RU2792218C1 - Wireless charging system - Google Patents
Wireless charging system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2792218C1 RU2792218C1 RU2022126954A RU2022126954A RU2792218C1 RU 2792218 C1 RU2792218 C1 RU 2792218C1 RU 2022126954 A RU2022126954 A RU 2022126954A RU 2022126954 A RU2022126954 A RU 2022126954A RU 2792218 C1 RU2792218 C1 RU 2792218C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coil
- receiver
- emitter
- charging station
- consumer
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для обеспечения гарантированного беспроводного питания и зарядки мобильных робототехнических комплексов и платформ, мобильных телефонов и других устройств.The present invention relates to electrical engineering and is intended to provide guaranteed wireless power and charging of mobile robotic systems and platforms, mobile phones and other devices.
Известны устройства «Wireless energy transfer converters) (патент WO 2011112795 A1, 2010 г.) и «Method and Systems for wireless power transmission)) (патент US 2011241618A1, 2011 г.), работающие за счет резонанса в магнитном поле со слабым излучением электромагнитных волн, позволяющее передавать до 60% изначальной энергии с минимальным рассеиванием. Устройство содержит зарядную станцию с излучателем и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи.Known devices are “Wireless energy transfer converters) (patent WO 2011112795 A1, 2010) and “Method and Systems for wireless power transmission)) (patent US 2011241618A1, 2011), operating due to resonance in a magnetic field with weak electromagnetic radiation. waves, allowing you to transfer up to 60% of the original energy with minimal dissipation. The device contains a charging station with an emitter and a receiver of an electrical energy consumer, made with coils operating using feedback.
Известна система беспроводной зарядки (патент РФ №2623095, 2014 г.), содержащая блок беспроводной передачи энергии и блок беспроводного приема энергии. Блок беспроводной передачи энергии содержит источник энергии, передающую катушку индуктивности, экранирующий элемент и первую цепь согласования импедансов. Передающая катушка индуктивности соединяется с источником энергии посредством первой цепи согласования импедансов. В случае подачи питания посредством источника энергии передающая катушка индуктивности способна испускать электромагнитное излучение. Первая цепь согласования импедансов выполнена с возможностью обеспечения согласования импедансов между передающей катушкой индуктивности и источником энергии. Экранирующий элемент располагается под передающей катушкой индуктивности и конфигурируется таким образом, чтобы электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, подавлялось за пределами активной области зарядки. Блок беспроводного приема энергии содержит приемную катушку индуктивности, нагрузку и вторую цепь согласования импедансов. Приемная катушка индуктивности выполнена с возможностью индуктивной связи с передающей катушкой индуктивности, благодаря чему электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, индуцирует зарядные токи в приемной катушке индуктивности. Нагрузка соединяется с приемной катушкой индуктивности через вторую цепь согласования импедансов. Нагрузка выполнена с возможностью зарядки посредством зарядных токов. Вторая цепь согласования импедансов выполнена с возможностью обеспечения согласования оптимальных импедансов между приемной катушкой индуктивности и нагрузкой. Первая и вторая схемы согласования также выполнены с возможностью обеспечения резонанса между передающей катушкой индуктивности и приемной катушкой индуктивности, чтобы максимально повысить эффективность передачи энергии.A wireless charging system is known (RF patent No. 2623095, 2014), which contains a wireless power transmission unit and a wireless power reception unit. The wireless power transmission unit comprises a power source, a transmitting inductor, a shielding element, and a first impedance matching circuit. The transmitting inductor is connected to the power source via a first impedance matching circuit. When powered by a power source, the transmitting inductor is capable of emitting electromagnetic radiation. The first impedance matching circuit is configured to provide impedance matching between the transmitting inductor and the power source. The shielding element is located below the transmitting inductor and is configured in such a way that the electromagnetic radiation emitted by the transmitting inductor is suppressed outside the active charging region. The wireless power receiving unit comprises a receiving inductor, a load, and a second impedance matching circuit. The receiving inductor is configured to be inductively coupled with the transmitting inductor, whereby electromagnetic radiation emitted by the transmitting inductor induces charging currents in the receiving inductor. The load is connected to the receiving inductor through a second impedance matching circuit. The load is made with the possibility of charging by means of charging currents. The second impedance matching circuit is configured to provide optimal impedance matching between the receiving inductor and the load. The first and second matching circuits are also configured to provide resonance between the transmitting inductor and the receiving inductor in order to maximize the power transfer efficiency.
