aos sistemas (Ba, Sr)Ti03 e CaCu3TÍ40i2. Os diferentes métodos investigados para a melhoria de propriedade incluem, mas não se limitam a, dopagem com cátion, dopagem com ânion, dopagem de contorno do grão, incremento de densidade, formações de compósito e mudança das condições de sinterização, atmosferas de sinterização e aspectos estruturais e microestruturais.

Em conformidade, em uma modalidade, um sistema material com a fórmula <formula>formula see original document page 15</formula> é fornecido para o uso, por exemplo, no elemento de focalização de campo 18 do sistema de transferência de energia descrito acima. Esse sistema será daqui por diante chamado de "sistema de material BST" para fins de simplicidade. Conforme usado aqui, o termo 'maior que zero' denota que o componente intencionado é intencionalmente adicionado, em vez de uma quantidade incidental que possa estar presente como uma impureza. Conforme usado aqui, pontos finais das faixas incluem variações incidentais acima e abaixo do número declarado, conforme é apropriado para a medição normal e variações de processo. Em uma modalidade, um sistema de transferência de energia é apresentado como compreendendo sistema de material BST como um material dielétrico.

Em uma modalidade, um sistema material com a fórmula <formula>formula see original document page 16</formula> é apresentado para uso, por exemplo, no elemento de focalização de campo 18 do sistema de transferência de energia descrito acima. Esse sistema será, daqui em diante, chamado de~"sistema de material CCT" por fins de simplicidade. Conforme usado aqui no sistema de material CCT, a fórmula <formula>formula see original document page 16</formula> é uma fórmula teórica que inclui as misturas e compostos que estão na razão especificada a ser denotada por essa fórmula, e não necessariamente significa que um único composto exista em uma forma que possa ser identificada por técnicas de caracterização padrão. Resumindo, um material especificado pela fórmula acima pode, na verdade, existir como múltiplas fases que, tomadas coletivamente, têm uma composição geral conforme especificada pela fórmula. Em uma modalidade, um sistema de transferência de energia é apresentado que compreende um sistema de material CCT como um material dielétrico.

Em geral, encontrou-se que os cátions dopantes aumentam a resistência do contorno do grão ao absorver as vacâncias de oxigênio e, por meio disso, diminuem amas a constante dielétrica e a tangente de perda. Ao realizar dopagem no sítio de cátion, o cátion dopado é reduzido ao absorver a densidade de elétron no contorno do grão, diminuindo, assim, a condução do contorno do grão, levando, portanto, à diminuição na constante dielétrica e perda.

Em geral, ao realizar dopagem no sítio de ânion, o cátion da gelosia é reduzida através da absorção da densidade de elétron, criando, assim, falhas planares isolantes nos grãos. As falhas planares isolantes podem reduzir a resistividade elétrica da barreira interna dos grãos e, por meio disso, diminuir a perda dielétrica. No Sistema de material BST, os níveis de bário e estrôncio estavam variados e foram estudados por seus efeitos em propriedades dielétricas favoráveis. Portanto, em uma modalidade, um sistema de transferência de energia que compreende um sistema de material BST é fornecido de modo que 0,3 < x. Portanto, nessa modalidade, o nível de bário é igual ou maior que cerca de 0,3. Em uma-modalidade=adicional, χ +~y = 1? Portanto, nessa modalidade, o sistema de material BST não contém outros dopantes nos sítios de bário ou estrôncio. Em uma modalidade, o nível de estrôncio no sistema de material BST é tal que 0,4 < y < 1. Portanto, nessa modalidade, o nível de estrôncio é sempre igual ou maior que cerca de 0,4. Exemplos dos sistemas de material BST acima incluem, mas não se limitam a, Ba0,3Sr0,7TiO3 e Ba0,4Sr0i6TiO3.

Em uma modalidade do sistema de transferência de energia com um sistema de material BST, o bário ou estrôncio do sistema de material BST são parcialmente substituídos por cátions como cálcio para melhorar as propriedades dielétricas favoráveis. Em uma modalidade, um sistema de material BST é tal que 0,9 < χ + y < 1. Portanto, nessa modalidade, o sistema de material BST contém outro dopante nos sítios de bário ou estrôncio, mas o valor do dopante é sempre igual ou menor que cerca de 0,1. Exemplos dos sistemas de material BST acima incluem, mas não se limitam a Bao.ssSro^oCao.osTiOs e Bao,5Sro,4Cao,iTi03.

