UA147692U

UA147692U - WIRELESS TRANSMISSION TYPE OF WIRELESS ELECTRICITY TRANSMISSION

Info

Publication number: UA147692U
Application number: UAU202100605U
Authority: UA
Inventors: Антон Валерійович Вдовиченко
Original assignee: Антон Валерійович Вдовиченко; Вдовиченко Антон Валериевич
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-02-12
Publication date: 2021-06-02

Abstract

Пристрій бездротової передачі електричної енергії резонансного типу містить передавач електричної енергії з генератором електричної енергії та приймач електричної енергії з опором навантаження, де передавач та приймач виконані котушками-резонаторами високої добротності, що мають гвинтову одношарову намотку. При цьому передавач з'єднано послідовно із генератором електричної енергії, який послідовно підключено до заземлення, а приймач з'єднано послідовно з опором навантаження. До опору навантаження приймача послідовно підключено котушку-резонатор високої добротності, що має гвинтову одношарову намотку.The resonant type wireless power transmission device comprises a power transmitter with a power generator and a load resistance electrical receiver, where the transmitter and receiver are made of high-quality resonator coils having a helical single-layer winding. In this case, the transmitter is connected in series with the electric generator, which is connected in series to ground, and the receiver is connected in series with the load resistance. A high-quality resonator coil with a helical single-layer winding is connected in series to the load resistance of the receiver.

Description

Корисна модель належить до галузі електроенергетики, зокрема стосується пристроїв бездротового постачання електричної енергії і може бути використана, наприклад, при живленні мобільних пристроїв або безпілотних засобів транспортування.The utility model belongs to the field of electric power, in particular, it relates to wireless power supply devices and can be used, for example, in powering mobile devices or unmanned vehicles.

Відомий пристрій (1| подібного призначення, що включає передавач та приймач електричної енергії, що виконані у вигляді котушки, що має гвинтову одношарову намотку з послідовно підключеним сферичним терміналом, при цьому передавач з'єднано із генераторною обмоткою та послідовно підключено до заземлення, а приймач з'єднано з обмоткою ланцюга опору навантаження та послідовно підключено до заземлення. Недоліком цього пристрою є те, що передавач та приймач послідовно під'єднано до землі, таким чином формується однопровідна система передачі електричної енергії, в якій земля виконує роль провідника.A known device (1| of a similar purpose, which includes a transmitter and a receiver of electrical energy, made in the form of a coil having a helical single-layer winding with a spherical terminal connected in series, while the transmitter is connected to the generator winding and connected in series to the ground, and the receiver connected to the circuit winding of the load resistance and connected in series to ground.The disadvantage of this device is that the transmitter and receiver are connected in series to the ground, thus forming a single-wire electrical energy transmission system in which the ground acts as a conductor.

Відомий пристрій (21) для бездротової передачі електричної енергії, що включає передавач, виконаний у вигляді високодобротного резонатора, що опційно може бути під'єднаний до генератора, другого резонатора високої добротності, що опційно під'єднано до навантаження, який може знаходитися на відстані від передавача, третій резонатор високої добротності, що може бути опційно приєднаний до навантаження та може знаходитися на відстані від передавача. Недоліком цього пристрою є те, що резонатори, які виконані у формі замкнутого резонуючого контуру, паралельно підключаються до подальшої схеми, і в результаті такого виконання передача електричної енергії відбувається з обмеженням дальності передачі.Known device (21) for wireless transmission of electrical energy, including a transmitter made in the form of a high-Q resonator, which can optionally be connected to a generator, a second high-Q resonator, optionally connected to a load, which can be located at a distance from transmitter, a third high-Q resonator that can optionally be connected to the load and can be located at a distance from the transmitter. The disadvantage of this device is that the resonators, which are made in the form of a closed resonant circuit, are connected in parallel to the subsequent circuit, and as a result of this implementation, the transmission of electrical energy occurs with a limitation of the transmission range.

