СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2014 года по МПК H02J5/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системе беспроводной передачи энергии и способу ее эксплуатации.

Предшествующий уровень техники

Электронные устройства, являющиеся «мобильными» или переносными, используются сегодня в различных коммерческих или личных целях. Примеры таких устройств включают в себя мобильные телефоны, ноутбуки, «электронные помощники» (PDA) и переносные проигрыватели музыки. Вышеупомянутые устройства обычно питаются от аккумуляторной батареи, которую следует периодически подзаряжать, чтобы поддерживать устройство в рабочем состоянии. Для подзарядки или для подключения внешнего источника питания каждое устройство, как правило, имеет специальный блок питания, который следует подключить к устройству и к стенной розетке питания. Поскольку большинство устройств несовместимы друг с другом, специальный блок питания необходим для каждого устройства.

Ввиду того, что полное количество таких используемых устройств растет, были разработаны беспроводные источники энергии, которые уменьшают время и силы, необходимые для процесса подзарядки. US 2007/0182367A1 раскрывает такой беспроводной источник энергии и систему зарядки. Предоставляется базовый блок, имеющий поверхность для размещения одного или нескольких мобильных устройств, требующих подзарядки. Под поверхностью предоставляются несколько индукционных катушек для генерирования магнитного поля, которое индуцирует ток в соответствующей катушке каждого мобильного устройства. Используя этот ток, аккумуляторная батарея в мобильном устройстве может подзаряжаться легко и без процедуры подключения собственного блока питания к каждому из устройств, требующих подзарядки.

Несмотря на то, что известная система позволяет беспроводным образом подзаряжать такое устройство, индукционные катушки в базовом блоке генерируют достаточно большое магнитное поле рассеяния, что порождает проблемы в ЭМС-чувствительной среде и может порождать нежелательные помехи в прочих электронных устройствах.

Соответственно, целью этого изобретения является предоставить систему беспроводной передачи энергии и способ эксплуатации такой системы, в которых магнитное поле рассеяния уменьшено.

Сущность изобретения

Цель достигается согласно изобретению посредством системы беспроводной передачи энергии по п.1 формулы изобретения и способу эксплуатации системы беспроводной передачи энергии по п.13 формулы изобретения. Зависимые пункты относятся к предпочтительным вариантам осуществления изобретения.

Основной идеей изобретения является предоставление системы беспроводной передачи электрической энергии, которая позволяет передавать энергию устройству посредством индукции, генерируемой магнитным полем, причем магнитное поле сгущается в области вблизи устройства, т.е. в ближнем магнитном поле, в то время как дальнее поле гасится вторым магнитным полем, которое выгодно уменьшает магнитное поле рассеяния и, таким образом, повышает электромагнитную совместимость (ЭМС) системы.

Система беспроводной передачи энергии 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.

Для передачи энергии по меньшей мере одна из цепей генерации магнитного поля эксплуатируется для генерации магнитного поля, которое индуцирует ток в принимающем индукторе устройства; в дальнейшем она называется «цепью передачи». Для достижения эффективной передачи энергии устройство и, таким образом, принимающий индуктор должны находиться в физической близости с цепью передачи, т.е. в области ближнего поля магнитного поля цепи передачи. В случае, когда цепи генерации предоставляются в виде петель или витков проводника, расстояние между принимающим индуктором и цепью передачи предпочтительно должно быть в пределах 1/4 диаметра петли или витка.

Базовый блок дополнительно содержит управляющее устройство (контроллер), сконфигурированное определять цепь передачи из упомянутых цепей генерации, когда упомянутый принимающий индуктор находится поблизости от упомянутой цепи передачи. Управляющее устройство, таким образом, индивидуальным образом определяет, находится ли устройство с принимающим индуктором вблизи одной из цепей генерации или же нет, то есть требуется ли беспроводная передача энергии.

Управляющее устройство может быть любого типа, подходящего для управления базовым блоком, как например, микроконтроллер или компьютер. Управляющее устройство предпочтительно может быть составной частью базового блока, хотя возможно, чтобы управляющее устройство было внешним устройством, как например, отдельный компьютер, проводным и/или беспроводным образом соединенный с базовым блоком.

Затем цепь передачи эксплуатируется для генерации первого магнитного поля, имеющего первую фазу, т.е. первого магнитного поля, имеющего магнитный поток с первой фазой, для индукции тока в упомянутом принимающем индукторе. Затем ток, к примеру, может обеспечиваться в устройстве для питания электрических или электронных элементов устройства или для зарядки аккумуляторной батареи.

По меньшей мере одна из оставшихся цепей генерации эксплуатируется как цепь компенсации для генерации второго магнитного поля, имеющего противоположную фазу к упомянутой первой фазе, т.е. второго магнитного поля, имеющего магнитный поток со второй фазой, противоположной к упомянутой первой фазе. В отношении настоящего изобретения, под термином «противоположная фаза» понимается сдвиг фазы в 180° относительно упомянутой первой фазы. Ввиду противоположной фазы, магнитный поток первого и второго магнитного поля имеют противоположные направления в любой момент времени. Второе магнитное поле, таким образом, служит для компенсации первого магнитного поля в области магнитного дальнего поля, что выгодно уменьшает поле рассеяния, излучаемое системой, при этом обеспечивая эффективную передачу энергии устройству в области ближнего поля.

