RU2787891C1

RU2787891C1 - Wireless electromagnetic energy transmission system

Info

Publication number: RU2787891C1
Application number: RU2021139331A
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Сержантов; Борис Афанасьевич Беляев; Никита Михайлович Боев; Андрей Александрович Лексиков; Ярослав Федорович Бальва; Константин Вячеславович Лемберг
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-01-13

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering and is intended for wireless transmission of electromagnetic energy, for example, in wireless chargers, in information transmission channels, in medical devices. The electromagnetic energy wireless transmission system contains a first resonant circuit with an inductor on the side of the source device and a second resonant circuit with an inductor located on the side of the target device. A metal screen is located between these coils. At the same time, the coupling value of these coils is chosen stronger than the coupling of the resonant circuits with the source device and with the target device so that two pronounced transmission coefficient maxima are observed on the amplitude-frequency characteristic of the direct losses of the resonant circuits, in the case when there is no metal screen. As the operating frequency of the power transmission device, a frequency close to the frequency of the high-frequency maximum of the transmission coefficient is selected.

EFFECT: possibility of transmitting electrical energy through a solid metal housing.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и связи, предназначено для беспроводной передачи электромагнитной энергии, например, в беспроводных зарядных устройствах, в каналах передачи информации, в медицинских приборах.The invention relates to the field of electrical engineering and communications, is intended for the wireless transmission of electromagnetic energy, for example, in wireless chargers, in information transmission channels, in medical devices.

Известна система беспроводной передачи энергии, которая содержит базовый блок с несколькими цепями генерации магнитного поля и, по меньшей мере, одно устройство, отделимое от упомянутого базового блока и имеющее принимающий индуктор, приспособленный для приема энергии индуктивно, когда упомянутое устройство находится поблизости от одной из упомянутых цепей генерации [Патент РФ № 2506678, МПК H02J 5/00, опубл. 10.02.2014, Бюл. № 4].A wireless power transmission system is known, which comprises a base unit with several magnetic field generation circuits and at least one device separable from said base unit and having a receiving inductor adapted to receive energy inductively when said device is in the vicinity of one of the mentioned generation circuits [RF Patent No. 2506678, IPC H02J 5/00, publ. 10.02.2014, Bull. No. 4].

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является устройство для беспроводной передачи энергии между устройством-источником и целевым устройством с катушкой индуктивности расположенной на стороне устройства-источника и второй катушкой, расположенной на стороне целевого устройства. Изобретение касается индукционной передачи энергии между устройствами или компонентами устройств для зарядки, по меньшей мере, одного расположенного в устройстве или в компоненте устройства аккумулятора, например, аккумулятора пульта дистанционного управления [Патент РФ № 2419945, МПК H02J 17/00, H01F 38/14, опубл. 27.05.2011, Бюл. № 15 (прототип)].The closest analogue in terms of essential features is a device for wireless power transmission between a source device and a target device with an inductance coil located on the side of the source device and a second coil located on the side of the target device. The invention relates to inductive energy transfer between devices or device components for charging at least one battery located in the device or in a device component, for example, a remote control battery [RF Patent No. 2419945, IPC H02J 17/00, H01F 38/14, publ. May 27, 2011, Bull. No. 15 (prototype)].

Общим недостатком всех известных конструкций и конструкции-прототипа является большая потеря электромагнитной энергии при передаче через сплошной металлический корпус источника и (или) приемника энергии.A common disadvantage of all known structures and designs of the prototype is a large loss of electromagnetic energy during transmission through a solid metal housing of the source and (or) the receiver of energy.

Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение потерь при передаче электромагнитной энергии через сплошной металлический корпус.The technical result of the claimed invention is to reduce losses in the transmission of electromagnetic energy through a solid metal case.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в системе беспроводной передачи электромагнитной энергии, содержащей резонансный контур с катушкой индуктивности на стороне устройства-источника и второй резонансный контур с катушкой индуктивности расположенной на стороне целевого устройства, новым является то, что величина связи указанных катушек выбирается сильнее связи резонансных контуров с устройством-источником и с целевым устройством так, чтобы на частотной зависимости коэффициента передачи резонансных контуров наблюдались два выраженных максимума коэффициента передачи, причем в качестве рабочей частоты устройства передачи энергии выбирается частота, близкая к частоте высокочастотного максимума коэффициента передачи.The claimed technical result is achieved by the fact that in a system for wireless transmission of electromagnetic energy, containing a resonant circuit with an inductor on the side of the source device and a second resonant circuit with an inductor located on the side of the target device, the new thing is that the value of the connection of these coils is chosen stronger than the connection resonant circuits with a source device and with a target device so that the frequency dependence of the transfer coefficient of the resonant circuits shows two pronounced maxima of the transfer coefficient, and the frequency close to the frequency of the high-frequency maximum of the transfer coefficient is selected as the operating frequency of the energy transfer device.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием резонансных контуров устройства-источника электрической энергии и целевого устройства с катушками индуктивности, коэффициент связи между которыми больше коэффициентов связи резонансных контуров с устройством-источником и с целевым устройством, чтобы на частотной зависимости коэффициента передачи наблюдались два выраженных максимума. Другим существенным отличием является то, что передача электрической энергии осуществляется от устройства-источника к целевому устройству на частоте, близкой к частоте высокочастотного максимума коэффициента передачи. В этом случае удается обеспечить наименьшие потери мощности при передаче электромагнитной энергии через сплошной металлический корпус.A comparative analysis with the prototype shows that the claimed device is distinguished by the presence of resonant circuits of the device-source of electrical energy and the target device with inductors, the coupling coefficient between which is greater than the coupling coefficients of the resonant circuits with the source device and with the target device, so that the frequency dependence of the transmission coefficient is observed two pronounced maxima. Another significant difference is that the transfer of electrical energy is carried out from the source device to the target device at a frequency close to the frequency of the high-frequency maximum of the transfer coefficient. In this case, it is possible to ensure the smallest power losses during the transmission of electromagnetic energy through a solid metal case.

Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».Thus, the above distinguishing features from the prototype allow us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The features that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions and, therefore, ensure that the claimed solution meets the criterion of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана электрическая принципиальная схема одного из возможных вариантов системы беспроводной передачи электромагнитной энергии, демонстрирующего суть изобретения. На фиг. 2 представлена конструкция устройства, реализованного на основе принципиальной электрической схемы согласно фиг. 1. На фиг. 3 показана конструкция устройства, представленного на фиг. 2, но с разнесенными частями и без элементов крепежа, а на фиг. 4 показано устройство в сборе с вырезом сбоку. На фиг. 5 показаны результаты экспериментальных измерений изготовленного опытного образца устройства.The essence of the invention is illustrated by drawings: Fig. 1 is an electrical schematic diagram of one possible embodiment of a wireless transmission of electromagnetic energy, demonstrating the essence of the invention. In FIG. 2 shows the design of the device implemented on the basis of the circuit diagram according to FIG. 1. In FIG. 3 shows the structure of the device shown in FIG. 2, but with spaced parts and without fasteners, and in FIG. 4 shows the device assembled with a cutout on the side. In FIG. 5 shows the results of experimental measurements of the manufactured prototype of the device.