Em uma modalidade do sistema de transferência de energia com um sistema de material BST, o titânio é parcialmente substituído por cromo, o que pode ajudar a diminuir a tangente de perda. Em uma modalidade, o cromo é substituído por menos que cerca de 2 % atômicos do titânio no sistema de material BST. Em uma modalidade subsequente, a substituição do cromo está na faixa de cerca de 0,01 % atômico a cerca de 1 % atômico. Portanto, nessa modalidade, a quantidade ζ na fórmula acima varia entre cerca de 0,0001 e cerca de 0,01. Em outra modalidade, a substituição de cromo esta na faixa de 0,2 % atômico a cerca de 1 % atômico de titânio com o valor ζ variando entre cerca de 0,002 e cerca de 0,01. Em uma modalidade, em um sistema de material BST, ζ > 0, e δ e ρ são ambos iguais a 0. Nessa modalidade, o sistema de material BST compreende substituições de cátion, mas não substituições de ânion. Exemplos dos sistemas de material BST incluem, mas não se limitam a Ba0,3Sr0,7Cr0,002TÍ0,998O3. em um sistema BST, quando o titânio é substituído por um cátion trivalente, como cromo no exemplo acima, o nível de oxigênio também pode mudar estequiometricamente. Como no exemplo acima, o 20 número de átomos de oxigênio pode ser 2,999, em vez de 3, para acomodar a substituição de 0,002 átomos de cromo. Em uma modalidade adicional, no sistema de material BST, o bário ou estôncio é parcialmente substituído por cátions como cálcio ou lantânio; e o titânio é parcialmente substituído por cromo. Os exemplos dos sistemas de material BST incluem, mas não se 25 limitam a Bao.ssSro^Cao.sCro.oc^Tio.ggeOs. A Tabela 2 abaixo representa alguns exemplos do sistema de material BSTs e suas propriedades dielétricas com níveis de bário e estrôncio variantes e com alguns dopantes de cátion. <table>table see original document page 19</column></row><table> Em uma modalidade do sistema de transferência de energia com um sistema de material BST1 o oxigênio é parcialmente substituído por nitrogênio através de dopagem com ânion. Nitrogênio e flúor são dois exemplos de dopantes de ânion usados para substituir o oxigênio. Em uma modalidade, o nitrogênio é substituído de modo que 0<6<1;e0<p<1 no sistema de material BST. Portanto, em uma modalidade, a'substituição de ânion é tal que cerca de 25% ou menos de oxigênio no sistema de material BST são substituídos por nitrogênio. Em uma modalidade, dependendo das condições de processo, o nitrogênio está em um estado de oxidação de -3 enquanto substitui o oxigênio no sistema de material BST. Em uma modalidade, o nitrogênio é substituído de forma que 0 < δ < 1 e 0 < ρ < 0,8. Em uma modalidade, a substituição de nitrogênio substitui menos que cerca de 10 % atômico de oxigênio no sistema de material BST. Em uma modalidade, o nitrogênio é substituído de modo que 0,1 < δ < 0,8 e 0,1< ρ < 0,8. Em uma modalidade, o oxigênio é substituído por flúor em vez de nitrogênio de modo que 0<5<1;ep = 0. Em uma modalidade adicional, o oxigênio é substituído por flúor em vez de nitrogênio, de modo que 0,1 <δ< 1; e ρ = 0. Em outra modalidade, o oxigênio é substituído por ambos nitrogênio e flúor em uma condição tal que 0,1 < δ < 0,5 e 0,05 < ρ < 0,3. Em uma modalidade do sistema de transferência de energia com um sistema de material BST, o oxigênio é substituído por outro ânion, de modo que <formula>formula see original document page 20</formula> sejam ambos maiores que 0. Portanto, nessa modalidade, as substituições de ânion são conduzidas na ausência da substituição de cátion. Um sistema de material BST com a composição Baoi3Sroi7TiO2i8NoiI3 é apresentado como exemplo. O material supracitado mostra uma perda dielétrica extremamente baixa de cerca de 0,0001 com uma constante dielétrica adequada de cerca de 506 à freqüência de cerca de 2,5 MHz.

Em uma modalidade do sistema de transferência de energia, o sistema de material BST é dopado com ambos cátions e ânions. Em uma modalidade, titânio é parcialmente substituído por cromo e oxigênio é parcialmente substituído por nitrogênio de modo que <formula>formula see original document page 20</formula> sejam todos maiores que zero. Em um exemplo, um material com a composição Ba0i4Sroi6Croioo5Tio1995 0218No,i3 é apresentado, que demonstra uma tangente de perda de cerca de 0,003 com uma-constante dielétrica de cerca de~819 na freqüência de cerca de 3,13 MHz. Em uma modalidade adicional, <formula>formula see original document page 20</formula> são todos maiores que zero de modo que um dopante de cátion esteja presente no sítio de bário ou estrôncio, cromo substitui parcialmente o titânio, e o nitrogênio substitui parcialmente o oxigênio. A Tabela 3 fornece os valores dielétricos de alguns materiais dopados com ânion no sistema de material BST com e sem dopantes de cátion. <table>table see original document page 20</column></row><table> <table>table see original document page 21</column></row><table> Conforme apresentado antes, em uma modalidade, um sistema

de transferência de energia que compreende um elemento de focalização de campo 18 incluindo um sistema de material CCT é apresentado de modo que <formula>formula see original document page 21</formula>. Em uma modalidade, o sistema de material CCT compreende CaCuaTi4Oi2. Em outra modalidade, o sistema de material CCT compreende Ca2Cu2Ti4Oi2 que tem uma constante dielétrica maior que cerca de 3500 e uma tangente de perda menor que cerca de 0,07 a uma freqüência de cerca de 100 kHz.