Известна беспроводная зарядная система для маломощных потребителей электрической энергии (патент РФ №2510558, 2012 г.), содержащая зарядную станцию с излучателем и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи. Зарядная станция состоит из излучателя, генератора с фазовой автоподстройкой частоты, силового ключа, усилителя, источника питания. Катушка излучателя выполнена с двумя обмотками, длина провода которых кратна λ/4, где λ - используемая длина волны, при этом приемник состоит из колебательного контура, включающего в себя параллельно соединенные спиральную плоскую катушку с длиной провода, кратной λ/4 или λ/2, и настроечный конденсатор, через управляемый выпрямитель последовательно соединенный с накопительным конденсатором, с широтно-импульсным модулятором и контроллером, который соединен с генератором импульсов и аккумулятором.A wireless charging system for low-power consumers of electrical energy is known (RF patent No. 2510558, 2012), containing a charging station with an emitter and a receiver of an electrical energy consumer, made with coils operating using feedback. The charging station consists of an emitter, a phase-locked loop generator, a power switch, an amplifier, and a power source. The emitter coil is made with two windings, the wire length of which is a multiple of λ/4, where λ is the wavelength used, while the receiver consists of an oscillatory circuit that includes a parallel-connected spiral flat coil with a wire length that is a multiple of λ/4 or λ/2 , and a tuning capacitor connected in series with a storage capacitor through a controlled rectifier, with a pulse-width modulator and a controller that is connected to a pulse generator and a battery.
Одним из основных недостатков существующих аналогов в предметной области является их низкая эффективность передачи энергии, определяемая максимальной мощностью и КПД передачи.One of the main disadvantages of existing analogues in the subject area is their low energy transfer efficiency, determined by the maximum power and transmission efficiency.
Известна беспроводная зарядная система для маломощных потребителей электрической энергии (патент РФ №2698307, 2018 г.), содержащая зарядную станцию с излучателем и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи. Зарядная станция состоит из излучателя, генератора с фазовой автоподстройкой частоты, силового ключа, усилителя, источника питания. Катушка излучателя выполнена с двумя обмотками, длина провода которых кратна λ/4, где λ - используемая длина волны, при этом приемник состоит из колебательного контура, включающего в себя параллельно соединенные спиральную плоскую катушку с длиной провода, кратной λ/4 или λ/2, и настроечный конденсатор, через управляемый выпрямитель последовательно соединенный с накопительным конденсатором, с широтно-импульсным модулятором и контроллером, который соединен с генератором импульсов и аккумулятором, а также модуль контроля, защиты и управления, резонансный автогенератор, при этом к первому входу модуля контроля, защиты и управления подключен источник питания, ко второму входу модуля контроля, защиты и управления подключен второй выход резонансного автогенератора, выход модуля контроля, защиты и управления соединен с входом резонансного автогенератора, первый выход которого соединен с излучателем, а приемник потребителя электрической энергии содержит неуправляемый выпрямитель, модуль плавного включения нагрузки, регулируемый преобразователь напряжения, при этом колебательный контур, неуправляемый выпрямитель, модуль плавного включения нагрузки, регулируемый преобразователь напряжения и аккумулятор соединены последовательно.A wireless charging system for low-power consumers of electrical energy is known (RF patent No. 2698307, 2018), containing a charging station with an emitter and a receiver of an electrical energy consumer, made with coils operating using feedback. The charging station consists of an emitter, a phase-locked loop generator, a power switch, an amplifier, and a power source. The emitter coil is made with two windings, the wire length of which is a multiple of λ/4, where λ is the wavelength used, while the receiver consists of an oscillatory circuit that includes a parallel-connected spiral flat coil with a wire length that is a multiple of λ/4 or λ/2 , and a tuning capacitor connected in series with a storage capacitor through a controlled rectifier, with a pulse-width modulator and a controller connected to a pulse generator and a battery, as well as a control, protection and control module, a resonant autogenerator, while to the first input of the control module, a power source is connected to the second input of the control, protection and control module, the second output of the resonant oscillator is connected, the output of the monitoring, protection and control module is connected to the input of the resonant oscillator, the first output of which is connected to the emitter, and the receiver of the electrical energy consumer contains an uncontrolled rectifier , module smoothly load switching, adjustable voltage converter, while the oscillatory circuit, uncontrolled rectifier, soft load switching module, adjustable voltage converter and battery are connected in series.