В дополнение к компенсационному эффекту дальнего поля, работа по меньшей мере одной из цепей генерации в качестве цепи компенсации для получения второго магнитного поля в противофазе к упомянутому первому магнитному полю повышает амплитуду магнитного потока цепи передачи в области ближнего поля и, таким образом, дополнительно улучшает индуктивную передачу энергии устройству. Этот эффект особенно велик в случае, когда цепи компенсации располагаются близко или вплотную с соответствующими цепями передачи, что, следовательно, является предпочтительным.

Как правило, несколько цепей передачи могут эксплуатироваться одновременно, в случае, когда несколько устройств находится поблизости от соответствующей цепи передачи, для параллельной передачи энергии нескольким устройствам. В этом случае цепь компенсации эксплуатируется так, чтобы фаза второго магнитного поля была противоположной к фазе суммы магнитных полей упомянутых нескольких цепей передачи.

Дополнительно, более одной цепи генерации может эксплуатироваться в качестве цепей компенсации для повышенной эффективности компенсации. Оставшиеся цепи генерации системы, не работающие как цепь передачи или компенсации, могут предпочтительно эксплуатироваться для генерации только слабых магнитных полей для дополнительного уменьшения поля рассеяния в системе. Наиболее предпочтительно, чтобы оставшиеся цепи генерации были выключены.

Как отмечено выше, второе магнитное поле имеет фазу, противоположную к упомянутой первой фазе, для достижения гашения магнитного поля в области дальнего поля. Для получения упомянутого второго магнитного поля с противоположной фазой может использоваться любой способ, известный в технике. Предпочтительно, цепь компенсации эксплуатируется посредством электрического сигнала, который соответствует сигналу, предоставленному для цепи передачи, но который находится в противоположной фазе к упомянутому сигналу, т.е. сдвинут по фазе на 180°.

Базовый блок может содержать дополнительные элементы, как например, дополнительные управляющие цепи или один или несколько генераторов сигналов, соединенных с цепями генерации поля для предоставления электрического тока упомянутым цепям генерации поля для генерации соответствующих магнитных полей.

Для достижения гашения полей в области магнитного дальнего поля с повышенной эффективностью, цепь передачи и по меньшей мере одна цепь компенсации предпочтительно эксплуатируются так, чтобы амплитуда магнитного потока первого магнитного поля на основе плотности потока и площади поверхности цепи передачи соответствовала амплитуде магнитного потока второго магнитного поля на основе плотности потока и площади поверхности цепи компенсации. В этом случае сумма магнитных дипольных моментов упомянутых первого и второго магнитных полей гасят друг друга в магнитном дальнем поле с повышенной эффективностью. В случае, когда цепь передачи и по меньшей мере одна цепь компенсации предоставляются в виде катушек, магнитный поток первого магнитного поля предпочтительно соответствует магнитному потоку второго магнитного поля на основе плотности потока и площади поперечного сечения соответствующих катушек.

В отношении настоящего изобретения, термин «соответствует» в применении к магнитному потоку понимается как содержащий равные амплитуды магнитного потока упомянутых первого и второго магнитных полей, но также включает в себя отклонения ± 50%, предпочтительно ±20%, наиболее предпочтительно ±10% и ±5%. Выбор магнитного потока в указанных диапазонах приводит к удовлетворительному уменьшению магнитного дальнего поля.

В случае эксплуатации более чем одной цепи передачи или более чем одной цепи компенсации, цепи передачи и цепи компенсации эксплуатируются так, чтобы магнитный поток первого магнитного поля, т.е. амплитуда магнитного потока, генерируемого всеми цепями передачи, предпочтительно соответствовал амплитуде магнитного потока второго магнитного поля, т.е. сумме магнитного потока, генерируемого всеми цепями компенсации. Как отмечено выше, магнитный поток упомянутого первого магнитного поля соответствует магнитному потоку упомянутых вторых магнитных полей на основе плотности потока и площади поверхности соответствующих цепей передачи и компенсации.

Цепи генерации магнитного поля могут быть любого типа, подходящего для эффективной генерации магнитного поля; например, простая петля проводника или один или несколько витков такого проводника. Предпочтительно, каждая упомянутая цепь генерации содержит катушку с несколькими витками для генерации магнитного поля. Используя катушку, можно эффективно генерировать упомянутое магнитное поле и предоставлять подходящую напряженность поля для эффективной передачи энергии устройству. Согласно разработке изобретения, катушки предоставляются на печатной плате (ПП) в одном или нескольких слоях упомянутой ПП. Предпочтительно, катушки являются плоскими катушками, т.е. предоставленными в одиночном слое ПП, что позволяет экономичное производство.

Принимающий индуктор может быть проводником любого типа, способного принимать энергию индуктивным образом, как например, простая петля провода или цепь, предоставленная на ПП. Предпочтительно, принимающий индуктор является катушкой.

Как отмечено выше, эффективность системы выгодным образом дополнительно повышается, когда амплитуда магнитного потока второго магнитного поля равна или близка к амплитуде магнитного потока первого магнитного поля. Следовательно, предпочтительно, чтобы напряжение, приложенное к цепи передачи, соответствовало напряжению, приложенному к цепи компенсации. Дополнительно или альтернативно к этому и в случае, когда каждая из упомянутых цепей генерации содержит катушку с несколькими витками, количество витков цепи передачи предпочтительно соответствует количеству витков цепи компенсации. Если более одной цепи передачи или более одной цепи компенсации эксплуатируется, полное количество витков всех цепей передачи должно наиболее предпочтительно совпадать с полным количеством витков всех цепей компенсации.