Відомий пристрій ІЗ| для бездротової передачі електричної енергії з використанням електричного поля містить передавач, що включає антену, яка містить щонайменше два провідники, що визначають межі певного об'єму між ними, і щонайменше один приймач, при цьому передавальна антена передає потужність бездротовим способом через зчеплення електричного поля, коли принаймні один приймач знаходиться в межах об'єму. Недоліком цього пристрою є те, що випромінюючий провідник і резонуючий контур конструктивно розділені, що призводить до збільшення втрат і до зменшення дальності передачі електричної енергії.A known device IZ| for the wireless transmission of electrical energy using an electric field includes a transmitter including an antenna that includes at least two conductors defining the boundaries of a certain volume between them and at least one receiver, wherein the transmitting antenna transmits power wirelessly through electric field coupling, when at least one receiver is within the volume. The disadvantage of this device is that the radiating conductor and the resonant circuit are structurally separated, which leads to an increase in losses and a decrease in the distance of transmission of electrical energy.

Як найближчий аналог прийнято пристрій (4| для передачі електроенергії без проводів, що містить антену передавача електроенергії з генератором електроенергії та антену приймача електроенергії з опором навантаження, який відрізняється тим, що антени передавача і приймача електроенергії виконані котушками індуктивності у формі півпсевдосфер і маютьAs the closest analogue, a device (4| for the transmission of electricity without wires, containing an antenna of an electricity transmitter with an electricity generator and an antenna of an electricity receiver with a load resistance, is adopted, which differs in that the antennas of the transmitter and receiver of electricity are made of inductance coils in the form of half-pseudospheres and have

Зо гвинтову намотку, при цьому антена передавача з'єднана послідовно із генератором електроенергії і заземленням, а антена приймача з'єднана послідовно із опором навантаження і заземленням.From a helical winding, while the transmitter antenna is connected in series with the power generator and ground, and the receiver antenna is connected in series with the load resistance and ground.

В порівнянні з аналогами характеризується тим, що передавач і приймач виконані шляхом об'єднання випромінюючого термінала та резонуючого контура, у формі півпсевдосфери, що є частковим випадком форми поверхні обертання експоненти, яка має малі внутрішні температурні втрати в процесі випромінювання, що сумарно забезпечує високий коефіцієнт корисної дії та значне збільшення дальності ефективної передачі електроенергії. Але зберігається такий недолік як послідовне під'єднання приймача опору навантаження до землі, що формує однопровідну систему передачі електричної енергії, в якій земля виконує роль провідника.Compared to analogues, it is characterized by the fact that the transmitter and receiver are made by combining the radiating terminal and the resonant circuit, in the form of a half-pseudosphere, which is a partial case of the shape of the surface of rotation of the exponent, which has small internal temperature losses during the radiation process, which in total provides a high coefficient useful effect and a significant increase in the range of effective transmission of electricity. But there is still such a drawback as the serial connection of the receiver of the load resistance to the ground, which forms a single-wire system of electrical energy transmission, in which the ground plays the role of a conductor.

В корисній моделі поставлена задача вдосконалення пристрою бездротової передачі електричної енергії шляхом послідовного підключення до опору навантаження замість землі котушки-резонатора високої добротності, що має гвинтову одношарову намотку, яка виступає як заземлення, при цьому опір навантаження залишається послідовно підключений до приймача, виконаного котушкою-резонатором високої добротності, що має гвинтову одношарову намотку.In a useful model, the task of improving the device for wireless transmission of electrical energy is set by connecting in series to the load resistance instead of the ground a high-Q resonator coil having a helical single-layer winding that acts as a ground, while the load resistance remains connected in series to the receiver made by the resonator coil of high Q, having a screw single-layer winding.

Це дозволяє отримати технічний результат - перехід від однопровідної системи передачі електричної енергії, в якій земля виконує роль провідника, до повністю безпровідної. Така система, має сферичну діаграму направленості і не залежить від взаємного розташування випромінювача та приймача, що дозволяє використовувати отримане технічне рішення для живлення мобільних пристроїв або безпілотних засобів транспортування.This makes it possible to obtain a technical result - a transition from a single-wire system of transmission of electrical energy, in which the earth acts as a conductor, to a completely wireless one. Such a system has a spherical directional pattern and does not depend on the relative location of the emitter and receiver, which allows using the resulting technical solution to power mobile devices or unmanned vehicles.