На фиг. 1 показана электрическая принципиальная схема одного из возможных вариантов системы беспроводной передачи электромагнитной энергии. Устройство состоит (фиг. 1) из металлического экрана (1), разделенного на две части стенкой (2), относительно которой конструкция симметрична. Внутри каждой части экрана (1) размещен параллельный колебательный контур (отдельно не указан), включающий индуктивность (3) и емкость (4). Колебательные контуры соединены с портами (5). Металлический экран (1), включающий общую стенку (2), а также один из выводов каждого колебательного контура соединены с экраном. Таким образом, устройство является взаимным четырехполюсником. Необходимо отметить, что возможны иные варианты реализации электрической принципиальной схемы заявляемого изобретения. Например, для улучшения согласования с внешней нагрузкой устройство может содержать дополнительные элементы согласования, колебательный контур может быть последовательным, а не параллельным и т. д. Экран может быть изготовлен из любого проводящего материала. При необходимости, например, передачи электрической мощности в одном направлении может возникнуть необходимость в согласовании портов устройства на разные сопротивления нагрузки: с одной стороны, на низкоомное сопротивление источника мощности, а с другой – на высокоомное сопротивление маломощного потребителя электрической мощности. В случае необходимости организации канала передачи информации, в устройство могут быть добавлены элементы передатчика и приемника системы связи.In FIG. 1 shows an electrical schematic diagram of one of the possible options for a wireless transmission of electromagnetic energy. The device consists (Fig. 1) of a metal screen (1) divided into two parts by a wall (2), with respect to which the structure is symmetrical. Inside each part of the screen (1) there is a parallel oscillatory circuit (not specified separately), including inductance (3) and capacitance (4). The oscillatory circuits are connected to ports (5). A metal screen (1) including a common wall (2), as well as one of the outputs of each oscillatory circuit, is connected to the screen. Thus, the device is a mutual quadripole. It should be noted that other options for implementing the electrical circuit diagram of the claimed invention are possible. For example, to improve matching with an external load, the device may contain additional matching elements, the oscillatory circuit may be series rather than parallel, etc. The screen can be made of any conductive material. If it is necessary, for example, to transfer electrical power in one direction, it may be necessary to match the ports of the device to different load resistances: on the one hand, to the low-resistance resistance of the power source, and on the other hand, to the high-resistance resistance of a low-power electrical power consumer. If it is necessary to organize an information transmission channel, elements of the transmitter and receiver of the communication system can be added to the device.

