ES2707972T3 - Un procedimiento para detectar un error de alineación de la bobina en el campo de la transmisión inalámbrica inductiva de energía, y aparato para ello - Google Patents
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Abstract
Un aparato para detectar un error de alineación de la bobina en un sistema de transmisión inalámbrica inductiva resonante de energía que comprende una bobina inductiva primaria (16) y una bobina inductiva secundaria (18) dispuesta para constituir un transformador de núcleo de aire acoplado de manera suelta, por lo que la energía en la bobina inductiva primaria es transferida a la bobina inductiva secundaria cuando la bobina inductiva primaria está activada, caracterizado por que el aparato comprende: por lo menos dos bobinas de corriente de Foucault (36, 38, 40, 42) de segmento de arco superpuestas sobre la bobina inductiva primaria, estando dispuestas dichas al menos dos bobinas de corriente de Foucault de segmento de arco para corresponderse con los respectivos sectores de la bobina inductiva primaria, por lo que una bobina de corriente de Foucault activa tiene el efecto de reducir un flujo magnético interceptado por la bobina inductiva secundaria; un conmutador, conectado a cada bobina de corriente de Foucault de segmento del arco; un secuenciador (46), dispuesto para activar selectivamente dichos conmutadores de manera individual o conjuntamente en una secuencia de conmutación; y un detector de tensión, que detecta variaciones de tensión en la bobina inductiva secundaria durante dicha secuencia de conmutación, por lo que la alineación de dicha bobina inductiva primaria y dicha bobina inductiva secundaria se detecta activando secuencialmente las bobinas de corriente de Foucault y midiendo las variaciones de tensión detectadas de la bobina inductiva secundaria durante la secuencia de conmutación de la bobina de corriente de Foucault y, por lo tanto, la correspondencia entre la secuencia de conmutación de la bobina de corriente de Foucault y la mayor variación del flujo magnético de dicha bobina inductiva secundaria indica una dirección del vector de error, y la magnitud de las variaciones del flujo magnético de la bobina inductiva secundaria indican la magnitud del vector de error.
Description
DESCRIPCION
Un procedimiento para detectar un error de alineacion de la bobina en el campo de la transmision inalambrica inductiva de energfa, y aparato para ello
Campo tecnico
Esta solicitud de patente hace referencia a la transmision de energfa electrica por medio de induccion magnetica resonante. Mas espedficamente, describe un procedimiento y un aparato para detectar la desalineacion axial de las bobinas de transferencia inalambrica inductiva resonante de energfa y proporciona una indicacion de la magnitud y la direccion del error de alineacion, de tal manera que el error de alineacion pueda ser minimizado o eliminado con ello, garantizando con ello una transferencia inalambrica eficiente de energfa.
Antecedentes
La transmision de energfa inductiva tiene muchas aplicaciones importantes en multiples industrias y mercados. La figura 1 muestra una representacion conceptual de un sistema convencional de transmision de energfa inductiva resonante. En la figura 1, la fuente de alimentacion de CC 10, el inversor 12 y la red resonante 14 colaboran para proporcionar una fuente de energfa electrica alterna que se aplica a la bobina primaria de induccion 16. El acoplamiento magnetico entre la bobina primaria de induccion 16 y una bobina secundaria de induccion 18 transfiere energfa a la bobina secundaria de induccion 18, que esta retirada una cierta distancia de la bobina primaria de induccion 16. Las bobinas de induccion primaria y secundaria 16, 18 constituyen un transformador de nucleo de aire acoplado de manera flexible. La resonancia aplicada a la bobina primaria de induccion 16 aumenta la corriente del inductor del lado primario produciendo un aumento correspondiente en el flujo magnetico en la corriente del inductor secundario y, por lo tanto, en la energfa transferida del primario al secundario. La corriente del inductor secundario es procesada mediante una red resonante 20 y es rectificada mediante un rectificador 22 de alta energfa para su aplicacion a la carga de CC 24 de una manera convencional.
La transferencia inalambrica inductiva resonante eficiente de energfa requiere que una parte importante de las lmeas de flujo magnetico emitidas por la bobina emisora se desplacen a traves del area contenido por el penmetro de la bobina receptora para maximizar el acoplamiento magnetico. La desalineacion de la bobina axial reduce de manera importante el acoplamiento magnetico de bobina a bobina y, por lo tanto, reduce la transferencia eficiente de energfa. Ademas, la desalineacion de la bobina axial altera la inductancia de la bobina con respecto a los valores de diseno esperados, lo que conduce a una perdida de resonancia y a ineficiencias adicionales en la transferencia de energfa.
Los errores de alineacion axial de la bobina se encuentran de manera rutinaria y representan un problema cntico para los fabricantes de vehnculos electricos e hnbridos electricos que requieren una fuente inalambrica de una fuente externa de energfa. Se desea desarrollar un sistema para cargar vehnculos que identifique la magnitud y la direccion del error de alineacion de la bobina y proporcione informacion acerca de la direccion a un conductor humano o a un aparato no humano para que el vehnculo pueda ser posicionado con un error irnnimo de alineacion de la bobina. La presente invencion aborda estas necesidades en la tecnica.