Устройство может быть любого типа электрического или электронного устройства, которому требуется электрическая энергия для работы. Предпочтительно, устройство является мобильным, т.е. переносным устройством или устройством, которое не может соединяться непосредственно с сетью электропитания, к примеру, в области медицинского применения. Наиболее предпочтительно, упомянутое устройство является мобильным устройством, содержащим средство накопления энергии, соединенное с упомянутым принимающим индуктором, для зарядки упомянутого средства накопления энергии. Средство накопления энергии может быть любого подходящего типа, к примеру, аккумуляторная батарея или конденсатор, например, ионистор.

Для обнаружения близости устройства к цепи передачи, может применяться любой способ, известный в технике. К примеру, управляющее устройство может подавать слабый ток в каждую из цепей генерации и может обнаруживать наличие устройства путем отслеживания состояния каждой цепи.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, каждая цепь генерации имеет ассоциированное средство обнаружения (детектор), соединенное с управляющим устройством, для обнаружения близости принимающего индуктора к соответствующей цепи генерации. Такая структура позволяет эффективно определить близость устройства к цепи передачи.

Средства обнаружения могут быть любого подходящего типа для обнаружения близости устройства, к примеру посредством изменения веса, используя датчик давления, посредством изменения электрического или магнитного поля, используя датчик поля, посредством ультразвуковых волн или путем оптического обнаружения. Предпочтительно, средство обнаружения является датчиком поля и содержит параллельную резонансную цепь. В этом случае устройству предоставляется магнитный элемент, например, магнитно-мягкая пластина. Когда устройство оказывается вблизи резонансной цепи, индуктивность упомянутой резонансной цепи возрастает. Затем возможно обнаружить изменение комплексного сопротивления или резонансной частоты резонансной цепи, позволяющее обнаружить близость устройства.

Наиболее предпочтительно, средства обнаружения являются RFID-детекторами и устройство содержит RFID-метку. Настоящий вариант осуществления выгодным образом предусматривает обнаружение устройства и перенос между устройством и базовым блоком дополнительных данных, например, типа устройства, требуемого тока, времени передачи энергии или любой другой информации, предусматривающей возможность повысить эффективность системы. Информация, содержащаяся в RFID-метке, может предпочтительно использоваться управляющим устройством для эксплуатации цепи передачи и цепи компенсации соответственно. К примеру, RFID-метка может содержать информацию о времени зарядки, которая переносится управляющему устройству, которое затем эксплуатирует цепи передачи и компенсации на протяжении конкретного отрезка времени.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, цепи генерации располагаются на плоскости, формирующей зону передачи. Эта структура позволяет эффективное производство базового блока и, таким образом, системы передачи энергии. Дополнительно, структура позволяет формирование плоской поверхности для размещения одного или нескольких устройств.

Для эффективного гашения магнитного дальнего поля, упомянутая цепь компенсации предпочтительно содержит по меньшей мере один виток проводника, расположенный на границе упомянутой зоны передачи, для генерации упомянутого второго магнитного поля. Наиболее предпочтительно, этот по меньшей мере один виток проводника формируется как, по существу, замкнутая петля, которая окружает зону передачи, т.е. зону, в которой располагаются цепь передачи и оставшиеся цепи генерации. Настоящая структура обеспечивает эффективное гашение магнитного дальнего поля, при этом поддерживая достаточное ближнее магнитное поле для передачи энергии устройству. Разумеется, такая цепь компенсации может содержать более одного витка проводника или может предпочтительно содержать несколько витков проводника с промежуточными соединениями, чтобы было возможно изменять количество эксплуатируемых витков проводника, таким образом позволяя изменять магнитный поток упомянутого второго магнитного поля без каких-либо изменений в структуре. Такое решение может быть полезно, когда, к примеру, количество эксплуатируемых цепей передачи изменяется и, таким образом, полный магнитный поток цепей передачи, который требуется компенсировать, изменяется соответственно.

Альтернативно, управляющее устройство может конфигурироваться с возможностью определять по меньшей мере одну цепь компенсации из упомянутых нескольких цепей генерации так, чтобы упомянутая цепь передачи и упомянутая цепь компенсации прилегали друг к другу. В отношении настоящего изобретения, термин «прилегать друг к другу» означает, что цепь компенсации и цепь передачи непосредственно примыкают без дополнительной цепи генерации между ними. Также при этой структуре, магнитное дальнее поле уменьшено эффективно. В дополнение к этому и как отмечено выше, настоящий вариант осуществления выгодным образом дополнительно улучшает передачу энергии устройству.

Как правило, управляющее устройство может конфигурироваться с возможностью определять более одной цепи компенсации, прилегающей к цепи передачи, таким образом, что упомянутые несколько цепей компенсации окружают цепь передачи по меньшей мере частично.

Прилегающие цепи генерации предпочтительно могут располагаться с наложением. Наиболее предпочтительно, цепи генерации поля могут располагаться в несколько слоев. К примеру, может предоставляться первый слой, в котором цепь передачи располагается, и может предоставляться, по меньшей мере, второй слой, в котором располагается по меньшей мере одна цепь компенсации. В дополнение к этому, цепи передачи и/или цепи компенсации предпочтительно могут располагаться с по меньшей мере частичным наложением в направлении, перпендикулярном первому и/или второму слою.