На фиг. 2 показан пример внешнего вида конструкции, реализующей электрическую принципиальную схему согласно фиг. 1. Устройство состоит из двух частей – цилиндрических алюминиевых экранов (6) и (7), размещенных на подставке. Между экранами (6) и (7) (фиг. 3) находится металлизированная медью (толщина слоя 18 мкм) диэлектрическая пластина (8), зажатая с двух сторон медными кольцами (9). С обеих сторон металлизированной диэлектрической пластины (8) расположены катушки индуктивности, намотанные литцендратом (10) на каркасах (11). Число витков в каждой катушке – 12, измеренная индуктивность катушек составила ~ 6,8 мкГн, эквивалентное активное сопротивление потерь на частоте 100 кГц – 0,025 Ом. Указанные значения получены при измерении катушек, расположенных в открытом пространстве. При размещении катушек внутри экранов (6) и (7) их индуктивность будет снижаться, а потери – возрастать. Каркасы (11) катушек закреплены на ползунах (12), в которых закреплены ходовые винты (13). На ходовых винтах (13) расположены регулировочные гайки (14) и контргайки (15). Осевое перемещение регулировочных гаек (14) ограничено стопорными пластинами (16), закрепленными на экранах (6) и (7). Емкостными элементами параллельных колебательных контуров являются конденсаторы (17), закрепленные на диэлектрических колодках (18), которые размещены на металлических пластинах (19). Пластины (19) установлены с внешней стороны экранов (6) и (7), что дает возможность доступа к конденсаторам (17) без механического разъединения экранов (6) и (7). Экспериментально измеренные емкости выбранных конденсаторов (17) составили 480 нФ, эквивалентное сопротивление потерь на частоте 100 кГц – менее 100 мкОм. Для подключения внешней нагрузки в каждом экране (6) и (7) установлен коаксиальный разъем (20). Для обеспечения чистоты эксперимента в конструкции использованы латунные и нержавеющие (немагнитные) элементы крепежа. Экраны (6) и (7) стянуты винтами (фиг. 4) таким образом, чтобы обеспечить их надежный электрический контакт, как между собой, так и с металлическим слоем диэлектрической пластины (8) через деформируемые медные кольца (9). При сборке конструкции ползуны (12) размещены между направляющими (21), ограничивающими возможность вращения ползунов (12) при осевом перемещении ходовых винтов (13).In FIG. 2 shows an example of the appearance of a structure that implements the electrical circuit diagram of FIG. 1. The device consists of two parts - cylindrical aluminum screens (6) and (7) placed on a stand. Between the screens (6) and (7) (Fig. 3) there is a dielectric plate (8) metallized with copper (layer thickness 18 μm), clamped on both sides by copper rings (9). On both sides of the metallized dielectric plate (8) there are inductors wound with litz wire (10) on frames (11). The number of turns in each coil is 12, the measured inductance of the coils was ~ 6.8 μH, the equivalent active loss resistance at a frequency of 100 kHz is 0.025 Ohm. The specified values are obtained when measuring coils located in open space. When placing the coils inside the screens (6) and (7), their inductance will decrease, and the losses will increase. The frames (11) of the coils are fixed on the sliders (12), in which the lead screws (13) are fixed. There are adjusting nuts (14) and locknuts (15) on the lead screws (13). The axial movement of the adjusting nuts (14) is limited by locking plates (16) attached to the screens (6) and (7). Capacitive elements of parallel oscillatory circuits are capacitors (17) mounted on dielectric pads (18), which are placed on metal plates (19). The plates (19) are installed on the outer side of the screens (6) and (7), which allows access to the capacitors (17) without mechanical separation of the screens (6) and (7). The experimentally measured capacitances of the selected capacitors (17) amounted to 480 nF, the equivalent loss resistance at a frequency of 100 kHz was less than 100 μΩ. To connect an external load, a coaxial connector (20) is installed in each screen (6) and (7). To ensure the purity of the experiment, brass and stainless (non-magnetic) fasteners were used in the design. Screens (6) and (7) are tightened with screws (Fig. 4) in such a way as to ensure their reliable electrical contact, both between themselves and with the metal layer of the dielectric plate (8) through deformable copper rings (9). When assembling the structure, the sliders (12) are placed between the guides (21), which limit the possibility of rotation of the sliders (12) during axial movement of the lead screws (13).