El documento US 2013/0049484 A1 describe un sistema de transferencia inductiva de energfa operable en una serie de modos, que comprende un transmisor de energfa inductiva capaz de proporcionar energfa al receptor de energfa inductiva en una region extendida. El sistema puede ser conmutable entre los diversos modos mediante un selector de modo operable para activar diversas caractensticas segun sea necesario, tal como: un mecanismo de alineacion, un sintonizador de resonancia, una disposicion de bobina auxiliar o una disposicion de busqueda de resonancia.
Compendio
Un aparato de deteccion de error de alineacion axial y el procedimiento asociado que satisface las necesidades mencionadas anteriormente en la tecnica incluye varias (por ejemplo, cuatro) bobinas de corrientes de Foucault de segmento de arco superpuestas sobre la bobina primaria de induccion de un sistema convencional de transmision inalambrica de energfa de inductancia resonante. Las secciones lineales de los penmetros de la bobina de corriente de Foucault se alinean con los ejes hacia delante y hacia atras y de izquierda a derecha de la bobina primaria de induccion. Cada bobina de corriente de Foucault de segmento de arco se conecta a un rectificador de puente y a un elemento de conmutacion, tal como un transistor de efecto de campo. Los elementos de conmutacion son activados de manera individual o al umsono mediante un secuenciador.
En el lado del vehnculo del sistema de transmision inalambrica de energfa, la bobina secundaria de induccion se conecta a una red resonante, a un rectificador de alta energfa y a una carga de CC como en los sistemas convencionales de transmision inalambrica de energfa de induccion resonante. El sistema de deteccion de error de alineacion axial de la invencion agrega un detector de tension que incluye un rectificador de baja energfa, un convertidor de analogico a digital (ADC - Analog - to - digital, en ingles), un enlace de datos, un microcontrolador y una interfaz del operador del vehnculo al sistema convencional de transmision inalambrica de energfa de induccion resonante del lado del vehnculo.
En operacion, en el lado primario del aparato de transferencia inalambrica de ene^a por induccion resonante, una fuente de alimentacion de corriente continua es impulsada, en general, por una corriente de lmea comercial alterna. La corriente continua resultante alimenta una etapa de inversion que genera una forma de onda cuadrada, rectangular o sinusoidal en la frecuencia de resonancia de las bobinas primaria y secundaria de induccion. Si todos los elementos de conmutacion de la bobina de la corriente de Foucault de segmento de arco estan controlados en el estado desactivado por el secuenciador, las bobinas de corriente de Foucault estan, de manera efectiva, en circuito abierto, no circula corriente en las bobinas de corriente de Foucault de segmento de arco, y la operacion del aparato de transmision inalambrica de energfa de induccion resonante de la tecnica convencional no se ve afectada ni alterada de manera importante.
Sin embargo, si uno o mas de los elementos de control de la corriente de Foucault estan activos, las corrientes de Foucault circulan en las correspondientes bobinas de corriente de Foucault y, de acuerdo con la ley de Lentz, las corrientes de Foucault reducen el flujo magnetico combinado en el interior del penmetro de la bobina de la corriente de Foucault, reduciendo con ello la magnitud neta del flujo de la bobina primaria en ese cuadrante. El secuenciador se comunica con la porcion del lado del vehnculo del aparato de alineacion cuyas bobinas de corriente de Foucault estan activas durante la determinacion del error de alineacion por medio de un enlace de datos de corto alcance. Los rectificadores de puente permiten a los elementos convencionales de conmutacion de semiconductores unidireccionales, tales como los transistores de efecto de campo o bipolares, controlar la corriente alterna presente en una bobina de corriente de Foucault de segmento de arco activada. Alternativamente, se puede utilizar un conmutador semiconductor de corriente alterna unidireccional que comprende dos transistores de efecto de campo conectados de fuente a fuente y de puerta a puerta para los elementos de control de la bobina de corriente de Foucault, en lugar de la combinacion del unico transistor, rectificador de puente.
Durante el intervalo de medicion de la alineacion de la bobina, las variaciones espaciotemporales en el flujo de la bobina primaria inducidas por las corrientes de Foucault son detectadas mediante un detector de tension que incluye el rectificador de baja energfa, convertidas a representacion digital mediante el convertidor de analogico a digital, y procesadas por el microcontrolador. Una bobina activa de corrientes de Foucault tiene el efecto de reducir el flujo magnetico interceptado por la bobina secundaria de induccion, reduciendo con ello la tension generada por el rectificador de baja energfa.