Как отмечено выше, цепи компенсации могут эксплуатироваться посредством сигнала, который соответствует сигналу, предоставленному для цепи передачи, но который находится в противоположной фазе к упомянутому сигналу. Для достижения эффективного уменьшения магнитного дальнего поля, полный ток, который проходит через одну или несколько цепей компенсации, предпочтительно соответствует току, который проходит через одну или несколько цепей передачи.

По альтернативному варианту осуществления предпочтительно, чтобы упомянутый базовый блок содержал средство выявления (датчик), соединенное с управляющим устройством, для выявления магнитного поля, т.е. магнитного потока. Таким образом, можно активно управлять одной или несколькими цепями компенсации для минимизации магнитного дальнего поля цепи передачи согласно выявленному полю. Такое активное управление - или «замкнутое» управление - может достигаться путем изменения напряжения цепей компенсации. В случае, когда цепями компенсации являются катушки, альтернативно или дополнительно к управлению напряжения, количество витков проводника может изменяться для управления или установки магнитного потока упомянутого второго магнитного поля. В качестве примера, средство выявления может являться датчиком Холла или простой катушкой с подходящей цепью обнаружения поля.

Чтобы позволить измерение дальнего поля более точно и, таким образом, дополнительно повысить уменьшение магнитного дальнего поля, средство выявления наиболее предпочтительно предоставляется на определенном расстоянии от цепи передачи. К примеру, средство выявления может располагаться на границе упомянутой зоны передачи или базового блока или даже предоставляться в отдельном блоке, соединенном с базовым блоком, но который может быть помещен на определенном расстоянии от базового блока.

Вышеуказанные и другие цели, особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из последующего описания предпочтительных вариантов осуществления.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан первый вариант осуществления системы беспроводной передачи энергии согласно изобретению в трехмерной проекции с пространственным разделением деталей,

на фиг.2a показано схематичное представление второго варианта осуществления изобретения в рабочем состоянии,

на фиг.2b показано схематичное представление варианта осуществления с фиг.2a во втором рабочем состоянии,

на фиг.2c показано схематичное представление варианта осуществления с фиг.2a в дополнительном рабочем состоянии,

на фиг.3a и 3b показана принципиальная схема варианта осуществления с фиг.2a,

на фиг.4a показано схематичное представление третьего варианта осуществления в рабочем состоянии,

на фиг.4b и 4c показана принципиальная схема вариантов осуществления с фиг.4a,

на фиг.5 показан четвертый вариант осуществления системы беспроводной передачи энергии согласно изобретению в схематичном представлении,

на фиг.6a и 6b показана принципиальная схема варианта осуществления с фиг.5,

на фиг.7a и 7b показана принципиальная схема пятого варианта осуществления и

на фиг.8a и 8b показана принципиальная схема шестого варианта осуществления.

Подробное описание вариантов осуществления

Согласно фиг.1, в базовом блоке 1 предусмотрены несколько цепей генерации магнитного поля, т.е. плоских спиральных катушек 2, размещенных в одиночном слое печатной платы базового блока 1. Катушки 2 соединяются с управляющим устройством 3, которым может являться, например, микроконтроллер. Соединения (не показаны) могут, например, предоставляться в дополнительном слое многослойной печатной платы или посредством подходящей электропроводки. Управляющее устройство 3 соединяется с блоком 5 питания для обеспечения катушек 2 определенным переменным напряжением для генерации переменных магнитных полей. Магнитно-мягкая пластина 6 предусмотрена на нижней стороне базового блока 1 для уменьшения магнитных полей рассеяния. Каждая катушка 2 имеет ассоциированное средство 4 обнаружения, например, RFID-детектор, соединенное с управляющим устройством 3 и размещенное в центре каждой ассоциированной катушки 2. Средства 4 обнаружения сконфигурированы для обнаружения близости устройства 10, которое показано на фиг.1 с пространственным разделением деталей в иллюстративных целях.

Устройство 10 содержит принимающий индуктор, т.е. плоскую спиральную приемную катушку 11, предусмотренную в слое 13 печатной платы. Магнитно-мягкая пластина 12 располагается над плоской катушкой 11 для экранирования магнитного поля от катушек 2 из остальных элементов устройства 10, как поясняется ниже. Приемная катушка 11 соединяется с выпрямителем 14, который соединяет приемную катушку 11 с аккумуляторной батареей 15. Последовательным образом к вышеуказанному предусмотрен конденсатор 16 для повышения совокупной эффективности магнитных полей. Для обеспечения возможности обнаружения близости устройства 10 к одной из катушек 2, устройство 10 содержит RFID-метку 17, близость которой обнаружима средствами 4 обнаружения. В RFID-метку 17 дополнительно загружена информация об устройстве 10. Такая загруженная информация может содержать информацию о требуемом напряжении, времени зарядки или любой другой параметр, который может использоваться управляющим устройством 3 для улучшения передачи энергии устройству 10.

