UA147692U - Пристрій бездротової передачі електричної енергії резонансного типу - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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 мають

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Пристрій на Фіг. 1 працює наступним чином. Генератор 2 збуджує в 1 відносно З високочастотні коливання електричної енергії на частоті власного резонансу 1.

Випромінювання, створене 1, наводить заряд різного рівня в 4 та 6. Оптимальна відстань між 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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,

М. Бої|асіс, 2020.

З. Патент 05 2019/0165612 М/ігеЇевз5 еєїесігіс їй роуег іапвіег зузіет, теїнодй, ігапетіНег

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.,

Яцишин В.А., Бельдій - М., 2009. 5. а.ЕБ. Геуп, М.О. Кеппап, "ЕПісіепі ММігтеІе55 Тгтапбтіввіоп ої Ромжмег Овіпу НКезопайюгв мій

Соирієй ЕІесійс Рівїдв", 401 Мопп Атетгісап Ромжег Зутровішт 1 7, 2008, СаІдагу, АВ, Сапада.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій бездротової передачі електричної енергії резонансного типу, що містить передавач

   40 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, який відрізняється тим, що до опору

   45 навантаження приймача послідовно підключено котушку-резонатор високої добротності, що має гвинтову одношарову намотку.