La alineacion se puede detectar activando las bobinas de corrientes de Foucault de manera secuencial. Si las bobinas de induccion primaria y secundaria estan alineadas axialmente, las perturbaciones del campo de flujo magnetico inducidas por las bobinas de Foucault individuales tendran la misma magnitud y la bobina secundaria de induccion no detectara variaciones de la tension durante la secuencia de conmutacion de la bobina de corriente de Foucault. Sin embargo, si las bobinas de induccion primaria y secundaria estan desalineadas, habra variaciones en la tension detectada de la bobina secundaria de induccion durante la secuencia de conmutacion de la bobina de corriente de Foucault. El efecto de reduccion del flujo magnetico es mayor para aquellas bobinas de corriente de Foucault con la mayor superposicion de las bobinas secundarias y la magnitud de la variacion detectada indica la extension de la superposicion. Superposiciones grandes crean variaciones grandes, y superposiciones pequenas generan variaciones proporcionalmente mas pequenas.
La correspondencia entre la secuencia de cambio de la bobina de corriente de Foucault y la mayor variacion del flujo magnetico indica la direccion del vector de error, mientras que la magnitud de las variaciones del flujo magnetico indica la magnitud del vector de error. El enlace de datos proporciona la identificacion de que bobina de corriente de Foucault esta activa. Por lo tanto, las componentes del vector de error de alineacion, la direccion de desplazamiento y la magnitud, pueden ser determinadas y comunicadas facilmente al operador del vehfculo.
El aparato de alineacion de la bobina de induccion se utiliza asimismo en aplicaciones que no son vehfculos, tales como cargadores de dispositivos electronicos de usuario, portatiles, tales como los que se utilizan para cargar cepillos de dientes, telefonos moviles y otros dispositivos (por ejemplo, PowerMat™). Estas y otras realizaciones de la invencion seran evidentes para los expertos en la tecnica a partir de la siguiente descripcion detallada.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 muestra una representacion conceptual de un sistema de transmision de energfa inductiva resonante de la tecnica anterior.
La figura 2 muestra un sistema de transmision de energfa inductiva resonante de la tecnica anterior con un aparato de deteccion de error de alineacion de acuerdo con una primera realizacion de la invencion.
La figura 3 muestra un sistema de transmision de energfa inductiva resonante de la tecnica anterior con un aparato de deteccion de error de alineacion que funciona sin un enlace de datos del vehfculo a tierra de acuerdo con una segunda realizacion de la invencion.
Descripcion detallada de realizaciones ilustrativas
Una realizacion a modo de ejemplo de la invencion sera descrita con respecto a las figuras 2 y 3, para su utilizacion en la carga de vehfculos alimentados electricamente, aunque los expertos en la tecnica apreciaran que las
explicaciones proporcionadas en este documento pueden ser utilizadas para determinar el error de alineacion en otros sistemas inalambricos de transferencia de energfa por induccion magnetica resonante no vehicular. Se pretende que dichas realizaciones esten dentro del alcance de la presente invencion.
Se han propuesto muchos procedimientos para conseguir la alineacion de la bobina empleando tecnicas acusticas, de microondas y de radiofrecuencia, sistemas combinados de velocidad de propagacion diferencial de radiofrecuencia acustica, sistemas de banda ultra ancha, infrarrojos, opticos y sistemas de video, brazos roboticos controlados por reconocimiento de patrones de video, sistemas de GPS diferencial y ayudas a la alineacion mecanica, tales como grnas de neumaticos de vehnculos y topes de parachoques. Cada uno tiene limitaciones que incluyen el coste, la complejidad y la susceptibilidad a la suciedad, el hielo y la humedad, la falta de precision suficiente, la necesidad de una vision sin obstaculos del cielo y la necesidad de agregar aparatos mas alla de los ya existentes para la transferencia de energfa inalambrica.
Un aparato de transferencia inalambrica de energfa no alterado y sin suplemento puede proporcionar una indicacion inicial del error de alineacion de la bobina ya que, ignorando los efectos de la desintonizacion de la resonancia, la energfa transferida se maximiza cuando el error de alineacion es cero. En consecuencia, una transferencia de energfa inferior a la esperada implica cierta medida de desalineacion. Debido a que las bobinas primarias de transferencia inalambrica inductiva resonante de energfa tienen simetna axial, en el caso de las bobinas primarias circulares o cuadradas, o simetna cuadratica, en el caso de las bobinas primarias rectangulares u ovaladas, el patron de flujo proyectado es tambien simetrico, lo que hace que la determinacion del error de alineacion acimutal sea imposible. La magnitud del error de alineacion se puede suponer, pero no la direccion del error.