Недостатком существующих аналогов в предметной области является их низкая эффективность передачи энергии.The disadvantage of existing analogues in the subject area is their low efficiency of energy transfer.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является беспроводная зарядная система по заявке авторов №2022104248 от 21.02.2022 г., решение о выдаче патента РФ на изобретение от 03.08.2022 г.; содержащая зарядную станцию и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с передающей и принимающей катушками, работающими с использованием обратной связи, в которой зарядная станция состоит из источника питания, модуля контроля, защиты и управления, резонансного автогенератора и плоской спиральной катушки излучателя, при этом к первому входу модуля контроля, защиты и управления подключен источник питания, ко второму входу модуля контроля, защиты и управления подключен второй выход резонансного автогенератора, выход модуля контроля, защиты и управления соединен с входом резонансного автогенератора, первый выход которого соединен с излучателем, а приемник потребителя электрической энергии содержит неуправляемый выпрямитель, модуль плавного включения нагрузки, регулируемый преобразователь напряжения, при этом колебательный контур, неуправляемый выпрямитель, модуль плавного включения нагрузки, регулируемый преобразователь напряжения и аккумулятор соединены последовательно, а витки плоской спиральной передающей катушки излучателя зарядной станции и витки плоской спиральной принимающей катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и имеют пленочное покрытие внешней стороны провода прямоугольного сечения по отношению к центру катушки материалом с высокой электропроводностью.The closest in technical essence to the claimed device and selected as a prototype is a wireless charging system according to the application of the authors No. containing a charging station and a receiver of an electrical energy consumer, made with transmitting and receiving coils operating using feedback, in which the charging station consists of a power source, a monitoring, protection and control module, a resonant oscillator and a flat spiral emitter coil, while the first a power source is connected to the input of the control, protection and control module, the second output of the resonant oscillator is connected to the second input of the control, protection and control module, the output of the control, protection and control module is connected to the input of the resonant oscillator, the first output of which is connected to the emitter, and the consumer's receiver is electrically energy contains an uncontrolled rectifier, a module for smooth switching on the load, an adjustable voltage converter, while the oscillating circuit, an uncontrolled rectifier, a module for soft switching on the load, an adjustable voltage converter and a battery are connected in series, and the coils of the flat spiral transmitting coil of the charging station emitter and the coils of the flat spiral receiving coil of the receiver of the electrical energy consumer are made of a soft magnetic material with high magnetic permeability and have a film coating of the outer side of the rectangular wire with respect to the center of the coil with a material with high electrical conductivity.
Однако одним из основных недостатков существующих аналогов и прототипа в предметной области является их невысокая эффективность передачи энергии, выражающаяся в итоге в небольшом расстоянии между зарядной станцией и приемником потребителя, при котором возможна зарядка приемника потребителя.However, one of the main drawbacks of the existing analogues and prototype in the subject area is their low energy transfer efficiency, resulting in a small distance between the charging station and the consumer receiver, at which the consumer receiver can be charged.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности передачи энергии от зарядной станции в приемник потребителя электрической энергии, которая в итоге выражается в увеличении расстояния между зарядной станцией и приемником потребителя.The technical problem to be solved by the invention is to increase the efficiency of energy transfer from the charging station to the receiver of the consumer of electrical energy, which ultimately results in an increase in the distance between the charging station and the receiver of the consumer.