Поставлена задача вирішується у пристрої бездротової передачі електричної енергії резонансного типу, що містить передавач електричної енергії з генератором електричної енергії та приймач електричної енергії з опором навантаження, де передавач та приймач виконані котушками-резонаторами високої добротності, що мають гвинтову одношарову намотку, при цьому передавач з'єднано послідовно із генератором електричної енергії, який послідовно підключено до заземлення, а приймач з'єднано послідовно з опором навантаження, згідно з корисною моделлю, до опору навантаження приймача послідовно підключено котушку- резонатор високої добротності, що має гвинтову одношарову намотку.The task is solved in a device for wireless transmission of electrical energy of the resonant type, which contains an electrical energy transmitter with an electrical energy generator and an electrical energy receiver with load resistance, where the transmitter and receiver are made of high-Q resonator coils having a helical single-layer winding, while the transmitter with is connected in series with the generator of electrical energy, which is connected in series with ground, and the receiver is connected in series with the load resistance, according to a useful model, a high-Q resonator coil having a helical single-layer winding is connected in series with the load resistance of the receiver.

Котушки-резонатори високої добротності, що використовуються в передавачі та приймачі, 60 мають однакову або близьку частоту власного резонансу, що створює змінне поле випромінювача, просторове розповсюдження якого наводить відповідні змінні заряди в котушці приймача та котушці, що використовується як заземлення. Різниця миттєвих зарядів досягається або завдяки більшій відстані від випромінювача котушки, що використовується як заземлення, порівнюючи із відстанню котушки приймача, або зменшенням ефективної площі котушки, що використовується як заземлення, порівнюючи із котушкою приймача, що реалізується конструктивною різницею будови. Отримана різниця миттєвих зарядів двох котушок створює різницю напруг, що при підключенні на полюси опору навантаження, призводить до появи електричного струму в останньому. Коли отримані рівні напруг є неприйнятними для практичного використання, необхідно проводити підключення котушок через струмовий трансформатор, вихід якого подається на полюси опору навантаження.The high-Q resonator coils used in the transmitter and receiver 60 have the same or close natural resonance frequency, which produces an alternating emitter field whose spatial distribution induces corresponding alternating charges in the receiver coil and the coil used as ground. The difference in instantaneous charges is achieved either by a greater distance from the emitter of the coil used as a ground compared to the distance of the receiver coil, or by a decrease in the effective area of the coil used as a ground compared to the receiver coil, realized by a design difference. The resulting difference in the instantaneous charges of the two coils creates a voltage difference that, when connected to the poles of the load resistance, leads to the appearance of an electric current in the latter. When the obtained voltage levels are unacceptable for practical use, it is necessary to connect the coils through a current transformer, the output of which is fed to the poles of the load resistance.

Суть корисної моделі пояснюється кресленнями: на Фіг. 1, де зображено схему безпровідної системи передачі електричної енергії, де приймач з'єднано послідовно із опором навантаження, який послідовно підключено до котушки-резонатора високої добротності, яка виступає як заземлення, та фіг. 2, де зображено схему бездротової системи передачі електричної енергії, що придатна для практичного використання в мобільних пристроях, що використовують невеликий бортовий акумулятор або ін. як проміжне джерело живлення.The essence of the useful model is explained by the drawings: in Fig. 1 is a schematic diagram of a wireless power transmission system where a receiver is connected in series with a load resistor that is connected in series to a high Q resonator coil acting as ground, and FIG. 2, which shows a diagram of a wireless power transmission system suitable for practical use in mobile devices using a small on-board battery or the like. as an intermediate power source.