La solucion a este problema de acuerdo con la invencion es introducir asimetnas espaciales en el campo del flujo magnetico que rodea la bobina primaria de induccion que, de ese modo, permite la determinacion del error acimutal. Una manera de realizar esto es agregar bobinas auxiliares superpuestas o, inmediatamente por fuera del penmetro de la bobina primaria de induccion 16. Cada bobina auxiliar es impulsada por un generador para generar un flujo magnetico que puede suplementar o cancelar parcialmente el flujo magnetico generado por la bobina primaria de induccion 16 y, de esta manera, genera la asimetna axial necesaria para la determinacion del vector de error. Sin embargo, se plantean varias dificultades practicas con este enfoque. La primera es la necesidad de circuitos de impulsion de la bobina auxiliar mas alla de los necesario para impulsar la bobina primaria de induccion 16. Una segunda dificultad surge de la red de generacion de resonancia conectada entre el controlador de energfa principal y la bobina primaria de induccion 16. El cambio de fase de la red resonante hace ligeramente ambigua la relacion de fase entre la bobina primaria de induccion 16 y las corrientes de la bobina primaria de induccion. Por lo tanto, los impulsores de la bobina auxiliar deben supervisar la corriente de la bobina primaria de induccion, utilizandola como referencia en la generacion de corrientes de la bobina auxiliar, un requisito no deseable que aumenta el coste y la complejidad del aparato. La generacion y el control de la corriente de la bobina auxiliar se complica aun mas por la presencia de una tension inducida sustancial en las bobinas auxiliares, asf como en la bobina auxiliar al acoplamiento mutuo de la bobina auxiliar, lo que hace que la impedancia del punto de excitacion sea compleja y potencialmente inestable.
Las dificultades y complejidades descritas anteriormente se evitan en la realizacion a modo de ejemplo mostrada en la figura 2. Las bobinas de corrientes de Foucault 36, 38, 40 y 42 de segmento de arco radial son impulsadas por induccion magnetica; no se requiere ningun inversor auxiliar y se evita por completo la ambiguedad de la fase de la corriente de impulsion. Los circuitos auxiliares de inversion para cada bobina de corriente de Foucault 36, 38, 40 y 42 de segmento de arco radial son reemplazados por un rectificador de puente y un transistor de conmutacion 48, 50, 52 y 54, respectivamente. Los rectificadores de puente 48, 50, 52 y 54 permiten el control de las corrientes de Foucault bidireccionales mediante un solo conmutador semiconductor unidireccional, permitiendo con ello que el dispositivo de conmutacion de corriente continua unidireccional permita o impida el flujo de corrientes de Foucault inducidas en la bobina de corriente de Foucault 36, 38, 40 o 42 asociada. En una realizacion a modo de ejemplo, la bobina primaria de induccion 16 funciona a baja energfa durante la operacion de deteccion del error de alineacion, mitigando con ello las corrientes de Foucault no deseadas inducidas en la parte inferior del vehnculo y una fuga excesiva de campo magnetico que puede resultar durante la operacion de alta energfa con bobinas de induccion primarias y secundarias muy desalineadas 16, 18. Resultara evidente para los expertos en la tecnica que se puede utilizar un conmutador semiconductor de corriente alterna unidireccional que comprende dos transistores de efecto de campo conectados de fuente a fuente y de puerta a puerta para elementos de control de bobina de corriente de Foucault en lugar de la combinacion de transistor unico, rectificador de puente ilustrada en la Figura 2.
Segun la ley de Lentz, las corrientes de Foucault que circulan en una bobina de corriente de Foucault activada generan un flujo magnetico opuesto al campo de flujo magnetico incidente, lo que disminuye el campo de flujo magnetico neto directamente sobre la bobina de corriente de Foucault activa. El campo de flujo magnetico localmente reducido reduce a su vez la magnitud de la tension o la corriente inducida en la bobina secundaria del lado del vehnculo 18. Si las bobinas de induccion primaria y secundaria 16, 18 estan alineadas axialmente, todas las bobinas de corrientes de Foucault activas 36, 38, 40 y 42 reducen la tension o la corriente de la bobina secundaria inducida en la misma medida. Sin embargo, si la bobina secundaria de induccion 18 se desplaza fuera de la alineacion axial, por ejemplo, hacia la parte posterior y hacia la derecha, la bobina trasera derecha de corriente de Foucault influira en la tension o corriente inducida de la bobina secundaria de induccion en mayor medida que las otras tres bobinas de corriente de Foucault, siendo el grado de influencia proporcional a la
magnitud del error de alineacion. Esto significa que la direccion y la magnitud del error de alineacion se determinan facilmente activando secuencialmente las bobinas de corriente de Foucault 36, 38, 40 y 42 utilizando el secuenciador 46 y observando la tension inducida por la bobina secundaria o las variaciones de amplitud de corriente inducidas que resultan. La determinacion del error de alineacion del lado secundario requiere el conocimiento en todo momento de que bobina de corriente de Foucault esta activa durante el proceso de determinacion del error de alineacion, y dicho conocimiento es comunicado al microcontrolador 30 del lado secundario por medio del enlace de datos que incluye el enlace de datos del lado primario 44 y el enlace de datos del lado secundario 32.