Когда устройство 10 находится поблизости от одной из катушек 2, ассоциированное средство 4 обнаружения катушки 2 обнаруживает наличие RFID-метки 17 и, таким образом, устройства 10. Управляющее устройство 3 затем обеспечивает катушку 2 переменным напряжением, генерируемым блоком 5 питания, чтобы катушка 2 работала как цепь 2' передачи. Цепь 2' передачи, таким образом, генерирует первое переменное магнитное поле 8, которое индуцирует ток в приемной катушке 11 для подзарядки батареи 15. Для уменьшения магнитного поля рассеяния управляющее устройство 3 снабжает по меньшей мере одну из оставшихся катушек 2 переменным напряжением в противоположной фазе, чтобы второе магнитное поле генерировалось с противоположной фазой к упомянутой первой фазе. Таким образом, магнитное дальнее поле уменьшается эффективно. Как можно понять по фигуре, базовый блок 1 является изменяемым и не ограничивается конкретным количеством катушек 2, которые могут изменяться в зависимости от применения; к примеру, достаточно большой базовый блок 1 с большим количеством катушек 2 может использоваться в случае, когда множество устройств 10 требуется питать одновременно.

Дополнительные подробности изобретения объясняются со ссылками на фиг.2a-2c, на которых показаны схематичные представления второго варианта осуществления системы беспроводной передачи энергии в нескольких рабочих состояниях. Поскольку переменные поля используются для индукции тока в приемной катушке 11, на фиг.2a-2c показаны «снимки» системы в заданный момент времени, для пояснения работы системы.

Согласно варианту осуществления с фиг.2a, базовый блок 1 с матрицей 3x4 катушек 2 предоставляется для передачи энергии беспроводным образом одному или нескольким устройствам 10 (не показано). Одна из катушек 2 эксплуатируется как цепь 2' передачи управляющим устройством 3 для передачи энергии устройству 10 (не показано), расположенному над цепью 2' передачи. Следовательно, в цепь 2' передачи подается от управляющего устройства 3 первый сигнал, имеющий первую фазу, т.е., согласно «снимку» с фиг.2, в первом направлении, указанном стрелкой 7, и, таким образом, генерируется первое магнитное поле 8 с первой фазой, т.е. первым направлением.

Четыре катушки 2, прилегающие к цепи 2' передачи, эксплуатируются как цепи 2'' компенсации. В цепи 2'' компенсации управляющее устройство 3 подает сигнал, соответствующий первому сигналу, но имеющий противоположную фазу, т.е. противоположное направление в любой момент времени, указанное стрелками 9. Цепи 2'' компенсации, таким образом, генерируют второе магнитное поле 21, имеющее противоположную фазу к упомянутому первому магнитному полю 8. Таким образом, первое магнитное поле 8 компенсируется в области дальнего поля упомянутым вторым магнитным полем 21. Дополнительно к компенсационному эффекту дальнего поля, размещение цепей 2'' компенсации прилегающими к цепи 2' передачи улучшает первое магнитное поле 8 и, таким образом, передачу энергии устройству 10. На фиг.2b и 2c показан вариант осуществления с фиг.2a в дополнительных рабочих состояниях с двумя катушками 2, эксплуатируемыми как цепи 2' передачи, и несколькими цепями 2'' компенсации, размещенными прилегающим образом к двум цепям 2' передачи. Таким образом, можно передавать энергию более чем одному устройству 10 (не показано), размещенному над соответствующей цепью 2' передачи, одновременно.

На фиг.3a и 3b показаны принципиальные схемы варианта осуществления с фиг.2a. Как можно понять с фигуры, каждая катушка 2 соединяется с блоком 5 питания посредством ключей 31, которые управляются управляющим устройством 2. Каждая катушка 2 может, таким образом, соединяться с источником переменного напряжения либо в положительном направлении, либо в обратном направлении. На фиг.3a показано расположение в выключенном состоянии; все ключи 31 открыты. Рабочее состояние, показанное на фиг.3b, соответствует состоянию с фиг.2c. Две из катушек 2 соединяются как цепи 2' передачи для генерации первого магнитного поля 8, а две соседние, т.е. прилегающие, катушки 2 соединяются как цепи 2'' компенсации в противоположной фазе, т.е., согласно «снимку» с фиг.3b, в обратном направлении - указанном стрелкой на фиг.3b - для компенсации магнитного дальнего поля первого магнитного поля 8. Ключи 31 устанавливаются соответственно для соединения соответствующих катушек 2 в противоположных направлениях с блоком 5 питания.

Для улучшения компенсации первого магнитного поля 8 в области дальнего поля, сумма магнитного потока второго магнитного поля, генерируемого цепями 2'' компенсации, здесь обозначенного Φ _C, должна быть равна по амплитуде но иметь противоположное направление относительно магнитного потока, генерируемого цепями 2' передачи энергии в любой момент времени, обозначенного Φ _Tx:

(1)

Вообще, магнитный поток Φ, генерируемый катушкой 2, относится к приложенному напряжению U к катушке 2:

(2),

где N - количество витков катушки 2. Диаметр катушки 2 не имеет значимости.