Em uma modalidade, no sistema de transferência de energia que

compreende um sistema de material CCT, <formula>formula see original document page 21</formula>. Em outra modalidade, <formula>formula see original document page 21</formula>. Em uma modalidade adicional,<formula>formula see original document page 21</formula>. Portanto, nas modalidades acima, cálcio é parcialmente substituído por bário e / ou estrôncio. Um exemplo de um sistema de material CCT preparado com dopantes de bário e estrôncio e que demonstra propriedades dielétricas muito boas é Bao,oiSro,2Cao,79Cu3Ti4Oi2. Esse material tem valores de constante dielétrica e de tangente de perda substancialmente uniformes em uma faixa ampla de faixas de freqüência, que tornam esse material útil para uma aplicação que funcionará em uma faixa de freqüências variáveis. A constante dielétrica para o material Ba0,OiSr0,2Cao,79Cu3Ti4Oi2 esta na faixa de cerca de 4500-5000 e a tangente de perda esta na faixa de cerca de 0,06 a 0,08 para toda a faixa de freqüência de cerca de 1 kHz a cerca de 100 k Hz. O material é adequado para a transmissão de energia sem contato a qualquer freqüência na faixa de cerca de 1 kHz a 100 kHz.

Em uma modalidade do sistema de transferência de energia que compreende o sistema de material CCT para ser usado no elemento de focalização de campo <formula>formula see original document page 22</formula>são ambos iguais a zero <formula>formula see original document page 22</formula>, e o cobre é parcialmente substituído por outros cátions adequados como, por exemplo, lantânio. Em mais uma modalidade, o titânio é parcialmente substituído por ferro, alumínio, cromo, zicrônio, ou qualquer uma de suas combinações. Em uma modalidade, qualquer uma ou todas as substituições mencionadas coexistem.

Os exemplos apresentados abaixo mostram os diferentes sistemas de material CCT que podem ser usadas no elemento de focalização de campo 18 apresentado acima, junto com seus valores de constante dielétrica e de tangente de perda aproximados medidos. Enquanto alguns exemplos particulares são apresentados aqui, as variações nas combinações e níveis de dopante serão apreciadas pelo indivíduo versado na técnica.

Um exemplo de um sistema de material CCT que exibe propriedades dielétricas boas é CaCu3Ti4OT2. A -Tabela 4 lista algumas propriedades do material CaCu3Ti4Oi2dopado e puro.

<table>table see original document page 22</column></row><table> Em uma modalidade, no sistema de material CCT do elemento de

focalização de campo 18 do sistema de transferência de energia, todos entre <formula>formula see original document page 22</formula> são iguais a zero e o cobre é parcialmente substituído por outros cátions adequados como, por exemplo, lantânio. Em uma ou mais modalidades, o titânio é parcialmente substituído por ferro, alumínio, crômio, zircônio, ou qualquer uma de suas combinações. Em uma modalidade, qualquer uma ou todas as substituições acima coexistem.

Os exemplos apresentados abaixo mostram as diferentes modalidades apresentadas acima para um sistema de transferência de energia com um elemento de focalização de campo que compreende um sistema de material CCT1 junto com os valores de constante dielétrica e de tangente de perda aproximados medidos dos materiais. Enquanto alguns exemplos particulares são apresentados aqui, as variações nas combinações de dopante e níveis serão apreciadas pelo indivíduo versado na técnica.

Em uma modalidade, Ca2Cu2Ti4Oi2 é um material no sistema de material CCT do elemento de focalização de campo 18 com cerca de 33,3 % em mole de CaCu3Ti4Oi2 e cerca de 66,7 % em mole de CaTiO3. Esse material, na forma pura e forma dopada exibe algumas propriedades dielétricas boas, conforme pode ser visto a partir da Tabela 5.

<table>table see original document page 23</column></row><table> Em uma modalidade do sistema de transferência de energia, o

material dielétrico do elemento de focalização de campo compreende SrTiO3 junto com o sistema de material CCT. Um exemplo desse material dielétrico é <formula>formula see original document page 23</formula>. Essa combinação tem um valor de constante dielétrica maior que cerca de 7000 e o valor de tangente de perda menor que cerca de 0,09 na faixa de freqüência de cerca de 10 kHz a cerca de 35 kHz. Outro exemplo desse material dielétrico é <formula>formula see original document page 24</formula>. Essa combinação tem um valor de constante dielétrica maior que cerca de 9000 e o valor de tangente de perda menor que cerca de 0,09 na faixa de freqüência de cerca de 1 kHz a

cerca de 10 kHz.

Os inventores encontraram que a densidade dos materiais também tem um papel importante nas propriedades dielétrica dos materiais. Se a microestrutura dos materiais dielétricos é densa, os materiais compreendem menos poros de ar no corpo material. Ar normalmente tem uma constante dielétrica mais baixa que os materiais dielétricos e, portanto, é esperado que isso leve a uma constante dielétrica em geral mais baixa, quando presente no material. Portanto, os inventores conduziram experimentos para aumentar a densidade geral dos materiais e, por meio disso, a constante dielétrica. Em uma modalidade, sistemas materiais BST e CCT foram sinterizados a-temperaturas altas diferentes e foram estudados por seus valores de constante dielétrica e tangente de perda. Encontrou- se que a constante dielétrica aumentou ao aumentar as temperaturas de sinterização, enquanto o valor de tangente de perda diminuiu para as amostras sinterizadas em alta temperatura. Além disso, observou-se que, em ambos os sistemas de material BST e CCT, uma sinterização em alta temperatura em um tempo de sinterização menor ajudou na redução dos valores de tangente de perda comparados a uma temperatura mais baixa de sinterização com um tempo de sinterização maior. Por exemplo, um sistema de material BST como Ba0,S5Sr0i4Ca0,OsTiO3 sinterizado a 1440°C por 2 horas resultou em um material com valores de tangente de perda mais baixos se comparados ao mesmo material sintèrizado a 1350°C por 12 horas. De maneira similar, um sistema de material CCT sinterizado a 1100°C por 2 horas resultou em um material com valores de tangente de perda mais baixos se comparados com o mesmo material sinterizado a 1050°C por 12 horas.