Considerese el caso en el que el secuenciador 46 mostrado en la figura 2 activa las bobinas de corriente de Foucault 36, 38, 40 y 42 de segmento de arco en la secuencia indicada en la Tabla 1:
Tabla 1- Secuencia del secuenciador a modo de ejemplo
El cuarto estado del secuenciador esta seguido por el retorno a un primer estado de la secuencia y el patron se repite. Durante cada estado del secuenciador de la misma duracion, el microcontrolador del lado secundario 30 mide y registra la tension inducida por la bobina secundaria, Eind por medio de un detector de tension tal como el rectificador de baja potencia 26, que proporciona la tension medida al Conversor de analogico a digital (ADC) 28 para su digitalizacion antes de la aplicacion al microcontrolador 30.
En este ejemplo, el error de alineacion de Delante Atras (Front - Back Alignment Error, en ingles) determina como: AEfb = [ Eind-fl Eind-fr] - [Eind-bl+ Eind-br]
Donde AEfb es el error de alineacion de delante atras,
Eind-fl es la tension de la bobina secundaria con la bobina de corriente de Foucault delantera izquierda activada,
Eind-fr es la tension de la bobina secundaria con la bobina de corriente de Foucault delantera derecha activada,
Eind-bl es la tension de la bobina secundaria con la bobina de corriente de Foucault trasera izquierda activada, y
Eind-br es la tension de la bobina secundaria con la bobina de corriente de Foucault trasera derecha activada.
Cuando AEfb = 0, el error de alineacion de delante atras es cero,
AEfb > 0, el vehfculo esta demasiado lejos hacia delante y | AEfr | indica la magnitud del error, y AEfb < 0, el vehfculo esta demasiado lejos hacia atras y | AEfr| indica la magnitud del error.
En este ejemplo, el error de alineacion de izquierda a derecha (Left - Right Alignment Error, en ingles) se determina como:
AElr = [Eind-fl + Eind-bl] - [Eind-fr + Eind-br]
Donde AElr es el error de alineacion de izquierda a derecha,
Eind-fl es la tension de la bobina secundaria con la bobina de corriente de Foucault delantera izquierda activada,
Eind-bl es la tension de la bobina secundaria con la bobina de corriente de Foucault trasera izquierda activada,
Eind-fr es la tension de la bobina secundaria con la bobina de corriente de Foucault delantera derecha
activada, y
Eind-br es la tension de la bobina secundaria con la bobina de corriente de Foucault trasera derecha activada.
Cuando AElr = 0, el error de alineacion de izquierda a derecha es cero,
AElr > 0, el vehuculo esta demasiado lejos hacia la izquierda y | AElr| indica la magnitud del error, y AElr < 0, el vehuculo esta demasiado lejos hacia la derecha y | AElr| indica la magnitud del error.
Las magnitudes del error de alineacion de derecha a izquierda y de delante atras pueden combinarse en un solo vector de error de alineacion mediante la utilizacion de la aritmetica de vectores convencional conocida por los expertos en la tecnica. Cualquier desalineacion de las bobinas primaria y secundaria de induccion 16, 18 es comunicada al usuario / operador del vehuculo a traves de la interfaz del operador del vehuculo 34, de modo que el usuario / operador del vehuculo pueda realizar los ajustes apropiados para mejorar la alineacion de las bobinas primaria y secundaria de induccion 16, 18.
Resultara evidente para los expertos en la materia que son posibles otros patrones de conmutacion del secuenciador, incluida la activacion secuencial de las bobinas de corriente de Foucault 36, 38, 40 y 42 en sentido horario o antihorario o la activacion simultanea de varias o todas las bobinas de corriente de Foucault 36, 38, 40, y 42, siendo cada bobina impulsada por un reloj unico con magnitud de error y direccion determinadas por medio del procesamiento matematico de la tension inducida por la bobina secundaria de induccion resultante.
La figura 3 muestra una segunda realizacion que elimina la necesidad de un enlace de datos de lado primario a lado secundario 44, 32. En esta realizacion, el secuenciador 46 impulsa las cuatro bobinas de corriente de Foucault 36, 38, 40 y 42 de segmento de arco simultaneamente con la bobina delantera izquierda impulsada por un reloj de onda cuadrada a la frecuencia f-i , la bobina de corriente de Foucault delantera derecha impulsada a la frecuencia f2 , la bobina de corriente de Foucault trasera derecha impulsada a la frecuencia f3 , y la bobina de corriente de Foucault trasera izquierda impulsada a la frecuencia f4. La diferencia de frecuencia entre la frecuencia mas alta y la mas baja debe ser inferior a un octavo para evitar la confusion de las frecuencias de reloj reales generadas y los armonicos de las frecuencias de reloj generadas posiblemente por la distorsion. Por ejemplo, las cuatro frecuencias de reloj del secuenciador f-i , f2, f3 y f4 , podnan ser 800 hercios, 900 hercios, 1000 hercios y 1100 hercios. Asimismo, las formas de onda de onda rectangular y sinusoidal tambien se pueden utilizar en las respectivas frecuencias f a fn, donde n es el numero de bobinas de corriente de Foucault.