Пристрій бездротової системи передачі електричної енергії на Фіг. 1 містить передавач 1 електричної енергії, виконаний у вигляді котушки-резонатора високої добротності, що має гвинтову одношарову намотку, один полюс якого залишається непідключеним, а до другого полюса послідовно підключено генератор електричної енергії 2 високої частоти, до якого послідовно підключено заземлення 3, та приймач 4 електричної енергії, виконаний у вигляді котушки-резонатора високої добротності, що має гвинтову одношарову намотку, один полюс якого залишається непідключеним, а до другого полюса послідовно підключено ланцюг навантаження 5, послідовно до якого підключено котушку-резонатор 6 високої добротності, що має гвинтову одношарову намотку, яка виступає як заземлення, один полюс якої залишається непідключеним.The device of the wireless system of transmission of electrical energy in Fig. 1 contains an electric energy transmitter 1, made in the form of a high-Q resonator coil, which has a single-layer helical winding, one pole of which remains unconnected, and a high-frequency electric energy generator 2 is connected in series to the second pole, to which ground 3 is connected in series, and a receiver 4 of electric energy, made in the form of a high-Q resonator coil having a helical single-layer winding, one pole of which remains unconnected, and a load circuit 5 is connected in series to the second pole, to which a high-Q resonator coil 6 is connected in series, having a helical single-layer winding winding, which acts as a ground, one pole of which remains unconnected.

Пристрій на Фіг. 1 працює наступним чином. Генератор 2 збуджує в 1 відносно З високочастотні коливання електричної енергії на частоті власного резонансу 1.The device in Fig. 1 works as follows. Generator 2 excites in 1 relative to C high-frequency oscillations of electrical energy at the frequency of 1's own resonance.

Випромінювання, створене 1, наводить заряд різного рівня в 4 та 6. Оптимальна відстань між 1The radiation created by 1 induces charge of different levels in 4 and 6. The optimal distance between 1

Зо та 4 складає від 2 до 10 габаритних розмірів 4 передавача 1. Різниця рівнів в 4 та 6 зарядів створюється або більшою віддаленістю 6 від 1, ніж 4 від 1, або різними ефективними площами 4 та 6, тобто їх лінійним розмірами або формами поверхонь. Різниця зарядів створює струм, який протікає через коло навантаження 5. Випромінювання передавача 1 не залежить від відносної просторової орієнтації 1, 4 та 6. Основною зафіксованою складовою випромінювання 1 є змінне електричне поле. Напруженість електричного поля зменшується обернено пропорційно квадрату відстані від 1, а щільність потоку енергії випромінювача має обернену залежність четвертого ступеня від відстані від 1. В (5) вказано, що випромінювання пристрою подібного до 1 може містити складову змінного магнітного поля та електромагнітну складову, проте суттєвого їх внеску в передачу електричної енергії зафіксовано не було.Zo and 4 is from 2 to 10 of the overall dimensions 4 of the transmitter 1. The difference in the levels of 4 and 6 charges is created either by a greater distance of 6 from 1 than 4 from 1, or by different effective areas of 4 and 6, that is, by their linear dimensions or surface shapes. The charge difference creates a current that flows through the load circuit 5. The radiation of transmitter 1 does not depend on the relative spatial orientation of 1, 4 and 6. The main fixed component of radiation 1 is an alternating electric field. The intensity of the electric field decreases inversely proportional to the square of the distance from 1, and the energy flux density of the emitter has an inverse fourth-order dependence on the distance from 1. It is indicated in (5) that the radiation of a device similar to 1 can contain a component of an alternating magnetic field and an electromagnetic component, but a significant their contribution to the transmission of electrical energy was not recorded.

Котушки-резонатори 1, 4, б на Фіг. 1, що використовуються в передавачі та приймачі, повинні мати однакову частоту власного резонансу, при цьому їх форма, залежно від використання системи, може бути різна. Наприклад, вони можуть бути виконані у формі поверхні плоского диска, прямокутника, конуса, циліндра або експоненти обертання. Поверхня, що формується кривою, яка має форму експоненти, що обертається навколо осі координат, є оптимальною для збільшення ефективності передачі. У такій конструкції власне паразитичне самонагрівання від індукції циркулюючого квазі-заряду мінімізується постійним відхиленням витків у просторі від напрямку, на якому накопичується паразитна складова. Оптимальна за розміром форма, створюється одношаровою спіральною обмоткою у вигляді плоского диска, де середина такого диска не заповнюється, оскільки паразитний індукційний компонент, який призводить до нагрівання, а отже, до втрат, має максимум у центрі.Resonator coils 1, 4, b in Fig. 1, used in the transmitter and receiver, must have the same natural resonance frequency, while their form, depending on the use of the system, may be different. For example, they can be made in the form of the surface of a flat disc, rectangle, cone, cylinder or exponent of rotation. The surface formed by the curve, which has the shape of an exponent rotating around the coordinate axis, is optimal for increasing the transmission efficiency. In such a design, the actual parasitic self-heating from the induction of a circulating quasi-charge is minimized by the constant deviation of the turns in space from the direction in which the parasitic component accumulates. The optimal size shape is created by a single-layer spiral winding in the form of a flat disk, where the middle of such a disk is not filled, since the parasitic induction component, which leads to heating and therefore losses, has a maximum in the center.