Для синусоидального потока и напряжения уравнение может быть выражено как функция от частоты f с использованием комплексных чисел:

(3)

Для двухкатушечной (2) системы с одной цепью 2' передачи и одной цепью 2'' компенсации, работающих на общей частоте f, условие для гашения дальнего поля может легко быть выражено следующим образом:

(4),

где индекс Tx относится к цепи 2' передачи, а индекс C относится к цепи 2'' компенсации. Если существуют количество активных цепей 2' передачи (n _Tx) и количество цепей 2'' компенсации (n _C), сумма всех вкладов магнитных потоков от цепей 2' передачи должна быть равна сумме потоков всех цепей 2'' компенсации. В виде уравнения это выражается следующим образом:

(5)

Если катушки 2 не очень хорошо объединены в ближнем поле, уравнение (4) применимо, и правило для технической реализации может быть выражено следующим образом:

(6)

В случае, когда идентичные катушки 2 с соответствующим количеством витков используются для передачи энергии, т.е. как цепи 2' передачи, и для компенсации поля, т.е. как цепи 2'' компенсации, простой способ управления заключается в том, чтобы подключить в качестве цепей компенсации столько же катушек 2, сколько включено для передачи энергии, но в обратном направлении, как показано на фиг.2c и 3b.

Для дополнительного повышения эффективности компенсации, можно предоставить отдельный управляемый блок 45 питания компенсации, как показано на фиг.4a-4c. На фиг.4a показано схематичное представление третьего варианта осуществления в рабочем состоянии. Базовая структура системы передачи энергии, согласно варианту осуществления с фиг.4a, соответствует варианту осуществления с фиг.2a, в особенности расположение катушек 2.

Каждая катушка 2 может соединяться либо с блоком 5 питания, который предоставляет катушкам 2' передачи переменное напряжение для передачи энергии (Ugen), или с управляемым источником 45 питания компенсации для предоставления переменного напряжения компенсации (Uc) цепям компенсации 2'', используя ключи 31, как можно понять с фиг.4b, на которой показана принципиальная схема варианта осуществления согласно фиг.4a. Управляющее устройство 3 устанавливает напряжение компенсации согласно уравнению (6) в зависимости от количества активированных цепей 2' передачи и цепей 2'' компенсации и их свойств, как отмечено выше.

На фигуре 4c показан «снимок» третьего варианта осуществления в рабочем состоянии согласно фиг.4a, где некоторые из катушек 2 активированы. Только одна цепь 2' передачи активирована, но две соседние катушки 2 соединяются с переменным напряжением компенсации как цепи 2'' компенсации. В этом примере все катушки 2 имеют одинаковые свойства, т.е. количество витков, таким образом, управляющее устройство 3 устанавливает абсолютную величину напряжения компенсации Uc = ½ Ugen.

Альтернативно для эксплуатации катушек 2 либо в качестве цепей 2' передачи, либо в качестве цепей 2'' компенсации, можно предоставить специальную цепь 52 компенсации, как показано на фиг.5.

На фиг.5 показан четвертый вариант осуществления системы беспроводной передачи энергии согласно изобретению в схематичном представлении в рабочем состоянии. В отличие от варианта осуществления с фиг.2a, специальная цепь 52 компенсации предусмотрена на границе базового блока 1, формируя зону передачи, в которой располагаются катушки 2. Цепь 52 компенсации формируется катушкой с несколькими витками для генерации второго магнитного поля 21, которое обеспечивает компенсацию в магнитном дальнем поле для первого магнитного поля 8, генерируемого одной или несколькими цепями 2' передачи. Цепь 52 компенсации имеет одинаковое количество витков в каждой из катушек 2. Катушки 2 и цепь 52 компенсации обеспечиваются переменным напряжением от блока 5 питания.

На фиг.6a и 6b показана принципиальная схема варианта осуществления с фиг.5. Каждая катушка 2 может переключаться на источник переменного напряжения, предоставляемого блоком 5 питания. Цепь 52 компенсации соединяется с тем же блоком 5 питания, но в обратном направлении. Управляющее устройство 3 управляет ключами 31 для активации катушки 2 в качестве цепи 2' передачи, когда устройство 10 (не показано) находится поблизости от соответствующей катушки 2. В то время как на фиг.6a показано расположение в выключенном состоянии, на фиг.6b показан «снимок» согласно фиг.5, где передающая цепь 2' и цепь 52 компенсации активированы. Стрелки указывают направление приложенного напряжения. Для компенсации магнитного дальнего поля переменное напряжение, приложенное к цепи 52 компенсации, находится в противоположной фазе относительно переменного напряжения, приложенного к цепи 2' передачи, т.е. в противоположном направлении, согласно «снимку» с фиг.6b, указанному стрелкой на фигуре.

Альтернативно, для дополнительного повышения эффективности компенсации, можно предоставить отдельный управляемый блок 75 питания компенсации, как показано на фиг.7a и 7b, на которых показана принципиальная схема пятого варианта осуществления изобретения. Базовая структура системы передачи энергии согласно варианту осуществления с фиг.7a и 7b соответствует варианту осуществления с фиг.5, в особенности расположение катушек 2 и цепи 52 компенсации.

Управляющее устройство 3 управляет блоком 75 питания компенсации. Управляющее устройство 3 устанавливает переменное напряжение компенсации согласно уравнению (6) в зависимости от количества активированных цепей 2' передачи и свойств цепи 52 компенсации. На фиг.7b показан «снимок» варианта осуществления с фиг.7a в рабочем состоянии, где две цепи 2' передачи активированы. Если цепь 52 компенсации имеет то же количество витков, абсолютная величина напряжения компенсации (Uc) должна быть Uc = 2 x Ugen (напряжение, питающее цепь 2' передачи), как указано стрелкой на фигуре. В качестве преимущества этого решения, цепь 52 компенсации может иметь количество витков, отличное от катушек 2, и являться, таким образом, более гибкой.