Данная техническая проблема решается тем, что в беспроводной зарядной системе, содержащей зарядную станцию и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с передающей и принимающей катушками, работающими с использованием обратной связи, в которой зарядная станция состоит из излучателя, источника питания, и спиральной плоской катушки излучателя, приемник потребителя электрической энергии состоит из колебательного контура, включающего в себя спиральную плоскую катушку, настроечный конденсатор, и аккумулятор, а также модуль контроля, защиты и управления, резонансный автогенератор, при этом к первому входу модуля контроля, защиты и управления подключен источник питания, ко второму входу модуля контроля, защиты и управления подключен второй выход резонансного автогенератора, выход модуля контроля, защиты и управления соединен с входом резонансного автогенератора, первый выход которого соединен с излучателем, приемник потребителя электрической энергии содержит неуправляемый выпрямитель, модуль плавного включения нагрузки, регулируемый преобразователь напряжения, а колебательный контур, неуправляемый выпрямитель, модуль плавного включения нагрузки, регулируемый преобразователь напряжения и аккумулятор соединены последовательно, а витки обмоток передающей спиральной катушки излучателя зарядной станции и витки обмоток принимающей спиральной катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью и имеют пленочное покрытие внешней стороны провода прямоугольного сечения по отношению к центру катушки материалом с высокой электропроводностью, при этом в направлении приемника с внешней стороны передающей спиральной катушки параллельно плоскости ее витков обмотки установлены специальные пластины из метаматериала с высокой анизотропией, в которых магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других.This technical problem is solved by the fact that in a wireless charging system containing a charging station and a receiver of an electrical energy consumer, made with transmitting and receiving coils operating using feedback, in which the charging station consists of an emitter, a power source, and a spiral flat emitter coil , the receiver of the consumer of electrical energy consists of an oscillatory circuit, which includes a spiral flat coil, a tuning capacitor, and a battery, as well as a control, protection and control module, a resonant autogenerator, while a power source is connected to the first input of the control, protection and control module, the second output of the resonant oscillator is connected to the second input of the control, protection and control module, the output of the control, protection and control module is connected to the input of the resonant oscillator, the first output of which is connected to the emitter, the receiver of the electrical energy consumer contains an uncontrolled rectifier oscillating circuit, uncontrolled rectifier, soft load switching module, adjustable voltage converter and battery are connected in series, and the turns of the windings of the transmitting spiral coil of the emitter of the charging station and the turns of the windings of the receiving spiral coil of the receiver of the consumer of electrical energy are made of a soft magnetic material with high magnetic permeability and have a film coating of the outer side of a wire of rectangular cross section with respect to the center of the coil with a material with high electrical conductivity, while in the direction of the receiver from the outer side of the transmitting spiral coil, parallel to the plane of its winding turns, special plates of metamaterial with high anisotropy, in which the magnetic permeability is negative in one direction, but positive in all others.
Поскольку витки обмоток передающей катушки излучателя зарядной станции и витки обмоток принимающей катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, то они одновременно являются и сердечником с высокой магнитной проницаемостью (величина относительной магнитной проницаемости, например, NANOPERM до 200000, Metglas до 1000000, железа (Fe) μ=5800; а в случае 99.95% чистого железа (Fe), отожженного в водороде (Н2) величина магнитной проницаемости достигает μ=200000), что многократно увеличивает индуктивности катушек. При этом пленочное покрытие материалом с высокой электропроводностью толщиной в скин-слой (от десятков до сотен мкм) снижает активные потери энергии в катушках.Since the turns of the windings of the transmitting coil of the emitter of the charging station and the turns of the windings of the receiving coil of the receiver of the electrical energy consumer are made of a soft magnetic material with high magnetic permeability, they are also a core with high magnetic permeability (the relative magnetic permeability, for example, NANOPERM up to 200000, Metglas up to 1000000, iron (Fe) μ=5800; and in the case of 99.95% pure iron (Fe) annealed in hydrogen (H 2 ), the magnetic permeability reaches μ=200000), which greatly increases the inductance of the coils. At the same time, a film coating with a material with high electrical conductivity with a thickness of a skin layer (from tens to hundreds of microns) reduces active energy losses in the coils.
Дополнительно отметим, что некоторое время назад специалистами университета Дьюка (Дюрэм, штат Северная Каролина, США) разработан и предложен метод усиления магнитной составляющей электромагнитных колебаний без увеличения при этом их электрической составляющей.In addition, we note that some time ago, specialists from Duke University (Durham, North Carolina, USA) developed and proposed a method for amplifying the magnetic component of electromagnetic oscillations without increasing their electrical component.
Для этого было предложено использовать магнитно-активный метаматериал, благодаря которому можно получать достаточно сильные магнитные поля, используя при этом ток сравнительно малой силы. Такое решение позволило снизить электрические поля, являющиеся в данном случае паразитными и создавать безопасные и мощные электромагнитные системы.To do this, it was proposed to use a magnetically active metamaterial, thanks to which it is possible to obtain sufficiently strong magnetic fields using a relatively low current. This solution made it possible to reduce the electric fields, which are parasitic in this case, and to create safe and powerful electromagnetic systems.