Em uma modalidade do sistema de transferência de energia, os matériais BST e CCT que servem para serem usados em um elemento de focalização de campo 18 foram prensados isostaticamente a frio (CIP) antes da sinterização para aumentar a densidade dos materiais. Em uma modalidade, a densidade dos materiais BST obtidos por CIP e eventual sinterização é maior do que cerca de 80% da densidade teórica daquelas composições. Em uma modalidade, a densidade é maior que cerca de 90% da densidade teórica. Em uma modalidade adicional, a densidade é maior que cerca de 96% da densidade teórica. Em mais uma modalidade, a densidade é maior que cerca

de 98% da densidade teórica.

Exemplos de composições processadas por CIP incluem <formula>formula see original document page 25</formula>. A comparação dos valores de constante dielétrica para alguns dos materiais exemplificadores entre amostras normalmente processadas e amostras que foram-sujeitas a CIP é mostrada na Tabela 6, enquanto a Tabela 7 mostra a comparação de valores de tangente de perda. A partir das tabelas, pode-se observar que enquanto o incremento na constante dielétrica ao submeter o material a CIP anteriormente à sinterização foi observado para todos os materiais em todas as freqüências, sendo que o efeito de CIP em diminuir os valores de tangente de perda foram observados para medições de faixa de freqüência comparativamente mais altas.

<table>table see original document page 25</column></row><table> <table>table see original document page 26</column></row><table>

Entretanto, todos os materiais mencionados acima, ao serem submetidos a CIP, apresentaram valores de constante dielétrica muito bons maiores que cerca de 2000 e valores de tangente de perda baixos menores que cerca de 0,08 nas faixas de freqüência de cerca de 10 kHZ a cerca de 2 MHz1 de modo que os materiais sejam bons para uso em um elemento de focalização de campo 18 para uma aplicação de transferência de energia sem contato, sendo, também, úteis para outras aplicações.

Os inventores conduziram, ainda, experimentos nos materiais o dielétricos ao tratar os materiais em diferentes atmosferas como uma atmosfera rica em oxigênio, uma atmosfera rica em nitrogênio, ou uma atmosfera de redução como uma atmosfera de hidrogênio, por exemplo. Uma atmosfera rica em oxigênio, por exemplo, é capaz de realizar mudanças nas propriedades dielétricas de materiais das famílias CCT e BST. Observou-se que nos materiais da família CCT, a sinterização na atmosfera de oxigênio compensa as vacâncias de oxigênio nos materiais, levando, então, a uma constante dielétrica mais baixa e a uma tangente de perda mais baixa. No sistema de material BST, a sinterização na atmosfera de oxigênio aumenta a densidade dos materiais e, portanto, aumenta a constante dielétrica. Espera-se que a sinterização em atmosfera de nitrogênio retire um pouco do oxigênio dos materiais, tornando, assim, o material deficiente em oxigênio, aumentando as vacâncias de oxigênio e as densidades de elétron, e levando à constante dielétrica alta e tangente de perda aumentada. As Tabelas 8 e 9 fornecem a comparação dos valores de constante dielétrica e de tangente de perda respectivamente, para os materiais exemplificadores <formula>formula see original document page 27</formula> na faixa de freqüência de cerca de 100 Hz a cerca de 1 MHz. Similar ao efeito da sinterização de alta temperatura, encontrou-se que a sinterização em atmosfera de oxigênio no sistema de materiais BST aumenta a constante dielétrica, enquanto encontrou-se que os valores de tangente de perda também aumentam.

<table>table see original document page 27</column></row><table><table>table see original document page 27</column></row><table><table>table see original document page 27</column></row><table> Em um experimento, os materiais BST foram submetidos a CIP e também foram sinterizados na atmosfera de oxigênio para se obter valores dielétricos melhores. Exemplos incluem, mas não se limitam a, <formula>formula see original document page 27</formula> sinterizados em atmosfera de oxigênio a cerca de 1440°C por 2 horas, levando a um valor de constante dielétrica maior que cerca de 1900 e valor de tangente de perda menor que cerca de 0,01 na faixa de freqüência de cerca de 1 MHz a cerca de 10 MHz. Além disso, esse material tem uma constante dielétrica maior que cerca de 1900 e o valor de tangente de perda de cerca de 0,0008 à freqüência de cerca de 2,91 MHz. <formula>formula see original document page 28</formula>sinterizado em atmosfera de oxigênio a cerca de 1440°C por 2 horas tem um valor de constante dielétrica maior que cerca de 1300 e o valor de tangente de perda menor que cerca de 0,001 na freqüência de cerca de 4,95 kHz.

Em uma modalidade do sistema de transferência de energia, os materiais dielétricos existem na forma do material a granel e são policristalina, com grãos e contornos de grão. Uma condução de contorno do grão em BST ou no sistema de material CCT pode aumentar ambas a constante dielétrica e a tangente de perda. Por exemplo, um precipitado metálico no contorno do grão cria potencial eletrostático devido à interface de metal e elétron, aumentando, dessa forma, a condução de contorno do grão e, consequentemente, a constante dielétrica e a tangente de perda.