На фиг.8a и 8b показана принципиальная схема дополнительного варианта осуществления изобретения с одиночной цепью 82 компенсации. Базовая структура системы передачи энергии согласно варианту осуществления с фиг.8a и 8b соответствует варианту осуществления с фиг.5, в особенности расположение катушек 2 и цепи 82 компенсации.

Это решение применяет уравнение (6) путем регулирования количества витков цепи 82 компенсации. Замкнутая цепь 82 компенсации имеет то же количество витков 81, что и все катушки 2. Однако, как показано на фиг.8a, дополнительные ключи 80 позволяют подключать только доли витков компенсации к генератору переменного напряжения блока 5 питания. К примеру, если две цепи 2' передачи активированы, только 1/2 витков 81 компенсации активированы. Если три цепи 2' передачи активированы, только 1/3 витков 81 компенсации активированы и так далее. Витки цепи 82 компенсации сильно связаны, что указано жирной линией под отдельными индукторами компенсации, представляющими доли витков. На фиг.8b показан «снимок» варианта осуществления с фиг.8a в рабочем состоянии, где две цепи 2' передачи активированы. Как показано, ключ 80' соединяет половину витков 81 цепи 82 компенсации с блоком 5 питания и, таким образом, с генератором переменного напряжения.

В то время как изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в вышеприведенном описании, такие иллюстрация и описание следует рассматривать как иллюстративные или пояснительные и не ограничительные. Все или некоторые из вариантов осуществления или признаков отдельных вариантов осуществления могут объединяться без ограничения. Изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления.

К примеру, можно эксплуатировать изобретение согласно вышеизложенным вариантам осуществления, где

- управляющее устройство 3 предоставляется в виде внешнего устройства, например, микроконтроллера или компьютера,

- средства 4 обнаружения являются датчиками давления, датчиками поля, ультразвуковыми датчиками близости или оптическими датчиками, и устройство 10 адаптировано к ним,

- катушки 2 предоставляются в нескольких слоях печатной платы или предоставляются в виде раздельных катушек,

- магнитно-мягкие пластины 6, 12 содержат пластичный ферритный композитный материал или структурированную металлическую фольгу высокой пропускаемости, сделанную из мю-металла, металлического стекла или нанокристаллического железа,

- магнитно-мягкие пластины 6, 12 предоставляются в виде слоев печатной платы,

- устройство 10 не содержит средства накопления энергии или содержит альтернативное средство накопления энергии вместо батареи 15, например, ионистор,

- ключи 31, 80 и 80' предоставляются в виде переключателей или транзисторов, например, полевого транзистора или МОП, и/или

- цепи генерации располагаются в нескольких слоях.

Дополнительно, можно эксплуатировать изобретение согласно вышеизложенным вариантам осуществления, где переменное напряжение компенсации, предоставляемое цепям 2'', 52 или 82 компенсации, не определяется уравнением (6). Вместо этого, в течение наладочного сеанса (напр. на заводе или в лаборатории) оптимальное переменное напряжение компенсации определяется для каждой комбинации активированных цепей 2' передачи. Эта оптимальная конфигурация сохраняется в управляющем устройстве 3 и используется в течение работы. Оптимальная настройка определяется при помощи средства выявления магнитного поля, расположенного в дальнем поле. Переменное напряжение компенсации изменяется, пока минимальное магнитное поле не будет замерено.

Альтернативно или дополнительно к этому, переменное напряжения компенсации, предоставленное цепи 2'', 52 или 82 компенсации, определяется в замкнутой или активной работе, где магнитное дальнее поле выявляется при помощи подходящего средства выявления, напр., датчика Холла, соединенного с управляющим устройством 3. Средство выявления может находиться достаточно далеко от катушек 2, напр., на внешней кромке базового блока 1 или зоны передачи, или может предоставляться в отдельном блоке, соединенном либо проводным, либо беспроводным образом, или в управляющем устройстве 3. Управляющее устройство 3 изменяет переменное напряжение компенсации, пока оптимальное гашение не будет достигнуто.

Другие изменения раскрытых вариантов осуществления могут быть понятны и осуществлены специалистами в области техники при практическом применении заявленного изобретения через изучение чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы. В формуле слово «содержащий» не исключает возможности наличия других элементов или этапов, а применение единственного числа не исключает возможности множественного числа. Одиночный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле. Сам факт, что некоторые меры перечисляются во взаимно разных зависимых пунктах, не указывает на то, что комбинация этих мер не может использоваться для достижения преимуществ. Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, таком как, например, оптическое запоминающее устройство или твердотельный носитель, поставляемом вместе с другими аппаратными средствами или в их составе, но может также распространяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные системы дальней связи. Любые ссылочные знаки в формуле не следует трактовать как ограничивающие объем изобретения.