En el lado secundario, el microcontrolador 30 examina la serie de tiempos de datos generadas por el convertidor de analogico a digital 28 y realiza una transformacion rapida de Fourier o una conversion similar en el dominio del tiempo al dominio de la frecuencia en la serie de tiempos de datos del ADC. Los parametros de la FFT se seleccionan de tal manera que cada tono de reloj del secuenciador caiga de manera unica en un solo contenedor del dominio de la frecuencia. De esta manera, la operacion de la FFT por el microcontrolador 30 determina las contribuciones relativas de las bobinas de corriente de Foucault en cuadratura 36, 38, 40 y 42. Amplitudes iguales del tono de reloj del secuenciador indican un error de alineacion cero. Amplitudes distintas del tono de reloj indican un error de alineacion y las relaciones de amplitud del tono de reloj indican la magnitud y la direccion del error de alineacion. Los requisitos de calculo de la FFT del microcontrolador son bajos porque no se requiere una resolucion de alta frecuencia y el numero de calculos aritmeticos de la FFT es bajo. No se requiere un enlace de datos porque cada bobina de corriente de Foucault se identifica de forma unica por su frecuencia de modulacion espedfica. El numero de bobinas de corriente de Foucault 36, 38, 40 y 42 y el ancho del arco de la bobina pueden variar. Por ejemplo, se pueden utilizar cuatro bobinas en forma de "D" superpuestas, cada una de las cuales cubre un segmento de ancho de arco de 180 grados, dos bobinas para la determinacion del error de delante atras y otras dos bobinas utilizadas para la determinacion del error de izquierda a derecha. Alternativamente, se pueden utilizar tres bobinas de corriente de Foucault no superpuestas, cada una de las cuales cubre un arco de 120 grados. Ademas, se pueden utilizar un gran numero de bobinas de corriente de Foucault, cada una de las cuales abarca un segmento de arco de menos de 90 grados para mejorar la precision y resolucion del error de alineacion.
Ademas, se pueden utilizar configuraciones del rectificador distintas de la configuracion del rectificador de puente para el control de la corriente de Foucault. Asimismo, el par de control de la corriente de Foucault rectificador -transistor se puede reemplazar con un dispositivo de control bidireccional, tal como un rele de cierre, un diodo TRAC o un dispositivo similar. Asimismo, con la conmutacion de circuito apropiada y la proteccion de sobrecarga, el bloque rectificador de baja potencia 26 en la figura 2 y la figura 3 se puede eliminar con el rectificador de alta potencia 22 utilizado en su lugar.
Ademas, aunque la invencion contenida en el presente documento hace referencia a la provision de energfa electrica a los vehuculos, se debe entender que esta es solo una de las muchas posibles aplicaciones, y son posibles otras realizaciones que incluyen aplicaciones que no son para vehuculos. Por ejemplo, resultara evidente para los expertos en la materia que existen numerosas aplicaciones de alineacion de bobina de induccion en aplicaciones que no son para vehfculos, tales como cargadores de dispositivos electronicos portatiles para el
usuario, como los que se utilizan para cargar cepillos de dientes, telefonos moviles y otros dispositivos (por ejemplo, PowerMatTM). Dichos dispositivos utilizan uno o mas devanados y la alineacion es un problema. Incluso con bobinas superpuestas, la tecnologfa de alineacion descrita en este documento puede ayudar a aumentar la transferencia de energfa. En una realizacion a modo de ejemplo para un cargador de telefono movil, se carga en el telefono movil una aplicacion u otro medio de notificacion que hace que el telefono movil emita un sonido o vibre cuando esta alineado correctamente sobre la bobina de carga. Esto es particularmente util para aplicaciones de vehfculos, en los es deseable indicar la alineacion del telefono con el cargador sin que el conductor tenga que mirar hacia abajo. En consecuencia, estas y otras aplicaciones similares estan incluidas dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.