Em uma modalidade do sistema de transferência de energia, qualquer ura dos ,materiais descritos -acima-incluídos no elemento de focalização de campo é dopado com um material que contém bismuto, como oxido de bismuto. Em uma modalidade adicional, bismuto existe em uma fase metálica nos contornos do grão dos materiais de policristalina usados para elemento de focalização de campo. Em uma modalidade relacionada, o óxido de bismuto é dopado e reduzido para se tomar bismuto metálico nos contornos de grão do material dielétrico. Em uma modalidade, o óxido de bismuto é introduzido aos contornos de grão ao misturar Bi2O3 e TiO2 com os pós BST calcinados antes de formar os materiais BST na forma a granel incorporáveis ao elemento de focalização de campo 18 e da sinterização. Em uma modalidade, menos que 3 % em mole de Bi203.3Ti02 está presente no sistema de material BST. Em uma modalidade, o Sistema de material BST tem uma fase de bismuto metálico nos contornos de grão. Encontrou-se que a constante dielétrica do sistema de material BST aumenta significativamente ao ter uma 28

fase de bismuto metálico nos contornos de grão. Em alguns exemplos, o incremento no valor da constante dielétrica do sistema de material BST ao dispor bismuto metálico na contorno do grão foi maior que cerca de duas ordens de magnitude. O material Ba0,4Sro,6TiC>3 com dopagem de 1 % em mole 5 de BÍ2O3.3TÍO2 pode ser considerado como um exemplo. Esse material demonstra uma constante dielétrica extremamente alta, maior que cerca de 30.800, com um fator de tangente de perda extremamente baixa de cerca de 0,001 a uma freqüência de cerca de 315 kHz, e, portanto, é um bom material para um elemento de focalização de campo de um sistema de transferência de 10 energia sem contato conforme descrito aqui.

Em um experimento, O sistema de material BST foi densificado por prensagem isostática a frio antes da sinterização. Em uma modalidade adicional, o material também foi dopado com o óxido de bismuto no contorno do grão e o óxido de bismuto foi reduzido a bismuto metálico ao reduzir o 15 tratamento de atmosfera como 5% de hidrogênio em nitrogênio a cerca-de 1200°C por cerca de 12 horas. Em uma modalidade, um sistema de transferência de energia que compreende um elemento de focalização de campo que compreende um sistema de material BST dopado com bismuto é apresentado. Os exemplos incluem os materiais como Bao,4Sro,6Cro,oiTio,9903 + 20 1% em mole de Bi203.3Ti02 e Bao,4Sr0,6Cro,oiTio,9903 + 1 % em mole de BÍ2O3.3TÍO2. Os materiais mencionados acima demonstram uma constante dielétrica extremamente alta maior que cerca de 11.030.000 a uma freqüência de cerca de 100 Hz. Entretanto, a tangente de perda dielétrica dos materiais tem um valor de certa forma alto de cerca de 0,9 a uma freqüência de cerca de 25 100 Hz. Esses materiais podem ser úteis em aplicações onde uma constante dielétrica alta é de grande importância enquanto a os valores de tangente de perda altos podem ser acomodados como em aplicações de transferência de baixa energia. 29

Em uma modalidade, o sistema de transferência de energia com um elemento de focalização de campo compreende um sistema de material BST que é dopado com ambos cários e dopantes de contorno do grão. Exemplos para os materiais BST que tinham ambos dopagen com cátion e 5 dopagem com contorno do grão e que apresentam propriedades dielétricas desejáveis incluem Bao,3Sr0,7Cro,oo2Tio,99803 dopado com cerca de 1 % em mole Bi2O3.3Ti02. esse material apresentou uma constante dielétrica de cerca de 7668 com uma perda dielétrica de cerca de 0,007 a cerca de 1,4 MHz. Enquanto outras aplicações podem ser vislumbradas, o material supra- 10 mencionado é particularmente adequado para o elemento de focalização de campo no sistema de transmissão de energia sem contato para uma transferência de energia alta descrita aqui. Outro exemplo de um material dielétrico com ambas dopagem com cátion e com contorno do grão é Ba0,3Sr0i7Cro,oo5Tio,99503 dopado com cerca de 1 % em mole de Bi2O3-STiO2. 15 esse material demonstra uma constante dielétrica muito alta~maior que cerca de 3.470.000 na freqüência de cerca de 100 Hz. Entretanto, esse material também tem um valor de tangente de perda alto de cerca de 1 que pode limitar a aplicação do material no elemento de focalização de campo para transferência de energia alta. 20 Em uma modalidade, um sistema de transferência de energia com

um elemento de focalização de campo 18 compreende um sistema de material BST dopado com ambos ânions e com dopantes de contorno do grão. Em uma modalidade, oxigênio é parcialmente substituído por nitrogênio e bismuto foi disposto nos contornos de grão. Um exemplo de um material BST que tem 25 ambas a dopagem com ânion e dopagem com contorno do grão e que apresentava propriedades dielétricas desejáveis, inclui Baol3SroiTTiO2i8No1I3 dopado com cerca de 1 % em mole de Bi2O3.3Ti02. O material mencionado acima apresentou uma constante dielétrica extremamente alta de cerca de 30

1.793.610 na freqüência de cerca de 100 Hz. Entretanto, esse material tinha uma tangente de perda de cerca de 1. Esse material pode ser usado para sistemas de transferência de energia baixa. Além disso, experimentar em substituição diferente ou métodos para diminuir o valor de tangente de perda 5 pode resultar em um material mais adequado para ser usado no elemento de focalização de campo.