Проведенное численное моделирование показало, что созданные на основе метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью в одном направлении, но положительной во всех других, макроскопические объекты способны при ряде условий усиливать индукцию и напряженность магнитного поля в низкочастотных полях. Это явление исследователи назвали магнитостатическим поверхностным резонансом (MSR), который по принципу похож на имеющий место в оптике плазмонный поверхностный резонанс, проявляющийся в материалах с отрицательной диэлектрической проницаемостью.The performed numerical simulation showed that macroscopic objects created on the basis of metamaterials with negative magnetic permeability in one direction, but positive in all others, are capable, under a number of conditions, of increasing the induction and strength of the magnetic field in low-frequency fields. The researchers called this phenomenon magnetostatic surface resonance (MSR), which is similar in principle to the plasmon surface resonance that occurs in optics, which manifests itself in materials with a negative permittivity.
В частности, дальнейшие экспериментальные исследования по повышению эффективности беспроводной передачи энергии с использованием "суперлинзы" на основе метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью в одном направлении, но положительной во всех других, показали, что подобные конструкции, обладающие свойством метаматериала, взаимодействуя с магнитными полями, передавали энергию в узком конусе с максимальной интенсивностью. Исследования показали, что в экспериментах индукция и напряженность магнитного поля увеличилась почти в 64 раза, чем обычно. При этом, поскольку индукция и напряженность магнитного поля снижается обратно пропорционально кубу расстояния от источника, то благодаря применению "суперлинзы" на основе метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью в одном направлении, но положительной во всех других, это позволило увеличить расстояние беспроводной передачи энергии почти в четыре раза, чем обычно [Magnetic levitation of metamaterial bodies enhanced with magnetostatic surface resonances. Y. Urzhumov, W. Chen, C. Bingham, W. Padilla, and D.R. Smith. Phys. Rev. В 85, 054430 - Published 27 February 2012.].In particular, further experimental studies on improving the efficiency of wireless power transmission using "superlenses" based on metamaterials with negative magnetic permeability in one direction, but positive in all others, showed that such structures with the property of a metamaterial, interacting with magnetic fields, transmitted energy in a narrow cone with maximum intensity. Studies have shown that in the experiments the induction and intensity of the magnetic field increased by almost 64 times than usual. At the same time, since the induction and strength of the magnetic field decreases inversely with the cube of the distance from the source, then thanks to the use of a "superlens" based on metamaterials with negative magnetic permeability in one direction, but positive in all others, this made it possible to increase the distance of wireless energy transmission by almost four times than normal [Magnetic levitation of metamaterial bodies enhanced with magnetostatic surface resonances. Y. Urzhumov, W. Chen, C. Bingham, W. Padilla, and D.R. Smith. Phys. Rev. At 85, 054430 - Published 27 February 2012.].
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 показана структурная схема беспроводной зарядной системы, на фиг. 2 - внешний вид специальных пластин из метаматериала с высокой анизотропией, в которых магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других.The claimed invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a block diagram of a wireless charging system, FIG. 2 is an external view of special high anisotropy metamaterial plates in which the magnetic permeability is negative in one direction but positive in all others.