Устройство настраивают следующим образом с использованием, например, векторного анализатора цепей. В этом случае два порта анализатора цепей подключают к коаксиальным разъемам (20) (фиг. 4). Предварительная настройка выполняется без металлизированной диэлектрической пластины (8), при этом требуемые амплитудно-частотные характеристики устройства можно определить с помощью стандартных методов теории радиотехнических цепей для контуров с индуктивной связью [Атабеков, Г. И. Основы теории цепей. Учебник для вузов. М., «Энергия», 1969]. Уединенные колебательные контуры должны иметь как можно более близкую резонансную частоту f _р и как можно более высокую собственную добротность Q ₀. Эти величины измеряют с помощью векторного анализатора цепей при отсутствии индуктивной связи между контурами, для этого экраны (6) и (7) разъединяют и удаляют друг от друга для исключения связи между контурами. При необходимости резонансные частоты контуров подстраиваются параллельными добавочными. После этого экраны (6) и (7) соединяют вместе (без металлизированной диэлектрической пластины (8)). Для изменения коэффициента магнитной связи k взаимное перемещение катушек индуктивностей осуществляется вращением регулировочных гаек (14). С увеличением k связь между контурами становится больше критической, что показывает на анализаторе цепей двугорбая амплитудно-частотная характеристика прямых потерь S ₂₁ (кривая 22 на фиг. 5), имеющая два максимума коэффициента передачи. Для указанных выше значений индуктивностей и емкостей, используемых в эксперименте контуров, измеренное значение частоты первого максимума ~85 кГц, а второго ~120 кГц. Далее, после настройки связанных контуров на одинаковую частоту, экраны (6) и (7) (фиг. 4) разъединяются и между ними вставляется металлизированная диэлектрическая пластина (8); экраны (6) и (7) соединяют вместе и плотно зажимают пластину (8) между медных колец (9). При этом происходит значительное подавление первого максимума двугорбой кривой S ₂₁ и незначительное ослабление второго максимума, поэтому на экране анализатора цепей наблюдается одногорбая кривая. Далее, вращением регулировочных гаек (14) устройство подстраивают так, чтобы обеспечить максимальный коэффициент передачи на частоте второго максимума. На фиг. 5 показаны экспериментально измеренные зависимости модулей коэффициентов отражений (23) и коэффициентов передачи (24) настроенного устройства.The device is configured as follows using, for example, a vector network analyzer. In this case, the two ports of the network analyzer are connected to the coaxial connectors (20) (Fig. 4). Pre-tuning is performed without a metallized dielectric plate (8), while the required amplitude-frequency characteristics of the device can be determined using standard methods of the theory of radio circuits for circuits with inductive coupling [Atabekov, G. I. Fundamentals of circuit theory. Textbook for high schools. M., "Energy", 1969]. Solitary oscillatory circuits should have as close as possible the resonant frequency f _p and as high as possible their own quality factor Q ₀ . These values are measured using a vector network analyzer in the absence of inductive coupling between the circuits, for this screens (6) and (7) are disconnected and removed from each other to exclude communication between the circuits. If necessary, the resonant frequencies of the circuits are adjusted by parallel additional ones. After that, the screens (6) and (7) are connected together (without the metallized dielectric plate (8)). To change the magnetic coupling coefficient k , the mutual movement of the inductors is carried out by rotating the adjusting nuts (14). With increasing k , the connection between the circuits becomes more critical, which is shown on the network analyzer by the two-humped amplitude-frequency characteristic of direct losses S ₂₁ (curve 22 in Fig. 5), which has two maxima of the transfer coefficient. For the above values of inductances and capacitances used in the experiment of the circuits, the measured value of the frequency of the first maximum is ~85 kHz, and the second is ~120 kHz. Further, after tuning the connected circuits to the same frequency, the screens (6) and (7) (Fig. 4) are separated and a metallized dielectric plate (8) is inserted between them; the screens (6) and (7) are connected together and the plate (8) is tightly clamped between the copper rings (9). In this case, there is a significant suppression of the first maximum of the double-hump curve S ₂₁ and a slight weakening of the second maximum, so a single-hump curve is observed on the screen of the network analyzer. Further, by rotating the adjusting nuts (14), the device is adjusted so as to provide the maximum transmission coefficient at the frequency of the second maximum. In FIG. 5 shows the experimentally measured dependences of the moduli of the reflection coefficients (23) and transmission coefficients (24) of the tuned device.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1). К портам (5) подключают источник электромагнитных колебаний (генератор, инвертор) и нагрузку (при необходимости, через выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизатор и т. д.). Частота колебаний устанавливается приблизительно равной частоте второго максимума (фиг. 5) двугорбой кривой (22), что соответствует для экспериментального макета (фиг. 2) частоте примерно ~120 кГц. Точная подстройка частоты возможна в ручном или в автоматическом режиме, например, следующими способами. В первом случае измеряют мощность в нагрузке и выбирают оптимальное значение частоты переменного напряжения, при котором наблюдается максимум передачи энергии. Во втором случае в цепи источника электромагнитных колебаний устанавливается измеритель потребляемой мощности, сигнал с выхода которого управляет частотой генератора. Так как индуктивности (3) разделены общей стенкой (2) металлического экрана (фиг. 1), то на частоте первого максимума двугорбой резонансной кривой (22) токи от обоих контуров наводятся в экране синфазно, а на частоте второго максимума ‒ противофазно. В результате первый максимум (фиг. 5) двугорбой резонансной кривой (22) испытывает существенное затухание величиной ~26 дБ (т. е. сигнал ослабляется металлическим экраном в ~400 раз), а на частоте второго максимума двугорбой кривой затухание сигнала увеличивается всего лишь на ~2 дБ относительно затухания в системе без экрана (ослабление менее двух раз). Таким образом, при правильном выборе конструктивных параметров системы колебательных контуров, разделенных сплошным металлическим экраном, на частоте второго максимума двугорбой резонансной кривой реализуется возможность передачи электромагнитной энергии из полностью экранированного объема. Важно отметить, что эффективная компенсация токов в металлическом экране возможна только в том случае, когда толщина экрана меньше толщины скин-слоя. По этой причине необходимо выбирать рабочую частоту системы исходя из толщины металлического экрана.The device operates as follows (Fig. 1). A source of electromagnetic oscillations (generator, inverter) and a load are connected to ports (5) (if necessary, through a rectifier, smoothing filter, stabilizer, etc.). The oscillation frequency is set approximately equal to the frequency of the second maximum (Fig. 5) of the two-hump curve (22), which corresponds to a frequency of approximately ~120 kHz for the experimental layout (Fig. 2). Fine tuning of the frequency is possible in manual or automatic mode, for example, in the following ways. In the first case, the power in the load is measured and the optimal value of the AC voltage frequency is selected, at which the maximum energy transfer is observed. In the second case, a power consumption meter is installed in the circuit of the source of electromagnetic oscillations, the output signal of which controls the frequency of the generator. Since the inductances (3) are separated by a common wall (2) of a metal screen (Fig. 1), at the frequency of the first maximum of the double-humped resonant curve (22), the currents from both circuits are induced in the screen in phase, and at the frequency of the second maximum, out of phase. As a result, the first maximum (Fig. 5) of the double-humped resonance curve (22) experiences a significant attenuation of ~26 dB (i.e., the signal is attenuated by a metal screen by a factor of ~400), and at the frequency of the second maximum of the double-humped curve, the signal attenuation increases by only ~2 dB relative to attenuation in a system without a shield (attenuation less than two times). Thus, with the correct choice of the design parameters of the system of oscillatory circuits separated by a solid metal screen, at the frequency of the second maximum of the double-humped resonance curve, the possibility of transferring electromagnetic energy from a completely shielded volume is realized. It is important to note that effective current compensation in a metal screen is possible only when the screen thickness is less than the skin layer thickness. For this reason, it is necessary to select the operating frequency of the system based on the thickness of the metal shield.