Em uma modalidade, um sistema de transferência de energia comum elemento de focalização de campo 18 compreende um material de sistema de material BST dopado com cátions, ânions, e dopantes de contorno 10 do grão. Em uma modalidade, o titânio é parcialmente substituído por cromo, oxigênio é parcialmente substituído por nitrogênio, e bismuto metálico é disposto nos contornos de grão. Um exemplo de um material que tem dopantes de cátion, ânion e de contorno do grão no sistema de material BST é Bao,3Sro,7Cr0,oo5Tio,99502,8No,i3 com cerca de 1 % em mole de Bi2O3.3Ti02. Esse 15 material apresentou uma constante dielétrica extremamente alta maior que cerca de 63.000 e uma tangente de perda dielétrica de cerca de 0,006 a uma freqüência de cerca de 150 kHz. Portanto, esse material é muito adequado para uso do elemento de focalização de campo no sistema de transferência de energia descrito aqui.

20 Em um exemplo, conforme descrito anteriormente na Tabela 3, os

inventores variaram os materiais iniciais para a preparação dos materiais de sistema de material BST e notaram uma diminuição na tangente de perda. Um material Ba0,4Sr0,6TiO3 foi preparado pelo uso de BaF2 e SrF2 como fonte de bário e estrôncio, respectivamente. Ao iniciar com as fontes de flúor para bário 25 e estrôncio, é esperado que parte do flúor será substituído por oxigênio, mudando, assim, os valores dielétricos do sistema de materiais BST. Bao,4Sro,6Ti03 preparado pelo uso de BaF2 e SrF2 mostrou um fator de perda dielétrica menor que cerca de 0,01 por toda a faixa de freqüência de 100 Hz a 31

10 MHz com um mínimo de 0,0001 a 1,4 MHz. O material também mostrou uma constante dielétrica uniforme de cerca de 415 por toda a faixa de freqüência mencionada acima. O material pode ser vantajosamente usada para transmitir energia sem contato em qualquer faixa de freqüência de cerca de 5 100 Hz a cerca de 10 MHz.

Em uma modalidade do sistema de transferência de energia, é desejável empregar materiais dielétricos cujas propriedades dielétricos como a constante dielétrica e a tangente de perda estão estáveis por uma determinada faixa de temperatura acerca da temperatura ambiente para acomodar as 10 mudanças em temperatura graças a, por exemplo, por exemplo, mudanças ambientais ou operacionais. Em uma modalidade, os materiais dielétricos são benéficos se suas propriedades dielétricas forem substancialmente estáveis de cerca de -50°C a cerca de 150°C. "Substancialmente estável" conforme é usado aqui indica que as propriedades dielétricas dos materiais não mudam 15 mais do que cerca de 10% de seus valores à temperatura ambiente poruma dada faixa de temperatura. Em uma modalidade, os materiais dielétricos apresentados aqui estão tendo suas propriedades dielétricas substancialmente estáveis de cerca de -15°C a cerca de 120°C. Em uma modalidade adicional, os materiais dielétricos têm propriedades dielétricas que são substancialmente 20 estáveis de cerca de -20°C a cerca de 60°C. Em uma modalidade, os materiais BST e CCT apresentados aqui são materiais de cerâmica estáveis por uma faixa de temperatura ampla e têm propriedades dielétricas que são estáveis acerca das temperaturas ambientes.

Exemplos:

25 Os seguintes exemplo ilustram métodos, materiais e resultados,

de acordo com modalidades específicas, e, sendo assim, não se deve compreender como impondo limitações às reivindicações. Todos os componentes são comercialmente disponíveis a partir de fornecedores 32

químicos comuns.

Preparação dos Materiais:

Um método geral de preparação seguido para o BST e os sistemas de material CCT identificados em diferentes exemplos são delineados 5 abaixo. Entretanto, o indivíduo versado na técnica apreciaria que pequenas variações nos materiais de inicio, temperaturas, tempos e variações em atmosferas de preparação, calcinação e sinterização, tamanho e formato; dos pós preparados e materiais a granel poderiam ser acomodadas aos exemplos apresentados abaixo. 10 Preparação de Sistemas de Material CCT ε BST puros ε dopados

As concentrações estequiométricas de CaCC>3, CuO e TiO2 foram misturadas e sofreram moagem por moinho de bola em condições secas e calcinadas a 1000°C por 24 horas no ar. As temperaturas de calcinação e atmosferas foram variadas para alguns materiais para investigar o efeito das 15 temperaturas e atmosferas."BaC03rSrC03"Cr203rftl203, Ca2O3, Fe2O3, ZrO2 foram adicionados nos percentuais em mole exigidos por mistura em estado sólido para a dopagem com dopantes de bário, estrôncio, cromo, alumínio, lantânio, ferro, e zircônio respectivamente, sempre que exigidos. Cerca de 1 % em mole de Bi203.3Ti02 foi adicionado para a dopagem de contorno do grão. 20 Uréia foi usada para a dopagem de nitrogênio em sítios de oxigênio por mistura em estado sólido e calcinação. As quantidades estequiométricas de BaF2, SrF2, e/ou CaF2 foram usadas como materiais iniciadores para incluir um dopante de flúor no sitio de oxigênio.