Резонансна котушка, побудована в такий спосіб, є високовибірковою, такою, що має високий коефіцієнт 0, потужність її передачі та прийому обмежується самонагріванням. На вільному кінці котушки виникають великі рівні напруги, викликані коливальними процесами. Це вимагає особливої уваги до ізоляції кінців, а також до загального рівня безпеки при роботі з цим типом системи.A resonant coil constructed in this way is highly selective, having a high coefficient of 0, and its transmit and receive power is limited by self-heating. At the free end of the coil, large voltage levels arise, caused by oscillatory processes. This requires special attention to the isolation of the ends, as well as to the general level of safety when working with this type of system.

Пристрій бездротової системи передачі електричної енергії на Фіг. 2 містить передавач 1 електричної енергії, виконаний у вигляді котушки-резонатора високої добротності, що має гвинтову одношарову намотку, один полюс якої залишається непідключеним, а до другого полюса послідовно підключено генератор електричної енергії 2 високої частоти, до якого 60 послідовно підключено заземлення 3, та приймач 4 електричної енергії, виконаний у вигляді двох котушок-резонаторів високої добротності, що мають гвинтову одношарову намотку, один полюс кожної з яких залишається непідключеним, а до другого полюса послідовно підключається ланцюг навантаження, що включає в себе струмовий трансформатор у зворотному включенні 5 та акумулятор або інше навантаження 6.The device of the wireless system of transmission of electrical energy in Fig. 2 contains a transmitter 1 of electrical energy, made in the form of a high-Q resonator coil, which has a single-layer helical winding, one pole of which remains unconnected, and a high-frequency electrical energy generator 2 is connected in series to the second pole, to which 60 is connected in series with grounding 3, and receiver 4 of electrical energy, made in the form of two resonator coils of high Q, having a helical single-layer winding, one pole of each of which remains unconnected, and a load circuit is connected in series to the second pole, which includes a current transformer in reverse connection 5 and a battery or other load 6.

Пристрій на фіг. 2 працює наступним чином. Передача енергії відбувається аналогічно до пристрою, наведеного на Фіг. 1, з тією відмінністю, що навантаження у вигляді акумулятора підключається не напряму до полюсів котушок-резонаторів, а через струмовий трансформатор.The device in fig. 2 works as follows. Energy transfer occurs similarly to the device shown in Fig. 1, with the difference that the load in the form of a battery is not connected directly to the poles of the resonator coils, but through a current transformer.

Таким чином енергія різниці зарядів котушок перетворюється з такої що при прямому підключенні на навантаження має високий рівень змінної напруги та малий рівень струму, в таку, що має високий рівень змінного струму та низький рівень напруги, та є більш практичним для перетворення в постійний струм, і необхідно для більшості мобільних пристроїв, які використовують проміжне зберігання енергії в конденсаторах, суперконденсаторах або акумуляторах.In this way, the coil charge difference energy is converted from one that, when connected directly to the load, has a high AC voltage level and a low current level, to one that has a high AC level and a low voltage level, and is more practical to convert to direct current, and necessary for most mobile devices that use intermediate energy storage in capacitors, supercapacitors, or batteries.