Claims (15)
1. Un aparato para detectar un error de alineacion de la bobina en un sistema de transmision inalambrica inductiva resonante de energfa que comprende una bobina inductiva primaria (16) y una bobina inductiva secundaria (18) dispuesta para constituir un transformador de nucleo de aire acoplado de manera suelta, por lo que la energfa en la bobina inductiva primaria es transferida a la bobina inductiva secundaria cuando la bobina inductiva primaria esta activada, caracterizado por que el aparato comprende:
por lo menos dos bobinas de corriente de Foucault (36, 38, 40, 42) de segmento de arco superpuestas sobre la bobina inductiva primaria, estando dispuestas dichas al menos dos bobinas de corriente de Foucault de segmento de arco para corresponderse con los respectivos sectores de la bobina inductiva primaria, por lo que una bobina de corriente de Foucault activa tiene el efecto de reducir un flujo magnetico interceptado por la bobina inductiva secundaria;
un conmutador, conectado a cada bobina de corriente de Foucault de segmento del arco;
un secuenciador (46), dispuesto para activar selectivamente dichos conmutadores de manera individual o conjuntamente en una secuencia de conmutacion; y
un detector de tension, que detecta variaciones de tension en la bobina inductiva secundaria durante dicha secuencia de conmutacion, por lo que la alineacion de dicha bobina inductiva primaria y dicha bobina inductiva secundaria se detecta activando secuencialmente las bobinas de corriente de Foucault y midiendo las variaciones de tension detectadas de la bobina inductiva secundaria durante la secuencia de conmutacion de la bobina de corriente de Foucault y, por lo tanto, la correspondencia entre la secuencia de conmutacion de la bobina de corriente de Foucault y la mayor variacion del flujo magnetico de dicha bobina inductiva secundaria indica una direccion del vector de error, y la magnitud de las variaciones del flujo magnetico de la bobina inductiva secundaria indican la magnitud del vector de error.
2. Aparato segun la reivindicacion 1, que comprende, ademas, un rectificador de puente (48, 50, 52, 54) conectado a cada bobina de corriente de Foucault de segmento de arco para controlar una corriente alterna presente en una bobina de corriente de Foucault de segmento de arco que se activa secuencialmente de acuerdo con dicha secuencia de conmutacion.
3. Aparato segun la reivindicacion 1, en el que cada uno de dichos conmutadores comprende un conmutador semiconductor de corriente alterna unidireccional que comprende dos transistores de efecto de campo conectados de fuente a fuente y de puerta a puerta.
4. Aparato segun la reivindicacion 1, que comprende ademas un enlace de datos inalambrico entre dicho secuenciador y dicho detector de tension, comunicando dicho enlace de datos una indicacion de que bobina de corriente de Foucault esta activa en todo momento durante un proceso de deteccion de error de alineacion desde dicho secuenciador a dicho detector de tension.
5. Aparato segun la reivindicacion 1, en el que dicho detector de tension comprende un rectificador de baja potencia (26) y un convertidor de analogico a digital (28) que convierte una salida de dicho rectificador de baja potencia en datos digitales que son procesados por un microcontrolador (30) para detectar dicha correspondencia entre la secuencia de conmutacion de la bobina de corriente de Foucault y la mayor variacion del flujo magnetico de dicha bobina inductiva secundaria y la magnitud de dichas variaciones del flujo magnetico de la bobina inductiva secundaria.
6. Aparato segun la reivindicacion 5, que comprende, ademas, una interfaz de usuario (34) conectada a dicho microcontrolador para mostrar dicha direccion del vector de error y dicha magnitud del vector de error para un usuario de dicho aparato, para su utilizacion en el ajuste de la alineacion de dicha bobina inductiva primaria y dicha bobina inductiva secundaria que utiliza dicha direccion del vector de error y dicha magnitud del vector de error, preferiblemente en el que dicha bobina inductiva primaria esta interconectada con un cargador, dicha bobina inductiva secundaria esta interconectada con un vehfculo, y dicha interfaz de usuario proporciona dicha direccion del vector de error y dicha magnitud del vector de error a un operador de dicho vehuculo.
7. Aparato segun la reivindicacion 1, en el que el secuenciador acciona simultaneamente cada bobina de corriente de Foucault de segmento de arco a diferentes frecuencias de reloj, preferiblemente con una onda cuadrada, una onda rectangular o una forma de onda sinusoidal a diferentes frecuencias de reloj.
8. Aparato segun la reivindicacion 7, en el que dicho detector de tension comprende un rectificador de baja potencia (26) y un convertidor de analogico a digital (28) que convierte una salida de dicho rectificador de baja potencia en datos digitales que son procesados por un microcontrolador (30) para detectar dicha correspondencia entre la secuencia de conmutacion de la bobina de corriente de Foucault y la mayor variacion del flujo magnetico de dicha bobina inductiva secundaria y una magnitud de dichas variaciones de flujo magnetico de la bobina inductiva secundaria, preferiblemente en el que dicho microcontrolador procesa una serie de tiempos de datos digitales generada por dicho convertidor de analogico a digital realizando una conversion del dominio del tiempo al
dominio de la frecuencia de la serie de tiempos de datos digitales, y seleccionando los parametros de conversion del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia de tal manera que cada tono de reloj de dicho secuenciador caiga de forma unica en un solo intervalo del dominio de la frecuencia, por lo que el microcontrolador determina la contribucion relativa de dichas bobinas de corriente de Foucault de segmento de arco de las amplitudes del tono de reloj y las relaciones de la amplitud del tono de reloj para determinar una magnitud y direccion en dichos unicos intervalos del dominio de la frecuencia correspondientes a cada una de dichas bobinas de corriente de Foucault de cada segmento de arco.