A mistura calcinada foi adicionada com cerca de 2 % em peso de 25 acetato de polivinila (PVA) e misturada a fundo com o uso de uma argamassa de ágata. A mistura passou adicionalmente por moagem com o uso de moinho de bola em meio de isopropanol. Os pós foram prensados em esferas verdes com o uso de pressão hidráulica com uma pressão de a 4 MPa seguida de 6 33

MPa. Para obter esferas prensadas isostáticas a frio (CIP), uma maquina de CIP foi usada para densificar ainda mais as esferas prensadas hidrostaticamente. As esferas foram, então, sinterizadas a 1050°C, 11OO0C, 1350°C, ou 1440°C por 2, 12, ou 24 horas em atmosfera de ar, oxigênio ou 5 nitrogênio, conforme exigido. 5% de hidrogênio em atmosfera de nitrogênio foi usado para reduzir óxido de bismuto para bismuto metálico durante a sinterização. As esferas sinterizadas foram revestidas com pasta prata para o fim de medição dielétrica. As medições dielétricas foram executadas com o uso de um analisador de impedância Agilent 4294A e verificadas com o uso de um 10 analisador de impedância Novocontrol Alpha-K. XRDs das amostras calcinadas e sinterizadas foram verificados. Enquanto o método geral para a preparação, processamento e medições de valor dielétrico de materiais são definidas acima, os exemplos fornecidos abaixo contêm os detalhes específicos da preparação, processamento, medições e resultados de alguns dos materiais 15 selecionados.

Exemplo 1. Ba0 ssSRn ^Ca0 nsTiOa processado por CIP Cerca de 13,071 gm de BaCO3, 9,579 gm de TiO2, 10,152 gm de Sr(NO3)2 e 0,6 gm de CaCO3 foram adicionados juntos e misturados a mão com o uso de argamassa e esfera por 15 minutos. A mistura foi adicionada com 20 aproximadamente o volume igual de isopropanol e cerca de 3 vezes por volume de meio de moagem de bióxido de zircônio e fresado para cremalheira por cerca de 6 horas. A mistura homogênea foi transferida para um cadinho de alumina e calcinada a 1100°C por 2 horas. Cerca de 2 % em peso de PVA foi adicionado e misturado ao pó calcinado com o uso de um a argamassa. Um 25 volume igual de isopropanol foi adicionado ao material resultante e fresado para cremalheira novamente.

O pó foi, então, prensado em esferas de cerca de 3 gramas de peso com o uso de prensagem hidráulica com uma pressão de cerca de 4 34

MPa. As esferas foram seladas a vácuo em filme de polietileno e prensadas isostaticamente a frio com cerca de 30MPa de pressão. As esferas foram sinterizadas a 1440°C por 2 horas no ar. Um revestimento de pasta de prata de alguns micra de espessura foi aplicado às esferas sinterizadas e foi seco a 200°C por 2 horas. A constante dielétrica e a tangente de perda da esfera foi, então, medida com o uso do analisador de impedância Agilent 4294A. A Tabela 10 apresenta os resultados de medição dielétrica desse material.

Tabela 10.

Freqüência Constante dielétrica Tangente de perda

100 Hz 3156,7 0,2515 1 kHz 2491,1 0,1169 10 kHz 2295,2 0,0367 100 kHz 2238,2 0,0144 1 MHz 220879 0,0069 2,01 MHz 2218,8 0,001 10 MHz 3101,5 0,1617

EXEMPLO 2. BAnmSRnsCAnygCUaTuO·^ Cerca de 0,079 gm de BaCO3, 12,790 gm de TiO2, 1,175 gm de SrCO3, 3,165 gm de CaCO3 e 9,554 gm de CuO foram adicionados juntos e misturados à mão com o uso de argamassa e pilão por 15 minutos. A mistura foi adicionada com aproximadamente um volume igual de isopropanol e cerca de 3 vezes por volume de meio de bióxido de zircônio e fresado para cremalheira por cerca de 6 horas. A mistura homogênea foi transferida para um cadinho de alumina e calcinada a 1000°C por 24 horas. Cerca de 2 % em peso de PVA foi adicionado e misturado ao pó calcinado com o uso de uma argamassa de ágata. Um volume igual de isopropanol foi adicionado ao material resultante e fresado para cremalheira novamente. 35

O pó foi, então, prensado em esferas de cerca de 3 gramas de peso com o uso de prensagem hidráulica com uma pressão de cerca de 6 MPa. As esferas foram sinterizadas a 1100°C por 2 horas no ar. Um revestimento de pasta de prata de alguns micra de espessura foi aplicado às 5 esferas sinterizadas e foi seco a 200°C por 2 horas. A constante dielétrica e a tangente de perda da esfera foi, então, medida com o uso de um analisador de impedância Agilent 4294A. a Tabela 22 apresenta os resultados de medição dielétrica desse material.

Tabela 11.