Беспроводная зарядная система, приведенная на фиг. 1, содержит зарядную станцию 100, состоящую из источника питания 101, модуля контроля, защиты и управления 102, резонансного автогенератора 103 и излучателя 104, и приемник потребителя электрической энергии 105, устанавливаемый на мобильной робототехнической платформе и состоящий из колебательного контура 106, неуправляемого выпрямителя 107, модуля плавного подключения нагрузки 108, регулируемого преобразователя напряжения 109, аккумулятора 110 и специальных пластин из метаматериала 111 с высокой анизотропией, в которых магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других.The wireless charging system shown in FIG. 1, contains a
Источник питания 101 подключен к первому входу модуля контроля, защиты и управления 102. Выход модуля контроля, защиты и управления 102 соединен со входом резонансного автогенератора 103, первый выход которого соединен с излучателем 104. Катушка излучателя 104 выполнена в виде плоской спирали. Излучение расходится радиально в направлении приемника и с других сторон ограниченно экранирующими стенками.The
В направлении приемника с внешней стороны передающей спиральной катушки - катушки излучателя 104 - параллельно плоскости ее витков обмотки установлены специальные пластины из метаматериала с высокой анизотропией 111, в которых магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других.In the direction of the receiver, from the outer side of the transmitting spiral coil - the emitter coil 104 - special plates of metamaterial with
Второй выход резонансного автогенератора 103 подключен ко второму входу модуля контроля, защиты и управления 102.The second output of the
Колебательный контур 106 приемника потребителя электрической энергии 105 включает в себя параллельно соединенные спиральную плоскую катушку и настроечный конденсатор. Колебательный контур 106 соединен с неуправляемым выпрямителем 107. Неуправляемый выпрямитель 107 соединен с модулем плавного включения нагрузки 108. Модуль плавного включения нагрузки 108 подключен к регулируемому преобразователю напряжения 109, к выходу которого подключен аккумулятор 110.The oscillatory circuit 106 of the receiver of the
Использование резонансного автогенератора 103, частотозадающим контуром которого является излучатель 104, позволяет поддерживать резонанс в передающем контуре при изменении индуктивности катушки излучателя без использования дополнительных систем подстройки частоты. Резонанс в передающем контуре обеспечивает передачу максимальной мощности в приемник потребителя электрической энергии 105 при заданных параметрах питания и габаритных размерах излучателя 104. Резонансный автогенератор 103 построен с использованием принципа переключения силовых ключей при нулевом уровне напряжения на их стоках (Zero Voltage Switching). Использование такого решения позволяет значительно снизить потери в зарядной станции 100.The use of a resonant self-
Передающая (зарядная станция 100) и приемная (приемник потребителя электрической энергии 105) части беспроводной зарядной системы для мобильной робототехнической платформы или мобильного телефона, передающих устройств и т.п. имеют идентичные колебательные контуры. Это позволяет избавиться от дополнительных систем подстройки колебательного контура приемника для поддержания в нем резонанса. Так как взаимное расположение приемной и передающей части беспроводной зарядной системы в одинаковой мере влияют на индуктивность и добротность колебательных контуров приемной и передающей части, а излучатель является частотозадающим, то оба контура системы передатчик-приемник находятся в резонансе. Это позволяет добиться наилучших показателей эффективности передачи энергии от зарядной станции в приемник потребителя электрической энергии при их любом взаимном расположении.Transmitting (charging station 100) and receiving (electrical consumer receiver 105) parts of a wireless charging system for a mobile robotic platform or mobile phone, transmitting devices, and the like. have identical oscillatory circuits. This allows you to get rid of additional systems for tuning the oscillatory circuit of the receiver to maintain resonance in it. Since the relative position of the receiving and transmitting parts of the wireless charging system equally affects the inductance and quality factor of the oscillatory circuits of the receiving and transmitting parts, and the emitter is a frequency setting, both circuits of the transmitter-receiver system are in resonance. This makes it possible to achieve the best indicators of the efficiency of energy transfer from the charging station to the receiver of the consumer of electric energy at any relative position.
Модуль контроля, защиты и управления 102 предназначен для управления работой резонансного автогенератора 103 путем оценивания значений напряжения в его контрольных точках, принятия решений о режимах его работы, защиты от выхода контролируемых параметров за допустимые значения и может быть реализован, например, на микросхеме ATTINY85-20S.The control, protection and
Неуправляемый выпрямитель 107 может быть реализован, например, с помощью диодного моста DO-214AB на диодах с барьером Шоттки.The
Модуль плавного подключения нагрузки 108 является известным устройством, реализуется, как правило, на полевом транзисторе, в качестве него может быть использован, например, модуль RP273M.The soft load connection module 108 is a well-known device, it is usually implemented on a field-effect transistor, for example, the RP273M module can be used as it.
Регулируемый преобразователь напряжения 109 предназначен для понижения/повышения постоянного напряжения, является известным устройством, в качестве которого может быть использован модуль XL6009.Adjustable voltage converter 109 is designed to lower/increase DC voltage, is a known device, which can be used as a module XL6009.
Поясним, что в предлагаемой беспроводной системе зарядки расстояние между обмотками передающей катушки излучателя зарядной станции и обмотками принимающей катушки приемника потребителя как правило больше диаметра катушек, вследствие этого они обладают низкой степенью магнитной связи между собой и поэтому система беспроводной зарядки обязательно должна работать на резонансной частоте приемника.Let us explain that in the proposed wireless charging system, the distance between the windings of the transmitting coil of the emitter of the charging station and the windings of the receiving coil of the consumer receiver is usually larger than the diameter of the coils, as a result of which they have a low degree of magnetic coupling between themselves and therefore the wireless charging system must necessarily operate at the resonant frequency of the receiver .