Перевагами корисної моделі є: - можливість переходу від однопровідної схеми передачі електричної енергії, в якій земля виконує роль провідника, до повністю безпровідної, що дозволяє створити пристрій, придатний для живлення мобільних систем або безпілотних засобів транспортування; - використання струмового трансформатора на вході ланцюга навантаження дозволяє організувати просте перетворення змінного струму в постійний, що особливо важливо в сучасних мобільних системах; - випромінювання передавача не залежить від відносної просторової орієнтації випромінювальних та приймальних ланцюгів, що відкриває можливість для створення безконтактних датчиків та пристроїв, які можуть розміщуватися на рухомих деталях механізмів, де неможливе підведення постійного живлення.The advantages of a useful model are: - the possibility of transition from a single-wire electrical energy transmission scheme, in which the earth acts as a conductor, to a completely wireless one, which allows you to create a device suitable for powering mobile systems or unmanned vehicles; - the use of a current transformer at the input of the load chain allows you to organize a simple conversion of alternating current into direct current, which is especially important in modern mobile systems; - the radiation of the transmitter does not depend on the relative spatial orientation of the emitting and receiving circuits, which opens the possibility for the creation of non-contact sensors and devices that can be placed on moving parts of mechanisms, where it is impossible to supply constant power.

Джерела інформації: 1. Патент 05 649,621, Аррагайиз ог ігапетіввіоп ої єІесігіса! епегау/ М. Тевіа, 1900. 2. Патент 05 10,666,091, М/ігеІе55 поп-гадіайме епегдуу ігапвіег/ У.О. доаппороціов, А.Кагсгаїїв,Sources of information: 1. Patent 05 649,621, Arragaiiz og igapetivviop oi jeIesigisa! epegau/ M. Tevia, 1900. 2. Patent 05 10,666,091, M/igeIe55 pop-gadiaime epegduu igapvieg/ U.O. doapporotsiov, A. Kagsgaiyev,

М. Бої|асіс, 2020.M. Boi|asis, 2020.

З. Патент 05 2019/0165612 М/ігеЇевз5 еєїесігіс їй роуег іапвіег зузіет, теїнодй, ігапетіНегZ. Patent 05 2019/0165612 M/igeYevz5 eeyesigis her roweg iapvieg zuziet, teinody, igapetiNeg

Ко) апа гесеїмег ІНегеїог / Мадезп Рош, Мопаттеєа даНапдіг АІат, ЗпеїкАи Мотіпиї ІзІат, Міта 5опНапі, 2019. 4. Патент на винахід ОА 85476, Пристрій передачі електроенергії без проводів / Крюк В.Г.,Ko) apa heseimeg INegeiog / Madezp Rosh, Mopatteea daNapdig AIat, ZpeikAi Motipii IzIat, Mita 5opNapi, 2019. 4. Patent for the invention OA 85476, Device for transmission of electricity without wires / Kryuk V.G.

Яцишин В.А., Бельдій - М., 2009. 5. а.ЕБ. Геуп, М.О. Кеппап, "ЕПісіепі ММігтеІе55 Тгтапбтіввіоп ої Ромжмег Овіпу НКезопайюгв мійYatsyshyn V.A., Beldiy - M., 2009. 5. a.EB. Geup, M.O. Keppap, "EPisiepi MMigteIe55 Tgtapbtivviop oi Romzhmeg Ovipu NKezopaiyugv my

Соирієй ЕІесійс Рівїдв", 401 Мопп Атетгісап Ромжег Зутровішт 1 7, 2008, СаІдагу, АВ, Сапада.Soiriy Eiisiis Rividv", 401 Mopp Atetgisap Romzheg Zutrovisht 1 7, 2008, SaIdagu, AB, Sapada.

Claims

UTILITY MODEL FORMULA Device for wireless transmission of electrical energy of resonance type containing a transmitter

40 electrical energy with an electrical energy generator and an electrical energy receiver with a load resistance, where the transmitter and receiver are made of high-Q resonator coils having a helical single-layer winding, while the transmitter is connected in series with the electrical energy generator, which is connected in series to ground, and the receiver is connected in series with the load resistance, which differs in that to the resistance

45 load of the receiver is connected in series with a resonator coil of high Q, having a helical single-layer winding.