Freqüência Constante dielétrica Tangente de perda

1 kHz 5345,2 0,069 10 kHz 4864,5 0,0634 34 kHz 4672,2 0,0604 100 kHz 4528 0,0794 1 MHz 3638,8 0,3972 10 MHz 3638,8 2,904

10 Exemplo 3. CapCu7Ti3 .b*Alo.obOi 1.97

Cerca de 8,497 de CaCO3, 6,753 gm de CuO1 13,357 gm de TiO2 e 0,955 gm de ΑΙ(Νθ3)3.9Η2θ foram adicionados e misturados à mão com o uso de argamassa e pilão por 15 minutos. A mistura foi adicionada com aproximadamente um volume aproximadamente igual de isopropanol e cerca 15 de 3 vezes por volume de meio de moagem de bióxido de zircônio e fresada para cremalheira por cerca de 6 horas. A mistura homogênea foi transferida a um cadinho de alumina e calcinada a 1000°C por 24 horas. Cerca de 2 % em peso de PVA foi adicionado e misturado ao pó calcinado com o uso de argamassa de ágata. Um volume igual de isopropanol foi adicionado ao 20 material resultante e fresado para cremalheira novamente. 36

O pó foi, então, prensado em esferas de cerca de 3 gramas de peso com o uso de prensagem hidráulica com uma pressão de cerca de 6 MPa. As esferas foram sinterizadas a 1100°C por 2 horas no ar. Um revestimento de pasta de prata de alguns micra de espessura foi aplicado às 5 esferas e foi seco a 200°C por 2 horas. A constante dielétrica e a tangente de perda da esfera foram, então, medidas com o uso do analisador de impedância Agilent 4294A. a Tabela 12 apresenta os resultados da medição dielétrica desse material.

Tabela 12.

Freqüência Constante dielétrica Tangente de perda

3,41 kHz 2354,4 0,021

3,83 kHz 2344,4 0,0173

10 kHz 2303,1 0,0353

100 kHz 2203,7 0,0612

1 MHz 1948,4 0,349

10 MHz 706,7 1.16

10 Vantajosamente, os sistemas de transferência de energia

conforme apresentados em certas modalidades aqui são configurados para incluir elementos de focalização de campo e são menos sensíveis à variação na carga como a freqüência de ressonância. Conforme descrito aqui, o elemento de focalização de campo 18 pode ser usado para melhorar o foco do 15 campo magnético e a eficiência do sistema de transferência de energia sem contato. Além disso, o elemento de focalização de campo compreende um material dielétrico que inclui um sistema de material BST, um sistema de material CCT ou uma combinação de ambos. O uso dos materiais dielétricos aumenta a focalização do campo magnético do elemento de focalização de 20 campo de modo que a transmissão de energia e de dados possa ser alcançada simultaneamente através de bobina primária, elemento de focalização de 37

campo, e bobina secundária.

Enquanto apenas certos aspectos da invenção foram ilustrados e

descritos aqui, muitas modificações e mudanças ocorrerão àqueles versados

na técnica. Deve-se, portanto, compreender que as reivindicações em anexo

5 têm como intenção cobrir todas tais modificações e mudanças como estando

na verdadeira essência da invenção.

Claims

Reivindicações:

1. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA 10, que compreende: um elemento de focalização de campo 18 que compreende um material dielétrico, em que o material dielétrico compreende Cai-x-yBaxSry (Cai. ZCUZ) Cu2Ti^dAI5Ol 2-0,55, em que 0 < x, y < 0,5; 0< ζ < 1; e 0 < δ < 0,1.

2. SISTEMA 10, de acordo com a reivindicação 1, em que pelo menos um entre χ e y é maior que 0 quando δ =0.

3. SISTEMA 10, de acordo com a reivindicação 1, em que χ e y são ambos maiores que 0 quando δ=0.

4. SISTEMA 10, de acordo com a reivindicação 3, em que χ e y são ambos maiores que 0ez=1 quando δ=0.

5. SISTEMA 10, de acordo com a reivindicação 4, em que o material dielétrico compreende Ba0lGiSrol2Cao ygCu3Ti4Oi2.

6. SISTEMA 10, de acordo com a reivindicação 1, em que x, y, e ζ são todos iguais a 0 e δ > 0.

7. SISTEMA 10, de acordo com a reivindicação 6, em que o material dielétrico compreende Ca2Cu2Ti3iS4AIo1OeOi 1.97·

8. SISTEMA 10, de acordo com a reivindicação 1, em que x+y <0,3.

9. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA 10 que compreende: uma primeira bobina 12 acoplada a uma fonte de energia 14; uma segunda bobina 16 acoplada a uma carga 20; e um elemento de focalização de campo 18 disposto entre a primeira bobina 12 e a segunda bobina 16 e que compreende um material dielétrico, em que o material dielétrico compreende Cai.x.yBaxSry Cu3Ti4 O12, em que O < χ < 0,2 e 0 < y < 0,2.

10. SISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA 10 que compreende: uma primeira bobina 12 acoplada a uma fonte de energia14 ; uma segunda bobina 16 acoplada a uma carga 20; e um elemento de focalização de campo 18 disposto entre a primeira bobina 12 e a segunda bobina 16 e que compreende um material dielétrico, em que o material dielétrico compreende Ca2-x-yBaxSry Cu2Ti4-SAI5Oi2-0,5δ> em que 0 < x < 0,2; 0 < y < 0,2; e 0 < δ <0,1. <image>image see original document page 41</image> <image>image see original document page 42</image> <image>image see original document page 43</image> <image>image see original document page 44</image> <image>image see original document page 45</image>