Изобретение относится к области беспроводной передачи энергии. Система беспроводной передачи энергии содержит базовый блок (1) с несколькими цепями генерации магнитного поля и устройство (10), отделимое от упомянутого базового блока (1), имеющее принимающий индуктор, приспособленный для приема энергии индуктивным образом, когда упомянутое устройство (10) находится поблизости от одной из упомянутых цепей генерации, причем упомянутый базовый блок (1) содержит контроллер (3), сконфигурированный определять цепь (2') передачи из упомянутых цепей генерации, когда упомянутый принимающий индуктор находится поблизости от упомянутой цепи (2') передачи, после чего упомянутая цепь (2') передачи эксплуатируется для генерации первого магнитного поля (8), имеющего первую фазу, для индукции тока в упомянутом принимающем индукторе, и по меньшей мере одна из оставшихся цепей генерации эксплуатируется как цепь (2", 52, 82) компенсации для генерации второго магнитного поля (21), имеющего противоположную фазу к упомянутой первой фазе. Технический результат - уменьшение магнитного поля рассеяния. 5 н. и 6 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Система беспроводной передачи энергии, содержащая:
базовый блок (1) с несколькими цепями генерации магнитного поля, причем эти цепи генерации располагаются на плоскости, формируя зону передачи, и
устройство (10), отделимое от упомянутого базового блока (1), имеющее принимающий индуктор, приспособленный для приема энергии индуктивным образом, когда упомянутое устройство (10) находится поблизости от одной из упомянутых цепей генерации,
причем упомянутый базовый блок (1) содержит управляющее устройство (3), сконфигурированное определять цепь (2') передачи из упомянутых цепей генерации, когда упомянутый принимающий индуктор находится поблизости от упомянутой цепи (2') передачи, после чего упомянутая цепь (2') передачи эксплуатируется для генерации первого магнитного поля (8), имеющего первую фазу, для индукции тока в упомянутом принимающем индукторе, и по меньшей мере одна из оставшихся цепей генерации эксплуатируется в качестве цепи (2", 52, 82) компенсации для генерации второго магнитного поля (21), имеющего противоположную фазу к упомянутой первой фазе,
при этом упомянутая цепь (2", 52, 82) компенсации содержит по меньшей мере один виток проводника, расположенный по границе упомянутой зоны передачи для генерации упомянутого второго магнитного поля (21).

2. Система по п.1, в которой упомянутая цепь (2') передачи и упомянутая по меньшей мере одна цепь (2", 52, 82) компенсации эксплуатируются так, чтобы амплитуда магнитного потока упомянутого первого магнитного поля (8) соответствовала амплитуде магнитного потока упомянутого второго магнитного поля (21).

3. Система по п.1, в которой каждая из упомянутых цепей генерации содержит катушку (2) с несколькими витками для генерации упомянутых магнитных полей (8, 21).

4. Система по п.3, в которой количество витков цепи (2') передачи соответствует количеству витков упомянутой по меньшей мере одной цепи (2", 52, 82) компенсации.

5. Система по любому из пп.1-4, в которой каждая цепь генерации имеет ассоциированное средство (4) обнаружения, соединенное с управляющим устройством (3), для обнаружения близости принимающего индуктора к соответствующей цепи генерации.

6. Система по п.5, в которой упомянутые средства (4) обнаружения являются RFID-детекторами и упомянутое устройство содержит RFID-метку (17).

7. Система по любому из пп.1, 2 и 4, в которой упомянутый базовый блок (1) содержит средство выявления, соединенное с управляющим устройством (3), для выявления магнитного поля, чтобы упомянутая цепь (2", 52, 82) компенсации работала для минимизации магнитного дальнего поля упомянутой цепи (2') передачи.

8. Устройство (10) для использования в системе по любому из предшествующих пунктов.

9. Базовый блок (1) для использования в системе беспроводной передачи энергии, содержащий:
несколько цепей генерации магнитного поля, причем эти цепи генерации располагаются на плоскости, формируя зону передачи, и
управляющее устройство (3), сконфигурированное определять цепь (2') передачи из упомянутых цепей генерации, когда принимающий индуктор находится поблизости от упомянутой цепи (2') передачи, после чего упомянутая цепь (2') передачи эксплуатируется для генерации первого магнитного поля (8), имеющего первую фазу, для индукции тока в упомянутом принимающем индукторе, и по меньшей мере одна из оставшихся цепей генерации эксплуатируется как цепь (2", 52, 82) компенсации для генерации второго магнитного поля (21), имеющего противоположную фазу к упомянутой первой фазе, при этом упомянутая цепь (2", 52, 82) компенсации содержит по меньшей мере один виток проводника, расположенный по границе упомянутой зоны передачи для генерации упомянутого второго магнитного поля (21).

10. Способ эксплуатации системы беспроводной передачи энергии, содержащей базовый блок (1), имеющий несколько цепей генерации магнитного поля, причем эти цепи генерации располагаются на плоскости, формируя зону передачи, и устройство (10), отделимое от упомянутого базового блока (1), имеющее принимающий индуктор, приспособленный для приема энергии индуктивным образом, когда упомянутое устройство (10) находится поблизости от одной из упомянутых цепей генерации, содержащий этапы, на которых:
определяют близость принимающего индуктора к цепи (2') передачи из упомянутых цепей генерации,
эксплуатируют упомянутую цепь (2') передачи для генерации первого магнитного поля (8) для индукции тока в упомянутом принимающем индукторе и
эксплуатируют по меньшей мере одну из оставшихся цепей генерации в качестве цепи (2", 52, 82) компенсации для генерации второго магнитного поля (21) в противоположной фазе к упомянутому первому магнитному полю (8),
при этом упомянутая цепь (2", 52, 82) компенсации содержит по меньшей мере один виток проводника, расположенный по границе упомянутой зоны передачи для генерации упомянутого второго магнитного поля (21).

11. Носитель данных, содержащий компьютерную программу, обеспечивающую реализацию способа по п.10 при ее исполнении на компьютере.