Экспериментальные исследования показали, что заявляемый технический результат достигнут. Устройство (фиг. 2), включающее два полностью замкнутых электрических экрана с одной общей стенкой, позволяет передавать электромагнитную энергию из одного экрана в другой с малыми потерями. Например, дополнительные потери на прохождение мощности в изготовленном макете составили всего ~2 дБ (фиг. 5, кривая 24), при этом полученный результат может быть улучшен, например, путем выбора оптимальных конструктивных параметров катушек (диаметра, толщины провода и др.). Experimental studies have shown that the claimed technical result is achieved. The device (Fig. 2), which includes two completely closed electrical screens with one common wall, allows you to transfer electromagnetic energy from one screen to another with low losses. For example, additional power transmission losses in the fabricated layout amounted to only ~2 dB (Fig. 5, curve 24), while the result obtained can be improved, for example, by choosing the optimal design parameters of the coils (diameter, wire thickness, etc.).

Claims

A system for wireless transmission of electromagnetic energy, comprising a resonant circuit with an inductance coil on the side of the source device and a second resonant circuit with an inductance coil located on the side of the target device, characterized in that a metal shield is located between said coils, and the coupling value of these coils is selected stronger than the coupling resonant circuits with the source device and with the target device so that on the amplitude-frequency characteristic of the direct losses of the resonant circuits, in the case when the metal screen is absent, two pronounced maxima of the transfer coefficient are observed, and the frequency close to the frequency of the high-frequency maximum of the transmission coefficient.