Для уменьшения влияния поверхностного эффекта (скин-эффекта) - эффекта уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды, в результате которого, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое, витки обмоток передающей катушки излучателя зарядной станции и витки обмоток принимающей катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены, например, из железного проводника с пленочным покрытием внешней стороны провода прямоугольного сечения по отношению к центру катушки материалом с более высокой по отношению к железу электропроводностью.To reduce the influence of the surface effect (skin effect) - the effect of reducing the amplitude of electromagnetic waves as they penetrate deep into the conducting medium, as a result of which, for example, high-frequency alternating current when flowing through the conductor is distributed not evenly over the cross section, but mainly in the surface layer, the turns of the windings of the transmitting coil of the emitter of the charging station and the turns of the windings of the receiving coil of the receiver of the consumer of electrical energy are made, for example, from an iron conductor with a film coating of the outer side of the wire of rectangular cross section in relation to the center of the coil with a material with a higher electrical conductivity compared to iron.
Также укажем, что при значительных величинах силы тока в системе беспроводной зарядки витки обмоток целесообразно выполнять из провода прямоугольного сечения, исходя из его высокой электрической и механической прочности и хорошего охлаждения по сравнению с проводом круглого сечения. В этом случае поверхностный ток будет протекать по наружному электропроводящему слою, который обладает много меньшим удельным сопротивлением, а железо играет роль магнитопровода, увеличивающего магнитный поток, пронизывающий катушки и, соответственно, магнитную связь передающей и приемной катушек.We also point out that at significant values of the current strength in the wireless charging system, it is advisable to make the winding turns from a rectangular wire, based on its high electrical and mechanical strength and good cooling compared to a round wire. In this case, the surface current will flow through the outer electrically conductive layer, which has a much lower resistivity, and iron plays the role of a magnetic circuit that increases the magnetic flux penetrating the coils and, accordingly, the magnetic coupling of the transmitting and receiving coils.
Отметим, что индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков обмотки.Note that the inductance of the coil is proportional to the linear dimensions of the coil, the magnetic permeability of the core and the square of the number of turns of the winding.
Поскольку витки обмоток передающей катушки излучателя зарядной станции и витки обмоток принимающей катушки приемника потребителя электрической энергии выполнены, например, из железного проводника с покрытием, то они одновременно являются и сердечником с высокой магнитной проницаемостью (величина относительной магнитной проницаемости железа (Fe) μ=5800; при этом в случае 99.95% чистого железа (Fe), отожженного в водороде (Н2), величина магнитной проницаемости достигает μ=200000), что в итоге многократно увеличивает индуктивность обмоток.Since the turns of the windings of the transmitting coil of the emitter of the charging station and the turns of the windings of the receiving coil of the receiver of the consumer of electrical energy are made, for example, of a coated iron conductor, they are also a core with high magnetic permeability (the value of the relative magnetic permeability of iron (Fe) μ=5800; in this case, in the case of 99.95% pure iron (Fe) annealed in hydrogen (H 2 ), the magnetic permeability reaches μ=200000), which ultimately increases the winding inductance many times over.
Благодаря использованию "суперлинзы" на основе специальных пластин из метаматериала с высокой анизотропией, в которых магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других и ее расположению в направлении приемника с внешней стороны передающей спиральной катушки параллельно плоскости ее витков обмотки - то при взаимодействии с магнитными полями передающей катушки передача энергии осуществляется в узком конусе с максимальной интенсивностью, которая позволяет значительно увеличить расстояние, на котором возможна беспроводная зарядка приемника.Thanks to the use of a "superlens" based on special plates made of a metamaterial with high anisotropy, in which the magnetic permeability is negative in one direction, but positive in all others, and its location in the direction of the receiver from the outer side of the transmitting spiral coil parallel to the plane of its winding turns, then during interaction with the magnetic fields of the transmitting coil, the energy is transferred in a narrow cone with maximum intensity, which allows to significantly increase the distance at which wireless charging of the receiver is possible.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленной беспроводной зарядной системы, отсутствуют, поэтому изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".The analysis of the prior art carried out by the applicant made it possible to establish that there are no analogues characterized by sets of features identical to all the features of the claimed wireless charging system, therefore the invention meets the condition of patentability "novelty".