9. Aparato segun la reivindicacion 1, que comprende ademas i) cuatro bobinas de corriente de Foucault en forma de "D" superpuestas, cada una de las cuales cubre un segmento de arco de 180 grados de ancho de dicha bobina inductiva primaria "D", en el que dos de dichas bobinas de corriente de Foucault en forma de "D" proporcionan una determinacion del error de delante atras y otras dos de dichas bobinas de corriente de Foucault en forma de "D" proporcionan una determinacion del error izquierda a derecha, o ii) tres bobinas de corriente de Foucault no superpuestas, cubriendo cada una de dichas bobinas de corriente de Foucault no superpuestas un segmento de ancho de arco de 120 grados de dicha bobina inductiva primaria.
10. Aparato segun la reivindicacion 1, en el que dicha bobina inductiva primaria forma parte de un cargador de dispositivo electronico de usuario portatil y dicha bobina inductiva secundaria forma parte de un dispositivo electronico de usuario portatil, que comprende ademas medios de notificacion para notificar a un usuario cuando el dispositivo electronico de usuario portatil esta correctamente alineado con el cargador de dispositivo electronico de usuario portatil durante una operacion de carga.
11. Procedimiento para detectar el error de alineacion de la bobina en un sistema de transmision inalambrica inductiva de energfa por resonancia que comprende una bobina inductiva primaria (16) y una bobina inductiva secundaria (18) dispuestas para constituir un transformador de nucleo de aire de acoplamiento suelto mediante el cual la energfa en la bobina inductiva primaria es transferida a la bobina inductiva secundaria cuando se activa la bobina inductiva primaria, que comprende las etapas de:
disponer por lo menos dos bobinas de corriente de Foucault (36, 38, 40, 42) de segmento arco para estar superpuestas sobre la bobina inductiva primaria y para corresponderse con los sectores respectivos de la bobina inductiva primaria;
activar selectivamente dichas bobinas de corriente de Foucault de segmento de arco individualmente o en union en una secuencia de conmutacion, por lo que una bobina activa de corriente de Foucault tiene el efecto de reducir un flujo magnetico interceptado por la bobina inductiva secundaria;
detectar las variaciones de una tension detectada de la bobina inductiva secundaria durante dicha secuencia de conmutacion; y
detectar la alineacion de dicha bobina inductiva primaria y dicha bobina inductiva secundaria activando secuencialmente las bobinas de corriente de Foucault y midiendo las variaciones detectadas en la tension de la bobina inductiva secundaria durante la secuencia de conmutacion de la bobina de corriente de Foucault, por lo que la correspondencia entre la secuencia de conmutacion de la bobina de corriente de Foucault y una mayor la variacion del flujo magnetico de dicha bobina inductiva secundaria indica una direccion del vector de error y una magnitud de las variaciones del flujo magnetico de la bobina inductiva secundaria indican una magnitud del vector de error.
12. Procedimiento segun la reivindicacion 11, en el que cada bobina de corriente de Foucault de segmento de arco se activa secuencialmente de acuerdo con dicha secuencia de conmutacion, comprendiendo ademas preferiblemente comunicar una indicacion de que bobina de corriente de Foucault esta activa en todo momento durante un proceso de deteccion del error de alineacion desde un secuenciador (46) que genera dicha secuencia de conmutacion a un procesador que determina si dicha bobina inductiva primaria y dicha bobina inductiva secundaria estan alineadas.
13. Procedimiento segun la reivindicacion 11, que comprende ademas mostrar dicha direccion del vector de error y dicha magnitud del vector de error a un usuario de dicho sistema de transmision inalambrico inductivo resonante de energfa para permitir al usuario ajustar la alineacion de dicha bobina inductiva primaria y dicha bobina inductiva secundaria utilizando dicha direccion del vector de error y dicha magnitud del vector de error.
14. Procedimiento segun la reivindicacion 11, en el que la activacion selectiva de dichas bobinas de corriente de Foucault de segmento de arco comprende la activacion de cada bobina de corriente de Foucault del segmento de arco simultaneamente a diferentes frecuencias de reloj, preferiblemente con una onda cuadrada, una onda rectangular o una forma de onda sinusoidal a diferentes frecuencias de reloj.
15. Procedimiento segun la reivindicacion 11, en el que la deteccion de variaciones de una tension detectada de la bobina inductiva secundaria durante dicha secuencia de conmutacion comprende convertir una salida de un detector de tension en un lado secundario de dicho sistema de transmision inalambrica inductiva resonante de energfa en datos digitales que son procesados por un microcontrolador (30) para detectar dicha correspondencia
entre la secuencia de conmutacion de la bobina de corriente de Foucault y la mayor variacion del flujo magnetico de dicha bobina inductiva secundaria y una magnitud de dichas variaciones del flujo magnetico de la bobina inductiva secundaria.
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