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".The results of the search for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinguishing features of the prototypes of the proposed technical solution showed that they do not follow explicitly from the prior art. From the level of technology determined by the applicant, the known effect of the essential features of the claimed invention on the achievement of the specified technical result has not been revealed. Therefore, the claimed utility model meets the condition of patentability "inventive step".
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2792218C1 true RU2792218C1 (en) | 2023-03-21 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2510558C1 (en) * | 2012-07-19 | 2014-03-27 | Александр Викторович Атаманов | Wireless charging system for low-power consumers of electrical energy |
| US20140354222A1 (en) * | 2013-06-03 | 2014-12-04 | Lg Electronics Inc. | Wireless power transfer method, wireless power transmitter and wireless charging system |
| US20160172870A1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-06-16 | PogoTec, Inc. | Wireless power base unit and a system and method for wirelessly charging distance separated electronic devices |
| US9484737B2 (en) * | 2010-12-16 | 2016-11-01 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Protector of rectifier and wireless power receiver including protector |
| RU2698307C1 (en) * | 2018-09-11 | 2019-08-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук (СПИИРАН) | Wireless charging system |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9484737B2 (en) * | 2010-12-16 | 2016-11-01 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Protector of rectifier and wireless power receiver including protector |
| RU2510558C1 (en) * | 2012-07-19 | 2014-03-27 | Александр Викторович Атаманов | Wireless charging system for low-power consumers of electrical energy |
| US20140354222A1 (en) * | 2013-06-03 | 2014-12-04 | Lg Electronics Inc. | Wireless power transfer method, wireless power transmitter and wireless charging system |
| US20160172870A1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-06-16 | PogoTec, Inc. | Wireless power base unit and a system and method for wirelessly charging distance separated electronic devices |
| RU2698307C1 (en) * | 2018-09-11 | 2019-08-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук (СПИИРАН) | Wireless charging system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Huang et al. | Impedance matching in wireless power transfer | |
| Tan et al. | Transfer efficiency optimal control of magnetic resonance coupled system of wireless power transfer based on frequency control | |
| Hui | Magnetic resonance for wireless power transfer | |
| KR101373769B1 (en) | Apparatus and method for high efficiency variable power transmission | |
| JP6288519B2 (en) | Wireless power transmission system | |
| Chatterjee et al. | Design optimisation for an efficient wireless power transfer system for electric vehicles | |
| KR101322843B1 (en) | Method and apparatus for rx system for wireless power transmission using rx system | |
| KR20120124732A (en) | Wireless power transmission and reception system | |
| US20110266884A1 (en) | Electric power transmission apparatus and noncontact electric power transmission system | |
| Etemadrezaei | Wireless power transfer | |
| RU124852U1 (en) | WIRELESS CHARGING SYSTEM FOR LOW-POWER ELECTRIC POWER CONSUMERS | |
| US20160006270A1 (en) | Wireless power transmission apparatus | |
| RU2510558C1 (en) | Wireless charging system for low-power consumers of electrical energy | |
| JP6168500B2 (en) | Wireless power transmission device, power transmission device, and power reception device | |
| Gao | Traveling magnetic field for homogeneous wireless power transmission | |
| Hüseyin et al. | Efficiency investigation of a 400w resonant inductive wireless power transfer system for underwater unmanned vehicles | |
| Deng et al. | MHz frequencies, kW, 30 cm gap wireless power transfer with low air gap flux density and high efficiency using surface spiral winding coils | |
| RU2792218C1 (en) | Wireless charging system | |
| RU2781948C1 (en) | Wireless charging system | |
| KR100911763B1 (en) | Wireless power transmission apparatus and method for computer peripheral input-output devices | |
| KR101305790B1 (en) | Apparatus for transmitting wireless power and apparatus for receiving wireless power | |
| US10644541B2 (en) | Transformer and power supply board | |
| Danekar | Analysis and Design of High-Frequency Soft-Switching DC-DC Converter for Wireless Power Charging Applications | |
| Laha et al. | A Comprehensive Review on Wireless Power Transfer Systems for Charging Portable Electronics. Eng 2023, 4, 1023–1057 | |
| RU2661888C1 (en) | Resonance transformer |